醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)在新冠疫情防控中的作用、演進(jìn)及挑戰(zhàn)

湯 婧

(江蘇省疾病預(yù)防控制中心,江蘇 南京 210000)

0 引言

自2019 年新冠肺炎爆發(fā)以來,全球已經(jīng)感染超過2.4 億人,造成超過500 萬人的死亡[1],各國(guó)政府和醫(yī)療工作者都在尋找快速有效的辦法來遏制新冠傳播的速度。其中,醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)在世衛(wèi)組織所指導(dǎo)的保持社交距離和追蹤感染者方面正被應(yīng)用得越來越廣泛。醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)在此過程中也不斷完善、適配及演進(jìn)用以滿足新冠防控的需求。本文旨在整合最新的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用,總結(jié)醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)在新冠疫情防控中的貢獻(xiàn)以及當(dāng)前面臨的問題,并展望醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的未來發(fā)展。

1 物聯(lián)網(wǎng)在疫情防控中的作用

1.1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)

醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在抗擊疫情的部署中產(chǎn)生了一個(gè)應(yīng)用架構(gòu),應(yīng)用架構(gòu)中包含傳感器硬件模塊、軟件模塊、數(shù)據(jù)提取與分析模塊和監(jiān)管模塊。該架構(gòu)能夠有效控制和減少病毒的傳播[2]。

傳感器硬件是醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分,具體作用是負(fù)責(zé)收集各種應(yīng)用場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)。它可以是可穿戴設(shè)備或者是智能手機(jī)自帶設(shè)備,例如定位、加速度、攝像頭等都屬于傳感器。這些傳感器可以將收集的溫度、地理位置等信息與機(jī)器學(xué)習(xí)算法結(jié)合,快速篩查感染者。

軟件模塊具體作用是負(fù)責(zé)處理和過濾傳感器數(shù)據(jù)。主要的研究?jī)?nèi)容包括提高能源效率輕量化、開發(fā)高效且侵入性較低的應(yīng)用。智能手機(jī)的應(yīng)用可以提醒用戶潛在的新冠威脅、追蹤陽性患者。各類遠(yuǎn)程交流工具的使用可以減少感染者與醫(yī)療工作者之間的接觸,促進(jìn)遠(yuǎn)程診療的發(fā)展。

數(shù)據(jù)提取與分析模塊主要用以分析和決策傳感器數(shù)據(jù)。管理者需要掌握感染者、患者的狀態(tài),地理位置信息,達(dá)到追蹤密接以更好地管控疫情的目的。然而,隨著傳感器越來越多,技術(shù)人員需要從大數(shù)據(jù)中過濾出有用信息。人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)成為分析和決策傳感器數(shù)據(jù)的一種新的解決方式。醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)還可結(jié)合人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)來診斷新冠、分析預(yù)測(cè)新冠的傳播。

監(jiān)管框架負(fù)責(zé)解決一些醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)在部署和使用中面臨的倫理問題。例如傳感器部署的區(qū)域需要符合道德規(guī)范。傳感器的傳輸頻段需要確保對(duì)人體是安全的。由于病毒的傳染性強(qiáng),規(guī)范患者與醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)管理者之間的接觸是很有必要的。因此,需要有一套智慧城市網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)共享標(biāo)準(zhǔn),來確?；颊咝畔⒌臄?shù)據(jù)隱私和安全,保證在數(shù)據(jù)收集方面更加安全、高效、合乎道德。

1.2 醫(yī)療互聯(lián)網(wǎng)的貢獻(xiàn)

1.2.1 保持社交距離

醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)在新冠疫情防控中,保持社交距離這一方面起了重要作用,這也是醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)的主要方面。醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)與人工智能結(jié)合,通過一些智能應(yīng)用來提醒公眾避開高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)。醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)通過無人機(jī)或智慧城市相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施,收集人員聚集數(shù)據(jù),幫助管理者監(jiān)控和執(zhí)行特定地區(qū)的封控。釘釘?shù)冗h(yuǎn)程會(huì)議軟件使用,能夠協(xié)助公眾在家辦公,保持社交距離[3]。

1.2.2 數(shù)據(jù)收集和監(jiān)測(cè)

疫情防控期間物聯(lián)網(wǎng)部署最重要的目的就是監(jiān)測(cè)和收集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)收集對(duì)于有效監(jiān)測(cè)和控制病毒蔓延速度至關(guān)重要。

