智慧健康丨可穿戴健康监测系统：实时监测，守护健康

人口老龄化已经成为当今世界的一个突出问题。中国是世界上老年人口最多、增长最快的国家，预计到21 世纪上半叶，中国60 岁以上的老龄人口将于2040 年前后达到4 亿左右，于2050 年达到峰值。

数据来源：中国老龄事业发展报告（2013）、全国老龄工作委员会办公室

人口老龄化将带来一系列的问题，首先，人口老龄化问题的日益严重，与有限的医疗资源之间形成矛盾；其次，随着社会的发展，人们越来越关注自身的健康状况，同时，随着需要医疗社会保障的老龄化人口急剧增加，将会导致以“医院为中心”的医疗资源相对而言更加匮乏；再次，社会科技的发展和人们对医疗服务水平要求不断提高，导致个性化医疗服务成为更多人的期望和选择；最后，“看病难，看病贵”成为困扰人民生活的一个大问题，特别是随着物价的不断增长，此问题尤为突出，从而更加剧了个人医疗健康方面的经济负担。以上这些情况致使我们迫切需要一种能够有效解决这些问题的新技术、新方法，以提供有效的解决方案。因此，可穿戴健康监测系统技术是最佳的选择。

可穿戴健康监测系统技术的广泛应用，将医疗重点从医院转向社区(家庭、个人)，促进疾病的预防，做到早发现、早诊治，为人们提供良好的居住和就医环境，提高生活质量。它是实现医院、社区、家庭与个人相结合的一种有效方式，是缓解人们对健康监测需求与医疗资源有限的有效途径。可穿戴健康监测系统已成为当今备受关注的新兴前沿热点研究领域之一。

什么是可穿戴健康监测系统？

可穿戴健康监测系统也可称为可穿戴网络，是以提供低成本智能化e-healthcare或u-healthcare服务为目标，基于传感器网络技术，以可穿戴计算为基础通过有线(或无线)网络对人体的生理、活动、位置及环境等上下文信息进行实时采集、多层融合，并对这些信息进行本地或者远程处理，以对用户当前或以后的身体状况做出诊断或预测的网络系统。它是一种集通信技术、计算机技术应用到医疗领域的一种技术手段，能够为病人提供低负荷、非入侵式、长期连续的生理监测，实现病人、医院、家属之间的及时沟通、实时联系，以及医院与医院间的信息交流、方便会诊，使医疗健康监护实现信息通达共享，大幅提升医疗服务。

可穿戴健康监测系统是无线传感器网络最重要的实际应用之一，被认为是最有效和最实际可行的新一代医疗监测模式和手段，是保障医疗健康和医疗服务模式转变(从传统的以医院为中心向以社区为中心、以家庭为中心和以个人为中心的转变)的核心新技术。社区医疗指以社区为范围、以家庭为单位、以健康为中心，集预防、医疗、保健、康复、健康教育等为一体的综合服务。

健康监测系统应该具有安全、有效，以病人为中心的特点，并提供实时、有效、公平的医疗等相关服务。可穿戴计算给传感器和监测设备提供了一个监测个人生理状况的平台，从用户的角度来看，系统应满足的特征，如图1所示。

图1　从用户角度可穿戴健康监测系统具有的特征

可穿戴健康监测系统系统架构

本文在已有的研究工作中给出了一种全面的体域网(body sensor network，BSN)架构，如图2 所示。该架构包含三个层次：①第一层包含一组具有检测功能的传感器节点或设备，由于受资源限制，它们的功能经过了简化设计；②第二层包含转发和汇聚节点，它们分别负责临时存储从第一层收集上来的数据，并与外部网络进行通信；③第三层包括提供各种应用服务的远程服务器的外部网络，例如，医疗服务器保留注册用户的电子医疗记录，并向这些用户、医务人员和护理人员提供相应服务。

图2　BSN 系统架构

在以上基础上，进一步给出本文中可穿戴健康监测系统对应的系统总体架构，以清晰地说明可穿戴健康监测系统中包含哪些元素及其之间的关系，如图3 所示。

图3　可穿戴健康监测系统总体架构

架构中包括两种典型场景：①在家庭或医院对人体生理参数进行检测、采集、处理，对病人的健康状态进行监控；②在室外某一区域内，在监测人体健康状态的同时考虑到位置和周围环境信息，对人体的活动和医疗健康行为进行监测。可穿戴健康监测系统中的核心元素包括系统用户、移动通信网络、互联网、智能手机、汇聚节点、体上传感器节点、位置及周围环境传感器节点、医疗社会网络、医疗健康云(包括存储服务器、数据服务器、计算服务器以及健康状态预测及趋势分析服务)、由生理参数组成的高维用户属性信息、个性化智能医疗健康服务、蓝牙(bluetooth)和无线IEEE 802.15.4 通信协议等。“互联网”是“医疗社会网络”和“医疗健康云”的容器，而“移动通信网络”是WHMS 泛在接入和数据交换的一种通信方式。系统的核心业务需求是：通过采集以人体为中心的相关参数，并对这些数据进行处理，向用户提供个性化智能医疗健康服务（iiiService），iiiService 具体包括医疗健康数据服务、健康咨询服务、健康状态预测分析服务、药物(医院、医生、医疗保健设备等)推荐服务、生理信息服务、健康提醒服务以及医疗文献检索服务等。

