医疗物联网应用综述

张宇锋 张更路

摘 要：物联网是无线通信与传感技术的综合应用，通过医疗物联网，可以实现大规模全时或实时设备状态和生命体征监测。中国医疗物联网的兴起已逾9年，但对其很少有系统性的研究。文章总结归纳了国内关于医疗物联网的研究文献，阐述了医疗物联网的概念与兴起过程、组成医疗物联网的技术体系、医疗物联网应用的模式与具有代表性的研究等三方面内容。

关键词：物联网;医疗;应用;可穿戴设备

中图分类号：TP39;R-05;TN929.5文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）01-00-04

0 引 言

物联网（Internet of Things）的概念在2005年《ITU互联网报告2005：物联网》中正式提出，此后，美国、中国、日本等将发展物联网列为国家发展战略规划的重要内容。物联网最初的概念是基于射频识别（RFID）、传感器、小型化等技术将所有物体从感官和智能相连接。在国外，通常用具体的技术指代物联网，如机器通信（Machine to Machine，M2M）、传感网络等，或者使用“智慧地球”（Smarter Planet）。在国内，物联网通常被定义为将具备智能末端设备和贴上RFID的实体通过无线或有线通信网络实现互联互通、应用集成，在网络环境下，采用适当的信息安全保障机制，提供安全可控乃至个性化的管理和服务功能，实现高效、节能、安全、环保的管理、控制、运营一体化。

医疗物联网是物联网技术在医疗领域的应用，最早由欧洲物联网研究项目组于2009年的《物联网战略研究路线图》中提出了医疗物联网的发展蓝图：带有RFID传感器功能的手机得到普遍使用，基于它们可以采集病人状态、医疗参数和药品配送信息的功能，可以建立起更加完善、便捷的疾病监控和预测系统;随着传感器技术的进步、廉价而内置网络通信和远程监控的设备大范围应用，可以以更高水平测量和监视人体生命体征;植入人体的无线可标识设备被广泛使用，以记录人们的健康情况;可食用和降解的芯片被越来越多地应用到人体内部，未来的物联网将通过它们帮助和引导病人完成各种治疗。中国在2009年成立了中关村物联网产业联盟，2012年，工业和信息化部发布《物联网“十二五”发展规划》正式开展智能医疗领域应用示范工程，包括药品流通和医院管理、以人体生理和医学参数采集及分析为切入点，面向家庭和社区开展远程医疗服务。在物联网“十三五”规划中，明确提出了“基于可穿戴设备的远程健康管理、老人看护等”。

远程医疗、移动医疗、可穿戴设备等是近年来兴起的医疗健康产业，2016年移动医疗用户规模达到2.94亿，远程医疗市场规模达到61.5亿元。得益于我国发展物联网技术的战略规划，这些以物联网技术为基础的行业始终处于高速发展中。现在医疗物联网已经有了一定数量的成熟应用，但物联网解决方案还存在效益不明显、缺乏一体化等问题，制约了物联网的推广与应用。

目前，物联网技术的综述没有关于医疗应用方向的讨论。明确医疗物联网的概念、研究现状、面临的困难与发展趋势，对制订医疗物联网发展策略、测算智能医疗的效益、进行广泛深入的管理和经济学研究具有重要意义。本文查询归纳了医疗物联网开发所运用的基础技术，详细介绍了具有代表性的产品和具体研究情况，为进行医疗物联网的深入研究奠定基础。

1 医疗物联网基础技术

物联网的实现方式由之前基于射频识别的感知网络，发展到现今综合了微机电、智能传感器、无线通信、移动终端等领域的新成果。物联网从底层到上层分别具有设备管理、连接管理、应用使能和业务分析等主要功能。利用通用功能和接口开发适用不同行业的应用，降低投入成本，提高开发效率。平台服务商大多面向单层功能，如专于设备管理、通信管理等。当前，物联网产业由IT企业联合上下游产业链，提供通信层和设备层的硬件服务，以IoT平台为接口，使医疗物联网应用的开发可以专注于业务层。而医疗物联网则逐渐倾向于智能终端+软件平台的开发路线，将设备层、通信层和业务层结合起来。物联网细分领域见表1所列。

1.1 设备层技术

设备层通过传感器采集信息，经过计算处理与接口协议传输。新型传感器技术包括传感器技术、传感器微型化/芯片化技术、传感器阵列和多传感参数复合的集成技术、传感器数字化和智能化技术等[1]。被医疗物联网大量应用的成熟传感器技术分为5类。

