医院物联网体系结构和关键技术研究*

俞 磊，陆 阳，田一鸣，朱晓玲

（1．合肥工业大学计算机与信息学院，安徽 合肥 230009;2．安徽中医学院医药信息工程学院，安徽合肥 230031）

0 引言

“物联网”是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第四次技术革命，是指通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，具有全面感知、可靠传递和智能处理等特征［1］。物联网用途极为广泛，遍及智能交通、智能家居、医疗健康、智能电网、智能物流、工业与自动化控制、精细农牧业、国防军事、环境与安全检测、金融与服务业等诸多领域。就医疗领域而言，物联网技术在该行业的集中体现便是医院物联网，将对医院目前的诊疗模式产生深远的影响。本文就从医院物联网的基本概念开始，对其体系结构和关键技术展开详细的探讨。

1 医院物联网的基本概念

医院物联网是社会物联网的重要组成部分，是在综合了信息化医院、智能医院［2］、数字医院［3］的基础上，对医院更加具体、全面、动态的描述。陆续有学者提出医疗物联网［4］、物联网医学［5］、健康物联网［6］等相关概念，虽没有形成统一的定义和描述，但本质上都是相同的，只是描述的角度和范围不同。广义上来讲，医院物联网可以说就是医疗物联网，涉及到医疗领域的方方面面。这里，本文将重点关注医院内部的物物相连网络，是物联网技术具体在医院这个特定地点中的应用是医疗物联网的重要组成部分，不涉及到医院以外的其他场所和环节，比如远程监控、药品供应链管理等，

2 医院物联网的体系结构

已有不少学者对物联网的体系结构展开了相关研究，分别提出了一些适用于物联网的体系结构，如物品万维网（web of things，WoT）体系结构［7］、自主体系结构［8］及 EPC结构［9］等。关于物联网技术在某个领域的具体应用，更多的是采用感知层、网络层和传输层［10］三层通用架构。在医院领域，虽没有文献直接提及，但已有一些相关文章出现，如文献［11］提出了一无边界感知医院模型，文献［12］提出了一数字化环绕智能医院的应用模型。鉴于目前物联网的已有研究基础和医院的实际环境特点，医院物联网也是沿用通用的三层体系架构，但须根据医院的实际环境特点进行改进和细化，具体如图1所示。

2．1 感知层

感知层分为2个子层，分别是数据采集子层和接入子层。

数据采集子层是对医院物联网中的结点进行识别，感知并采集医生、护士的身份信息，病人的身份信息和诊疗信息，药品、医疗设备、医疗废弃物的基本信息和位置信息，住院病人的生理信息和位置信息，医院周围的环境信息等相关数据。

数据采集子层所用到的设备有RFID标签、读写器、各种传感器和摄像头等，目的是把网内的所有人员和物品改造成信息物理系统（CPS）节点，便于标识。物联网中的节点分为无源CPS、有源CPS和互联网CPS三种［13］。根据医院物联网的环境特点和服务需求，门诊病人采用无源CPS节点，仅需在其挂号时发放能标识其个人信息的RFID就诊卡或者手腕;医院里的药品、医疗设备、医疗废弃物也采用无源CPS节点，仅需贴上标识其信息的RFID标签;病房里的住院病人采用有源CPS节点，因为为便于生理监控在其身上佩戴了可感知其生理信息的传感器;医院里的基础设施，如墙、楼梯等则采用互联网CPS节点，以便对其位置进行监控和定位。

图1 医院物联网的体系结构Fig 1 Architecture of internet of things in hospital

接入子层是对数据采集子层获得的数据进行传输，接入到主干网，即全局物联网络。接入方式多种多样，有移动网络接入、无线网络接入、固定网络接入和有线电视网络接入［14］等，其中移动网络因覆盖范围广、建设成本低、部署方便和具备移动性等特点将成为医院物联网的主要接入方式。具体实施时需视情况而定，像门诊管理系统、医技管理系统这些使用地点固定的系统适合采用固定网络接入，而住院管理系统因其中医生、护士工作站使用无线医疗的地点不固定性而适合采用移动网络或者无线网络接入。就目前常用的短距离无线技术而言，Wi-Fi自组网能力较差，特别不适合药品管理和人流量多时的门诊病人管理;无线传感器网络（WSNs）数据传输速率太低，不能适应多媒体信息的无线传输，如一些医技科室的胶片传输就无法胜任。所以，需对接入技术进行深入研究，开发真正适合医院环境使用的接入技术。

2．2 网络层

网络层也分为2个子层，分别是网络传输平台和应用平台。

网络传输平台就是医院物联网的主干网，利用以太网技术、移动通信技术、M2M技术，对感知层感知到的信息进行实时、无障碍、高可靠地传送。另外，为形成统一的医院物联网络，完全抛弃医院目前现有的各异构网络，重新布设新一代网络，不太现实，比较可行的方法是对医院现行的各应用网络（如原先布设的有线网络、Internet、通信网、移动网等）进行融合，因此，需研究适合医院的异构网络融合技术。

应用平台主要是实现各种数据信息集成，包括统一数据描述、统一数据仓库、数据中间件技术等，并在此基础上构成服务支撑平台，为应用层各种服务提供开放的接口［15］，以便第三方在上面方便地开发各种各样的应用服务，供医护员工、病人及其他相关人员使用。

