物联网及其在健康监测领域的应用研究

张娜娜，邹远文，张虎军

物联网及其在健康监测领域的应用研究

张娜娜，邹远文，张虎军

简单阐述了物联网的概念、发展以及健康监护仪的发展历程，重点介绍了基于有线网和无线通信网的远程健康监护的应用研究，最后指出穿戴式健康监护仪和基于4G网络技术的健康监护系统是最近及未来一段时间内健康监护发展的必然趋势。

物联网；健康监测；无线通信技术；穿戴式健康监护仪

0 引言

随着社会的进步和人们生活水平的提高，越来越多的人对自身健康的关注已从以前的有病看医转变成提前预防、及早治疗。因此，健康监测成为了医疗领域的研究热点。近年来，由于平均寿命的增长以及人口出生率的下降，世界人口老龄化问题凸显。因为医疗资源有限，患者不可能长期留在医院治疗，所以多数患者采取了定期回医院进行复诊的治疗方式。这种治疗方式不仅使患者缺乏长期有效的病情监控与护理，还浪费了患者大量时间和金钱，增加了患者的精神压力。目前，越来越多的老年人和健康者都迫切需要日常的健康监测来实现疾病的早期预防和治疗。伴随着计算机技术和通信技术的发展，物联网的出现使这一问题得到了有效的解决。继计算机、互联网和移动通信网络之后，物联网成为推动社会发展和提升信息化水平的又一信息化浪潮。世界各国政府对物联网的发展都非常重视，现已有很多国家将其纳入国家整体发展战略层面。

1 物联网简介

1.1 物联网概念

物联网（Internet of Things）又称传感网，简称IOT。物联网的出现最早可追溯到1995年比尔·盖茨的《未来之路》一书。但是，其真正意义上的概念是在1999年由美国麻省理工学院（MIT）的Auto-ID实验室提出的，即物联网可通过射频识别等信息传感设备与任何物品相连，从而实现对物品的智能化识别和管理[1]。2005年，国际电信联盟发布的《ITU互联网报告2005：物联网》[2]对物联网的内涵进行了扩展并指出，在物联网时代，人类将可以从任何时间、任何地点连接任何人扩展到连接任何物品。ITU的报告推动了物联网概念的发展，但并未给物联网一个清晰的定义。

至今，关于物联网的概念还没有一个统一标准的定义。但是相对来说，李航[3]一文中给出的定义是目前较普遍认可的，即物联网是一种建立在互联网基础上的，可以通过射频识别（radio frequency identification，RFID）、全球定位系统（GPS）、红外感应器等技术，按照一定的协议，实现对任何物品的识别、定位、跟踪、监控和管理的网络。

1.2 全球物联网的发展概况

目前，对物联网的研究主要集中在美、欧、日、韩、中等国家[1，4]。

美国非常重视物联网的战略地位。2009年1月，IBM公司提出的“智慧地球”构想中把物联网作为其不可或缺的重要组成部分。2009年2月，美国总统奥巴马就职后，又把物联网提升到国家级发展层面。现今，物联网已成为影响美国利益的6种关键技术之一。

2005年，欧盟委员会提出了i2010计划，意在创建无所不在的网络社会。2009年6月，欧盟委员递

交的《欧盟物联网行动计划》指出：欧洲应加快发展物联网，并在物联网构建中占据主导地位。2009年9月，欧盟对2010、2015、2020年3个阶段的物联网发展进行了规划，并指出了不同应用领域、不同方面物联网需要突破的关键技术。为了达到物联网建设领先全球的目的，欧盟委员会对外发布物联网战略，并投入大量资金用于支持物联网项目建设。

2004年，日本在提前完成了2期E-Japan战略目标之后，又提出了以发展泛在网络社会为目标的U-Japan计划，并把传感网列为发展的重点之一。2008年，日本总务省提出“U-Japan xICT”政策，该政策把以仅仅关注居民生活品质为重心提升拓展到了以带动产业及地区发展为重心，即通过各行业地区与ICT的深化融合进而实现经济增长的目的。2009年7月，日本IT战略部又颁布了以强化物联网在医疗、交通、环境监测等领域应用的I-Japan战略。

