【作 者】 任斌，蔣昆，婁苗苗，蘇玉成，楊喆，馮娟

空軍軍醫(yī)大學第一附屬醫(yī)院，西安市，710032

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)被正式列為國家新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)后受到了前所未有的關注，將物聯(lián)網(wǎng)技術應用到醫(yī)院的建設中，可以極大地促進現(xiàn)代醫(yī)院的信息化建設[1]。物聯(lián)網(wǎng)最初的概念是基于射頻識別（radio frequency identification,RFID）、傳感器、小型化等技術將所有物體從感官和智能相連接[2]。物聯(lián)網(wǎng)小型智能化的優(yōu)勢更適合提升醫(yī)療質量和醫(yī)療安全。

1 一體化醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)概述

深入分析醫(yī)院信息發(fā)展現(xiàn)狀，探索運用物聯(lián)網(wǎng)技術、云計算技術和大數(shù)據(jù)技術，進一步將醫(yī)療管理和質量監(jiān)控由“人盯人”向“計算機盯人”轉變，實時監(jiān)控和規(guī)范醫(yī)療服務行為，提高醫(yī)療質量，降低醫(yī)務人員工作強度[3]。依據(jù)上述思路，提出一體化醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)建設目標：從醫(yī)療管理出發(fā)，基于醫(yī)院現(xiàn)有信息化建設基礎，運用物聯(lián)網(wǎng)相關技術，探索在醫(yī)療行業(yè)的應用場景和方法，構建面向醫(yī)療質量和安全的物聯(lián)網(wǎng)一體化服務平臺。通過構建基于“一體化”的物聯(lián)網(wǎng)架構，實現(xiàn)對醫(yī)療安全和質量管理的顛覆性創(chuàng)新。一體化醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)技術架構，如圖1所示。

圖1 一體化醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)技術架構Fig.1 Integrated medical IoT technology architecture

2 一體化醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)建設內(nèi)容

2.1 一體化物聯(lián)網(wǎng)基礎建設

基于“云管端”的設計思路，醫(yī)院的相關物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的搭建，實現(xiàn)一套網(wǎng)絡、一套供電和一套管理。一套網(wǎng)絡實現(xiàn)對3類業(yè)務的承載：以移動醫(yī)護為核心的業(yè)務內(nèi)網(wǎng)、以RFID/藍牙/Lora/125K等射頻技術為核心的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)、以患者服務應用為核心的互聯(lián)網(wǎng)，真正實現(xiàn)一張全業(yè)務的無線網(wǎng)絡。以這個思路為基礎進行物聯(lián)網(wǎng)基礎設施建設，具體包括了感知層硬件環(huán)境和網(wǎng)絡傳輸層硬件環(huán)境。醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)基礎設施架構，如圖2所示。

圖2 醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)基礎設施架構Fig.2 Healthcare IoT infrastructure architecture

感知層主要通過多種類型的醫(yī)療感知設備和信息采集設備來完成對對象的數(shù)據(jù)采集，利用各類多種生理信號采集傳感器和信號采集方式協(xié)同完成對醫(yī)療信息的采集[4]。感知層包括二維碼標簽和識讀器、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS、傳感器、終端、傳感器網(wǎng)絡等[5]。

RFID是一種高級的自動識別技術，通過無線射頻方式進行非接觸式的全雙工數(shù)據(jù)通信，以對實物目標加以識別[6]。微機電系統(tǒng)（microelectro mechanical systems,MEMS）是指微型化的器件或器件的組合，把電子功能與機械的、光學的或其他的功能相結合的綜合集成系統(tǒng)，采用微型結構，使之在極小的空間內(nèi)達到智能化的功效[7]。網(wǎng)絡傳輸層就是將感知層采集到的相關數(shù)據(jù)上傳到信息系統(tǒng)中進行保管。

