基于物联网技术的电子病历系统研究进展

吕晓荣，王福胜

(哈尔滨工业大学 管理学院，黑龙江 哈尔滨150001)

0 引 言

日新月异的物联网技术及其相关传感技术，为健康信息采集、人员药品识别、精确定位奠定基础，使“无边界”感知医院和数字化智能医院成为可能［1］。医疗物联网的核心在于医疗移动化和无线化，将互联网平台下的传统电子病历系统移植到物联网平台上。建立基于射频识别(radio frequency identification，RFID)和传感器、运行在手持无线终端设备(如iPad 和PDA)的嵌入式电子病历系统是医疗物联网实现的关键。

电子病历(electronic medical record，EMR)在医疗物联网中的角色举足轻重。在物联网环境下，电子病历不同于传统医院信息系统下的电子病历，被称为“移动病历”，又叫做“RFID 医疗卡”［2］。主要包括患者基本信息和医疗信息(如糖尿病和高血压病史、药物过敏)的存储、挂号和就诊编号、医嘱存储(iPad 移动查房)、护理病历(PDA)、患者治疗用药记录及定位跟踪等。因此，移动电子病历系统是医疗物联网的基础。

医疗物联网是利用传感技术，将一枚大至手机小至指甲片大小的传感器贴到患者身上，传感器终端嵌入和装备到医疗检测设备中，医生通过手机和电脑连接到另一端后，结合医院电子病历系统，可随时随地实现对病人的检查和治疗。通过无线传感技术，即使相隔万里，医生也会对患者实时诊断。物联网技术的远程监护项目有婴儿监控［3］、术后病人恢复监控［4］、老人生命体征家庭监控［5］、移动健康监测系统［6］等。

1 国内外物联网技术在医疗系统的应用

1.1 各国医疗物联网技术的应用现状

美国军方研制了一种供野战使用的个人生理状态监护仪，这种卫星仪器由士兵佩戴，用于监护士兵的呼吸、体温等生理参数。美国马萨诸萨大学开发了一种3G 移动通信技术的远程监护系统［7］，患者端由 PC 机、生理参数监护仪、便携式超声仪和视频摄像头组成。患者信息经由CDMA 无线上网传送到医院，通过医院端软件的解压与回放，医护人员就可以观察到心电图等图像和视频。

希腊研制了一种安装于救护车中的心电监护系统［8］，通过传感器采集患者生理参数后，发送到患者的PC 或PDA 中，DAM 与 PC 之间使用 RS-232 串口进行通信，然后由PC 使用TCP/正协议通过Internet 将数据传送到服务器端，存储到电子病历系统，通过GSM 网络与医院监护中心建立联系，随时监测以争取抢救时间。该系统已在希腊、意大利等国家投入使用。

香港中文大学设计的电子织物“保健衫”是远程监护系统产品［9］，可以实现心电图波形浏览、心率计算、血压测量、患者记录和医生预约查房。通过传感器采集信息传递给EMR，将病人血压和胆固醇水平等数据与健康指标相比较，并提供预警。香港计划到2020 年全民拥有EMR，记录过去的注射、药物过敏、病理及数码X 光检验结果等［11］。

我国无锡物联网产业研究院成功研发了常规生理指标(如血糖、血压、脉搏等)的传感器节点设备［10］。生物传感器也应用在病理疾病的指标检测方面，为远程会诊、远程监护等提供技术。我国学者还提出了“无边界”感知医院模型［11］和数字化智能医院模型［12］，利用物联网和通信技术提供完整准确的电子病历数据，存储传输医疗影像记录等。

1.2 各国财政支持医疗物联网发展

欧美政府大力推广医疗物联网以提高医疗效率和质量。2010 年，美国总统奥巴马签署了医疗保障体系改革补充法案《预算协调法案》，标志着美国医改立法程序的最终完成［13］。政府投资500 亿美元发展电子医疗信息系统，其中，172 亿美元刺激医生和医院使用电子病历。2011 年，国防部用于改进医疗IT 技术的预算为309 亿美元，与退伍军人事务部和私营企业合作创建虚拟生命电子记录，改进退伍军人的看护状况［14］。美国卫生部2010 年度报告显示，全年医疗系统总开支为2.6 万亿美元，相当于平均每人8402 美元。同时，学术界参与的电子病历取得较大进步:波士顿研究通过Internet 传输急救病人的电子病历问题;印第安那大学开发的基于逻辑处理的健康评估(HELP)系统，利用EMR 预测早期癌症病人的死亡;匹兹堡大学用EMR 系统研究医嘱和处方的准确性［15］。另外，马里兰大学研制的电子病历记录系统(CPRS)、犹他州LDS 医院的HELP 系统、杜克大学的TMR 系统、在马萨诸塞州总医院的COSTAR 系统都被视为电子病历的模板和典范［16］。

