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1、 医疗物联网文献综述 张琦+穆远威摘 要：随着时代的发展与病患日益增长的需求，在医疗领域进行了较多有关物联网技术应用的探索和尝试，医疗物联网系统分为感知层、传输层和应用层。传感仪器是感知层的核心，可利用光学技术、压敏技术和RFID技术等获取患者信息；传输层包括由GPRS、WiFi、蓝牙等无线传输方式和网络技术结合形成的无线传输网络；应用层包括应用系统平台、数据处理算法等，可进行医疗智能化管理。对医疗物联网的3个层次分别展开系统分析，指出了医疗物联网系统中存在的问题。Key：医疗物联网；传感器；安全；进展：TP391 ：A ：2095-1302（2017）12-00-030 引 言随着经济与科技
2、的发展，人们的生活品质稳步提高，对自身健康的需求也日益增强。为了推动医疗卫生服务模式的发展，医疗物联网（Medical Internet of Things，MIoT）应运而生。医疗物联网服务于医疗卫生领域，综合运用光学技术、压敏技术和RFID技术等先进技术手段，结合多种医疗传感器，通过传感网络按照约定协议，借助移动终端、嵌入式计算装置和医疗信息处理平台进行信息交换。本文对医疗物联网的3层架构和医疗传感仪器与感知方法进行分析，提出了现阶段物联网技术在现代医疗领域存在的问题。1 医疗物联网感知层感知层在医疗物联网中占有重要地位，也是当前整个产业链技术发展的难点。产业技术的进步推动着医疗物联网的发
3、展，同时产业的提升又对技术有了更高的要求。研究具有强稳定性和高精度的传感器是当前最主要的问题。1.1 感知层中应用技术的发展应用技术在感知层中应用较广，现选取当前主流的、已被大量应用的技术进行阐述。1.1.1 光学技术的发展光学技术具有不受电磁干扰等特性，高频电极、阻抗传感器和温度传感器对光学技术均无干扰1。当前，光学检测主要应用在溶液物质浓度、医疗器械设计等方面。Michel等使用光学纤维研究的小型可替换式等离子体传感器可以对溶液盐分浓度进行高精度检测，精度高达4.8 W/ppt2。Kim等制作了一种适合生物医学应用光学纤维横向耦合的力传感器3。Chen等使用光纤核心微探针对一小簇细胞的pH
4、值进行实时监控4。Kim等研发的基于心脏消融导管的光作用力学传感器，是一种透明、灵活且可伸缩的由PDMS（聚二甲基硅氧烷）薄膜形成气腔的光学传感器，可对心脏消融病症起到预防作用1。1.1.2 压敏技术的发展压敏技术普遍应用于工业行业，如触摸屏、真空设备和飞机上的气压检测设备等，都需将压力转换为电信号。Kwak等采用半封闭型电极，制作了一种径向扩张硅胶管一次性电容式压力传感器，适用于试剂药品的分配过程5。Lee等研究了基于无色聚酰亚胺嵌入银纳米线层的压敏应变传感器，该传感器将银纳米线和cPI结合产生轻薄、透明且结构稳定的电极，其灵敏度是传统压力传感器的4倍，还可以将其嵌入手腕皮肤中6，如图1所示
5、。1.1.3 RFID技术的发展朱洪波等设计了一个急救系统，通过应用 RFID 卡保存用户的医疗档案和个人信息，并由医院服务器负责接收、处理、存储这些医疗数据。医护人员在对病人做医护处理前，可通过 PDA读取患者RFID医疗卡上的信息，了解患者的病史和血型等。除了获取信息，医护人员也可通过PDA记录患者的伤情信息和简单救治情况，并利用无线通信发送给医院，使得医院在第一时间了解状况，做好术前准备。通过该系统的运用，救护车运送病人与医院术前准备过程可同步进行，缩短了急救时间，提高了医院急救效率，尤其对严重昏迷患者而言，更是加大了挽救生命的砝码7。1.1.4 其他先进传感器其他主流传感器包括监测溶液
6、温度传感器、pH值传感器、DNA传感器和湿度传感器等。Salvo等使用处于2543温度范围内的人体血清样品进行测试时，与恒温槽中设定的参考值相比，该传感器的灵敏度为（11010） /，误差为（0.40.1）；基于氧化石墨烯（GO）敏感涂层的pH传感器在410的pH值范围内其灵敏度为（404） mV/pH 8。Singh等为检测病菌是否破坏了心脏瓣膜而设计了一款超灵敏的纳米杂化DNA传感器，可用于人类冠状大动脉心脏瓣膜早期感染的紧急诊断和医疗护理9。Bhattacharjee等基于移动性的点对点肺功能检测，设计了一种纳米功能纸张湿度传感器，达到了令人满意的效果，其参数如图2所示10。图2（A）显
7、示了纸张传感器和微型加热器的图像，刻度棒为5 mm。图2（B）显示了6次循环呼吸的标准化电阻（RN = R / Ri）随时间t的变化以及干燥N2气的对照实验。图2（C）显示了不同长度喉舌（LMP）的R的变化情况RSD=1.27%。2 医疗物联网传输层2.1 常用的医疗物联网无线传输方法2.1.1 WiFi技术WiFi拥有宽带高、传输速度快等優点主要用于电脑、智能手机等的通信，。王曦等通过WiFi技术将信息技术运用到个人医疗设备上，并提出整合互联网与社会医疗资源，建立一套面向病患、围绕病患的新型社区医疗信息系统11。在周传彬等设计的基于WiFi的便携式心电监护定位系统中，WiFi 模块从单片机中
8、接收到的心电数据经 WiFi传输到PC端的心电监护中心，可以实现对病患位置实时跟踪定位的功能，以便医护人员及时对病发患者进行有效救治12。2.1.2 GPRS技术GPRS技术多用作系统管理中主要技术的辅助技术。罗松等针对现有医疗废物管理过程中存在的问题，利用GPRS技术，提出对医疗废物收集、运输和处理全过程进行实时跟踪和监控的管理系统，对系统架构、工作原理和通信系统的设计进行了详细阐述13。余海钱等基于GPRS技术设计了便携式健康检测系统，成果显著14。王闯瑞设计了基于GPRS的远程心电监控系统15。endprint2.1.3 蓝牙通信技术蓝牙通信技术拥有功耗低，传输速率快等优点，是目前适用于