2．3 应用层

应用层包括两部分内容，分别是医院信息化应用和管理决策与应用。

医院信息化应用包括门诊管理、住院管理、医技（检验、检查、放射、病理、理疗等）管理、药品管理、设备和物资管理、医务管理、财务管理等方面的信息化。

管理决策与应用是高层应用，如疾病分析（各类疾病的发病时间、地域分布及诊疗费用情况），患者分析（患者的地区分布、年龄分布、公费医疗比例及就诊时间情况），门诊分析（各时间段内的门诊人次、住院人次及医生出诊情况），药品分析（各类药品的金额、消耗数量及利润情况）和科室分析（各科室不同时期产生诊疗费用的情况）等。

3 构建医院物联网的关键技术

3．1 医院物联网的标准建设

目前，传感器网络医疗应用项目组已成立，需尽快建立面向医疗行业的物联网标准体系，规范针对医疗行业的物联网技术结构和内容。医院物联网的标准建设主要包括:

1）全医院的编码标准，包括医院信息术语标准、医院信息分类编码标准等;

2）全医院的数据交换标准，目前已有的标准有HL7［3］（health level 7），DICOM 3．0［3］（digital imaging and communication on medice）和 ASTM［3］（The American Society for Testing and Materials）;

3）应用系统规范，包括医院物联网中应用系统的开发技术标准、数据描述、数据通信接口、数据仓库和中间件［14］等;

4）医院物联网环境下的业务流程规范，如形成的临床路径管理新模式等。

3．2 中间件技术

针对医院物联网中的不同应用服务，可开发不同的中间件，如医疗设备管理中间件、药品管理中间件、紧急事件急救处理中间件、病历信息传输中间件等。每种中间件的研发都须参照医院物联网应用服务的要求和标准进行。文献［16］就针对医疗环境下无线嵌入式设备的数据传输开发了此类设备与远程中心数据库交互的中间件系统。

3．3 基于物联网平台的的嵌入式电子病历

相对于医院信息系统（HIS），医院物联网的核心在于医疗的移动化和无线化，所以，需把互联网平台下的传统电子病历系统移植到物联网平台，即基于RFID和WSNs技术、运行在手持无线终端设备（如PDA）的嵌入式电子病历系统，这是医院物联网实现的关键。

1）系统架构

嵌入式电子病历系统实质上就是医院以病人为中心的物联网信息管理系统，可从系统模型的建立与功能模块的划分、就医流程的分析（此系统将使传统的就医流程发生改变）、医护人员手持PDA的设计（功能、工作流程、软件和硬件等）、符合医院要求的病人RFID诊疗卡的设计（存储介质、能量供应方式、存储容量等）这几个方面来对其架构进行研究。

2）数据模型和存储模型

HIS下电子病历多半采用XML格式，而物联网的标识语言是物理标识语言（physical markup language，PML）格式，是XML在物联网下的扩展。研究物联网下嵌入式电子病历的数据模型，就是研究其基于PML的数据模型。相比于HIS下的电子病历，物联网下嵌入式电子病历的一个显著特征就是空间性，在标记数据时需有空间属性。文献［17］提到的物联网下基于PML的数据表示都是三维的，相关的查询也是建立在三维基础上，这是有别于XML的地方。

HIS下基于XML的电子病历存储通常有文本、关系型数据库、面向对象数据库、XML数据库［18］4种方式，其中XML数据库又分为Native XML Database，XML Enabled Database和Hybrid XML Database［19］三大类。需对物联网下基于PML的嵌入式电子病历选择一种合适的存储方式。

3）信息传输格式和方式

物联网下嵌入式电子病历采用PML表示，其信息传输到底是沿用XML，还是采用PML，或者是有其他更合适的格式，这是需要研究的地方。另外，目前嵌入式设备与远程后台数据库的传输有很多方式，如基于Wi-Fi的PDA访问远程数据库方法［20］，基于GSM/CDMA的移动访问数据库方法［21］，基于 Web 服务的 PDA 软件开发方法［22］，基于Socket的与数据库交互中间件系统［16］等。针对嵌入式电子病历信息的实际特点，选择合适的方式进行数据传输也是一个有待研究的问题。

4）嵌入式移动数据库的设计方案

在嵌入式电子病历系统的移动终端PDA中，若其具有嵌入式数据库管理系统EDBMS，就会涉及到嵌入式数据库的存储、查询、删除、修改的问题。于是符合电子病历特点的EDBMS设计、相关查询和索引的算法优化（性能改进）、嵌入式数据库的事务管理（日志、同步性、冗余备份等）等都是物联网下嵌入式电子病历系统需关注的问题。

5）保障信息安全的方法和途径

确保医院物联网中嵌入式电子病历的信息安全，可从病历数据用户的合法性（鉴于医院的实际特点，同一个PDA在不同时间和不同地点可能会被不同的医护人员使用，这就需要进行用户登陆系统和相关权限的设置，防止非法人员访问）、病历数据操作的安全性（通过角色控制确保数据库的安全，不同角色的数据存取权限不同）和病历数据传输的安全性（采用数字签名和加密解密技术）三方面来考虑。

4 结束语

本文在简单介绍医院物联网基本概念的基础上，结合物联网机制和医院的实际特点，对医院物联网的体系结构和构建中的关键技术进行了探讨。医院物联网的普及和应用任重道远，需要更多的学者去关注和从事此方面的相关研究，只有这样才能为人类提供更安全更有效的医疗卫生服务，迎来惠及全社会的“智慧医疗”。

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