劉芳

摘? 要： 伴隨著“智慧城市”概念的提出，醫(yī)療行業(yè)實現(xiàn)著從傳統(tǒng)方式以“醫(yī)生”為中心到智能方式以“患者”為中心的轉(zhuǎn)變。本文重點介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)的WSN技術(shù)，并實現(xiàn)了對患者的遠(yuǎn)程監(jiān)測。使人們從“有病再看病”實現(xiàn)了“沒病先預(yù)防”。為今后醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展提供了一個可參考的方向。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng);智慧醫(yī)療;WSN

中圖分類號： TN929.5;TP391. 44? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.07.009

【Abstract】： With the concept of “smart city”， the medical industry is changing from the traditional way of “doctor” as the center to the intelligent way of “patient” as the center. This paper focuses on the WSN technology based on the Internet of Things， and realizes the remote monitoring of patients. So that people from the “sick then see a doctor” to achieve “prevention of disease”. It provides a reference direction for the future development of medical industry.

【Key words】： Internet of things; Smart health care; WSN

0? 引言

伴隨著通信技術(shù)的發(fā)展，逐漸興起的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)出現(xiàn)在了我們生活的方方面面。從環(huán)境數(shù)據(jù)感知到通信服務(wù)，人們提出了許多不同的概念來描述物聯(lián)網(wǎng)的真正含義。智慧城市建設(shè)中通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用機器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)技術(shù)處理城市交通情況，通過定位和射頻技術(shù)管理城市的停車位情況，通過實時定位和監(jiān)測了解物流的配送情況等等方面都取得了顯著的效果。隨著城市規(guī)模不斷擴大，人口老齡化和國家生育政策的放開使得老年人和孩子們的數(shù)量與日俱增，醫(yī)療環(huán)境也面臨著巨大的壓力，傳統(tǒng)的病人-醫(yī)生面對面以“醫(yī)生”為中心診療模式顯然已經(jīng)跟不上了時代的發(fā)展。智慧醫(yī)療作為智慧城市建設(shè)中的一個部分，提出了一種以“患者”為中心的思想。

1? 智慧醫(yī)療

在傳統(tǒng)的就醫(yī)方式中，存在以下問題：第一，通過醫(yī)院獨立的醫(yī)療設(shè)備手工收集數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)僅僅存儲在每個醫(yī)院自己的數(shù)據(jù)庫中，如果涉及到轉(zhuǎn)診，數(shù)據(jù)就要重新再收集一遍，很浪費時間和醫(yī)療資源，數(shù)據(jù)分散在各個醫(yī)院對于患者來說不能建立自己的健康檔案，對于醫(yī)生來說不能進行數(shù)據(jù)的整合分析;第二，就醫(yī)資源分布不均，有了大病以后很可能因為沒有好的醫(yī)生或醫(yī)療條件及時診治而錯過了最佳治療時間;第三，醫(yī)療體系缺少預(yù)防和監(jiān)控體系，一旦發(fā)病很可能已經(jīng)處于晚期。因此，能出現(xiàn)一種高效率的診療方法變得非常重要。

智慧醫(yī)療是指以患者為中心，利用超大規(guī)模集成、嵌入式系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、機器學(xué)習(xí)、云計算和人工智能技術(shù)等先進的信息技術(shù)將有限的醫(yī)療資源實現(xiàn)更多人的共享，改善醫(yī)療服務(wù)流程的一種醫(yī)療? 方式[1]。

2? 物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種使物與物連接的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這種網(wǎng)絡(luò)通過射頻識別技術(shù)（RFID）、傳感技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、全球定位技術(shù)等感知技術(shù)，通過主控制器的處理，按照短距離無線通信規(guī)定的協(xié)議，把物體與網(wǎng)絡(luò)、物體與物體連接起來，進行信息傳遞，實現(xiàn)智能化的識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[2]。

（1）RFID技術(shù)

