基于云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧醫(yī)療系統(tǒng)研究

林元模 許朝陽 聞輝 姚麗菡

摘 ? 要：隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，享受便捷、高效、安全的醫(yī)療服務(wù)已成為人們的迫切需求。但現(xiàn)有醫(yī)療系統(tǒng)，具有人力和物力投入不足、醫(yī)療資源兩極化、服務(wù)效率低等問題?；诖耍恼绿岢隽艘环N基于云計算與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧醫(yī)療系統(tǒng)，通過云平臺進(jìn)行信息綜合處理，實時反饋給查詢終端，從而實現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備互聯(lián)互通、信息融合技術(shù)和共享協(xié)作。該系統(tǒng)可以讓更多的人共享有限的醫(yī)療資源，提高了醫(yī)院的醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量，對智慧醫(yī)療具有重要指導(dǎo)意義和市場價值。

關(guān)鍵詞：射頻識別;云計算;物聯(lián)網(wǎng);智慧醫(yī)療;負(fù)載均衡

智慧醫(yī)療是隸屬于智慧城市戰(zhàn)略規(guī)劃中民生經(jīng)濟(jì)帶動下的經(jīng)濟(jì)增長點和產(chǎn)業(yè)升級的一項重要應(yīng)用領(lǐng)域[1]。它將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)等應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域（醫(yī)院信息化、健康管理信息化、區(qū)域醫(yī)療信息化）。智慧醫(yī)療體系主要包括4個階段：信息數(shù)據(jù)采集主要由物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)實現(xiàn);信息網(wǎng)絡(luò)傳輸主要通過WiFi無線局域網(wǎng)絡(luò)接入;數(shù)據(jù)智能分析依托于云計算實現(xiàn)大數(shù)據(jù)處理。信息服務(wù)由云服務(wù)和醫(yī)療終端組成。

基于云計算技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧醫(yī)療系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的中間件來實現(xiàn)不同產(chǎn)品之間的互通，采用無線射頻技術(shù)進(jìn)行WiFi無線局域網(wǎng)絡(luò)的各接入點的負(fù)載均衡。在醫(yī)院內(nèi)部署傳感器網(wǎng)絡(luò)、射頻識別裝置，可實現(xiàn)隨時隨地將前端采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)寫入到智慧醫(yī)療后臺的分布式數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。專家、醫(yī)生、病人及家屬亦可通過電腦以及移動設(shè)備訪問智慧云平臺，實時查看相關(guān)診斷結(jié)果，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢。從醫(yī)院的病人管理、醫(yī)療設(shè)備管理、藥品管理、問診等方面入手，建立案例共享庫，實現(xiàn)資源共享，智慧醫(yī)療云服務(wù)為各醫(yī)院之間提供病友案例協(xié)作功能，促進(jìn)醫(yī)療資源共享，提高醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量[2]。

1 ? ?智慧醫(yī)療系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

RFID為閱讀器與標(biāo)簽之間進(jìn)行非接觸式的數(shù)據(jù)通信。基于RFID的智能醫(yī)療系統(tǒng)涵蓋了病人、員工、藥品標(biāo)簽以及其他資產(chǎn)標(biāo)簽等，主要包括：信息服務(wù)中心管理、住院病人管理、醫(yī)務(wù)人員管理、急診病人管理、醫(yī)療設(shè)備管理、藥品庫管理等功能模塊。智慧醫(yī)療系統(tǒng)通過RFID對門診和住院部的病人等實現(xiàn)標(biāo)簽化管理，通過掃描標(biāo)簽，可實時查詢病例、用藥、化驗等醫(yī)院內(nèi)部相關(guān)數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)為醫(yī)生、病人及親屬、醫(yī)療設(shè)備、藥品等發(fā)放電子標(biāo)簽，并分配相應(yīng)權(quán)限;在這些人或物活動的場所設(shè)置讀寫器和天線，如藥房、急診處、化驗室、特護(hù)病房等[3]。

