洪紫映，鄧朝華，金新政

（華中科技大學(xué)健康信息資源研究中心，湖北 武漢 430030）

智慧健康系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

洪紫映，鄧朝華，金新政*

（華中科技大學(xué)健康信息資源研究中心，湖北 武漢 430030）

健康服務(wù)需求的不斷增長給醫(yī)療健康行業(yè)帶來了挑戰(zhàn)，而新興的信息化技術(shù)為解決這類問題提供了契機(jī)，智慧健康在這種發(fā)展背景下應(yīng)運(yùn)而生。智慧健康系統(tǒng)以技術(shù)為支撐，可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)療機(jī)構(gòu)、醫(yī)生和個(gè)體間的高度互聯(lián)和協(xié)作，本文以智慧健康系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)分類為基礎(chǔ)，分析了系統(tǒng)中各層所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，以期對智慧健康系統(tǒng)的開發(fā)研究提供技術(shù)類型方面的參考。

智慧健康系統(tǒng)；系統(tǒng)架構(gòu)；關(guān)鍵技術(shù)

0 引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提升促進(jìn)了居民對健康的關(guān)注，而面對逐年增長的老年人口以及高血壓等慢性疾病，居民的健康需求不斷增長而且在健康管理方面已不再局限于傳統(tǒng)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)，更多地尋求日常生活方面與醫(yī)療服務(wù)提供方的整合，獲取更全面的醫(yī)療健康支持。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展給諸多行業(yè)帶來了新的增長點(diǎn)，一些新興技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)療健康領(lǐng)域，可以為人民提供更廣泛、高效和智慧的醫(yī)療健康服務(wù)，有效增進(jìn)居民的健康水平，滿足健康需求、更好地進(jìn)行健康管理。各種新興的技術(shù)給健康服務(wù)的優(yōu)化整合提供了有利的條件，健康服務(wù)也逐步向著科技化、個(gè)性化甚至是智慧化的方向發(fā)展。在物聯(lián)網(wǎng)的和感知傳感技術(shù)的不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，智慧健康的概念應(yīng)運(yùn)而生［1］。

1 智慧健康系統(tǒng)

智慧健康是生命科學(xué)和新興技術(shù)融合產(chǎn)生的交叉學(xué)科，主要指利用小型傳感裝置測量用戶的生活和健康狀況，在日常生活中通過網(wǎng)絡(luò)收集數(shù)據(jù)，是增加預(yù)防保健的需求以及健康發(fā)展新趨勢［2］，也有助于進(jìn)行健康評估和管理。智慧健康是以智能技術(shù)、健康技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等創(chuàng)新科學(xué)技術(shù)為支撐，為人類健康提供服務(wù)功能的復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)［3］。智慧健康系統(tǒng)一般由三層結(jié)構(gòu)組成［4］，底層為感知層，該層主要是各類健康信息的產(chǎn)生端口，通過各類傳感器采集數(shù)據(jù)、再由依據(jù)短距離通信協(xié)議將信息集中到個(gè)人服務(wù)器，這類信息主要來源于醫(yī)院的醫(yī)療設(shè)備以及個(gè)人的健康設(shè)施及app等；中間層為網(wǎng)絡(luò)層，將感知層的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合后傳輸給應(yīng)用層，這一階段主要進(jìn)行各類網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信息整合和交換，網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)健康數(shù)據(jù)的安全上傳，并及時(shí)給用戶必要的反饋；頂層為應(yīng)用層，主要進(jìn)行健康信息和數(shù)據(jù)的分析，面向健康服務(wù)的利用者，為其提供基礎(chǔ)的健康服務(wù)或?qū)⒔】禂?shù)據(jù)開放給第三方來提供更多樣的應(yīng)用和服務(wù)，分為健康醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用和個(gè)人的應(yīng)用兩大類，系統(tǒng)的框架如圖1所示。

圖1 智慧健康系統(tǒng)框架

2 關(guān)鍵技術(shù)

