醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)文獻綜述

0 引 言

隨著經(jīng)濟與科技的發(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。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，綜合運用光學技術(shù)、壓敏技術(shù)和RFID 技術(shù)等先進技術(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。研究具有強穩(wěn)定性和高精度的傳感器是當前最主要的問題。

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)選取當前主流的、已被大量應(yīng)用的技術(shù)進行闡述。

1.1.1 光學技術(shù)的發(fā)展

光學技術(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技術(shù)均無干擾 [1]。當前，光學檢測主要應(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行高精度檢測，精度高達 4.8 μW/ppt[2]。Kim 等制作了一種適合生物醫(yī)學應(yīng)用光學纖維橫向耦合的力傳感器 [3]。Chen 等使用光纖核心 微探針對一小簇細胞的 pH 值進行實時監(jiān)控 [4]。Kim 等研發(fā)的基于心臟消融導管的光作用力學傳感器，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傳感器，可對心臟消融 病癥起到預防作用 [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。

圖1 電容對人體手腕上傳感器的施加力

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)器負責接收、處理、存儲這些醫(yī)療數(shù)據(jù)。醫(yī)護人員在對病人做醫(yī)護處理前，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)前準備。通過該系統(tǒng)的 運用，救護車運送病人與醫(yī)院術(shù)前準備過程可同步進行，縮短 了急救時間，提高了醫(yī)院急救效率，尤其對嚴重昏迷患者而言， 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（11010）Ω/℃，誤差為（0.40.1）℃ ；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， 達到了令人滿意的效果，其參數(shù)如圖 2 所示[10]。

圖 2 紙張傳感器和微型加熱器的圖像及參數(shù)

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)呼吸的標準化電阻（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)護定位系統(tǒng)中，WiFi 模 塊從單片機中接收到的心電數(shù)據(jù)經(jīng) WiFi 傳輸?shù)?PC 端的心電 監(jiān)護中心，可以實現(xiàn)對病患位置實時跟蹤定位的功能，以便醫(yī) 護人員及時對病發(fā)患者進行有效救治 [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)計進行了詳細闡述 [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 的遠程心電監(jiān)控系統(tǒng) [15]。

2.1.3 藍牙通信技術(shù)

藍牙通信技術(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 基于藍牙 4.0 的遠程監(jiān)護醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用藍牙 EDR 芯片，傳輸速率可達 2 Mb/s，解決了像 12 導心電儀等對 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)護系統(tǒng)，以 MSP430 系列單片機作為 微控制器，利用藍牙技術(shù)實現(xiàn)遠程無線控制，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，可以遠程對患者進行病情監(jiān)控及疾病 預診斷，也可對醫(yī)學生進行教育。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和雙向認證協(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) 療教育輕學習平臺 [20]。

3.2 應(yīng)用層的協(xié)議 / 算法進展 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)議進行了分析 [21]。Jiang 等開發(fā)了用于醫(yī)療應(yīng)用的認知無 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 可確保患者和主治醫(yī)生知曉情況的安全性，還支持復雜、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)進行了詳細探討，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)標準體系和技術(shù)規(guī)范 還處于逐步完善的過程中，需要更多的人去探索，并進行相關(guān) 基礎(chǔ)性的研究工作。