金瑋 潘偉華

摘 要：針對(duì)突發(fā)性疾病預(yù)防及常見(jiàn)慢性疾病規(guī)范管理對(duì)遠(yuǎn)程醫(yī)療的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)。本著安全性、穩(wěn)定性、智能化及實(shí)時(shí)性的設(shè)計(jì)原則，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的整體架構(gòu)。并進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的物理架構(gòu)和功能架構(gòu)。為了提高系統(tǒng)的實(shí)用性，基于藍(lán)牙傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)信息采集模塊，細(xì)化系統(tǒng)工作流程。測(cè)試診斷數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析結(jié)果表明，文中所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程智能醫(yī)療系統(tǒng)對(duì)于多類(lèi)常見(jiàn)疾病的誤診率及漏診率均較低，具有良好的魯棒性。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng);藍(lán)牙傳輸;信息采集

Abstract：In view of the actual needs of the prevention of sudden diseases and the standardized management of common chronic diseases for telemedicine， this paper designs a telemedicine system by using the Internet of things technology. Based on the design principles of security， stability， intelligence and real-time， the overall architecture of the system is designed. On this basis， the physical architecture and functional architecture of the system are further optimized. In order to improve the practicability of the system， the information collection module is designed based on Bluetooth transmission technology， and the workflow of the system is described in detail. The statistical and analytical results of the test and diagnosis data show that the remote intelligent medical system designed in this paper has low misdiagnosis rate and missed diagnosis rate for many kinds of common diseases， and has good robustness.

Key words：internet of things;telemedicine system;bluetooth wireless transmission;information collection

0 引言

隨著人們對(duì)于醫(yī)療水平要求的不斷提高，傳統(tǒng)醫(yī)療系統(tǒng)的弊端越來(lái)越明顯。工作效率低、成本高昂，不能對(duì)病人進(jìn)行實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)等問(wèn)題已成為了醫(yī)療系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸[1-3]。

物聯(lián)網(wǎng)是指所有能被獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象進(jìn)行互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。近年來(lái)，基于高速通訊技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展[4-6]。物聯(lián)網(wǎng)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)有了較大的進(jìn)展[7-8]。通?；颊甙l(fā)病具有突發(fā)性，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控病人的身體狀態(tài)，因此基于物聯(lián)網(wǎng)的智能醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的研究意義[9-11]。

部分學(xué)者在探索醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的方向上做出了努力。荀錦錦等對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究，通過(guò)監(jiān)測(cè)體溫與脈搏，將其信息發(fā)送給主機(jī)，由主機(jī)進(jìn)行智能判決是否報(bào)警，從而提高工作效率[12-13]。呂峰等對(duì)移動(dòng)醫(yī)療動(dòng)態(tài)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)采集病人生理信息并發(fā)送至醫(yī)院。在醫(yī)院健康監(jiān)控中心的輔助下，實(shí)現(xiàn)對(duì)病人的實(shí)時(shí)監(jiān)控[14-15]，且系統(tǒng)成本較低。

本文設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程智能醫(yī)療系統(tǒng)，利用生理傳感器采集人體生理數(shù)據(jù)，并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳回后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析。為了準(zhǔn)確診斷疾病，系統(tǒng)利用人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法對(duì)人體多項(xiàng)生理指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練、匹配。通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于多類(lèi)疾病均有較高的診斷識(shí)別概率。

1 設(shè)計(jì)原則

遠(yuǎn)程智能醫(yī)療系統(tǒng)主要面向突發(fā)性疾病預(yù)處理與常規(guī)性疾病遠(yuǎn)程指導(dǎo)，考慮到遠(yuǎn)程醫(yī)療的特殊性及實(shí)際需求，遠(yuǎn)程智能醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要遵循安全性、穩(wěn)定性、智能化及實(shí)時(shí)性的設(shè)計(jì)原則[16]。

（1） 安全性

遠(yuǎn)程智能醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一原則為安全性，考慮到系統(tǒng)是對(duì)人體生理特征進(jìn)行的檢測(cè)。因此需要滿(mǎn)足無(wú)創(chuàng)傷檢測(cè)的要求，保證接觸式或非接觸式檢測(cè)均具有安全性。并對(duì)人體無(wú)傷害，滿(mǎn)足《醫(yī)用電氣設(shè)備安全通用要求》的安全標(biāo)準(zhǔn)。

