物联网与智能传感器在医疗中的应用-优快云博客

第章

物联网、智能传感器和普适系统：实现连接与普适医疗保健
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皮居什·坎蒂·杜塔·普拉马尼克*，比乔伊·库马尔·阿查里亚†，索拉布·帕尔‡，塔诺
伊·帕尔‡印度杜尔加布尔国家理工学院*印度阿加尔塔拉特里普拉理工学院†印度加尔各答孟
加拉理工学院‡

章节大纲

1引言.2
2物联网、智能传感器与普适计算.3
2.1物联网.3
2.2增强物联网的智能传感器.4
2.3普适系统.5
2.4普适系统与物联网的区别.6
2.5物联网与普适系统：相互补充.6
3传统医疗系统面临的挑战.8
4移动与普适医疗.9
4.1医疗保健中的上下文感知.10
4.2互联医疗保健.11
4.3普适医疗与远程医疗.11
5物联网在医疗保健中的作用.1 45.1临床护理.14
5.2远程监控.14
5.3物联网与医疗机器人.14
6不同的医疗传感器.15
6.1基本健康传感器.15
6.2医疗护理单元中使用的其他传感器.25
6.3不同的健身设备.26
互联医疗保健的7大好处.28
互联医疗保健面临的挑战.31
医疗数据分析与管理。htt p s://doi.or g /10.1016/B978-0-12-815368-0.00001-4 # 2019爱思唯尔公司版权所有。
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9智能传感器和物联网的医疗应用.34.

9 1智能针 .
369.2智能胸罩.36
9.3冠状动脉疾病与物联网.37
9.4个性化医疗.38
9.5患者监测.38
9.6心脏节律监测.39
9.7心脏康复.39
9.8处理慢性阻塞性肺病问题.40
9.9糖尿病患者用智能隐形眼镜.40
10个用例.40
10.1密西西比血液服务：智能维护物流.40
10.2慢性阻塞性肺疾病治疗方案的探索.41
10.3莱希诊所医疗中心：实时追踪医疗设备.41

1引言

过去十年中，医疗数据数字化为医疗行业带来了革命性的变革。它促进了医疗数据更加开放和易于访问。不仅私营机构已涉足这一领域，而且医疗行业的政府和公共利益相关者也正在推动透明化，使来自不同来源生成和收集并存储在孤立数据孤岛中的医疗数据对所有相关方而言更易于使用、搜索和操作。智能手机和平板电脑、便捷的医疗应用程序、可穿戴设备以及各种无线监测服务的发展，使得医疗服务无处不在。医疗设备正越来越多地相互连接 [1]。事实上，未来几年采用联网医疗设备的趋势将急剧增长。而联网医疗设备数量的不断增加，连同其支持的软件和服务，正在使互联医疗保健发展成为一个蓬勃发展的普适医疗保健平台。

一个理想的医疗系统的目标不仅应提供有效的医疗服务，还应通过确保整体健康监测的最佳运行为患者提供生活质量支持。这一目标催生了普适医疗系统的概念，该系统能够监测健康状况、提供医疗设施，并无论受益者身处何地都能保障其良好健康。传统医疗系统高度集中于医院和诊所[2],，但大多数人更倾向于在自己的住所尽可能多地接受健康服务

第一章普适医疗保健

尽可能。即使他们需要使用医疗机构的医疗设施，也希望尽量减少在那里的停留时间。通常情况下，人类一生中实际接受的直接临床护理与整体所需的医疗保健相比微乎其微。智能传感器[3],物联网（IoT）[4, 5],和可穿戴设备 [6, 7]已增强医疗系统，实现远程监控，并支持患者在诊所内外的医疗状况管理[8]。例如，血糖仪可以提醒糖尿病患者注射胰岛素。如果患者是小儿糖尿病患者，当血糖水平持续偏高时，系统可能会建议家长重新检查饮食计划。
类似地，可穿戴传感器可让骨科医生监测患者是否正确且规律地进行规定锻炼。智能传感器和物联网将使临床医生能够便捷、统一地获取患者的详细信息，包括饮食习惯和生活方式。这意味着仅收集临床数据是不够的。为了真实了解个人或大众的健康状况，需要定期收集和分析人们的健康数据，即使他们并非临床患者[9]。利用现有技术，即使患者未处于临床护理中，也可对其进行持续监测。普适健康应用显著提高了健康数据流动性，使医疗服务业达到了前所未有的高度。

普适医疗保健[10, 11]不仅将使医疗服务提供者能够远程监控和管理患者，患者还将能够跟踪自己的病历和健康状况，执行基本分析，并通过查阅这些记录向医生、药剂师和医院寻求咨询。连接到医疗设备和数据库的易用应用程序界面已使用户能够通过移动设备轻松且无处不在地访问医疗数据。
本章其余部分组织如下。第2节简要概述物联网与普适计算、普适系统及其相互关系。第3节重点讨论传统医疗系统面临的挑战。第4节介绍移动与普适医疗的基础知识，包括情境感知与互联医疗，并将其与远程医疗进行区分。
第5节强调物联网在医疗保健中的作用。与医疗保健、健康状况和医疗护理单元相关的各种智能传感器在第6节中讨论。第7节阐述互联医疗保健的好处，而第8节指出普适医疗中的挑战。第9节展示了物联网与智能传感器的若干实际应用，第9节展示了普适医疗的有效性。一些应用案例在第10节中讨论。第 11节对当前及未来的物联网医疗市场进行评估。最后，第12节总结本章内容。

2物联网、智能传感器与普适计算2.1物联网

物联网将互联网从连接的计算机扩展到互联物体。这些物体或“事物”可以是任何东西，只要它们直接或间接地连接到互联网[12]。这种大规模连接的目的是实现对

3 2物联网、智能传感器与普适计算

信息普适且无处不在。这意味着可以从任何位置访问任何物体的信息。物联网中的所有物体都具有唯一身份标识，使其可在互联网上被识别。从面向服务的架构(SOA)的角度来看，这些物体在Web上具有数字表示，以便通过普通网页门户轻松、灵活地访问。物联网的基本组件是[13]：
•传感器（例如体温、光、运动等）或执行器（例如显示屏、声音、电机等）
•计算资源（用于处理传感器数据）•通信介质（蓝牙、ZigBee、射频识别等用于短距离，互联网用于长距离）•应用接口（用于访问物联网服务）

在物联网中，“事物”通常嵌入了某种传感器，用于感知周围的数据，并将这些数据发送到集式存储，通常是私有或公共云。感知数据在此处进行处理和分析，根据分析结果，会触发某些事件并通知给订阅的应用程序[14]。整个概念实现了对任何可连接对象的远程监控。在物联网中，通过其他物联网设备对一个对象进行全局身份标识的能力，不仅提高了该对象的实用性，还使其能够与其他设备交互，并与周围环境通信，从而使事物变得更智能，并为该对象提供一个整体智能化的环境。

2.2增强物联网的智能传感器

物联网的核心理念是获取关于环境、事物状态、用户情况及其活动的知识。
这种知识的实现依赖于嵌入在事物中的传感器。这些作为物联网神经系统作用的传感器，持续地从设备自身、环境以及用户中感知并采集必要的数据。
通常情况下，物联网设备本身并不具备智能性，但通过添加智能传感器，这些设备便被转化为更智能的设备。传感器所收集的数据可被分析以发现隐藏模式，并预测用户需求、设备可操作性等。正是从所获取数据中的学习过程，真正将物联网转变为一个智能系统。基于这些学习结果，可以在对等设备相互交互或愿意交互时提供适当的服务。

传感器在设备中的应用无疑使物联网成为了一个智能系统。但传感器的应用本身也存在一些与传感器连接、集成和控制以及数据处理相关的问题。
设备中嵌入的普通传感器存在的一些问题包括：
•附着在设备上的传感器会产生大量数据，这些数据需要通过互联网进行传输。传感器产生的海量数据给网络带来了巨大负担；由于网络延迟，数据往往无法同步处理或出现丢失。这对任何实时应用都造成了重大阻碍