2.1.1 醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)硬件基礎設施建設

傳感網(wǎng)絡主要分為感知層硬件環(huán)境建設和網(wǎng)絡傳輸層硬件環(huán)境，感知層硬件環(huán)境建設即在各幢大樓、病區(qū)、藥房、人、物等任何需要被監(jiān)管的區(qū)域及個體部署RFID、射頻卡、攝像頭等傳感設備，同時包括體征監(jiān)測設備（如可移動心電監(jiān)測儀等）；網(wǎng)絡傳輸層硬件環(huán)境包括AP、網(wǎng)關等，組建全院級的物聯(lián)網(wǎng)傳感網(wǎng)絡，實現(xiàn)對RFID、藍牙、紅外線、WiFi、ZigBee的全方面接入，以達到數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)哪康摹?/p>

2.1.2 IT基礎設施云計算環(huán)境建設

IT基礎設施云計算環(huán)境建設主要包括基礎設施即服務（infrastructure as a service,IaaS）環(huán)境和平臺即服務（platform as a service,PaaS）環(huán)境，IaaS環(huán)境主要實現(xiàn)服務器虛擬化環(huán)境、網(wǎng)絡虛擬化環(huán)境和存儲虛擬化環(huán)境；服務器虛擬化環(huán)境以1 000臺物理服務器邏輯成10 000個虛擬機，作為云計算的主要基礎環(huán)境，以此為基礎構建計算資源池，主要解決彈性計算資源分配問題和分布式計算服務問題，分別解決的是IaaS層面和PaaS層面的問題[8]。

2.1.3 建設異構數(shù)據(jù)交換平臺

異構數(shù)據(jù)交換平臺所需開發(fā)的中間件主要涉及數(shù)據(jù)抽取、轉換和加載（extraction transformation loading,ETL）中間件和ESB中間件。醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)覆蓋了種類繁多的傳感器，由于底層硬件平臺、操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡協(xié)議不同，其編程語言、數(shù)據(jù)模型，以及對相同概念的不同理解和不同描述，從而導致了不同傳感器設備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的格式和語義不同。于是，在把這些傳感器的數(shù)據(jù)集成起來的時候，就必須要解決其數(shù)據(jù)異構性的問題。針對此問題，通過“醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)中間件”的概念來解決。醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)中間件示意，如圖3所示。

圖3 醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)中間件示意Fig.3 Schematic diagram of medical IoT middleware

采用ESB來實現(xiàn)醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)中間件，并借助消息中間件來進行數(shù)據(jù)傳遞。ESB的基本原理是：通過標準的整合技術，將SOA、Web Services和XML等技術融合到統(tǒng)一的分布式架構中，搭建易于部署、可管理的整合基礎設施。它既可集成新的應用服務，也可通過分解、包裝遺留系統(tǒng)，使其提供服務接口，從而集成已有的應用[9]。

2.1.4 基于臨床大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)

通過建立臨床大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫，借助大數(shù)據(jù)處理、自然語言分析、機器學習、知識圖譜等技術，對電子病歷、檢驗檢查、醫(yī)療影像、診斷數(shù)據(jù)、醫(yī)囑信息等進行有效的集成，形成以患者為中心的完整時間序列資源庫。并利用數(shù)據(jù)挖掘算法，將這些數(shù)據(jù)之間可能存在各種潛在的相關性，或者包含潛在的因果關系，有效地挖掘數(shù)據(jù)中蘊藏的知識，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的深度解析，最終通過數(shù)據(jù)可視化技術，為臨床醫(yī)生和醫(yī)療管理者提供決策支持。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)安全管理應用建設

醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)基礎應用體系主要分為面向行政安全和面向醫(yī)療安全的兩個子系列。行政安全方面包括患者和醫(yī)護人員物聯(lián)網(wǎng)身份識別和定位系統(tǒng)。醫(yī)療安全方面有多個應用，包括智慧病區(qū)應用、院內(nèi)感染監(jiān)控應用、人員安全應用、物聯(lián)網(wǎng)用藥安全應用和物資安全應用等院內(nèi)應用，具體應用如下。

2.2.1 面向患者和醫(yī)護人員的物聯(lián)網(wǎng)身份識別和定位系統(tǒng)

為了保障行政安全，實現(xiàn)與出入權限控制、呼叫系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、定位系統(tǒng)的全面聯(lián)動，以達到通信、緊急求助、視頻監(jiān)控和定位的目的，基于物聯(lián)網(wǎng)技術建立智能身份識別系統(tǒng)，可以提供給患者和醫(yī)務人員分別使用，利用植入在ID卡、腕帶中的存儲芯片記錄人員的基本信息[10]。