韩国在继日本提出U-Japan战略后，提出了意在10 a之内将韩国建设成为全球第一个泛在社会的U-Korea战略。2006年，韩国又推出了UIT839计划，该计划意在全国范围内打造基于宽带、IPv6网络和泛在网络的强大手机软件公司。2009年10月，韩国出台的《物联网基础设施构建基本规划》确立了物联网在韩国国内的市场发展中的重要地位。

2009年8月7日，温家宝总理在视察无锡微纳物联网工程技术研发中心时发表了重要讲话，并指出我国发展物联网的紧迫性与战略重要性[3]。在此之后，物联网概念在国内迅速升温。2010年3月，全国两会上明确指出：物联网技术将作为推动经济发展方式转变的国家经济技术发展的战略支柱之一[5]。

综上可知，各国政府都非常重视物联网的发展，并把其提升到了国家发展的高度，有力推进了物联网全国化——全球化的发展进程。时至今日，物联网已不只是一个学术概念，而是有着遍及智能医疗、智能电网、智能家居、智能交通和智能物流、公共安全等应用领域的技术。

2 健康监护仪的发展历程

早在20世纪60年代，健康监测就出现在了北美洲医院的一些冠心病监护病房（coronary care unit，CCU）。随后，只监测一个参数、使用分立系统的心呼吸机、心电图仪等监护设备在临床上得到了广泛应用[6]。1980年以后，随着计算机技术和通信技术的飞速发展，具有友好操作界面和精确的数据计算的监控设备成为研究热点[7]。监测系统实现了从个体到群体、从单生理参数到多参数监护、从临床监护到集中监护、从卧床监护到可自由活动的监护、从对患者监护到对健康人的医疗保健、从医院监护到家庭监护等的转变，监护系统的功能也日趋完善，监测方式也越来越人性化[8]。

进入21世纪后，便携式、智能化的监测设备越来越受到研究者的青睐。欧盟的IST FP5项目中，嵌入传感器的编织式的衣服通过传感器实现了心电、体温、呼吸等生理参数的监测。美国佐治亚理工学院的Smart Shirt可以将金属纤维和柔性光纤编制到衣物上，然后通过T型连接器与传感器相连，从而实现生理参数的灵活监测。受欧盟资助的AMON项目[9]研制了一种监测血压、体温等生理参数的腕式医疗监护仪器。目前，以美国和德国为主的发达国家生产厂商在监护仪市场中占据主导地位，其中主要有惠普、太空实验室、光电、福田、西门子、松下、欧姆龙、博朗和飞利浦等。虽然我国的医疗监护生产厂商众多，其中也不乏优秀的内地企业，例如深圳迈瑞、天津九安等，但是与这些发达国家厂商生产的产品相比，技术上还是存在很大差距。所以，我们应借鉴国外厂商的经验，弥补我国产品的不足。

3 物联网在健康监测领域的应用研究

健康监测[10]是指通过一定的监护设备系统地、连续地收集与人体健康相关的生理参数，然后经过归纳、整理、分析，产生相关的健康信息，再将其发送到所有应该知道的个体和群体的过程。健康监测可以预防和控制疾病，从而促进健康管理，提高健康水平。

物联网在远程监测上的应用使得研制的健康监护系统能够随时随地监测人们的健康状况。根据是否需要通过电话线或网络线接入Internet，远程监护系统可分为基于有线网和基于无线通信网的远程监护系统。

3.1 基于有线网的远程监护系统

由于基于有线网的远程监护系统在信息传输的过程中需要通过电话线或者网络线接入Internet，故可将其分为基于电话网和Internet 2种远程监护系统。下面对其进行简单介绍。

3.1.1 基于电话网的远程监护系统

基于电话网的远程监护系统是利用模拟电话网或者数字电话网而实现生理参数远程监护的系统。目前，电话远程传输用到的技术主要有Modem数字通信技术和声耦合FM调频模拟传输技术。

安源[11]研制的动态心电远程监护系统采用Modem数字通信技术，通过公用电话网实现心电信号的实时传输和处理，为医生诊断提供指导。

邹波[12]研制的远程心电监护系统中，采用Modem数字通信技术和声耦合FM调频模拟传输技术，将记录的心电信号通过电话网络传给医院。

3.1.2 基于Internet的远程监护系统

基于Internet的远程监护系统是通过拨号上网、ISDN上网、宽带上网、光纤上网等方式实现生理参数的远程监护。这些上网连接都是通过电话线或光纤线接入Internet的。