4第一章普适医疗保健

需要即时反馈的应用程序，因为由于网络延迟导致处理后的数据到达较
晚，从而延误了实时操作。•另一个相关问题是，传感器会产生大量嘈杂的
原始数据，处理这些数据并过滤噪声是一项耗费CPU资源的工作。•传感器以原始格式生成数据。从数据集成和可用性的角度来看，这种原始数据可能不被其他异构系统所接受。通常需要通过提取所需信息，并将其表示为其他
异构系统可接受的形式，来对数据进行抽象。•传感器容易发生故障，产生错误数据或无数据，这就需要进行运行时诊断，以确定错误的原因和程度。
•此外，通常的传感器是独立的实体，需要单独连接到设备的接口电路。这给传感器在设备中的嵌入及其维护带来了困难。

这些问题在工业和研究领域已存在一段时间，为解决这些问题，传感器多年来不断改进。特别是，它们经历了几代发展，演变为能够执行逻辑功能、双向通信和决策的智能传感器。智能传感器由执行器接口电路、传感元件以及包含处理器、内存和软件的信号处理单元组成[15, 16]。智能传感器也可被称为具有嵌入式智能的基本感知机制[17]。它能够检测来自多个传感元件的信号，进行信号处理、数据验证、解释和日志记录。

传感技术和智能数据处理的进步为医疗系统带来了自动化。智能传感器通过赋予物联网智能化，真正推动其向前迈进了一步。如今，智能传感器不再需要感知并传输所有原始数据，而是能够选择并仅传输用于进一步处理和存储的相关数据，从而降低网络负载。嵌入式软件程序有助于滤除原始数据中的噪声，并将其转换为对其他系统可移植且易于理解的形式。此外，自校准能力有助于实现自诊断，并对数据感知过程中的误差进行自动调整。在实时系统中，智能传感器内的嵌入式软件可实现自主决策，从而指导执行器电路实时执行必要的操作。智能传感器在物联网中的应用已使其转变为一个准确、快速、可靠且智能的系统。

物联网中的智能传感器通常被融合在一起，实现情境感知，并提供整个场景的整体画面。服务可以根据用户正在执行的操作、机器正在执行的动作、基础设施和环境的状态，或所有这些因素的组合来调用[18]。

2.3普适系统

“普适”一词的来源是拉丁语pervadere，意为传播或贯穿。该词是通过融合过去分词而衍生出的

5 2物联网、智能传感器与普适计算

源于拉丁语“pervadere”中的“pervas”以及英语中的“ive”。剑桥词典将“pervasive”定义为“存在于或显现在某事物或场所的每一部分”。
因此，普适系统指的是由具备计算能力的设备和信息系统组成的分布式计算系统，能够随时随地提供计算功能，从而产生信息。普适计算借助无处不在的通信网络，使小型、低功率的嵌入式设备能够对感知或接收到的数据进行计算，并将处理后的信息传递到任意位置的目标节点。普适计算的理念是为日常使用的日常物品配备某种计算功能。通过这种嵌入式计算能力，这些物体变得具有数字功能。这些物体还可以连接到网络以实现远程访问，从而为系统增加更多价值。与桌面计算不同，普适计算可以在任何设备上、任何时间、任何地点进行，且不受数据格式的限制。当设备集成后，如有需要，它们能够相互之间移交任务，以实现更优的任务流程。

普适计算的主要目标是使日常生活中使用的物体与人类进行交互。通过嵌入式计算能力的赋能，这些物体变得更加智能。人类与智能物理物体之间更丰富的交互创造了环境智能，从而改善了人类的生活体验。

2.4普适系统与物联网的区别

普适计算和物联网经常被混淆，仿佛它们是同义词。造成这种混淆的原因是，这两种计算范式具有许多相似之处。例如，两者都试图为每个物理物体注入“生命”，使物体变得“智能”。这两种系统中的设备通常都很小，处于微米或纳米级别。
两者都旨在尽量减少人们在日常事务中付出的努力。但尽管存在相似和重叠的特性，这些术语在某些参数上仍有所不同。表1总结了两者之间的差异。

2.5物联网与普适系统：相互补充

尽管存在此处讨论的差异，普适计算与物联网似乎密不可分。它们需要彼此来实现各自的目标。

物联网中普适计算的需求：通常，物联网设备的计算能力有限或没有计算能力。为了处理感知数据，它们必须依赖某些本地或远程处理单元。而具备计算能力的普适设备无处不在，可以在这一方面提供支持。

普适系统中物联网的需求：由于其固有的无处不在性，物联网已成为实现普适系统全部价值的关键因素之一。在普适计算中，计算能力分散于日常生活中使用的普通物体之中。物联网能够通过将这些断开且分布式的物体连接到互联网，使它们不仅相互连接，从而拓展这一愿景。

6第一章普适医疗保健

表1普适系统与物联网的区别
普适系统 IoT
来源时代 20世纪90年代初 20世纪90年代末
定义要点所有物理物体都应该具有计算能力所有物理物体都应该被连接愿景普适的愿景计算是为了使随时可用的计算以及任何地方
物联网的愿景是延伸互联网的原则超越计算机到物理事物目的为了提升生活体验人类的特征更加丰富并且更加有趣创造环境智能在周围物体中
为了自动化许多简单的但必不可少的日常琐事，而无需人为干预，从而显著减轻人类的负担
Goal 提供一个合适的平台将智能融入日常物品，通过赋予它们计算功能并使用户能够与这些物体
连接所有物理物体，使它们能够相互交互彼此之间，这将有助于全球自动化
焦点人机交互机器对机器交互设计重点设计的核心努力普适系统是为了使设备自给自足在就计算而言，这环境所需智能
物联网更侧重于虚拟方面
自动表示可识别的物体
与邻居普适计算设备可能是孤立的或松散地与其他邻域中的设备因此，程度的与邻居的交互较少
物联网设备是紧密耦合的与其他设备邻域。在大多数应用案例中，多个设备协同工作以实现特定目的
设备的计算能力
普适环境中的设备系统必然具有一些计算能力物联网并不总是如此设备。许多物联网设备仅用于感知，计算任务被卸载到其他功能强大的设备
Internet
连接要求
从哲学上讲，普适计算并不不一定意味着物体应该连接到互联网。它只是说每个对象应该能够计算。但如果没有全局连接 ,全部好处的普适计算无法实现
物联网愿景的目标是访问和控制事物远程，其中设备需要直接或间接连接到互联网直接或间接
Continued
7 2物联网、智能传感器与普适计算
计算上得以实现并且全球连接。物联网通过提供大量上下文信息，使普适系统更具上下文感知能力。这有助于改善用户的整体活动。如果将普适系统视为目标，那么物联网是实现该目标的推动者之一。借助物联网及其广泛采用，普适计算能够创造奇迹。物联网与普适计算以及人工智能的融合，为我们提供了认知物联网的基础，这将在很大程度上改变我们的生活[13]。

实际上，这两个概念正在不断得到增强和融合，因此它们之间的区别已变得模糊。正因如此，如今这些术语经常被互换使用。事实上，在这些技术的应用程序在大众中普及率不断提高的背景下，这些术语纯粹的学术定义已显得微不足道。

3传统医疗系统面临的挑战

尽管医疗领域取得了显著进步，但由于当前医疗系统实施效率低下，这些潜在益处并未传递给需要的患者。现有的医疗系统面临诸多挑战[19]：
•得益于医学、相关技术以及医疗保健交付方面的进步，人类的平均寿命已显著延长。因此，老年人口的规模正在大幅增长。随着人口老龄化，患有慢性疾病的患者数量也