英国全面引入物联网技术提高医院服务质量，政府拨款60 亿英镑建立全国统一的电子病历网络系统，实现了EMR 卡。目前，对心脏病患者的远程传送监测数据时间只需1～2 s，诊断处理只需5 min，社区门诊量减少40%，改变了病发后到医院的被动模式，开创在家预警和主动治疗的现代医学模式。同时，实现了利用传感器终端采集记录孕妇孕期信息和产程观察［17］。2011 年，加拿大财政预算明确提出数字经济战略，3 年内新增6 000 万加元支持与数字经济相关的重点学科招生人数［18］。投资8 亿美元利用RFID技术建立了全国性的标准药品系统，已为60%的加拿大人建立电子健康档案，包括影像系统和远程医疗系统，2020 年将覆盖到全国。

中国工信部发布《物联网“十二五”发展规划》，预计到2015 年物联网产业将实现5000 多亿元的规模，医疗是物联网重点支持的领域之一。2012 年，哈尔滨、杭州和厦门率先在社区医疗服务中心为居民建立健康档案，通过物联网技术将居民健康数据整合到市级医院电子病历系统中，可以实现医院与社区医疗服务中心的双向转诊。居民凭借二代身份证［19］，可以建立伴随终身的电子健康病历档案。未来通过“云计算”中心，各个医院的医生在患者允许下均能调阅电子病历档案。

2 电子病历系统面临的问题

2.1 电子病历系统的存储效率问题

各国在电子病历应用过程中，都面临着病历信息的存储效率问题。护士在手工记录呼吸、体温、心率和其他生理参数时工作量庞大，任务繁重，借助传感器自动采集信息来减轻工作负荷势在必行。但是，传感器采集的信息格式与传统信息格式又有较大差别，需要物联网的标识语言来记录和存储到电子病历系统中。同时，为了符合循证医学的需要，只有通过结构化的电子病历，才能将病史、查体、化验检查结果及治疗方法联系在一起，并分析出最科学的临床路径。但是，医生对病人的诊断意见、病程的记录等又是非结构化的，如何在电子病历系统中对其进行统一描述是十分困难的。各国医疗技术界都在寻求更好的处理工具，即如何满足灵活存储，又要提高输入效率［20］。

2.2 电子病历系统的“数据孤岛”问题

目前，各个医院电子病历系统的风格各异，无法实现相互操作和资源共享，从而形成一个个信息“孤岛”。医学分科非常细，不同病种的病情数据和病理知识都千差万别，需要电子病历系统覆盖几乎所有的数据类型，包括静态的文本、细胞和病理学影像、CT 及核磁，还包括超声、胃镜及腔镜等多维动态影像，还有心电、脑电等电生理图形。现实工作需要电子病历系统系统能够在物联网平台上灵活处理和传递医疗信息，与PACS/RIS，LIS，CIS 系统集成，实现同步传输与共享，而传统的关系型数据库数据结构僵化，根本无法满足灵活性要求。

3 基于物联网的电子病历系统技术进展

物联网技术在移动医疗领域的具体应用，更多的是采用感知层、网络传输层和应用层3 层通用架构。

3.1 感知层

感知层是利用传感器采集生理数据。生理数据采集子层所用到的设备有RFID 标签、读写器、各种传感器和摄像头等，目的是把网内的所有人员和物品改造成信息物理系统(CPS)节点，便于标识［21］。

1)传感器

人体的基本生理参数主要包括脉搏、心电、血压、呼吸、血氧饱和浓度和体温等，不同的生理信号采用不同的传感器和信号采集方式。利用各类传感器采集生理数据，大大提高了电子病历信息采集录入效率和质量。

例如:心电监护传感器，心电信号是人体的重要信号，是心脏电活动在体表的综合反映，对于老年人来说心电信号的检测非常重要。心电信号的形成原理简单来说，是人体心脏在机械收缩之前，首先产生电激动，产生生物电流，并经组织和体液传导至体表，然后在身体的不同部位产生不同的电位变化。人体心电信号的主要频率范围为0.05～100 Hz，幅度约为0～4 mV，信号十分微弱［22］。因此，常采用由前端导联传感器、信号滤波放大调理电路和A/D 采样电路组成心电信号采集模块。另外，呼吸传感器则是采用胸阻抗法原理测量呼吸波，观察到清晰稳定的呼吸阻抗曲线，把呼吸信号的测量误差控制在10%以内，就能够满足医院临床的监护需求。

2)RFID 技术

RFID 技术是一种通信技术，可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，与特定目标之间建立机械或光学接触。RFID 俗称电子标签，可对单个药品进行标志，在各个流通环节对药品进行定位和追踪［23］。护士可将药品的RFID 标签与患者的RFID 腕带信息进行比对，在线调出处方和药品图片核实，如有信息不匹配，则发出警告，有效避免临床上用药错误。

