基于物联网的中医居家健康系统搭建＊

杨启城，陈 菊，杨 涛，周一博，樊霞霞，李 阳，温川飙＊＊

（1. 成都中医药大学智能医学学院 成都 611137；2. 广东省新黄埔中医药联合创新研究院 广州 510700）

中医药作为中国古代科学的瑰宝，也是打开中华文明宝库的钥匙，为中华民族的繁衍昌盛做出了重大贡献。在党和政府的关心支持下，改革开放40年来中医药事业快速发展。《“十四五”中医药发展规划》提出要加强中医药信息化能力提升，促进新兴信息技术与中医药结合应用研究项目。支持中医医院应用人工智能、大数据、5G、区块链、物联网等新型信息技术。2018 年10 月习近平总书记在横琴粤澳中医药科技产业园调研时指出“要深入发掘中医药宝库中的精华，推进产学研一体化，推进中医药产业化、现代化，让中医药走向世界”，为新时代中医药传承创新指明了方向。由此，中医药优势与现代科技成果结合，研发适合中医药特点的技术装备已经成为中医药现代化的研究热点。

以家庭为场景的居民个人饮食、运动作息、环境、常用生理指标数据可以使中医的诊断与干预更具完整性与动态持续性。中医家庭健康数据将以Zigbee、WiFi、蓝牙技术为接入网，以5G 和以太网为核心网，有效的应对中医智能终端（检测设备、监测设备、理疗设备、干预设备等）的互联互通及数据量剧增问题。基于大数据和互联网技术，将中医智能终端数据实时传送到互联网+医疗云平台，完成数据采集、健康评估、制定干预计划、执行方式、效果评估等。中医智能终端物联网设备搭建有效提升数据传输效率、终端执行效率及大健康数据管理效率[1]。

物联网的提出源于1999 年美国麻省理工大学进行射频识别技术的研发。2005 年国际电信联盟（International Telecommunication Union）发布了《ITU 互联网报告2005：物联网》，将射频识别技术、传感器技术、纳米技术、智能嵌入式技术相结合使物联网得到更广泛的应用。在此基础上智慧医疗概念诞生，2009 年IBM 提出智慧地球战略，并指出其在中国的六大推广领域，包括智慧电力、智慧医疗、智慧城市、智慧交通、智慧供应链、智慧银行。2020年9月，斯坦福大学李飞飞在《Nature》上发表了研究论文，在医疗物联网的基础上建立了医疗环境智能的概念，并运用现代信息技术助力医疗在养老、医院治疗等方面的发展[2]。

目前，物联网在我国医疗领域的多个方面得到了应用，涵盖了智慧医院、医院设备智能化管理、药品溯源、便携式设备、智慧护理等诸多领域[3-7]。随着5G 技术、边缘计算、体域网等新一代通信和计算技术的发展，基于物联网的家庭医疗服务也进入了发展的快车道[8-10]。本文以医疗物联网在中医和西医方面的发展动态线索归纳总结中医物联网的研究进展、应用进展和面临的挑战，提出一种基于中医物联网的家庭端数据采集与干预模型，为中医物联网在家庭端的进一步研究与应用提供参考。

1 医疗物联网

1.1 物联网在西医领域的应用

近年来，随着5G 技术、边缘计算、体域网、柔性传感器等技术的发展，数据传输速度、数据安全、便捷性等方面的进步使健康数据采集与管理、健康预警、健康监护、远程干预等一系列医疗健康服务得到了飞速的发展[11-13]。

在国内，谢玲等[14]设计了一种医用体温感受识别式腕带。胡宏毅[15]设计了一种血糖检测数据自动采集设备。唐华等[16]设计了一种基于无线网络的远程血压采集和查询系统。尚佐旭[17-18]开发了人体运动排汗检测及运动状态检测的物联网设备。陈翔等[19]发明了一种以智能床垫为中心的物联网健康检测方法。安全性方面，窦富贤等[20]采用偏移码本（OCB）认证加密模式满足了体域网安全要求。在国外，Saisakul等[21]提出了一种基于多传感器识别，用于日常生活活动监测，包括刷牙、锻炼、阅读、行走等。Bedón-Molina 等[22]则提出了一种以患者家庭为核心的智能健康生态系统。本文对近十年家庭端医疗物联网设备和系统进行了统计，如表1所示。