表1普适系统与物联网之间的区别——续
普适系统 IoT
标网准络用于通信，普适系统遵循传统通信标准，例如IP
对于物联网，除了IP之外，还会使用一些其他
特定标准，例如
6LoWPAN（IPv6低功耗无线个人区域网络），
无线个人区域网络）， RPL（IPv6路由协议用于低功率和有损网络等网络持久性如果设备是连接的，一个主要的可能性是它们通过自组织方式连接连接而非永久连接
由于物联网设备生成数据持续且最频繁地数据必须被传输立即建立永久连接是必需的安全威胁所有计算节点都基本上是脆弱的。因此，普适系统的跨度越大安全问题就越多安全问题
具有包容性连接的广泛网络增加了
安全漏洞威胁是大于普适系统
8第一章普适医疗保健
增加。这些慢性疾病需要持续的观察和治疗，给本已不足的医疗基础设
施带来了额外负担。•公立和私立医院及诊所都面临着合格、经验丰富且技
术娴熟的医疗专业人员和专家短缺的问题。•随着时间推移，获取和提供医
疗服务的成本变得越来越高。•现代不稳定且不健康的生活方式导致了各种意想不到的疾病模式出现。人群健康趋势正转向具有挑战性的临床混乱状态。
•由于诊断和治疗是分散且个案化的，传统医疗系统涉及较高的医院再入院
率。这进一步加剧了压力和负担，并带来重复且复杂的后续护理。•缺乏现
场医疗设施、专家以及全球医疗信息系统，增加了平均住院时间。•高频率和长时间的住院无疑会给患者的经济带来更大负担，这是一个现实问题，尤其对于较低社会经济群体而言更是如此。

我们传统医疗系统无法克服这些挑战的根本原因在于现有医疗设施的离散性和孤立性。目前的医疗系统几乎不能称之为一个系统[20]。医院和医疗设施中心各自为政。基础设施以孤立的方式建立，彼此之间缺乏互动。此外，大量医生独立执业，未与任何医疗系统连接，他们在没有正式通信和协作的情况下运作。尽管一些大型公司已在多个城市甚至国家建立了医院连锁并实施了某些系统，但这些系统设计得并不完善。

缺乏集成系统直接影响患者护理服务。最严重的问题，如前所述，是在不同医院和针对不同疾病之间持续护理的协调。缺乏协调会导致重复和重叠的流程，从而造成诊断和治疗的延误、患者痛苦以及医疗费用增加[20]。当患者转移至家庭进行康复时，同样存在这一问题。零散且协调不力的程序会影响治疗后的护理。为了充分利医疗领域的进步，我们需要一个包容性的医疗系统，将患者、不同的医疗服务提供者以及其他利益相关者整合起来。

4移动与普适医疗

将物联网融入医疗服务合理地实现了普适性。所增加的普适性功能，如移动性、适应性和情境感知，能够在正确的时间和地点向正确的人提供正确的信息，从而带来显著优势

9 4移动与普适医疗

为现代卫生系统提供价值。普适医疗保健的愿景是将医疗保健服务的焦点从治疗疾病转变为促进健康和保持健康状态。例如，移动设备、无线链路和移动性等技术应用程序使创伤和急救服务人员能够在转运患者前往医院途中发送患者的医疗详情。当患者靠近医生时，其医疗、健康和保险数据可从患者的移动设备传输至医生，从而在开始治疗前预先评估过敏、血压、血糖水平及其他问题，作为预防措施。同样，配备智能设备的医生无论是在诊所就诊期间还是从其他任何远程位置，均可访问患者的生命体征信息。除了对诊断带来的益处之外，物联网设备的移动性和普适性使得无论患者身处何地，都能对其生命体征进行监测。可穿戴设备和健康监测传感器持续收集患者的生理信息，如体温、心率、血压、血氧水平等。普适信息系统允许医生和患者家属远程访问这些健康记录。对于危重病人，无论其在家中还是在医院，都可以随时随地进行密切而精确的观察。利用全球定位系统或射频识别的基于位置的服务，可以实现对患有精神疾病的患者、老年人和残障人士的追踪与监护。智能手机应用程序可根据患者的当前健康状况提醒其进行常规检查和服药[21]。各种移动与普适医疗应用程序，如移动远程医疗、个性化监测与评估、基于位置的医疗服务、应急响应与管理以及其他基于情境的服务，正在不断改善医疗保健服务和患者满意度[21]。

普适系统的一个显著特征是适应性。在做出诊断决策时，会使用患者的情境信息（如医疗状态）以及其他情境信息（如患者的背景和习惯、环境、位置和社会关系）。这些个性化诊断可确保治疗方案适应患者个体需求，从而实现更精准的治疗[21]。普适技术专注于健康管理，其关注点不仅是治愈疾病，更着眼于促进终身的健康与健康状况，因为预防始终优于治疗。普适技术能够在任何医疗事件实际发生之前持续监测和感知个人的健康状况。该技术不仅限于监测单一医疗参数（如心电图），而是可以同时关注影响个人健康前景的多个参数。来自各种传感器的这些数据被融合在一起，以预测当前状态以及未来的医疗并发症[22]。智能数据处理平台和自然交互软件可使决策过程更加智能化并基于情境。

4.1医疗保健中的上下文感知

在循证医学治疗中，诊断是根据患者的体征和症状进行的。但对于具有长期病史的慢性病和重症，这类治疗方法往往无效。为了实现有效的

10第一章普适医疗保健

治疗时，必须对患者进行持续监测。在处理医疗事件时，了解患者上下文至关重要，因为患者上下文是唯一描述患者医疗状况的情境信息。患者上下文包括患者档案（例如姓名、年龄、体重、性别以及饮食和睡眠习惯）、行为与活动信息、病史、当前医疗状况、服药时间等。对患者上下文的分析非常适用于处方决策。情境感知治疗将实现针对特定患者的个性化治疗，从而显著提高疗效。

基于传感器的物联网设备为上下文感知的健康服务提供了机会。基于传感器的医疗设备持续监测患者的生命体征，例如血糖水平、血压、血液中的氧含量、呼吸、心率、脑活动以及血液化学平衡。当这些传感器设备连接到互联网时，可以随时间记录患者的医疗数据。对患者上下文信息（包括当前生命体征和以往医疗数据）进行分析后，医生能够全面了解患者的医疗状况，从而有助于正确诊断。

4.2互联医疗保健

基于传感器的物联网提供的另一项机遇是互联医疗保健。通过互联网连接、监测患者的传感器可收集患者的关键数据并将其传输存储。所记录的数据可共享给医生以进行进一步分析。这有助于患者在不同地理位置获得合适的医生、诊所或医院的治疗，而无需担心携带病历或重复进行检查和诊断程序。
互联设备使医生能够远程监测患者的生命体征，实际上可以从任何具备互联网连接的地方进行监测。联网设备之间交换的数据包括重要的医疗数据，如文本数据、主要是数值数据、图像以及超声波、内窥镜等视频数据。对于自动化远程监控系统，患者会因健康并发症而被自动监测。感知数据中的任何异常都会被自动分析，并通知医生和急救服务。

此外，联网医疗设备和医疗服务增加了患者参与。患者能更充分地了解信息，并与医生、医务人员、医院、诊所和保险公司保持连接。尽管联网设备及其普适应用具有巨大潜力，但仍需进一步探索，以提供最佳的实用应用程序。

4.3普适医疗与远程医疗

由于两者都涉及远程操作，普适医疗保健和远程医疗常常被混淆，尽管它们是医疗保健领域中截然不同的方法。远程医疗强调通过电信作为交互媒介，实现远程的临床医疗服务，如诊断与建议[23]。

11 4移动与普适医疗

医生与患者之间的大部分交互通过电话或互联网进行，而会诊医生在地理上与患者相距较远。相比之下，普适医疗保健是一种用于远程健康监测和预测的自动化方法。以下对这些技术的原理和实现方式的简要描述进一步阐明了每种方法的需求。

远程医疗 ：远程医疗是一种利用电信技术进行远距离行医和临床服务的方法。它用于克服农村或地理位置偏远地区的距离障碍和医生短缺问题。远程医疗可分为三种类型[23]：
(i)存储转发
(ii)远程监测
(iii)实时交互