智慧健康涉及的技術(shù)非常廣泛，其中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是智慧健康的核心，對智慧健康系統(tǒng)的各層都有重要影響。物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，IoT）是在現(xiàn)代無線通信背景下發(fā)展起來的新型范例，其基本思想是利用我們周圍普遍存在的特定感知器，諸如射頻識別（RFID，Radio Frequency Identification），傳感器，移動(dòng)電話等，根據(jù)其獨(dú)特的尋址方案實(shí)現(xiàn)物體間的聯(lián)系，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)共同的目標(biāo)［5］。物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)物體和物體間的網(wǎng)絡(luò)連接，主要利用RIDF技術(shù)、傳感技術(shù)以及定位技術(shù)等對各類物品進(jìn)行感知和識別，獲取物品的各類信息，這類信息既包括物品本身的信息也涉及對周邊環(huán)境的感知，獲取信息后利用各類技術(shù)對信息進(jìn)行分析處理，從而提高對物理環(huán)境的認(rèn)知并為決策提供依據(jù)，可以認(rèn)為智慧健康是物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展在醫(yī)療健康領(lǐng)域的重要表現(xiàn)形式。

圖2 智慧健康系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)結(jié)構(gòu)圖

以系統(tǒng)各層的分類為視角，認(rèn)為各每層都有其必要的關(guān)鍵技術(shù)。如圖2所示，感知層的技術(shù)主要以數(shù)據(jù)采集和傳感技術(shù)為主；網(wǎng)絡(luò)層以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心并涉及云計(jì)算等技術(shù)；應(yīng)用層則以數(shù)據(jù)處理技術(shù)和安全隱私技術(shù)等為關(guān)鍵。

2.1 感知層關(guān)鍵技術(shù)

感知層是智慧健康系統(tǒng)中與個(gè)體緊密聯(lián)系的一端，從智慧健康的流程和架構(gòu)而言，它需要把人體的生理或病理狀態(tài)轉(zhuǎn)化成可利用的數(shù)據(jù)信息，可以認(rèn)為感知層是智慧健康系統(tǒng)的基礎(chǔ)。感知層是對個(gè)體健康感知的過程，主要目的是進(jìn)行健康數(shù)據(jù)的收集，主要涉及的技術(shù)包括RFID技術(shù)、傳感及傳感網(wǎng)絡(luò)等末端智能感知技術(shù)。

RFID射頻識別也被稱為電子標(biāo)簽，這一技術(shù)興起與20世紀(jì)90年代，主要指利用射頻信號通過空間耦合來實(shí)現(xiàn)無接觸的信息傳遞，并根據(jù)其傳遞的信息進(jìn)行識別［6］。當(dāng)可識別的標(biāo)簽進(jìn)入對應(yīng)的閱讀區(qū)時(shí)，接收器便可以收到閱讀器發(fā)出的特定射頻信號，感應(yīng)到其內(nèi)部存儲(chǔ)的對應(yīng)物品信息，閱讀器對信息進(jìn)行讀取和解碼后，將信息傳輸?shù)叫畔⒕C合系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理。應(yīng)用到智慧健康領(lǐng)域，可以對個(gè)體可以進(jìn)行定位管理，在醫(yī)院方面則在檔案管理、藥品安全方面有重要意義［7］。

傳感技術(shù)是利用傳感器件探測人體各器官的醫(yī)學(xué)生物信號并按照規(guī)定格式轉(zhuǎn)換為可以使用醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的技術(shù)［8］。傳感技術(shù)需要傳感器和傳感網(wǎng)絡(luò)間兩者間的協(xié)同感知，獲取傳感網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中的被感知對象的信息并進(jìn)行處理。傳感器件可以感受到需要被測量的信息，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對檢測獲取信息的轉(zhuǎn)碼，將其轉(zhuǎn)換成可以識別的信號，傳感終端是實(shí)現(xiàn)智慧健康的重要環(huán)節(jié)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目的是實(shí)現(xiàn)對感應(yīng)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中對象的協(xié)作感知、采集和處理，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的量化采集、融合性處理以及傳輸［6］。體感網(wǎng)（Body Sensor Network，BSN）作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)分支，是人體上的生理參數(shù)收集傳感器或移植到人體內(nèi)的生物傳感器共同形成的一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)［9］。體感網(wǎng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)可以對一些重要的身體生理信號（如體溫，脈搏，血糖等）進(jìn)行采集，這種信息還包括人體活動(dòng)及動(dòng)作方面，甚至是人所處的環(huán)境［9］，是目前發(fā)展智能穿戴設(shè)備的技術(shù)基礎(chǔ)。體感網(wǎng)中一般涉及的節(jié)點(diǎn)如圖3所示。

