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一种联接"健康云"的家庭健康监护系统设计
胡建强*
(厦门理工学院计算机与信息工程学院福建厦门361024)
摘 要:新一代家庭健康监护系统低成本,低功耗和低体积,要快速基于云计算的国家医疗信息化发展设计一种联接健康云的家庭健康监护系统.健康云家庭健康监护系统.生理参数传感器家庭健康监测网络设计,基于HL7RIM健康风险评估模型健康服务个性化组装.原型系统的有效性健康云服务走入家庭健康监护奠定基础.,
中图分类号:TP393文献标志码:A
当前我国正面临着人口老龄化,少子化,慢性病患者增多,大中型医院主要针对疾病的诊断和治疗,很难承担社区居民日常的医疗保健服务,健康咨询以及紧急情况下的医疗援助任务.被认为是大幅减少医疗和就医成本,缓解医疗资源紧缺现状和提高医疗整体水平的重要手段.目前医疗信息化呈现两种趋势:
(1)基于云计算的医疗信息服务平台快速发展.美国在智慧医疗领域的总投资已超过440亿美元.IBM公司提出"数字化医院集成平台"[1],美国HHS部电子健康档案系统,MicrosoftHealthVault等在美国开始广泛应用并取得巨大的经济和社会效益.2016年1月日本富士通公司推出"高龄者护理云计算",预计2016年可创造60亿日元市场[2].南京2016年基于H3C云存储构建新一代的社区公共卫生服务系统,实现居民健康档案,社区卫生服务站桌面虚拟化,采用SaaS方式交付等新型医疗信息化应用.[3].2016年厦门市健康云采用云计算技术整合市民健康档案和预约系统,目前已接入市第三医院,仙岳医院等38家医院和63家社康中心.
()低成本的家庭健康监护成为缓解医疗资源紧缺最重要的技术.美国霍尼韦尔公司实验室开发I.L.S.A系统,基于多传感器互联,实现感知模型,定时响应,实时响应等功能,监护心脑血管疾病[4].日本提出全国性远距居家照护服务项目SukoyakaFamily21"远程生理检测和应急救护,采用物联网终端SUKOYAKANETi的压迫带测量血压和电极测量心电,通过触摸屏式液晶显示器输入体重等数值[].法国构建EMUTEM平台采用可穿戴设备测试脉搏,心率和血压和血糖等生理数据以及红外传感器检测坐卧姿势和移动状态[].[8].这类家庭健康监护系统采物联网技术,包括附着人体的指尖型血氧传感器,腕表型血糖传感器,腕表型睡眠品质测量器,睡眠生理检查器等,长期监视和记录各项生理数据,评估身体状况并预警生理病变.
新一代家庭健康监护系统低成本,低功耗和低体积,快速基于云计算的国家医疗信息化发展.为此,厦门理工学院厦门优医信息服务有限公司研制一种联接"健康云"的家庭健康监护系统,支持家庭健康监护系统与"健康云"数据交换,实现健康风险评估和个性化健康监护方案定制,为健康档案云端管理,健康咨询,健康膳食等服务走入家庭健康监护奠定基础.介绍"健康云"的层次化架构联接"健康云"的家庭健康监护系统的工作过程.分析项关键技术,分别是家庭健康监测网络设计,基于HL7RIM的数据交换机制设计,健康风险评估模型和健康服务个性化组装.原型系统的有效性健康风险评估(预测相对危险性和绝对危险性)健康服务组合成功率..
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1.1"健康云"的层次化架构
"健康云"建设的主要目标是实现集中统一的区域医疗信息共享和提高医疗资源的利用率,即虚拟化医疗软硬件资源,实现软硬件资源按需分配,医疗数据安全和绿色利用.典型层次化架构包括:基础设施(医院,疾病控制中心,社区健康服务中心等,采集医疗卫生数据),数据的整合交换共享云端服务(整合医院信息系统HIS,电子病历EMR,医学影像存档与通讯系统PACS,实验室信息管理系统LIS等),云基础设施(基于虚拟化,网络安全,运行监管和维护等技术,实现基础设施即服务平台即服务即服务1"健康云"的层次化架构
Fig.1AHierarchyArchitectureforHealthcareCloud
1.2联接"健康云"的家庭健康监护系统
联接"健康云"的家庭健康监护系统包括家庭健康监测网络,家庭健康监护系统和"健康云".
