基于區(qū)塊鏈和5G網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)云聯(lián)健康管理系統(tǒng)研究

姚麗菡,陳建輝，車 艷,2，黃淋云

(1.莆田學(xué)院 機(jī)電與信息工程學(xué)院，福建 莆田 351100；2.民營健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)應(yīng)用福建省 高校工程研究中心，福建 莆田 351100)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、工業(yè)互物網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的迅猛發(fā)展，運(yùn)用“互聯(lián)網(wǎng)+”平臺有助于產(chǎn)業(yè)升級，同時為提升醫(yī)療救治、養(yǎng)老醫(yī)療服務(wù)水平等提供了重要技術(shù)手段，這為疫情“大考”之下，醫(yī)療健康領(lǐng)域創(chuàng)新服務(wù)的推出奠定了基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使一些慢性病患者可以通過物聯(lián)網(wǎng)智慧醫(yī)療健康系統(tǒng)隨時關(guān)注自己的健康狀況?；趨^(qū)塊鏈和5G網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)云聯(lián)健康管理系統(tǒng)主要由4部分組成：5G物聯(lián)網(wǎng)信息采集端、5G網(wǎng)絡(luò)傳輸、區(qū)塊鏈可信網(wǎng)組網(wǎng)及健康管理平臺。其中，5G物聯(lián)網(wǎng)信息采集端主要通過智能裝置(如智能血糖儀、智能血壓計等)完成人體血糖、脈搏、血壓、心電等生理參數(shù)的采集。5G傳輸?shù)牡蜁r延、高可靠特性和區(qū)塊鏈的“去中心化”協(xié)作、分布式數(shù)據(jù)存儲和智能合約等技術(shù)能有效提高醫(yī)療安全性以及高質(zhì)量和精準(zhǔn)化管理水平。5G前端采集用戶生理參數(shù)信息，通過5G加密傳輸?shù)浇】倒芾鞟PP，經(jīng)過大數(shù)據(jù)后臺服務(wù)器分析得出健康結(jié)論，由醫(yī)生最后確認(rèn)診斷意見再返回用戶終端。物聯(lián)網(wǎng)云聯(lián)健康管理對提高醫(yī)院的服務(wù)能力以及對病情的早期預(yù)防，都具有非常重要的實用價值[1-2]。

整個系統(tǒng)采用先進(jìn)診療可穿戴設(shè)備采集用戶數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)上傳到后臺數(shù)據(jù)庫。后臺數(shù)據(jù)庫存儲前端設(shè)備上傳數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控管理接入前端設(shè)備的狀態(tài)與運(yùn)行情況，并遠(yuǎn)程控制前端設(shè)備。健康管理APP作為與用戶交互的系統(tǒng)控制軟件，完成參數(shù)設(shè)置以及回傳后臺經(jīng)過醫(yī)師確認(rèn)后的大數(shù)據(jù)診斷結(jié)果。具體流程如下:APP發(fā)送相關(guān)控制命令，后臺數(shù)據(jù)庫調(diào)用接口作出響應(yīng)，并下發(fā)用戶執(zhí)行命令到前端可穿戴設(shè)備;前端可穿戴設(shè)備收集用戶相關(guān)信息，包括心率變化、血壓狀態(tài)、血糖濃度等，通過5G傳輸至手機(jī)APP后加密發(fā)送至后臺，健康管理服務(wù)器對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析以及推薦，進(jìn)而根據(jù)綜合分析后的結(jié)果為患者提供精準(zhǔn)的健康管理服務(wù)[3]。系統(tǒng)框架如圖1所示。

1 物聯(lián)網(wǎng)信息采集端

便攜式智能穿戴設(shè)備采用最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及移動平臺終端，具有攜帶方便、功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定、病歷及病情智能分析、遠(yuǎn)距離專家診療等優(yōu)點。便攜式智能穿戴系統(tǒng)采用先進(jìn)診療傳感器，采集患者數(shù)據(jù)信息自動上傳，實現(xiàn)病人生命體征的實時感知，病人通過便攜式生命體征監(jiān)護(hù)儀，實時監(jiān)護(hù)病人的生命體征，通過5G網(wǎng)絡(luò)，把數(shù)據(jù)交給醫(yī)療終端平板設(shè)備[4-5]。

5G物聯(lián)網(wǎng)信息采集端包含脈搏波信號模塊、心率采集模塊、血壓采集模塊、血糖采集模塊等其他POCT采集設(shè)備(圖2)。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)云聯(lián)健康管理系統(tǒng)框架Fig.1 Framework of IoT cloud-linked health management system

