医疗物联网文献综述

0 引 言

随着经济与科技的发展，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 μW/ppt[2]。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 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。

图1 电容对人体手腕上传感器的施加力

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 25 ～43℃ 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）Ω/℃，误差为（0.40.1）℃ ；基于氧化石墨烯（GO）敏感涂层的 pH 传感器在 4 ～10 的 pH 值范围内其灵敏度为（40 4）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 纸张传感器和微型加热器的图像及参数

图 2（A）显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ΔR 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、传输速度快等优点主要用于电脑、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]。

2.1.3 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。Woo 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。