0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，人們的生活品質(zhì)穩(wěn)步提高，對(duì)自身健康的需求也日益增強(qiáng)。為了推動(dòng)醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)模式的發(fā)展，醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)（Medical Internet of Things，MIoT）應(yīng)運(yùn)而生。醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)于醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，綜合運(yùn)用光學(xué)技術(shù)、壓敏技術(shù)和RFID 技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)手段，結(jié)合多種醫(yī)療傳感器， 通過傳感網(wǎng)絡(luò)按照約定協(xié)議，借助移動(dòng)終端、嵌入式計(jì)算裝置和醫(yī)療信息處理平臺(tái)進(jìn)行信息交換。本文對(duì)醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的 3 層架構(gòu)和醫(yī)療傳感儀器與感知方法進(jìn)行分析，提出了現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)療領(lǐng)域存在的問題。

1 醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)感知層

感知層在醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)中占有重要地位，也是當(dāng)前整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)發(fā)展的難點(diǎn)。產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)著醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，同時(shí)產(chǎn)業(yè)的提升又對(duì)技術(shù)有了更高的要求。研究具有強(qiáng)穩(wěn)定性和高精度的傳感器是當(dāng)前最主要的問題。

1.1 感知層中應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展

應(yīng)用技術(shù)在感知層中應(yīng)用較廣，現(xiàn)選取當(dāng)前主流的、已被大量應(yīng)用的技術(shù)進(jìn)行闡述。

1.1.1 光學(xué)技術(shù)的發(fā)展

光學(xué)技術(shù)具有不受電磁干擾等特性，高頻電極、阻抗傳感器和溫度傳感器對(duì)光學(xué)技術(shù)均無干擾 [1]。當(dāng)前，光學(xué)檢測(cè)主要應(yīng)用在溶液物質(zhì)濃度、醫(yī)療器械設(shè)計(jì)等方面。Michel 等使用光學(xué)纖維研究的小型可替換式等離子體傳感器可以對(duì)溶液鹽分濃度進(jìn)行高精度檢測(cè)，精度高達(dá) 4.8 μW/ppt[2]。Kim 等制作了一種適合生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用光學(xué)纖維橫向耦合的力傳感器 [3]。Chen 等使用光纖核心 微探針對(duì)一小簇細(xì)胞的 pH 值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控 [4]。Kim 等研發(fā)的基于心臟消融導(dǎo)管的光作用力學(xué)傳感器，是一種透明、靈活且可伸縮的由 PDMS（聚 二甲基硅氧烷）薄膜形成氣腔的光學(xué)傳感器，可對(duì)心臟消融 病癥起到預(yù)防作用 [1]。

1.1.2 壓敏技術(shù)的發(fā)展

壓敏技術(shù)普遍應(yīng)用于工業(yè)行業(yè)，如觸摸屏、真空設(shè)備和飛機(jī)上的氣壓檢測(cè)設(shè)備等，都需將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。Kwak 等采用半封閉型電極，制作了一種徑向擴(kuò)張硅膠管一次性電容式壓力傳感器，適用于試劑藥品的分配過程[5]。Lee 等研究了基于無色聚酰亞胺嵌入銀納米線層的壓敏應(yīng)變傳感器，該傳感器將銀納米線和cPI 結(jié)合產(chǎn)生輕薄、透明且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的電極， 其靈敏度是傳統(tǒng)壓力傳感器的 4 倍，還可以將其嵌入手腕皮膚中[6]，如圖 1 所示。

