国内医疗物联网技术发展及应用现状

万 振，邱 丹，刘元喆，许 华，赵卫康*，刘 勇

（1.天津大学海河医院，天津 300350；2.沈阳联勤保障中心药品仪器监督检验站信息科，沈阳110026；3.西北师范大学计算机科学与工程学院，兰州 730070）

0 引言

物联网是继计算机、互联网之后的又一新的信息科学技术，目前世界多个国家将物联网作为发展新经济技术的主要突破口之一，我国在“十二五”国家战略性新兴产业规划中就已将物联网技术列为新一代信息技术产业的重要组成部分[1]，其发展的战略意义重大，是我国工业4.0道路上不可或缺的一个发展领域。医疗物联网作为其中一个重点研究分支，如何高效地进行技术研发和应用研究，并有效融合于实际医疗需求，对全面提高医疗水平具有非常重要的意义[2]。以下对医疗物联网的概念、技术与应用情况进行介绍，指出存在问题，提出针对性的建议，并对医疗物联网未来发展进行展望。

1 医疗物联网的概念

医疗物联网（internet of medical things，IoMT）是指通过物联网和通信技术将医护工作人员、患者、各种医疗设备和设施智能便捷地连接起来，从而全面支持医疗数据自动识别、定位、采集、跟踪、管理、共享等各项功能，更好地完成智能化医疗以及智能化物品管理[3-4]。而构建医疗物联网系统可实现对患者健康状况的实时状态反馈，提高就医响应速度，提供全天候的医疗关护，大大减轻医务人员的工作压力，提高医疗工作的准确性和便利性，提升临床医疗质量。

2 医疗物联网技术

医疗物联网区别于其他物联网应用，具有采集数据精细化、各类设备多样化、实现的应用复杂化的特点，且系统中还存在着大量的异构接口、异构数据、异构协议通信转换的现象。医疗物联网结构庞大、要求繁多，决定了其为物联网各项应用中技术含量需求、成熟度需求、稳定性需求更高的体系[5]。

鉴于现有物联网的技术基础与医疗体系的特殊性，医疗物联网领域采用更多的是感知层（承担信息的采集）、网络层（承担信息的传输）和应用层（完成信息的分析、处理和控制决策）[6]3层技术体系架构。医疗物联网技术体系架构如图1所示。

图1 医疗物联网技术体系架构

2.1 感知层

医疗物联网感知层主要通过各类传感器设备采集患者的生理参数（如体温、血压、血氧、心率等数据）、个人信息、医疗设备的运行参数等各项数据，并转换为特定信号上传至对应处理器，收集和识别医疗所需的感知信息和控制信息[7]。

感知层现有关键技术主要包括射频识别（radio frequency identification，RFID）技术、传感器技术网络化、智能嵌入技术。

2.1.1 RFID

RFID是一种非直接接触式的自动识别技术，即通过自动识别射频信号获取目标对象相关数据的一种领先技术[8]。射频识别系统主要由标签、阅读器、天线3个部分组成。其优点在于：（1）识别工作无需人工干预；（2）可适应各种工作环境；（3）数据存取速度快；（4）多个标签可实现即时无干扰识别；（5）操作流程便捷、简易化。

2.1.2 传感器技术网络化

传感器技术网络化即将热、力、光、电、声、位移等传感器所感知的信息与网络相结合，或通过无线传感器网络技术采集、传输和处理相关信息[9]，从而将物联网应用于医疗体系的各个角落，全方位实现医疗体系电子化、信息化。传感器是物联网中的必要组成部分，随着传感器网络化的发展，物品信息提取更加便利，网络上的各点在具有授权的前提下都可对网络传感器信息进行提取及应用，提升传感器网络的使用频率及效率[10]。

2.1.3 智能嵌入技术

智能嵌入技术本身可以增强网络前端的处理能力，提高数据处理的效率并提升网络自适应能力。具备智能嵌入技术的物体将具有某些处理能力和刺激反馈能力。智能嵌入技术使物体实现与用户主动或被动的交互，是物联网关键技术之一[11]。