表1 家庭端医疗物联网设备和系统统计

患者在家居生活中的时间最多，作为所有医疗健康服务的“最后一公里”，家庭的医疗健康服务的完善与否成为了展现医疗物联网效果的关键。Islam 等[23]指出，更大规模的物联网整合是必然的趋势，特别是全球健康系统显然正在向家庭健康护理方向发展。

综上所述，基于物联网技术，目前围绕个人医疗健康服务已发展为以个人为中心的同心圆结构，内环由基础传感器、智能穿戴设备、智能家居、便携式医疗检测设备等物联网设备组成，外环以家庭为中心，由医院、监管机构、公共卫生服务机构、制造机构、商业机构及医保机构组成，如图1 所示。为患者提供全时段、多角度的医疗健康服务，并且正在走向个性化、多元化、智能化。

图1 个人医疗健康服务结构

1.2 物联网在中医领域的应用

医疗物联网不仅能有效贯彻中医因时制宜、因人制宜、因地制宜的治疗理念，利用传感器网络和智能设备来采集用户生活中的四诊信息，还能获取大量需要在医院进行以及医生通过问答才能采集到的数据。将包括问诊在内的四诊信息的采集下沉到用户家居生活进行。使数据的覆盖时间延长，客观性增加，减少人为原因导致的四诊信息采集误差，增加辨证的准确性。因此，利用现代技术使四诊信息的采集实现客观化、标准化是实现中医现代化的必要基础。四诊信息的采集是通往中医“辨证”的桥梁，目前学界针对四诊信息的采集已陆续开发出相应的现代化设备和智能化技术[24]。其中对于脉诊仪与望诊仪的研究较多[25]，闻诊方面，冯前进[26]、郑哲洲等[27]研究通过声物理技术和电子鼻技术来采集闻诊数据。

关于中医“寒热”的观测也有学者通过红外热成像证明不同体质的人在督脉、任脉、神阙、肾与命门等部位热度差值呈现规律性变化[28]。厚磊等[29]对平和体质、单一偏颇体质以及兼夹体质的人员选取上焦、中焦、下焦的脏腑进行红外热成像，发现个人体质不同热像分布也有区别。关于中医在家庭端执行健康干预的研究则偏向于中医装备，如可用于居家环境的按摩椅，带有穴位康复、灸疗、中医按摩等功能[30-32]。张殿全等[33]开发了针灸椅，以及具有中医护理、药浴、按摩等功能的沐足盆等等设备[34-35]，如表2 所示，统计了近十年中医装备基本信息。

表2 中医装备统计

通过对上述文献进行综合分析及总结，发现中医装备的研发已持续较长时间，针灸以及四诊方面取得了较多的研究成果，但仍存在以下需要关注及研究的问题：

（1）中医特色医疗装备起步晚、品类较少，难以与中医临床进行联动的诊疗服务。

随着我国老龄化问题越来越突出，居家养老及慢性病管理问题亟需解决。具有中医特色的物联网装备进入家庭可以让中医在疾病预防、诊断、治疗、康复全病程中进行数据采集与干预。中医装备的种类主要体现在脉诊仪、舌诊仪、面诊仪。这些设备均需专业医护人员操作，以医院为应用场景。家庭端中医类监测设备种类不足，且未与家电、传感器、可穿戴设备互联互通，健康数据采集手段不足，难以对用户的日常健康状态形成一个属于中医的立体认知。

现有居家中医装备只能在家庭端实现药浴、艾灸等少量中医干预手段，且大多不具备接入物联网的功能，缺乏可拓展性和数据交互，因此同一场景下不同类的中医装备无法联动系统性的采集中医四诊数据和执行个性化的中医诊疗。研发适用于家庭端的中医四诊信息采集设备与电针仪、艾灸仪、膝盖理疗仪等干预设备，构建中医智能装备网络和数据采集模型，形成和中医临床的联动诊疗是当下亟需突破的瓶颈。

