基于物聯(lián)網(wǎng)下的智慧醫(yī)療體系架構(gòu)及其應(yīng)用

鄭改成

(太原理工大學(xué)輕紡工程學(xué)院，山西 晉中 030600)

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基于物聯(lián)網(wǎng)下的智慧醫(yī)療體系架構(gòu)及其應(yīng)用

鄭改成

(太原理工大學(xué)輕紡工程學(xué)院，山西 晉中 030600)

智慧醫(yī)療，也稱醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)，在我國少數(shù)城市已經(jīng)開始部署和投入使用。本文在闡述智慧醫(yī)療相關(guān)概念基礎(chǔ)上，重點介紹了智慧醫(yī)療的技術(shù)體系及功能體系架構(gòu)，并對各組成部分的分類、作用進行了相關(guān)介紹。最后強調(diào)了智慧醫(yī)療的信息安全要求，列舉了智慧醫(yī)療的部分應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)；智慧醫(yī)療；移動健康；無線軀體傳感網(wǎng)；移動通信網(wǎng)；無線局域網(wǎng)

智慧醫(yī)療(Smart Healthcare)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用下的一個分支，是國家十一五中長期戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃之一。衛(wèi)生部早在2010年就提出衛(wèi)生系統(tǒng)3251工程建設(shè)，即建設(shè)國家、省、地(市)三級衛(wèi)生信息平臺；完善公共衛(wèi)生信息應(yīng)用系統(tǒng)、醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)系統(tǒng)、新型農(nóng)村醫(yī)療信息應(yīng)用系統(tǒng)、藥品管理信息應(yīng)用系統(tǒng)和衛(wèi)生綜合管理系統(tǒng)；建立居民電子健康檔案(相關(guān)報道，2020年完成該目標(biāo))和電子病歷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫；健全覆蓋全行業(yè)的衛(wèi)生信息專網(wǎng)[1]。

在未來若干年，醫(yī)療行業(yè)將融入到人工智慧、傳感器技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、云計算和無線通信當(dāng)中，走向真正意義上的智能化?？捎行У鼐徑狻搬t(yī)療成本高、渠道少、覆蓋面低，大醫(yī)院人滿為患，社區(qū)醫(yī)院無人問津、就診手續(xù)繁瑣以及看病難、看病貴”等問題[2]。

智慧醫(yī)療的概念尚無統(tǒng)一定語。百度定義為“通過打造健康檔案區(qū)域醫(yī)療信息平臺，利用最先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)患者與醫(yī)務(wù)人員、醫(yī)療機構(gòu)和醫(yī)療設(shè)備之間的互動，逐步達到全民醫(yī)療健康信息化”；文獻[1]認(rèn)為“智慧醫(yī)療可被定義為生命科學(xué)和信息技術(shù)相互融合的交叉科學(xué)”，其核心也是百度所給出的定義。從業(yè)務(wù)類型上講，智慧醫(yī)療含健康管理、區(qū)域醫(yī)療、衛(wèi)生服務(wù)活動和遠程醫(yī)療等；而技術(shù)上含電子健康檔案、電子病歷、數(shù)據(jù)庫元數(shù)據(jù)集和無線醫(yī)療病房等[1]。

就一個城市而言，智慧醫(yī)療的物理組成可分為智慧醫(yī)院系統(tǒng)、區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng)和家庭健康系統(tǒng)三部分。毋庸置疑，智慧醫(yī)院是核心關(guān)鍵，它由數(shù)字醫(yī)院和提升應(yīng)用兩部分組成。數(shù)字醫(yī)院由醫(yī)院信息系統(tǒng)(HIS)、實驗室信息系統(tǒng)(LIS)、醫(yī)學(xué)影像信息的存儲系統(tǒng)(PACS)，醫(yī)生工作站四部分構(gòu)成，可實現(xiàn)患者的診療信息和行政管理信息的收集、存儲、處理、提取和交換；提升應(yīng)用包括遠程圖像傳輸，海量數(shù)據(jù)計算處理等，以實現(xiàn)遠程會診、臨床決策、處方、探視、報警等；家庭健康系統(tǒng)是最貼近群眾的健康保障，可對慢性病、老弱幼婦患者進行遠程監(jiān)護，對智障、殘疾、傳染病等特殊人群進行監(jiān)測；區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng)含區(qū)域衛(wèi)生平臺及公共衛(wèi)生系統(tǒng)[2]。

智慧醫(yī)療具有互聯(lián)性、協(xié)作性、預(yù)防性、普及性、可靠性、創(chuàng)新性等特點。經(jīng)授權(quán)的醫(yī)生能隨時查閱患者病歷、檔案等，患者也可自主選擇更換醫(yī)生或醫(yī)院[2]。

