智慧健康系统关键技术研究

洪紫映，邓朝华，金新政

（华中科技大学健康信息资源研究中心，湖北 武汉 430030）

智慧健康系统关键技术研究

洪紫映，邓朝华，金新政*

（华中科技大学健康信息资源研究中心，湖北 武汉 430030）

健康服务需求的不断增长给医疗健康行业带来了挑战，而新兴的信息化技术为解决这类问题提供了契机，智慧健康在这种发展背景下应运而生。智慧健康系统以技术为支撑，可以实现医疗机构、医生和个体间的高度互联和协作，本文以智慧健康系统的三层结构分类为基础，分析了系统中各层所涉及的关键技术，以期对智慧健康系统的开发研究提供技术类型方面的参考。

智慧健康系统；系统架构；关键技术

0 引言

社会经济水平的提升促进了居民对健康的关注，而面对逐年增长的老年人口以及高血压等慢性疾病，居民的健康需求不断增长而且在健康管理方面已不再局限于传统的医疗机构，更多地寻求日常生活方面与医疗服务提供方的整合，获取更全面的医疗健康支持。科学技术的发展给诸多行业带来了新的增长点，一些新兴技术应用到医疗健康领域，可以为人民提供更广泛、高效和智慧的医疗健康服务，有效增进居民的健康水平，满足健康需求、更好地进行健康管理。各种新兴的技术给健康服务的优化整合提供了有利的条件，健康服务也逐步向着科技化、个性化甚至是智慧化的方向发展。在物联网的和感知传感技术的不断发展的基础上，智慧健康的概念应运而生［1］。

1 智慧健康系统

智慧健康是生命科学和新兴技术融合产生的交叉学科，主要指利用小型传感装置测量用户的生活和健康状况，在日常生活中通过网络收集数据，是增加预防保健的需求以及健康发展新趋势［2］，也有助于进行健康评估和管理。智慧健康是以智能技术、健康技术、网络技术等创新科学技术为支撑，为人类健康提供服务功能的复杂动态系统［3］。智慧健康系统一般由三层结构组成［4］，底层为感知层，该层主要是各类健康信息的产生端口，通过各类传感器采集数据、再由依据短距离通信协议将信息集中到个人服务器，这类信息主要来源于医院的医疗设备以及个人的健康设施及app等；中间层为网络层，将感知层的数据进行整合后传输给应用层，这一阶段主要进行各类网络系统的信息整合和交换，网络层主要实现健康数据的安全上传，并及时给用户必要的反馈；顶层为应用层，主要进行健康信息和数据的分析，面向健康服务的利用者，为其提供基础的健康服务或将健康数据开放给第三方来提供更多样的应用和服务，分为健康医疗行业的应用和个人的应用两大类，系统的框架如图1所示。

图1 智慧健康系统框架

2 关键技术

智慧健康涉及的技术非常广泛，其中物联网技术是智慧健康的核心，对智慧健康系统的各层都有重要影响。物联网（The Internet of Things，IoT）是在现代无线通信背景下发展起来的新型范例，其基本思想是利用我们周围普遍存在的特定感知器，诸如射频识别（RFID，Radio Frequency Identification），传感器，移动电话等，根据其独特的寻址方案实现物体间的联系，进一步实现共同的目标［5］。物联网可以实现物体和物体间的网络连接，主要利用RIDF技术、传感技术以及定位技术等对各类物品进行感知和识别，获取物品的各类信息，这类信息既包括物品本身的信息也涉及对周边环境的感知，获取信息后利用各类技术对信息进行分析处理，从而提高对物理环境的认知并为决策提供依据，可以认为智慧健康是物联网的发展在医疗健康领域的重要表现形式。

图2 智慧健康系统关键技术结构图

以系统各层的分类为视角，认为各每层都有其必要的关键技术。如图2所示，感知层的技术主要以数据采集和传感技术为主；网络层以网络技术为核心并涉及云计算等技术；应用层则以数据处理技术和安全隐私技术等为关键。