在存储转发模式中，患者的医疗数据被发送给医生进行评估。这是一个异步过程，不需要双方同时在场；医生可以在方便时评估报告。远程监控涉及医生或医务人员通过实时方式对患者的生命体征进行远程监测。通过创建会话，患者可在家庭或附近医疗机构根据自身方便，利用通信链路[23, 24]与医生互动。通常，远程医疗实践是在一端为一名或一组医生，另一端为医务人员为患者提供护理或患者单独参与，两端通过通信链路进行通信。距离患者较远的医生通过该链路完成诊断、决策和建议。

移动通信、视频会议、传真、扫描仪和互联网等技术被广泛用于通信和交换文件。医生根据视频、X光和超声图像、感染照片以及处方、病理报告、心电图报告等文件对患者进行评估并提出建议。通过视频会议和音频通话实现医生与患者之间的沟通。远程医疗是一种具有成本效益的方式，可弥合医生与患者之间的差距。利用上述电信优势，几乎可以在地球任何角落为患者提供高质量医疗咨询。这将有助于增加医生对患者的可用性，不受距离、种姓、信仰和经济状况的影响[25]。

普适医疗保健 ：与远程医疗不同，物联网是一种用于自动健康监测的方法。感知的精确性和实时分析催生了远程健康监测以及对老年人或残障人士的护理等应用程序。物联网医疗系统是多种技术的融合，例如互联网、 Wi‐Fi网络、传感器、嵌入式设备和普适计算[26]。生物传感器的目的是进行生理数据采集，而物联网使这些设备（传感器）能够通过互联网与数据处理平台交互。生物传感器可植入患者体内或附着于体外，用于感知不同的生命体征参数。所采集的生理数据随后通过Wi‐Fi或蓝牙等无线链路传输至本地处理站。

12第一章普适医疗保健

本地子系统收集的数据可以在本地或远程系统中进行处理。发送到远程系统的数据会被收集、存储，并分析其中是否存在异常。一旦发现数据模式中的异常，将发出警报以请求紧急医疗服务。通常，为了更快、更及时地响应，数据会在本地子系统进行处理，仅将关键/重要的数据发送至远程系统进行进一步分析[27]。物联网设备持续采集健康数据；对过去记录的数据进行分析，可用于监测和预测未来的健康问题以及患者健康状况进展。因此，物联网提供了更好的机会，能够远程监测和跟踪患者，通过物联网设备采集体温、心率读数、血压、血糖、脑电波和血氧水平等生命体征参数，并在后续进行分析。由于健康检查可以在任何方便的场所（例如患者家庭）进行，因此可以避免频繁前往医院和其他卫生服务中心的常规就诊。

生物传感器的进步以及可穿戴设备和健康监测系统普及率的不断提高，催生了众多医疗健康应用[27]。常用于监测患者的传感器包括：
•惯性运动传感器（用于监测人体姿势）•生物电传感器（心电图、肌电图、
脑电图）•电化学传感器（用于测量血糖水平、CO2和血液中的氧含量等）
•温度传感器

对于老年人和慢性病患者，可穿戴传感器设备能够持续监测个人健康状况。
一旦生命体征读数出现异常，问题便可立即上报。这些可穿戴设备连接互联网，从远程位置收集患者的健康数据，并将其发送至医院和医生，实现对这些患者的实时监控。与平板电脑或移动设备无线连接的健康手环可报告个人的生命体征。除了监测健康状况外，这些设备还会提醒患者按时服药、锻炼以及测量血压和心脏状况。诸如血糖仪、心脏监护仪和血压监测设备等不同仪器已通过物联网连接，受到家庭和医院中患者的青睐[28]。

物联网和远程医疗的目的都是为了改善人们的健康，但方式不同。远程医疗由医生主导评估、决策和提出建议，而医疗领域的物联网则致力于实现患者健康的监测、评估和预测的自动化。医疗领域物联网的理念是通过持续监测和预测健康问题来改善个人健康，并使健康服务可及247；而远程医疗则是医生在短时间内评估患者当前医疗状况，并根据体征/症状提出建议的过程。医疗领域的物联网是一种技术密集型发展。自动预测与诊断需要大量的数据处理和认知能力；尽管已有许多开创性进展，物联网在预测和诊断方面的认知能力仍然不足。

13 4移动与普适医疗

患者。由于缺乏真正的机器智能，仍然需要依赖人类专业知识和认知来进行患者治疗。相比之下，远程医疗过程是一个以人类/专家为主导的过程；医生凭借其专业知识进行诊断。物联网要完全自动化医疗服务还有很长的路要走（甚至可能永远不会实现）；也许物联网的实时特性可以与远程医疗相辅相成。医生和其他医务人员能够实时掌握患者的健康状况，而历史数据模式将使他们能够更彻底地分析患者问题并提供准确的诊断。

5物联网在医疗保健中的作用5.1

临床护理
诊断患者通常需要进行血液、呼吸、尿液、心脏状况等多种检测。这些检测在实验室中进行时，往往需要较长时间才能得出明确结果。在紧急情况下，开具合适的药品或治疗方案需要了解患者的关键生命体征信息，如血糖水平、血压、心脏状况等。用于医疗辅助的传感器及基于传感器的物联网技术能够快速且普适地检测患者的生命体征。在紧急情况下，此类设备可随时随地快速评估患者状况，无需患者长时间等待检测结果。快速获得的结果有助于医生准确诊断，可能挽救生命。此外，在医院、诊所或家庭中使用非侵入式物联网设备对患者进行监测，可以长期收集所需信息，并进行存储和分析。通过对数据的持续分析，能够在降低成本的同时提供更优质的临床护理。

5.2远程监控

用于医疗援助的传感器和基于传感器的物联网设备为患者远程监控提供了独特的机会。无论患者身处医院、家庭还是其他任何地方，使用支持物联网的医疗援助和服务都能让医生随时掌握患者的详细信息。连接到患者的不同电子传感器可以监测生命体征，如体内化学失衡、血糖水平、神经和脑活动、血压、心脏状况以及进一步的心理和行为状况。通过无线连接的物联网设备可确保生命体征数据全天候、随时随地提供给医生。对所收集的数据进行数据分析，有助于医生远程做出正确的建议。

5.3物联网与医疗机器人

机器人是被编程用于执行任务的机器。机器人在执行耗时、费力且需要精确性的复杂工作方面非常有用。几十年来，机器人一直被用于工业应用，但近年来

14第一章普适医疗保健

它们在医疗和保健领域的应用不断增长。机器人执行患者护理和康复等集成服务。机器人技术的应用显著改善了患者监测、手术、智能医疗胶囊、假肢设备、肌肉疾病以及认知或精神障碍患者的治疗等领域。机器人作用于真实物理世界，但在采取操作之前，理解上下文意义至关重要。物联网作为感知层为机器人提供输入。传感器和物联网设备检测患者的情境信息，并通过收集现实世界输入对信息进行有意义的上下文解读。数据经过智能处理后，以采取适当的现实世界操作。物联网传感器除了向机器人传递信息外，还将数据发送用于存储和进一步分析。数据分析有助于更深入地了解情况，并进一步推动机器人的发展。对于假肢机器人手臂或腿部，附着在截肢部位的传感器可感知肌肉压力和神经系统，以识别患者的意图。类似地，提供视觉感官输入的摄像头会分析操作区域，并通知机器人执行必要的手术。同样，持续监测患者的传感器和物联网设备可根据患者状况或情境，通知机器人为患者提供药物，或帮助患者从床上起身、行走等。医疗机器人非常有用，但要进行恰当操作，它们需要物联网设备作为感官输入来评估situation[29]。

