張琦+穆遠(yuǎn)威

摘 要：隨著時代的發(fā)展與病患日益增長的需求，在醫(yī)療領(lǐng)域進(jìn)行了較多有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的探索和嘗試，醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層。傳感儀器是感知層的核心，可利用光學(xué)技術(shù)、壓敏技術(shù)和RFID技術(shù)等獲取患者信息；傳輸層包括由GPRS、WiFi、藍(lán)牙等無線傳輸方式和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合形成的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)；應(yīng)用層包括應(yīng)用系統(tǒng)平臺、數(shù)據(jù)處理算法等，可進(jìn)行醫(yī)療智能化管理。對醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的3個層次分別展開系統(tǒng)分析，指出了醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中存在的問題。

關(guān)鍵詞：醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)；傳感器；安全；進(jìn)展

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）12-00-03

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，人們的生活品質(zhì)穩(wěn)步提高，對自身健康的需求也日益增強(qiáng)。為了推動醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)模式的發(fā)展，醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)（Medical Internet of Things，MIoT）應(yīng)運而生。醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)于醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，綜合運用光學(xué)技術(shù)、壓敏技術(shù)和RFID技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)手段，結(jié)合多種醫(yī)療傳感器，通過傳感網(wǎng)絡(luò)按照約定協(xié)議，借助移動終端、嵌入式計算裝置和醫(yī)療信息處理平臺進(jìn)行信息交換。本文對醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的3層架構(gòu)和醫(yī)療傳感儀器與感知方法進(jìn)行分析，提出了現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)療領(lǐng)域存在的問題。

1 醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)感知層

感知層在醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)中占有重要地位，也是當(dāng)前整個產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)發(fā)展的難點。產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步推動著醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，同時產(chǎn)業(yè)的提升又對技術(shù)有了更高的要求。研究具有強(qiáng)穩(wěn)定性和高精度的傳感器是當(dāng)前最主要的問題。

1.1 感知層中應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展

應(yīng)用技術(shù)在感知層中應(yīng)用較廣，現(xiàn)選取當(dāng)前主流的、已被大量應(yīng)用的技術(shù)進(jìn)行闡述。

1.1.1 光學(xué)技術(shù)的發(fā)展

光學(xué)技術(shù)具有不受電磁干擾等特性，高頻電極、阻抗傳感器和溫度傳感器對光學(xué)技術(shù)均無干擾[1]。當(dāng)前，光學(xué)檢測主要應(yīng)用在溶液物質(zhì)濃度、醫(yī)療器械設(shè)計等方面。Michel等使用光學(xué)纖維研究的小型可替換式等離子體傳感器可以對溶液鹽分濃度進(jìn)行高精度檢測，精度高達(dá)4.8 μW/ppt[2]。Kim等制作了一種適合生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用光學(xué)纖維橫向耦合的力傳感器[3]。Chen等使用光纖核心——微探針對一小簇細(xì)胞的pH值進(jìn)行實時監(jiān)控[4]。Kim等研發(fā)的基于心臟消融導(dǎo)管的光作用力學(xué)傳感器，是一種透明、靈活且可伸縮的由PDMS（聚二甲基硅氧烷）薄膜形成氣腔的光學(xué)傳感器，可對心臟消融病癥起到預(yù)防作用[1]。

1.1.2 壓敏技術(shù)的發(fā)展

壓敏技術(shù)普遍應(yīng)用于工業(yè)行業(yè)，如觸摸屏、真空設(shè)備和飛機(jī)上的氣壓檢測設(shè)備等，都需將壓力轉(zhuǎn)換為電信號。Kwak等采用半封閉型電極，制作了一種徑向擴(kuò)張硅膠管一次性電容式壓力傳感器，適用于試劑藥品的分配過程[5]。Lee等研究了基于無色聚酰亞胺嵌入銀納米線層的壓敏應(yīng)變傳感器，該傳感器將銀納米線和cPI結(jié)合產(chǎn)生輕薄、透明且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的電極，其靈敏度是傳統(tǒng)壓力傳感器的4倍，還可以將其嵌入手腕皮膚中[6]，如圖1所示。