2.1 感知层关键技术

感知层是智慧健康系统中与个体紧密联系的一端，从智慧健康的流程和架构而言，它需要把人体的生理或病理状态转化成可利用的数据信息，可以认为感知层是智慧健康系统的基础。感知层是对个体健康感知的过程，主要目的是进行健康数据的收集，主要涉及的技术包括RFID技术、传感及传感网络等末端智能感知技术。

RFID射频识别也被称为电子标签，这一技术兴起与20世纪90年代，主要指利用射频信号通过空间耦合来实现无接触的信息传递，并根据其传递的信息进行识别［6］。当可识别的标签进入对应的阅读区时，接收器便可以收到阅读器发出的特定射频信号，感应到其内部存储的对应物品信息，阅读器对信息进行读取和解码后，将信息传输到信息综合系统进行相关数据处理。应用到智慧健康领域，可以对个体可以进行定位管理，在医院方面则在档案管理、药品安全方面有重要意义［7］。

传感技术是利用传感器件探测人体各器官的医学生物信号并按照规定格式转换为可以使用医学数据的技术［8］。传感技术需要传感器和传感网络间两者间的协同感知，获取传感网络区域中的被感知对象的信息并进行处理。传感器件可以感受到需要被测量的信息，同时可以实现对检测获取信息的转码，将其转换成可以识别的信号，传感终端是实现智慧健康的重要环节。

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，目的是实现对感应区域网络中对象的协作感知、采集和处理，可以实现数据的量化采集、融合性处理以及传输［6］。体感网（Body Sensor Network，BSN）作为无线传感器网络的一个分支，是人体上的生理参数收集传感器或移植到人体内的生物传感器共同形成的一个无线网络［9］。体感网中的传感器节点可以对一些重要的身体生理信号（如体温，脉搏，血糖等）进行采集，这种信息还包括人体活动及动作方面，甚至是人所处的环境［9］，是目前发展智能穿戴设备的技术基础。体感网中一般涉及的节点如图3所示。

图3 体感网中传感器节点示意图［9］

2.2 网络层关键技术

网络层是把感知层收集的数据传输到数据计算中心的一个过程，它的另一过是将数据从中心转入智能化控制设备，网络层是智慧健康系统的一个中间阶段，有着承上启下的作用。网络层中的移动通信网络所涉及的各项技术可以提高健康服务的便捷性和效率，主要应用的关键技术有：网络通信技术、网络融合技术、云计算等。

网络是智慧健康系统进行信息传递和支撑服务的基础性设施，利用广泛的互联网功能可以实现信息的高速传播。智慧健康的实现涉及到网络通信技术中的短距离无线传输和远程传输技术，短距离无线通信技术包括无线局域网技术（WiFi）、蓝牙（Bluetooth）和Zigbee等；远程运输技术则重点涉及互联网，主要为互联网的组网、网关等技术。网络通信技术中，M2M（Machine to Machine）技术是智慧健康系统中的关键，M2M主要指机器和机器间的通信，可以实现人、机器、系统之间通信的健康连接以及信息共享［10］。M2M 与其他传输技术可以进行结合，如以GPRS/UMTS 为主的远距离连接技术，以及蓝牙、WiFi、RFID 等近距离连接技术［10］，可用于安全监测和药物跟踪等领域。

网络融合（ Network Convergence）的概念最早来源于互联网、电信网以及电话网等在业务层面的融合［11］。当前各种类型网络的发展使得网络间结构差异增大，网络的复杂性也逐渐增加，对智慧健康系统中的跨网服务而言产生很大困难。网络融合技术的目的在于实现各种不同类型网络在网络层面的融合，减小甚至是消除由于标准不同而导致的数字鸿沟问题，可以实现不同网络间的无缝切换［11］，有利于健康信息的整合和传输。

云计算（Cloud Computing）是各类传统计算机技术，包括效用计算、网格计算、网络存储、负载均衡等与新兴网络技术发展融合的产物。它的核心是利用网络把多个相对成本低的计算实体整合成一个具有强大计算能力的系统［12］，利用云计算技术可以将健康相关的数据信息转换成实际决策和行动，健康服务提供者可以在很短的时间之内，处理数据量很大的信息。对云计算的应用可以拓展医疗资源和服务的共享性，为智慧化的医疗健康提供高效率和高度整合的数据共享平台［13］。

