智慧健康系统架构研究

0　引言 经过十几年的努力，我国的医疗卫生信息化建设取得了十分显著的成果，绝大部分医疗机构都引入了医院信息系统（Hospital Information System，HIS）、实验室信息系统（Laboratory Information System，LIS）、影像归档和通信系统（Picture Archiving and Communication Systems，PACS）等信息系统［1］。但是这些信息系统建设的主要目的是提升医院的管理和医疗效率，降低医疗活动的成本。随着社会经济的发展，这样传统的以医疗机构为中心的信息系统构建显然不能满足人们日渐增长的健康需求，医疗服务模式也逐渐转向以患者为中心［2］。另一方面，近年来智能手机的迅速普及，移动通信进入3G乃至4G时代也为以用户为中心提供健康服务起到了极大的推进作用。随着信息通信技术与健康产业的融合逐步深入，健康数据井喷式增长，大数据及云计算技术也运用到了医疗领域［3-4］。在此基础上，物联网技术的兴起使得“互联网+”医疗、智慧健康等概念随之产生。如何运用新兴信息通信技术进一步推进人口健康信息化发展，为人类提供更好的健康服务成为下一阶段的重要发展方向。 1　智慧健康概念及核心技术 1.1　智慧健康概念 信息通信技术在医疗领域的应用产生了电子健康（e-health）的概念，电子健康的发展也对降低医疗成本和提高医疗效率起到了至关重要的作用。在电子健康的基础上，随着移动设备的发展和普及，将医疗服务与带有定位功能的移动设备结合成为一个可行的方案，移动健康（m-health）成为一个新的研究热点。移动健康不仅具有电子健康所有的优势，还具有可监控性，即时性和可及性等优点。近年来，随着物联网的兴起和感知传感技术的发展，智慧健康的概念随着产生［5-6］。智慧健康是指以智能技术，健康技术，网络技术为支撑，为人类健康提供服务功能的复杂动态系统［7］。 1.2　医疗物联网技术 随着人类社会由工业时代买入信息时代，人们的医疗需求也由被动的医疗救治转变为主动健康管理。不仅患者希望自身疾病能够得到更加及时、专业的治疗，普通的健康人也需要实时获取自己的健康数据以便监测自己的健康状态。尤其随着我国工业化、城镇化进程的加深，人口老龄化问题逐渐突出，疾病谱和生态环境发生变化，慢性病和公共健康问题成为新的主要健康问题。这也对社会健康服务提出了更高的要求，慢性病的自我管理以及公共卫生问题的监控与预警必须要借助信息通信技术的帮助。物联网技术在其中就起到了关键性的作用。一方面，物联网的标识技术可以实时快捷的识别各种与医疗相关的信息，实现全面互联互通的信息化医疗系统［8-9］。智慧健康系统可以协助医院工作人员实现对人的智能化医疗和对物的智能化管理工作，支持通过采用采集、处理、存储、传输、共享等过程，最终实现医院内部的医疗信息、设备信息、药品信息、人员信息、管理信息的信息化等，实现物资管理可视化、医疗信息数字化、医疗过程数字化、医疗流程科学化、服务沟通人性化［10］。另一方面，物联网的传感技术可以通过设置在人体上的感知节点采集人体重要的健康数据参数。这些健康数据经过处理后经无线网络传输给医疗远程终端，医生在远程终端上获取健康数据从而判断用户的健康状况并进行反馈，即实现了远程医疗服务［11］。 1.3　健康大数据与云计算 健康领域的大数据主要由以下几个方面构成：（1）生命的整体性和疾病的复杂性，具体包括疾病的遗传和分子机制、基因和环境的交互作用以及病因学研究等数据；（2）医院信息化迅速发展产生的诸如电子病历、影像、检查检验等数据；（3）基因检测数据，随着基因测序成本降低将大大促进基因测序数据的增长；（4）医疗物联网建设，物联网技术引入到健康领域，通过其感知技术和标识技术将采集大量的健康数据［12-13］。由此可见，传统的数据库技术完全无法满足健康大数据在存储、运算等方面的需求，传统的数据分析方法也无法挖掘出其价值。利用云计算技术将是一个可行的解决途径。根据美国国家技术与标准研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的定义，云计算是一种模型，它可以实现随时随地，便捷地，随需应变地从可配置计算资源共享池中获取所需的资源（例如，网络、服务器、存储、应用、及服务），资源能够快速供应并释放，使管理资源的工作量和与服务提供商的交互减小到最低限度［14］。