（2） 穩(wěn)定性

遠(yuǎn)程智能醫(yī)療系統(tǒng)通過(guò)采集人體生理指標(biāo)對(duì)人體健康進(jìn)行有效分析。從采集人體指標(biāo)到最后的數(shù)據(jù)分析，每一步都需要系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。人體指標(biāo)采集需要系統(tǒng)可以避免外界干擾，采集相對(duì)真實(shí)的人體數(shù)據(jù)。另外，在數(shù)據(jù)分析的過(guò)程中需要系統(tǒng)可以進(jìn)一步濾除掉干擾信息，保證系統(tǒng)分析結(jié)果的可靠性。

（3） 智能化

遠(yuǎn)程智能醫(yī)療系統(tǒng)要面向不同職業(yè)、年齡段的用戶(hù)，因此需要具有高度集成智能化與簡(jiǎn)易操作性的特點(diǎn)。智能化體現(xiàn)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方面，不需要采用介入式信息采集。另外，系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)應(yīng)遵循簡(jiǎn)潔易操作原則，且具有良好的交互性方便用戶(hù)使用。

（4） 實(shí)時(shí)性

遠(yuǎn)程智能醫(yī)療系統(tǒng)是面向用戶(hù)需求進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，因此更需要醫(yī)療實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。系統(tǒng)采集人體數(shù)據(jù)上傳到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)分析的結(jié)果反饋給用戶(hù)端界面。因此，需要數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳和數(shù)據(jù)分析及反饋等過(guò)程均具有低時(shí)延的特性。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)要綜合考慮人體生理特征數(shù)據(jù)信息的采集、傳輸、存儲(chǔ)及分析等過(guò)程。因此，系統(tǒng)必須包含人體生理特征信息采集模塊、信息回傳網(wǎng)絡(luò)通信模塊、通信終端存儲(chǔ)模塊及遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)分析模塊這4個(gè)核心部分。此外，面向用戶(hù)需求，系統(tǒng)也要包含終端顯示模塊等交互性模塊?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程智能醫(yī)療系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1所示。

由圖1可以看出，遠(yuǎn)程智能醫(yī)療系統(tǒng)的4個(gè)核心模塊相互協(xié)作，構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的有機(jī)整體，系統(tǒng)工作流程在下文中介紹。

遠(yuǎn)程智能醫(yī)療系統(tǒng)的信息采集模塊是基于移動(dòng)終端的內(nèi)置生理傳感器，采用分布式結(jié)構(gòu)可以有效采集每個(gè)用戶(hù)的生理特征數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)回傳給通信終端存儲(chǔ)模塊進(jìn)行存儲(chǔ)。信息采集模塊可以同時(shí)采集人體的多種生理信息。

信息回傳網(wǎng)絡(luò)通信模塊包含：GPRS智能通信終端和GPRS網(wǎng)絡(luò)兩部分。其中，GPRS智能通信終端與信息采集模塊相同，均集成在遠(yuǎn)程智能醫(yī)療系統(tǒng)的移動(dòng)智能終端。其主要負(fù)責(zé)將信息采集模塊采集的人體生理信息數(shù)據(jù)，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)回傳至系統(tǒng)通信終端存儲(chǔ)模塊進(jìn)行存儲(chǔ)。

通信終端存儲(chǔ)模塊是集成于遠(yuǎn)程智能醫(yī)療系統(tǒng)的服務(wù)器后臺(tái)，后端集成的GPRS通信機(jī)接收GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娜梭w生理特性數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)信息傳輸至系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)。同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)分析模塊進(jìn)行交互，對(duì)人體生理特征數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)分析模塊是整個(gè)遠(yuǎn)程智能醫(yī)療系統(tǒng)的核心模塊。主要負(fù)責(zé)人體生理特征信息數(shù)據(jù)的分析，通過(guò)利用人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法對(duì)人體多項(xiàng)生理指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練和匹配。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人體疾病的診斷，并將診斷結(jié)果反饋給用戶(hù)。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)的遠(yuǎn)程智能醫(yī)療系統(tǒng)可以采用雙向交互的工作方式，既可以面向用戶(hù)進(jìn)行常規(guī)疾病自查，也能面向醫(yī)護(hù)工作者在線(xiàn)進(jìn)行醫(yī)療指導(dǎo)。另外，由于移動(dòng)智能終端內(nèi)置了GPRS通信終端，因此可以利用網(wǎng)絡(luò)獲取用戶(hù)所在的地理位置，為用戶(hù)的突發(fā)性疾病提供及時(shí)的治療。

