一体化医疗物联网的建设框架与关键内容探讨
时间：2023-03-27 11:10:06 来源：千叶帆 本文已影响人
【作 者】 任斌，蒋昆，娄苗苗，苏玉成，杨喆，冯娟
空军军医大学第一附属医院，西安市，710032
物联网被正式列为国家新兴战略性产业后受到了前所未有的关注，将物联网技术应用到医院的建设中，可以极大地促进现代医院的信息化建设[1]。物联网最初的概念是基于射频识别（radio frequency identification,RFID）、传感器、小型化等技术将所有物体从感官和智能相连接[2]。物联网小型智能化的优势更适合提升医疗质量和医疗安全。
深入分析医院信息发展现状，探索运用物联网技术、云计算技术和大数据技术，进一步将医疗管理和质量监控由“人盯人”向“计算机盯人”转变，实时监控和规范医疗服务行为，提高医疗质量，降低医务人员工作强度[3]。依据上述思路，提出一体化医疗物联网建设目标：从医疗管理出发，基于医院现有信息化建设基础，运用物联网相关技术，探索在医疗行业的应用场景和方法，构建面向医疗质量和安全的物联网一体化服务平台。通过构建基于“一体化”的物联网架构，实现对医疗安全和质量管理的颠覆性创新。一体化医疗物联网技术架构，如图1所示。
图1 一体化医疗物联网技术架构Fig.1 Integrated medical IoT technology architecture
2.1 一体化物联网基础建设
基于“云管端”的设计思路，医院的相关物联网环境的搭建，实现一套网络、一套供电和一套管理。一套网络实现对3类业务的承载：以移动医护为核心的业务内网、以RFID/蓝牙/Lora/125K等射频技术为核心的医疗物联网、以患者服务应用为核心的互联网，真正实现一张全业务的无线网络。以这个思路为基础进行物联网基础设施建设，具体包括了感知层硬件环境和网络传输层硬件环境。医疗物联网基础设施架构，如图2所示。
图2 医疗物联网基础设施架构Fig.2 Healthcare IoT infrastructure architecture
感知层主要通过多种类型的医疗感知设备和信息采集设备来完成对对象的数据采集，利用各类多种生理信号采集传感器和信号采集方式协同完成对医疗信息的采集[4]。感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、终端、传感器网络等[5]。
RFID是一种高级的自动识别技术，通过无线射频方式进行非接触式的全双工数据通信，以对实物目标加以识别[6]。微机电系统（microelectro mechanical systems,MEMS）是指微型化的器件或器件的组合，把电子功能与机械的、光学的或其他的功能相结合的综合集成系统，采用微型结构，使之在极小的空间内达到智能化的功效[7]。网络传输层就是将感知层采集到的相关数据上传到信息系统中进行保管。
2.1.1 医疗物联网硬件基础设施建设
传感网络主要分为感知层硬件环境建设和网络传输层硬件环境，感知层硬件环境建设即在各幢大楼、病区、药房、人、物等任何需要被监管的区域及个体部署RFID、射频卡、摄像头等传感设备，同时包括体征监测设备（如可移动心电监测仪等）；
网络传输层硬件环境包括AP、网关等，组建全院级的物联网传感网络，实现对RFID、蓝牙、红外线、WiFi、ZigBee的全方面接入，以达到数据采集和传输的目的。
2.1.2 IT基础设施云计算环境建设
IT基础设施云计算环境建设主要包括基础设施即服务（infrastructure as a service,IaaS）环境和平台即服务（platform as a service,PaaS）环境，IaaS环境主要实现服务器虚拟化环境、网络虚拟化环境和存储虚拟化环境；
服务器虚拟化环境以1 000台物理服务器逻辑成10 000个虚拟机，作为云计算的主要基础环境，以此为基础构建计算资源池，主要解决弹性计算资源分配问题和分布式计算服务问题，分别解决的是IaaS层面和PaaS层面的问题[8]。
