基于物联网技术的智慧医疗服务的构建及应用

刘芳

摘  要： 伴随着“智慧城市”概念的提出，医疗行业实现着从传统方式以“医生”为中心到智能方式以“患者”为中心的转变。本文重点介绍了基于物联网的WSN技术，并实现了对患者的远程监测。使人们从“有病再看病”实现了“没病先预防”。为今后医疗行业的发展提供了一个可参考的方向。

关键词： 物联网;智慧医疗;WSN

中图分类号： TN929.5;TP391. 44    文献标识码： 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

伴随着通信技术的发展，逐渐兴起的物联网技术出现在了我们生活的方方面面。从环境数据感知到通信服务，人们提出了许多不同的概念来描述物联网的真正含义。智慧城市建设中通过物联网技术，利用机器学习、大数据技术处理城市交通情况，通过定位和射频技术管理城市的停车位情况，通过实时定位和监测了解物流的配送情况等等方面都取得了显著的效果。随着城市规模不断扩大，人口老龄化和国家生育政策的放开使得老年人和孩子们的数量与日俱增，医疗环境也面临着巨大的压力，传统的病人-医生面对面以“医生”为中心诊疗模式显然已经跟不上了时代的发展。智慧医疗作为智慧城市建设中的一个部分，提出了一种以“患者”为中心的思想。

1  智慧医疗

在传统的就医方式中，存在以下问题：第一，通过医院独立的医疗设备手工收集数据，这些数据仅仅存储在每个医院自己的数据库中，如果涉及到转诊，数据就要重新再收集一遍，很浪费时间和医疗资源，数据分散在各个医院对于患者来说不能建立自己的健康档案，对于医生来说不能进行数据的整合分析;第二，就医资源分布不均，有了大病以后很可能因为没有好的医生或医疗条件及时诊治而错过了最佳治疗时间;第三，医疗体系缺少预防和监控体系，一旦发病很可能已经处于晚期。因此，能出现一种高效率的诊疗方法变得非常重要。

智慧医疗是指以患者为中心，利用超大规模集成、嵌入式系统、大数据、机器学习、云計算和人工智能技术等先进的信息技术将有限的医疗资源实现更多人的共享，改善医疗服务流程的一种医疗  方式[1]。

2  物联网的关键技术

物联网技术是一种使物与物连接的网络技术，这种网络通过射频识别技术（RFID）、传感技术、嵌入式系统技术、全球定位技术等感知技术，通过主控制器的处理，按照短距离无线通信规定的协议，把物体与网络、物体与物体连接起来，进行信息传递，实现智能化的识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[2]。

（1）RFID技术

目前，利用最多的就是RFID技术，这种技术一般都用来进行信息采集。RFID由三大部分组成，应答器（标签）、阅读器和应用系统。在医疗领域中几乎遍及各个环节，比如说医院药品的监控领域，从药品的成分、生产时间，用法用量到中途的物流运输，再到医院患者的使用，中间的每一个环节都可以通过扫一扫“标签”变得一目了然。在药品的使用过程中，如果药品过期，RFID系统还可以进行适当的提醒，对药物进行适当处理，避免医疗事故的发生。在医院医疗管理方面，手术管理和母婴防盗系统的建立使得医院对于人员的管理和设备的管理更加井井有条，只有带有标签并被正确识别的人或物品才能进入指定区域进行相应的工作。在医护方面，病人带有录入自己信息的RFID标签，当医生或护士进行治疗时，带有识别功能的阅读器扫一扫“标签”即可对病人的病情有了如指掌，进行后续的治疗活动。另外，在医疗垃圾监控、血液管理等方面，RFID技术都有广泛的应用。

（2）WSN技术

WSN（Wireless Sensor Network）的全称是无线传感器网络，它可以进行远距离传感通信，如果在监测区域内放置大量的微型传感器就可以形成通信节点，采集到信息以后可以通过无线通信的方式返回给相应的数据平台进行数据处理。已被广泛应用在了军事、航空、救灾、环境、医疗、保健、家居等领域。

（3）嵌入式系统技术

嵌入式系统技术是物联网中的一项相对复杂的技术，综合了包括计算机软硬件、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术在内的很多技术。嵌入式系统是以计算机技术为基础、通过软硬件的适当组合以完成某些特定功能的专用计算机系统。因其

系统本身拥有微处理器和存储器等硬件，可以进行数据处理。在智慧医疗中多应用在医疗仪器领域，如佩戴基于嵌入式的便携心电监护仪，可以为用户提供心电图监测和诊断服务，从而减轻了医院的负担。如果监测到的心电图机器无法确认，可通过网络传送至远程医院，供专家诊断，并获得反馈信息[3]。

（4）全球定位技术

利用GPS定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统，称为全球卫星定位系统。全球定位系统在医疗卫生事业的应用范围主要是获取地理位置的信息，已获得更好的医疗帮助。

