史森中 張和華 周 超 黃 靖 向 華 段傲文
(中國(guó)人民解放軍陸軍特色醫(yī)學(xué)中心醫(yī)學(xué)工程科 重慶 400042)
人口老齡化是近年來(lái)社會(huì)持續(xù)關(guān)注的焦點(diǎn)。根據(jù)《2022年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》,截至2022年末,中國(guó)60歲以上的老年人口占比已達(dá)19.8%[1],并且呈逐年上升趨勢(shì),中國(guó)老齡化社會(huì)形勢(shì)嚴(yán)峻,老年慢性病管理、健康監(jiān)測(cè)逐步成為大多數(shù)家庭時(shí)間、經(jīng)濟(jì)成本的主要負(fù)擔(dān),同時(shí)給醫(yī)療行業(yè)帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[2]。依托信息技術(shù),實(shí)現(xiàn)老年人群居家健康管理監(jiān)測(cè),滿足智能高效的健康管理需求,將老年人群醫(yī)療活動(dòng)從醫(yī)院管理,逐步分流至居家健康管理,將傳統(tǒng)以醫(yī)療救治為主,逐步轉(zhuǎn)化為以預(yù)防為主,是廣大老年人群的切實(shí)需求,也需要研究人員的不斷探索與研究。隨著信息技術(shù)的不斷迭代,5G、人工智能(artificial intelligence,AI)、微型傳感器、智能手機(jī)等新技術(shù)、新裝備得到持續(xù)發(fā)展,為實(shí)現(xiàn)國(guó)民居家養(yǎng)老健康監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供技術(shù)基礎(chǔ)支持。
當(dāng)前市場(chǎng)上陸續(xù)出現(xiàn)針對(duì)老年人健康監(jiān)測(cè)的信息系統(tǒng)或智能可穿戴設(shè)備,但相關(guān)研究及其智能設(shè)備功能較單一,大部分局限于對(duì)生命體征數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測(cè)及統(tǒng)計(jì)[3],較少將這些數(shù)據(jù)結(jié)合老年人既往病史、歷史健康檔案等關(guān)鍵性診療依據(jù)做整體性深層次分析、生命體征數(shù)據(jù)規(guī)律性總結(jié)[4],更難以將這些有效數(shù)據(jù)進(jìn)行智能干預(yù),因此無(wú)法及時(shí)針對(duì)性地預(yù)測(cè)和發(fā)現(xiàn)用戶潛在的疾病情況。本研究針對(duì)居家老年人的整體健康管理需求,結(jié)合既往病史等客觀信息,將老年人易患慢性病的特性納入系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)范圍,設(shè)計(jì)易于居家老年人持續(xù)使用的健康監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)以簽約醫(yī)院為主體、社區(qū)為區(qū)域、家庭為基礎(chǔ)的居家老年人電子健康檔案管理、生命體征持續(xù)監(jiān)測(cè)、疾病AI智能預(yù)測(cè)、生命體征異常報(bào)警、健康咨詢、醫(yī)患交流等居家老年人健康信息化整體管理,在人口老齡化趨勢(shì)下具有重要應(yīng)用價(jià)值。
采用軟硬件相結(jié)合的方式,充分結(jié)合智能手機(jī)、智能手環(huán)等自帶微型傳感器的可穿戴設(shè)備,提取居家老年人的生命體征數(shù)據(jù),主要包括呼吸頻率、血氧飽和度、血壓、心率等多項(xiàng)人體重要生命體征數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)環(huán)境下,智能設(shè)備監(jiān)測(cè)生命體征數(shù)據(jù)后,通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)或家庭Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)上傳至生命體征監(jiān)測(cè)服務(wù)器(醫(yī)院本地化存儲(chǔ)確保數(shù)據(jù)安全)[5],該服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)的“大腦”,通過(guò)AI算法二次分析體征數(shù)據(jù)后[6],根據(jù)用戶(居家老年人、簽約醫(yī)師、老年人家屬)需求以及相應(yīng)指令,上行或下行反饋。軟件部分提供各類功能的智能手機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用軟件,便于實(shí)現(xiàn)居家老年人自我健康管理。
采用邏輯層次體系架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),各相關(guān)組件之間具有低耦合性,能夠避免某些功能模塊故障導(dǎo)致的系統(tǒng)整體失控,具備較高的可用性和穩(wěn)定性。整個(gè)層次體系架構(gòu)分為3層,見(jiàn)圖1。
圖1 系統(tǒng)平臺(tái)邏輯層次架構(gòu)