2.1.3 建设异构数据交换平台
异构数据交换平台所需开发的中间件主要涉及数据抽取、转换和加载（extraction transformation loading,ETL）中间件和ESB中间件。医疗物联网覆盖了种类繁多的传感器，由于底层硬件平台、操作系统和网络协议不同，其编程语言、数据模型，以及对相同概念的不同理解和不同描述，从而导致了不同传感器设备产生的数据的格式和语义不同。于是，在把这些传感器的数据集成起来的时候，就必须要解决其数据异构性的问题。针对此问题，通过“医疗物联网中间件”的概念来解决。医疗物联网中间件示意，如图3所示。
图3 医疗物联网中间件示意Fig.3 Schematic diagram of medical IoT middleware
采用ESB来实现医疗物联网中间件，并借助消息中间件来进行数据传递。ESB的基本原理是：通过标准的整合技术，将SOA、Web Services和XML等技术融合到统一的分布式架构中，搭建易于部署、可管理的整合基础设施。它既可集成新的应用服务，也可通过分解、包装遗留系统，使其提供服务接口，从而集成已有的应用[9]。
2.1.4 基于临床大数据的数据挖掘系统
通过建立临床大数据数据库，借助大数据处理、自然语言分析、机器学习、知识图谱等技术，对电子病历、检验检查、医疗影像、诊断数据、医嘱信息等进行有效的集成，形成以患者为中心的完整时间序列资源库。并利用数据挖掘算法，将这些数据之间可能存在各种潜在的相关性，或者包含潜在的因果关系，有效地挖掘数据中蕴藏的知识，实现大数据的深度解析，最终通过数据可视化技术，为临床医生和医疗管理者提供决策支持。
2.2 物联网安全管理应用建设
医疗物联网基础应用体系主要分为面向行政安全和面向医疗安全的两个子系列。行政安全方面包括患者和医护人员物联网身份识别和定位系统。医疗安全方面有多个应用，包括智慧病区应用、院内感染监控应用、人员安全应用、物联网用药安全应用和物资安全应用等院内应用，具体应用如下。
2.2.1 面向患者和医护人员的物联网身份识别和定位系统
为了保障行政安全，实现与出入权限控制、呼叫系统、视频监控系统、定位系统的全面联动，以达到通信、紧急求助、视频监控和定位的目的，基于物联网技术建立智能身份识别系统，可以提供给患者和医务人员分别使用，利用植入在ID卡、腕带中的存储芯片记录人员的基本信息[10]。
2.2.2 建设面向医疗安全的医疗物联网应用系统
智慧病区致力于病区统一化管理，为帮助医务人员在工作复杂繁重的病区环境中实现对患者的智能统一化管理工作，建设面向医疗安全的医疗物联网应用系统，充分利用人工智能等先进技术解放医护人员，提高工作效率，提供便捷化人性化服务，减少医患矛盾，提升医院整体形象[11]。
（1）床旁服务终端。
床旁服务终端通过物联网网络将各类医疗信息和资源以更简单直观的方式连通到床旁，在患者层面，集成了电子床头卡、费用查询、健康宣教、通知公告、消息提醒、生活娱乐、服务评价、呼叫及远程探视等诸多功能，为患者及家属呈现贴心便捷的服务窗口[12]；
在医护层面，集成了患者资料、医嘱及检查检验信息、电子病历等功能，医护人员借助床旁终端，可以随时查看患者的基本信息及各项指标数据，从而无需携带和翻阅大量的文档资料和电子材料，为医护人员提供便捷的工作站，为医护人员和患者打造信息交互与沟通的桥梁[13]。
（2）院内感染监控应用系统。
通过建立院内感染监控管理系统，以“计算机盯人”的形式代替人工，全面解决感染控制的各个环节，加强监控和数据采集，提供趋势分析和判断，院内感染监控管理系统具体包括手卫生管理系统、消毒物品管理系统、手术室ICU感染风险监控系统、医疗废物管理系统等[14]。
（3）用药安全应用系统。
为防止滥用药物，保障患者身体安全，提高服务质量，开发特殊药品跟踪管理系统、药品感知与识别系统、输液管理系统，针对特殊药品的全程跟踪，合理使用进行有效管控，通过图像识别或建立条形码数据库进行药品识别，有效地帮助发药人员正确发放药品，减少差错发生，提高服务满意度和医疗质量，同时准确监控输液患者全过程及状况、患者输液异常或结束及时提醒、对病区输液信息进行有效的统计和汇总。
