一種基于霧計(jì)算的健康監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

泮洪杰 劉紀(jì)敏 趙慧奇

摘 要：為了進(jìn)一步提高醫(yī)養(yǎng)健康服務(wù)質(zhì)量并解決傳統(tǒng)方案中存在的數(shù)據(jù)時延與數(shù)據(jù)隱私問題，提出一種居家環(huán)境中健康信息采集與管理系統(tǒng)架構(gòu)方案。該方案采用霧計(jì)算范式，通過部署在社區(qū)中的眾多智能網(wǎng)關(guān)形成邊緣霧，能夠更好地拓展云計(jì)算覆蓋范圍并解決基于云的物聯(lián)網(wǎng)模式數(shù)據(jù)延時嚴(yán)重和帶寬資源利用率低的問題。主要功能包括用戶設(shè)備接入管理、實(shí)時數(shù)據(jù)處理、任務(wù)緊急程度分類、針對用戶數(shù)據(jù)分析結(jié)果的消息通知等。該方案的實(shí)現(xiàn)能夠進(jìn)一步提高醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量、簡化服務(wù)流程，適用于新型養(yǎng)老模式與高級住宅建設(shè)。

關(guān)鍵詞：醫(yī)養(yǎng)健康;信息采集;霧計(jì)算;物聯(lián)網(wǎng);智能網(wǎng)關(guān)

DOI：10. 11907/rjdk. 191949 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）005-0124-04

0 引言

在全球人口老齡化背景下，針對老年人提供日常健康信息監(jiān)控和健康狀況評估意義深遠(yuǎn)[1]。像腦溢血、心臟病等突發(fā)急性病致死大多是未能得到及時救治而造成的。因此，及時獲取個人日常健康信息并在健康異常時及時采取搶救措施可以大幅度降低死亡率。隨著生物信息傳感技術(shù)和通信技術(shù)的逐漸發(fā)展，在醫(yī)療保健4.0下的診療服務(wù)不再僅僅以醫(yī)院為中心，其能夠使醫(yī)療服務(wù)提供者對患者進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，不僅為患者提供了方便，而且能夠減輕醫(yī)療服務(wù)提供者壓力[2-3]。在大數(shù)據(jù)技術(shù)支持下，個人日常產(chǎn)生的健康數(shù)據(jù)也能夠?yàn)獒t(yī)學(xué)研究提供非常寶貴的依據(jù)。

基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療健康數(shù)據(jù)采集很早就已被提出并在臨床實(shí)踐中廣泛應(yīng)用[4]。利用物聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)大的感知能力代替人工輸入患者的健康信息，不僅能夠減少勞動力的使用，而且提高了速度和準(zhǔn)確度，已經(jīng)被證明對用戶的健康管理具有積極意義[5]。嵌入式可穿戴設(shè)備的普及使健康數(shù)據(jù)監(jiān)測進(jìn)一步簡化。如文獻(xiàn)[6]中，使用可穿戴設(shè)備采集人體的生物信號，并在本地的嵌入式平臺運(yùn)行復(fù)雜算法，實(shí)驗(yàn)證明可以在不限制患者行動的前提下非常準(zhǔn)確地監(jiān)測心腦血管疾病。然而，這對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的性能和電池壽命是一種挑戰(zhàn)。

隨著高新技術(shù)的不斷升級，基于物聯(lián)網(wǎng)的傳統(tǒng)健康數(shù)據(jù)收集服務(wù)呈現(xiàn)出新的發(fā)展方向和重點(diǎn)，云計(jì)算技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的整合應(yīng)用解決了邊緣設(shè)備計(jì)算與存儲方面的諸多問題。一方面簡化了邊緣設(shè)備的硬件組成復(fù)雜度，另一方面利用云計(jì)算服務(wù)提高了遠(yuǎn)程計(jì)算和資源共享功能。研究表明，云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)整合進(jìn)一步延伸了醫(yī)療健康數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍且更有益于醫(yī)療保健研究，對改善醫(yī)療服務(wù)現(xiàn)狀有積極作用，并且通過云平臺提供的遠(yuǎn)程服務(wù)實(shí)現(xiàn)病人遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，能夠優(yōu)化醫(yī)療人員的工作服務(wù)流程，提高醫(yī)療效率[7-8]。很多學(xué)者根據(jù)具體問題提出了自己的方案。如Xu等[9]為了改善移動醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)在個性化健康數(shù)據(jù)處理上面臨的挑戰(zhàn)，提出采用分層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)個性化存儲、處理和分析，并通過實(shí)驗(yàn)證明了其可用性;Almashaqbeh等[10]通過利用動態(tài)信道分配策略，延遲感知路由度量和WBAN的關(guān)聯(lián)協(xié)議等技術(shù)解決了健康監(jiān)控系統(tǒng)面臨的數(shù)據(jù)量大、用戶移動性和網(wǎng)絡(luò)覆蓋等問題。