1.1 ?有源RFID模塊

該系統(tǒng)采用RFID射頻模塊來識別病例、床位、藥物使用、掛號、就診、繳費等信息，通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別的距離最大可達(dá)到幾十米。根據(jù)讀寫方式的不同，可以輸入數(shù)千字節(jié)的信息。該模塊從讀取標(biāo)簽信息的設(shè)備以及標(biāo)簽中寫入信息，實現(xiàn)不同射頻卡的各種信息功能和作用，并且具備安全性、自動識別等功能，可工作于不同環(huán)境。

1.2 ?WiFi/RFID閱讀器

通過讀取患者佩戴的電子腕帶RFID標(biāo)簽，就可以自動感應(yīng)到儲存的患者信息、用藥情況、檢查結(jié)果報告等傳輸入醫(yī)院數(shù)據(jù)庫。護(hù)士和患者就能隨時掌握用藥、檢查和醫(yī)囑的執(zhí)行情況。

參數(shù)要求：讀取范圍：0～50 m;頻率：2.4 GHz ISM;調(diào)制方式：GFSK;數(shù)據(jù)速率：1 Mbps;防沖突：同時讀取100 Tags。

2 ? ?智慧醫(yī)療系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)信息平臺設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)信息平臺以光載無線交換機(jī)和上層應(yīng)用程序為核心，把醫(yī)院內(nèi)的各種物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備包括傳感器、射頻識別讀卡器等，通過與無線接入控制器、無線接入點以及現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、路由器建立物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部局域網(wǎng)。

目前，醫(yī)院內(nèi)部以部署無線集中控制器（Access Controlle，AC）+瘦無線接入點（Access Point，AP）的架構(gòu)來進(jìn)行布網(wǎng)，用2.4 GHz和5.8 GHz（主要用于視頻監(jiān)控和視頻醫(yī)用影像）無線基站混網(wǎng)構(gòu)建高速的無線通信網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)WiFi基站的統(tǒng)一管理，信道資源的統(tǒng)一分配。通過WiFi網(wǎng)絡(luò)建立一套高速通訊網(wǎng)，通過RFID-WiFi讀卡器，實現(xiàn)RFID標(biāo)簽與后端服務(wù)器的連通，通過物聯(lián)網(wǎng)信息管理系統(tǒng)實現(xiàn)對RFID標(biāo)簽的管理。將WiFi無線局域網(wǎng)技術(shù)、光通信技術(shù)和射頻識別技術(shù)融為一體，組成多種無線網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)信息平臺[4]，為各類應(yīng)用軟件、傳感器、視頻圖像實現(xiàn)醫(yī)院內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)的無縫覆蓋，如圖1所示。

3 ? ?智慧醫(yī)療系統(tǒng)的云平臺設(shè)計

醫(yī)院每天會產(chǎn)生大量醫(yī)療健康數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)24 h不間斷地傳到智慧醫(yī)療云平臺上。云服務(wù)后臺利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對這些海量醫(yī)療健康數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的分析處理，通過分析相關(guān)數(shù)據(jù)，協(xié)助醫(yī)院對醫(yī)療信息進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、高效的管理，進(jìn)一步提供及時的病征預(yù)警、遠(yuǎn)程咨詢處置、精準(zhǔn)疾病干預(yù)以及個性化健康服務(wù)[5]。

3.1 ?負(fù)載均衡

負(fù)載均衡是將數(shù)據(jù)處理或者其他業(yè)務(wù)分配到其他多個操作單元上執(zhí)行。在負(fù)載均衡中，中心服務(wù)器將所有請求轉(zhuǎn)發(fā)到某個具體的后端服務(wù)器上處理。在智慧醫(yī)療系統(tǒng)中，采用高性能HTTP和反向代理服務(wù)器Nginx實現(xiàn)負(fù)載均衡中心服務(wù)器，如圖2所示。

在upstream配置模塊中server后的配置代表每個后端服務(wù)器，weight=1代表負(fù)載的權(quán)值，值越大權(quán)重越大，分配到此服務(wù)器的請求越多。down配置表示此服務(wù)不參與負(fù)載均衡，此配置用于在某個后端服務(wù)器出現(xiàn)故障的情況下，臨時取消此服務(wù)器的負(fù)載分配。Backup在所有其他服務(wù)器服務(wù)負(fù)載忙或者不可用時，請求會轉(zhuǎn)發(fā)到該臺服務(wù)器。