2.2 网络层

医疗物联网网络层主要通过各类无线传输技术，将处理完成的信息传送至服务器，同时接收上位机的控制信息，实现数据传输的上通下达[12]。

当前，网络层重点发展方向在于开发高度匹配物联网特性的无线通信技术，建立通用型技术标准。

最开始的物联网基于无线局域网（wireless local area networks，WLAN）技术，通过连接 Wi-Fi、蓝牙（Bluetooth）、ZigBee、Z-wave传输数据，但是这些传输技术局限于功耗高、传送距离受限，限制了WLAN物联网应用在工业企业应用场景中。

大部分物联网应用场景的需求是待机久、造价低、覆盖广，为满足这种特性要求，通信行业推出了低功耗广域网（low-power wide-area network，LPWAN）技术，以更好地匹配物联网信息传输需求，是今后物联网无线传输的主流方式。作为一种新的技术概念，LPWAN包括很多技术标准，比较主流的有NB-IoT、eMTC、LoRa、SigFox等技术。以上技术中，LoRa、SigFox属于私有技术，需要独立建网，经济性较差，不利于推广；eMTC、NB-IoT属于国际标准，但eMTC比NBIoT成本高，故NB-IoT标准协议在2016年6月由第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）组织（移动通信标准化团体）确定为物联网通信的全球统一标准。综合考量现有技术，NB-IoT更容易推广和建设，当NB-IoT铺设完毕，将会大大推进物联网技术的发展、应用[13]。

2.3 应用层

医疗物联网应用层作为医疗物联网的核心，主要完成对感知层采集的数据的归纳计算和处理，并将数据与应用需求相结合从而得出反馈，然后对反馈进行计算处理，将计算结果应用到实际智能化控制和管理过程当中，实现物与物、人与物的信息交互。

医疗物联网根据应用服务场景可分为院前急救体系、院内医疗系统、家庭健康管理、智慧管理平台四大方向，各个方向的应用之间数据也要进行相互传输交互，形成有效数据闭环。

3 医疗物联网的应用

自2009年将物联网列于国家新兴战略性产业之后，国家出台了多项政策加快物联网建设，2019年4月，工业和信息化部、国务院国有资产监督管理委员会在《关于开展深入推进宽带网络提速降费 支撑经济高质量发展2019专项行动的通知》（工信部职通信〔2019〕94号）中提到：进一步升级NB-IoT网络能力，持续完善NB-IoT网络覆盖，建立移动物联网发展监测体系，促进各地NB-IoT应用和产业发展[14]。

为响应国家政策和提高医疗服务水平，无锡市某医院、大连某附属中山医院、厦门大学某附属医院、重庆医科大学某附属医院等逐步发展、完善医疗物联网体系，对患者健康状况进行全过程全周期管理，全面提升医疗能力。通过对现有案例的分析，医疗物联网可分为院前急救体系、院内医疗系统、家庭健康管理、智慧管理平台四大方向，各个方向又分为各分支应用。本文介绍了大部分成熟的物联网应用，有部分尚在开发或未大面积应用的分支医疗物联网应用未叙详尽，在医疗物联网的应用体系图中以省略号表示，如图2所示。

图2 医疗物联网的应用体系

3.1 院前急救体系

急诊工作具有突发性和即时性，在急救指挥中心调度的同时也需要和院内救治紧密配合。上海市某医院通过基于物联网的多发伤病院前、院内急救信息平台的良好应用，针对性解决了由于院前、院内急救人员分属不同团队导致联合救治过程中衔接不顺畅的问题[15]。院前急救体系与物联网技术的结合主要表现在以下3个方面：

（1）通过医疗物联网实现全球定位系统（global positioning system，GPS）定位、急救调度分配、电子病历传输，保障一线急救的即时性和高效率；

（2）急救过程中物联网设备实时记录患者生命体征数据并上传至急救指挥中心和院内医疗系统，实现救治方案共享；

（3）通过院前、院内医疗进行实时的信息交互和远程治疗指导，可以更好地衔接院前、院内急救工作，大大提高诊疗水平。医疗物联网在院前急救中的发展有助于疑难病例的治疗和分级转诊工作，大大提高了急救指挥中心及接诊医院应对突发性卫生事件的能力[16]。

3.2 院内医疗系统

院内医疗系统支撑着医院内部的基础医疗救治业务，打造基于医疗物联网技术与医护工作高效融合的智慧医疗平台，实现更高效的医护工作及患者服务，是院内医疗系统发展的方向。无锡市某医院作为中国首家医疗物联网整体应用示范医院，实施成功的物联网项目有婴儿防盗系统、无线输液过程管理、移动护理条码扫描系统、移动门诊输液管理系统等。依托先进的院内医疗系统，无锡市某医院创建了一个高标准、高质量的新型服务模式[17]。具体如下：