3.1.1 數(shù)據(jù)服務(wù)層 數(shù)據(jù)服務(wù)層作為整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ),位于邏輯層級(jí)的底層,為其他邏輯層提供主要數(shù)據(jù)來(lái)源,除了存儲(chǔ)檢測(cè)到的生命體征數(shù)據(jù)外,還提供數(shù)據(jù)在通信鏈路中穩(wěn)定轉(zhuǎn)發(fā)的功能,確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠在各邏輯層之間正常通信。更主要的是能夠提供AI數(shù)據(jù)分析處理能力,包括:系統(tǒng)日志解析、生命體征監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)處理、AI分析、健康預(yù)測(cè)等。其中,居家老年人的健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集硬件終端選擇市面上常見(jiàn)的智能可穿戴監(jiān)測(cè)設(shè)備。在硬件終端完成基礎(chǔ)生命體征采集,并通過(guò)內(nèi)部集成的5G模塊上傳至本系統(tǒng)自定義接口后[7],由該接口轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析處理服務(wù)器(數(shù)據(jù)服務(wù)器),通過(guò)服務(wù)器AI分析后再為各邏輯上層提供數(shù)據(jù)查詢及調(diào)用。
3.1.2 系統(tǒng)應(yīng)用層 系統(tǒng)應(yīng)用層位于數(shù)據(jù)服務(wù)層與操作界面層之間,為各功能模塊提供邏輯處理的能力,主要包括:健康監(jiān)測(cè)、緊急救援、醫(yī)患交流、健康咨詢等。還為各邏輯層提供調(diào)取和交換底層數(shù)據(jù)的通路,通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)層所涉及的相關(guān)數(shù)據(jù)正確封裝,確保數(shù)據(jù)服務(wù)層的各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)能被該層的各軟件功能模塊正確調(diào)用,實(shí)現(xiàn)不同層級(jí)之間業(yè)務(wù)交互、信息互通。
3.1.3 操作界面層 操作界面層主要為人機(jī)交互提供數(shù)據(jù)接口、軟件操作界面登錄、實(shí)際操作界面應(yīng)用等,包括將用戶具體的操作以業(yè)務(wù)請(qǐng)求調(diào)用函數(shù)的形式轉(zhuǎn)化,并將這些請(qǐng)求函數(shù)下發(fā)至系統(tǒng)應(yīng)用層,應(yīng)用層相應(yīng)功能模塊收到調(diào)用請(qǐng)求后,進(jìn)行處理并將結(jié)果返回至操作界面層,以可視化形式展示,便于用戶客觀掌握所需醫(yī)療數(shù)據(jù)、生命體征監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。
3.2.1 系統(tǒng)5G移動(dòng)終端開(kāi)發(fā)平臺(tái)選擇 居家養(yǎng)老健康監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)主要是為了給老年人提供24小時(shí)隨身監(jiān)測(cè)以及疾病預(yù)測(cè),操作終端需要一款移動(dòng)系統(tǒng)操作平臺(tái),并在此基礎(chǔ)上二次開(kāi)發(fā)。當(dāng)前市面常見(jiàn)的移動(dòng)終端操作系統(tǒng)平臺(tái)主要有IOS和Android兩類。最近一項(xiàng)關(guān)于中國(guó)智能終端操作平臺(tái)的調(diào)查顯示,Android平臺(tái)已經(jīng)占據(jù)90.1%的市場(chǎng)份額[8],具有壓倒性優(yōu)勢(shì);在平臺(tái)應(yīng)用軟件二次開(kāi)發(fā)的開(kāi)放性方面,Android平臺(tái)開(kāi)放性、親和性更好,因此本系統(tǒng)軟件選擇在Android平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)。
3.2.2 系統(tǒng)疾病預(yù)測(cè)模型選擇 居家養(yǎng)老健康監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)不僅對(duì)居家老年人生命體征進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),更要為其提供健康預(yù)測(cè)、疾病預(yù)測(cè),以提升居家老年人自我健康管理質(zhì)量及生活品質(zhì)。分析當(dāng)前可用于疾病預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)模型,主要包括基于時(shí)間順序的預(yù)測(cè)模型、馬爾可夫多態(tài)模型、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)模型等。以心血管疾病預(yù)測(cè)為例,研究[9]發(fā)現(xiàn)運(yùn)用基于時(shí)間順序的預(yù)測(cè)模型和馬爾可夫多態(tài)模型預(yù)測(cè)心血管疾病的結(jié)果與實(shí)際疾病情況之間存在較大偏差,且預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的類型較單一,預(yù)測(cè)結(jié)果存在一定局限性。