杨孙永[13]研制了一种单片机与掌上计算机相结合的便携式心电血压监护系统。该系统通过掌上计算机内置的Modem拨号上网，从而实现心电、血压的远程传输和监护。

王平[14]设计的远程多参数监护系统采用嵌入式Internet技术，通过宽带上网的方式，以较低的成本实现了心电、呼吸、血压等生理参数的远程监护。

Jaesoon Choi[15]设计的人工心脏远程监护系统采用无线局域网技术（IEEE 802.11）和遥测技术实现Internet的连接和数据、图像的传输。

3.2 无线远程监护系统

基于无线网的远程监护系统是一种采用无线通信方式实现数据、音频和视频信号传输的远程监护系统。其中，无线通信技术主要有通用分组无线服务技术[16]（general packet radioservice，GPRS）、蓝牙、CDMA、ZigBee和第三代移动通信技术（3G）等，这些技术不但覆盖范围广、传输速度快、用户活动范围不受限制，而且与其他通信方式相比，在抗干扰能力、可靠性、安全性等方面都具有无法比拟的优势。下面对这些技术在远程监护中的应用分别进行介绍。

3.2.1 基于GPRS的无线远程监护

GPRS最早是在1993年由英国BT Cellnet公司提出的，是介于第二代移动通信技术（2G）和3G之间的过渡技术，所以被称为第2.5代技术。GPRS是在GSM系统基础上发展出来的一种具有分布式、集散型、网络化、开放式特点的新的承载业务。

虽然我国在基于GPRS的无线远程监护方面的研究相对较晚，但是到目前为止，已经有很多人在这方面进行研究。 例如李凤[16]、姚湘平[17]、曾松伟[18]、高凤梅[19]、冯娟[20]等，除此之外，还有以下人员的研究。

张迪[21]设计了一种基于GPRS的远程实时心电无线监护仪，患者通过将其佩戴在身上来获取心电信号，然后利用GPRS网和Intemet上传到医院监护中心，从而实现心电信号连续不间断地远程监护。

施敏敏[22]设计了一种基于飞思卡尔 DSC和GPRS的远程无线心电监护系统。该系统可对患者的心电信号进行长时间的实时采集和分析，然后由GPRS无线模块发送至医院监测中心，从而实现对患者心电信号的实时监测。

彭胜华[23]设计的远程医疗监护报警系统采用GPS技术和无线通信GPRS网络技术，不仅可以传输医疗信息，还能实时传输患者的位置信息，实现了患者位置和生理信号的动态实时监护。

以上这些监护系统不仅适用于医院，而且可以用于家庭，利于患者的院外监测和跟踪。

3.2.2 基于蓝牙技术的无线远程监护

在医疗仪器互联方面，蓝牙技术取代了以前的电缆连接，实现了近距离内的无线传输。为了避免其他无线通信技术或蓝牙设备的干扰，蓝牙技术采用跳频技术进行数据传输，且其跳频速度比其他相同频段的系统更快。近几年，由于蓝牙技术不仅具有跳频快、功率低、成本低、抗干扰能力强等优点，而且能够在通信范围内检测到其他蓝牙设备，支持点对点或点对多点的连接，使得基于蓝牙通信的远程监护系统逐渐成为研究的热点。

国内吕恒勇[24]、陈轶炜[25]、孟淑琴[26]、蒋程鹏[27]、杜旭柯[28]、王子洪[29]等人在这个领域均作了深入研究。除此之外，还有以下相关研究：

乔建滨[30]研制了一种具有蓝牙传输功能的便携式老年健康监测系统。该系统通过GC-02蓝牙模块将MSP430单片机采集的数据发送到蓝牙手机，然后蓝牙手机发送短信或者通过WiFi连接到无线局域网，从而实现老年人的远程健康监护。

秦秀真[31]设计了一种基于MSP430芯片的空巢老人实时监护终端。该终端采用织物式心电传感器、三维加速度传感器和蓝牙无线通信技术，可实现当老人跌倒或心率失常时，有效检测这些意外、紧急情况，并对他们实施有效救助。

