基于区块链和5G网络的物联网云联健康管理系统研究

姚丽菡,陈建辉，车 艳,2，黄淋云

(1.莆田学院 机电与信息工程学院，福建 莆田 351100；2.民营健康医疗大数据应用福建省 高校工程研究中心，福建 莆田 351100)

随着物联网、人工智能、工业互物网和大数据等技术的迅猛发展，运用“互联网+”平台有助于产业升级，同时为提升医疗救治、养老医疗服务水平等提供了重要技术手段，这为疫情“大考”之下，医疗健康领域创新服务的推出奠定了基础。物联网技术的发展使一些慢性病患者可以通过物联网智慧医疗健康系统随时关注自己的健康状况。基于区块链和5G网络的物联网云联健康管理系统主要由4部分组成：5G物联网信息采集端、5G网络传输、区块链可信网组网及健康管理平台。其中，5G物联网信息采集端主要通过智能装置(如智能血糖仪、智能血压计等)完成人体血糖、脉搏、血压、心电等生理参数的采集。5G传输的低时延、高可靠特性和区块链的“去中心化”协作、分布式数据存储和智能合约等技术能有效提高医疗安全性以及高质量和精准化管理水平。5G前端采集用户生理参数信息，通过5G加密传输到健康管理APP，经过大数据后台服务器分析得出健康结论，由医生最后确认诊断意见再返回用户终端。物联网云联健康管理对提高医院的服务能力以及对病情的早期预防，都具有非常重要的实用价值[1-2]。

整个系统采用先进诊疗可穿戴设备采集用户数据信息，并将数据上传到后台数据库。后台数据库存储前端设备上传数据，实时监控管理接入前端设备的状态与运行情况，并远程控制前端设备。健康管理APP作为与用户交互的系统控制软件，完成参数设置以及回传后台经过医师确认后的大数据诊断结果。具体流程如下:APP发送相关控制命令，后台数据库调用接口作出响应，并下发用户执行命令到前端可穿戴设备;前端可穿戴设备收集用户相关信息，包括心率变化、血压状态、血糖浓度等，通过5G传输至手机APP后加密发送至后台，健康管理服务器对这些数据进行处理、分析以及推荐，进而根据综合分析后的结果为患者提供精准的健康管理服务[3]。系统框架如图1所示。

1 物联网信息采集端

便携式智能穿戴设备采用最新的物联网技术及移动平台终端，具有携带方便、功耗小、运行稳定、病历及病情智能分析、远距离专家诊疗等优点。便携式智能穿戴系统采用先进诊疗传感器，采集患者数据信息自动上传，实现病人生命体征的实时感知，病人通过便携式生命体征监护仪，实时监护病人的生命体征，通过5G网络，把数据交给医疗终端平板设备[4-5]。

5G物联网信息采集端包含脉搏波信号模块、心率采集模块、血压采集模块、血糖采集模块等其他POCT采集设备(图2)。

图1 物联网云联健康管理系统框架Fig.1 Framework of IoT cloud-linked health management system

1) 心电采集模块：是采用AD8232单导联心电测量，用来测量心脏电活动的心率监听器。这个电信号可以绘制成心电图，作为模拟量输出。AD8232单导心率监听器可以通过放大器，获得PR和QT间隔的一个明确的电信号,通过此电信号，可以判别心率的变化。

2)脉搏波信号模块：脉搏波信号是检测人体是否健康的一个重要生理指标。脉搏波信号模块是DHRM型数字式脉搏检测模块基于光电法(反射法)测脉搏技术研发而成的新一代智能脉搏检测模块。通过此模块可以实时地将被测者脉搏信号转换成数字脉冲信号输出，读取脉搏模块代码如下：

unsigned char cmdRead[] = {"AT+MD:1r "};

void main(void)

{ unsigned char uart1RxBuff[30];

InitClock(); //初始化时钟

InitUART0();//初始化串口USART0

InitUART1();//初始化串口USART1

UART0_SendStr("UART1初始化完成n",16); //发送串口初始化成功消息

UART1_SendStr(cmdRead,sizeof(cmdRead));

while(1)

{ UART1_ReadStr(uart1RxBuff,'n');

UART0_SendStr(uart1RxBuff,strlen(uart1RxBuff));

}}

3)血压采集模块：是由数字血压检测模块、放气阀、电磁阀和气路管件等组成。模块具有丰富实用的AT命令，可实现软、硬件版本查询，电磁阀开闭，自动测量启动，气泵启停，心率周期数据，单位查询或换算，个性化测量等。

