面向医疗行业物联网的概念、架构及关键技术研究

　　本文从物联网在医疗行业中的应用现状着手，分析了现有的面向医疗行业物联网的概念，并从狭义和广义角度对其进行剖析。借鉴物联网的现有体系架构，针对面向医疗行业物联网的特点，分析了医疗物联网体系架构设计时应考虑的领域业务范畴和体系架构模型标准，并对面向医疗行业物联网的关键技术进行归纳，分析其在医疗领域应用的场合，最后指出未来智慧医疗的发展方向。

　　1、物联网在医疗行业中的应用现状

　　智慧医疗的发展分为七个层次：一是业务管理系统，包括医院收费和药品管理系统;二是电子病历系统，包括病人信息、影像信息;三是临床应用系统，包括计算机医生医嘱录入系统(CPOE)等;四是慢性疾病管理系统;五是区域医疗信息交换系统;六是临床支持决策系统;七是公共健康卫生系统。

　　总体来说，中国的医疗处在第一、二阶段向第三阶段发展的阶段，还没有建立真正意义上的CPOE，主要是缺乏有效数据，数据标准不统一，加上供应商欠缺临床背景，在从标准转向实际应用方面也缺乏标准指引。我国要想从第二阶段进入到第五阶段，涉及到许多行业标准和数据交换标准的形成，这也是未来需要改善的方面。

　　在远程智慧医疗方面，国内发展比较快，比较先进的医院在移动信息化应用方面其实已经走到了前面。比如，可实现病历信息、病人信息、病情信息等的实时记录、传输与处理利用，使得在医院内部和医院之间通过联网，实时地、有效地共享相关信息，这一点对于实现远程医疗、专家会诊、医院转诊等可以起到很好的支撑作用，这主要源于政策层面的推进和技术层的支持。但目前欠缺的是长期运作模式，缺乏规模化、集群化的产业发展，此外还面临成本高昂、安全性及隐私问题等，这也是刺激未来智慧医疗发展的原因。

　　鉴于目前智慧医疗的应用现状，物联网技术的发展和成熟，使得物联网技术在医疗卫生领域的应用拥有巨大潜力，能够帮助医院实现对医疗对象(如病人、医生、护士、设备、物资、药品等)的智能化感知和处置，支持医院内部医疗信息、设备信息、药品信息、人员信息、管理信息的数字化采集、处理、存储、传输、决策等，实现医疗对象管理可视化、医疗信息数字化、医疗流程闭环化、医疗决策科学化、服务沟通人性化，能够满足医疗健康信息、医疗设备与用品、公共卫生安全的智能化管理与监控等方面的需求，从而解决医疗平台支撑薄弱、医疗服务水平整体较低、医疗安全生产隐患等问题。医疗服务应用模式主要有身份确认、人员定位及监控、就诊卡双向数据通信、移动医疗监护、生命体征采集。医药管理应用模式主要有药品供应链管理、药品防伪、服药状况监控、生物制剂管理。医疗器械管理应用模式主要有手术器械管理、消毒包的管理、医疗垃圾处理、高价、放射性、锐利器械的追溯。

　　2、面向医疗行业物联网的相关概念解析

　　随着信息领域及相关学科的发展，相关领域的科研工作者分别从不同的方面对面向医疗行业物联网进行了较为深入的研究，但是对于面向医疗行业物联网的概念还没有给出一个精确的定义。

　　2.1、相关概念

　　目前针对物联网在医疗领域的应用主要有这几个关键词：医疗物联网、物联网医学、健康物联网、智慧医疗、医疗健康物联网。相关的英文为medical internet of things、health internet of things。

　　从这几个概念看可将其分为狭义和广义两类，狭义上的医疗物联网指对医疗服务机构(如医院、社区卫生院，乡镇卫生院)内部的医疗、设备、药品、人员、管理信息的数字化采集、处理、存储、传输、决策等，实现医疗对象管理可视化、医疗信息数字化、医疗流程闭环化、医疗决策科学化、服务沟通人性化的新型应用管理模式。

　　笔者认为，广义上的医疗物联网(健康物联网、医疗健康物联网)不仅能实现对卫生行业信息化主体的医疗服务机构内部的管理模式的新的应用，同时还针对监管机构、公共卫生服务机构(如疾控中心、妇幼保健站等)、制造机构(如药品、医疗器械、保健品和制造厂商)、商业机构(药械健的流通业，包括批发商和零售商)及医保机构(社会保险机构、新农合保险机构及商业医疗保险公司)，使其满足医疗健康信息、医疗设备与用品、公共卫生安全的智能化管理与监控等方面的需求，并实现医疗服务应用模式(身份确认、人员定位及监控、就诊卡双向数据通信、移动医疗监护、生命体征采集)、医药管理应用模式(药品供应链管理、药品防伪、服药状况监控、生物制剂管理)、医疗器械管理应用模式(手术器械管理、消毒包的管理、医疗垃圾处理、高价、放射性、锐利器械的追溯)及医保机构应用模式(保险机构的报销管理、纠纷管理等)立体化的医疗卫生行业全覆盖的数字化、智能化、高清化、无线化的物联网应用模式。

