楊明，舒明雷，劉瑞霞，陳長芳，魏諾

(山東省計算中心(國家超級計算濟(jì)南中心)，山東省計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)重點實驗室，山東 濟(jì)南 250014)

面向農(nóng)村基層的醫(yī)療云系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

楊明，舒明雷，劉瑞霞，陳長芳，魏諾

(山東省計算中心(國家超級計算濟(jì)南中心)，山東省計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)重點實驗室，山東 濟(jì)南 250014)

提出了一種基于無線體域網(wǎng)(WBAN)和云計算的農(nóng)村基層醫(yī)療云系統(tǒng)，提供了農(nóng)村基層醫(yī)療滯后問題的解決途徑。系統(tǒng)以“智能醫(yī)療終端+綜合性醫(yī)療云服務(wù)平臺”為架構(gòu)，基于WBAN和智能硬件技術(shù)，設(shè)計了低成本、通用化、可動態(tài)擴(kuò)展的智能醫(yī)療終端；基于實時醫(yī)療數(shù)據(jù)融合和壓縮感知算法，實現(xiàn)了面向低速網(wǎng)絡(luò)的可靠數(shù)據(jù)傳輸；基于多級醫(yī)療資源整合、多模態(tài)醫(yī)療服務(wù)共享、高并發(fā)高可用醫(yī)療服務(wù)能力支撐機(jī)制，構(gòu)建了以基層群眾為核心的醫(yī)療云服務(wù)平臺。與當(dāng)前主流醫(yī)療云系統(tǒng)的對比結(jié)果表明，該系統(tǒng)可提升基層醫(yī)療的檢測水平和服務(wù)能力，有助于建立面向農(nóng)村基層的新型互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療模式。

農(nóng)村基層; 無線體域網(wǎng); 醫(yī)療云; 云服務(wù)

當(dāng)前，我國農(nóng)村基層醫(yī)療發(fā)展滯后，村級衛(wèi)生室普遍存在醫(yī)療設(shè)備匱乏、醫(yī)療規(guī)范缺失、村醫(yī)人才不足、醫(yī)護(hù)水平與服務(wù)能力整體低下等問題，嚴(yán)重制約了國家醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展。以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等為代表的新一代信息技術(shù)和“互聯(lián)網(wǎng)+”國家戰(zhàn)略下的健康醫(yī)療，為農(nóng)村基層醫(yī)療短板的解決提供了創(chuàng)新途徑。

雖然已有較先進(jìn)的醫(yī)療器械公司從事智能醫(yī)療終端及服務(wù)平臺的研發(fā)，但尚難用于以農(nóng)村衛(wèi)生室為代表的基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)。在醫(yī)療終端方面，其普遍存在設(shè)備昂貴、可擴(kuò)展性與兼容性差等問題；在服務(wù)平臺方面，存在公益性偏低、服務(wù)質(zhì)量無法保證、可持續(xù)性差等問題。

無線體域網(wǎng)(wirelessbodyareanetwork,WBAN)是由輕量級、低功耗、可進(jìn)行無線通信的體表或體內(nèi)植入式節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)，可對人體生理數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)化的監(jiān)測[1-2]。WBAN與云計算技術(shù)的結(jié)合[3-4]，能實現(xiàn)對海量異構(gòu)醫(yī)療數(shù)據(jù)的獲取、處理、分析和存儲，并可提供高度共享的云醫(yī)療服務(wù)，是提升農(nóng)村基層醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)服務(wù)能力，改善農(nóng)村醫(yī)療條件，推進(jìn)優(yōu)勢醫(yī)療資源向農(nóng)村基層延伸的有效手段。

本文提出了一種新型的基于WBAN和云計算的農(nóng)村基層醫(yī)療云系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)方法，依托山東省云計算中心的平臺支撐，有效改善了農(nóng)村基層醫(yī)療面臨的數(shù)據(jù)獲取、傳輸、分析、管理等問題，助力于“預(yù)防為主、防治結(jié)合”的新型農(nóng)村醫(yī)療信息化模式的構(gòu)建。

1 農(nóng)村基層醫(yī)療云系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的整體設(shè)計如圖1所示，以“智能醫(yī)療終端+綜合性醫(yī)療云服務(wù)平臺”為體系架構(gòu)，從以下方面構(gòu)建面向農(nóng)村基層的新型互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療模式。