1.1.3 RFID技術(shù)的發(fā)展

朱洪波等設(shè)計了一個急救系統(tǒng)，通過應(yīng)用 RFID 卡保存用戶的醫(yī)療檔案和個人信息，并由醫(yī)院服務(wù)器負(fù)責(zé)接收、處理、存儲這些醫(yī)療數(shù)據(jù)。醫(yī)護(hù)人員在對病人做醫(yī)護(hù)處理前，可通過 PDA讀取患者RFID醫(yī)療卡上的信息，了解患者的病史和血型等。除了獲取信息，醫(yī)護(hù)人員也可通過PDA記錄患者的傷情信息和簡單救治情況，并利用無線通信發(fā)送給醫(yī)院，使得醫(yī)院在第一時間了解狀況，做好術(shù)前準(zhǔn)備。通過該系統(tǒng)的運用，救護(hù)車運送病人與醫(yī)院術(shù)前準(zhǔn)備過程可同步進(jìn)行，縮短了急救時間，提高了醫(yī)院急救效率，尤其對嚴(yán)重昏迷患者而言，更是加大了挽救生命的砝碼[7]。

1.1.4 其他先進(jìn)傳感器

其他主流傳感器包括監(jiān)測溶液溫度傳感器、pH值傳感器、DNA傳感器和濕度傳感器等。Salvo等使用處于25～43℃溫度范圍內(nèi)的人體血清樣品進(jìn)行測試時，與恒溫槽中設(shè)定的參考值相比，該傳感器的靈敏度為（110±10） Ω/℃，誤差為（0.4±0.1）℃；基于氧化石墨烯（GO）敏感涂層的pH傳感器在4～10的pH值范圍內(nèi)其靈敏度為（40±4） mV/pH [8]。Singh等為檢測病菌是否破壞了心臟瓣膜而設(shè)計了一款超靈敏的納米雜化DNA傳感器，可用于人類冠狀大動脈心臟瓣膜早期感染的緊急診斷和醫(yī)療護(hù)理[9]。Bhattacharjee等基于移動性的點對點肺功能檢測，設(shè)計了一種納米功能紙張濕度傳感器，達(dá)到了令人滿意的效果，其參數(shù)如圖2所示[10]。

圖2（A）顯示了紙張傳感器和微型加熱器的圖像，刻度棒為5 mm。圖2（B）顯示了6次循環(huán)呼吸的標(biāo)準(zhǔn)化電阻（RN = R / Ri）隨時間t的變化以及干燥N2氣的對照實驗。圖2（C）顯示了不同長度喉舌（LMP）的ΔR的變化情況[RSD=1.27%]。

2 醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)傳輸層

2.1 常用的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸方法

2.1.1 WiFi技術(shù)

WiFi擁有寬帶高、傳輸速度快等優(yōu)點主要用于電腦、智能手機(jī)等的通信，。王曦等通過WiFi技術(shù)將信息技術(shù)運用到個人醫(yī)療設(shè)備上，并提出整合互聯(lián)網(wǎng)與社會醫(yī)療資源，建立一套面向病患、圍繞病患的新型社區(qū)醫(yī)療信息系統(tǒng)[11]。在周傳彬等設(shè)計的基于WiFi的便攜式心電監(jiān)護(hù)定位系統(tǒng)中，WiFi 模塊從單片機(jī)中接收到的心電數(shù)據(jù)經(jīng) WiFi傳輸?shù)絇C端的心電監(jiān)護(hù)中心，可以實現(xiàn)對病患位置實時跟蹤定位的功能，以便醫(yī)護(hù)人員及時對病發(fā)患者進(jìn)行有效救治[12]。