圖3 體感網(wǎng)中傳感器節(jié)點(diǎn)示意圖［9］

2.2 網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)層是把感知層收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)計(jì)算中心的一個(gè)過程，它的另一過是將數(shù)據(jù)從中心轉(zhuǎn)入智能化控制設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)層是智慧健康系統(tǒng)的一個(gè)中間階段，有著承上啟下的作用。網(wǎng)絡(luò)層中的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)所涉及的各項(xiàng)技術(shù)可以提高健康服務(wù)的便捷性和效率，主要應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)有：網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)、云計(jì)算等。

網(wǎng)絡(luò)是智慧健康系統(tǒng)進(jìn)行信息傳遞和支撐服務(wù)的基礎(chǔ)性設(shè)施，利用廣泛的互聯(lián)網(wǎng)功能可以實(shí)現(xiàn)信息的高速傳播。智慧健康的實(shí)現(xiàn)涉及到網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)中的短距離無線傳輸和遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)，短距離無線通信技術(shù)包括無線局域網(wǎng)技術(shù)（WiFi）、藍(lán)牙（Bluetooth）和Zigbee等；遠(yuǎn)程運(yùn)輸技術(shù)則重點(diǎn)涉及互聯(lián)網(wǎng)，主要為互聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)等技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)中，M2M（Machine to Machine）技術(shù)是智慧健康系統(tǒng)中的關(guān)鍵，M2M主要指機(jī)器和機(jī)器間的通信，可以實(shí)現(xiàn)人、機(jī)器、系統(tǒng)之間通信的健康連接以及信息共享［10］。M2M 與其他傳輸技術(shù)可以進(jìn)行結(jié)合，如以GPRS/UMTS 為主的遠(yuǎn)距離連接技術(shù)，以及藍(lán)牙、WiFi、RFID 等近距離連接技術(shù)［10］，可用于安全監(jiān)測和藥物跟蹤等領(lǐng)域。

網(wǎng)絡(luò)融合（ Network Convergence）的概念最早來源于互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)以及電話網(wǎng)等在業(yè)務(wù)層面的融合［11］。當(dāng)前各種類型網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展使得網(wǎng)絡(luò)間結(jié)構(gòu)差異增大，網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性也逐漸增加，對智慧健康系統(tǒng)中的跨網(wǎng)服務(wù)而言產(chǎn)生很大困難。網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)的目的在于實(shí)現(xiàn)各種不同類型網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)層面的融合，減小甚至是消除由于標(biāo)準(zhǔn)不同而導(dǎo)致的數(shù)字鴻溝問題，可以實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的無縫切換［11］，有利于健康信息的整合和傳輸。

云計(jì)算（Cloud Computing）是各類傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)，包括效用計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)、負(fù)載均衡等與新興網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物。它的核心是利用網(wǎng)絡(luò)把多個(gè)相對成本低的計(jì)算實(shí)體整合成一個(gè)具有強(qiáng)大計(jì)算能力的系統(tǒng)［12］，利用云計(jì)算技術(shù)可以將健康相關(guān)的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成實(shí)際決策和行動(dòng)，健康服務(wù)提供者可以在很短的時(shí)間之內(nèi)，處理數(shù)據(jù)量很大的信息。對云計(jì)算的應(yīng)用可以拓展醫(yī)療資源和服務(wù)的共享性，為智慧化的醫(yī)療健康提供高效率和高度整合的數(shù)據(jù)共享平臺(tái)［13］。

2.3 應(yīng)用層關(guān)鍵技術(shù)

應(yīng)用層是智慧健康系統(tǒng)中直接與人接觸的一端，對智慧健康系統(tǒng)的利用和發(fā)展非常重要。智慧健康系統(tǒng)的研究和發(fā)展目的最終是實(shí)現(xiàn)個(gè)體對的健康管理以及對健康數(shù)據(jù)的智能應(yīng)用，為個(gè)體提供有針對性的服務(wù)。應(yīng)用層是開發(fā)智慧健康系統(tǒng)的目的，其關(guān)鍵技術(shù)和數(shù)據(jù)的利用相關(guān)，主要是數(shù)據(jù)處理和融合技術(shù)、信息和隱私安全技術(shù)以及IPv6技術(shù)等。