（1）药物管理。

合理地设置药物管理流程，通过具有唯一性的RFID标签，能够有效地监控和管理医疗设备和药品的整个生产、销售、使用环节，且对于防伪具有非常显著的优势[18]。配合信息化技术，实现药品全自动化管理，在药品处方匹配及药品供货、上架、打包、配送、接收整个流程中都可以实现药物的跟踪以及追溯，既可以保证药物的准确性，又可以保证药品管理过程的快捷，如有问题可以精确追溯到对应过程，及时整改，大大提高了效率。

（2）医护系统管理。

为了改善就医流程、保障医疗安全、提升患者就医流程的可视化、减轻医护人员的工作压力，将物联网技术应用于医护系统中，可以实现患者身份识别、医嘱自动核对等功能，减小护理人员的劳动强度，提高患者信息的准确性，简化传统模式的复杂流程。医护系统可以自动控制患者输液速度，报警提示危急状况，减轻护理工作人员的负担，同时实现对医护工作者更加合理的调度。在外科手术室管理中，通过医疗设备自动识别管理系统完成对医疗设备基本信息、每次巡检记录和维护记录的存储，有利于界定与医疗设备相关的医疗事故责任[19]，将医疗设备、一次性器材、病理标本信息化，简化了流程，提高了效率。电子病历的应用可以跟随患者就诊、住院、取药、治疗情况等治疗全过程，实现过程全记录，提高医疗方案的精准性[20]。

3.3 家庭健康管理

国内外家庭健康数据的采集与传输逐渐简单化、标准化，家庭健康管理的数据与院内医疗系统逐步实现了同步传输及信息合并共享，这对慢性病、中老年患者的治疗尤为有效。通过对患者长期数据的统计研究，可以制订更好的治疗方案。智能穿戴设备的普及对居民健康信息的采集和移动护理都大有裨益，使家庭健康的观念从治疗向预防转变。物联网应用于家庭医疗健康，有助于全民健康意识的提升和全方位搭建、完善个人健康管理体系，个人健康数据库越庞大，针对性治疗的方案将越准确，可大大降低慢性病、老年病的发病率，提高随诊的针对性与效率。家庭健康管理的广泛应用将医疗健康服务提升到又一新的高度[21]。

3.4 智慧管理平台

智慧管理平台主要包含医疗物资管理、运维管理、能源管理、安全管理4个部分，是医院正常运转的基础保障平台。具体如下：

（1）医疗物资管理。

作为医疗活动的基础，及时补充高频耗材和更换过期耗材以及跟踪物资材料出入库是医疗物资管理提高效率、降低成本、增加产品可塑性的重要途径。通过RFID技术，每一批物资都可以实现入库、出库、科室管理、报损、废弃、销毁全过程监督，有利于在各个重点环节明确执行各项规章制度，更好地保证了医疗工作的正常运行。物联网技术在医疗物资管理的应用可以提高精细化管理的水平、降低物资管理的难度，大大提高了工作效率[22]。

（2）运维管理。

医疗服务机构的运维管理是一个非常复杂的工程，包含众多分支，每个分支的专业度要求很高。物联网与运维管理结合较为紧密的有医疗设备监管、医疗废弃物管理、消毒供应管理和医疗冷链管理，具体如下：①医疗设备监管：对种类繁多、数额较大的医疗设备运行状态进行监控及定期巡检管理、记录维修保养情况等；②医疗废弃物管理：主要包括医疗垃圾的分类监管、医疗废弃物存储时间提醒、医疗垃圾处理过程记录；③消毒供应管理：实现手术器械等接收、消毒、包装、发放、回收等全流程管理；④医疗冷链管理：实现医院对温度、湿度有特殊要求的空间和物品进行全程实时智能管理。这些功能均可通过RFID识别电子标签、上传数据从而进行管理，减少低效率的人工投入，注重管理过程，实现报告的实时化、可视化，充分发挥设备的最大功用，避免设备价值无效流失的情况。物联网将运维管理简化、规范，将庞大繁杂的工作量归纳汇总成直观简洁的数据，实现运维管理的可视化。

