一體化醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)框架與關(guān)鍵內(nèi)容探討

【作 者】 任斌，蔣昆，婁苗苗，蘇玉成，楊喆，馮娟

空軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院，西安市，710032

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)被正式列為國家新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)后受到了前所未有的關(guān)注，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)院的建設(shè)中，可以極大地促進(jìn)現(xiàn)代醫(yī)院的信息化建設(shè)[1]。物聯(lián)網(wǎng)最初的概念是基于射頻識別（radio frequency identification,RFID）、傳感器、小型化等技術(shù)將所有物體從感官和智能相連接[2]。物聯(lián)網(wǎng)小型智能化的優(yōu)勢更適合提升醫(yī)療質(zhì)量和醫(yī)療安全。

1 一體化醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)概述

深入分析醫(yī)院信息發(fā)展現(xiàn)狀，探索運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，進(jìn)一步將醫(yī)療管理和質(zhì)量監(jiān)控由“人盯人”向“計(jì)算機(jī)盯人”轉(zhuǎn)變，實(shí)時監(jiān)控和規(guī)范醫(yī)療服務(wù)行為，提高醫(yī)療質(zhì)量，降低醫(yī)務(wù)人員工作強(qiáng)度[3]。依據(jù)上述思路，提出一體化醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)目標(biāo)：從醫(yī)療管理出發(fā)，基于醫(yī)院現(xiàn)有信息化建設(shè)基礎(chǔ)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，探索在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用場景和方法，構(gòu)建面向醫(yī)療質(zhì)量和安全的物聯(lián)網(wǎng)一體化服務(wù)平臺。通過構(gòu)建基于“一體化”的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對醫(yī)療安全和質(zhì)量管理的顛覆性創(chuàng)新。一體化醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 一體化醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)Fig.1 Integrated medical IoT technology architecture

2 一體化醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)內(nèi)容

2.1 一體化物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)

基于“云管端”的設(shè)計(jì)思路，醫(yī)院的相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的搭建，實(shí)現(xiàn)一套網(wǎng)絡(luò)、一套供電和一套管理。一套網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對3類業(yè)務(wù)的承載：以移動醫(yī)護(hù)為核心的業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)、以RFID/藍(lán)牙/Lora/125K等射頻技術(shù)為核心的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)、以患者服務(wù)應(yīng)用為核心的互聯(lián)網(wǎng)，真正實(shí)現(xiàn)一張全業(yè)務(wù)的無線網(wǎng)絡(luò)。以這個思路為基礎(chǔ)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，具體包括了感知層硬件環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)傳輸層硬件環(huán)境。醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)Fig.2 Healthcare IoT infrastructure architecture

感知層主要通過多種類型的醫(yī)療感知設(shè)備和信息采集設(shè)備來完成對對象的數(shù)據(jù)采集，利用各類多種生理信號采集傳感器和信號采集方式協(xié)同完成對醫(yī)療信息的采集[4]。感知層包括二維碼標(biāo)簽和識讀器、RFID標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、GPS、傳感器、終端、傳感器網(wǎng)絡(luò)等[5]。

RFID是一種高級的自動識別技術(shù)，通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸式的全雙工數(shù)據(jù)通信，以對實(shí)物目標(biāo)加以識別[6]。微機(jī)電系統(tǒng)（microelectro mechanical systems,MEMS）是指微型化的器件或器件的組合，把電子功能與機(jī)械的、光學(xué)的或其他的功能相結(jié)合的綜合集成系統(tǒng)，采用微型結(jié)構(gòu)，使之在極小的空間內(nèi)達(dá)到智能化的功效[7]。網(wǎng)絡(luò)傳輸層就是將感知層采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到信息系統(tǒng)中進(jìn)行保管。

2.1.1 醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)硬件基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

傳感網(wǎng)絡(luò)主要分為感知層硬件環(huán)境建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)傳輸層硬件環(huán)境，感知層硬件環(huán)境建設(shè)即在各幢大樓、病區(qū)、藥房、人、物等任何需要被監(jiān)管的區(qū)域及個體部署RFID、射頻卡、攝像頭等傳感設(shè)備，同時包括體征監(jiān)測設(shè)備（如可移動心電監(jiān)測儀等）；網(wǎng)絡(luò)傳輸層硬件環(huán)境包括AP、網(wǎng)關(guān)等，組建全院級的物聯(lián)網(wǎng)傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對RFID、藍(lán)牙、紅外線、WiFi、ZigBee的全方面接入，以達(dá)到數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)哪康摹?/p>