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型充分考慮到生命體征數(shù)據(jù)之間的隱含關(guān)系,能夠處理不確定問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)算法的深度學(xué)習(xí)[10],預(yù)測(cè)精確性也更好。因此本系統(tǒng)以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)居家老年人健康監(jiān)測(cè)與疾病的提前AI預(yù)測(cè)。
3.2.3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)技術(shù) 軟件架構(gòu)在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中至關(guān)重要,能夠直接影響系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定性和可用性等方面。目前客戶端/服務(wù)器(client/server,C/S)與瀏覽器/服務(wù)器(browser/server,B/S)是兩種常見(jiàn)的軟件系統(tǒng)架構(gòu)。其中C/S系統(tǒng)架構(gòu)具有高可靠性和安全性,并具備快速響應(yīng)和穩(wěn)定的交互能力等。特別適用于需要大量處理數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的軟件系統(tǒng)。B/S 架構(gòu)則依托于Web瀏覽器,因此更便于實(shí)時(shí)查詢及瀏覽等。系統(tǒng)涉及實(shí)時(shí)的生命體征數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)通信、事務(wù)處理等,因此在智能手機(jī)終端采用C/S架構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
本系統(tǒng)的主要目的是為老年人提供居家養(yǎng)老健康監(jiān)測(cè)管理和疾病預(yù)測(cè)。在居家養(yǎng)老健康監(jiān)測(cè)管理方面,當(dāng)智能可穿戴設(shè)備監(jiān)測(cè)到的老年人生命體征參數(shù)發(fā)生嚴(yán)重偏離時(shí),簽約醫(yī)療中心以電話反饋核實(shí),并根據(jù)實(shí)際情況由簽約醫(yī)療中心或家屬提供緊急救護(hù)。在疾病預(yù)測(cè)方面,系統(tǒng)能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)的生命體征參數(shù),智能預(yù)測(cè)可能存在的健康問(wèn)題或疾病類型,同時(shí)分別反饋并警示簽約醫(yī)療中心、老年人用戶及家屬,以便進(jìn)一步確診。系統(tǒng)平臺(tái)的主要功能模塊,見(jiàn)圖2。
圖2 系統(tǒng)平臺(tái)功能模塊
3.3.1 系統(tǒng)用戶管理模塊 隨著醫(yī)療數(shù)據(jù)的隱私安全保護(hù)日益受到重視,設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)登錄使用權(quán)限角色管理的安全策略,包括簽約醫(yī)師及居家老年人系統(tǒng)用戶管理、權(quán)限管理與審核、系統(tǒng)管理等方面。為確保系統(tǒng)安全以及用戶信息的真實(shí)性,采用身份證注冊(cè)模式,并需要系統(tǒng)管理員驗(yàn)證審核后才能獲取使用權(quán)限。
3.3.2 健康檔案管理模塊 主要實(shí)現(xiàn)對(duì)居家老年人疾病就診治療的既往史以及使用本系統(tǒng)后產(chǎn)生的實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理,以便更好地為老年人健康管理與監(jiān)測(cè)提供科學(xué)有效的佐證依據(jù)。
3.3.3 健康監(jiān)測(cè)模塊 是整個(gè)系統(tǒng)的核心,也是其他模塊實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)。分析老年人階段性的生命體征數(shù)據(jù),具有輔助診療作用。以智能可穿戴設(shè)備(智能手環(huán))作為生理數(shù)據(jù)采集端,確保在居家老年人睡眠以及戶外活動(dòng)期間,能夠24小時(shí)持續(xù)不間斷地提供生命體征數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集,隨后通過(guò)5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)或居家Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)服務(wù)器(簽約醫(yī)療中心服務(wù)器)之間通信、傳輸、存儲(chǔ)。日積月累的日常生命體征監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),將逐步形成量化且具有針對(duì)性的老年人健康狀態(tài)數(shù)據(jù)走勢(shì)圖,并以趨勢(shì)圖(曲線圖)的形式展示。