從底層到應(yīng)用層，智慧健康涉及各種信息，數(shù)據(jù)量大且種類多，從這些數(shù)據(jù)中挖掘出有效的信息需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行格式的標(biāo)化，數(shù)據(jù)處理和融合技術(shù)主要包括一些標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)、信息融合技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘等相關(guān)技術(shù)。數(shù)據(jù)融合技術(shù)指針對在不同時(shí)間獲取的有時(shí)序性的信息，在一定的標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行整合、分析和利用，來獲取對被觀測對象的一致性描述，從而輔助決策和進(jìn)行評估的信息處理技術(shù)［14］。數(shù)據(jù)處理技術(shù)中，數(shù)據(jù)挖掘也是關(guān)鍵，數(shù)據(jù)挖掘是指借助于多種數(shù)據(jù)分析工具在海量的數(shù)據(jù)信息獲取有用信息并分析它們的對應(yīng)關(guān)系，可以針對各行各業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展，提供關(guān)鍵的決策支持［15］。數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)都可以從健康數(shù)據(jù)提取有效信息，為健康服務(wù)消費(fèi)者提供個(gè)性化、高時(shí)效性的服務(wù)。

智慧健康系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)各類健康數(shù)據(jù)的分組交換，采用數(shù)據(jù)分組網(wǎng)即 IP 網(wǎng)作為承載網(wǎng)。IPv6是新一代IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有豐富的地址資源，能夠支持動(dòng)態(tài)路由機(jī)制，可以滿足智慧健康系統(tǒng)中對網(wǎng)絡(luò)通信地址以及擴(kuò)展性方面的要求。目前廣泛使用的 IPv4 地址已經(jīng)面臨著即將枯竭的狀況，IPv6 可以為終端提供充足的 IP 地址，廣泛應(yīng)用 IPV6 是實(shí)現(xiàn)智慧健康的必然選擇。

個(gè)人健康信息和感知網(wǎng)絡(luò)具有私有性和私密性，智慧健康在提高個(gè)體健康管理效率的同時(shí)，給個(gè)人的信息安全和隱私的保護(hù)問題帶來很大挑戰(zhàn)。保障個(gè)信息安全以及維護(hù)個(gè)人的隱私是智慧健康發(fā)展中的重要部分，它會(huì)影響個(gè)體對智慧健康的接納程度和使用。從安全和隱私技術(shù)的角度而言，信息和隱私安全相關(guān)技術(shù)包括用來保證個(gè)人身份安全為核心的相關(guān)認(rèn)證技術(shù)，確保數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)拿荑€建立及分發(fā)制度，以及確保各類數(shù)據(jù)安全的數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)安全協(xié)議，數(shù)據(jù)匿名化技術(shù)等。

3 結(jié)語

利用新興技術(shù)，創(chuàng)新健康管理模式，提高健康管理水平并促進(jìn)其智慧化，是醫(yī)療健康事業(yè)發(fā)展的趨勢。智慧健康是醫(yī)療衛(wèi)生發(fā)展的新階段，有利于緩解醫(yī)療資源相對不足的問題，是社會(huì)進(jìn)步的必然要求和結(jié)果。建立一套智慧、惠民、安全、高效的健康系統(tǒng)有利于提升醫(yī)療效率，控制和預(yù)防疾病，進(jìn)一步推進(jìn)健康中國的建設(shè)。智慧健康的實(shí)現(xiàn)需要諸多技術(shù)的支持，對其關(guān)鍵技術(shù)的研究很有必要，隨著這些技術(shù)的不斷發(fā)展，智慧健康的理想也終會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。

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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

“國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目”資助（項(xiàng)目編號：2008BAI52B00）

洪紫映，女，碩士研究生在讀，研究方向：衛(wèi)生信息管理。

金新政，男，華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院 管理學(xué)教授，研究生導(dǎo)師，系華中科技大學(xué)健康信息資源研究中心主任。主要研究方向是信息管理、衛(wèi)生事業(yè)管理和軟科學(xué)。