（2）生活数据向中医数据的转化存在瓶颈，如何将用户生活中大体量的多源异构数据转化为中医临床可用、可信的数据成为难点。

中医问诊存在一定的模糊性，如寒热、睡眠、二便等往往都缺乏量化指标。当前借助智能手环、体温枪等便携式穿戴设备已能在居家场景实现部分监测，如何将采集到的数据转译为中医可用的数据，以及单个零散的数据如何在一个系统性的框架里转化为可信的中医数据是当下需要解决的问题。

居家生活中的数据具有大体量、多源异构的特点。以患者为中心动态即时的处理大体量数据对通信技术有着很高的要求，多源异构的特点又对数据的清洗、归一化提出了更高的标准。

2 基于物联网的中医居家健康数据采集与处理

2.1 技术路线

中医居家健康以便携式医疗设备、基础传感器、智能家电设备、智能穿戴设备为感知层，将生活数据分为环境、饮食、运动作息、生理数据四类。基于中医理论将四类数据转化为中医临床可用的诊断数据，将诊断数据带入依据中医辨证体系建立的中医智能辨证算法内，将算法结果发送至具有权限的医疗机构，实现远程无感的健康监控，如图2所示。

图2 技术路线图

2.2 数据采集与传输

物联网在医疗领域的应用规模大、感知节点密度高、业务流程复杂，现有研究主流仍是以物为中心，基于传统物联网架构来设计。如应俊等[36]设计的医疗物联网中，整体构架分为了四层，分别是感知层、网络层、云平台、应用层。Bedón-Molina 等[37]设计的基于物联网的智能居家健康系统，将IoT 架构分为传感器层、网络层、服务层、接口层。

2.2.1 数据采集

本文借鉴上述物联网架构，结合中医诊断与干预的需求，形成了中医居家健康物联网网络结构，如图3所示，一共划分为6 层。在采集层上不再以单一的传感器为基础，设计了中医特色的便携式医疗设备、智能家电、可穿戴设备、基础传感器四大类硬件构成的感知系统。该系统将居家数据分类为饮食、运动作息、居家环境、常用生理指标四类进行采集。

图3 中医居家健康物联网网络架构图

（1）便携式医疗设备：体温枪、血压计、血糖仪、舌诊仪、脉诊仪

体温枪与血压计采用海信家电提供的便携式医疗箱提供的设备，目前与改设备数据接口已撰写完毕。

目前脉诊仪主要基于压力、光电、声音、超声多普勒四项技术采集桡动脉寸关尺3个部位的信号。中医脉诊主要考虑脉力、脉位、脉数、脉管压感四方面特征，光电技术对于压感、脉力的信息会有所丢失，基于声音传感器的脉诊仪对压感、脉力数据有丢失，超声多普勒对于压感、脉位有所欠缺，目前应用最广的还是基于压力传感器的脉诊仪。脉诊仪采用中科院微系统研究所李昕昕团队所研究的三部九候中医对照采样仪。

本研究在脉诊仪方面采用中科院微系统研究所李昕昕团队所研究的三部九候中医对照采样仪。该仪器基础阵列式薄片压力传感器采集桡动脉寸关尺数据，目前已初步建立标准化模型，并在广东省中医药新黄埔中医药联合创新研究院进行设备数据与中医验证实验。

脉诊仪选用主要考虑以下两个因素：①与中医诊断的一致性：脉诊仪不仅仅要做到数据的客观化，传感器数据转化成中医数据后与中医诊断的一致性是能否得到推广的关键，本研究的采用的脉诊仪基于中科微系统研究生已有的压力传感器技术，对数据转化这部分进行了大量的医生验证实验，设备输出的脉象结果支持数据溯源功能，以求贴合临床。②便携性：脉诊数据属于信息密集型数据，对微型控制芯片（MCU）的运算能力要求极高，因此目前业内采用的脉诊仪体积过大，不适合家庭端使用。基于该痛点，本研究采用了具有边缘计算能力的网关，以及嵌入中医算法的大数据平台，将脉诊数据的计算分为三部分。即脉诊仪数据采集与噪音数据过滤、网关进行数据清洗与融合的数据预处理，大数据平台对数据进行中医转化。通过此方案使脉诊仪体型缩小，成本降低，有利于家庭端的使用。

舌诊仪主要包括两个部分，即图像采集和舌像特征处理。其关键技术难题在于光线差异对处理结果的影响。本研究认为图像采集的关键在于建立一个标准化的光照背景，对于不同场景下采集的图像由算法进行统一的标准化光线处理。