(1)基于WBAN和智能硬件技術(shù)，設(shè)計低成本、輕量級、易操作的智能醫(yī)療終端，以其為核心形成標(biāo)準(zhǔn)化的村級衛(wèi)生室解決方案。通過多樣化醫(yī)學(xué)信號精準(zhǔn)感知、通用可擴(kuò)展的醫(yī)療數(shù)據(jù)智能處理等技術(shù)，實現(xiàn)農(nóng)村基層常見醫(yī)學(xué)指標(biāo)的精準(zhǔn)檢測。

(2)基于數(shù)據(jù)融合、壓縮感知等技術(shù)，保障實時醫(yī)療數(shù)據(jù)可通過農(nóng)村基層的低速網(wǎng)絡(luò)，有效、可靠地傳輸至省級云平臺。

(3)以山東省云計算中心為平臺支撐，通過多級醫(yī)療機(jī)構(gòu)資源整合與多模態(tài)醫(yī)療服務(wù)共享、醫(yī)療資源快速部署與醫(yī)療服務(wù)動態(tài)伸縮擴(kuò)展、海量醫(yī)療數(shù)據(jù)高并發(fā)與高流量等技術(shù)，向農(nóng)村基層提供高度共享的綜合性醫(yī)療云服務(wù)。

圖1 農(nóng)村基層醫(yī)療云系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計Fig.1 Architecture of the rural medical cloud system

2 基于WBAN和云計算的醫(yī)療云系統(tǒng)模塊設(shè)計

2.1 基于WBAN和智能硬件的通用可擴(kuò)展智能醫(yī)療終端

針對農(nóng)村基層的醫(yī)療檢測需求，基于WBAN和智能硬件技術(shù)，設(shè)計了低成本、通用化、可動態(tài)擴(kuò)展的智能化醫(yī)療檢測終端，如圖2所示。具體方案如下：

(1)依托智能硬件平臺，根據(jù)不同醫(yī)療傳感器的硬件接口和數(shù)據(jù)協(xié)議要求，設(shè)計相應(yīng)的集成方法、傳輸方法、控制方法和配置方法，實現(xiàn)了可精準(zhǔn)感知多樣化生理信號(如心電、血壓、血糖、血氧、體溫等)的通用智能感知硬件平臺。

(2)通過智能硬件平臺對其他醫(yī)療設(shè)備的動態(tài)擴(kuò)展，進(jìn)一步實現(xiàn)了對血脂(總膽固醇、甘油三酯、HDL、LDL)、尿酸等醫(yī)療數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)感知和智能處理。① 針對傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備，設(shè)計了基于USB、串行口等標(biāo)準(zhǔn)化硬件接口規(guī)范的擴(kuò)展方法，及屏蔽數(shù)據(jù)協(xié)議異構(gòu)性的中間件，實現(xiàn)了終端擴(kuò)展的即插即用、即配即用；② 針對可無線通信的醫(yī)療設(shè)備，基于WBANMAC層機(jī)制和IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)[5]，設(shè)計了以智能硬件平臺為WBAN協(xié)調(diào)器、以多個外擴(kuò)醫(yī)療終端為節(jié)點的WBAN快速部署，實現(xiàn)了動態(tài)、彈性、靈活的醫(yī)療終端無線擴(kuò)展與雙向鏈路的高效數(shù)據(jù)通信。

圖2 通用化、動態(tài)擴(kuò)展的智能醫(yī)療終端設(shè)計Fig.2 Generalization and dynamic scalability of the intelligent medical device

2.2 基于實時醫(yī)療數(shù)據(jù)融合和壓縮感知的低速網(wǎng)絡(luò)可靠數(shù)據(jù)傳輸

基于WBAN的智能醫(yī)療終端所獲取的醫(yī)療數(shù)據(jù)具有結(jié)構(gòu)多樣性、數(shù)據(jù)量大等特點，不僅包括血壓、脈搏、血糖等小數(shù)據(jù)量參數(shù)，還包括心電、腦電等數(shù)據(jù)量較大的周期性參數(shù)，甚至含音視頻等多媒體數(shù)據(jù)。針對農(nóng)村基層地區(qū)通信基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、網(wǎng)絡(luò)資源受限等問題，設(shè)計了面向低速率、低穩(wěn)定性網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的可靠數(shù)據(jù)傳輸算法。自下向上采用數(shù)據(jù)級、特征級、決策級[6]的融合封裝算法，消除了實時多源醫(yī)療數(shù)據(jù)的異構(gòu)性與復(fù)雜度。通過對醫(yī)療數(shù)據(jù)的稀疏化處理和自適應(yīng)壓縮編碼，實現(xiàn)了醫(yī)療數(shù)據(jù)的壓縮感知算法，從而減少連續(xù)監(jiān)測醫(yī)療數(shù)據(jù)的冗余度。