（1）传感器

利用此类传感器可以直接获得所需的光、电、震动、压力、温度等物理信号，将测量的信息转变为电信号进行传输。在设计上有两种实现方式：一种是将传感器与芯片集成并封装，制作成薄片，这种传感器体积小，但耗电难以补充;另一种采用单片机等对传感器进行控制，制成可穿戴设备或手持设备，通过无线网络将数据传送到应用层。目前应用越来越多的是智能传感器，与传统传感器相比，其集成了储存、计算、数据传输功能，具有综合体积小、能耗低等优点。

（2）射频识别（RFID）

通常使用无源射频识别标签作为物体或人的身份标识，利用射频读取器对标签进行扫描，可以获得标签内储存的信息。电子标签识别范围最大可达十几米，无需机械接触或光学扫描，在管理流程中可以自动完成信息交互，能够记录物品的基本信息。在管理中，实现射频识别标签的重复利用是主要考虑的问题。RFID技术在物流行业已经有成熟的运用模式。

射频识别技术另一种普及的應用是将标签封装在PVC材质中制成非接触式集成电路卡（IC卡），用于身份认证和付费。IC卡的读取距离小于10 mm。近场通讯（NFC）源于RFID，具有更强的数据传输能力，能够完成复杂的数据交互和安全认证，被用于移动支付。

（3）图形码

图形码包含条形码和二维码。条形码是将宽度不等的多个黑条和空白按照一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符。一张条形码包含的信息可以包含字母，但通常是数量小于30的十进制字符，需要提前编码，给物品赋予独有的数字代号。

鉴于条形码信息量小的缺点，采用在图形区域内以黑白相间的点表达二进制信息的形式，通过编码规则，内容最多可以包含数百个字符。二维码技术有PDF417，QR码等，QR码已经普及到支付领域。

图形码是投入成本最低的一种技术，被广泛应用在医疗领域。通过扫描图形码可以缩减记录数据的时间成本，但需由人工操作，不利于融入自动网络，易于被摄像头识别，机器人技术发展后应用场景可能会更加广阔。

（4）图像识别技术

近几年，随着模糊算法、神经网络技术的进步，人脸识别、动作捕捉等功能被成功应用。通过摄像头捕捉的画面进行算法分析，可以对监控对象的状态进行判别，该技术已被应用于老年人、婴幼儿看护领域。

（5）其他传感器技术

此外，还有可以检测基因序列的基因芯片，可以检测特定化学物质浓度的化学传感器等，目前多制造成小型终端设备用于专业的医疗检测。生物传感器的研制常依托于生物技术的进步与新发现，专业性强，成本高，在医疗物联网集成应用中使用较少。

1.2 通信层技术

通信层多使用无线通信技术，分为广域网和局域网技术。

（1）短距离局域网技术

ISM（Industrial Scientific Medical，ISM）频段是国际规定的免费通信频段，共有12个频率范围，其中2.4 GHz频段是各国共同用于短矩通讯的频段。此外，美国地区流行915 MHz通信频段，欧洲地区流行868 MHz通信频段。根据通信协议的区别，分为不同标准。

无线保真技术（Wireless Fidelity，WiFi）覆盖范围可达100 m，传输速度快、质量高，但耗电高，需要外接电源。

ZigBee，IEEE802.15.4协议的代称，具有协议简单、传输速率低、功耗小、传输距离近、成本低、可以大规模自组网络（达60 000个）等特点。ZigBee由于其多跳网络的特点，导致通信时延难以确定，实时通信需求不易满足。

Bluetooth，蓝牙5.0版本在之前低功耗、短距离、安全性高、稳定、传输速率适中、低延迟的基础上，提高了传输速率和通信距离，也可以结合WiFi进行室内精度小于1 m的定位。蓝牙的不足之处是只能进行一对一传输，无法遥控操作。蓝牙的商业化程度很高，已经成为移动设备的标准外设，具有通用化的优势。目前市场上有99%的可穿戴设备使用蓝牙。

短矩通信产业依托强制认证的封闭模式发展，由产业联盟把控产业内各方供应商按统一标准提供产品，以保证互联互通。

（2）广域网通信技术

长距离通信技术将智能传感器直接接入广域网中进行数据传输。

窄带物联网（NB-IoT）由全球移动通信系统（GSM）发展而来，通过基站的移动通信服务将传感器设备连接入广域网。利用3G和4G技术，可以实现覆盖广、成本低、低功耗、海量连接的目标。目前已经有了商用NB-IoT芯片，距离大范围普及需要进一步降低成本。NB-IoT采用授权频谱，需要购买运营商的通信服务，在中国得到了华为、移动、电信等运营商的广泛推行。随着5G试点的应用，网络延迟将小于10 ms，对网络稳定性、传输速度、反应时间要求高的应用，如远程医疗机器人等会迎来新的发展。