3  基于WSN技术的智慧医疗服务

物联网技术的发展，加速了医疗方式的转变，实现了医生对患者，医院对就医环境的有效管理。尤其是WSN技术的进步，通过海量的传感器网络采集患者信息，使得“远程医疗”服务和“家庭护理”服务得以实现，让患者可以享受到便捷、平等的医疗保障。同时，智慧医疗服务还应该满足以下几个方面的特点：

（1）规范性

智慧医疗的系统要规范化、标准化[4]。只有规范化和标准化才是与其他系统兼容的保证。传感设备采集的数据一定要有统一的标准，网络通信要遵循统一的通信规则。

（2）发展性

智慧医疗体系是一个长远的计划，它的可发展性是毋庸置疑的，至今没有一个统一的全面的概念去解读它，这就要求对它的内容不断扩充，不断完善，适应社会每一个阶段的发展，所以这个平台应该是对新的应用开放，要预留适当的接口，并且不能影响当前的使用效果。

（3）易操作性

智慧医疗面向对象的是医生和患者，所以要有友好的操作界面，给操作者很好的使用反馈。

（4）可持续性

要保持传感器和其他设备的的持续工作，不要因为供电或能量系统缺少而引起数据的丢失。

（5）灵敏性

环境的细微变化都可以被监测处理，也可以准确的利用定位系统定位识别。

（6）保密性

产生的个人健康敏感数据被保密，提升系统的安全性。

3.1  智慧医疗系统结构

无线传感器网络是物联网最早的研究工作。使用无线传感器网络结构使得物联网的效率大大增加。如图1所示，WSN网络结构主要分为四个层次：感知层、网络层、服务层和接口层[5]。

（1）感知层

传感器是一种依据佩戴的信息进行识别的装置，感知层通过传感器来获得相关数据，是监测系统的基础。温度传感器、心电图（ECG）、血压、血糖、肌电图、心率、氧饱和度、陀螺仪、运动传感器和加速度计是智能医疗中常用的传感器。传感器有助于监控多个生命体征[6]，也可以用来监测医疗设备的使用情况和药品的存放情况。本层次主要完成的功能就是数据的获取。

可以在传感器上应用嵌入式内存，在大型服务器上进行数据分析。智能手机、平板电脑等都可以作为存储信息计算数据的重要工具。

（2）网络层

在整个智慧医疗的系统框架中，连接技术起到了相当大的作用。无线技术是智能医疗网络的支柱，一些高度集成的设备可以通过无线连接技术，利用物联网对健康实施远程监测。本层次主要完成的功能就是数据的传输。

不同的无线技术通过不同的物理设备连接到网络中，在信息交换中起着至关重要的作用。在短距离的无线网络传输中，RFID在智能医疗领域的应用被认为是非常有前景的，特别是超高频（UHF）标签的出现，提高了传感和计算能力，使得无线射频技术很容易实施低成本监测和传输患者生命体征[7]。NFC是一种非接触式近距离通信技术，适用于短距离范围（理论上小于10 cm，但实际上约为4 cm）。由于NFC的接近性特点，以及其易用性，该技术非常适合患者去查询他们的健康档案。BLE是一种低消耗蓝牙技术，在保持同等通信范围的同时采用这种技术可以显著降低功耗和成本。ZigBee也是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，在距离短、功耗低且对传输速率要求不高的设备之间进行数据传输。远程网络可用GPRS。

（3）服务层

本层主要任务是进行数据的处理。可以从以下三个方面来进行数据结构的处理：面向应用程序的、面向对象的和面向语义的[8]。

面向应用程序的结构需要负责建立个体传感器和应用程序之间的安全的信息网络，数据进行安全管理，做到数据的加密输入和解密输出。

面向对象的结构要求适应应用程序的实时性、持续性，灵敏度高，在低功耗下保持较高的效率，并可以进行智能化处理。

面向語义的计算平台的框架通常要适应不同的上下文环境，能够基于先前获得的信息，利用自然语言分析处理技术来丰富用户体验，具有普适计算的能力，如数据库管理、最优化、人机交互和机器学习算法等。

（4）接口层

本层主要任务是数据的使用。接口层是使用智慧医疗系统的个人和机构。机构通常包括医疗机构、家庭、企业等用户通过相应APP和系统软件获取服务相应入口，实现相关医疗的信息的体验。

智慧医疗服务的目的是想打造一个有发展的、便捷的、移动的、高效的医疗数据互相联通的平台。

3.2  智慧医疗服务的设计

在这里通过举例医院的智能病房来说明智慧医疗服务的过程。在传统的医院病房中，医疗数据的采集和病房环境的监测，都需要医护人员手动进行，而且在医疗数据的收集方面很容易形成“信息孤岛”，不容易进行数据的分析与共享。通过无线射频技术与传感器网络的结合，可以实现病房的智能管理，加速智慧医疗的系统进程。