簽約醫(yī)師、老年人及其家屬能夠通過(guò)安裝在智能手機(jī)端的本系統(tǒng)軟件 (智能手機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用軟件)實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的生命體征數(shù)據(jù)趨勢(shì)。該功能模塊中,要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)器中老年人健康生命體征監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的調(diào)用與查詢,需要通過(guò)預(yù)置的請(qǐng)求協(xié)議,見(jiàn)表1。
表1 調(diào)用查詢數(shù)據(jù)的部分請(qǐng)求協(xié)議
3.3.4 疾病AI預(yù)測(cè)模塊 疾病AI預(yù)測(cè)模塊是本系統(tǒng)的創(chuàng)新功能,根據(jù)老年人歷年就診記錄、既往病史、定期體檢結(jié)果掌握其身體基本健康狀態(tài)。結(jié)合本系統(tǒng)持續(xù)采集到的生命體征監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),一方面及時(shí)掌握居家老年人最新的身體健康狀態(tài),另一方面通過(guò)AI自學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)技術(shù),及時(shí)預(yù)測(cè)其身體健康發(fā)展方向,以及可能面臨的疾病問(wèn)題。登錄手機(jī)端的本系統(tǒng)應(yīng)用軟件,選擇相應(yīng)功能模塊選項(xiàng),可實(shí)時(shí)查看疾病預(yù)測(cè)結(jié)果,便于醫(yī)師及時(shí)提出健康管理策略或提供治療策略,達(dá)到預(yù)防疾病、控制病情惡化以及確保生命質(zhì)量的目的。
為了實(shí)現(xiàn)疾病AI預(yù)測(cè),需要對(duì)應(yīng)的疾病預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)照指標(biāo),以及根據(jù)預(yù)測(cè)模型結(jié)合相應(yīng)的預(yù)測(cè)算法。其中預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集基于人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫(kù)(UCI machine learning repository,UCI)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合該數(shù)據(jù)集的相關(guān)輸入屬性,將可穿戴設(shè)備的部分生命體征監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(包括呼吸頻率、血氧飽和度、心率、血壓等)通過(guò)5G或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議傳送到數(shù)據(jù)服務(wù)器[11],并在“t_olduser_health”日常健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表中存儲(chǔ)。以心臟病預(yù)測(cè)為例,數(shù)據(jù)指標(biāo)以及相應(yīng)的參數(shù)表達(dá)形式,見(jiàn)表2。
表2 疾病AI預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo)以及相應(yīng)的參數(shù)表達(dá)形式(以心臟病預(yù)測(cè)為例)
3.3.5 緊急救援模塊 結(jié)合生命體征異常報(bào)警功能,當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的生命體征數(shù)據(jù)異常時(shí),通知簽約醫(yī)師對(duì)居家老年人當(dāng)前狀態(tài)給予反饋確認(rèn)。根據(jù)嚴(yán)重程度進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估、自救指導(dǎo)、緊急救護(hù)等分級(jí)救護(hù)策略。同時(shí)提供一鍵撥號(hào)求救功能,多模態(tài)地確保居家老年人健康管理階段的緊急求救。
3.3.6 健康資訊與醫(yī)患交流 居家老年人往往存在與社會(huì)脫節(jié)、健康知識(shí)獲取渠道匱乏的問(wèn)題。在健康資訊模塊,定期推送與居家老年人健康管理密切相關(guān)的醫(yī)學(xué)知識(shí)、保健知識(shí)、養(yǎng)生經(jīng)驗(yàn)等,能夠提升其自我健康管理的意識(shí)和能力。醫(yī)患交流也為居家老年人提供了更多的溝通渠道,避免長(zhǎng)時(shí)間的居家過(guò)程導(dǎo)致心理障礙。