　　2.2、面向医疗行业物联网特点

　　医疗卫生行业是指向公众提供医疗服务和公共卫生服务及相关产品的产业。该产业所涉及的业务广、流程复杂，组成元素种类繁杂、分布广泛。物联网应具有全面感知，可靠传输，智能处理等功能，因而，面向医疗卫生领域的物联网系统不仅需要涉及到感知和参数采集设备等前端传感器设备，也需要物联网应用网关和通信网络接入，同时还涉及医疗信息化基础设施建设以及外部医疗服务资源的整合。

　　3、医疗物联网体系架构研究

　　3.1、物联网体系架构研究现状

　　(1)ITU-T在2002年建议中描述的USN高层架构作为基础，自下而上分为底层传感器网络、泛在传感器网络接入网络、泛在传感器网络基础骨干网络、泛在传感器网络中间件、泛在传感器网络应用平台5个层次。

　　USN分层框架的一个最大特点是依托下一代网络(NGN)架构，各种传感器网络在最靠近用户的地方组成无所不在的网络环境，用户在此环境中使用各种服务。

　　(2)web of things体系结构它定义了一种面向应用的物联网， 把万维网服务嵌入到系统中，可以采用简单的万维网服务形式使用物联网。这是一个以用户为中心的物联网体系结构， 试图把互联网中成功的、 面向信息获取的万维网应用结构移植到物联网上，用于简化物联网的信息发布和获取[5]。

　　(3)自主体系结构是为了适应于异构的物联网无线通信环境而设计的体系结构。该自主体系结构采用自主通信技术。自主通信是以自主件( self ware)为核心的通信， 自主件在端到端层次以及中间结点，执行网络控制面已知的或者新出现的任务， 自主件可以确保通信系统的可进化特性[5]。

　　3.2、医疗行业物联网体系架构构建的几点思考

　　体系架构概念：目前人们对于“系统架构”这一概念有多种看法，没有完全一致的定义。在参考文献[6]中采用的系统架构的定义是：一个系统中最重要最基本的设计，包括系统的设计风格及架构中各元素或子系统的划分和组织、各元素或子系统的功能及其之间的相互关系和作用、系统和外部环境相互关系和作用。

　　由于物联网在医疗领域的应用规模大、感知节点密度高、业务流程复杂，无论是医院内部或是医疗行业间，面向医疗行业的物联网在全面感知、可靠传输、智能处理等方面都具有很大的异构性，为了实现全民的健康医疗，需要实现异构信息之间的互联、互通与互操作，未来的体系架构应能融合现有的医疗信息系统，并采用统一规范的标准进行数据交换、存储，并实现资源共享，即体系架构的框架应具有兼容性、开放性、层次性及可扩展性等特点。笔者认为物联网体系架构的研究总体上应遵循软件工程的开发思想，分析面向医疗领域物联网应用的场合和特点;然后制定医疗物联网体系架构的通用原则和总体需求，即需求分析阶段;再进一步详细分析和设计，定义通用框架和功能结构模型;并对医疗领域的相关业务流程进行描述。功能结构模型应按照分层思想对每层功能集进行适当拆分，定义功能集之间的访问接口点，接口的定义，接口参数的设计，相应的物理实现等。有如下几个细节的问题需要考虑。

　　3.2.1、面向医疗行业物联网体系应用场合(定位)问题

　　医疗卫生行业包括医疗服务体系、公共卫生服务体系、药品供应保障体系和医疗保障体系，由于体系架构是对行业内部的信息的全面整合，并针对我国已进入老龄化社会的现状，所以在构建物联网体系架构模型时不能只是局限于业务流程相对复杂的医疗服务体系，而应将这四大体系都纳入其中。实现医改中对全人全程健康管理，实现医疗对象、医疗流程的全过程标准化管理;实现“小病在社区，大病在医院”，居家养老的应用场合。同时，该体系架构的定位重点部署在医院和社区家庭两类环境区域，并通过多种基础通信网络(如3G/LTE、WiFi、因特网，等)与卫生行政监管机构及第三方服务机构的信息系统互连互通，支持智慧医院和医疗健康管理服务，并支持第三方服务及行政卫生监管。

　　在医疗服务体系中，医疗信息化的技术手段主要服务在门诊、住院、检验三个方面，引入物联网可实现对医疗对象、医疗过程的全方位管理，可实现对门诊流程再造，住院流程再造，检验流程再造。