“医疗健康云”在汇聚了所有系统用户的各类数据和信息后，可以联合用户所属医疗卫生单位以接入居民健康档案信息，如果有必要，可以连接各个(当地)医院，并可借此进一步与医院的上属管理机构(包括医药管理、保健管理、医疗设备的管理等)进行连接。

要构建“医疗健康云”，首先需要在互联网上添加拥有强大的信息资源的节点或子网络集群，这些资源包括存储资源、计算资源、软件资源、数据资源和管理资源等；然后，构建面向医疗健康的云计算软件平台(包括底层分布式架构和服务、分布式算法、并行策略、负载平衡机制和应用架构等)；最后，应用数据融合和大数据挖掘分析技术，通过互联网以软件即服务(SaaS)方式或移动通信网络向系统用户提供所需的个性化智能医疗健康定制服务。

相比于应用云平台技术实现的用于医院管理的“内部私有云”，“医疗健康云”是对“私有云”的进一步增强和扩展，是一种医疗卫生信息扩大化的产业模式，具有全局性，功能更加强大，能够提供更多的医疗信息服务。传统的远程医疗系统中包含远程服务器，而可穿戴健康监测系统也能够提供远程医疗服务并包含云服务器，二者的区别在于：前者只能存储当前用户的所有医疗健康数据，而云服务器可以存储所有用户的历史医疗健康数据，包括分布式存储和并行计算、高性能计算机和并行网络平台。因为不可能每一个用户都被分配一个远程服务器，所以在功能和作用上后者涵盖了前者。

该架构不仅充分考虑到可穿戴系统，还考虑到资源受限(能量、计算、带宽等)的问题，并结合移动互联网和大数据时代的特征，同时形成了一个完整的医疗健康服务的闭环。具体表现在：用户相关的数据(生理参数、属性信息、位置信息、周围环境、动作和医疗健康行为信息)上传到“医疗健康云”服务器，在“计算服务器”内进行高层次的融合处理，并对健康状态进行决策、分析健康状态趋势和用户偏好信息以提供个性化医疗健康服务。最后，从云端向用户推送个性化智能服务，如制定更加合理的保健护理或治疗决策，发现不正常状态或系统用户，个性化推荐药品、医疗器械、医生和治疗方案等。

此外，可穿戴健康监测系统还关系到某些社会问题，这些问题的解决程度和速度都直接影响可穿戴健康监测系统的全面实施，例如，以下三项问题：①医疗费用与法律问题；②感知数据医疗标准化、规范化问题；③个人从观念上对该种健康监测方式的接受程度问题。

未来展望

可穿戴健康监测系统将会朝着社交化、智能化、传感器节点微型化、可移动、可穿戴、可植入和强交互性的方向发展，并将多种通信技术和组网技术相结合，能构造可调整精度的、大规模、全面的“医疗健康云”平台。在技术上将会越来越多地涉及数据融合、大规模医疗社会网络及其数据挖掘、MAC协议、能量、并行及分布式算法等研究领域。以可穿戴健康监测系统为核心的这种医学模式的思想是鼓励整个国家疾病预防的参与者以使预先治疗可以达到普及和个性化的医疗保健。未来可穿戴医疗技术的发展必须具有以下趋势和特点。

(1)更小、更舒适。可穿戴式医疗装置几乎不影响用户，甚至消失在我们周围的人工节点设备中，从而人们会接受并愿意使用可穿戴式医疗设备，使普及化和个性化医疗得以实现。

(2)实时、高诊断和警报。准确、及时的诊断以及警报，并提供可预防性药物。

(3)健康状态识别与调节。通过数据挖掘获得长期的、连续的多参数生理数据识别健康状况，并给予适当的治疗、干预和调节，如生物反馈训练运动会使病人或亚健康的人以相对较低的医疗成本恢复健康。这意味着在疾病变得复杂和失去控制之前将花费更少的时间和费用。这是节约资源和提供预防性药物的有效方法。

(4)社会医疗网络更具吸引力。社会网络可以影响人们的情绪、行为和生活方式。更多有吸引力的可穿戴式医疗产品、更多的人将加入提高参与性和普遍性的药物的体能训练。

本文摘编自宫继兵著《可穿戴健康监测系统数据融合》第一章部分内容，略有删减改动。