圖1 電容對(duì)人體手腕上傳感器的施加力

1.1.3 RFID技術(shù)的發(fā)展

朱洪波等設(shè)計(jì)了一個(gè)急救系統(tǒng)，通過應(yīng)用 RFID 卡保存用戶的醫(yī)療檔案和個(gè)人信息，并由醫(yī)院服務(wù)器負(fù)責(zé)接收、處理、存儲(chǔ)這些醫(yī)療數(shù)據(jù)。醫(yī)護(hù)人員在對(duì)病人做醫(yī)護(hù)處理前，可通過 PDA 讀取患者RFID 醫(yī)療卡上的信息，了解患者的病史和血型等。除了獲取信息，醫(yī)護(hù)人員也可通過 PDA 記錄患者的傷情信息和簡(jiǎn)單救治情況，并利用無線通信發(fā)送給醫(yī)院，使得醫(yī)院在第一時(shí)間了解狀況，做好術(shù)前準(zhǔn)備。通過該系統(tǒng)的 運(yùn)用，救護(hù)車運(yùn)送病人與醫(yī)院術(shù)前準(zhǔn)備過程可同步進(jìn)行，縮短 了急救時(shí)間，提高了醫(yī)院急救效率，尤其對(duì)嚴(yán)重昏迷患者而言， 更是加大了挽救生命的砝碼 [7]。

1.1.4 其他先進(jìn)傳感器

其他主流傳感器包括監(jiān)測(cè)溶液溫度傳感器、pH 值傳感器、DNA 傳感器和濕度傳感器等。Salvo 等使用處于 25 ～43℃ 溫度范圍內(nèi)的人體血清樣品進(jìn)行測(cè)試時(shí)， 與恒溫槽中設(shè)定的參考值相比，該傳感器的靈敏度為（11010）Ω/℃，誤差為（0.40.1）℃ ；基于氧化石墨烯（GO）敏感涂層的 pH 傳感器在 4 ～10 的 pH 值范圍內(nèi)其靈敏度為（40 4）mV/pH [8]。Singh 等為檢測(cè)病菌是否破壞了心臟瓣膜而設(shè)計(jì)了一款超靈敏的納米雜化 DNA 傳感器，可用于人類冠狀大動(dòng)脈心臟瓣膜早期感染的緊急診斷和醫(yī)療護(hù)理 [9]。Bhattacharjee 等基于移動(dòng)性的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)肺功能檢測(cè)，設(shè)計(jì)了一種納米功能紙張濕度傳感器， 達(dá)到了令人滿意的效果，其參數(shù)如圖 2 所示[10]。

圖 2 紙張傳感器和微型加熱器的圖像及參數(shù)

圖 2（A）顯示了紙張傳感器和微型加熱器的圖像，刻度棒為 5 mm。圖 2（B）顯示了6 次循環(huán)呼吸的標(biāo)準(zhǔn)化電阻（RN= R / Ri）隨時(shí)間 t 的變化以及干燥N2 氣的對(duì)照實(shí)驗(yàn)。圖 2（C）顯示了不同長(zhǎng)度喉舌（LMP）的ΔR 的變化情況[RSD=1.27％ ]。

2 醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)傳輸層

2.1 常用的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸方法

2.1.1 WiFi 技術(shù)

WiFi 擁有寬帶高、傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)主要用于電腦、智 能手機(jī)等的通信，。王曦等通過 WiFi 技術(shù)將信息技術(shù)運(yùn)用到 個(gè)人醫(yī)療設(shè)備上，并提出整合互聯(lián)網(wǎng)與社會(huì)醫(yī)療資源，建立一 套面向病患、圍繞病患的新型社區(qū)醫(yī)療信息系統(tǒng) [11]。在周傳 彬等設(shè)計(jì)的基于 WiFi 的便攜式心電監(jiān)護(hù)定位系統(tǒng)中，WiFi 模 塊從單片機(jī)中接收到的心電數(shù)據(jù)經(jīng) WiFi 傳輸?shù)?PC 端的心電 監(jiān)護(hù)中心，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)病患位置實(shí)時(shí)跟蹤定位的功能，以便醫(yī) 護(hù)人員及時(shí)對(duì)病發(fā)患者進(jìn)行有效救治 [12]。

2.1.2 GPRS 技術(shù)

GPRS 技術(shù)多用作系統(tǒng)管理中主要技術(shù)的輔助技術(shù)。羅 松等針對(duì)現(xiàn)有醫(yī)療廢物管理過程中存在的問題，利用 GPRS 技術(shù)，提出對(duì)醫(yī)療廢物收集、運(yùn)輸和處理全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)跟 蹤和監(jiān)控的管理系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)、工作原理和通信系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述 [13]。余海錢等基于 GPRS 技術(shù)設(shè)計(jì)了便 攜式健康檢測(cè)系統(tǒng)，成果顯著 [14]。王闖瑞設(shè)計(jì)了基于 GPRS 的遠(yuǎn)程心電監(jiān)控系統(tǒng) [15]。