2.1.2 IT基礎(chǔ)設(shè)施云計(jì)算環(huán)境建設(shè)

IT基礎(chǔ)設(shè)施云計(jì)算環(huán)境建設(shè)主要包括基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（infrastructure as a service,IaaS）環(huán)境和平臺即服務(wù)（platform as a service,PaaS）環(huán)境，IaaS環(huán)境主要實(shí)現(xiàn)服務(wù)器虛擬化環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)虛擬化環(huán)境和存儲虛擬化環(huán)境；服務(wù)器虛擬化環(huán)境以1 000臺物理服務(wù)器邏輯成10 000個虛擬機(jī)，作為云計(jì)算的主要基礎(chǔ)環(huán)境，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建計(jì)算資源池，主要解決彈性計(jì)算資源分配問題和分布式計(jì)算服務(wù)問題，分別解決的是IaaS層面和PaaS層面的問題[8]。

2.1.3 建設(shè)異構(gòu)數(shù)據(jù)交換平臺

異構(gòu)數(shù)據(jù)交換平臺所需開發(fā)的中間件主要涉及數(shù)據(jù)抽取、轉(zhuǎn)換和加載（extraction transformation loading,ETL）中間件和ESB中間件。醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)覆蓋了種類繁多的傳感器，由于底層硬件平臺、操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同，其編程語言、數(shù)據(jù)模型，以及對相同概念的不同理解和不同描述，從而導(dǎo)致了不同傳感器設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的格式和語義不同。于是，在把這些傳感器的數(shù)據(jù)集成起來的時候，就必須要解決其數(shù)據(jù)異構(gòu)性的問題。針對此問題，通過“醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)中間件”的概念來解決。醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)中間件示意，如圖3所示。

圖3 醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)中間件示意Fig.3 Schematic diagram of medical IoT middleware

采用ESB來實(shí)現(xiàn)醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)中間件，并借助消息中間件來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。ESB的基本原理是：通過標(biāo)準(zhǔn)的整合技術(shù)，將SOA、Web Services和XML等技術(shù)融合到統(tǒng)一的分布式架構(gòu)中，搭建易于部署、可管理的整合基礎(chǔ)設(shè)施。它既可集成新的應(yīng)用服務(wù)，也可通過分解、包裝遺留系統(tǒng)，使其提供服務(wù)接口，從而集成已有的應(yīng)用[9]。

2.1.4 基于臨床大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)

通過建立臨床大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫，借助大數(shù)據(jù)處理、自然語言分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、知識圖譜等技術(shù)，對電子病歷、檢驗(yàn)檢查、醫(yī)療影像、診斷數(shù)據(jù)、醫(yī)囑信息等進(jìn)行有效的集成，形成以患者為中心的完整時間序列資源庫。并利用數(shù)據(jù)挖掘算法，將這些數(shù)據(jù)之間可能存在各種潛在的相關(guān)性，或者包含潛在的因果關(guān)系，有效地挖掘數(shù)據(jù)中蘊(yùn)藏的知識，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的深度解析，最終通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，為臨床醫(yī)生和醫(yī)療管理者提供決策支持。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)安全管理應(yīng)用建設(shè)

醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)應(yīng)用體系主要分為面向行政安全和面向醫(yī)療安全的兩個子系列。行政安全方面包括患者和醫(yī)護(hù)人員物聯(lián)網(wǎng)身份識別和定位系統(tǒng)。醫(yī)療安全方面有多個應(yīng)用，包括智慧病區(qū)應(yīng)用、院內(nèi)感染監(jiān)控應(yīng)用、人員安全應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)用藥安全應(yīng)用和物資安全應(yīng)用等院內(nèi)應(yīng)用，具體應(yīng)用如下。

2.2.1 面向患者和醫(yī)護(hù)人員的物聯(lián)網(wǎng)身份識別和定位系統(tǒng)

為了保障行政安全，實(shí)現(xiàn)與出入權(quán)限控制、呼叫系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、定位系統(tǒng)的全面聯(lián)動，以達(dá)到通信、緊急求助、視頻監(jiān)控和定位的目的，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立智能身份識別系統(tǒng)，可以提供給患者和醫(yī)務(wù)人員分別使用，利用植入在ID卡、腕帶中的存儲芯片記錄人員的基本信息[10]。

2.2.2 建設(shè)面向醫(yī)療安全的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)

