人口老齡化已經(jīng)成為當(dāng)今世界的一個(gè)突出問題。中國是世界上老年人口最多、增長最快的國家，預(yù)計(jì)到21 世紀(jì)上半葉，中國60 歲以上的老齡人口將于2040 年前后達(dá)到4 億左右，于2050 年達(dá)到峰值。
數(shù)據(jù)來源：中國老齡事業(yè)發(fā)展報(bào)告（2013）、全國老齡工作委員會(huì)辦公室
人口老齡化將帶來一系列的問題，首先，人口老齡化問題的日益嚴(yán)重，與有限的醫(yī)療資源之間形成矛盾；其次，隨著社會(huì)的發(fā)展，人們越來越關(guān)注自身的健康狀況，同時(shí)，隨著需要醫(yī)療社會(huì)保障的老齡化人口急劇增加，將會(huì)導(dǎo)致以“醫(yī)院為中心”的醫(yī)療資源相對而言更加匱乏；再次，社會(huì)科技的發(fā)展和人們對醫(yī)療服務(wù)水平要求不斷提高，導(dǎo)致個(gè)性化醫(yī)療服務(wù)成為更多人的期望和選擇；最后，“看病難，看病貴”成為困擾人民生活的一個(gè)大問題，特別是隨著物價(jià)的不斷增長，此問題尤為突出，從而更加劇了個(gè)人醫(yī)療健康方面的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。以上這些情況致使我們迫切需要一種能夠有效解決這些問題的新技術(shù)、新方法，以提供有效的解決方案。因此，可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)是最佳的選擇。
可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，將醫(yī)療重點(diǎn)從醫(yī)院轉(zhuǎn)向社區(qū)(家庭、個(gè)人)，促進(jìn)疾病的預(yù)防，做到早發(fā)現(xiàn)、早診治，為人們提供良好的居住和就醫(yī)環(huán)境，提高生活質(zhì)量。它是實(shí)現(xiàn)醫(yī)院、社區(qū)、家庭與個(gè)人相結(jié)合的一種有效方式，是緩解人們對健康監(jiān)測需求與醫(yī)療資源有限的有效途徑。可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)已成為當(dāng)今備受關(guān)注的新興前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域之一。
什么是可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)？
可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)也可稱為可穿戴網(wǎng)絡(luò)，是以提供低成本智能化e-healthcare或u-healthcare服務(wù)為目標(biāo)，基于傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以可穿戴計(jì)算為基礎(chǔ)通過有線(或無線)網(wǎng)絡(luò)對人體的生理、活動(dòng)、位置及環(huán)境等上下文信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、多層融合，并對這些信息進(jìn)行本地或者遠(yuǎn)程處理，以對用戶當(dāng)前或以后的身體狀況做出診斷或預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它是一種集通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域的一種技術(shù)手段，能夠?yàn)椴∪颂峁┑拓?fù)荷、非入侵式、長期連續(xù)的生理監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)病人、醫(yī)院、家屬之間的及時(shí)溝通、實(shí)時(shí)聯(lián)系，以及醫(yī)院與醫(yī)院間的信息交流、方便會(huì)診，使醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)實(shí)現(xiàn)信息通達(dá)共享，大幅提升醫(yī)療服務(wù)。
可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的實(shí)際應(yīng)用之一，被認(rèn)為是最有效和最實(shí)際可行的新一代醫(yī)療監(jiān)測模式和手段，是保障醫(yī)療健康和醫(yī)療服務(wù)模式轉(zhuǎn)變(從傳統(tǒng)的以醫(yī)院為中心向以社區(qū)為中心、以家庭為中心和以個(gè)人為中心的轉(zhuǎn)變)的核心新技術(shù)。社區(qū)醫(yī)療指以社區(qū)為范圍、以家庭為單位、以健康為中心，集預(yù)防、醫(yī)療、保健、康復(fù)、健康教育等為一體的綜合服務(wù)。
健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該具有安全、有效，以病人為中心的特點(diǎn)，并提供實(shí)時(shí)、有效、公平的醫(yī)療等相關(guān)服務(wù)?？纱┐饔?jì)算給傳感器和監(jiān)測設(shè)備提供了一個(gè)監(jiān)測個(gè)人生理狀況的平臺(tái)，從用戶的角度來看，系統(tǒng)應(yīng)滿足的特征，如圖1所示。
圖1 從用戶角度可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)具有的特征
可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)
本文在已有的研究工作中給出了一種全面的體域網(wǎng)(body sensor network，BSN)架構(gòu)，如圖2 所示。該架構(gòu)包含三個(gè)層次：①第一層包含一組具有檢測功能的傳感器節(jié)點(diǎn)或設(shè)備，由于受資源限制，它們的功能經(jīng)過了簡化設(shè)計(jì)；②第二層包含轉(zhuǎn)發(fā)和匯聚節(jié)點(diǎn)，它們分別負(fù)責(zé)臨時(shí)存儲(chǔ)從第一層收集上來的數(shù)據(jù)，并與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信；③第三層包括提供各種應(yīng)用服務(wù)的遠(yuǎn)程服務(wù)器的外部網(wǎng)絡(luò)，例如，醫(yī)療服務(wù)器保留注冊用戶的電子醫(yī)療記錄，并向這些用戶、醫(yī)務(wù)人員和護(hù)理人員提供相應(yīng)服務(wù)。
