光纤传感技术在医疗物联网中的应用

2021-11-20吴劲芸

物联网技术 2021年7期

白巍，来婷，吴劲芸，漆颢

（1.湖北中医药大学，湖北武汉 430065；2.武汉邮电科学研究院有限公司烽火科技学院，湖北武汉 430070）

0 引言

物联网的概念最先是由美国麻省理工学院的Ashton教授研究射频识别时提出来的。物联网即物物之间的互联网络。2008年，IBM公司基于物联网的概念提出了“智慧地球”的思想，目的是把物联网技术应用到各行各业之中，也就是把物联网传感系统中的感知设备—传感器嵌入到全球的各种系统中。物联网技术的全面感知物体和可靠传送信息实现了地质测量、矿山开采监测、地震监测、地质灾害监测、智能交通、城市管理、远程医疗等。智慧医疗就是物联网在医疗领域应用的产物。

在我国的“十二五”规划及“健康中国2020战略”中物联网被计划用于医疗卫生系统，医疗物联网可以帮助医院实时监控病人的健康，监护病人生命体征参数，并及时给出警示和建议，同时也可以有效调动医疗系统的医疗器械、救护车辆、运输车辆、管理人员等，实现智能化运营管理。医疗物联网不仅有效节约了社会资源，也大大推进了医疗卫生系统的运转速度[1-2]。

1 医疗物联网发展及应用

1.1 医疗物联网的国内外发展现状

20世纪80年代，少数西方国家已经逐步成为老年型国家，因此对于智慧养老的研究已经进行了一段时间，最早提出“智慧养老”概念的是英国生命信托基金。在一项调查中显示，相对于外出就诊，人们更喜欢居家远程就诊，节约时间、减少不方便出行。医疗专用机器人可以和患者进行日常交谈，慰藉和缓解心情。智能可穿戴设备能保证长期在线监测生命体征参数，实时上传给家庭医生和亲属，按时提醒患者服药、行动训练等。智能化住宅的研究也有一定成果，英国赫特福德郡大学的研究学者开发的“交互屋”和日本企业开发的看护服务智慧养老系统都可以实现监控患者和老年人的日常健康以及训练康复，一旦出现异常情况便会自动发出紧急求救信息。

在我国，国家政府和各个部门积极推动智慧医疗的发展，未来几年将是中国智慧医疗建设飞速发展的时期。2016年，国务院下达《关于促进和规划健康医疗大数据应用发展的指导意见》，建立国家医疗卫生信息分级开放应用平台，实现跨部门、跨地区的数据融合和资源贡献，取得明显成效。2016年又提出《“健康中国2030”规划纲要》，以及2018年《关于促进“互联网+医疗健康”的发展意见》《互联网诊疗管理办法》《远程医疗服务管理规范（试行）》等一系列人工智能治疗新模式新手段的推进，建立快速精准的智能医疗体系政策，健全“互联网+医疗健康”服务体系，完善支撑体系，加强行业监管及安全保障，为远程医疗服务，同时为医疗物联网的发展提供了保障。

随着移动互联网的发展，未来医疗向个性化、移动化方向发展，智能胶囊、智能护腕、智能健康检测产品将会广泛被应用，借助智能手持终端和传感器可以有效地测量和传输健康数据[3-10]。

1.2 医疗物联网的应用研究

（1）家庭医疗，即在家里提供健康状况监控的网络系统，患者可以随时和医生远程沟通，拟定长期居家治疗监控场景，同时通过大数据、自行分析和诊断轻症，实现普通症状的自行治疗和慢性患者及老年患者的长期远程监控和治疗。如智能穿戴，即以监控健康为目的，布置在穿戴上，监控血压、心率、血氧饱和度等生命体征变化参数，通过无线网络传输监控数据，使医生随时掌握患者健康情况，尤其是应用于老年人的身体健康情况的长期监测。

（2）医院医疗，即在医院就诊过程中，首先进行前期智能诊断，通过智能医疗器械对患者陈述的病情及先导医疗数据进行分析，再结合医院实时医生在线数据及专业特长等进行综合分析，给出患者先导治疗方案，如根据基本数据得出需要先做一些前期器械检查，那么患者可根据智能医疗分析数据去做CT等辅助治疗的器械检查，减少了医生初期诊断的拥塞问题，缓解就诊过程长、医生缺乏的现象，根据初步检查结果，大数据分析后给出基本治疗方案，或者重症患者直接安排就医治疗。