超远距离长距通信（Long Range， LoRa）的通信距离大于15 km，耗电低，易部署，成本低，工作于非授权频段，可以通过搭建网关覆盖城市较大范围。LoRa的缺点是信息传输质量较窄带物联网差。

1.3 其他技术

医疗物联网中，业务层专注于医疗过程的功能实现，需要考虑到产品设计、经济性能、用户行为等多方面影响，提供健康管理服务。当前，业务层提供设备和软件服务，软件收集设备采集到的信息，根据算法提供易于被理解的信息或将数据发送给医疗机构辅助诊断，并将数据、建议和通知发送给用户。

支撑层作为软件功能实现的基础，平台、可视化、设备管理在计算机技术中已经有了成型的方案;用于分布式储存数据的区块链技术被尝试用于物联网的数据储存中;新兴的线上医疗企业则尝试将大数据分析运用于数据处理中。安全技术是重点关注的领域，医疗领域的信息泄露事件偶尔发生，安全解决方案集成于系统平台，当前条件下标准缺乏，数据安全无法得到保障。为了存储和处理物联网收集到的海量信息，还需要部署更大规模的服务器。

云计算可以降低物联网的建设成本。云计算是一种基于互联网的软件服务，用户不必将软件和数据存储在自己的电脑中，可通过互联网，由云计算公司进行存储、计算，并将计算结果返回。通过云计算的使用，可以降低数据泄露的风险，将部署服务器的成本变为根据云服务器的使用量向云计算公司付费。

2 医疗物联网的应用

医疗物联网的应用分为数字医院建设和基于可穿戴设备的健康管理两个方向。

数字化医院的物联网应用包括护理管理、固定资产动态管理、后勤管理等方面。物联网技术可以收集医院运行过程中的信息，简化信息核对流程，目前已经普及了基于IC卡的就诊卡、以掌上电脑为工具的移动护士站等。医院数字化建设的直接经济效益不明显，系统建设成本较高，所以我国一些医院并不热衷于数字化建设。现有的物联网产品多是为解决特定挑战所设计，难以满足大多数医疗机构对系统功能的需要。物联网与医疗的深度融合与规模化利用需要一套成熟的一体适用的解决方案。

現有的可穿戴设备集成了部分手机功能和部分检测功能。可穿戴设备的检测范围包括睡眠状况、体脂、血压、心率、体温、血氧、血糖等。

2.1 护理管理

移动护士站是物联网应用的主要方向，主要用于生命体征采集、信息录入、身份识别、护理流程智能控制。

陈璇[2]在2017年阐述了儿童医院中一卡通在挂号缴费与费用查询上的应用，通过PDA扫描条形码或二维码，实现医疗过程中患者和药物的核对，同时可以利用移动设备查询患者的医疗信息。该系统在2015年投入使用。

陈玲等[3]在2018年介绍了一种智能病区管理系统，包括体征监测、输液管理、移动护理三部分。采用可以将数据通过WiFi上传至HIS的体征采集仪，系统会24小时根据医嘱定时采集血压、脉搏和体温，生成动态检测报告，并打印。系统根据输液流速计算输液时间，显示输液进程并提醒护士做好准备。移动护理功能分为两部分，一部分是基于掌上电脑的医嘱查询、护理过程记录和标本、药物确认，另一部分是在系统中根据所记录的护理数据实现护理质量控制、工作量记录和耗材管理。

程誉朝等[4]于2017年设计了基于ZigBee的具有呼叫医护人员救助功能和身份识别的腕带，集成了单片处理器、充电电池、通信模块和按钮，按下腕带上的呼叫按钮后，医护人员会收到呼救人的身份信息并快速施救。

郭娟等[5]在2017年开发了利用摄像头监测静脉滴注，并通过步进电机控制输液器滴速和止断的系统，该系统可以自动控制或根据PDA进行操作。

在智能护理应用中，对网络覆盖和供电的需求进一步提高，输液管理、呼叫腕带等基于专用设备的应用模式目前还不成熟。

2.2 固定资产动态管理

固定资产的管理通过为物体贴上图形码标签或RFID标签确定每台设备的身份，通过传感器记录物品和设备的状态。我国正在确立医疗器械唯一标识，进一步推动了物联网在固定资产管理中的应用。

成鹏飞等[6]在2016年研究了基于RFID的手术室管理系统，分别为身份识别、毒麻药品追踪、医疗器械监控与核算、血液管理、使用记录等，分析了其系统架构和实现方式。RFID芯片目前还不能植入医疗器械与耗材中，否则基于物联网的管理运营将获得极大进步。