1 物聯(lián)網(wǎng)體系下的智慧醫(yī)療體系架構(gòu)

智慧醫(yī)療的體系架構(gòu)是以物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)為平臺的，如圖1所示[1，2]。

1) 感知層。主要由無線醫(yī)療傳感器節(jié)點組成，也稱為無線軀體傳感網(wǎng)(BSN，body sensor network)或體域網(wǎng)[1]，主要對人體生理和疾病狀態(tài)進行實時測量與監(jiān)視。這些智能的網(wǎng)絡(luò)化感知終端應(yīng)用場景可分為四類，分別是：①社區(qū)/醫(yī)院場景，含功能檢查、內(nèi)窺檢查、實驗、病理、射線、超聲波診斷等終端，放射、理化、核醫(yī)學(xué)、激光、透析護理等治療類終端和消毒、制冷、血庫、制/配藥等輔助類終端；②家庭/個人場景，主要是一些常規(guī)的生理/生命指標(biāo)參數(shù)監(jiān)測終端，如無線智能血壓計、血糖儀、心率儀等；③車載/移動、野外救災(zāi)場景，屬于急救應(yīng)用場合[1]。

感知層終端也可分為位置固定型和移動型(含智能手機、PDA等)。后者用以滿足移動健康類業(yè)務(wù)，如家庭/個人場景、急救類應(yīng)用場景的診斷和治療。該層是智慧醫(yī)療的“眼睛”，是信息反饋環(huán)節(jié)，其測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和安全性直接影響到醫(yī)生對患者病情和病理的推斷，一旦出現(xiàn)紕漏和安全問題，就會導(dǎo)致醫(yī)生的錯誤判斷，造成病情延誤和患者的生命安全。因此該層在數(shù)據(jù)監(jiān)測、保護、處理、抗干擾及網(wǎng)絡(luò)安全保護環(huán)節(jié)的硬件、軟件系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)顯得尤為重要。目前，醫(yī)療健康感知終端以數(shù)字化、接口標(biāo)準(zhǔn)化、低功耗低成本化等為發(fā)展趨勢[1]，一些具有時代發(fā)展特點的醫(yī)療終端正在逐步得到應(yīng)用，如數(shù)字化生物傳感診斷，機器人器械輔助診斷，網(wǎng)絡(luò)醫(yī)療終端、微創(chuàng)化醫(yī)療終端等[1]。

2) 網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層用來實現(xiàn)感知層與應(yīng)用層之間數(shù)據(jù)的雙向遠近距離的傳輸、云計算、打包壓縮、抗干擾、文本格式化等處理，或者說實現(xiàn)二者之間數(shù)據(jù)的在線和實時共享。其架構(gòu)是建立在固定通信和移動通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上的。固定通信網(wǎng)絡(luò)可以國家電子政務(wù)外網(wǎng)作為平臺，以此部署衛(wèi)生部門所有的縱向業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)，該平臺縱向覆蓋國家、省(直轄市)、地(市)、縣(市、區(qū))級的政府職能部門，并實現(xiàn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)、村(社區(qū))的網(wǎng)絡(luò)接入；而橫向覆蓋各級政府衛(wèi)生行政機構(gòu)、醫(yī)院、公共衛(wèi)生中心、醫(yī)保中心等的網(wǎng)絡(luò)接入。移動通信網(wǎng)架構(gòu)也稱為mHealth平臺(移動健康平臺)，它將患者側(cè)的移動健康設(shè)備、醫(yī)務(wù)人員側(cè)的醫(yī)療設(shè)備和一些應(yīng)用服務(wù)器作為終端接入網(wǎng)絡(luò)[1]。

圖1 智慧醫(yī)療技術(shù)體系

無線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)是現(xiàn)階段能夠滿足移動醫(yī)療通信的首選技術(shù)，其突破了有線網(wǎng)絡(luò)終端移動不方便、部署復(fù)雜、布線凌亂等局限性，可安裝覆蓋在病房、急診、ICU、手術(shù)室等需要醫(yī)護人員移動工作的區(qū)域。為了確保信號的連續(xù)性，采用AP(Access Point，無線訪問節(jié)點)中的FIT AP(瘦型AP)部署方式，能使患者側(cè)和醫(yī)務(wù)人員側(cè)的mHealth終端實現(xiàn)真正地?zé)o縫漫游，而不會發(fā)生掉線、中斷等事故；在安全方面，采用常用的IEEE802.11b無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其電波的的輻射功率在2英寸半徑內(nèi)約為2 μw/cm2，大大小于FCC(美聯(lián)邦通信委員會)要求的極限值1 000 μw/cm2；其次，WLAN設(shè)備在調(diào)制方式與使用頻段上與醫(yī)療設(shè)備不同，而不會產(chǎn)生相互干擾，在信息安全方面，多采用IEEE802.11i認(rèn)證與加密，即采用先進的周密的WPA2(WiFi Protected Access，WiFi網(wǎng)絡(luò)保護訪問)加密措施， 以增加數(shù)據(jù)保護能力[1]。