图2显示了智能病房的实现过程。

在数据采集方面分为通过传感器采集和RFID采集两个子集。在环境信息采集方面，可通过温湿度传感器、烟雾传感器等来采集病房的数据，患者可以使用加载有监测血压、心率等功能的传感器手环采集身体特征数据。以RFID形式采集的数据主要集中在患者的一些基本信息，比如说住院号、患者姓名、患者年龄、入院时间、病房号、诊断结果等等，同时采集医护人员的信息，将患者和相应的医护人员关联在一起，记录每次医护人员对患者的操作记录，通过相应网络上传到服务器。

在数据处理方面，系统主要完成的是对采集来的数据进行数据库处理，将患者的信息和医护人员信息分别建立数据库，方便查看历史信息和关联信息，患者信息字段如表1所示，医护人员信息字段如表2所示。

在通过端口读取完成数据以后，进行数据处理，将数据发送给数据服务端口，端口分为医护人员使用端口和患者使用端口，当医护人员在医护端通过身份认证以后，就可以监测患者的血压、心率，心电图等等并记录治疗流程，如果患者需要转诊，转诊医生可通过读取相应信息记录了解患者病情也省去了重复检查的时间，同时系统支持数据的实时刷新。

在患者端，患者通过智能设备接入APP患者端，可实时查看生理数据及一些检验结果及费用明细，可随时呼叫医护人员，同时APP还提供了提醒服务，提醒患者的吃药时间和治疗时间，也可以提供病房餐的配送。

4  智慧医疗服务的其他应用

4.1  健康生活方面

现代人的医疗模式已经从传统的“有病再就医”转变为“无病先预防”，健康的生活方式很重要，通过智能设备可以实现对健康的日常管理。

在健身运动方面，佩戴智能手表进行健身运动时，通过提取卡路里的消耗量、健身姿势的改变量、健身活动持续的时间量等特征值，根据相应算法，就可以监测出身体汗液酸碱度的变化，氧气的摄入量和心率的变化量，还可以设置步行或徒步旅行路线，伴随着定位，有助于监督使用者的位置和活动，给他们的健身活动提出相关的建议并帮助他们实现健身目标。

在食品检测方面，我们可以在冰箱上配置好传感器和摄像头，一旦食物超过保存期变质变味，传感器就会通过气味的变化提醒食物可能的变化，让人们可以不开冰箱通过摄像头来看一下需要处理的食物。

在食品溯源方面，我们通过扫描食物上配备的RFID标签就可以追溯食品的产地和成份，了解其具有哪些营养，不能和哪些食物同食，建议烹饪方法等。

4.2  家庭护理方面

通过佩戴具有“IPV6”网址的可穿戴传感器，定期获取关于孩子或年迈父母的健康信息，实时监控他们的健康状况，一旦体温、血压或心率突然变化就会及时通知家人。尤其是传感器具有网络地址以后，可以定位跟踪分析孩子或父母的位置，一旦突发状况，家人可以根据传感器接收到的地址信息，呼叫救护车进行紧急处理。

在远程医疗上，通过把每名用户去医院的就医记录进行整合，建立一个完整档案，通过可穿戴传感器监测到的生命体征数据可以随时对档案进行数据更新，通过执行器、微型控制器、处理器和云计算[9]，在物联网协助下获得准确的结果和医疗保健方法。使用者只是通过APP查询，就可看到结果，也可以联系医生进行治疗方案的制定。这种以“预防”为主的智能医疗模式对慢性病的诊断起到了很好的效果[10]。

4.3  环境监测方面

WBAN（Wireless body area networks，无线身体区域网络）是社区卫生健康监测的基本组成部分，有助于在一个地方或社区周围建立一个网络。多个WBAN构成了智慧医疗网，多个WBAN构成了智慧医疗网，可以形成共同合作体系。社区网络可能包括学校、住宅区和医院，这有助于在偏远地区提供高效率的监测网络。在监测某一地区的地方病或流行病爆发的状况时，如果受感染的人数突然增加，对于传感器所传回的信息可以提前制定疏散医院管理计划，腾出病人的急救通道与病房供给，保证所需医疗设备或资源的供应，比如说血液库准备的充足血量提供需要输血的人。

从生活中的健康监测发展到医院的生命体征监测，通过机器学习算法和人工智能，智慧医疗也在不断提高自身的服务范围和服务的质量[11]，一些传感设备可以帮助研究人员更好的改进模型来处理不同条件下的医疗。

5  总结与展望

本文从物联网的技术、智慧医疗系统的结构和应用三个方面，来阐述智慧医疗服务。在数字时代，智能医疗领域已经成为了一个跨学科的研究领域。从传统医疗服务到智能医疗服务的转变是一个缓慢和稳定的过程，完善体系结构中涉及的工作原理和技术，探索医疗保健服务中大数据的安全性和隐秘性，研究如何使用云辅助架构和集成多种技术以确保智慧医疗服务质量，一直是各地研究人员关注的内容。我相信随着物联网技术的发展，医疗过程的不断完善，技术人员和医护人员的共同努力，智慧医疗服务的未来将会越来越好。

参考文献

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