2.2 系統(tǒng)物理架構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到智能移動(dòng)終端的兼容性及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本，本文基于Android平臺(tái)對(duì)遠(yuǎn)程智能醫(yī)療系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)需要具備信息采集、用戶(hù)定位、智能診斷等功能。因此系統(tǒng)必須內(nèi)置傳感器、兼容Google Map接口，具備短距離藍(lán)牙通信能力，在Android平臺(tái)可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析與反饋。系統(tǒng)物理架構(gòu)，如圖2所示。

如圖2所示，移動(dòng)終端的Android平臺(tái)可以同時(shí)兼容藍(lán)牙通信、Google Map服務(wù)，并內(nèi)置重力傳感器。移動(dòng)終端可以利用傳感器對(duì)用戶(hù)心電、血壓、脈搏和體溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出相應(yīng)的初步診斷結(jié)果與建議，情況嚴(yán)重時(shí)對(duì)用戶(hù)進(jìn)行報(bào)警。利用Google Map接口對(duì)用戶(hù)進(jìn)行定位，并與監(jiān)控中心進(jìn)行交互。

2.3 系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)遠(yuǎn)程智能醫(yī)療系統(tǒng)的實(shí)際需求，整個(gè)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)應(yīng)包含：藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)交互顯示、醫(yī)療中心數(shù)據(jù)交互和用戶(hù)位置定位這4個(gè)部分，功能架構(gòu)如圖3所示。

藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊具有接收數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和藍(lán)牙傳輸?shù)墓δ?。?shù)據(jù)交互顯示模塊可以支持人體生理特征數(shù)據(jù)的管理與查看。醫(yī)療中心數(shù)據(jù)交互模塊主要負(fù)責(zé)用戶(hù)與醫(yī)院系統(tǒng)的連接與斷開(kāi)，支持兩者之間的數(shù)據(jù)交互。用戶(hù)位置定

位模塊基本操作包括定位功能的開(kāi)關(guān)操作，以及實(shí)時(shí)定位監(jiān)控功能的開(kāi)關(guān)操作。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)工作流程

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)的遠(yuǎn)程智能醫(yī)療系統(tǒng)可以采用雙向交互的工作方式。整個(gè)系統(tǒng)可以化為分3個(gè)子系統(tǒng)，分別為：人體生理信息采集節(jié)點(diǎn)、智能移動(dòng)終端及后臺(tái)數(shù)據(jù)分析中心。整個(gè)遠(yuǎn)程智能醫(yī)療系統(tǒng)的工作流程，如圖4所示。

（1） 人體生理信息采集

人體生理信息采集節(jié)點(diǎn)利用傳感器采集人體生理信息數(shù)據(jù)，并將其傳輸給移動(dòng)智能終端。

（2） 人體生理信息回傳

人體生理信息采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)反饋給后端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊與數(shù)據(jù)分析模塊。

（3） 人體生理信息分析

遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)分析模塊對(duì)人體生理信息進(jìn)行分析，通過(guò)與訓(xùn)練集進(jìn)行匹配判決對(duì)人體疾病進(jìn)行診斷。

（4） 用戶(hù)地理信息定位

系統(tǒng)通過(guò)對(duì)移動(dòng)智能終端進(jìn)行定位從而確定用戶(hù)位置，并針對(duì)突發(fā)性疾病患者可以提供快速出診。

（5） 數(shù)據(jù)分析結(jié)果反饋

系統(tǒng)將遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)分析模塊分析的結(jié)果反饋給用戶(hù)，結(jié)果主要包含患病概率與種類(lèi)等信息。

此外，系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)與當(dāng)?shù)蒯t(yī)療中心的數(shù)據(jù)交互。在系統(tǒng)判斷用戶(hù)存在重點(diǎn)疾病的情況下，對(duì)用戶(hù)進(jìn)行報(bào)警。同時(shí)，還可以聯(lián)系當(dāng)?shù)蒯t(yī)療中心進(jìn)行復(fù)診。

3.2 信息采集模塊

信息采集模塊使用生理傳感器對(duì)人體生理特征信息進(jìn)行采集，主要使用心電、脈搏、血壓及體溫等傳感器，本文使用集成的醫(yī)療生理傳感器實(shí)現(xiàn)生理信息采集。信息采集模塊的原理，如圖5所示。