盡管基于云的整合應(yīng)用有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是由于云端遠(yuǎn)離終端設(shè)備并且對網(wǎng)絡(luò)帶寬的依賴性較高，因此在醫(yī)療信息監(jiān)控等對時延敏感和穩(wěn)定性要求高的應(yīng)用中仍然需要一種更合適的方法。思科曾于2012年提出一種新的計(jì)算范式——霧計(jì)算[11]，它將集中式的計(jì)算任務(wù)擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)邊緣附近，是云計(jì)算的延伸，在這種模式下物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以在本地網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行處理計(jì)算，從而大大縮短了響應(yīng)時間、減輕了網(wǎng)絡(luò)帶寬負(fù)擔(dān)。此外，在數(shù)據(jù)源所在的本地網(wǎng)絡(luò)內(nèi)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理更有助于安全隱私保護(hù)和位置感知。文獻(xiàn)[12-14]中分析了霧計(jì)算在醫(yī)療保健領(lǐng)域近年來的文獻(xiàn)和成果，指出了霧計(jì)算能夠解決醫(yī)療保健中諸如時延、隱私等問題，總結(jié)了當(dāng)前研究的主流方向，同時指出了不足。

結(jié)合上述分析，本文介紹一種采用霧計(jì)算結(jié)構(gòu)范式、應(yīng)用于社區(qū)家庭環(huán)境中及居家情況下的健康數(shù)據(jù)收集與監(jiān)控系統(tǒng)模型，該模型能夠?yàn)樾滦宛B(yǎng)老模式推進(jìn)和高級住宅社區(qū)建設(shè)提供借鑒。

1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文模型主要用于在居家環(huán)境下對用戶健康信息進(jìn)行采集和實(shí)時監(jiān)控，并在發(fā)生突發(fā)健康狀況時及時處理，以避免更嚴(yán)重的傷害并減少醫(yī)療投入成本。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架由3部分組成，分別為感測設(shè)備層、霧計(jì)算層和云計(jì)算層，如圖1所示。系統(tǒng)可以通過醫(yī)療傳感設(shè)備、可穿戴設(shè)備或者其它智能設(shè)備采集用戶健康數(shù)據(jù)，并通過無線傳輸?shù)男问竭B接到霧層或直接連接到云;霧計(jì)算層由部署在家庭或社區(qū)的具有計(jì)算和存儲能力的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過分布式計(jì)算形式提供支持，其在本地環(huán)境中可以不依賴互聯(lián)網(wǎng);云計(jì)算層能夠提供更大范圍的服務(wù)，用于遠(yuǎn)程訪問、管理以及高級應(yīng)用程序部署。

2 霧層功能設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，在霧層設(shè)計(jì)中采用模塊化設(shè)計(jì)方法。本文通過閱讀大量相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合對當(dāng)?shù)蒯t(yī)療和科研機(jī)構(gòu)的實(shí)際調(diào)研，總結(jié)霧層應(yīng)具備的基礎(chǔ)功能。霧層功能模塊如圖2所示。

2.1 霧計(jì)算節(jié)點(diǎn)

霧計(jì)算與云計(jì)算的核心思想相同，不同之處在于霧計(jì)算更加靠近數(shù)據(jù)源，這使得霧計(jì)算對互聯(lián)網(wǎng)的依賴性更小，因而能夠進(jìn)一步延伸云計(jì)算覆蓋范圍[15]。通常霧節(jié)點(diǎn)不需要特別強(qiáng)大的處理能力，但很多研究者對霧計(jì)算的處理能力和計(jì)算結(jié)果精度感到擔(dān)憂，尤其是在一些要求比較高的應(yīng)用中。然而隨著近年來芯片技術(shù)的發(fā)展，一些小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的計(jì)算能力已經(jīng)完全可以滿足基本要求，而且價格也較低。比如Raspberry Pi，它的體積只有信用卡大小，擁有常見的各種接口和通信功能，最新版本的3代B+型CPU能夠達(dá)到單核1.4GHz的工作頻率，此外它還擁有非常好的擴(kuò)展性，因此作為霧計(jì)算中的計(jì)算節(jié)點(diǎn)是完全可靠的。