2.3 后勤管理

王偉等[7]在2016年利用传感器测量医用气体供应系统的压力、液位、流量、温度、重量等信息，通过嵌入式系统预处理信息传递至服务器，实现了对医用气体供应的监控。

李志成等[8]在2016年申请了基于物联网的医疗废弃物处理专利。利用传感器、RFID等记录从废弃物产生到销毁过程的全部信息，传到云平台监管。

2.4 可穿戴设备

可穿戴设备被视为实现智能生活与智能健康的解决方案，现在已有包括手环、手表、腕带、眼镜、头带、鞋等多种产品。可穿戴设备需要由更强的功能和精准的测量数据，这是大部分产品所没有的。2008年美国开始出现智能手环等可穿戴设备，2009年通用研发的Vscan视诊仪将超声检查仪器设计到手机大小，取代了听诊器成为医生诊断的基本工具，推动了检测仪器的便携化。目前美国具有代表性的产品是Google公司设计生产的无创测血糖隐形眼镜，现阶段正进行FDA临床验证。

中国可穿戴设备于2013年开始大量发售，一般采集体征信息后，需要传至手机进行处理，信息的准确性还需要进一步检验。

沈雪微[9]在2015年研究了通过可穿戴设备采集老人运动、生理信息，基于极限学习机算法识别老人摔倒行为，实现通知与求救功能。史庆云等设计了利用温湿度监测、视频监控、音频对比技术对婴儿进行监护的系统，获取婴儿哭闹与排泄信息。

黄辰等[10]在2017年开发了远程睡眠信息采集监测系统，利用传感器采集对象处于睡眠状态下的图像、肌肉收缩、脑波、声音等生理信息，通过WiFi和基站传输至服务器应用端，记录数据并监测。

范晨灿[11]在2013年设计了基于蓝牙4.0传输、采集和处理心电信号的芯片。

张春典等[12]在2017年发明了由柔性材料包裹的电路板测量体温数据，通过蓝牙传至手机体温贴。该体温贴可以每10 s上传一次体温数据，采集时长达10 h。目前比较成熟的应用模式如利用体温测量与生理信息进行备孕管理。

可穿戴设备的研发目标在于使用户获得自身的健康信息，促进健康水平的提高。现有的可穿戴设备存在检测指标项目少、同质化高的问题。美国无线医疗倡导者埃里克·托普在2016年发起了一项研究，旨在明确慢性病患者了解自己的健康状况后对健康的改善是否有影响。经过半年的对照试验，结果观察组和对照组没有表现出明显差异，表明得知自身健康状况对改善健康无任何影响。可穿戴设备的应用需要关注用户体征信息，对其进行保健指导、医疗建议。

3 结 语

医疗物联网在数字医院建设和健康管理中的应用已经取得了很大进展，能够实现全程实时的智能化监测。但在医疗物联网部署过程中，不同的医疗机构没有统一的解决方案，增加了部署成本。在可穿戴设备方面，如何根据个人体征信息提供健康服务尚缺少经验。如何通过医疗物联网提高医院效益，通过基于可穿戴设备的健康管理改善人们的健康水平，是未来医疗物联网研究的重点。

参 考 文 献

[1]王刚.涉及物联网领域的32类关键共性技术[J].物联网技术，2011，1（7）：10-12.

[2]陈璇.物联网技术在儿童医院的应用[J].物联网技术，2017，7（8）：63-64.

[3]陈玲，侯诗箐，任博，等.医疗物联网在病区临床护理中的应用[J].医学信息学杂志，2018，39（2）：43-46.

[4]程誉朝，庄波，余学海.一种基于ZigBee技术的医用腕带[J].物联网技术，2017，7（7）：48-49.

[5]郭娟，刘兴金，高凤强，等.一种基于医疗物联网的输液监控系统及控制方法[P].中国专利：CN107335108A，2017-11-10.

[6]成鹏飞，周向红，贺吉群，等.基于物联网技术的智慧手术室研究与实现[J].医学信息学杂志，2016，37（8）：14-18，31.

[7]王伟，王进，刘易.基于物联网技术的医用气体供应监视系统[J].物联网技术，2016，6（7）：18-23.

[8]李志成，严亮，刘磊.一种物联网源头精细化管理医 疗废物的系统和方法[P].中国专利：CN105809215A.2016-07-27.

[9]沈雪微，毛文涛.基于极限学习机的老人防摔倒系统设计[J].物联网技术，2015，5（5）：55-58.

[10]黄辰，王时绘，张龑，等.一种物联网医疗环境下的网络远程睡眠信息采集监测系统[P].中国专利：CN206481329U.2017-09-08.

[11]范晨灿. 基于蓝牙4.0传输的Android手机心电监护系统[D].杭州：浙江大学，2013.

[12]张春典，戴星灿，王锋.可充电式柔性超薄智能体温贴及其制作方法[P].中国专利：CN106618512A.2017-05-10.