（3）研究医疗，即实验室医疗研究，医疗研究数据可作为试验阶段数据进入医疗数据分析库，具有医疗数据分析的参考作用，并在给出结果中标注研究时间及案例反馈，帮助患者及医生分析病情，以解决目前医疗研究到应用的周期长以及反馈完善不及时的问题。这样将研究和反馈机制有效结合，加快了医疗研究进程。

同时，医疗物联网可以降低公众医疗成本，提升医疗诊疗流程的效率。随时监护病人各项指标，给出建议，有效管理整个医院的运营，对医院人员、后勤车辆和安全保障实行智能化合理、细化管理。结合物联网技术、云计算技术和大数据技术等对所有医疗数据进行分析、整合和处理。因此，医疗物联网在未来必定会井喷式的发展，用户量迅速提升[11-21]。

2 光纤传感技术在医疗物联网中的应用研究

光纤本身不带电，抗电磁干扰，轻巧，可弯曲，抗辐射、抗腐蚀性能好，适用于空间受限制、强电磁干扰、易腐蚀等特殊环境。因此，选择光纤传感技术来解决物联网传感系统在恶劣环境中的数据采集、数据传输及检测十分重要。复用能力是光纤传感技术另一个显著的特点，可以实现在单根光纤上复用许多传感器，组成光纤传感网络。光纤传感网络采用光信号作为传感信号的载体，传播速度快，有助于提高物联网的信息提取速度[22-23]。

2.1 利用光纤抗电磁干扰、体积小等优点实现在智能穿戴中的应用

将智能衬衫、腰带、腕表、呼吸运动传感器等日常用品嵌入传感器，能够搜集个人的生命体征数据，如心跳、体温、呼吸频率、血压等健康信息，存储并传送，通过处理分析后存储信息到居民电子健康档案中。也可以应用在轮椅上进行心跳监测以及人机交互，收集数据满足伤残人员的生活需要和处理危险状况。相比于传统的电子机械传感智能穿戴系统，光纤型传感器是具有体积小、有弹性，可以将光纤传感器融入织物，实现与普通衣物一样但却可以进行实时在线监测的健康穿戴设备，尤其是光纤不受电磁场干扰，患者穿戴后也可进行磁振成像，这样智能穿戴可以长期不间断地监控患者信息。

2.2 利用光纤强大的复用能力实现在医疗设备中多点多参数的监测

医学治疗气体-氢气的治疗方法可以通过吸入式治疗，即通过医学面罩或者鼻导管使氢气通过呼吸环路进入人体。然而，氢气很容易泄漏以及氢气在空气中或者纯氧中含量高于4%时，容易发生爆炸事故。同时，吸入式氢气医学治疗过程中医学面罩和鼻导管空间狭小，要实现监测和控制氢气仪器中环境的浓度、氢气均匀性，以及空间中温湿度的变化等多个参数，对传感器防爆、体积小、多点、多参数的能力要求非常高。那么，利用光纤具有体积小、质量轻、可弯曲、本质安全防爆、单根光纤上可复用上万个多参数的传感器，可以在狭小空间内，或者氢气、温度、湿度等传感网络实现实时在线监控，精准治疗。加拿大FISO公司的基于光纤的医学温度、压力等传感器进行血管内血压监测、肌肉监测仓压力监测、颅内压监测/宫内压力监测、椎间盘压力/眼压等完全不受EMI和RFI影响，已经广泛应用于心血管科、肠胃科、药物学等医疗领域。

2.3 利用光纤的光信号传输速度快，实现医疗网络中海量数据快速安全的采集、处理和传输

光纤网络是以光信号传输，相比于弱电信号的传输，最大的区别是传输介质不同，同时光纤抗腐蚀、本质防爆的特点可以保证光纤在传输过程中不受恶劣环境影响，安全快速地传输信息，尤其是光纤传输声音、图像等游刃有余，为远程医疗中医生在线指导就医提供了保障。还有长距离的传输需要大量的光纤网络，而传输光纤制作成本较低，大大降低了医疗物联网成本。