圖2 BSN 系統(tǒng)架構(gòu)
在以上基礎(chǔ)上，進(jìn)一步給出本文中可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)對應(yīng)的系統(tǒng)總體架構(gòu)，以清晰地說明可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)中包含哪些元素及其之間的關(guān)系，如圖3 所示。
圖3 可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)
架構(gòu)中包括兩種典型場景：①在家庭或醫(yī)院對人體生理參數(shù)進(jìn)行檢測、采集、處理，對病人的健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；②在室外某一區(qū)域內(nèi)，在監(jiān)測人體健康狀態(tài)的同時(shí)考慮到位置和周圍環(huán)境信息，對人體的活動(dòng)和醫(yī)療健康行為進(jìn)行監(jiān)測?？纱┐鹘】当O(jiān)測系統(tǒng)中的核心元素包括系統(tǒng)用戶、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)、匯聚節(jié)點(diǎn)、體上傳感器節(jié)點(diǎn)、位置及周圍環(huán)境傳感器節(jié)點(diǎn)、醫(yī)療社會(huì)網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療健康云(包括存儲(chǔ)服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、計(jì)算服務(wù)器以及健康狀態(tài)預(yù)測及趨勢分析服務(wù))、由生理參數(shù)組成的高維用戶屬性信息、個(gè)性化智能醫(yī)療健康服務(wù)、藍(lán)牙(bluetooth)和無線IEEE 802.15.4 通信協(xié)議等。“互聯(lián)網(wǎng)”是“醫(yī)療社會(huì)網(wǎng)絡(luò)”和“醫(yī)療健康云”的容器，而“移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)”是WHMS 泛在接入和數(shù)據(jù)交換的一種通信方式。系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)需求是：通過采集以人體為中心的相關(guān)參數(shù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，向用戶提供個(gè)性化智能醫(yī)療健康服務(wù)（iiiService），iiiService 具體包括醫(yī)療健康數(shù)據(jù)服務(wù)、健康咨詢服務(wù)、健康狀態(tài)預(yù)測分析服務(wù)、藥物(醫(yī)院、醫(yī)生、醫(yī)療保健設(shè)備等)推薦服務(wù)、生理信息服務(wù)、健康提醒服務(wù)以及醫(yī)療文獻(xiàn)檢索服務(wù)等。
“醫(yī)療健康云”在匯聚了所有系統(tǒng)用戶的各類數(shù)據(jù)和信息后，可以聯(lián)合用戶所屬醫(yī)療衛(wèi)生單位以接入居民健康檔案信息，如果有必要，可以連接各個(gè)(當(dāng)?shù)?醫(yī)院，并可借此進(jìn)一步與醫(yī)院的上屬管理機(jī)構(gòu)(包括醫(yī)藥管理、保健管理、醫(yī)療設(shè)備的管理等)進(jìn)行連接。
要構(gòu)建“醫(yī)療健康云”，首先需要在互聯(lián)網(wǎng)上添加擁有強(qiáng)大的信息資源的節(jié)點(diǎn)或子網(wǎng)絡(luò)集群，這些資源包括存儲(chǔ)資源、計(jì)算資源、軟件資源、數(shù)據(jù)資源和管理資源等；然后，構(gòu)建面向醫(yī)療健康的云計(jì)算軟件平臺(tái)(包括底層分布式架構(gòu)和服務(wù)、分布式算法、并行策略、負(fù)載平衡機(jī)制和應(yīng)用架構(gòu)等)；最后，應(yīng)用數(shù)據(jù)融合和大數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)，通過互聯(lián)網(wǎng)以軟件即服務(wù)(SaaS)方式或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)向系統(tǒng)用戶提供所需的個(gè)性化智能醫(yī)療健康定制服務(wù)。
相比于應(yīng)用云平臺(tái)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的用于醫(yī)院管理的“內(nèi)部私有云”，“醫(yī)療健康云”是對“私有云”的進(jìn)一步增強(qiáng)和擴(kuò)展，是一種醫(yī)療衛(wèi)生信息擴(kuò)大化的產(chǎn)業(yè)模式，具有全局性，功能更加強(qiáng)大，能夠提供更多的醫(yī)療信息服務(wù)。傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)中包含遠(yuǎn)程服務(wù)器，而可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)也能夠提供遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)并包含云服務(wù)器，二者的區(qū)別在于：前者只能存儲(chǔ)當(dāng)前用戶的所有醫(yī)療健康數(shù)據(jù)，而云服務(wù)器可以存儲(chǔ)所有用戶的歷史醫(yī)療健康數(shù)據(jù)，包括分布式存儲(chǔ)和并行計(jì)算、高性能計(jì)算機(jī)和并行網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。因?yàn)椴豢赡苊恳粋€(gè)用戶都被分配一個(gè)遠(yuǎn)程服務(wù)器，所以在功能和作用上后者涵蓋了前者。