在設(shè)計(jì)方案中，霧計(jì)算節(jié)點(diǎn)作為傳感設(shè)備的接入點(diǎn)部署在用戶家庭中。在整個社區(qū)中，大量霧節(jié)點(diǎn)通過局域網(wǎng)連接并利用虛擬化技術(shù)形成擬議框架中的霧層，因此霧層可以在不依賴互聯(lián)網(wǎng)的情況下進(jìn)行本地相關(guān)任務(wù)處理。通過這種方案可以避免互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)故障時導(dǎo)致系統(tǒng)無法運(yùn)行的問題，提高了穩(wěn)定性。同時，霧層能夠通過互聯(lián)網(wǎng)接入云平臺，提供更高層次的服務(wù)。

2.2 設(shè)備接入

在系統(tǒng)架構(gòu)中，健康信息采集設(shè)備通過部署在每個家庭中的接入點(diǎn)接入霧層，用戶通過應(yīng)用程序或者Web網(wǎng)頁對連接接入點(diǎn)的健康信息感測設(shè)備進(jìn)行管理?？紤]到可穿戴設(shè)備或其它傳感設(shè)備通信方式的異構(gòu)性特征，接入點(diǎn)必須具備支持多種無線通信協(xié)議的功能。設(shè)備接入流程如圖3所示。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理模塊主要功能是對接收到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、診斷分析并存儲在本地?cái)?shù)據(jù)庫。

物聯(lián)網(wǎng)感測設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)不可避免會含有大量重復(fù)或者不完整的數(shù)據(jù)，通過預(yù)處理能夠極大降低數(shù)據(jù)體積以減輕本地存儲壓力和數(shù)據(jù)傳輸過程中的帶寬壓力。文獻(xiàn)[16]指出隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，傳感設(shè)備的微型化已經(jīng)很容易實(shí)現(xiàn)，但受電池尺寸和形狀限制，其功耗問題是當(dāng)前面臨的主要問題。該模塊可以對傳感設(shè)備進(jìn)行管理，根據(jù)實(shí)際狀況調(diào)整設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸頻率，以減少不必要的能量消耗。

對數(shù)據(jù)的分析處理大多仍采用峰值檢測等傳統(tǒng)方法，這種方法對計(jì)算能力要求不高，通常被資源限制型的系統(tǒng)使用。本文方案中，由于計(jì)算能力的提高，在對異常健康狀況監(jiān)測時可以使用更加精準(zhǔn)和可靠的方法，例如在心電圖監(jiān)測中使用支持向量機(jī)分類器，能夠?qū)崿F(xiàn)98.9%的分類精度[6]。此外，可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，通過大量的用戶歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，對用戶健康狀況進(jìn)行評估和前瞻性預(yù)測。為了保證監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，考慮本地霧層可能出現(xiàn)的資源不足等狀況，將在下文給出解決方案。

醫(yī)療健康數(shù)據(jù)具有很高的隱私性，其存儲位置受到重點(diǎn)關(guān)注。為此，本架構(gòu)擬采用文獻(xiàn)[17]中提出的醫(yī)療云平臺解決方案，將數(shù)據(jù)存儲在家庭網(wǎng)關(guān)中，在經(jīng)用戶授權(quán)后數(shù)據(jù)可以公開到公共云平臺提供給第三方作為研究使用，確保了個人隱私數(shù)據(jù)的安全性。但是受限于設(shè)備性能，獨(dú)立作為網(wǎng)關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在數(shù)據(jù)處理方面難以令人滿意。

在本文設(shè)計(jì)方案中，數(shù)據(jù)通過分布式存儲方式存儲在覆蓋社區(qū)的“霧”中，這相比于獨(dú)立設(shè)備上的存儲更具有安全性。此外，霧計(jì)算在計(jì)算資源方面也遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝于獨(dú)立設(shè)備，因此可以提供對局部區(qū)域數(shù)據(jù)處理服務(wù)，同時還可以運(yùn)行復(fù)雜算法，實(shí)現(xiàn)在距離數(shù)據(jù)源最近的地方完成必要的處理任務(wù)。

2.4 任務(wù)分類

霧計(jì)算的優(yōu)勢在于對緊急任務(wù)的響應(yīng)時間較短，但不能保證當(dāng)任務(wù)較多時或者大量霧節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障導(dǎo)致計(jì)算資源減少時系統(tǒng)仍能對緊急任務(wù)進(jìn)行最短時間的響應(yīng)。為了能夠體現(xiàn)霧計(jì)算與數(shù)據(jù)源距離的優(yōu)勢，同時避免可能出現(xiàn)的狀況，本方案中通過任務(wù)分類模塊實(shí)現(xiàn)霧層與云層的協(xié)作計(jì)算。