黄欣荣[32]设计了一个基于无线网络的远程医疗监护系统。该系统通过蓝牙技术实现智能手机与便携式健康监护设备的畅通连接，从而可以及时传输患者的生理数据和治疗方案。

3.2.3 基于CDMA的无线远程监护

码分多址（code division multiple access，CDMA）是一种基于扩频通信技术的新的无线通信技术。CDMA移动通信网不仅结合了扩频、多址接入、蜂窝组网和频率复用等技术，而且能处理频域、时域和码域三维信号。与其他通信系统相比，CDMA具有以下优势[33]：（1）覆盖范围广；（2）系统容量大；（3）通话质量更佳；（4）建网成本低；（5）隐蔽性和保密性好；（6）频率利用率高。正是因为具有这些优势，才使作为3G标准基本技术的CDMA在当今多种无线通信技术并存的市场中占据一席之地。

目前，基于CDMA的无线远程监护研究主要有以下几个：

贺国权[34]充分利用CDMA覆盖范围广的特性研制了一种远程心电监护系统。该系统实现了CDMA覆盖范围内患者心电数据的实时获取和远程传输。

周玉彬[35]采用CDMA无线通信技术设计的便携

式无线远程监护系统使得随身携带便携监护设备的患者可以在CDMA覆盖的范围内，实现无论在任何时间和地点都可以与医生直接交互和多种生理参数的实时监测。经试用，该系统得到了市场和同行的广泛认可，为以后的市场推广奠定了基础。

苏维嘉[36]设计了一种适用于心脏病患者长时间、院外远程监护的心电监护仪。该监护仪采用Internet传输技术和CDMA通信技术，实现了在监护过程中心电信号的无线传输和医生可随时切换导联方式等功能。

3.2.4 基于ZigBee的无线远程监护

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，是一种短距离、低功耗的无线通信技术，其特点是低功耗、低成本、近距离、低复杂度、自组织、低数据速率、支援多种网络拓扑。蓝牙是面向移动电话的，而ZigBee是面向网络的。ZigBee主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备[37]。

陈延慧[38]研制了一种新型的基于CC2430的穿戴式呼吸检测模块。该模块采用CC2430单片机实现整体控制，并采用ZigBee无线传输技术实现呼吸信号的无线传输。该模块对呼吸的变化具有较高的灵敏性，且结构简单、易使用、成本低、功耗低，非常适用于家庭便携式监护仪器的开发。

王粉花[39]设计并实现了一种基于ZigBee技术的人体运动状态监测系统。该系统可实时监测人体的运动状态，并报告警情。经试验证明，该系统能够满足数据传输的实时性和行为准确判断的要求。

3.2.5 基于3G的无线远程监护

目前，基于ZigBee、蓝牙、GPRS等技术的健康监测系统虽然都占据着一定的市场，但是ZigBee和蓝牙只适用于短距离传输，而GPRS虽然可远距离传输，但是其带宽有限，所以，基于这些技术的远程监护系统都存在一定的局限性。3G的出现，使健康监测系统可以摆脱带宽和覆盖面的限制，实现更复杂的功能。

曾繁贰[40]设计了一种基于3G网络的移动健康监测系统。该系统通过蓝牙将采集的多种生理参数（如ECG、PPG、HR、BP等）上传至手机，然后手机对数据进行处理和展现，最后将经过处理的生理数据等信息通过3G网络上传至远程数据分析平台。

李强[41]研究并设计的低功耗远程医疗监护系统可将实时采集的生理数据（如血压、脉搏等）经Zig-Bee PRO-3G网络发送到远程医疗监护系统平台，此平台对相关数据进行整理后，可及时反馈给医务人员进行分析处理。该系统实现了跌倒监测、心率监测、体温监测等功能，使被监护对象有更多的自由活动空间，适用于家庭、社区的远程医疗诊断和监护。

冼启源[42]设计的健康监测系统充分利用了云计算和3G网络带宽、覆盖面的优势，完成了多生理参数的采集和处理，且该系统具有良好的可扩展性。

宋莉[43]通过采用3G、多媒体和网络等技术研制了一种远程心电监护系统。该系统实现了ECG数据的实时接收、分析和显示，并在检测到病变或可疑的心电信号时给出提示和预警。除此之外，该系统还可以通过远程双向音视频等技术对远离医疗设施的环境中的患者进行急救处理。