医生可通过患者手腕上的RFID，在与PC 连接的RFID读卡器上查询该患者的电子病历记录，如检查进度、病情变化及会诊治疗方案等。护士使用手持PDA 设备来读取患者的RFID 腕带信息，自动调出需要执行的医嘱信息、患者生命体征信息和治疗信息等，实现动态实时护理服务，优化临床护理流程。

3.2 网络传输层

传输层可以是短距离网络，如 Zig Bee，Wi－Fi，Bluetooth及超宽频技术传输等，也可以是远程网络GSM，GPRS 或3G。传输层负责与外部网络进行通信，并临时存储从感知层收集的数据，接收和分析这些感知数据，并执行规定的用户程序。

远程医疗监护的传输一般通过 Zig Bee 协议来实现［24］。Zig Bee 一词源自于蜂群使用的通信方式，蜜蜂通过跳Zigzag 形状的舞蹈将新发现的蜂蜜源方向和距离信息传递给同伴。Zig Bee 技术是一种短距离、低速率、功能强大的无线网络通信技术。Zig Bee 协议栈主要由物理层PHY、媒体接入层MAC、网络层以及应用框架层组成。网络层主要用于无线个人区域网的组网连接，数据管理以及网络安全等，应用层主要是提供应用框架模型。栈是基于OSI 标准的，其底层技术基于 IEEE 802.15.4，物理层和MAC 层直接引用了IEEE 802.15.4 协议。Zig Bee 协议栈的微处理器需要采用高性能单片机，自带一定容量的可编程Flash 存储器。无线通信模块的硬件系统还包括电源模块、无线收发模块、接口电路及串口模块等［25］。

3.3 应用层

应用层包括以电子病历为核心的医院信息系统应用和医疗管理决策应用。前者包括门诊、住院、医技检验检查及药品管理等方面的信息化;后者主要是专家对病情的分析与预测，科室诊费收入绩效分析等。应用服务硬件包括医疗数据库服务器、医疗事务管理服务器以及各种移动通信终端。

1)基于物联网平台的嵌入式电子病历系统

医疗物联网的关键技术是如何将传感器和RFID 采集的信息运行在手持iPad 和PDA 终端上，形成嵌入式电子病历系统系统。以电子病历模块为核心，详细记录病历信息档案，公共模块和医疗费用以备自查。医生使用iPad 查房和下医嘱，护士通过PDA 终端获取医嘱、用药等信息，实现无线化和无纸化医护行为。医院主系统下设置医生工作站和护士工作站，医护人员可以利用终端从工作站的电子病历系统中读取并更新上传数据。

2)基于PML 格式的电子病历信息存储与检索

物联网的标识语言是物理标识语言(physical markup language，PML)格式，是对过去电子病历信息XML 存储格式的扩展。在物联网平台上，PML 可以提供更准确的搜索。基于PDA 和RFID 诊疗卡的标签内容丰富，定义明确，标签和内容之间的依存关系准确，容易找到搜索目标。由于PML 能够很好地表现许多复杂的数据关系，使应用程序可在文件中准确高效地搜索，并能忽略其他不相关信息［26］。整个数据操作都是在客户端完成，大大减轻了服务器负担。因此，PML 即可以满足灵活存储，又能提高输入效率。

3)基于SOAP 协议的电子病历信息传输与共享

为了实现医学图像和动态信息的传输，美国、欧盟政府规定全部医疗信息系统必须强制执行HL7 (health level seven)标准，包括临床、检验、转诊及保险等［27］。通信协议采用简单对象访问协议(simple object access protocol，SOAP)，被设计在Web 上用于交换结构化信息，具有很好的兼容性，汇集不同厂商应用软件的标准接口。病历信息以CDA 文档为载体，封装在HL7 消息中进行传输，可以实现信息在Web 服务平台上的自由交换［28］。以远程调用方式取代消息方式进行通信，能降低网络频宽的使用率而节约资源。由于传递时不需要转换和确认，从而实现大量异构医院信息系统之间的互操作性，共享电子病历信息资源，有效解决系统的“数据孤岛”问题［29］。

4 结束语

随着物联网技术在移动医疗及远程监护领域的广泛应用，与物联网深度融合的移动电子病历系统成为发展趋势。目前，我国GDP 中的医疗比重较低，医疗系统因没有跟上科技创新的步伐而深陷效率低下的泥潭。“十二五”医疗改革方案，明确了三级卫生信息平台、基础数据库和专用网络的建设目标。无线传感器，RFID，Zig Bee 协议等为医疗物联网的发展提供了技术支撑。因此，基于物联网技术的电子病历系统建设，将开启医疗物联网的黄金时代，对我国卫生信息化的发展具有重要而深远的意义。

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