目前，利用最多的就是RFID技術(shù)，這種技術(shù)一般都用來進行信息采集。RFID由三大部分組成，應(yīng)答器（標(biāo)簽）、閱讀器和應(yīng)用系統(tǒng)。在醫(yī)療領(lǐng)域中幾乎遍及各個環(huán)節(jié)，比如說醫(yī)院藥品的監(jiān)控領(lǐng)域，從藥品的成分、生產(chǎn)時間，用法用量到中途的物流運輸，再到醫(yī)院患者的使用，中間的每一個環(huán)節(jié)都可以通過掃一掃“標(biāo)簽”變得一目了然。在藥品的使用過程中，如果藥品過期，RFID系統(tǒng)還可以進行適當(dāng)?shù)奶嵝?，對藥物進行適當(dāng)處理，避免醫(yī)療事故的發(fā)生。在醫(yī)院醫(yī)療管理方面，手術(shù)管理和母嬰防盜系統(tǒng)的建立使得醫(yī)院對于人員的管理和設(shè)備的管理更加井井有條，只有帶有標(biāo)簽并被正確識別的人或物品才能進入指定區(qū)域進行相應(yīng)的工作。在醫(yī)護方面，病人帶有錄入自己信息的RFID標(biāo)簽，當(dāng)醫(yī)生或護士進行治療時，帶有識別功能的閱讀器掃一掃“標(biāo)簽”即可對病人的病情有了如指掌，進行后續(xù)的治療活動。另外，在醫(yī)療垃圾監(jiān)控、血液管理等方面，RFID技術(shù)都有廣泛的應(yīng)用。

（2）WSN技術(shù)

WSN（Wireless Sensor Network）的全稱是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它可以進行遠(yuǎn)距離傳感通信，如果在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)放置大量的微型傳感器就可以形成通信節(jié)點，采集到信息以后可以通過無線通信的方式返回給相應(yīng)的數(shù)據(jù)平臺進行數(shù)據(jù)處理。已被廣泛應(yīng)用在了軍事、航空、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居等領(lǐng)域。

（3）嵌入式系統(tǒng)技術(shù)

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)中的一項相對復(fù)雜的技術(shù)，綜合了包括計算機軟硬件、傳感器技術(shù)、集成電路技術(shù)、電子應(yīng)用技術(shù)在內(nèi)的很多技術(shù)。嵌入式系統(tǒng)是以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、通過軟硬件的適當(dāng)組合以完成某些特定功能的專用計算機系統(tǒng)。因其

系統(tǒng)本身擁有微處理器和存儲器等硬件，可以進行數(shù)據(jù)處理。在智慧醫(yī)療中多應(yīng)用在醫(yī)療儀器領(lǐng)域，如佩戴基于嵌入式的便攜心電監(jiān)護儀，可以為用戶提供心電圖監(jiān)測和診斷服務(wù)，從而減輕了醫(yī)院的負(fù)擔(dān)。如果監(jiān)測到的心電圖機器無法確認(rèn)，可通過網(wǎng)絡(luò)傳送至遠(yuǎn)程醫(yī)院，供專家診斷，并獲得反饋信息[3]。

（4）全球定位技術(shù)

利用GPS定位衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)實時進行定位、導(dǎo)航的系統(tǒng)，稱為全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng)在醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的應(yīng)用范圍主要是獲取地理位置的信息，已獲得更好的醫(yī)療幫助。

3? 基于WSN技術(shù)的智慧醫(yī)療服務(wù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，加速了醫(yī)療方式的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了醫(yī)生對患者，醫(yī)院對就醫(yī)環(huán)境的有效管理。尤其是WSN技術(shù)的進步，通過海量的傳感器網(wǎng)絡(luò)采集患者信息，使得“遠(yuǎn)程醫(yī)療”服務(wù)和“家庭護理”服務(wù)得以實現(xiàn)，讓患者可以享受到便捷、平等的醫(yī)療保障。同時，智慧醫(yī)療服務(wù)還應(yīng)該滿足以下幾個方面的特點：

（1）規(guī)范性

智慧醫(yī)療的系統(tǒng)要規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化[4]。只有規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化才是與其他系統(tǒng)兼容的保證。傳感設(shè)備采集的數(shù)據(jù)一定要有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)通信要遵循統(tǒng)一的通信規(guī)則。

（2）發(fā)展性

智慧醫(yī)療體系是一個長遠(yuǎn)的計劃，它的可發(fā)展性是毋庸置疑的，至今沒有一個統(tǒng)一的全面的概念去解讀它，這就要求對它的內(nèi)容不斷擴充，不斷完善，適應(yīng)社會每一個階段的發(fā)展，所以這個平臺應(yīng)該是對新的應(yīng)用開放，要預(yù)留適當(dāng)?shù)慕涌?，并且不能影響?dāng)前的使用效果。