疫情防控期間監(jiān)測(cè)和追蹤的參數(shù)包括:發(fā)燒信息、位置信息、錄像、電子支付信息。各種非接觸式紅外溫度計(jì)、熱成像相機(jī)、機(jī)器人溫度掃描儀、可穿戴熱傳感器等測(cè)溫設(shè)備作為物聯(lián)網(wǎng)框架中的一部分部署,將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在發(fā)現(xiàn)高于正常溫度的讀數(shù)時(shí)便會(huì)觸發(fā)警報(bào),以便通過健康管理系統(tǒng)進(jìn)一步調(diào)查。位置信息可以通過收集GPS、可穿戴設(shè)備、ITS 攝像頭、手機(jī)網(wǎng)絡(luò)等渠道獲得。錄像(如無人機(jī)視頻)可以監(jiān)測(cè)某個(gè)地區(qū)的人員聚集情況。最終通過電子支付信息來獲取具體交易的時(shí)間和地點(diǎn)[4]。

大數(shù)據(jù)分析和建模能夠模擬現(xiàn)實(shí)中新冠傳播,在新冠病毒的檢測(cè)、追蹤、傳播預(yù)測(cè)方面得以很好的應(yīng)用。很多研究者研究利用大數(shù)據(jù)和人工智能來更好地分析數(shù)據(jù)和建立更高效的追蹤機(jī)制。通過人工智能和各種數(shù)據(jù)(位置信息、社交媒體動(dòng)態(tài)和政府消息)開發(fā)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可視化展示,來模擬全球病毒的傳播。

2 醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)在疫情防控期間的演進(jìn)

2.1 無人機(jī)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

無人機(jī)可用來追蹤密接者,幫助監(jiān)督隔離。例如湖北、歐洲和美國(guó)利用無人機(jī)來確保管控區(qū)的居民能夠嚴(yán)格遵守規(guī)定。無人機(jī)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還可用來向醫(yī)療部門提供醫(yī)療物資或幫忙運(yùn)輸樣品至指定檢測(cè)點(diǎn)。

2.2 基于人工智能的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)

人工智能可用于評(píng)估新冠的感染風(fēng)險(xiǎn),幫助進(jìn)行居民篩查工作。

信息系統(tǒng)能夠利用基于大數(shù)據(jù)的模型來識(shí)別、解析并預(yù)測(cè)疫情的發(fā)展態(tài)勢(shì)。此外,人工智能部署還可用于優(yōu)化藥物和疫苗的臨床試驗(yàn)。人工智能創(chuàng)建的機(jī)器人可對(duì)居民進(jìn)行在線醫(yī)療檢查、人工智能輔助診斷和環(huán)境消殺。人工智能輔助的智能攝像頭可以安裝在公寓門前,通過對(duì)居民活動(dòng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)確保居民遵守隔離的相關(guān)規(guī)定。人工智能輔助的非接觸式體溫檢測(cè)系統(tǒng),可安裝在公共場(chǎng)所識(shí)別感染者[5]。

2.3 基于大數(shù)據(jù)的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)

大數(shù)據(jù)分析也為醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)對(duì)抗全球病毒大流行提供了驅(qū)動(dòng)力,主要在以下4 個(gè)方面發(fā)揮了作用:病毒爆發(fā)、病毒傳播跟蹤、診斷/治療和疫苗/藥物的研發(fā)[6]。

醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)收集了大量來自社交網(wǎng)站、智能手機(jī)和公共傳感器(運(yùn)輸、環(huán)境、醫(yī)療保健部門)的數(shù)據(jù)。因此,需要協(xié)調(diào)、管理和分析這些生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)。

2.4 基于云輔助的物聯(lián)網(wǎng)

云服務(wù)可以幫助解決醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備存在的一些限制,如能耗不合理、計(jì)算能力不足等問題。傳感器節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)就是收集數(shù)據(jù)并傳輸至云端。因此,這些設(shè)備的能耗主要消耗在傳輸和收發(fā)消息上。運(yùn)用適當(dāng)?shù)墓?jié)能算法,可延長(zhǎng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的使用壽命。