2.1.3 藍(lán)牙通信技術(shù)

藍(lán)牙通信技術(shù)擁有功耗低，傳輸速率快等優(yōu)點(diǎn)，是目前 適用于醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的短距離無線通訊技術(shù)。薛萬國(guó)等提出了 基于藍(lán)牙 4.0 的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用藍(lán)牙 EDR 芯片，傳輸速率可達(dá) 2 Mb/s，解決了像 12 導(dǎo)心電儀等對(duì) 寬帶要求較高的醫(yī)療設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸問題 [16]。王彩峰等設(shè)計(jì) 了一種新型便攜式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，以 MSP430 系列單片機(jī)作為 微控制器，利用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線控制，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)檢 測(cè)人體心電信號(hào)、呼吸、血壓、脈搏和體溫等生理參數(shù)，滿足 了監(jiān)護(hù)儀的便攜性、低成本和網(wǎng)絡(luò)化等要求 [17]。

3 醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層

3.1 應(yīng)用平臺(tái)或系統(tǒng)

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的衛(wèi)生保健設(shè)備隨著信息技術(shù)的發(fā)展逐 漸受到更多人的關(guān)注，可以遠(yuǎn)程對(duì)患者進(jìn)行病情監(jiān)控及疾病 預(yù)診斷，也可對(duì)醫(yī)學(xué)生進(jìn)行教育。Woo 等研發(fā)了一個(gè)可靠的基 于 M2M 個(gè)人健康保健設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) [18]。Amin 等使用無 線醫(yī)療傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了一個(gè)穩(wěn)定、匿名的患者監(jiān)控系統(tǒng)，可 同時(shí)為移動(dòng)用戶提供匿名保護(hù)和雙向認(rèn)證協(xié)議，并在協(xié)議中加 入密碼分析，以保證協(xié)議可承受當(dāng)前已知的攻擊。實(shí)驗(yàn)證明， 該系統(tǒng)具有極佳的安全性 [19]。Ali 等基于物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)了一個(gè)醫(yī) 療教育輕學(xué)習(xí)平臺(tái) [20]。

3.2 應(yīng)用層的協(xié)議 / 算法進(jìn)展 Krishna 等對(duì)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)應(yīng)用中的低功耗和有損網(wǎng)絡(luò)的路 由協(xié)議進(jìn)行了分析 [21]。Jiang 等開發(fā)了用于醫(yī)療應(yīng)用的認(rèn)知無 線網(wǎng)絡(luò)中基于連接的最大信道分配算法 [22]。Lounis 等為醫(yī)療 無線傳感器網(wǎng)提供了安全的云架構(gòu)，即在云端治療疾病，不僅 可確?；颊吆椭髦吾t(yī)生知曉情況的安全性，還支持復(fù)雜、動(dòng) 態(tài)的安全訪問控制與緊急情況處理，模擬實(shí)驗(yàn)取得了良好的 效果 [23]。

4 結(jié) 語

醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)極其龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，關(guān)于其體系架 構(gòu)的研究既是基礎(chǔ)性的工作又是影響未來發(fā)展的關(guān)鍵。在介 紹現(xiàn)階段醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng) 3 個(gè)層次的基礎(chǔ)上，對(duì)醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)體系 架構(gòu)及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)探討，包括關(guān)鍵技術(shù)、傳感器 和安全問題等。隨著科技的不斷發(fā)展，將會(huì)有越來越多的先進(jìn)科技融入醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)中，推動(dòng)醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。雖然國(guó)內(nèi) 外對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)逐漸重視，但相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系和技術(shù)規(guī)范 還處于逐步完善的過程中，需要更多的人去探索，并進(jìn)行相關(guān) 基礎(chǔ)性的研究工作。