　　3.2.2、现有的面向医疗物联网体系架构的分层问题

　　现有的研究中对物联网的分层有分三层，即感知层、网络传输层和网络层，也有的分五层：感知采集层、传输接入层、网络通信层、网络传输层及服务应用层，那么面向医疗物联网具体应分为几层。笔者认为所分层次问题是抽象的粒度问题，分层太多，层和层之间的接口点的定义相对复杂，分层太少，层的复用粒度也就相对较少。无论采用何种分层结构，都应实现全面感知、可靠传输和智能处理的功能。建议在具体层数的划分上应在现有物联网体系架构基础上，针对不同行业特点制定。比如在ITU-T的USN的物联网架构之上并根据医疗卫生行业特点、应用类型和场景作相应调整，制定体系架构框架的设计方案。

　　3.2.3、底层网络中的设备选取问题

　　现有医疗物联网通常所采用的元器件有RFID和传感器，选取何种，应根据不同的应用场合，按照不同应用的特点选取合适的器件，这属于按照架构实施时的问题。

　　3.2.4、同现有医疗信息化建设基础设施融合问题

　　加入对物品的定位和追踪的物联网不是对现有网络的取代，而是在现有网络基础上增加新的功能，相应网络的基础设施也应按照ITU-T的建议，在下一代网络基础上，实现医疗卫生领域内的人与物、物与物之间的泛在通信，同时扩大和增加对全民健康服务的力度。

　　4、医疗物联网关键技术及应用情况

　　4.1、RFID技术

　　(1)RFID技术特点：RFID 是Radio Frequency Identification 的缩写，即射频识别，俗称电子标签，是整个物联网技术中的核心。在物联网中，物品(商品)能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。其实质是利用RFID 技术，通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联与共享。

　　在智慧医疗中的应用一般通过多种方式附着在资产、物品或者人员身上，作为其身份唯一性标识，并可能采集其他相关数据(比如血压、温度等)上传至阅读器，阅读器通过有线或者无线方式传输到后台主机系统，经过特定程序分析，解析出相关有用信息，激发应用系统后续控制机制。

　　4.2、无线传感器网络技术

　　无线传感网是由大量部署在监测区域内的传感器节点构成的多个、自组织的无线网络系统。能够实时地检测、感知和采集节点部署中研究者感兴趣的感知对象和各种信息，并对这些信息进行处理后以无线方式发送出去，通过无线网络最终发送给研究者。

　　在智慧医疗中的应用通常是无线传感器网络利用其自身的优点(如低费用、简便、快速、实时无创的采集患者的各种生理参数等等)，使其在医疗研究、医院普通/ICU病房或者家庭日常监护等领域中有很大的发展潜力，是目前研究领域的热点。

　　在病人身上放置用于检测人体参数的微型传感器节点，可对病人的心率、血压、心电、心音等生理参数进行远程实时监测，并将信息汇总传送给监护中心，进行及时处理与反馈;利用WSN长期收集被观察者的人体生理数据，对了解人体健康状况以及研究人体疾病都很有帮助。此外，在药物管理和研制新药品、血液管理等诸多方面，也有其独特的应用。

　　总之，无线传感器网络为未来的远程医疗监护系统提供了更加简便、低费用的实现手段。无线医疗传感器节点逐渐向多参数、智能化、微型化、低功耗等方向发展，无线传感器网络也将逐渐被实际应用于医疗领域。发展与组建具有智能化的病房与社区监护系统是当今国内外医疗发展的趋势。

　　4.3、web 服务

　　web 服务技术是一种新的分布式计算技术，它将传统的web 应用程序的业务层中的核心业务进行抽象封装，并放置于第三方机构中，能够实现应用程序之间的互操作，并可以使用各种计算平台、手持设备、家用电器对其进行动态查找、订阅和访问，极大地拓展了应用程序的功能，实现了软件的动态绑定。基于此技术，可以实现医院信息平台和外部系统之间的互操作，并且能够保证应用程序具有封装性、松散耦合、使用标准协议规范、高度可集成、易构建等特点。并可用于实现基于第三方的医疗信息平台之间资源的整合，实现电子病历的存储和共享，有助于实现全民性的电子健康档案。

　　目前数据交换按照目前应用最为广泛的一个国际医疗数据标准--HL7 ，该标准就是基于web服务的医疗领域应用层的一个应用。基于物联网在医疗领域的应用也必将遵循数据交换的标准，对现有的平台进行集成[7,8]，并实现物与物，物与人及人与物的“交流”。

　　其目前最新的是v3版本，该版本相对于v2版本的消息驱动，采用参考信息模型模型驱动，基于该模型，系统能够为医疗活动中产生的各种信息以及信息之间的关系提供一致性的组织框架。