3.2 ?Web服務(wù)軟件設(shè)計

云計算包括資源的網(wǎng)站和基于抽象的底層基礎(chǔ)設(shè)施可彈性擴(kuò)展的服務(wù)。智慧醫(yī)療系統(tǒng)的軟件服務(wù)采用瀏覽器和服務(wù)器（Browser/Server，B/S）架構(gòu)，開發(fā)Web服務(wù)，輕松解決跨平臺的系統(tǒng)使用問題。軟件服務(wù)可動態(tài)更新、發(fā)布服務(wù)，無需重復(fù)下載和更新，對用戶來說毫無感知。在通信協(xié)議上采用https進(jìn)行加密傳輸，敏感數(shù)據(jù)部分使用MD5散列函數(shù)對用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，為智慧醫(yī)療系統(tǒng)的安全保駕護(hù)航。

前端采用Vue.js，JQuery，Bootstrap前端框架，進(jìn)行前后端分離方式開發(fā)，調(diào)用后端提供的用戶中心、信息管理、權(quán)限管理、醫(yī)護(hù)管理等服務(wù)接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動頁面響應(yīng)，如圖3所示。

后端服務(wù)采用谷歌開源的GO語言進(jìn)行開發(fā)，能夠解決單臺服務(wù)的高并發(fā)。在后端采用微服務(wù)框架，微服務(wù)將系統(tǒng)分割成一個個小的基礎(chǔ)服務(wù)，服務(wù)間通過RPC通信，降低模塊間的耦合性，提高服務(wù)器的穩(wěn)定性和靈活性。主要實現(xiàn)微服務(wù)包括：數(shù)據(jù)存儲查詢服務(wù)、就診服務(wù)、病例服務(wù)、住院服務(wù)、結(jié)算服務(wù)、權(quán)限管理服務(wù)等，如圖4所示。

住院管理是對住院病人信息的集中式管理，在此模塊中可查看病人的病房號，負(fù)責(zé)的護(hù)士以及住院期間的生活習(xí)慣，如作息、運動等基礎(chǔ)信息。同時，此模塊與信息采集端實時聯(lián)動、查看住院患者的體溫、脈搏、心率等信息。

信息管理主要包括醫(yī)院的重要會議、通知等信息。門診病人包括預(yù)約、掛號、診斷、病歷等子模塊。

權(quán)限管理模塊主要是將醫(yī)院工作人員分配成不同的角色，不同的角色有著不同的權(quán)限，根據(jù)登陸用戶權(quán)限的不同，前端展示的頁面菜單也不盡相同。如超級管理員有權(quán)限管理菜單、門診病人、信息管理、醫(yī)護(hù)管理、住院管理等所有的菜單權(quán)限，對于護(hù)士來說只有醫(yī)護(hù)管理權(quán)限。

智能化藥房系統(tǒng)將藥品存儲和流通全部實現(xiàn)智能化管理，并可對存儲的溫濕度、藥品庫存情況等環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測。能自動記錄各種藥品的使用規(guī)律，如藥品的質(zhì)保期、患者使用藥量統(tǒng)計等。通過大數(shù)據(jù)分析和智能計算，自動完成藥房藥品的采購清單，最大限度地降低藥品的庫存量[6]。

4 ? ?結(jié)語

智慧醫(yī)療系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，基于RFID技術(shù)的信息實時采集和處理技術(shù)。通過對門診、住院部的病人實現(xiàn)標(biāo)簽化管理，可實時查詢病人病例、生理信號、化驗結(jié)果、用藥情況等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)病人的智能化管理。醫(yī)生通過病患回傳到云端數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析下藥，并把問診記錄回傳到每個病患專屬的電子病例當(dāng)中，利用物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)，促進(jìn)醫(yī)療資源共享和提高醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量。

[參考文獻(xiàn)]

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