4)血糖数据采集模块：采用M702模块自带热敏电阻，通过发送指令，以检测病人的血糖和血尿酸数值。

2 5G数据传输

5G(5th generation mobile communication technology)是指第五代移动电话行动通信标准，其传输速度理论上可高达每秒数十Gb，具有低时延，可满足高清视频、高数据传输等的需求。目前5G网络已经被广泛应用在诸多领域，医疗行业需要与运营商合作，以获得行业专用频段。

1)“5G医疗云专网”网关

“5G医疗云专网”是面向医疗行业的5G网络，为了保证数据传输的安全性，专网的数据不会上公网，而是搭建一条“专建、专享、专运、专维”线路。

从物理传输网络层面上，对数据进行第一层安全保护以及对网络进行高性能网络切片，其安全可信做到网络认证接入、加密数据传输均需安全稳定可靠。通过5G网络物理资源，根据各行业应用不同，进行定制化网络部署，实现本地业务数据的卸载、分流与隔离。

2) 云端会诊

云端会诊平台对于5G网络可靠性要求极高，能够支持4K/8K的远程高清视频，可实现高清远程接诊、可视化远程会诊、手术示教等应用。专家通过远程会诊中心，打开患者医疗高清影像，查阅患者就诊数据，并与患者进行实时音视频交流，实时开展远程在线病历讨论、远程移动会诊等，促进医疗服务和优质医疗资源共享等目的[6]。

3 区块链+智慧家庭医疗

区块链技术能够保障医疗提供数据的安全性，且这些临床试验记录可被实时追踪，能降低在临床试验记录中的出错和伪造，从而在健康管理存档、精准医疗、医疗大数据高效等方面起着密切协同的重要作用[7]。

基于区块链的物联网应用，是在物联网网络中增加身份认证、非对称密码加解密、共识算法以及智能合约技术，通过区块链赋能物联网，其主要是在物联网的网络层实现物联网设备间的交互操作等(图3)。

图3 区块链+智慧家庭医疗体系流程图Fig.3 Flowchart of blockchain + smart home medical system

如图3，区块链作为一种公共数据库，通过数据库的去中心化处理,安全有效地存储在一个个区块中，通过授权签约居民的体检报告数据，电子病历数、健康监测、服药情况等可穿戴设备数据，在不同医疗机构诊治检查时，只需通过输入用户信息便可查证用户的所有诊断治疗记录信息。这大大提升了家庭医生的病情跟踪访问能力、工作效率以及健康管理实力，完善综合性、连续性、公开性、可追溯的医疗服务，在一定程度上也改善了医患关系，扩大了社会信任机制[7-9]。

4 基于物联网云联健康管理系统设计

物联网云服务系统是一个开放的公共物联网接入平台。用户可以通过不同的方式访问云服务，其分布式的架构与虚拟化的结合极大地提高了系统的扩展性；同时，在应对灾难时可以获得来自虚拟化的高、且可用的容灾特性，提高系统整体的稳定性和健壮性。医疗设备管理也主要基于前台、后台管理以及健康管理系统，并根据医院实际环境特点对其进行改进和完善。前台管理为数据采集的终端设备(如智能腕表、智能血压计、智能血糖仪等其他POCT设备)，后台管理由数据库、中间件和信息采集、汇总、大数据分析与推荐平台以及健康管理系统组成。

4.1 医院工作站Web端设计

由用户终端采集患者信息，利用远程医疗服务统计从用户物联网终端传来的生命体征数据，并通过5G网络专网发送到远程服务器中心。服务器中心除了储存用户医疗信息，还会储存医师对用户相关病情的诊断及诊断结果，这样患者便可直接通过远程医疗终端查看医师的反馈结果。其次，将数据保存在数据库中，还将方便医师对历史数据进行必要的分析与统计。

用户进入系统注册界面，完成注册后进入系统。医院工作站Web端主功能有6个功能模块：个人信息、诊断与咨询、家庭急救、症状查询、健康咨询、疾病查询，如图4所示。在“个人信息”界面当中，包含了“血压”“体温”“血糖”“心电”“心率”这5个生理参数，主要用来帮助用户随时关注自己的身体健康基本情况，一旦指标有所浮动也可及时线上向医生咨询，实现“足不出户”在家看病。