移動通信網(wǎng)絡(luò)是WLAN組網(wǎng)的基柱。圖2所示為醫(yī)療信息移動通信網(wǎng)絡(luò)的功能架構(gòu)[1]，其硬件主體由移動健康平臺、患者側(cè)和醫(yī)務(wù)人員側(cè)移動健康診斷/醫(yī)療終端設(shè)備三部分組成。

◆ 移動健康平臺(mHealth Platform)，是智慧醫(yī)療的業(yè)務(wù)支撐，也是一個IT平臺。其中的門戶網(wǎng)站(Web Portal)為簽約者、患者及醫(yī)務(wù)人員提供業(yè)務(wù)操作和觀察入口；B2B管理模塊為健康實施企業(yè)(醫(yī)院、衛(wèi)生服務(wù)中心、疾控中心、醫(yī)保等)提供管理功能。例如醫(yī)院方為醫(yī)務(wù)人員提供訪問權(quán)限，醫(yī)保中心或行政部門向醫(yī)院提供患者和醫(yī)務(wù)人員的費用結(jié)算信息等；B2B醫(yī)療數(shù)據(jù)交換模塊負(fù)責(zé)移動健康平臺與醫(yī)療企業(yè)的數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)信息往來。

◆ 患者側(cè)的移動健康設(shè)備 具體如前所述。在此要強調(diào)的是這些設(shè)備中均安裝有移動網(wǎng)絡(luò)SIM卡。SIM對簽約者的身份進行管理，確保以消費者具體身份與網(wǎng)絡(luò)之間進行操作和信息交換，并且SIM為嵌入式，與通信模塊集成在一起(?？ㄒ惑w化)，用戶是不能隨意拔插和更換的[1]。

◆ 醫(yī)務(wù)人員側(cè)醫(yī)療設(shè)備 在該側(cè)，醫(yī)務(wù)人員可瀏覽醫(yī)療數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的安全性由設(shè)備上的UICC(通用集成電路卡)卡提供[1]。

圖2 醫(yī)療信息移動通信網(wǎng)絡(luò)功能架構(gòu)

3) 應(yīng)用層。應(yīng)用層由業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(急救類、慢病類、個人健康管理類)和云計算支撐平臺共同完成。后者用以實現(xiàn)智慧醫(yī)療中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的整合及與運營相關(guān)的功能，也可以直觀地說這兩個組成部分為終端設(shè)備層和應(yīng)用程序?qū)?。前者提供人機接口及各終端設(shè)備的“物物相連”，后者進行數(shù)據(jù)的融合處理，主要包括支付、監(jiān)控、定位、盤點、預(yù)測等，涵蓋了患者與醫(yī)療機構(gòu)相關(guān)的方方面面，是智慧醫(yī)療與物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)技術(shù)的深度融合[3]。同時，兩個層都可以采用基于J2EE(java2平臺，企業(yè)版標(biāo)準(zhǔn))的架構(gòu)設(shè)計，也可以采用云計算結(jié)構(gòu)的架構(gòu)設(shè)計[1]。

2 智慧醫(yī)療的信息安全

智慧醫(yī)療雖是物聯(lián)網(wǎng)的一個分支，但其體系龐大，平臺開放性強，業(yè)務(wù)繁雜，用戶身份多，尤其是患者的敏感隱私信息多，空間數(shù)據(jù)量大，信息的城域聯(lián)動性也很強，這些特殊的應(yīng)用特點，就需要有強大的安全保障作支撐。但這一支撐不是上述三個結(jié)構(gòu)層的安全措施的簡單相加，而是需要采用多層次、多級別的安全體系架構(gòu)，以確保個人健康信息、醫(yī)療信息、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息等在公共服務(wù)平臺及個人/家庭操作平臺上的互操作安全性[3]。

智慧醫(yī)療的信息安全系統(tǒng)模型架構(gòu)由信息安全技術(shù)系統(tǒng)和信息安全操作平臺共同組成[3]。前者包括智慧醫(yī)療敏感信息的追蹤和防泄漏技術(shù)(如患者健康信息、醫(yī)療器械信息、手術(shù)信息、醫(yī)療垃圾處理信息等)、用戶與智慧醫(yī)療網(wǎng)之間的認(rèn)證技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸安全約束技術(shù)、匿名/實名身份認(rèn)證技術(shù)、指紋/面部識別技術(shù)等；而后者是針對信息聯(lián)動的應(yīng)用平臺和多級別的大數(shù)據(jù)下提供的安全訪問機制，為智慧醫(yī)療系統(tǒng)的擴展、使用及建設(shè)提供了安全保障[3]。