6不同的医疗传感器6.1基本健康传感器

健康传感器是普适医疗系统中最重要的组件。它们用于感知不同的健康状况并跟踪健康信息。由于健康传感器被植入人体表面或体内以读取生物数据，因此也被称为生物传感器。在物联网支持的普适医疗环境中，部署了不同类型的生物传感器，用于测量人体内的多种生物信号，如血压、体温、血氧饱和度、心率等。

这些设备的工作原理可能因其应用程序而异。例如，血氧饱和度生物传感器（也称为脉搏血氧仪）采用光学传感机制来测定两种不同波长下的光吸收情况。编织在夹克中的细导线用于捕捉与患者体温相对应的电信号。然而，从更广泛的角度来看，这些传感器在结构和功能方面可能会具有一些共同特征，如图1所示。通常，生物传感器可能由

6不同的医疗传感器6.1基本健康传感器

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生物受体用于感知人体中的生物参数。生物受体也被称为识别元件，可以有多种类型，例如抗原、抗体、酶、蛋白质等。所考虑的参数由换能器模块转换为相应的电信号。根据输入信号的性质，生物传感器可采用机电式、光学式、质量变化式或量热式等类型的换能器。所获得的信号可能受到噪声污染，需要进行滤波处理。此外，还需要增强信号强度，以便将其发送用于显示，或传输以进行存储和分析。信号处理模块负责执行去噪和放大操作。噪声的消除通常借助数字有限冲激响应（FIR）滤波器完成。运算放大器（运放）是增强弱信号强度的理想选择。本地显示模块为可选部分。在基于物联网的普适医疗系统中，所获取的生物参数通过Wi‐Fi、蓝牙、ZigBee等各种无线协议传输至医疗中心的服务器。

本节讨论了支持普适医疗系统的不同健康传感器。表2总结了这些设备，并提到了相关的挑战。

6.1.1血压传感器

血压测量旨在确定血液流经血管时对动脉壁产生的压力。如果动脉中的血流正常，则血压被认为是正常的。由于某些原因，如果血流受到限制，则血压会升高。血压升高可能会导致严重的医疗问题[39]。用于测量血压的设备称为血压计。血压测量过程可识别出血管内的两种压力：一种是心脏跳动时的压力，称为收缩压；另一种是心脏在两次心跳之间处于静止状态时的压力，称为舒张压。目前有多种传统血压测量方法。水银血压计被认为是“金标准”，其结构包含一根直立的玻璃管和一个盛有汞的储液槽。无液血压计是另一种类型的血压计，其工作原理与水银血压计相似，但使用机械表盘而非汞来显示血压。数字压力计基于示波法
测量血压的原理是使用电子压力传感器来测量血压，读数以数字形式显示在显示屏上。迄今为止所描述的各种方法均使用袖带，这不适合在普适环境中进行持续监测，尤其是在睡眠期间。

在普适场景中，动态血压监测的一种可行方法是脉搏传导时间（PTT） [32]或脉搏波传导时间（PWTT）[33]。PTT指的是两个动脉部位之间的时间延迟。PTT可以通过近端和远端动脉波形之间的时间间隔来估算。血压与 PTT成反比。最后，将毫秒为单位的PTT值校准为毫米汞柱为单位的血压值。
这种血压测量方法是无袖带的，可以与智能手机等智能中心连接，以支持普适医疗系统。

6.1.2体温传感器

体温是反映人体生理状态的重要体征之一[40]。正常核心体温约为37°C。异常体温可能是一个重要指标，表明该人正遭受感染、发烧或因循环性休克导致的低血流。[41]健康人的体温也可能因一天中的测量时间和身体测量位置的不同而略有变化。因此，在测量体温时，必须适当校准温度读数。在普适医疗环境中，通常使用可穿戴温度传感器，并将其放置在手腕、手臂或胸部。
这些部位的体温比核心体温大约低5°C。

在可穿戴和其他无创技术中，由于热敏电阻传感器具有更高的灵敏度和准确性，因此相较于热电式或光学传感器，更适合用于体温测量[40] 。热敏电阻的电阻会随温度变化而变化。其中一种称为正温度系数（PTC）型的热敏电阻，其电阻随温度升高而增加；另一类则在温度降低时电阻减小，被称为负温度系数（NTC）型热敏电阻。在面向新生儿患者的可穿戴智能夹克中，导电纺织线被用作NTC型传感器。此外，镍和钨丝因其高基准电阻、灵敏度以及在可穿戴应用中的可用性，也被广泛用作织物传感器。基于集成电路（IC）如LM35的温度传感器也可直接放置于需要连续体温监测的患者皮肤上。

6.1.3心电图传感器

心电图（ECG）是用于确定患者心血管系统关键信息的最古老且最简单的检测方法之一[35]。心电图显示心肌在电去极化作用下的电活动，并将结果记录在坐标纸上。可通过多种技术进行心电图检查。

一种传统方法即湿式心电图（wetECG），通过在胸部、手臂、手部和腿部安装12或15个银‐氯化银电极，并使用特殊类型的导电凝胶作为身体与电极之间传输电信号的导电介质。湿式心电图在长期使用中存在一些缺点，例如患者因接触金属电极和凝胶而产生过敏反应，或电极表面退化导致信号质量下降。

在过去几十年中，冠心病发病率急剧上升，尤其是老年人。对于高危患者而言，持续监测心电图信号在及时检测病理特征和心律失常方面可能非常有帮助[35]。在这种情况下，可以动态识别出与正常心电图读数的偏离，并立即将患者送往医疗保健中心采取预防措施。在普适医疗环境中，这种安排是可行的，患者可以在自由进行日常活动的同时，实现对心电图信号的持续监测。

电容耦合心电图（CC‐ECG）是一种无需与患者身体进行导电接触即可获取心电图信号的替代方法[43]。在此方法中，一层薄绝缘体将人体与金属板电极隔离，从而形成一个电容器。这些电极可应用于织物上，供需要持续监测心电图信号的人员穿戴。基于CC‐ECG传感器的心电图设备可设计为便携式小型装置，并能无线工作，以支持普适医疗环境。为了延长电池寿命，采用了低功率组件以及空闲模式、低功耗无线协议等技术。

6.1.4脑电传感器

脑电图（EEG）是一种通过在头皮多个位置放置小型电极来测量人脑电活动的技术[44]。这是一种非侵入性方法，可反复应用于患者、正常成年人和儿童，且无任何风险。这些电冲动由大脑中的神经放电产生，其幅度范围为微伏（μV），频率在8至50赫兹之间。脑电图信号可分为五种电磁波频段[45]，如表3所示。脑电图对多种状态敏感，范围从压力状态、警觉性到休息状态、催眠状态以及睡眠[46]。当人处于睁眼的清醒状态时，β活动占主导地位；在放松或嗜睡状态下，α活动为主导；当人感到困倦时，低频电磁波的功率会增加。

脑电图（EEG）被广泛应用于医学和非医学领域。一些医学应用包括监测警觉性、昏迷和脑死亡；定位头部损伤、中风、肿瘤等造成的损害区域；研究癫痫并确定癫痫发作起源；分析睡眠障碍和生理学[46],等。在非医学应用中，脑电图用于运动员的心理训练，帮助他们增强焦点，并有效管理压力或疲劳。脑电图还可用于认知过程、决策、驾驶员警觉性等方面的研究。

脑电图（EEG）支持普适环境，因为参与者可在工作场所和家庭中不受限制地执行日常任务的同时，实现对大脑功能在多种应用程序中的监测。脑电图仪（EEGmachine）由电极、放大器、滤波器和记录单元组成。电极通常按照国际10‐20系统放置在头皮上，并借助导电凝胶确保良好的机械和电气接触。干泡沫电极、MEM传感器、微探针电极等是普适环境中湿电极的流行替代方案。从电极接收到的电信号需要经过适当的放大，并分别通过放大器和滤波器去除噪声。模数转换器（ADC）用于将信号转换为数字形式，然后输入计算机进行分析和存储目的。