（4）人员安全应用系统。
面向医疗质量与安全，以18项核心医疗制度为基础，全院人员配发智能工卡，结合前期实施的物联网网络，实现智能感应、紧急报警、人员定位、三级查房等管理功能，在监控室大屏可实时显示报警呼叫、行进轨迹等人员定位信息，当医护人员遇到危险的时候，可以触发智能工卡上的报警呼叫功能，安保人员将及时赶到现场进行救援。
（5）物品安全应用系统。
为了加强对高值耗材、移动资产的监管，基于RFID和物联网网络开发物品安全应用系统，通过对各个设备、高值耗材、移动资产、特殊药品贴上标签，进行实时定位和跟踪，对物品领用等进行权限控制，确保设备使用安全，实现对资产的信息化管理。实现了高值耗材入库、领用、出库、使用的全程信息化，确保了耗材使用全程监控，提高了管理效能和降低了工作难度，解决了护理人员每日手工纸质材料登记核对导致的易出错、核对慢等问题[15]。
2.3 物联网大数据应用建设
医疗物联网大数据应用体系以医疗物联网产生的大数据为基础，构建基于人工智能的医疗物联网大数据应用。
2.3.1 基于海量影像检索的辅助诊断系统
研发基于内容的图像检索技术，运用随机稀疏编码技术提取影像之间的相似图结构，并运用谱图分解技术将数据投影到低维空间，最后在低维空间运用常规的欧氏距离度量方法计算影像间相似度并按照相似度的大小排序输出检索结果。基于海量影像检索的辅助诊断系统，可以直观、全面地展现同种病症各个角度的影像特征，在医学教学和科研领域将发挥极大的作用。
2.3.2 基于大规模机器学习的心脏病判别与早期预警系统
患者佩带的便携式心电监护仪和血压仪等设备，可以持续地收集心脏病患者的体征数据，这些数据蕴藏着心脏病患者的病情变化。例如：针对心肌梗死患者，发病时的心电图和未发病时的心电图在特征上明显不同。该系统将在长期收集心脏病患者的心电数据和血压等数据的基础上，建立海量样本库，基于机器学习算法训练得到判别模型和预警模型。
2.4 一体化管理平台
一体化管理平台为医院物联网终端设备及应用模块提供基础公共服务及相关数据信息展示：①管理者驾驶舱BI和消息推送中心；
②系统安全应用，角色管理、用户管理、系统资源配置、物联网设备检测与分析等；
③终端设备准入、注销、状态查询等。一体化管理平台提供可视化图形界面对设备、应用和平台进行统一管理与配置，并对设备、应用实时监控以了解医院整个物联网的运行情况。对异常报警信息，平台通过院内短消息平台、邮件或短信等多种形式及时通知相关站点及人员。将各个物联网应用软件集中于平台软件，统一管理。
2.5 实施效果
实现了主要医疗区域的物联网感知网络全覆盖，搭建超770台物联网AP、部署1 610台RFID阅读器、下发有源标签5 300张、每月产生超过100 GB数据、总数据量4 200万条、部署智能工卡等相关应用系统11套，为医院质量安全、医疗绩效考核和医院流程再造提供数据依据。
虽然物联网相关技术逐渐得到重视，但相关标准体系和技术规范还处于逐步完善中，特别是面向医疗健康领域的特殊应用需求，还需要更多的探索和有成功案例支持的医疗物联网相关标准及技术规范。以后一体化医疗物联网的建设发展应朝着统筹信息系统与医疗服务网络、加强技术与标准的研发、降低医疗建设成本、提高患者隐私安全等方向完善。
从医疗管理出发，基于医院现有信息化建设基础，运用物联网相关技术，探索在医疗行业的应用场景和方法，构建面向医疗质量和安全的物联网一体化服务示范平台，在医疗质量与安全管理领域，将医疗服务和物联网技术有效结合，系统化和一体化创新建设，并运用大数据技术对物联网应用系统产生的海量数据进行价值挖掘。基于统一的业务标准、接入标准、数据标准、安全标准，为智慧医院物联网业务提供数据业务支撑能力，对智慧医院的长期发展构建自主可控的统一管理和数据平台尤为重要。
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