云计算与物联网集成：机遇与挑战

### 云计算与物联网集成：机遇与挑战 #### 1. 引言 无线体域网（WBAN）为医疗监测系统提供了大部分硬件基础设施，它能连接传感器和执行器。不过，仅收集生命体征数据并不能构成一个全面的医疗监测系统。一个全面的远程医疗和环境辅助生活（AAL）监测系统通常需要连接多个医疗设备，如血压计、体重计、血糖仪和脉搏血氧仪等，护士、医生的信息以及患者的位置信息也十分重要。在某些情况下，摄像头、麦克风和扬声器等输入输出设备和传感器能极大地增强医疗监测系统的功能，使医生可以远程探视患者。但WBAN由于生物传感器复杂、敏感且存在显著局限性，无法收集所有这些信息。 为克服这些挑战，物联网（IoT）技术可与WBAN在医疗监测系统中并行工作。基于IoT的服务无处不在且个性化，能加速医疗从以医护人员为中心向以患者为中心的转变。在应用中，各种医疗设备，包括生物医学传感器和诊断设备，都可被视为代表IoT技术核心元素的智能设备或对象。其创新的主要目的是降低成本，同时提高生活质量。此外，IoT还能有效调度有限资源，确保资源得到最佳利用，为更多患者提供服务。然而，IoT具有设备、技术和程序的高度异质性，因此在建立基于IoT的系统时，确保可扩展性、互操作性、可靠性、效率、可用性和安全性的接受水平至关重要。 云计算能够解决上述大部分问题。它在医疗信息学中提供了无限的数据资源，可在世界任何时间、任何地点访问。医疗系统需要持续和系统的创新，以在提供高质量服务的同时保持成本和时间的有效性和效率。云计算可以简化从无线传感器收集的数据处理，这些数据需要复杂的计算任务来揭示患者的健康状况。同时，云计算还具有易于访问、易于使用和部署成本高效等额外优势。但将云计算、WBAN和IoT集成也带来了一些挑战，如医疗应用中的安全和隐私问题，这正受到研究界的关注。 #### 2. 动机与目标 将云计算、WBAN和IoT三种技术集成，有望提供高质量且可扩展的医疗监测系统。尽管已有许多基于传感器云的监测系统方法，但在开发一个全面且可扩展的通用患者监测平台方面仍存在差距。 主要目标包括：分别研究这三种技术，详细探讨其优势和挑战；深入研究这三种技术的集成。 #### 3. 无线体域网（WBAN） WBAN技术是无线传感器网络（WSN）研究领域的一个子领域，可被视为生物医学工程的一个专业方向。它通常由不到几十个传感器节点组成，一般与人体相连，部署的节点数量比传统WSN少。在WBAN中，传感器节点将收集到的信息发送到称为协调器的基站。由于传输速率较低，WBAN通信的网络区域通常在几米以内。 常见的身体传感器包括心电图（ECG）、血压传感器和葡萄糖传感器等。ECG可监测人体心脏活动，血压传感器能监测血管中的血流和压力，葡萄糖传感器可实时监测葡萄糖水平。 ##### 3.1 WBAN面临的挑战 - **节点特性**：在大多数WBAN应用中，通常希望传感器节点尺寸小，因为患者舒适度是重要因素，植入式或可穿戴传感器节点的尺寸应尽可能小。除尺寸外，传感器节点提供数据的准确性也是一个巨大挑战。由于WBAN中的节点数量极其有限，节点需要非常准确和精密，以在没有数据冗余的情况下保证准确性。例如，在测量人体心脏活动的ECG应用中，传感器需靠近心脏以高精度感知信息，因此无法期望该网络收集患者位置等不同信息。 - **数据传输能力**：由于WBAN场景的多样性，不同应用的数据传输参数各不相同。数据速率从简单的低速率到复杂的视频流不等。如果某些WBAN应用同时使用多个此类传感器，数据速率将超过Mbps。而目前大多数低功率无线电无法达到这样的传输速率，因此WBAN技术在将患者的声音和视频等不同数据传输到医疗中心方面并不可靠。实际上，由于数据速率不同，网络拥塞可能是一个严重问题。 - **资源限制**：在WBAN中，传感器节点中的集成电池为网络任务提供所需能量。由于传感器节点尺寸小，电池也小，只能存储有限的电量。WBAN中的能量消耗主要分为三类：传感信息、无线通信和数据处理。研究表明，无线通信（如Wi-Fi、无线USB、ZigBee和蓝牙）比传感部分和处理电路消耗更多的能量。对于植入人体的传感器，更换电池不可行，因此期望能量有限的传感器节点准确传输大量不同信息（如GPS和语音数据）是不现实的。