1) 心電采集模塊：是采用AD8232單導(dǎo)聯(lián)心電測量，用來測量心臟電活動的心率監(jiān)聽器。這個電信號可以繪制成心電圖，作為模擬量輸出。AD8232單導(dǎo)心率監(jiān)聽器可以通過放大器，獲得PR和QT間隔的一個明確的電信號,通過此電信號，可以判別心率的變化。

2)脈搏波信號模塊：脈搏波信號是檢測人體是否健康的一個重要生理指標(biāo)。脈搏波信號模塊是DHRM型數(shù)字式脈搏檢測模塊基于光電法(反射法)測脈搏技術(shù)研發(fā)而成的新一代智能脈搏檢測模塊。通過此模塊可以實時地將被測者脈搏信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號輸出，讀取脈搏模塊代碼如下：

unsigned char cmdRead[] = {"AT+MD:1r "};

void main(void)

{ unsigned char uart1RxBuff[30];

InitClock(); //初始化時鐘

InitUART0();//初始化串口USART0

InitUART1();//初始化串口USART1

UART0_SendStr("UART1初始化完成n",16); //發(fā)送串口初始化成功消息

UART1_SendStr(cmdRead,sizeof(cmdRead));

while(1)

{ UART1_ReadStr(uart1RxBuff,'n');

UART0_SendStr(uart1RxBuff,strlen(uart1RxBuff));

}}

3)血壓采集模塊：是由數(shù)字血壓檢測模塊、放氣閥、電磁閥和氣路管件等組成。模塊具有豐富實用的AT命令，可實現(xiàn)軟、硬件版本查詢，電磁閥開閉，自動測量啟動，氣泵啟停，心率周期數(shù)據(jù)，單位查詢或換算，個性化測量等。

4)血糖數(shù)據(jù)采集模塊：采用M702模塊自帶熱敏電阻，通過發(fā)送指令，以檢測病人的血糖和血尿酸數(shù)值。

2 5G數(shù)據(jù)傳輸

5G(5th generation mobile communication technology)是指第五代移動電話行動通信標(biāo)準(zhǔn)，其傳輸速度理論上可高達(dá)每秒數(shù)十Gb，具有低時延，可滿足高清視頻、高數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊男枨?。目?G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在諸多領(lǐng)域，醫(yī)療行業(yè)需要與運(yùn)營商合作，以獲得行業(yè)專用頻段。

1)“5G醫(yī)療云專網(wǎng)”網(wǎng)關(guān)

“5G醫(yī)療云專網(wǎng)”是面向醫(yī)療行業(yè)的5G網(wǎng)絡(luò)，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕瑢＞W(wǎng)的數(shù)據(jù)不會上公網(wǎng)，而是搭建一條“專建、專享、專運(yùn)、專維”線路。

從物理傳輸網(wǎng)絡(luò)層面上，對數(shù)據(jù)進(jìn)行第一層安全保護(hù)以及對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高性能網(wǎng)絡(luò)切片，其安全可信做到網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證接入、加密數(shù)據(jù)傳輸均需安全穩(wěn)定可靠。通過5G網(wǎng)絡(luò)物理資源，根據(jù)各行業(yè)應(yīng)用不同，進(jìn)行定制化網(wǎng)絡(luò)部署，實現(xiàn)本地業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的卸載、分流與隔離。

2) 云端會診

云端會診平臺對于5G網(wǎng)絡(luò)可靠性要求極高，能夠支持4K/8K的遠(yuǎn)程高清視頻，可實現(xiàn)高清遠(yuǎn)程接診、可視化遠(yuǎn)程會診、手術(shù)示教等應(yīng)用。專家通過遠(yuǎn)程會診中心，打開患者醫(yī)療高清影像，查閱患者就診數(shù)據(jù)，并與患者進(jìn)行實時音視頻交流，實時開展遠(yuǎn)程在線病歷討論、遠(yuǎn)程移動會診等，促進(jìn)醫(yī)療服務(wù)和優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源共享等目的[6]。

3 區(qū)塊鏈+智慧家庭醫(yī)療

區(qū)塊鏈技術(shù)能夠保障醫(yī)療提供數(shù)據(jù)的安全性，且這些臨床試驗記錄可被實時追蹤，能降低在臨床試驗記錄中的出錯和偽造，從而在健康管理存檔、精準(zhǔn)醫(yī)療、醫(yī)療大數(shù)據(jù)高效等方面起著密切協(xié)同的重要作用[7]。

基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，是在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中增加身份認(rèn)證、非對稱密碼加解密、共識算法以及智能合約技術(shù)，通過區(qū)塊鏈賦能物聯(lián)網(wǎng)，其主要是在物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間的交互操作等(圖3)。