家庭健康监测网络本质上是物联网,由一系列智能生理参数传感器节点构成,包括血氧传感器,腕表型血糖传感器和加速度器等,连续监视生理信号和记录人体健康信号,包括心电ECG,血氧饱和度SPO2,脉搏等参数.节点都具有独立数据存储,运算,电源管理和无线通信等功能.融合先进网络协议(如Bluetooth,WIFI或Zigbee),实现生理检测数据实时上传到家庭健康管理系统.
家庭健康监护系统的工作过程:(1)基于家庭健康监测网络动态,实时获取生理测量数据,(2)基于HL7RIM数据交换机制实现与"健康云"数据交换,上传各项生理监测数据实现个人健康档案管理,(3)在"健康云"数据中心支持下,基于健康风险评估模型实现个体健康状况评估并制定个性化的健康干预措施,(4)得到"健康云"后台特约医生,功能医疗小队和营养师等提供的医疗,预防,保健等服务.由于"健康云"以SaaS方式提供云端服务,为保证家庭健康监护系统的通用性,灵活性和可扩展性,家庭健康监护系统支持按需动态,松耦合,有序组装健康服务,实现健康服务个性化组装,克服传统家庭健康监护系统统一且固定不变的服务流程模式.
图2联接"健康云"的家庭健康监护系统
Fig.2HealthcareCloud-ConnectedHomeHealthcareMonitoringSystem
2关键技术
2.1家庭健康监测网络设计
家庭健康监测网络是实现人体生理长时间,连接监测的硬件设施.ParadisoR.等人开发的无线心电检测系统采用GPRS协议,存在功耗大(平均电流100mA/12V左右),电磁辐射过高和体积较大(因配备大功率的太阳能电池板或大容量的蓄电池)等缺陷[9],天津大学开发基于ZigBee技术的老年人家庭健康监护系统,采用CC2430芯片,工作电流25-27mA,每块芯片大约2美元,最大数据传输率为250Kbps[10].
图3BMD101芯片结构
Fig.3BMD101ChipArchitecture
本系统家庭健康监测网络一系列智能生理参数传感器节点构成,需要综合考虑能耗,成本,体积和数据传输率等因素.以心电ECG采集为例,基于Neurosky公司BMD101控制芯片(如图3所示),从uV到mV范围内生物信号检测的高性能模拟前端实时接收并循环读取心电数据,经芯片内部放大,滤波,计算等处理输出心电数字信号并通过串口接口发送.BMD101具备系统整体配置,模拟信号和数字信号处理,控制内外通信和电源管理等功能,带有高精度分辨率的16位ADC,VDD引脚3.3V供电,3*3毫米Tab.1WorkingStateofEachModuleanditsPowerConsumption
工作状态总功耗微控制器蓝牙模块模拟信号处理模块
数字信号处理模块待机
蓝牙搜索
正常工作63.1μA低功耗关闭关闭31.4mA工作开启关闭14.6mA工作开启开启具体过程:上层应用程序将数据通过链路管理和I/O传送到链路控制单元,进行载波调制,而后进行数据封装,发送数据暂存在缓冲区,通过2.4GHz射频发送接收端(协议HCI),家庭健康监护系统接收端进行逆向解调,得到源数据再通过链路管理和I/O传送到上层执行模块进行数据处理.
2.2基于HL7RIM的数据交换机制设计
由于监测数据模型,健康云采用SaaS方式.只有采用统一标准才能解决无障碍传输且能够被两方接收者无歧义解释,从而实现家庭健康监护系统与健康云数据交换HL7(HealthLevel7)[11]标准是由美国国家标准局(ANSI)授权的标准开发机构HealthLevelSevenInc.研究开发的一个专门用于医疗卫生机构及医用仪器,设备数据信息传输的国际标准,其中健康档案的内部结构采用HL7制定CDA(ClinicalDocumentArchitecture)标准.HL7RIM数据模型能清楚表达时序性,层次性和逻辑性,目的是解决不同开发商开发和制定的信息标准不一致问题,为标准开发和制定者提供一个最高层次的参考模型.图基于HL7RIM数据Fig.4HL7RIM-basedDataConversionFramework
图给出基于HL7RIM的数据统一转换框架,包括HL7字典,HL7XML模式生成器和HL7RIM模型等HL7RIM使用到HL7字典任何元素,数据类型,词汇都衍生自RIM规范要求,从而保证其一致性成符合HL7标统一数据格式.家庭健康监护系统和健康云端主机数据交换健康风险评估
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