信息物理融合系统及其在医疗中的应用

姬晓波，曾 凡，黄 昊

0 引言

随着嵌入式系统的日新月异，对物理世界实现高效的“感、执、传、控”成为其未来发展的必然要求，信息物理融合系统（cyber physical system，CPS）应运而生。与传统嵌入式系统不同，CPS重点研究物理环境与计算部件的有机融合，将现有的独立设备进行智能化连接，实现自适应的组网与交互，达到系统之间的相互感知、有效协同。

在CPS中，通过对物理环境和资源的动态感知、信息的实时可靠传输、数据的综合计算处理，利用反馈循环实现对物理过程的有效控制。CPS的产生与壮大是计算机科学技术不断渗入到自动控制、电力、医疗、建筑等领域的必然结果，是各领域自身发展、自动化程度提高的必然趋势。CPS的最终目标是实现信息世界和物理世界的完全融合，构建一个可控、可信、可扩展并且安全高效的CPS网络，并最终从根本上改变人类构建工程物理系统的方式[1]。目前，CPS已在移动医疗、远程健康监测、区域医疗、医疗设备自动控制网络等医疗信息化发展中得到良好的应用。

1 CPS的发展

自2005年提出至今[2]，CPS引起了国内外学者和研究机构的关注，所涉及的科学与技术问题非常广泛，包含了理论建模和计算抽象、物理接口和新型人机交互、环境感知、数据管理与挖掘、安全隐私等方面的内容，广泛应用于医疗器件和系统、交通控制、先进自动化系统、环境保护、航空设备、国防系统、制造系统等领域。近几年，美国国家科学基金委员会、军方等国家科研管理机构联合推出CPS研究计划，从基础理论、方法工具和应用平台等方面展开全面研究；欧盟的第七框架计划启动了智能嵌入式系统的先进研究和技术项目，计划在2008—2017年投入27亿欧元开展嵌入式计算与CPS相关技术的研发；日本、韩国也在开展类似的研究。在工业界，CPS已经在汽车电子、电网、医疗设备、智能建筑等领域初步取得应用成果[3-4]。

我国对推动CPS的技术研究和应用发展起到了积极作用。2010年1月，科技部和863计划相关机构在上海举办了“信息—物理融合系统发展战略论坛”，重点讨论国民经济领域的CPS应用系统示范及国家急需的CPS应用战略布局。2012年，“面向信息—物理融合的系统平台”主题项目被列入国家高技术研究发展计划之中，由清华大学、浙江大学、国防科学技术大学等单位联合承担；该项目针对CPS的可预测性和高可靠性等关键特征，以多种类、多层次、多尺度信息—物理融合为切入点，突破和掌握CPS建模、开发、运行等核心共性关键技术，研发相应的支撑工具与平台[5]。

2 CPS的体系结构及运行方式

2.1 CPS的体系结构

典型的CPS体系结构主要包括传感器、执行器、计算系统、控制系统、通信网络[6]，如图1所示。传感器主要用于感知物理世界中的物理信息，并通过模/数转换器将各种模拟的、连续的物理信息转化成能被计算机和网络所处理的数字的、离散的信息；执行器接收控制系统的执行信息，对物理对象的状态和行为进行调整，以适应物理世界的动态变化；计算系统完成CPS要求的计算任务，提供信息服务等各种服务；控制系统使用来自传感器网络的感知信息和计算系统提供的信息与服务，确定控制策略，以系统输出的形式反馈至执行器执行正确操作，实施对物理世界的协调控制。

图1 CPS体系结构示意图

从体系结构可以看出，CPS一是强调物理设备和信息系统的深度整合，二是对海量数据的处理不可避免，三是具有高度的复杂性，是一种多维度而非单维度的开放式系统，可支持建造国家级甚至全球级的大型或特大型联网物理设备系统，包括国家电网控制系统、国家海洋搜救系统、国家高速公路监控系统等。

2.2 CPS的运行方式

CPS运行方式的抽象结构如图2所示[7]。物理世界的实体通过感知环境对信息进行处理，将信息通过网络发送到信息世界；信息世界组件针对物理环境和用户需求的改变，自动调整内部关联与模型，将指令通过人机界面或执行器与驱动设备传送给物理世界各组件；物理实体间通过自主协调，接受指令执行系统要求的相应操作。

图2 信息世界与物理世界交互图

CPS的运行通常需要各种技术与设备的支撑，例如网络、实时操作系统以及中间件等软硬件平台。（1）网络：在CPS领域，网络作为通信的基本手段被广泛研究。除了无线传感器网络用于CPS的感知外，由于无线控制网络具有易调度、计算成本低等特性，在CPS领域广受关注[8]。（2）中间件：部件的异构性使得CPS在运行时变得极其复杂，中间件技术能够有效地隐藏底层的细节，实现异构系统无缝的链接。美国弗吉尼亚大学的科研人员开发了一个面向服务的中间件Physicalnet，支持基于捆绑式[9]的开发，该机制可以有效地集成多种异构设备，同时支持动态的成员更新与需求重构。（3）实时操作系统：CPS的运行牵涉时间攸关的计算任务、安全攸关的控制任务。时间攸关的任务需要在指定时间内完成，而控制任务对控制的质量要求非常高。如何在保证实时约束下实现控制性能最优，成为目前研究的热点[10]。