（3）易操作性

智慧醫(yī)療面向?qū)ο蟮氖轻t(yī)生和患者，所以要有友好的操作界面，給操作者很好的使用反饋。

（4）可持續(xù)性

要保持傳感器和其他設(shè)備的的持續(xù)工作，不要因為供電或能量系統(tǒng)缺少而引起數(shù)據(jù)的丟失。

（5）靈敏性

環(huán)境的細(xì)微變化都可以被監(jiān)測處理，也可以準(zhǔn)確的利用定位系統(tǒng)定位識別。

（6）保密性

產(chǎn)生的個人健康敏感數(shù)據(jù)被保密，提升系統(tǒng)的安全性。

3.1? 智慧醫(yī)療系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)最早的研究工作。使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得物聯(lián)網(wǎng)的效率大大增加。如圖1所示，WSN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要分為四個層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層和接口層[5]。

（1）感知層

傳感器是一種依據(jù)佩戴的信息進行識別的裝置，感知層通過傳感器來獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，是監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)。溫度傳感器、心電圖（ECG）、血壓、血糖、肌電圖、心率、氧飽和度、陀螺儀、運動傳感器和加速度計是智能醫(yī)療中常用的傳感器。傳感器有助于監(jiān)控多個生命體征[6]，也可以用來監(jiān)測醫(yī)療設(shè)備的使用情況和藥品的存放情況。本層次主要完成的功能就是數(shù)據(jù)的獲取。

可以在傳感器上應(yīng)用嵌入式內(nèi)存，在大型服務(wù)器上進行數(shù)據(jù)分析。智能手機、平板電腦等都可以作為存儲信息計算數(shù)據(jù)的重要工具。

（2）網(wǎng)絡(luò)層

在整個智慧醫(yī)療的系統(tǒng)框架中，連接技術(shù)起到了相當(dāng)大的作用。無線技術(shù)是智能醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)的支柱，一些高度集成的設(shè)備可以通過無線連接技術(shù)，利用物聯(lián)網(wǎng)對健康實施遠(yuǎn)程監(jiān)測。本層次主要完成的功能就是數(shù)據(jù)的傳輸。

不同的無線技術(shù)通過不同的物理設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)中，在信息交換中起著至關(guān)重要的作用。在短距離的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸中，RFID在智能醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用被認(rèn)為是非常有前景的，特別是超高頻（UHF）標(biāo)簽的出現(xiàn)，提高了傳感和計算能力，使得無線射頻技術(shù)很容易實施低成本監(jiān)測和傳輸患者生命體征[7]。NFC是一種非接觸式近距離通信技術(shù)，適用于短距離范圍（理論上小于10 cm，但實際上約為4 cm）。由于NFC的接近性特點，以及其易用性，該技術(shù)非常適合患者去查詢他們的健康檔案。BLE是一種低消耗藍(lán)牙技術(shù)，在保持同等通信范圍的同時采用這種技術(shù)可以顯著降低功耗和成本。ZigBee也是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)，在距離短、功耗低且對傳輸速率要求不高的設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)可用GPRS。

（3）服務(wù)層

本層主要任務(wù)是進行數(shù)據(jù)的處理?？梢詮囊韵氯齻€方面來進行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的處理：面向應(yīng)用程序的、面向?qū)ο蟮暮兔嫦蛘Z義的[8]。

面向應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)需要負(fù)責(zé)建立個體傳感器和應(yīng)用程序之間的安全的信息網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)進行安全管理，做到數(shù)據(jù)的加密輸入和解密輸出。

面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)要求適應(yīng)應(yīng)用程序的實時性、持續(xù)性，靈敏度高，在低功耗下保持較高的效率，并可以進行智能化處理。

面向語義的計算平臺的框架通常要適應(yīng)不同的上下文環(huán)境，能夠基于先前獲得的信息，利用自然語言分析處理技術(shù)來豐富用戶體驗，具有普適計算的能力，如數(shù)據(jù)庫管理、最優(yōu)化、人機交互和機器學(xué)習(xí)算法等。