智慧病區(qū)致力于病區(qū)統(tǒng)一化管理，為幫助醫(yī)務(wù)人員在工作復(fù)雜繁重的病區(qū)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對患者的智能統(tǒng)一化管理工作，建設(shè)面向醫(yī)療安全的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，充分利用人工智能等先進(jìn)技術(shù)解放醫(yī)護(hù)人員，提高工作效率，提供便捷化人性化服務(wù)，減少醫(yī)患矛盾，提升醫(yī)院整體形象[11]。

（1）床旁服務(wù)終端。

床旁服務(wù)終端通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)將各類醫(yī)療信息和資源以更簡單直觀的方式連通到床旁，在患者層面，集成了電子床頭卡、費(fèi)用查詢、健康宣教、通知公告、消息提醒、生活娛樂、服務(wù)評價、呼叫及遠(yuǎn)程探視等諸多功能，為患者及家屬呈現(xiàn)貼心便捷的服務(wù)窗口[12]；在醫(yī)護(hù)層面，集成了患者資料、醫(yī)囑及檢查檢驗(yàn)信息、電子病歷等功能，醫(yī)護(hù)人員借助床旁終端，可以隨時查看患者的基本信息及各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，從而無需攜帶和翻閱大量的文檔資料和電子材料，為醫(yī)護(hù)人員提供便捷的工作站，為醫(yī)護(hù)人員和患者打造信息交互與溝通的橋梁[13]。

（2）院內(nèi)感染監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)。

通過建立院內(nèi)感染監(jiān)控管理系統(tǒng)，以“計(jì)算機(jī)盯人”的形式代替人工，全面解決感染控制的各個環(huán)節(jié)，加強(qiáng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，提供趨勢分析和判斷，院內(nèi)感染監(jiān)控管理系統(tǒng)具體包括手衛(wèi)生管理系統(tǒng)、消毒物品管理系統(tǒng)、手術(shù)室ICU感染風(fēng)險監(jiān)控系統(tǒng)、醫(yī)療廢物管理系統(tǒng)等[14]。

（3）用藥安全應(yīng)用系統(tǒng)。

為防止濫用藥物，保障患者身體安全，提高服務(wù)質(zhì)量，開發(fā)特殊藥品跟蹤管理系統(tǒng)、藥品感知與識別系統(tǒng)、輸液管理系統(tǒng)，針對特殊藥品的全程跟蹤，合理使用進(jìn)行有效管控，通過圖像識別或建立條形碼數(shù)據(jù)庫進(jìn)行藥品識別，有效地幫助發(fā)藥人員正確發(fā)放藥品，減少差錯發(fā)生，提高服務(wù)滿意度和醫(yī)療質(zhì)量，同時準(zhǔn)確監(jiān)控輸液患者全過程及狀況、患者輸液異常或結(jié)束及時提醒、對病區(qū)輸液信息進(jìn)行有效的統(tǒng)計(jì)和匯總。

（4）人員安全應(yīng)用系統(tǒng)。

面向醫(yī)療質(zhì)量與安全，以18項(xiàng)核心醫(yī)療制度為基礎(chǔ)，全院人員配發(fā)智能工卡，結(jié)合前期實(shí)施的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)智能感應(yīng)、緊急報警、人員定位、三級查房等管理功能，在監(jiān)控室大屏可實(shí)時顯示報警呼叫、行進(jìn)軌跡等人員定位信息，當(dāng)醫(yī)護(hù)人員遇到危險的時候，可以觸發(fā)智能工卡上的報警呼叫功能，安保人員將及時趕到現(xiàn)場進(jìn)行救援。

（5）物品安全應(yīng)用系統(tǒng)。

為了加強(qiáng)對高值耗材、移動資產(chǎn)的監(jiān)管，基于RFID和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)物品安全應(yīng)用系統(tǒng)，通過對各個設(shè)備、高值耗材、移動資產(chǎn)、特殊藥品貼上標(biāo)簽，進(jìn)行實(shí)時定位和跟蹤，對物品領(lǐng)用等進(jìn)行權(quán)限控制，確保設(shè)備使用安全，實(shí)現(xiàn)對資產(chǎn)的信息化管理。實(shí)現(xiàn)了高值耗材入庫、領(lǐng)用、出庫、使用的全程信息化，確保了耗材使用全程監(jiān)控，提高了管理效能和降低了工作難度，解決了護(hù)理人員每日手工紙質(zhì)材料登記核對導(dǎo)致的易出錯、核對慢等問題[15]。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用建設(shè)

醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用體系以醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建基于人工智能的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用。

2.3.1 基于海量影像檢索的輔助診斷系統(tǒng)

研發(fā)基于內(nèi)容的圖像檢索技術(shù)，運(yùn)用隨機(jī)稀疏編碼技術(shù)提取影像之間的相似圖結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用譜圖分解技術(shù)將數(shù)據(jù)投影到低維空間，最后在低維空間運(yùn)用常規(guī)的歐氏距離度量方法計(jì)算影像間相似度并按照相似度的大小排序輸出檢索結(jié)果?；诤Ａ坑跋駲z索的輔助診斷系統(tǒng)，可以直觀、全面地展現(xiàn)同種病癥各個角度的影像特征，在醫(yī)學(xué)教學(xué)和科研領(lǐng)域?qū)l(fā)揮極大的作用。

2.3.2 基于大規(guī)模機(jī)器學(xué)習(xí)的心臟病判別與早期預(yù)警系統(tǒng)

患者佩帶的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀和血壓儀等設(shè)備，可以持續(xù)地收集心臟病患者的體征數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)蘊(yùn)藏著心臟病患者的病情變化。例如：針對心肌梗死患者，發(fā)病時的心電圖和未發(fā)病時的心電圖在特征上明顯不同。該系統(tǒng)將在長期收集心臟病患者的心電數(shù)據(jù)和血壓等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立海量樣本庫，基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練得到判別模型和預(yù)警模型。

2.4 一體化管理平臺

一體化管理平臺為醫(yī)院物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備及應(yīng)用模塊提供基礎(chǔ)公共服務(wù)及相關(guān)數(shù)據(jù)信息展示：①管理者駕駛艙BI和消息推送中心；②系統(tǒng)安全應(yīng)用，角色管理、用戶管理、系統(tǒng)資源配置、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備檢測與分析等；③終端設(shè)備準(zhǔn)入、注銷、狀態(tài)查詢等。一體化管理平臺提供可視化圖形界面對設(shè)備、應(yīng)用和平臺進(jìn)行統(tǒng)一管理與配置，并對設(shè)備、應(yīng)用實(shí)時監(jiān)控以了解醫(yī)院整個物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行情況。對異常報警信息，平臺通過院內(nèi)短消息平臺、郵件或短信等多種形式及時通知相關(guān)站點(diǎn)及人員。將各個物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件集中于平臺軟件，統(tǒng)一管理。

2.5 實(shí)施效果

實(shí)現(xiàn)了主要醫(yī)療區(qū)域的物聯(lián)網(wǎng)感知網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，搭建超770臺物聯(lián)網(wǎng)AP、部署1 610臺RFID閱讀器、下發(fā)有源標(biāo)簽5 300張、每月產(chǎn)生超過100 GB數(shù)據(jù)、總數(shù)據(jù)量4 200萬條、部署智能工卡等相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)11套，為醫(yī)院質(zhì)量安全、醫(yī)療績效考核和醫(yī)院流程再造提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 討論

雖然物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)逐漸得到重視，但相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系和技術(shù)規(guī)范還處于逐步完善中，特別是面向醫(yī)療健康領(lǐng)域的特殊應(yīng)用需求，還需要更多的探索和有成功案例支持的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范。以后一體化醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展應(yīng)朝著統(tǒng)籌信息系統(tǒng)與醫(yī)療服務(wù)網(wǎng)絡(luò)、加強(qiáng)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)、降低醫(yī)療建設(shè)成本、提高患者隱私安全等方向完善。

4 結(jié)語

從醫(yī)療管理出發(fā)，基于醫(yī)院現(xiàn)有信息化建設(shè)基礎(chǔ)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，探索在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用場景和方法，構(gòu)建面向醫(yī)療質(zhì)量和安全的物聯(lián)網(wǎng)一體化服務(wù)示范平臺，在醫(yī)療質(zhì)量與安全管理領(lǐng)域，將醫(yī)療服務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有效結(jié)合，系統(tǒng)化和一體化創(chuàng)新建設(shè)，并運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行價值挖掘?；诮y(tǒng)一的業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)、接入標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、安全標(biāo)準(zhǔn)，為智慧醫(yī)院物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)支撐能力，對智慧醫(yī)院的長期發(fā)展構(gòu)建自主可控的統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)平臺尤為重要。