圖3 區(qū)塊鏈+智慧家庭醫(yī)療體系流程圖Fig.3 Flowchart of blockchain + smart home medical system

如圖3，區(qū)塊鏈作為一種公共數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)庫的去中心化處理,安全有效地存儲在一個個區(qū)塊中，通過授權(quán)簽約居民的體檢報告數(shù)據(jù)，電子病歷數(shù)、健康監(jiān)測、服藥情況等可穿戴設(shè)備數(shù)據(jù)，在不同醫(yī)療機(jī)構(gòu)診治檢查時，只需通過輸入用戶信息便可查證用戶的所有診斷治療記錄信息。這大大提升了家庭醫(yī)生的病情跟蹤訪問能力、工作效率以及健康管理實力，完善綜合性、連續(xù)性、公開性、可追溯的醫(yī)療服務(wù)，在一定程度上也改善了醫(yī)患關(guān)系，擴(kuò)大了社會信任機(jī)制[7-9]。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)云聯(lián)健康管理系統(tǒng)設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)系統(tǒng)是一個開放的公共物聯(lián)網(wǎng)接入平臺。用戶可以通過不同的方式訪問云服務(wù)，其分布式的架構(gòu)與虛擬化的結(jié)合極大地提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性；同時，在應(yīng)對災(zāi)難時可以獲得來自虛擬化的高、且可用的容災(zāi)特性，提高系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和健壯性。醫(yī)療設(shè)備管理也主要基于前臺、后臺管理以及健康管理系統(tǒng)，并根據(jù)醫(yī)院實際環(huán)境特點對其進(jìn)行改進(jìn)和完善。前臺管理為數(shù)據(jù)采集的終端設(shè)備(如智能腕表、智能血壓計、智能血糖儀等其他POCT設(shè)備)，后臺管理由數(shù)據(jù)庫、中間件和信息采集、匯總、大數(shù)據(jù)分析與推薦平臺以及健康管理系統(tǒng)組成。

4.1 醫(yī)院工作站W(wǎng)eb端設(shè)計

由用戶終端采集患者信息，利用遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)統(tǒng)計從用戶物聯(lián)網(wǎng)終端傳來的生命體征數(shù)據(jù)，并通過5G網(wǎng)絡(luò)專網(wǎng)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器中心。服務(wù)器中心除了儲存用戶醫(yī)療信息，還會儲存醫(yī)師對用戶相關(guān)病情的診斷及診斷結(jié)果，這樣患者便可直接通過遠(yuǎn)程醫(yī)療終端查看醫(yī)師的反饋結(jié)果。其次，將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，還將方便醫(yī)師對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的分析與統(tǒng)計。

用戶進(jìn)入系統(tǒng)注冊界面，完成注冊后進(jìn)入系統(tǒng)。醫(yī)院工作站W(wǎng)eb端主功能有6個功能模塊：個人信息、診斷與咨詢、家庭急救、癥狀查詢、健康咨詢、疾病查詢，如圖4所示。在“個人信息”界面當(dāng)中，包含了“血壓”“體溫”“血糖”“心電”“心率”這5個生理參數(shù)，主要用來幫助用戶隨時關(guān)注自己的身體健康基本情況，一旦指標(biāo)有所浮動也可及時線上向醫(yī)生咨詢，實現(xiàn)“足不出戶”在家看病。

圖4 醫(yī)院工作站W(wǎng)eb端Fig.4 Hospital workstation Web terminal

4.2 移動端健康管理APP設(shè)計

家庭健康衛(wèi)士系統(tǒng)包含自我診斷、家庭急診、家庭急救、疾病查詢、癥狀查詢、藥品查詢、醫(yī)院和藥店、健康咨詢、個人中心等各個健康基礎(chǔ)模塊(圖5)。其中，個人信息模塊又由登錄模塊、患者選擇、心電采集模塊、血壓采集等模塊組成(圖6)。

用戶通過手機(jī)登錄家庭健康衛(wèi)士系統(tǒng),在手機(jī)APP界面的個人信息模塊中能夠?qū)崟r查看血糖、心電圖、血壓、 心率等生理參數(shù)。用戶在查看生理參數(shù)時，系統(tǒng)會顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)和監(jiān)護(hù)界面，比如患者的心電圖的胰蛋白酶膽固醇等參數(shù)(圖7)，可以更直觀地展現(xiàn)用戶的生理參數(shù)信息。