本研究采用的是清华大学陈虹团队研制的舌诊仪，其优势在于智能化的对图像光线进行削减、补足，达到在同一标准下对比的目的。同时在图像特征提取环节，对舌部进行分区特征提取与图像识别。

脉诊、舌诊两项检查为中医的基础检查，与西医的血糖、血压、体温有着类似的效果，都是基础指标。脉诊、舌诊诊断意义的普适性是成为基础指标的核心，这两项检查成本低、速度快、操作简单也是关键。因此本研究认为脉诊仪和舌诊仪未来的发展会朝着小型化、家庭化发展，同时也会降低使用壁垒，使居民能快速上手操作。

（2）智能家电

本研究智能家电选型为空调、空气净化器、智能马桶、冰箱、抽油烟机、饮水机、睡眠仪。涉及品牌有美的、方太、涂鸦等公司，且均已打通数据接口，实现跨平台数据接入。智能家电执行数据采集与干预操作，分别对环境、饮食、二便、睡眠进行监测与干预。

（3）可穿戴设备

研究计划采用手环作为可穿戴设备监测用户的运动、血氧、睡眠等数据，目前尚未打通该项设备的数据接口。

（4）基础传感器

本研究基于涂鸦物联网生态采用了运动传感器、光照传感器、毫米波传感器、温湿度传感器、空气质量传感器分别监测居家环境、个人活动数据。

2.2.2 数据传输

多类硬件的接入要求传输层使用的通信技术更加多元化以实现数据的互联互通，因此在传输层先以蓝牙、NB-Iot 技术构建以患者为中心的体域网，对于家庭端硬件以Zigbee、蓝牙、WiFi为接入网。以5G、以太网和核心网，以此来实现数据的实时动态传输。

考虑到居家健康数据多模态、大体量的特点，本研究在中间层加入了智能健康网关。该网关具有以下3 个功能：①中控：居家健康场景集成了智能家电、便携式医疗设备、传感器、可穿戴设备多方面跨平台硬件装备，其连接方式、网络协议都具有差异性，该网关对场景下硬件进行统一管理以实现网络互联。②边缘计算：居家数据具有时间长、体量大、维度多等特点，在网关搭载边缘计算技术，作为连接接入网与核心网的桥梁对居家数据进行初步清洗，筛选掉脏数据、涉及个人隐私的数据，并进行数据融合。可以有效减少请求响应时间、提升电池续航能力、减少网络带宽同时保证数据的安全性和私密性。③信息安全：网关强化了内网的安全防御壁垒，对于恶意入侵行为，使其接触目标更难。以零信任模型为例，强化了客户端的认证，对于非合法认证过的用户，网络层就会拦截其访问，也就意味着隐藏。实际提供服务的入口，减少了攻击面，将安全的弱点转移到了人的一侧。

系统架构如图3 所示，采集层数据可基于系统架构经传输层与中间层存储至数据层，在平台层进行数据标记、分析等业务，应用层可调取平台层数据进行具体应用的开发。

2.3 数据标记

数据采集并传输到数据层后，将在广东省中医药联合创新研究院自主研发的中医大数据平台中把之前采集的饮食、运动作息、居家环境、常用生理指标四类数据进行中医转化处理，调研联创明医医院10名中医师意见后，依据不同的中医辨证模型对数据进行标记。表3 为以九大体质居家数据特征举例，本研究已有设备与中医体质的特征标注方式表。

表3 居家数据中医特征标记表

不同体质的人在体型体格、活动、寒热、饮食、二便等多个方面会呈现不同的特征。燥邪会导致皮肤、爪甲干枯少津，皮肤油性能反应湿邪、热邪的情况。个人声音响度、频率与往常值比较的波动可以有效反应用户情绪波动。室内运动轨迹、活动强度可以反应用户的劳逸情况。饮水量、水温可以一定程度上反应个人津液情况以及寒热阴阳情况。