2.2.2 建設面向醫(yī)療安全的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)

智慧病區(qū)致力于病區(qū)統(tǒng)一化管理，為幫助醫(yī)務人員在工作復雜繁重的病區(qū)環(huán)境中實現(xiàn)對患者的智能統(tǒng)一化管理工作，建設面向醫(yī)療安全的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)，充分利用人工智能等先進技術解放醫(yī)護人員，提高工作效率，提供便捷化人性化服務，減少醫(yī)患矛盾，提升醫(yī)院整體形象[11]。

（1）床旁服務終端。

床旁服務終端通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡將各類醫(yī)療信息和資源以更簡單直觀的方式連通到床旁，在患者層面，集成了電子床頭卡、費用查詢、健康宣教、通知公告、消息提醒、生活娛樂、服務評價、呼叫及遠程探視等諸多功能，為患者及家屬呈現(xiàn)貼心便捷的服務窗口[12]；在醫(yī)護層面，集成了患者資料、醫(yī)囑及檢查檢驗信息、電子病歷等功能，醫(yī)護人員借助床旁終端，可以隨時查看患者的基本信息及各項指標數(shù)據(jù)，從而無需攜帶和翻閱大量的文檔資料和電子材料，為醫(yī)護人員提供便捷的工作站，為醫(yī)護人員和患者打造信息交互與溝通的橋梁[13]。

（2）院內(nèi)感染監(jiān)控應用系統(tǒng)。

通過建立院內(nèi)感染監(jiān)控管理系統(tǒng)，以“計算機盯人”的形式代替人工，全面解決感染控制的各個環(huán)節(jié)，加強監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，提供趨勢分析和判斷，院內(nèi)感染監(jiān)控管理系統(tǒng)具體包括手衛(wèi)生管理系統(tǒng)、消毒物品管理系統(tǒng)、手術室ICU感染風險監(jiān)控系統(tǒng)、醫(yī)療廢物管理系統(tǒng)等[14]。

（3）用藥安全應用系統(tǒng)。

為防止濫用藥物，保障患者身體安全，提高服務質量，開發(fā)特殊藥品跟蹤管理系統(tǒng)、藥品感知與識別系統(tǒng)、輸液管理系統(tǒng)，針對特殊藥品的全程跟蹤，合理使用進行有效管控，通過圖像識別或建立條形碼數(shù)據(jù)庫進行藥品識別，有效地幫助發(fā)藥人員正確發(fā)放藥品，減少差錯發(fā)生，提高服務滿意度和醫(yī)療質量，同時準確監(jiān)控輸液患者全過程及狀況、患者輸液異?；蚪Y束及時提醒、對病區(qū)輸液信息進行有效的統(tǒng)計和匯總。

（4）人員安全應用系統(tǒng)。

面向醫(yī)療質量與安全，以18項核心醫(yī)療制度為基礎，全院人員配發(fā)智能工卡，結合前期實施的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡，實現(xiàn)智能感應、緊急報警、人員定位、三級查房等管理功能，在監(jiān)控室大屏可實時顯示報警呼叫、行進軌跡等人員定位信息，當醫(yī)護人員遇到危險的時候，可以觸發(fā)智能工卡上的報警呼叫功能，安保人員將及時趕到現(xiàn)場進行救援。

（5）物品安全應用系統(tǒng)。

為了加強對高值耗材、移動資產(chǎn)的監(jiān)管，基于RFID和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡開發(fā)物品安全應用系統(tǒng)，通過對各個設備、高值耗材、移動資產(chǎn)、特殊藥品貼上標簽，進行實時定位和跟蹤，對物品領用等進行權限控制，確保設備使用安全，實現(xiàn)對資產(chǎn)的信息化管理。實現(xiàn)了高值耗材入庫、領用、出庫、使用的全程信息化，確保了耗材使用全程監(jiān)控，提高了管理效能和降低了工作難度，解決了護理人員每日手工紙質材料登記核對導致的易出錯、核對慢等問題[15]。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)應用建設

醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)應用體系以醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)為基礎，構建基于人工智能的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)應用。

2.3.1 基于海量影像檢索的輔助診斷系統(tǒng)