图4 医院工作站Web端Fig.4 Hospital workstation Web terminal

4.2 移动端健康管理APP设计

家庭健康卫士系统包含自我诊断、家庭急诊、家庭急救、疾病查询、症状查询、药品查询、医院和药店、健康咨询、个人中心等各个健康基础模块(图5)。其中，个人信息模块又由登录模块、患者选择、心电采集模块、血压采集等模块组成(图6)。

用户通过手机登录家庭健康卫士系统,在手机APP界面的个人信息模块中能够实时查看血糖、心电图、血压、 心率等生理参数。用户在查看生理参数时，系统会显示相应数据和监护界面，比如患者的心电图的胰蛋白酶胆固醇等参数(图7)，可以更直观地展现用户的生理参数信息。

若用户对于诊断结果有一些常规的咨询，可以在APP里先进行线上咨询。系统会根据咨询反馈最后的结果，如图8所示。

图5 家庭健康卫士APP 图6 个人信息模块Fig.5 Family Health Guard APP Fig.6 Personal information module

图7 心电图 图8 诊断结果查询Fig.7 Electrocardiogram Fig.8 Query of diagnosis results

4.3 医疗健康数据智能推荐系统

个性化健康管理服务的前提是需要收集用户大量、可靠、真实的健康数据，然后对用户群体进行聚类分析和因子分析。近年来医疗信息化普及，使线上聚集大量健康医疗信息，通过搜索引擎系统从海量数据中寻找用户的需求以及用户喜欢的内容。要想做到“千人千面”，又能做到“精准推荐”，一个健康的推荐系统是必不可少的。好的推荐系统，不仅要保证自身的“健康”，还要满足服务平台、用户等多方面的需求。推荐系统主要包括从用户角度(图9)和平台角度(图10)。

系统管理主要实现了后台和前台信息的各类操作，前台页面结合个性化服务模块可以为用户提供较丰富的使用体验[10-11](图9)，后台文件包括医护人员管理、权限管理、日志管理等(图10)。

图9 查询肩周炎相关信息及系统推荐Fig.9 Query related information and system recommendation of periarthritis of shoulder

图10 个性化医疗推荐系统后台管理Fig.10 Background management of personalized medical recommendation system

4.3.1前端服务模块实现

前端主要采用HTML实现。为实现前端的快速开发，减少开发时间，接入了渐进式开发框架Vue以及ElementUI组件库，开发环境采用node.js。前端接入Axios库，作为与后端请求的Http库，将相关操作异步推荐给用户，如下一次登录请求的操作：

this.MYMaxios({

url: this.MYMBaseUrl + ('/sys/login/adminLogin'),

method: "post",

data: {

username: '88888888888',

password: '123456'

},

}).then(({ data }) => { if (data && data.code == 0) {

let time = new Date(new Date().getTime() + 2 * 60 * 60 * 1000);

cookie.set("token", data.token, { expires: time });

this.MYMrouter.go(0);

} else {

this.MYMmessage({

type: "error",

message: "登录失败",

}); }});

4.3.2后台管理模块实现

本系统的后端将采用Go语言技术开发以实现对前端请求的高并发处理，并基于Iris Web开发框架，以符合RestFul Api开发规范，从而使QPS达到15 000的突出性能。以下为几个RestFul Api接口：

POST /sys/login/adminLogin

GET /sys/manager/info/{id}

POST /sys/manager/{id}/update

POST /sys/manager/save

GET /sys/doctor/list

POST /sys/doctor/save

POST /sys/doctor/delete

GET /search?q={txt}

已登录为例，返回的接口JSON数据为：

{

code: 0

token: Jziw1314j2948AIJQ23ZLJOw==231

data: {

username: “13688888888”

}}

5 结论

随着国民对个人身体健康的关注不断增加，云联健康管理系统结合物联网信息技术、5G专网网络、区块链技术，对采集到的用户生命特征数据进行处理、分析及诊断，进而根据综合分析诊断后的结果为患者提供精准的健康管理服务，可以实现远程体检并实时查询结果，提高了医疗服务质量和医疗资源的利用率，为人们提供日常的健康监护、医疗资源配置，具有重要的指导意义。在未来的研究工作中，将致力于研究搭建基于人工智能的智慧医疗平台，为医务人员、广大患者、科技科研人员及政府决策提供支撑，开拓更广阔的5G+人工智能的医疗健康市场。