　　4.4、云计算

　　云计算是一种并行的、分布式的系统，由虚拟化的计算资源构成，能够根据服务提供者和用户事先商定好的服务等级协议动态地提供服务。云计算具有服务资源池化、可扩展性、宽带网络调用、可度量性、可靠性等特点。

　　云在医疗领域中的应用被称为“健康云”。传统的医疗系统中，服务器、网络和存储等IT基础设施是分散的，这些分离的系统无法实现对信息的有效共享和对医疗系统的统筹管理。云计算可以实现对医疗系统的优化和动态管理;可以将分散的系统进行整合，形成统一的医疗信息基础设施，提供类型多样的健康管理应用，为每一个人制订个性化的方案。

　　为了实现新医改中的“加快医疗卫生信息系统的建设，以建立居民健康档案为重点，构建乡村和社区卫生信息网络平台”的目标，必须建立扩充原有的医疗系统和平台。政府正在推广以电子病历为先导的智能医疗系统，要对医疗行业中的海量数据进行存储、整合和处理，满足远程医疗的实时性要求，云计算是建立智能医疗系统的理想解决方案。文献11中， 设计一种基于 SaaS 模式的医疗物联网信息服务平台的解决方案。通过将电子健康档案和云计算平台融合在一起，每个人的健康记录和病历能够被完整地记录和保存下来，在合适的时候为医疗机构、主管部门、保险机构和科研单位使用。

　　4.5、中间件

　　物联网中间件的主要作用在于将实体对象转换为信息环境下的虚拟对象，因此数据处理是中间件最重要的功能。同时，中间件还具有数据搜集、过滤、整合与传递等特性，以便将正确的对象信息传到后端的应用系统。

　　因为不同的应用领域对于结点控制的可靠性、实时性、安全性有不同的要求， 所以， 需要针对不同应用领域，设计和实现不同控制力度的应用中间件。设计和实现物联网应用的中间件， 可以隔离物联网特定联网系统， 满足快速应用开发的需求。在设计和实现物联网应用中间件过程中， 需要参照物联网相关领域的应用平台服务接口标准，可以在设计和实现物联网应用中间件过程中， 提取与实现无关的部分， 形成该领域的物联网应用平台服务接口技术规范。中间件是针对物联网应用特点而设计的开发平台和基础框架。它的主要作用是隔离底层医疗信息感知网络与上层应用，屏蔽底层不同生理信息采集设备在通信协议、数据格式等方面的差异，为上层应用开发提供统一的数据处理、网络监控、应用开发以及服务调度接口，从而简化医疗健康服务网络的部署和相关应用开发。

　　针对医疗健康服务的行业需求特点及终端产品特点，设计和实现网关级应用中间件平台，并在此基础上，研制网关设备，完成系统集成和应用的开发部署。物联网应用中间件平台的整体架构。

　　在建立物联网应用中间件之后， 就可以进一步设计和实现物联网应用系统， 包括基本应用系统和特定应用系统。基础研究方面的挑战，技术开发方面的挑战。

　　4.6、大数据

　　目前物联网在医疗中的应用只是局限于某个单一业务，在未来面向医疗行业的物联网中，RFID标签及传感器将布置于医疗卫生系统的各个角落，这些设备会源源不断地产生大量的数据，对这些大数据[12]需要云计算的基础平台与支撑技术，将医疗服务机构中的业务按照紧急程度分类，并按照处理模式的不同对业务采取合适的技术进行处理，并对大数据按照抽取与集成、分析及数据解释的流程，最终得出对医疗有价值的数据。

　　5、未来智能医疗发展方向

　　将物联网技术用于医疗领域，借由数字化、可视化模式，可使有限医疗资源让更多人共享。从目前医疗信息化的发展来看，随着医疗卫生社区化、保健化的发展趋势日益明显，通过射频仪器等相关终端设备在家庭中进行体征信息的实时跟踪与监控，通过有效的物联网，可以实现医院对患者或者是亚健康病人的实时诊断与健康提醒，从而有效地减少和控制病患的发生与发展。此外，物联网技术在药品管理和用药环节的应用过程也将发挥巨大作用[13]。

　　随着移动互联网的发展，未来医疗向个性化、移动化方向发展，到2015年超过50%的手机用户使用移动医疗应用，如智能胶囊、智能护腕、智能健康检测产品将会广泛应用，借助智能手持终端和传感器，有效地测量和传输健康数据。

　　同时，需要在整合交付网络/整合交付系统 、医院资源规划管理、、个人健康记录、临床辅助，预防医学、费用和健康统计、注交换和互操作、标准和协议、电子健康档案和电子病历[14]及数字化医院方面给予给大的关注。