2.1.2 GPRS技術(shù)

GPRS技術(shù)多用作系統(tǒng)管理中主要技術(shù)的輔助技術(shù)。羅松等針對現(xiàn)有醫(yī)療廢物管理過程中存在的問題，利用GPRS技術(shù)，提出對醫(yī)療廢物收集、運輸和處理全過程進(jìn)行實時跟蹤和監(jiān)控的管理系統(tǒng)，對系統(tǒng)架構(gòu)、工作原理和通信系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)闡述[13]。余海錢等基于GPRS技術(shù)設(shè)計了便攜式健康檢測系統(tǒng)，成果顯著[14]。王闖瑞設(shè)計了基于GPRS的遠(yuǎn)程心電監(jiān)控系統(tǒng)[15]。endprint

2.1.3 藍(lán)牙通信技術(shù)

藍(lán)牙通信技術(shù)擁有功耗低，傳輸速率快等優(yōu)點，是目前適用于醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的短距離無線通訊技術(shù)。薛萬國等提出了基于藍(lán)牙4.0的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用藍(lán)牙EDR芯片，傳輸速率可達(dá)2 Mb/s，解決了像12導(dǎo)心電儀等對寬帶要求較高的醫(yī)療設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸問題[16]。王彩峰等設(shè)計了一種新型便攜式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，以MSP430系列單片機(jī)作為微控制器，利用藍(lán)牙技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線控制，系統(tǒng)可實時檢測人體心電信號、呼吸、血壓、脈搏和體溫等生理參數(shù)，滿足了監(jiān)護(hù)儀的便攜性、低成本和網(wǎng)絡(luò)化等要求[17]。

3 醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層

3.1 應(yīng)用平臺或系統(tǒng)

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的衛(wèi)生保健設(shè)備隨著信息技術(shù)的發(fā)展逐漸受到更多人的關(guān)注，可以遠(yuǎn)程對患者進(jìn)行病情監(jiān)控及疾病預(yù)診斷，也可對醫(yī)學(xué)生進(jìn)行教育。Woo等研發(fā)了一個可靠的基于M2M個人健康保健設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[18]。Amin等使用無線醫(yī)療傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了一個穩(wěn)定、匿名的患者監(jiān)控系統(tǒng)，可同時為移動用戶提供匿名保護(hù)和雙向認(rèn)證協(xié)議，并在協(xié)議中加入密碼分析，以保證協(xié)議可承受當(dāng)前已知的攻擊。實驗證明，該系統(tǒng)具有極佳的安全性[19]。Ali等基于物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)了一個醫(yī)療教育輕學(xué)習(xí)平臺[20]。

3.2 應(yīng)用層的協(xié)議/算法進(jìn)展

Krishna等對物聯(lián)網(wǎng)實時應(yīng)用中的低功耗和有損網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議進(jìn)行了分析[21]。Jiang等開發(fā)了用于醫(yī)療應(yīng)用的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中基于連接的最大信道分配算法[22]。Lounis等為醫(yī)療無線傳感器網(wǎng)提供了安全的云架構(gòu)，即在云端治療疾病，不僅可確?；颊吆椭髦吾t(yī)生知曉情況的安全性，還支持復(fù)雜、動態(tài)的安全訪問控制與緊急情況處理，模擬實驗取得了良好的效果[23]。

4 結(jié) 語

醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)是一個極其龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，關(guān)于其體系架構(gòu)的研究既是基礎(chǔ)性的工作又是影響未來發(fā)展的關(guān)鍵。在介紹現(xiàn)階段醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)3個層次的基礎(chǔ)上，對醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)探討，包括關(guān)鍵技術(shù)、傳感器和安全問題等。隨著科技的不斷發(fā)展，將會有越來越多的先進(jìn)科技融入醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)中，推動醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。雖然國內(nèi)外對于物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)逐漸重視，但相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系和技術(shù)規(guī)范還處于逐步完善的過程中，需要更多的人去探索，并進(jìn)行相關(guān)基礎(chǔ)性的研究工作。

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