基于上述數(shù)據(jù)融合和壓縮感知算法，有效降低了實時醫(yī)療數(shù)據(jù)的通信量，提高了低速網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下醫(yī)療終端與云平臺間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。算法設(shè)計如圖3所示。

圖3 低速網(wǎng)絡(luò)的可靠數(shù)據(jù)傳輸算法設(shè)計Fig.3 Reliable data transmission algorithm oriented to low-rate networks

2.3 基于云平臺的多級醫(yī)療機(jī)構(gòu)資源整合與多模態(tài)醫(yī)療服務(wù)共享

從醫(yī)療資源整合、醫(yī)療服務(wù)共享、醫(yī)療服務(wù)能力支撐三方面，對醫(yī)療云服務(wù)平臺進(jìn)行設(shè)計，以向農(nóng)村基層提供24小時不間斷的綜合性云醫(yī)療服務(wù)，如圖4所示。

(1)跨地域的異構(gòu)醫(yī)療資源整合設(shè)計。根據(jù)村、鎮(zhèn)、縣、省多級醫(yī)療機(jī)構(gòu)的特點，設(shè)計了以村級衛(wèi)生室為基礎(chǔ)覆蓋、以鄉(xiāng)鎮(zhèn)衛(wèi)生院和縣級醫(yī)療機(jī)構(gòu)為主體、以省級三甲醫(yī)院為專家?guī)熘蔚亩鄻踊摂M平臺，實現(xiàn)了多級醫(yī)療資源的整合。

(2)定制化、多模態(tài)醫(yī)療服務(wù)共享設(shè)計。以“農(nóng)民專屬健康檔案”為核心，為各級醫(yī)療機(jī)構(gòu)定制醫(yī)療數(shù)據(jù)共享、專家醫(yī)生資源共享、遠(yuǎn)程診斷與監(jiān)護(hù)的多模態(tài)服務(wù)系統(tǒng)。

(3)動態(tài)伸縮、高并發(fā)、高可用的醫(yī)療服務(wù)支撐設(shè)計?；贜ginx負(fù)載均衡、多服務(wù)器集群、分區(qū)存儲與數(shù)據(jù)庫讀寫分離等機(jī)制，實現(xiàn)了云平臺的醫(yī)療資源灰度發(fā)布、醫(yī)療服務(wù)動態(tài)伸縮擴(kuò)展和海量醫(yī)療數(shù)據(jù)高并發(fā)處理。

圖4 多級醫(yī)療資源整合與多模態(tài)醫(yī)療服務(wù)共享設(shè)計Fig.4 Integration of multi-level medical resources and sharing of multi-mode medical services

3 系統(tǒng)實現(xiàn)及分析

3.1 智能醫(yī)療終端及云平臺的實現(xiàn)

(1)通過有效整合上述的模塊設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)了適宜在農(nóng)村基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)推廣的智能醫(yī)療終端，完成了農(nóng)村基層群眾醫(yī)療數(shù)據(jù)的采集、管理與交互?；赪BAN和智能硬件的通用可擴(kuò)展智能醫(yī)療終端設(shè)計技術(shù)，保證了終端的整體功能與性能，提升了其廣泛適用性和易操作性。 基于實時醫(yī)療數(shù)據(jù)融合和壓縮感知的低速網(wǎng)絡(luò)可靠數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，保證了云模式下的通信穩(wěn)定。同時依靠模塊化、軟硬協(xié)同以及高度數(shù)字化，實現(xiàn)了終端的低成本應(yīng)用。

(2)依托山東省云計算中心的平臺資源，通過上述的醫(yī)療資源整合、醫(yī)療服務(wù)共享及醫(yī)療服務(wù)能力支撐技術(shù)，實現(xiàn)了以農(nóng)民為核心，以預(yù)防為主、防治結(jié)合的新型綜合醫(yī)療服務(wù)云平臺。

系統(tǒng)建立了安全、專屬的農(nóng)民健康檔案，使農(nóng)民享受到“足不出村”的診斷、監(jiān)護(hù)等專業(yè)級醫(yī)療服務(wù)，為新農(nóng)合互聯(lián)互通搭建了綠色通道。目前平臺正在實現(xiàn)與山東大學(xué)齊魯醫(yī)院的健康數(shù)據(jù)共享，以及與公共衛(wèi)生服務(wù)系統(tǒng)的對接。本系統(tǒng)實現(xiàn)的智能醫(yī)療終端產(chǎn)品及綜合醫(yī)療服務(wù)云平臺界面如圖5所示。