（4）接口層

本層主要任務(wù)是數(shù)據(jù)的使用。接口層是使用智慧醫(yī)療系統(tǒng)的個人和機構(gòu)。機構(gòu)通常包括醫(yī)療機構(gòu)、家庭、企業(yè)等用戶通過相應(yīng)APP和系統(tǒng)軟件獲取服務(wù)相應(yīng)入口，實現(xiàn)相關(guān)醫(yī)療的信息的體驗。

智慧醫(yī)療服務(wù)的目的是想打造一個有發(fā)展的、便捷的、移動的、高效的醫(yī)療數(shù)據(jù)互相聯(lián)通的平臺。

3.2? 智慧醫(yī)療服務(wù)的設(shè)計

在這里通過舉例醫(yī)院的智能病房來說明智慧醫(yī)療服務(wù)的過程。在傳統(tǒng)的醫(yī)院病房中，醫(yī)療數(shù)據(jù)的采集和病房環(huán)境的監(jiān)測，都需要醫(yī)護人員手動進行，而且在醫(yī)療數(shù)據(jù)的收集方面很容易形成“信息孤島”，不容易進行數(shù)據(jù)的分析與共享。通過無線射頻技術(shù)與傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，可以實現(xiàn)病房的智能管理，加速智慧醫(yī)療的系統(tǒng)進程。

圖2顯示了智能病房的實現(xiàn)過程。

在數(shù)據(jù)采集方面分為通過傳感器采集和RFID采集兩個子集。在環(huán)境信息采集方面，可通過溫濕度傳感器、煙霧傳感器等來采集病房的數(shù)據(jù)，患者可以使用加載有監(jiān)測血壓、心率等功能的傳感器手環(huán)采集身體特征數(shù)據(jù)。以RFID形式采集的數(shù)據(jù)主要集中在患者的一些基本信息，比如說住院號、患者姓名、患者年齡、入院時間、病房號、診斷結(jié)果等等，同時采集醫(yī)護人員的信息，將患者和相應(yīng)的醫(yī)護人員關(guān)聯(lián)在一起，記錄每次醫(yī)護人員對患者的操作記錄，通過相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器。

在數(shù)據(jù)處理方面，系統(tǒng)主要完成的是對采集來的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)庫處理，將患者的信息和醫(yī)護人員信息分別建立數(shù)據(jù)庫，方便查看歷史信息和關(guān)聯(lián)信息，患者信息字段如表1所示，醫(yī)護人員信息字段如表2所示。

在通過端口讀取完成數(shù)據(jù)以后，進行數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)端口，端口分為醫(yī)護人員使用端口和患者使用端口，當(dāng)醫(yī)護人員在醫(yī)護端通過身份認(rèn)證以后，就可以監(jiān)測患者的血壓、心率，心電圖等等并記錄治療流程，如果患者需要轉(zhuǎn)診，轉(zhuǎn)診醫(yī)生可通過讀取相應(yīng)信息記錄了解患者病情也省去了重復(fù)檢查的時間，同時系統(tǒng)支持?jǐn)?shù)據(jù)的實時刷新。

在患者端，患者通過智能設(shè)備接入APP患者端，可實時查看生理數(shù)據(jù)及一些檢驗結(jié)果及費用明細(xì)，可隨時呼叫醫(yī)護人員，同時APP還提供了提醒服務(wù)，提醒患者的吃藥時間和治療時間，也可以提供病房餐的配送。

4? 智慧醫(yī)療服務(wù)的其他應(yīng)用

4.1? 健康生活方面

現(xiàn)代人的醫(yī)療模式已經(jīng)從傳統(tǒng)的“有病再就醫(yī)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁o病先預(yù)防”，健康的生活方式很重要，通過智能設(shè)備可以實現(xiàn)對健康的日常管理。

在健身運動方面，佩戴智能手表進行健身運動時，通過提取卡路里的消耗量、健身姿勢的改變量、健身活動持續(xù)的時間量等特征值，根據(jù)相應(yīng)算法，就可以監(jiān)測出身體汗液酸堿度的變化，氧氣的攝入量和心率的變化量，還可以設(shè)置步行或徒步旅行路線，伴隨著定位，有助于監(jiān)督使用者的位置和活動，給他們的健身活動提出相關(guān)的建議并幫助他們實現(xiàn)健身目標(biāo)。