2.3 应用层关键技术

应用层是智慧健康系统中直接与人接触的一端，对智慧健康系统的利用和发展非常重要。智慧健康系统的研究和发展目的最终是实现个体对的健康管理以及对健康数据的智能应用，为个体提供有针对性的服务。应用层是开发智慧健康系统的目的，其关键技术和数据的利用相关，主要是数据处理和融合技术、信息和隐私安全技术以及IPv6技术等。

从底层到应用层，智慧健康涉及各种信息，数据量大且种类多，从这些数据中挖掘出有效的信息需要对数据进行格式的标化，数据处理和融合技术主要包括一些标准化技术、信息融合技术和数据挖掘等相关技术。数据融合技术指针对在不同时间获取的有时序性的信息，在一定的标准下进行整合、分析和利用，来获取对被观测对象的一致性描述，从而辅助决策和进行评估的信息处理技术［14］。数据处理技术中，数据挖掘也是关键，数据挖掘是指借助于多种数据分析工具在海量的数据信息获取有用信息并分析它们的对应关系，可以针对各行各业的生产和发展，提供关键的决策支持［15］。数据融合和数据挖掘技术都可以从健康数据提取有效信息，为健康服务消费者提供个性化、高时效性的服务。

智慧健康系统需要实现各类健康数据的分组交换，采用数据分组网即 IP 网作为承载网。IPv6是新一代IP网络协议，具有丰富的地址资源，能够支持动态路由机制，可以满足智慧健康系统中对网络通信地址以及扩展性方面的要求。目前广泛使用的 IPv4 地址已经面临着即将枯竭的状况，IPv6 可以为终端提供充足的 IP 地址，广泛应用 IPV6 是实现智慧健康的必然选择。

个人健康信息和感知网络具有私有性和私密性，智慧健康在提高个体健康管理效率的同时，给个人的信息安全和隐私的保护问题带来很大挑战。保障个信息安全以及维护个人的隐私是智慧健康发展中的重要部分，它会影响个体对智慧健康的接纳程度和使用。从安全和隐私技术的角度而言，信息和隐私安全相关技术包括用来保证个人身份安全为核心的相关认证技术，确保数据安全传输的密钥建立及分发制度，以及确保各类数据安全的数据加密、数据安全协议，数据匿名化技术等。

3 结语

利用新兴技术，创新健康管理模式，提高健康管理水平并促进其智慧化，是医疗健康事业发展的趋势。智慧健康是医疗卫生发展的新阶段，有利于缓解医疗资源相对不足的问题，是社会进步的必然要求和结果。建立一套智慧、惠民、安全、高效的健康系统有利于提升医疗效率，控制和预防疾病，进一步推进健康中国的建设。智慧健康的实现需要诸多技术的支持，对其关键技术的研究很有必要，随着这些技术的不断发展，智慧健康的理想也终会变成现实。

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A Study of Key Technology in Smart Health System

HONG Zi-ying，DENG Zhao-hua，JIN Xin-zheng*
（Research Centre of Health Information Resource，HUST，Wuhan 430030，Hubei，China）

The growing demand for healthcare services has brought challenges to the health care industry， and the emerging information technologies provide an opportunity to solve these problems. The smart health came into being in this kind of context. Supported by the technologies， the smart health system can help the medical institutions， doctors and individuals become more interconnected and cooperative. Based on the three layer structure of smart health system， we analyses the key technologies in each layer which can provide technical reference for the development and research of the smart health system.

Smart health system；System structure；Key technology

“国家科技支撑计划项目”资助（项目编号：2008BAI52B00）

洪紫映，女，硕士研究生在读，研究方向：卫生信息管理。

金新政，男，华中科技大学同济医学院 管理学教授，研究生导师，系华中科技大学健康信息资源研究中心主任。主要研究方向是信息管理、卫生事业管理和软科学。