6.1.5加速度传感器

身体活动被认为是衡量个人健康状况的主要健康指标之一，特别是在心血管疾病、糖尿病和肥胖领域[47]。身体活动减少表明可能存在与功能障碍相关的疾病和症状。加速度计被广泛用作可穿戴或体戴式设备中的实用传感器，用于监测人体身体活动[48]。它们测量运动物体相对于参考轴的加速度。相比其他测量身体活动的方法，加速度计更受青睐，因为加速度与驱动人体运动强度和频率的外力成正比。速度和位移信息可以从加速度计数据中适当推导出来。此外，加速度计还可以提供倾斜感知，用于分类不同的姿势朝向、跌倒检测等[48]。总体而言，市场上有三种类型的加速度计，即

活动	频率 (Hz)	强度 (μV)	脑状态
δ	0.5–3	100–200	深度睡眠、无意识、麻醉状态或正常成年人缺氧阶段。成年人在清醒状态下不会表现出 δ活动状态
θ	4–7	<30	经历情绪压力的人，意识中断，或深度身体放松
α	8–13	30–50	意识、安静，或精神不活跃清醒（放松）状态
β	14–30	5–20	当一个人清醒且警觉时；思考或接收感官刺激
γ	31–50	5–10	此活动与认知、感知活动或选择性注意相关

表3 脑电图信号强度对应的脑活动、频率波段和脑状态

压阻式、压电式和差分电容式[47]。在这三种类型中，差分电容式加速度计在手机和其他便携式电子产品（包括健康监测设备）中广受欢迎并被广泛应用。

6.1.6脉搏血氧仪

血液中的血氧水平是人体的一个重要参数。如果血氧水平过低，人体可能难以正常运作，极低的血氧水平可能会对心脏和大脑造成负担。血液氧饱和度（SaO2）读数表示动脉血中与氧气结合的血红蛋白分子占其最大携氧能力的百分比。在正常情况下，氧饱和度水平的数值应高于89%。脉搏血氧仪是一种用于测量SaO2[49]的设备。通过脉搏血氧仪测量得到的SaO2称为SpO2。

脉搏血氧仪的工作原理是：氧合血红蛋白（O2Hb）和脱氧血红蛋白（ HHb）对红光和近红外（IR）光的吸收程度不同[50]。O2Hb吸收较多的近红外光，而吸收较少的红光；相反，HHb吸收更多的红光，而吸收较少的近红外光。脉搏血氧仪正是利用了这一差异。它通过安装在指夹探头一端的一对发光二极管，发射波长为660纳米的红光和波长为940纳米的近红外光，如图2所示。穿过手指的这两种光随后由探头另一端的光电二极管检测。根据红光和近红外光被吸收的相对量，血氧仪计算出血红蛋白与氧气结合的百分比。

除了指尖外，传感器也可放置在耳垂或脚趾上。

示意图1

在普适监测环境中，从传感器单元采集的信号与微型处理单元接口，然后通过无线局域网、智能手机等无线方式将数据转发至医疗机构。

6.1.7心率监测仪

人类心脏负责将含氧血液和营养物质泵送至身体各个部位，同时收集含有二氧化碳和其他废物的脱氧血液。心动周期定义为在肺部将脱氧血液转化为含氧血液，并通过心脏经由主动脉将血液泵送至全身的过程[40]。心动周期的频率被称为心率（HR），以每分钟心跳次数（BPM）表示。心率（HR）是一项重要的生命体征，反映一个人的心理和身体健康状况。正常健康成人的心率范围为60至100每分钟心跳次数（BPM）。静息状态下较低的心率通常表明心血管健康状况更好，心脏功能更高效。身体素质较差的人通常心率较高。

测量心率（HR）的方法有多种。其中一种非侵入式且常见的技术使用近红外光[51]。该传感器的结构与上一节中所述的脉搏血氧仪相同，并基于相同的原理工作。在心率监测的情况下，从交流电流流动中获得的信号是关键参数。因此，该信号被截取、放大、滤波后输入微控制器，以确定信号的频率。将信号频率值乘以60即可得到每分钟心跳次数（BPM），该数值可在 LCD模块上显示，并通过适当的无线协议传输到移动网络，用于远程监控和数据存储。还可以通过观察QRS波群的周期性，从心电图信号（ECG信号）中计算出心率。目前市场上有多种制造企业生产的可穿戴于手腕的心率监测设备；这些设备可通过手机连接互联网，以便医生对数据进行存储和后续分析。

6.1.8心律监测仪

由于心脏电冲动功能障碍，人的心跳可能会过快（心动过速）、过慢（心动过缓）或不规则。[52]这种情况被称为心律失常或心脏心律失常。轻微的心律失常可通过简单的生活方式改变进行处理，而反复晕厥、心悸、原因不明的中风或心房颤动等严重的心律失常可能具有严重性并危及生命，因此需要医生立即关注。心脏心律失常通常以短暂的方式发生，并非持续存在；因此心电图可能无法检测到心脏功能的此类异常。在这种情况下，需要对患者的心脏进行24小时至30天甚至更长时间（数年）的监测，此类测量需使用心律监测仪。可提供外部和可植入/可插入类型的心律监测仪来记录心脏的电活动 [52]。霍尔特和事件监测仪[53]是最常见的外部心脏监测设备类型，通过导线连接到患者体外，使用时间较短。这些设备记录并存储心电数据，可发送给医生进行分析和诊断。可植入和可插入类型的监测仪设计用于长期使用（长达3年），适用于短期监测无法检测到心脏功能异常的情况。它们体积小巧，被放置于

胸部皮肤。植入式监测仪在确定罕见且原因不明的心律失常的原因方面非常有效。体外和植入式监测仪记录的数据可以传输到监测中心，用于审查和报告生成。例如，移动心脏遥测（MCT）系统是一种无线心律失常事件监测仪，由可穿戴监测设备和便携式数据传输设备组成[54]。此类设备可实现对患者心脏间歇性异常的普适监测。

6.1.9药丸摄像头

医生通过传统内窥镜检查和结肠镜检查来观察小肠的上部和下部，以识别与胃肠道相关的各种疾病。这两种检查方法均无法到达肠道的中段[55]。一种称为胶囊内窥镜检查的技术，使用如图3所示的、呈胶囊形状并带有微型相机及其他附件的装置，对小肠进行成像，从而实现直接视觉观察

示意图2

检查[57]。吞服胶囊或药丸相机会有助于确定胃肠道出血的来源，检测克罗恩病引起的肠道炎症，发现肿瘤，或观察溃疡。该药丸相机的大致尺寸为 26毫米11毫米，内部包含一个小型数字相机、一个光源、一根发射天线以及为设备供电的电池。该药丸能够以无线方式每秒传输两幅图像，并存储在患者腰部佩戴的数据记录仪中。这些设备可提供140–170度的视野，电池寿命为6–8小时。这些图像可通过计算机上的专用软件以可变速度进行查看，几乎如同视频一般[57]。

患者在吞下药丸摄像头并将数据记录仪佩戴在腰部后，可以继续其日常活动。6至8小时后，患者可返回医疗中心，下载并分析图像。在普适医疗保健环境中，医生可通过智能手机利用移动互联网远程访问所记录的图像以进行检查，患者无需前往医院。

6.2医疗护理单元中使用的其他传感器6.2.1室温传感器

升高的室温可能会导致医疗机构内患者睡眠连续性不佳的环境。此外，它还可能对患者的康复过程产生不利影响。健康睡眠推荐的最高温度为24°C。因此，在医疗机构中，应建立一个可靠的自动连续温控系统。传感器被定期部署在医疗单元的不同位置，以监测各处的温度水平。这些传感器的温度数据通过无线方式传输到中央控制室。根据接收到的信息，中央控制室可向制冷设备发送适当的校正信号，将温度调节至所需值。

6.2.2气压传感器

气压测量系统用于医院中测量室内压力，并验证病房和隔离舱内的正确气流。
此外，该设备有助于确保患者和医务人员的安全，防止空气传播的病原体。
微机电系统（MEMS）传感器广泛用于测量气压。此外，MEMS压力传感器还用作吸入器，以监测血液进出时的压力。