在歐洲和我國(guó)的智慧城市,手機(jī)內(nèi)置攝像頭和生物傳感器負(fù)責(zé)將收集到的個(gè)人信息(如CT 圖像、心率和咳嗽聲)加密、壓縮并發(fā)送到云端進(jìn)行深度學(xué)習(xí)和訓(xùn)練[7]。基于云輔助的物聯(lián)網(wǎng)在新冠爆發(fā)識(shí)別、治療、感染者管理以及檢測(cè)和診斷方面都能夠提供幫助。

3 疫情防控期間物聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

3.1 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)收集的問題

為充分監(jiān)測(cè)和控制新冠,醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)需要綜合利用多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)以各種形式收集數(shù)據(jù)。傳感器設(shè)備的異質(zhì)性和供應(yīng)商的特定性要求一個(gè)嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。這就面臨在已有的平臺(tái)上部署一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)策略或新程序需要考慮兼容性問題。另一個(gè)問題是醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)需要數(shù)據(jù)共享模型,來支持高效同時(shí)又符合倫理的數(shù)據(jù)提取方式。很多醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)方案在這個(gè)特殊的時(shí)期沒有發(fā)揮出應(yīng)有的作業(yè),究其原因主要是人們不愿意分享個(gè)人數(shù)據(jù),如位置信息和其他相關(guān)健康數(shù)據(jù)。黑客入侵和數(shù)據(jù)收集設(shè)備滲透的安全性擔(dān)憂也導(dǎo)致一些相關(guān)單位不愿意在他們的設(shè)備和服務(wù)器上部署。

3.2 可擴(kuò)展性、動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?計(jì)算和能耗限制

隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的增加,需要將所有的設(shè)備放在一個(gè)通用的軟件框架中以保證設(shè)備之間的數(shù)據(jù)連接。這對(duì)設(shè)備的存儲(chǔ)和集成、標(biāo)準(zhǔn)化的訪問和使用都帶來挑戰(zhàn)。醫(yī)療系統(tǒng)間的信息孤島,通信和物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的不足進(jìn)一步加劇了數(shù)據(jù)連接的局限性。因此,需要公共衛(wèi)生專家、數(shù)據(jù)處理專家和行業(yè)利益相關(guān)者提供針對(duì)醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)(包括可擴(kuò)展性、安全性、數(shù)據(jù)集成、互操作性、倫理和隱私)的創(chuàng)新方案。另外,有限的計(jì)算能力、電池存儲(chǔ)容量問題也影響了設(shè)備的復(fù)雜數(shù)據(jù)計(jì)算、連續(xù)工作時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸能力[8]。

4 未來展望

未來的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)需要滿足連接異構(gòu)設(shè)備的要求,用于相關(guān)參數(shù)的收集。通過軟件自定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)來支持多個(gè)供應(yīng)商設(shè)備和應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理效率最大化,提升可擴(kuò)展性和管理的靈活性,以適應(yīng)像新冠這樣需要快速改變的各項(xiàng)政策和治理方法[9]。

在未來的全球社區(qū)中,人們都可以因?yàn)槠毡榻邮軘?shù)據(jù)共享而受益。這需要進(jìn)一步提高物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的數(shù)據(jù)安全和隱私性,開發(fā)新的數(shù)據(jù)共享模型來支持這種以數(shù)據(jù)為中心的方法,從而提高社區(qū)之間數(shù)據(jù)共享的信心。

公共衛(wèi)生系統(tǒng)將受益于智能手機(jī)的普及、云計(jì)算的提升、針對(duì)健康發(fā)展的移動(dòng)應(yīng)用程序開發(fā)。隨著信息流行病學(xué)和信息監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的進(jìn)步,醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)提高了互聯(lián)網(wǎng)上的健康信息搜索、公共交流和行為方面的分析能力[9]。加密技術(shù)(如區(qū)塊鏈[10])的進(jìn)步將增強(qiáng)醫(yī)療保健物聯(lián)網(wǎng)的安全性。

5 結(jié)語

綜上所述,在與新冠病毒的斗爭(zhēng)中,醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)在監(jiān)測(cè)病毒傳播速度和減少病毒傳播途徑中發(fā)揮了重要作用。隨之而來的技術(shù)挑戰(zhàn)推動(dòng)了新型傳感器部署和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)與人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的融合。同時(shí),醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)還需要繼續(xù)優(yōu)化安全、系統(tǒng)體系、技術(shù)、性能等方面,這樣才能讓醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)得到公眾的信任,發(fā)揮更大更高效的作用。