研發(fā)基于內(nèi)容的圖像檢索技術，運用隨機稀疏編碼技術提取影像之間的相似圖結構，并運用譜圖分解技術將數(shù)據(jù)投影到低維空間，最后在低維空間運用常規(guī)的歐氏距離度量方法計算影像間相似度并按照相似度的大小排序輸出檢索結果?；诤Ａ坑跋駲z索的輔助診斷系統(tǒng)，可以直觀、全面地展現(xiàn)同種病癥各個角度的影像特征，在醫(yī)學教學和科研領域將發(fā)揮極大的作用。

2.3.2 基于大規(guī)模機器學習的心臟病判別與早期預警系統(tǒng)

患者佩帶的便攜式心電監(jiān)護儀和血壓儀等設備，可以持續(xù)地收集心臟病患者的體征數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)蘊藏著心臟病患者的病情變化。例如：針對心肌梗死患者，發(fā)病時的心電圖和未發(fā)病時的心電圖在特征上明顯不同。該系統(tǒng)將在長期收集心臟病患者的心電數(shù)據(jù)和血壓等數(shù)據(jù)的基礎上，建立海量樣本庫，基于機器學習算法訓練得到判別模型和預警模型。

2.4 一體化管理平臺

一體化管理平臺為醫(yī)院物聯(lián)網(wǎng)終端設備及應用模塊提供基礎公共服務及相關數(shù)據(jù)信息展示：①管理者駕駛艙BI和消息推送中心；②系統(tǒng)安全應用，角色管理、用戶管理、系統(tǒng)資源配置、物聯(lián)網(wǎng)設備檢測與分析等；③終端設備準入、注銷、狀態(tài)查詢等。一體化管理平臺提供可視化圖形界面對設備、應用和平臺進行統(tǒng)一管理與配置，并對設備、應用實時監(jiān)控以了解醫(yī)院整個物聯(lián)網(wǎng)的運行情況。對異常報警信息，平臺通過院內(nèi)短消息平臺、郵件或短信等多種形式及時通知相關站點及人員。將各個物聯(lián)網(wǎng)應用軟件集中于平臺軟件，統(tǒng)一管理。

2.5 實施效果

實現(xiàn)了主要醫(yī)療區(qū)域的物聯(lián)網(wǎng)感知網(wǎng)絡全覆蓋，搭建超770臺物聯(lián)網(wǎng)AP、部署1 610臺RFID閱讀器、下發(fā)有源標簽5 300張、每月產(chǎn)生超過100 GB數(shù)據(jù)、總數(shù)據(jù)量4 200萬條、部署智能工卡等相關應用系統(tǒng)11套，為醫(yī)院質量安全、醫(yī)療績效考核和醫(yī)院流程再造提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 討論

雖然物聯(lián)網(wǎng)相關技術逐漸得到重視，但相關標準體系和技術規(guī)范還處于逐步完善中，特別是面向醫(yī)療健康領域的特殊應用需求，還需要更多的探索和有成功案例支持的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)相關標準及技術規(guī)范。以后一體化醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的建設發(fā)展應朝著統(tǒng)籌信息系統(tǒng)與醫(yī)療服務網(wǎng)絡、加強技術與標準的研發(fā)、降低醫(yī)療建設成本、提高患者隱私安全等方向完善。

4 結語

從醫(yī)療管理出發(fā)，基于醫(yī)院現(xiàn)有信息化建設基礎，運用物聯(lián)網(wǎng)相關技術，探索在醫(yī)療行業(yè)的應用場景和方法，構建面向醫(yī)療質量和安全的物聯(lián)網(wǎng)一體化服務示范平臺，在醫(yī)療質量與安全管理領域，將醫(yī)療服務和物聯(lián)網(wǎng)技術有效結合，系統(tǒng)化和一體化創(chuàng)新建設，并運用大數(shù)據(jù)技術對物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進行價值挖掘?；诮y(tǒng)一的業(yè)務標準、接入標準、數(shù)據(jù)標準、安全標準，為智慧醫(yī)院物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務提供數(shù)據(jù)業(yè)務支撐能力，對智慧醫(yī)院的長期發(fā)展構建自主可控的統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)平臺尤為重要。