9、医疗物联网的短距离无线通讯技术。薛万国等提出了基于蓝牙4.0的远程监护医疗物联网系统，该系统采用蓝牙EDR芯片，传输速率可达2 Mb/s，解决了像12导心电仪等对宽带要求较高的医疗设备的数据传输问题16。王彩峰等设计了一种新型便携式医疗监护系统，以MSP430系列单片机作为微控制器，利用蓝牙技术实现远程无线控制，系统可实时检测人体心电信号、呼吸、血压、脉搏和体温等生理参数，满足了监护仪的便携性、低成本和网络化等要求17。3 医疗物联网应用层3.1 应用平台或系统应用物联网系统的卫生保健设备随着信息技术的发展逐渐受到更多人的关注，可以远程对患者进行病情监控及疾病预诊断，也可对医学生进行教育。Wo
10、o等研发了一个可靠的基于M2M个人健康保健设备的物联网系统18。Amin等使用无线医疗传感器网络开发了一个稳定、匿名的患者监控系统，可同时为移动用户提供匿名保护和双向认证协议，并在协议中加入密码分析，以保证协议可承受当前已知的攻击。实验证明，该系统具有极佳的安全性19。Ali等基于物联网开发了一个医疗教育轻学习平台20。3.2 应用层的协议/算法进展Krishna等对物联网实时应用中的低功耗和有损网络的路由协议进行了分析21。Jiang等开发了用于医疗应用的认知无线网络中基于连接的最大信道分配算法22。Lounis等为医疗无线传感器网提供了安全的云架构，即在云端治疗疾病，不仅可确保患者和主治医
11、生知晓情况的安全性，还支持复杂、动态的安全访问控制与紧急情况处理，模拟实验取得了良好的效果23。4 结 语医疗物联网是一个极其庞大复杂的系统，关于其体系架构的研究既是基础性的工作又是影响未来发展的关键。在介绍现阶段医疗物联网3个层次的基础上，对医疗物联网体系架构及相关关键技术进行了详细探讨，包括关键技术、传感器和安全问题等。随着科技的不断发展，将会有越来越多的先进科技融入医疗物联网中，推动医疗物联网的发展。虽然国内外对于物联网相关技术逐渐重视，但相关标准体系和技术规范还处于逐步完善的过程中，需要更多的人去探索，并进行相关基础性的研究工作。Reference1 C Jang Ah Kim， Ki
12、hong Park， Changmin Kim， et al.Optical contact force monitoring sensor for cardiac ablation cathetersJ.Optik-International Journal for Light and Electron Optics，2016，127（24）：11823-11827.2 David Michel， Feng Xiao， Kamal Alameh. A compact， flexible fiber-optic Surface Plasmon Resonance sensor with cha
13、ngeable sensor chipsJ.Sensors and Actuators B Chemical，2017，246（5）：258-261.3 Jang Ah Kim， Atul Kulkarni， Changmin Kim，et al.Fiber Optic Lateral Coupling Force Sensor for Biomedical ApplicationsJ.Procedia Engineering， 2016，168：1227-1230.4 Sisi Chen， Qingbo Yang， Hai Xiao， et al.Local pH monitoring of
14、 small cluster of cells using a fiber-optic dual-core micro-probeJ.Sensors and Actuators B： Chemical，2017，241：398-405.5 Jiyeon Kwak， Angus I Kingon， Seung-Hyun Kim.Lead-free （Na0.5，K0.5）NbO3thin films for the implantable piezoelectricJ.medical sensor applications， Materials Letters， 2012，82（1）： 130-
15、132.6 Chan-Jae Lee， Sungwoo Jun， Byeong-Kwon Ju， et al. Pressure-sensitive strain sensor based on a single percolated Ag nanowire layer embedded in colorless polyimideJ. Physica B Condensed Matter，2017，514（1）8-12.7朱洪波，杨龙祥，朱琦.物联网技术進展与应用J.南京邮电大学学报（自然科学版），2011，31（1）：1-9.8 P Salvo， N Calisi， B Melai， et al. Di Francesco， Temperature and pH sensors based on graphenic materialsJ. Biosensors and Bioelectronics，2017，91（15）：870-877.9 Swati Singh， Ankur Kaushal， Hemlata Gautam， et al.Ultrasensitive nanohybrid DNA sensor for detection of pathogen to prevent damage of heart valvesJ.Sensors and Actuator