該架構(gòu)不僅充分考慮到可穿戴系統(tǒng)，還考慮到資源受限(能量、計(jì)算、帶寬等)的問題，并結(jié)合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)時(shí)代的特征，同時(shí)形成了一個(gè)完整的醫(yī)療健康服務(wù)的閉環(huán)。具體表現(xiàn)在：用戶相關(guān)的數(shù)據(jù)(生理參數(shù)、屬性信息、位置信息、周圍環(huán)境、動(dòng)作和醫(yī)療健康行為信息)上傳到“醫(yī)療健康云”服務(wù)器，在“計(jì)算服務(wù)器”內(nèi)進(jìn)行高層次的融合處理，并對健康狀態(tài)進(jìn)行決策、分析健康狀態(tài)趨勢和用戶偏好信息以提供個(gè)性化醫(yī)療健康服務(wù)。最后，從云端向用戶推送個(gè)性化智能服務(wù)，如制定更加合理的保健護(hù)理或治療決策，發(fā)現(xiàn)不正常狀態(tài)或系統(tǒng)用戶，個(gè)性化推薦藥品、醫(yī)療器械、醫(yī)生和治療方案等。
此外，可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)還關(guān)系到某些社會(huì)問題，這些問題的解決程度和速度都直接影響可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)的全面實(shí)施，例如，以下三項(xiàng)問題：①醫(yī)療費(fèi)用與法律問題；②感知數(shù)據(jù)醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化問題；③個(gè)人從觀念上對該種健康監(jiān)測方式的接受程度問題。
未來展望
可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)將會(huì)朝著社交化、智能化、傳感器節(jié)點(diǎn)微型化、可移動(dòng)、可穿戴、可植入和強(qiáng)交互性的方向發(fā)展，并將多種通信技術(shù)和組網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，能構(gòu)造可調(diào)整精度的、大規(guī)模、全面的“醫(yī)療健康云”平臺(tái)。在技術(shù)上將會(huì)越來越多地涉及數(shù)據(jù)融合、大規(guī)模醫(yī)療社會(huì)網(wǎng)絡(luò)及其數(shù)據(jù)挖掘、MAC協(xié)議、能量、并行及分布式算法等研究領(lǐng)域。以可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)為核心的這種醫(yī)學(xué)模式的思想是鼓勵(lì)整個(gè)國家疾病預(yù)防的參與者以使預(yù)先治療可以達(dá)到普及和個(gè)性化的醫(yī)療保健。未來可穿戴醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展必須具有以下趨勢和特點(diǎn)。
(1)更小、更舒適?？纱┐魇结t(yī)療裝置幾乎不影響用戶，甚至消失在我們周圍的人工節(jié)點(diǎn)設(shè)備中，從而人們會(huì)接受并愿意使用可穿戴式醫(yī)療設(shè)備，使普及化和個(gè)性化醫(yī)療得以實(shí)現(xiàn)。
(2)實(shí)時(shí)、高診斷和警報(bào)。準(zhǔn)確、及時(shí)的診斷以及警報(bào)，并提供可預(yù)防性藥物。
(3)健康狀態(tài)識(shí)別與調(diào)節(jié)。通過數(shù)據(jù)挖掘獲得長期的、連續(xù)的多參數(shù)生理數(shù)據(jù)識(shí)別健康狀況，并給予適當(dāng)?shù)闹委?、干預(yù)和調(diào)節(jié)，如生物反饋訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)會(huì)使病人或亞健康的人以相對較低的醫(yī)療成本恢復(fù)健康。這意味著在疾病變得復(fù)雜和失去控制之前將花費(fèi)更少的時(shí)間和費(fèi)用。這是節(jié)約資源和提供預(yù)防性藥物的有效方法。
(4)社會(huì)醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)更具吸引力。社會(huì)網(wǎng)絡(luò)可以影響人們的情緒、行為和生活方式。更多有吸引力的可穿戴式醫(yī)療產(chǎn)品、更多的人將加入提高參與性和普遍性的藥物的體能訓(xùn)練。
本文摘編自宮繼兵著《可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合》第一章部分內(nèi)容，略有刪減改動(dòng)。
《可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合》
作者：宮繼兵
責(zé)任編輯：余丁，閆悅
北京：科學(xué)出版社，2015.11
ISBN：978-7-03-044941-2
《可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合》從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合著手，側(cè)重介紹可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合的新技術(shù)、新方法。與傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，大規(guī)模復(fù)雜傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點(diǎn)類型更多、智能性要求更高、系統(tǒng)復(fù)雜性更強(qiáng)等特點(diǎn)。
本書從以下方面展開介紹：①闡述新的多偏好驅(qū)動(dòng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合機(jī)制/模型；②給出節(jié)點(diǎn)上面向數(shù)據(jù)級融合的輕量級自適應(yīng)時(shí)間序列特征抽取機(jī)制；③介紹面向決策級融合的大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一建模及分析方法；④介紹大規(guī)模醫(yī)療社會(huì)網(wǎng)絡(luò)；⑤醫(yī)療社會(huì)網(wǎng)絡(luò)醫(yī)生推薦模型的研究。
（本期編輯：小文）
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