中医“天人合一”的理念认为人和环境是有机统一的[38]，本系统也从环境角度，通过环境相关数据的采集来反应个人的生活状态。图4为设备采集的环境数据关系图。

图4 设备采集的环境数据

“外感六淫”“内生五邪”与季节性有强关联关系，如空气湿度长期过大导致的风湿性关节炎频繁发作、室内空调温度长期过低导致的阳虚症状、以及室内空气流动率过高导致的外感疾病等。采集这些数据在中医理论上可以有效支撑临床对于病因的诊断。

3 实践案例

本模型目前已在广东省新黄埔中医药联合创新研究院形成应用场景，搭建了物联网云平台、大数据平台、居家健康管理平台，形成了硬件数据、生活数据、中医数据、算法语言、干预指令的生态闭环，初步建立基于物联网的中医居家健康应用场景。

3.1 数据采集与管理

（1）大小便数据采集

本研究利用智能采集了人物居家场景下的大小便的时间与次数，同时通过饮食量表的方式记录了用户的饮食种类。图5为实地采集的大小便次数图，图6为饮食记录量表图。

图5 大小便次数

图6 饮食量表

（2）睡眠数据采集

基于睡眠仪对用户睡眠进行了跟踪测试，采集了用户居家场景下用户睡眠数据。中医物联网云平台对物联网节点进行管理，通过物联网逻辑网络图实时监控每个节点的数据传输情况。在本平台上对生活数据进行第一步清洗，筛除掉重复性高对个体健康意义不大的数据，减轻算法程序工作量。图7 为睡眠数据监测图。图8为物联网云平台界面图。

图7 睡眠数据

图8 物联网云平台（硬件数据管理）

3.2 设备数据归类为生活数据

居家健康管理平台将之前的硬件数据分类为环境、饮食、作息、生理四大类生活数据，并根据家庭实际情况生成图形，定位每个数据产生的地点与时间，形成用户居家生活的数据链。图9为居家健康管理平台生活数据展示界面。

图9 居家健康管理平台（生活数据）

3.3 生活数据标记为中医数据

居家健康管理平台健康监测界面将之前的生活数据代入中医知识模型，如“精气神”、“九大体质”、“经络模型”，建立生活数据与中医知识模型的关联关系。得出用户健康状态结论，同时将结论与临床专家诊断结果进行比对验证一致性，通过算法的迭代优化使之与真实世界进一步贴合。图10 为居家健康管理平台中医数据展示界面。

图10 居家健康管理平台（中医数据）

4 总结

本文从中医的特点及医疗物联网在国内外的发展进程论证了研究基于中医物联网的家庭端数据采集与干预模型的必要性，以物联网在中医和西医领域的应用对比，发现了中医物联网缺乏统一的数据接口和管理平台标准，中医智能装备数量和种类的研究还需突破的问题，并基于此提出了一种中医物联网家庭端数据采集系统，以期打通智慧医疗在家庭端的的“最后一公里”。

本系统的意义在于提出了从物联网设备监测的角度建立生活数据与中医症状之间的关联关系，并初步提出了从设备数据到中医数据转化的技术路线图，以及生活数据与中医数据的关联关系，提供了完整的数据采集、清洗、标注、分类思路。

不足之处在于目前采集的数据量还不足以建立生活数据与中医症状之间的函数印射模型。生活数据中包含了文字、数字、图片、符号等多源异构数据，如通过对大便进行图像识别，建立与中医医生判断的大便粘滞、大便干结的关联关系，通过对个人饮食谱进行分析建立其与食少纳差、饮食偏嗜之间的关系。其中所要进行的工作体量还非常大，这个是团队之后会继续研究的方向。

5 展望

模型的搭建能有效地弥补中医临床诊断数据采集的局限性，有利于提高中医诊断的准确率，并通过对用户生活的数据跟踪以及健康干预，使患者能更好的执行医嘱，保持健康。同时对于我国医疗资源不足地区的居民，本系统可以使医生能同时监控更多的患者，对数据变化异常的用户进行提前干预，从而降低发病风险。但是目前基于中医理论开发出来的智能辩证算法多以临床数据为基础，当下学界还缺少关于生活数据的中医算法研究。中医的生命力在于临床，更在于万家灯火，让中医借助现代物联网技术融入千家万户的生活，从而对目前大量的慢性病患者进行有效的追踪与干预，是本团队下一步研究所考虑的问题，也是每一个中医从业人员都需要思考的问题。