3 CPS在医疗系统中的应用及挑战

3.1 CPS在医疗系统中的应用

医疗CPS是以保障生命安全为重要前提的网络化、智能化的医疗设备系统，涵盖了计算机、临床医学、控制等多学科的知识和技术[11]。在传统的临床医学场景中，医务人员扮演着控制中心的角色，医疗设备则充当传感器和执行单元，如图3所示。CPS实现了各部件之间的网络化通信与协同操作，并加入了额外的决策与控制部件来辅助医务人员实施控制行为，是临床控制的一种全新设计理念。

图3 基于CPS技术的健康医疗关系图

安全性分析是医疗CPS的一个研究热点。宾夕法尼亚大学的Arney等人对闭环医学设备系统的安全性提出了一套新的验证方法[12]，通过将包含有患者信息的具体模型（例如可植入心脏的起搏器模型）进行仿真分析，并基于时间自动机的模型检验方法，来确保安全分析的高度可信。在工业界，人体传感器网络正成为CPS的一个热门方向。有多家公司正在进行人体传感器网络相关产品的开发，例如Human Recorder和LifeSync公司正在研发和销售无线心电图设备，FaceLake和NatureSpirit公司正在研发血氧计产品，Wellcore和Philips等公司正在研发能监测患者摔倒行为的系统。

Li等人研究了一个有关激光气管切开术中医疗设备即插即用（medicaldevice plug-and-play，MDP-nP）的医疗CPS案例[13]。在该场景中，患者被施行麻醉后不能自主呼吸，呼吸机在患者吸气时输送氧气，患者的血氧量、气管内的氧气及二氧化碳量分别由血氧计、二氧化碳计监控；同时，医生用激光刀切开患者的气管。MDPnP的关键任务是保证安全。当医生开启激光刀切割气管时，患者使用的呼吸机必须停机。否则，患者气管内充满的高浓度氧气将遇激光爆燃。激光刀连续使用（呼吸机连续停机）一段时间后，必须强制关闭，重启呼吸机，否则会造成患者窒息。这个典型的CPS场景既包含了离散事件（例如医生请求开启激光刀），又包含了连续行为（例如患者血氧量的变化）。为了保证安全，MDPnP要求呼吸机、激光刀、血氧计、二氧化碳计进行智能的互联互锁，所有的医疗设备都连接到一台中央总控计算机，MDPnP的智能互联互锁由中央总控计算机决策，如图4所示。

图4 激光气管切开术MDPnP场景图

CPS在个人医疗与救治系统中发挥着积极作用。Loseu等介绍了一种面向健康监测的CPS[14]，该CPS通过在患者身体上布置传感器网络来实现患者的健康监测，利用健康监测网络所收集的数据及历史数据对患者进行诊断。cyberphysicalspace是伊利诺伊大学计算机科研所研发的一项为独立生活的老年人辅助生活的应用系统，该系统由授权管理器AMY和称为“管家”的家用计算机及一系列辅助设备组成[15]。AMY通过“管家”管理周围的无线设备，实现对人体各项生理参数和生活环境的实时精准监测与记录，同时作为网关向附近的监测中心传送相关数据信息，便于医务人员及早发现并预防潜在病因、对症下药，保证医治效果，提高老年人的健康水平。

此外，CPS在区域医疗建设中发挥着积极作用。上海“区域医疗信息整合平台的研究与应用”项目通过数据整合和交换平台、应用支撑平台及信息资源目录服务平台的研发，实现了区域健康档案应用共享、诊疗信息应用共享、社区综合健康卫生服务等多个子系统，并通过3TNet网络实现区域内16家医疗机构、42个卫生服务站互联，实现了医疗机构之间的信息共享[16]。医疗人员能够查询患者在任意服务点的医疗记录，为患者提供及时有效的治疗和保健方案。该项目是智能医疗领域的有益尝试，为我国医疗协同系统的研发和实现提供了借鉴。

3.2 CPS在医疗系统应用中面临的挑战

健康医疗是性命攸关的领域，医疗CPS必须采取有效手段来论证系统的可靠性。当前医疗系统的开发通常将验证工作放在设计的末期进行，容易导致设计变更过晚、代价巨大。如何设计一套有效的方法来验证CPS各设计阶段的正确性与可靠性，是目前研究人员面临的一个挑战。另外，医疗CPS要求医疗设备之间能协同执行临床任务，这对各部件通信接口提出了极高的技术要求。同时，由于人体结构十分复杂、生理参数实时变化，如何保证零延迟、零误差的信息交换，依然面临着不小的困难。

网络化使医疗设备有了更丰富的功能，但由此也产生了一些潜在问题，其中，安全和隐私问题最为突出。由于物理部件处于一个开放的环境，信息能够隐藏的程度有限，容易造成潜在的信息—物理攻击。不法分子入侵医疗CPS后，可改变设备原先的程序与设定，极有可能对患者的人身安全造成威胁。同时，医疗CPS中数据收集和管理的问题也十分突出，未经授权的访问或篡改信息的行为都可能造成患者隐私的泄露，由此产生歧视以及心理伤害等一系列社会问题。

4 结语

由于自身的复杂性，数据准确实时的收集、安全可靠的管理等在CPS医疗应用中还存在一些尚待解决的问题。随着CPS研究的不断深化及应用的扩展，在可预见的未来，CPS技术与产品将被更加广泛地应用于医疗信息化领域。在提高效率、降低成本的同时，更会提升医生的诊疗水平及患者就诊的便捷性与满意度，助力医院品质与安全的持续改进。

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