主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全和數(shù)據(jù)通信安全。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面,在研發(fā)前期充分考慮安全因素,將數(shù)據(jù)服務(wù)器設(shè)計(jì)為本地化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器,并直接部署到系統(tǒng)簽約醫(yī)療中心,降低三方存儲(chǔ)可能存在的數(shù)據(jù)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。因此,本系統(tǒng)面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自5G網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程中所存在的數(shù)據(jù)竊取、截取風(fēng)險(xiǎn)。5G網(wǎng)絡(luò)在4G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上,理論通信速率下載峰值由100Mbps提升至1Gbps,理論速率約提升6倍[12]。在完全滿足本系統(tǒng)通信需求的前提下,確保通信安全。因此在5G網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議中采用流量處理安全策略。將醫(yī)療業(yè)務(wù)的訪問(wèn)流量分流后接入專用的邊緣網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn),本地獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息以及簽約醫(yī)療中心和老年人基本信息,均以專用5G通信鏈路以及相應(yīng)的IP傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信。各通信鏈路相互獨(dú)立,邏輯上實(shí)現(xiàn)醫(yī)療數(shù)據(jù)通信隔離,以數(shù)據(jù)加密策略確保醫(yī)療業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在專用5G通信網(wǎng)絡(luò)安全傳輸[13],防止醫(yī)療數(shù)據(jù)泄露。
通過(guò)功能測(cè)試和非功能測(cè)試,本系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)居家環(huán)境下對(duì)老年人實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)、生命體征數(shù)據(jù)采集,以及AI疾病預(yù)測(cè)等功能需求,使居家老年人能夠獲得疾病“早發(fā)現(xiàn)、早治療”的健康管理渠道。通過(guò)緊急救援、健康資訊等功能模塊,使老年人居家期間能夠更加安全、有品質(zhì)地獲得健康醫(yī)療管理以及居家養(yǎng)老,達(dá)到預(yù)期的研究目標(biāo)。
目前中國(guó)人口老齡化持續(xù)加劇,國(guó)家不斷出臺(tái)相應(yīng)政策以保證老年人群的生活權(quán)益[14],配套的產(chǎn)品和服務(wù)不斷推行完善。本研究設(shè)計(jì)基于5G智能終端的居家養(yǎng)老健康監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng),該系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了老年人居家生活中動(dòng)態(tài)健康生命體征數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的連續(xù)性和可用性;改善了醫(yī)療資源與居家健康管理需求的協(xié)調(diào)與平衡;將居家老年人健康管理由被動(dòng)式管理逐步轉(zhuǎn)化為主動(dòng)式參與管理;逐步消除了與醫(yī)師交流咨詢中存在的時(shí)間與空間障礙。但當(dāng)前階段,本系統(tǒng)仍存在不盡完善的方面。一是AI技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域存在法律層面空白[15],因此,目前包括本系統(tǒng)在內(nèi)的AI醫(yī)療信息系統(tǒng),僅停留在輔助診療層面,尚不能直接進(jìn)行醫(yī)療診斷,還須結(jié)合臨床醫(yī)師經(jīng)驗(yàn)最終判斷。二是系統(tǒng)還面臨數(shù)據(jù)精確性標(biāo)準(zhǔn)衡量問(wèn)題,目前行業(yè)也缺乏標(biāo)尺和依據(jù)。隨著國(guó)家法律、政策、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步落地,以及相關(guān)監(jiān)管制度和醫(yī)療服務(wù)系統(tǒng)的不斷完善,這些問(wèn)題將得到優(yōu)化和解決。當(dāng)前應(yīng)抓住國(guó)家大力支持信息化醫(yī)療健康養(yǎng)老的契機(jī),鼓勵(lì)更多優(yōu)質(zhì)醫(yī)療機(jī)構(gòu)、優(yōu)秀醫(yī)師參與線上診療活動(dòng),打造更加完善的居家管理健康平臺(tái),在緩解老年人健康管理難題的同時(shí),促進(jìn)國(guó)家衛(wèi)生醫(yī)療事業(yè)發(fā)展。