在智慧健康系统构建中，需要运用云计算技术实现数据储存、运算、传递，使用大数据的深度挖掘（deep mining）和知识发现（knowledge discover in database，KDD）等相关方法从数据中挖掘出有价值的信息，用以支持医疗决策，提供大规模流行病预警等［15-16］。 2　智慧健康体系架构 智慧健康系统的架构设计秉持着开放性、兼容性以及可扩展性的原则。在研究物联网及云计算体系架构设计的基础上，结合健康产业的实际业务需求，智慧健康系统的体系架构应分为五层，分别为物理层、感知层、数据层、网络层、应用层，见图1。物理层即为健康体系中涉及到的人和物。人包括医生、护士、患者以及其他与健康相关或有健康需求的人员。物即为健康相关物资，包括医疗设备，药品，医用消耗品等健康相关的实体物品。感知层一方面是通过标识技术如RFID对健康相关实体进行标识，以便后续的计算机化的管理；另一方面是通过传感技术如可穿戴设备，从感知节点获取人体的健康数据并上传。考虑到健康数据的复杂性和精准性的要求，感知层对采集的数据需要进行初步的加工，对数据的标准化程度决定了后续分析处理结果的可靠性，显得尤为重要。数据层主要指在医院内部信息化系统基础上形成的大数据与云计算平台。数据层应具有开放的接口以供各数据平台之间的数据互联互通，实现真正意义上的云存储和数据共享。网络层主要针对数据的传输和安全保密。随着移动通信技术的迅速发展，网络传输的方式多种多样，既有有线网络也有无线网络，通过无线WiFi、3G/4G移动网络、局域网和Internet等，实现全方位的网络覆盖。应用层可实现的功能多种多样，例如健康监测、流行病预警、电子病历浏览、远程医疗等等。 图1　智慧健康系统架构图 3　讨论 3.1　加快产业标准建设 智慧健康涉及到医疗、计算机、通信、物联网、大数据等诸多领域，如何促进各个领域内部及相互之间的互联互通是智慧健康亟待解决的第一个问题，加快推进各领域的标准建设就显得尤为重要。针对智慧健康架构而言，标准建设主要集中在以下几个方面：（1）物联网领域的标识体系、采集数据的标准化；（2）卫生保健领域的术语、数据字典、共享文档等诸多标准；（3）大数据领域的数据库结构、数据库接口标准等；（4）通信领域的网络接口标准，运行环境安全性标准等。行政管理部门应发挥其主导作用，促进各交叉行业间的合作，组织专业人员，加快相应标准规范的制定［17-18］。 3.2　加快传感器的研发及产业化 由于医疗本身的复杂性、敏感性以及隐私性，对医疗和健康管理专用的各类传感器提出了更高的要求。在加快传感器研发及产业化的过程中需注意以下三个问题：第一，医学是精准科学，对健康数据的精度要求非常高，传感器务必保障其数据真实准确［19-20］；第二，无线网络环境十分复杂，通过WIFI和移动3/4G传输数据安全性和传输效率均无法保证，如何使得健康数据及时高效且不失真的传输需要引起重视［21-22］；第三，目前市场上在用的健康专用传感器基本都是通过私有协议与封闭专用平台对接，开放性差，缺乏行业公认的公用协议，中国移动已经在前几年推出了规范物联网终端与M2M 平台间数据通信和用于终端规范管理的WMMP协议，值得智慧医疗产业在发展专用传感器时借鉴［23-24］。 3.3　注重隐私安全 智慧健康系统的数据来源十分复杂，采集到的数据可能不止反应了个人的健康状况，还可能显示其兴趣爱好、社会地位、家庭住址、收入、宗教信仰等等。尤其当这些相当私密的信息与健康数据夹杂在一起，更加加大了数据处理的难度［25］。对于个人隐私数据的保护，一方面要从技术上进行探索，在数据流通的每一个环节，应用隐私安全保护的工具和方法；另一方面需从政府监管和法律层面入手，出台相应的法律法规，明确个人隐私数据的边界和监管的实体职权部门，对隐私泄露行为严厉打击。希望通过各方共同努力，智慧健康系统能够更安全、更智能，更好的为人民提供方便快捷高效的健康服务。

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