6.2.3光传感器

医疗护理单元中的照明是需要维持的重要参数之一，因为过高的光照水平会营造出不适合夜间睡眠的环境。照明工程师学会推荐的病房照度水平在10至 20勒姆/平方英尺2之间。降低功耗是可控照明的另一个重要优势。通常，在可控

照明系统包含一个占用传感器和一个光传感器[59]。这些传感器通过网络连接到中央控制器。占用传感器用于识别其覆盖区域内是否存在人员。光传感器计算从日光和附近灯具获得的总照明量。所获取的照明和占用信息随后被转发到中央控制器，由照明控制算法决定人工照明的适当调光等级。计算出的调光等级随后被传回相应的灯具，以调整其照明水平。

6.2.4运动与活动传感器

一个人的身体活动是良好健康的重要参数之一。此外，患者在医院康复期间的移动性是需要密切监测的重要因素。传统上，计步器、活动记录仪或加速度计是用于确定人体运动和身体活动的首选传感器。计步器通过检测髋部摆动来计算每一步。借助GPS接收器，还可以确定人的行进距离。活动记录仪能够记录加速度和运动强度。最近的研究表明，识别不同的身体姿势（如坐姿、躺姿和行走）[60]也成为可能，从而实现一种新型的便携式测量系统，尤其适用于老年患者。微型运动传感器被放置在人的胸部以检测这些姿势。
此外，传感器还能实现对站立、坐姿、躺姿之间姿势转换以及站立时的移动活动的检测。

6.3不同的健身设备

由智能传感器驱动的可穿戴设备通过持续监测生理参数，提升了现代医疗支持。计步器、活动追踪器等设备借助各种健身应用，通过提供适当且及时的指导和激励，控制着我们的锻炼方式并帮助维持健康生活方式。例如，带有智能传感器的运动服装能够将身体数据转化为训练建议，从而帮助我们提升表现。下文将讨论此类健身设备的一些示例。

6.3.1腕带

健康监测传感器的进步带来了商业可用的腕带。这种腕带也被称为活动追踪器或健身追踪器/手环[61],用于评估个人的身体活动，并跟踪健康及其他生命体征统计数据。健身追踪器持续监测心率、步数、睡眠、压力、VO2 max、消耗卡路里等。
这些设备除了监测外，还通过提供锻炼、饮食控制和运动指导建议，帮助提升健康状况并保持健康[62]。健身追踪器利用非侵入式传感器以高效且非常准确的方式轻松监测用户的健康和活动情况。该健身追踪器可以同步

通过智能移动设备反映个人的健康状况。对个人过往数据应用移动智能，可提供及时且适当的健康建议。

6.3.2眼镜设备

健康保健行业已经推出了眼镜设备，可在用户进行游泳、骑行及其他需要持续健康监测的高强度身体活动时提供健康状况更新。该眼镜设备可持续监测用户的活动速度、心率、步频和功率等。使用者的健康状况会直接投影在镜片上，并通过耳机发出听觉提示；这避免了像使用其他健身设备（如智能手机和腕带）时需不断查看健康与活动状态的麻烦[63]。

6.3.3智能鞋

智能鞋是一种新型鞋类，有助于跟踪身体素质状况。这些智能鞋可以像普通鞋子一样轻松穿脱，无需额外佩戴健康手环等附件，使健康和体能追踪变得极为隐蔽。健身追踪器被嵌入鞋底中，用于评估个人的跑步数据。存储的数据之后可同步到移动设备进行分析。这类鞋子对赛前训练非常有用[64]。

6.3.4RFID标签

射频识别（RFID）在可操作性、无线传感和低成本方面的简单性使其成为为任何物体贴标签并将其连接到虚拟系统的流行技术。射频识别标签主要基于无线电波的识别和跟踪技术工作。该系统由作为识别设备的标签、读取器或基站以及潜在的信息系统组成。商业上，射频识别标签使用不同频率范围的无线电波与读取设备进行通信。标签通过射频信号传输其身份标识，当靠近读取器或多台基站时，该信号被读取。根据是否使用电池供电等外部电源，射频标签可分为有源和无源两类[65]。有源标签使用外部电池供电来发射信号，因此具有更高的发射功率和更广的覆盖范围。无源标签则利用接收信号的功率来增强并回传一个调制信号，因而传输范围有限。射频信号用于识别跟踪的理想特性包括：
•穿透墙壁•不需要直接传输路径或视线•工作范围可达
30米或更远•高速•采用低功耗传输•支持数据速率高达1–2兆比特每秒

射频识别（RFID）已推动物联网（IoT）达到实际应用的高度。射频识别在医疗和保健领域的应用范围从信息管理到患者
监测。尽管射频识别实际上并不返回直接的患者健康数据，但它成功实现了通过互联网连接事物（生物或非生物），从而以高效的方式协调各种操作、运行和管理。

在医疗和健康服务中，射频识别作为物联网实现的一些示例是[66]：
•患者信息管理：包含病史、疾病、接受的治疗类型及副作用、药物或医学检查的患者健康记录存储在数据库中，并可与射频识别（RFID）相关联。为患者诊治的医生和护士可通过患者的射频识别标签获取详细信息，从而有助于正确诊断并防止错误用药。
•信息共享：射频识别系统有助于建立一个强大的网络，用于共享医疗信息或记录。存储在数据库中的患者医疗信息与射频识别标签相关联。这使得医生能够浏览患者的病历、病史、治疗程序和信息、保险覆盖等。射频识别的应用帮助患者适当地选择医生和医院。存储在数据库中的信息可以在医生之间充分共享，不受空间和时间限制。这也确保了医生和医院能够持续更新最新进展。
•持续实时监控：在医学研究和生产中，射频识别标签被用于监测药品及其他医疗产品的整个研究、生产和分销过程。在流通过程中，用户可获知药物的所有详细信息，从而确保质量。如果药品质量存在问题，可追溯包括姓名、类别、来源、批次处理、交付和销售在内的所有信息。
•药品存储管理：射频识别标签系统有助于维护医疗库存，从而减少人工输入错误。用于维护库存的射频识别系统还有助于避免药品名称相似时出现的名称混淆，并有助于库存水平维护、药品的及时供应和重新订购。
•医疗设备可追溯性：与射频识别标签关联的医疗设备有助于了解设备的身份标识、来源、使用期限、质量问题、哪些患者使用过该设备、设备曾使用过的地点以及使用/未使用状态。

7互联医疗保健的好处

需要注意的是，物联网已经改变了当今世界对医疗保健概念的定义。不仅患者，而且全球的医疗专家都在认可物联网在医疗保健中不可否认的贡献。从个人健康到手术，物联网提供了显著的效率，从而实现了一体化医疗。

以下是互联医疗保健的一些关键好处：

患者参与与护理管理

借助物联网，人们现在可以轻松获取个人健康信息和护理服务。基于物联网的应用程序使患者能够访问自身的健康数据，从而清晰了解自身的健康改善情况。目标是使患者能够积极参与自身护理，通过持续监测血压、血糖水平、体温、所需卡路里等个人健康数据实现自主化。
基于物联网的附着式传感器可采集个人健康的生命体征，并通过移动设备提供即时建议。此外，在必要时，系统会分析患者状况，并将包含所有必要健康数据的重要警报发送至最近的医疗机构，以便为患者护理采取紧急措施。

实时数据

在许多情况下，例如事故或突发健康问题，需要迅速行动以挽救受害者生命。对于医生和医疗专家而言，由于缺乏患者当前心脏状况、血压、骨折数量、失血量、内出血、既往健康并发症等实时健康数据，提供紧急急救服务变得非常困难。能够实时评估患者的生命体征至关重要。物联网的应用通过提供必要的实时患者数据，使医疗和健康专业人员的工作更加便捷。附着在患者身体上的物联网传感器设备（如体外扫描仪或手表）可以收集实时生命体征数据，而实时数据分析有助于医疗专家为患者提供准确快速的治疗。