信息采集模塊使用便攜式移動(dòng)可充電電源對(duì)整個(gè)模塊進(jìn)行供電，保證智能醫(yī)療移動(dòng)終端可以在戶(hù)外使用。同時(shí)，信息采集模塊也支持家庭220 V電源用電。信息采集模塊由集成的醫(yī)療生理傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、處理器與藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)通信模塊組成。

集成生理傳感器負(fù)責(zé)采集人體生理健康指標(biāo)參數(shù)，集成的傳感器可以有效測(cè)量脈搏、血壓、血糖和心率等信息，并將采集到的信息經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。經(jīng)過(guò)采集模塊的處理器調(diào)度，信號(hào)通過(guò)無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙模塊傳輸至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

3.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程智能醫(yī)療系統(tǒng)，需要考慮用戶(hù)的實(shí)際需要，必須具備智能監(jiān)控、智能報(bào)警、人工復(fù)診、緊急定位等功能。

智能監(jiān)控主要是用戶(hù)可以利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使用藍(lán)牙、WIFI實(shí)時(shí)監(jiān)控自身或其他授權(quán)用戶(hù)的生理數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)可以監(jiān)控不同的儀器，形成物聯(lián)網(wǎng)感知層，用戶(hù)使用智能終端即可進(jìn)行監(jiān)控。

智能報(bào)警功能主要是針對(duì)智能監(jiān)控中的異常情況。當(dāng)用戶(hù)生理指標(biāo)存在較大疾病隱患時(shí)，系統(tǒng)會(huì)向用戶(hù)或其他監(jiān)控者進(jìn)行報(bào)警，提醒用戶(hù)及時(shí)關(guān)注身體健康，進(jìn)行進(jìn)一步檢查。

人工復(fù)診主要針對(duì)用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)診斷結(jié)果存在疑問(wèn)時(shí)，用戶(hù)可以選擇在線(xiàn)進(jìn)行預(yù)約。在線(xiàn)對(duì)醫(yī)生進(jìn)行咨詢(xún)，對(duì)可能存在的疾病做進(jìn)一步診斷。

緊急定位功能是針對(duì)存在突發(fā)疾病的情況下，用戶(hù)可以選擇在線(xiàn)報(bào)警，向當(dāng)?shù)蒯t(yī)院進(jìn)行求助。醫(yī)院根據(jù)用戶(hù)端提供的定位，對(duì)用戶(hù)進(jìn)行救助。

4 仿真驗(yàn)證與性能分析

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的有效性，對(duì)1 000名志愿者進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)統(tǒng)計(jì)遠(yuǎn)程智能醫(yī)療系統(tǒng)對(duì)高血糖、高血脂、高血壓等疾病的誤診率與漏診率，以驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)用性。

本文統(tǒng)計(jì)了遠(yuǎn)程智能醫(yī)療系統(tǒng)對(duì)高血糖、高血壓、高血脂、骨質(zhì)疏松、心律不齊及糖尿病等6種疾病的診斷識(shí)別誤差概率。6類(lèi)疾病的誤診率和漏診率均在7%以下，系統(tǒng)對(duì)于多種疾病的誤診率和漏診率基本相當(dāng)，說(shuō)明本系統(tǒng)對(duì)于不同疾病的診斷識(shí)別概率均較高，具有良好的適應(yīng)性。同時(shí)，除了骨質(zhì)疏松外，其他疾病總的識(shí)別誤差均在10%以?xún)?nèi)，說(shuō)明系統(tǒng)對(duì)于皮膚外表接觸式診斷方法識(shí)別概率更高。

如表1所示。

5 總結(jié)

基于遠(yuǎn)程醫(yī)療的發(fā)展前景及實(shí)際需求，本文研究并設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程智能醫(yī)療系統(tǒng)。文中基于安全性、穩(wěn)定性、智能化及實(shí)時(shí)性的設(shè)計(jì)原則，分別設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程智能醫(yī)療系統(tǒng)的總體架構(gòu)、物理架構(gòu)和功能架構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步設(shè)計(jì)了系統(tǒng)工作流程、基于物聯(lián)網(wǎng)的信息采集模塊及系統(tǒng)功能。通過(guò)對(duì)多組志愿者進(jìn)行測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)本文所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程智能醫(yī)療系統(tǒng)對(duì)于多類(lèi)疾病均有著良好的診斷識(shí)別概率。

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（收稿日期：2019.09.27）