在食品檢測方面，我們可以在冰箱上配置好傳感器和攝像頭，一旦食物超過保存期變質(zhì)變味，傳感器就會通過氣味的變化提醒食物可能的變化，讓人們可以不開冰箱通過攝像頭來看一下需要處理的食物。

在食品溯源方面，我們通過掃描食物上配備的RFID標(biāo)簽就可以追溯食品的產(chǎn)地和成份，了解其具有哪些營養(yǎng)，不能和哪些食物同食，建議烹飪方法等。

4.2? 家庭護理方面

通過佩戴具有“IPV6”網(wǎng)址的可穿戴傳感器，定期獲取關(guān)于孩子或年邁父母的健康信息，實時監(jiān)控他們的健康狀況，一旦體溫、血壓或心率突然變化就會及時通知家人。尤其是傳感器具有網(wǎng)絡(luò)地址以后，可以定位跟蹤分析孩子或父母的位置，一旦突發(fā)狀況，家人可以根據(jù)傳感器接收到的地址信息，呼叫救護車進行緊急處理。

在遠(yuǎn)程醫(yī)療上，通過把每名用戶去醫(yī)院的就醫(yī)記錄進行整合，建立一個完整檔案，通過可穿戴傳感器監(jiān)測到的生命體征數(shù)據(jù)可以隨時對檔案進行數(shù)據(jù)更新，通過執(zhí)行器、微型控制器、處理器和云計算[9]，在物聯(lián)網(wǎng)協(xié)助下獲得準(zhǔn)確的結(jié)果和醫(yī)療保健方法。使用者只是通過APP查詢，就可看到結(jié)果，也可以聯(lián)系醫(yī)生進行治療方案的制定。這種以“預(yù)防”為主的智能醫(yī)療模式對慢性病的診斷起到了很好的效果[10]。

4.3? 環(huán)境監(jiān)測方面

WBAN（Wireless body area networks，無線身體區(qū)域網(wǎng)絡(luò)）是社區(qū)衛(wèi)生健康監(jiān)測的基本組成部分，有助于在一個地方或社區(qū)周圍建立一個網(wǎng)絡(luò)。多個WBAN構(gòu)成了智慧醫(yī)療網(wǎng)，多個WBAN構(gòu)成了智慧醫(yī)療網(wǎng)，可以形成共同合作體系。社區(qū)網(wǎng)絡(luò)可能包括學(xué)校、住宅區(qū)和醫(yī)院，這有助于在偏遠(yuǎn)地區(qū)提供高效率的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。在監(jiān)測某一地區(qū)的地方病或流行病爆發(fā)的狀況時，如果受感染的人數(shù)突然增加，對于傳感器所傳回的信息可以提前制定疏散醫(yī)院管理計劃，騰出病人的急救通道與病房供給，保證所需醫(yī)療設(shè)備或資源的供應(yīng)，比如說血液庫準(zhǔn)備的充足血量提供需要輸血的人。

從生活中的健康監(jiān)測發(fā)展到醫(yī)院的生命體征監(jiān)測，通過機器學(xué)習(xí)算法和人工智能，智慧醫(yī)療也在不斷提高自身的服務(wù)范圍和服務(wù)的質(zhì)量[11]，一些傳感設(shè)備可以幫助研究人員更好的改進模型來處理不同條件下的醫(yī)療。

5? 總結(jié)與展望

本文從物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)、智慧醫(yī)療系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用三個方面，來闡述智慧醫(yī)療服務(wù)。在數(shù)字時代，智能醫(yī)療領(lǐng)域已經(jīng)成為了一個跨學(xué)科的研究領(lǐng)域。從傳統(tǒng)醫(yī)療服務(wù)到智能醫(yī)療服務(wù)的轉(zhuǎn)變是一個緩慢和穩(wěn)定的過程，完善體系結(jié)構(gòu)中涉及的工作原理和技術(shù)，探索醫(yī)療保健服務(wù)中大數(shù)據(jù)的安全性和隱秘性，研究如何使用云輔助架構(gòu)和集成多種技術(shù)以確保智慧醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量，一直是各地研究人員關(guān)注的內(nèi)容。我相信隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療過程的不斷完善，技術(shù)人員和醫(yī)護人員的共同努力，智慧醫(yī)療服務(wù)的未來將會越來越好。

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