若用戶對于診斷結(jié)果有一些常規(guī)的咨詢，可以在APP里先進(jìn)行線上咨詢。系統(tǒng)會根據(jù)咨詢反饋最后的結(jié)果，如圖8所示。

圖5 家庭健康衛(wèi)士APP 圖6 個人信息模塊Fig.5 Family Health Guard APP Fig.6 Personal information module

圖7 心電圖 圖8 診斷結(jié)果查詢Fig.7 Electrocardiogram Fig.8 Query of diagnosis results

4.3 醫(yī)療健康數(shù)據(jù)智能推薦系統(tǒng)

個性化健康管理服務(wù)的前提是需要收集用戶大量、可靠、真實的健康數(shù)據(jù)，然后對用戶群體進(jìn)行聚類分析和因子分析。近年來醫(yī)療信息化普及，使線上聚集大量健康醫(yī)療信息，通過搜索引擎系統(tǒng)從海量數(shù)據(jù)中尋找用戶的需求以及用戶喜歡的內(nèi)容。要想做到“千人千面”，又能做到“精準(zhǔn)推薦”，一個健康的推薦系統(tǒng)是必不可少的。好的推薦系統(tǒng)，不僅要保證自身的“健康”，還要滿足服務(wù)平臺、用戶等多方面的需求。推薦系統(tǒng)主要包括從用戶角度(圖9)和平臺角度(圖10)。

系統(tǒng)管理主要實現(xiàn)了后臺和前臺信息的各類操作，前臺頁面結(jié)合個性化服務(wù)模塊可以為用戶提供較豐富的使用體驗[10-11](圖9)，后臺文件包括醫(yī)護(hù)人員管理、權(quán)限管理、日志管理等(圖10)。

圖9 查詢肩周炎相關(guān)信息及系統(tǒng)推薦Fig.9 Query related information and system recommendation of periarthritis of shoulder

圖10 個性化醫(yī)療推薦系統(tǒng)后臺管理Fig.10 Background management of personalized medical recommendation system

4.3.1前端服務(wù)模塊實現(xiàn)

前端主要采用HTML實現(xiàn)。為實現(xiàn)前端的快速開發(fā)，減少開發(fā)時間，接入了漸進(jìn)式開發(fā)框架Vue以及ElementUI組件庫，開發(fā)環(huán)境采用node.js。前端接入Axios庫，作為與后端請求的Http庫，將相關(guān)操作異步推薦給用戶，如下一次登錄請求的操作：

this.MYMaxios({

url: this.MYMBaseUrl + ('/sys/login/adminLogin'),

method: "post",

data: {

username: '88888888888',

password: '123456'

},

}).then(({ data }) => { if (data && data.code == 0) {

let time = new Date(new Date().getTime() + 2 * 60 * 60 * 1000);

cookie.set("token", data.token, { expires: time });

this.MYMrouter.go(0);

} else {

this.MYMmessage({

type: "error",

message: "登錄失敗",

}); }});

4.3.2后臺管理模塊實現(xiàn)

本系統(tǒng)的后端將采用Go語言技術(shù)開發(fā)以實現(xiàn)對前端請求的高并發(fā)處理，并基于Iris Web開發(fā)框架，以符合RestFul Api開發(fā)規(guī)范，從而使QPS達(dá)到15 000的突出性能。以下為幾個RestFul Api接口：

POST /sys/login/adminLogin

GET /sys/manager/info/{id}

POST /sys/manager/{id}/update

POST /sys/manager/save

GET /sys/doctor/list

POST /sys/doctor/save

POST /sys/doctor/delete

GET /search?q={txt}

已登錄為例，返回的接口JSON數(shù)據(jù)為：

{

code: 0

token: Jziw1314j2948AIJQ23ZLJOw==231

data: {

username: “13688888888”

}}

5 結(jié)論

隨著國民對個人身體健康的關(guān)注不斷增加，云聯(lián)健康管理系統(tǒng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)、5G專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、區(qū)塊鏈技術(shù)，對采集到的用戶生命特征數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析及診斷，進(jìn)而根據(jù)綜合分析診斷后的結(jié)果為患者提供精準(zhǔn)的健康管理服務(wù)，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程體檢并實時查詢結(jié)果，提高了醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量和醫(yī)療資源的利用率，為人們提供日常的健康監(jiān)護(hù)、醫(yī)療資源配置，具有重要的指導(dǎo)意義。在未來的研究工作中，將致力于研究搭建基于人工智能的智慧醫(yī)療平臺，為醫(yī)務(wù)人員、廣大患者、科技科研人員及政府決策提供支撐，開拓更廣闊的5G+人工智能的醫(yī)療健康市場。