該功能模塊通過分析用戶的歷史健康數(shù)據(jù)，結(jié)合用戶當(dāng)前監(jiān)測項(xiàng)目出現(xiàn)緊急狀況的嚴(yán)重程度，調(diào)整當(dāng)前用戶任務(wù)的時間敏感度，根據(jù)不同任務(wù)的時間敏感度將其分為不同的優(yōu)先等級，對于緊急程度高的任務(wù)將根據(jù)任務(wù)需要充分調(diào)動霧層計(jì)算以及帶寬資源進(jìn)行優(yōu)先處理，并通過最佳方式以最快速度通知家屬或者社區(qū)醫(yī)院;對于優(yōu)先級較低的任務(wù)，系統(tǒng)則會根據(jù)當(dāng)時資源冗余情況，以最佳方式選擇在本地處理或者將數(shù)據(jù)和計(jì)算任務(wù)遷移至云數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。其邏輯流程如圖4所示。

2.5 消息通知

當(dāng)用戶出現(xiàn)健康異常情況時，需及時將異常信息通知給家人或醫(yī)院以便采取必要措施。本文方案中，通過消息通知模塊提供用戶健康異常信息的緊急報(bào)警，還可向用戶定期推送健康報(bào)告及相關(guān)健康知識，讓用戶及時了解自身健康狀況并在平時生活中注意養(yǎng)生，在一定程度上可以起到“早發(fā)現(xiàn)，早預(yù)防”以及“以養(yǎng)代醫(yī)”的作用。

為了保證能夠及時將健康異常報(bào)警信息通知到相關(guān)人員，在設(shè)計(jì)中使用了多種方式。首先，由于社區(qū)醫(yī)療部門處于霧計(jì)算的覆蓋范圍之內(nèi)，當(dāng)檢測到健康異常時可以在不依賴外部互聯(lián)網(wǎng)的情況下通知到社區(qū)醫(yī)護(hù)人員，社區(qū)醫(yī)護(hù)人員能夠在最短時間趕到現(xiàn)場實(shí)施救助。同時，該模塊能夠通過撥打急救電話通知醫(yī)院和患者家屬。

3 云平臺架構(gòu)

盡管霧計(jì)算在不依賴互聯(lián)網(wǎng)的情況下可以獨(dú)立工作，但是隨著數(shù)據(jù)的不斷積累，霧計(jì)算在大數(shù)據(jù)存儲和處理上會面臨相當(dāng)大的壓力。此外，通過霧計(jì)算直接與用戶進(jìn)行交互使得系統(tǒng)的安全性無法得到保障。與霧計(jì)算相比，云計(jì)算具有更大的資源優(yōu)勢，同時在地理分布上能夠提供更廣覆蓋范圍的服務(wù)，云計(jì)算與霧計(jì)算相互配合，能夠彌補(bǔ)彼此的不足。

在本文架構(gòu)中，云平臺實(shí)際上是在云計(jì)算SaaS層開發(fā)的軟件系統(tǒng)，霧層通過接口接入云平臺對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行備份或者長期存儲，平臺可以根據(jù)用戶健康數(shù)據(jù)并結(jié)合相關(guān)知識庫對用戶健康狀況進(jìn)行評估。同時，通過移動應(yīng)用程序或Web客戶端為用戶提供個人健康信息遠(yuǎn)程訪問服務(wù)。此外，平臺通過客戶端允許醫(yī)院等醫(yī)療機(jī)構(gòu)接入，專業(yè)醫(yī)護(hù)人員可以健康顧問的身份為用戶提供建議。

4 結(jié)語

信息通信技術(shù)在醫(yī)療保健領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸深入，有望通過生物信號的遠(yuǎn)程監(jiān)測降低突發(fā)性疾病致死率，同時通過醫(yī)療服務(wù)中心轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)人口老齡化背景下減少醫(yī)療成本、緩解服務(wù)壓力。本文介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療保健系統(tǒng)服務(wù)模式和當(dāng)前問題，分析了霧計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療保健中的特點(diǎn)和優(yōu)勢，并總結(jié)了國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)與理論成果，提出了一個以家庭為中心的云、霧相結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)健康監(jiān)測與管理系統(tǒng)架構(gòu)方案，著重討論了霧的功能和實(shí)現(xiàn)方法，并與相關(guān)研究進(jìn)行了比較分析。該架構(gòu)方案的提出對新型養(yǎng)老社區(qū)和高級住宅建設(shè)具有參考價值。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）