圖5 本系統(tǒng)實現(xiàn)的智能醫(yī)療終端及云平臺Fig.5 Implementation of the intelligent medical device and cloud platform

3.2 系統(tǒng)分析

選取當(dāng)前國內(nèi)6家先進(jìn)醫(yī)療器械公司所研發(fā)的主流產(chǎn)品，與本系統(tǒng)在智能醫(yī)療終端所檢測醫(yī)療數(shù)據(jù)種類、云平臺性質(zhì)及服務(wù)能力方面進(jìn)行了對比，結(jié)果見表1(為保護(hù)隱私而隱去公司真實名稱)。

表1 本醫(yī)療云系統(tǒng)與當(dāng)前主流產(chǎn)品的對比

4 結(jié)論

本文研究實現(xiàn)的面向農(nóng)村基層的醫(yī)療云系統(tǒng)，是改變傳統(tǒng)醫(yī)療模式的有效手段，在農(nóng)村基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)具有廣闊的應(yīng)用前景，可有效解決基層群眾醫(yī)療數(shù)據(jù)的采集、管理與交互問題，為基層群眾提供專業(yè)的醫(yī)療服務(wù)，助力于“預(yù)防為主、防治結(jié)合”的新型農(nóng)村醫(yī)療信息化模式的構(gòu)建。然而，僅僅依托信息技術(shù)解決醫(yī)學(xué)問題勢必存在局限性，只有充分引入醫(yī)生和醫(yī)療資源，才可實現(xiàn)信息技術(shù)和醫(yī)學(xué)的深度融合。在未來研究中，將通過與三甲醫(yī)院建立深度合作，建立起融合醫(yī)生在內(nèi)的閉環(huán)生態(tài)。

[1]CAVALLARIR,MARTELLIF,ROSINIR,etal.Asurveyonwirelessbodyareanetworks:technologiesanddesignchallenges[J].IEEECommunicationsSurveys&Tutorials, 2014， 16(3)： 1635-1657.

[2]舒明雷. 面向醫(yī)療監(jiān)測的無線體域網(wǎng)MAC層關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué), 2016.

[3]FORTINOG,GRAVINAR,RUSSOW.Activity-aaService:Cloud-assisted,BSN-basedsystemforphysicalactivitymonitoring[M]// 2015IEEE19thInternationalConferenceonComputerSupportedCooperativeWorkinDesign(CSCWD2015), [S.l.]:IEEE, 2015: 588-593.

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[5]IEEEComputerSociety/LAN/MANStandardsCommittee.IEEEstandardforlocalandmetropolitanareanetworks-part15.6:wirelessbodyareanetworks,IEEEStd. 802.15.6, 2012[S].NewYork,USA:IEEEPress,2012.

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Designandimplementationofthemedicalcloudsystemorientedtoruralareas

YANGMing,SHUMing-lei,LIURui-xia,CHENChang-fang,WEINuo

(ShandongComputerScienceCenter(NationalSupercomputerCenterinJinan),ShandongProvincialKeyLaboratoryofComputerNetworks,Jinan250014,China)

∶AruralareaorientedmedicalcloudsystemwaspresentedbasedonWBANandcloudcomputing,providingsolutionstothelaggingbehindofmedical-careservicesinruralareas.Thesystemputforwardanarchitectureworkwhichconsistedofbothintelligentmedicaldeviceandcomprehensivemedicalcloudplatform.BasedonWBANandintelligenthardwaretechnology,thelow-cost,generalandscalableintelligentmedicaldevicewasdesigned.Thelow-ratenetworkorientedreliabledatatransmissionwasachievedonthebasisofreal-timedatafusionandcompressivesensingalgorithms.Themedicalcloudplatformwasestablishedbasedonthreemechanisms,i.e.integrationofmulti-levelmedicalresources,sharingofmulti-modemedicalservices,andhighsupportcapabilitiesformedicalservices.Comparedwithothermainstreamproducts,resultsshowedthatthesystemproposedcouldeffectivelyimprovethemedicalservicecapabilities,andwashelpfulfortheconstructionofanewInternetbasedmedicalmodeorientedtoruralareas.

∶ruralarea;wirelessbodyareanetwork(WBAN);medicalcloud;cloudservice

2016-11-17

山東省科技發(fā)展計劃(2014GSF118107)；山東省重點研發(fā)計劃(2015GGH309003)

楊明(1981—)，男，博士，助理研究員，研究方向為無線體域網(wǎng)、信息安全。E-mail:yangm@sdas.org

TP

A

1002-4026(2017)02-0122-06