提高治疗效果

对任何健康问题的正确诊断是实现更好且改进的治疗的关键，而只有在拥有充足的患者既往健康记录以及实时健康数据的持续收集时，这一点才能实现。通过大量联网设备，医疗专家可以访问大量的实时数据，帮助他们分析医疗保健趋势，并测量特定药物或健康状况随时间推移所产生的影响。

对紧急情况快速且有意义的响应

物联网传感器设备对患者健康统计数据的持续监测、评估以及实时数据的分析，有助于护理人员在需要时获得有意义的健康警报。通过分析和访问健康参数中超出阈值的偏差的实时数据，可引起医疗专家的注意，从而提供更快且适当的医疗服务。这无疑可能挽救生命。

对偏远地区患者的更好护理

偏远地区医疗和健康护理设施及服务的缺乏或不足，使得正在接受持续治疗的患者面临困难；居住在偏远地区的患者就诊医生确实存在巨大困难。同样，医疗专家前往偏远地区探视患者也非常困难。随着物联网在医疗援助和服务领域的创新方法的发展，医疗专家以及偏远地区的患者在诊断和护理方面都变得更加便捷。现在，医生可以通过联网医疗设备从远程位置更准确地监测患者的疾病和其他健康参数。对这些偏远地区实时健康数据的持续收集和分析，有助于医疗专家做出快速且有意义的响应。

面向残疾人的物联网

对于患有瘫痪、小儿麻痹症、腿部或手臂截肢、肌肉和神经问题、失明、听力问题、认知问题等疾病的患者来说，过上正常生活可能十分困难。一个多世纪以来，人们一直在努力克服残疾人所面临的挑战。在这方面，基于传感器的物联网设备的发展帮助这些人群克服了身体障碍。例如，先进的传感器分别为盲人和聋人带来了视觉和听觉。评估患者大脑和神经系统状况的传感器（如脑电图设备）可以帮助使用轮椅或卧床的瘫痪患者、肌肉疾病患者以及认知问题患者实现实时交互。摄像头、接近传感器等设备能够感知个人及其周围环境的情境，从而帮助盲人以及借助机器人行走的人理解周围环境。各种支持物联网的设备为许多残疾人带来了新的希望和能力。

物联网作为错误减少工具

健康报告中的一个微小错误都可能导致个人生活中的一场严重事故。通过物联网，我们可以减少医疗错误的发生范围，其中信息技术发挥着重要作用。更准确的数据、自动化和分析决策是物联网在减少错误方面的一些重要特征。

智能医药

全球医疗成本正在迅速上升，以至于在不久的将来，普通人的健康护理将变得难以负担。医疗行业新技术的快速创新为缓解这一状况带来了一线希望。前所未有的设备使患者能够自行检测唾液、血液甚至鼻腔分泌物中的疾病。配备传感器的专用鞋具可监测行走模式的变化，这可能是严重疾病的征兆。带有可摄入传感器的药物可监测患者是否按照医生处方服药。
物联网不仅支持治疗诊断，还可在无需频繁且昂贵地前往诊所或医院的情况下实现预防性护理。从非药物止痛方案到可将心肺音传输至指定主机设备以进行进一步分析的智能听诊器，这项创新技术能够节省时间和成本。

降低成本

实时数据的可用性不仅有助于对患者进行远程监测，还能降低医疗成本，因为医生或其他医疗专家无需亲自前往患者处收集健康数据以进行诊断。此外，患者监测可以在家庭或偏远地区进行，而无需在医院进行，从而节省了医院开支。物联网（IoT）允许患者在不同医院之间转院时，实现其健康数据在医院和医生之间的共享，从而避免每次患者前往新的医疗机构时重复进行诊断测试和治疗程序。基于物联网的医疗服务的一个独特特点是能够推动预防性医疗保健。医疗传感器可评估患者的当前健康状况，经过进一步分析后可预测未来的健康并发症和疾病。这种对未来健康的预测有助于患者和医疗专家采取预防措施，从而避免未来健康并发症和危害及其相关成本。

8互联医疗保健面临的挑战

本节探讨了为了获得普适医疗保健的最大效益而需要应对的一些主要挑战。

数据收集与管理

如今，由于数据激增，数据收集与管理变得难以应对。物联网设备正在持续产生大量数据。一些智能设备会将数据存储一段时间，或将其发送至管理组件。设备通过Wi‐Fi或ZigBee等无线技术将数据发送到收集点。大多数情况下，这些数据以非结构化数据的形式传入，因为它们来自不同的设备。这些数据需要经过预处理，以识别缺失数据、消除冗余，并以结构化方式整合异构数据。从多种多样的设备中收集和存储不同类型的数据确实具有挑战性。

业界正在提出并采用多种解决方案。微软开发了健康档案，其功能相当于电子病历系统。拉德堡德大学医学中心的REshape创新中心开发了 HereIsMyData[67],一种数据库解决方案，使患者能够存储自己的医疗数据。
Fitbit、苹果研究套件等其他产品则向研究人员提供用户的医疗数据，用于测试健康状况、营养水平、疾病进展等。随后，预处理后的数据被存储起来，以便通过分析这些数据进一步了解情况，预测未来的健康状况，或检测数据中的异常以启动进一步调查。

数据过载

医疗保健中使用的各种物联网和联网医疗设备会产生大量数据。数据生成速度非常快，并随着时间推移和患者数量增加而不断增长，给网络带来巨大压力，同时加重了数据存储和访问过程的负担。此外，对如此庞大的数据进行准确的医学分析是一项超负荷的操作，可能导致无法及时获得适当反馈，从而破坏普适医疗保健理念的核心价值。这一限制要求采用一种全新的数据传输、存储、访问和处理方式。

数据与设备互操作性

患者佩戴着各种不同类型的传感器和医疗设备。一台设备产生的数据可能被另一台设备用作进一步操作的输入。这些设备通常来自不同的制造商，可能以不同的格式或结构、生产速率以及数据接口媒体连接方式生成数据。通常，不同制造商生产的同类型传感器所产生的数据格式或数据速率不同，或者在数据通信方面具有不同的物理接口。这导致了互操作性问题，使得不同设备之间的协同工作变得困难。

缺乏标准化

如前一段所述，不同供应商的设备和应用程序可能彼此不兼容。这可能导致一个设备产生的数据对其他设备没有意义，因为它们无法解释这些数据。从单一供应商购买完整的医疗保健解决方案（包括所有设备和应用程序）在技术和经济上并不总是明智的选择。此外，这可能会促进特定供应商的垄断。

供应商垄断市场，最终将增加成本。为了避免这种情况，需要对医疗设备及其操作、数据格式和结构进行标准化。由于缺乏基准标准，设备集成成为一个实际问题。尽管如此，最近一些物联网医疗产品正在提供可互操作的标准格式数据[68]。

系统集成的不足

通常患者被要求使用多种植入式和可穿戴设备来收集健康数据。这些设备通常以独立方式工作，彼此之间往往是孤立且不透明的，主要原因在于不同的设备供应商仅向其自身设备或云提供数据访问权限。这种做法有时会适得其反；即所收集的数据在与其他数据相关联之前变得毫无用处。例如，假设从一名患有高血压的患者身上持续收集血压信息并报告给医生，与此同时，另一台设备正在检测其胸痛。在这种情况下，需要这两组数据才能全面了解患者的健康状况。物联网设备供应商不允许其他设备访问其收集的患者数据，并将这些数据限制在其自身系统或应用程序内。由于这种数据锁定，数据并不总是对其他系统可见，从而降低了整个医疗系统的潜在价值。此外，从不同医疗设备收集的数据通常不会传输到集中式系统，在大多数情况下，由于分散的存储库而难以获取。这种信息的减少降低了任何分析的准确度水平。