（3）能源管理。

医疗设备效益分析指导医院的科学投资，保障医疗设备的社会效益和经济效益双丰收[23]。可以通过对医院主要能耗设备的实时信息采集与处理分析，进行能耗统计与节能管理，实现设备各项能耗数据的高精度收集，为能源精细设计和节能改造提供数据支持，并通过大量数据的累积形成趋势记录，帮助优化资源和规划运行模式，大大降低能源成本。

（4）安全管理。

安全运行是医院管理的第一要素，安全管理实现及时预警与报警功能，当被监测设备运行状态超出安全阈值时，系统将设备运行故障问题代码传送至工作人员，工作人员可通过监测设备收集的数据资料进行维修排查，提前排除安全隐患。安全管理还可以实现系统联动，实时安全防护，某一环节出现了故障，其他环节采取相应措施，防止故障继续扩大到其他环节，将故障带来的影响降到最低。基于物联网的医疗设备电气安全监控系统可有效降低电气故障的发生率，提高医疗设备的安全性[24]。

4 医疗物联网应用存在的问题与建议

医疗物联网应用有巨大的发展潜力，众多医院已经将部分医疗物联网应用落地在实际当中，但实际运用仍存在一些问题需要逐步完善。为了更好地贴近应用需求，针对目前存在的主要问题，笔者进行了分析并给出了相应建议。

（1）行业缺乏通用标准。以重庆医科大学某附属医院的医院信息化管理为例，由于互联网行业标准体系处于建立中，没有统一的标准可循，建设的物联网只是基于自身医院发展而建设，很难实现跨医院、跨地区的资源共享[25]，兼容性较低、拓展性较差。国家相关卫生健康部门可通过采集现有规模较大、应用较为成熟的医疗机构的信息，制定适用性广泛的通用标准，引导厂商开发可兼容软件配套系统，便于各医疗单位进行统一标准的配套升级，进而能够实现数据资源的快速传递，进一步提升物联网的数据共享与处理功能。

（2）物联网平台建设分散。投入使用的部分现有物联网平台只是解决针对性的问题有效，分散成独立的每个平台系统，没有顶层设计，难以整合，构建难度增大[26]，平台与平台之间没有交互，相互独立，无法实现医院内部与外部的资源共享。可考虑在后续平台的建设过程中加强集成化平台的应用，将之前的各个平台整合，采用统一的接口与开放协议，保证各个系统内的数据以统一编码的形式无缝衔接，以提高院内资源的利用率。

（3）数据利用程度较低。在采集到大量数据后，对数据进行合理的筛选、分析、计算，提取其中有效信息，为后续处理过程提供有价值的数据，是医疗物联网更深价值的体现，但目前的数据处理方法与医疗实际应用贴合性较差，导致数据利用率较低[27]。为解决此问题，需加强多学科融合，引进更多计算机算法与医疗数据相结合的人才，通过在实验环境的重复模拟与论证，采用更贴合医疗数据特殊性要求的系统方案，从而提高对大数据的利用转化率。

（4）数据安全问题。医疗物联网系统所采集的数据涉及到大量患者个人的隐私信息，因此保障数据安全越来越受到重视。感知层是基于开放的网络架构进行运作，具有高度动态的网络拓扑的特性，而医疗信息的特殊性与物联网的开放性尚未做到很好的兼容[28]。为了规避通信当中的信息泄露、病毒侵袭、黑客攻击等各种意外情况的发生，可考虑与各通信公司合作，通过铺设专网、加强防火墙等级、对云数据添加多层密钥等各种方式来保障医疗数据的安全。

5 结语

医疗物联网作为医疗发展信息化新的方向，显著提高了医疗服务水平和质量，为患者营造了良好的就医环境，简化了各项流程，减轻了医护工作人员的压力，推进了医疗行业的数字化、信息化发展[29]。作为新兴事物，其本身还存在一些不足，制约了医疗物联网的应用，相信随着医疗行业、5G新技术、网络基础建设、传感器技术等多项技术的发展及融合，医疗物联网会越来越成熟，会在先进技术手段的基础上深度拓展，融入“智慧”成分，由“算法+算力+数据”打造可以自学习的智慧医疗核心，具备自学习、思考、决策的能力，创建更高层次的“智慧医疗”，将大大推动医疗行业整体服务水平[30]。