总之，GPRS、蓝牙技术、CDMA、ZigBee和3G这5种无线通信技术各有其特点和适用范围。例如：蓝牙能较好地工作于语音连接、文件传输等低速业务；ZigBee技术适用于低功耗、低传输速率的应用；蜂窝通信（GPRS、CDMA、3G）则是那些经常在不同区域漫游应用的最好选择。所以，要想实现更加完善、便捷的远程健康监护就需要研制多种无线技术相结合的健康监测系统。

4 健康监测系统的发展趋势

随着物联网技术的发展，远程监护技术无论是在监护的对象、内容、指标还是在监护的设备上都有了很大的发展。其中，远程健康监护的监护对象几乎可以覆盖伤者、慢性病患者、孕妇、老年人、残疾人、急症患者以及健康人等在内的所有人群；监护参数既可以是生理参数，也可以是日常的生活状态；应用领域也逐渐从以急诊救护和极限状态下人体的生理状态研究为主发展到了以提高边远地区的医疗水平和面向家庭的健康保健为主；健康监测设备也在朝着多功能集成、便携式、体积小、功耗低、实时性的方向发展。下面是近年来以及未来一段时间内健康监测系统发展的2大趋势：

（1）穿戴式远程健康监护系统。

近年来，随着医疗仪器越来越微型化、智能化、网络化和个性化，基于可穿戴技术的健康监护设备呼之欲出，已成为目前各国健康监测研究的重点[44]。

在穿戴式健康监护系统方面，国内外很多学者都给予了很大的关注，并进行了一定的研究，当然也取得了一些成果，例如：俞梦孙设计了一个穿戴式多参数协同监测系统，香港中文大学设计了一种以电子织物为载体的保健衫（Health Shirt，h-Shirt），美国VivoMetrics公司研发了一种生命衫（Life Shirt）等。穿戴式健康监测系统具有便携、无创、体积小、质量轻、成本低等特点，可以在低生理、心理负荷条件下对患者进行测试，从而长时间获取、传输生理参数。所以，在未来的发展中，基于穿戴式技术和远程医疗的健康监测系统将在不影响患者的正常生活、工作下，无论任何时间和地点，都可实现对患者生理参数的随时监测，达到及早发现、诊断和治疗的目的。

（2）基于IPV6和4G的健康监测系统。

随着生活水平的提高，近年来，人们的健康观念发生了很大的转变，越来越多的人已经从以前的有病看医转变成提早预防，从而开拓了健康监护领域的广阔市场。因为现在基于物联网的健康监测系统大多数都是基于IP地址的无线网络来进行生理参数的传输，所以，随着人们对健康监测设备需求的增加以及对传输信息的质量和速度的要求越来越高，基于IPV4和3G的健康监护系统将不能满足人们日趋增长的需求，具有更广地址范围的IPV6以及具有更快的通信速度、更宽的网络频谱、更好的通信质量的4G的出现，使得基于IPV6和4G的健康监测系统必将成为未来发展的主流。目前，美国已经有基于IPV6和4G的健康监测方面的应用，大大提高了健康监测系统的信息传输量和传输速度。

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（收稿：2013-03-11 修回：2013-06-10）

Internet of Things Applied for Health Monitor

ZHANG Na-na1,ZOU Yuan-wen1,ZHANG Hu-jun2
(1.Institute of Material Science and Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China; 2.General Hospital of Chengdu Military Area Command,Chengdu 610083,China)

The concept and development of IOT and the history of the health monitor are described in brief.The application based on wired network and wireless network for remote health monitoring is introduced in detail.It's pointed out that wearable health monitor and 4G-based health monitoring system will gain their advantages in the near future. [Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（1）：122-126]

IOT;health monitoring;wireless communication technology;wearable health monitor

R318；TP393

A

1003-8868（2014）01-0122-05

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.01.122

成都军区总医院院管课题（424121D8）

张娜娜（1987—），女，硕士，主要从事生物医学信息及仪器方面的研究工作，E-mail：zhangnanaxh@126.com。

610065成都，四川大学材料科学与工程学院生物医学工程系（张娜娜，邹远文）；610083成都，成都军区总医院（张虎军）

张虎军，E-mail：zhanghujun1971@126.com