3 應(yīng)用列舉[1]

1) 遠程會診。即智慧醫(yī)療網(wǎng)內(nèi)多個醫(yī)療機構(gòu)的專家在異地通過網(wǎng)絡(luò)、多媒體等技術(shù)調(diào)閱患者的電子病歷和電子健康檔案與患者及家屬進行語音、視頻等交流，最終給出匯總診斷和治療方案。

2) 無線移動門診輸液系統(tǒng)。數(shù)字化醫(yī)院是智慧醫(yī)療的根本，其最終是讓患者與醫(yī)務(wù)人員之間、患者與醫(yī)療設(shè)備之間、醫(yī)療設(shè)備與監(jiān)測設(shè)備之間等通過通信連為一體。無線移動門診輸液系統(tǒng)，首先是護士站通過患者的RFID標(biāo)簽識別出其位置和診療方案，然后采集座位號、床位號等信息，并呼叫患者就位；該信息同時傳送至藥房，并通過RFID完成患者身份、藥品及血袋的識別，護士站人員再次通過RFID識別從藥房指定窗口拿取藥品，為患者服務(wù)。此時只有患者的RFID信息與藥品RFID信息比對并匹配成功之后，才能進行輸液。該過程能夠有效地避免醫(yī)療差錯的發(fā)生，確保了治療安全。

3) 其它應(yīng)用。人員定位與監(jiān)控，智能急救監(jiān)護，藥品供應(yīng)鏈監(jiān)護，藥品防偽，醫(yī)療器械管理，血液管理，消毒包管理，醫(yī)療垃圾處理等。

4 展望與思考

伴隨著國家十三五規(guī)劃落地，健康中國已經(jīng)升級為國家戰(zhàn)略，“互聯(lián)網(wǎng)+”將成為推動健康中國發(fā)展的重要技術(shù)手段，智慧醫(yī)療、三醫(yī)聯(lián)動、分級診療等實施將成為重頭戲。而智慧醫(yī)療將為我國的醫(yī)療發(fā)展帶來一場效率革命，以此提高醫(yī)院工作效率和醫(yī)療水平，緩解看病難、看病貴等矛盾，且關(guān)注弱勢群體的醫(yī)療服務(wù)將不再是夢想[5]。

目前，推進信息化醫(yī)療機構(gòu)建設(shè)的城市很多，但面臨的挑戰(zhàn)也很多，如臨床信息建設(shè)相對滯后；由于各醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的制造標(biāo)準(zhǔn)或者各醫(yī)療機構(gòu)的采購標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，使之互聯(lián)互通，信息共享成為問題，即各自為戰(zhàn)，形成信息孤島。因此應(yīng)統(tǒng)一相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并與國際接軌，積極借鑒國外先進經(jīng)驗和工作模式，真正意義上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息化、智慧化、精準(zhǔn)化及高效率的醫(yī)療體系[4]。

[1] 唐雄燕.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧醫(yī)療技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[2] 百度百科.智慧醫(yī)療.

[3] 胡新麗.物聯(lián)網(wǎng)框架下的智慧醫(yī)療體系架構(gòu)模型構(gòu)建[J].電子政務(wù)，2013(12)：28-29.

[4] 李瑾.移動智慧醫(yī)療系統(tǒng)的構(gòu)建與思考[J].東南國防醫(yī)藥，2015(5)：331.

[5] 中投顧問產(chǎn)業(yè)研究中心.2016-2020年中國智慧醫(yī)療行業(yè)深度調(diào)研及投資前景預(yù)測報告.2.

Architecture and Application of the Smart Healthcare Based on Internet of Things

Zheng Gaicheng

(TheCollegeofLightTextile,TaiyuanUniversityofTechnology,JinzhongShanxi030600,China)

The smart healthcare,also known as the medical Internet of things,has been deployed and put into use in a few cities in China.Based on the elaboration of related concept of the smart healthcare,this paper focuses on the technology system and functional architecture of smart healthcare,and introduces the classification and function of each unit.Finally,it emphasizes the information security requirements of the smart healthcare,and enumerates some of the applications of it.

IOT; smart healthcare; mobile health; mobile communication network; WLAN

2016-07-07

鄭改成(1963-)，男，山西永濟人，副教授，研究方向：計算機測量與控制。

1674-4578(2016)05-0066-03

TP393

A