除电池容量外，可用内存、带宽和处理能力也是WBAN的资源限制，这些限制给在全面的医疗监测系统中实施WBAN带来了诸多困难。 - **WBAN与IoT技术**：为克服上述挑战，IoT技术可与WBAN在医疗监测系统中并行工作。WBAN可以独立存在，但IoT离不开WBAN，因为WBAN提供了大部分硬件基础设施支持，通过提供对传感器和执行器的访问。WBAN从起源上是为特定监测目的（如患者心脏功能）而开发的，而IoT并不专注于特定应用，也不期望收集特定类型的传感器数据。 #### 4. 物联网（IoT） 物联网的发展经历了几个阶段。20世纪60年代末，计算机网络被发明，实现了两台计算机之间的通信。80年代初引入了TCP/IP协议栈，80年代末万维网（WWW）出现，到1991年互联网开始广泛商业应用，随后人们通过不同设备，包括移动设备连接到互联网，形成了移动互联网。随着社交网络的兴起，用户现在可以通过互联网相互连接。物联网的下一个发展阶段是让所有设备能够通过互联网相互通信。 如今，IoT已成为学术界和工业界的重要技术。它提供了将我们周围的所有智能对象连接到互联网以相互通信的机会，并在各个领域实现了许多应用。一些对象的数据处理和存储能力有限，而另一些对象则具有更大的内存和更高的处理能力，能够智能地连接到互联网。据估计，到2020年，连接到互联网的设备数量将达到500 - 1000亿。因此，IoT技术对于促进在线设备之间的通信，以满足处理大量交互所需的服务质量（QoS）至关重要。 其目标是减少人类与设备的交互，通过赋予监测系统自主交互能力来满足人们的需求。这可以通过基于应用开发适当的架构来实现。IoT的应用领域主要可分为工业环境（如供应链管理）和社会类别（如电信、医疗技术），本文主要关注医疗技术领域。 ##### 4.1 医疗物联网（Health - IoT） 在不久的将来，医疗系统预计将从以医院为中心的模式转变为2020年的医院 - 家庭平衡模式，再到2030年的以家庭为中心的医疗模式。为实现这一目标，IoT技术被发明用于建立家庭医疗服务。医疗是IoT最具吸引力的应用领域之一。 基于Health - IoT的服务具有普遍性和个性化，可增强医疗数据从以医护人员为中心到以患者为中心的通信。IoT可应用于许多医疗应用，如远程健康监测，包括医疗服务提供者对患者在家中的治疗和药物使用监测。在这些应用中，各种医疗设备，如生物医学传感器和诊断设备，被视为在IoT中起核心作用的智能设备或对象。其创新的主要目的是降低成本，同时提高生活质量，并且IoT范式可以实时有效地调度有限的可用资源，确保资源得到最佳服务。 ##### 4.2 IoT医疗服务 基于IoT的医疗系统可应用于多种场景，如健康监测、监督和管理老年患者以及其他人的私人健康和健身。这些服务和应用程序需要进行修改和验证，以确保在各种场景中正常运行。以下是一些常见的IoT医疗服务： |服务类型|描述| | ---- | ---- | |环境辅助生活（AAL）|配备人工智能的IoT平台可解决老年人和残疾人的医疗保健问题。其主要目的是让老年人在自己的住所方便、安全地生活，确保他们有更大的自主性，并在出现问题时提供类似人类仆人的帮助。例如，有人提出了一种基于6LoWPAN的主动通信和基于射频识别（RFID）及近场通信（NFC）的被动通信的模块化架构，用于为老年人和残疾人提供医疗服务，并应用基于医学知识的算法来检测他们面临的问题。| |药物不良反应监测（ADR）|药物不良反应是指因服用单剂量药物或多种药物组合而可能发生的伤害。由于这不是一种有特定解决方案的特定疾病，因此需要开发单独的监测系统。有人提出了一种基于IoT的ADR监测系统，通过合作制药智能信息算法和传感器网络来实现。在该系统中，患者终端通过条形码/NFC启用的设备识别药物，并处理从设备和患者信息中收集的数据，以确保药物与患者的过敏史和电子健康记录兼容。此外，还开发了iMedPack作为iMedBox的一部分，通过应用RFID和受控分层材料（CDM）技术来解决ADR问题。| |社区医疗保健（CH）|社区医疗保健监测的理念是建立一个覆盖医院和农村社区等区域的网络。IoT范式可以在连接多个所需网络以建立合作