基于物联网的医疗保健：技术、挑战与解决方案

### 物联网在医疗保健中的应用：技术、挑战与解决方案 #### 1. 物联网与机器学习助力医疗保健 在医疗保健领域，物联网（IoT）与机器学习的结合正发挥着日益重要的作用。物联网传感器负责收集无误差的数据，并有时进行预处理，如去除冗余信息和过滤。而机器学习算法则对这些数据进行分析，得出有意义的结果。 三层网络技术将机器学习应用于第三层，已在包括医疗保健在内的各个领域得到广泛应用。早期的三层模型仅由相互连接的系统组成，在需要时将信息传递给护理人员以避免潜在危险。以下是一些不涉及大数据或机器学习的传统方法项目示例： |项目/系统名称|组织/大学|详情| | ---- | ---- | ---- | |CodeBlue|哈佛大学|监测个人的健康参数，如心电图（ECG）和心电图（EKG），这些参数会持续记录在各种计算设备上，使医生和医护人员在患者健康恶化时能采取适当行动。该项目的架构广泛发布，有助于持续监督患者的健康统计数据。| |Alarm - net|弗吉尼亚大学|也是一个三层系统，第一层涉及将物联网设备与身体功能传感器（如ECG和SpO₂）相连，以感知患者的生理统计数据，还包括环境传感器来记录温度、湿度、运动和光照等参数。第二层通过最短路径优先路由协议将临床数据从第二层传输到第三层。第三层使用基于IP的连接实现源与目的地之间的无线通信，该系统根据患者记录中的现有数据预测紧急情况。| |MobiCare|Chakravorty等人|该项目使用HTTP POST协议，通过个人数字助理（PDA）或移动电话将准确感知的生理数据高效传输给医护人员。其架构由身体传感器网络（BSN）组成，BSN由多个通过物联网连接的传感器（如ECG和SpO₂）构成，或放置在体内以跟踪身体功能。该应用在大型设施的健康监测中得到广泛应用，使用雾计算或云计算将密切观察的患者的生理变量发送给护理人员或医生。| |PAM项目|Blum等人|使用包含心理健康监测传感器的物联网设备观察患者的心理健康状况，识别双相情感障碍是该项目的重要目标之一。PAM - I和PAM - A模块分别基于基础设施和架构技术开发。电子设备（如手机、PDA和可穿戴手环）是PAM - I系统的一部分，健康监测系统中多个物联网传感器之间的连接通过手机中的蓝牙和5G网络实现。| 如今，结合大数据和机器学习的方法正用于提高基于物联网的医疗保健系统的性能。其系统结构由三个模块组成： - **数据收集层**：可穿戴物联网传感设备负责持续收集具有临床重要性的患者数据。当临床变量的值超出身体正常状态下的范围时，会向医护人员发送警报消息及该临床变量的值。每次值出现异常波动时，警报消息和临床测量值都会存储在数据库中。使用Apache HBase作为分布式系统来存储和处理物联网可穿戴设备持续生成的大量数据，通过Hadoop分布式文件系统以可扩展的方式存储大量数据，并使用Apache Pig在Amazon S3和Apache HBase之间进行数据传输。 - **数据分析层**：采用Apache Mahout库的逻辑回归算法进行机器学习，该预测算法用于在给定框架中早期检测心脏病。 #### 2. 医疗保健中物联网的通信技术 在物联网环境中，医疗设备相互连接并能够相互通信，这得益于多种通信技术。以下是一些可用于医疗保健领域的物联网技术： - **RFID和NFC**：通过为单个实体或设备分配唯一标识符（UID），可以实现对实体的明确识别，从而检索与唯一标识设备相关的数据。在医疗保健环境中，如急救中心、护士和医院等每个资源都被分配一个数字UID。RFID技术用于带有电子产品代码（EPC）标签的实体之间的短距离通信，EPC包含用于唯一识别对象的数据。RFID标签的成本效益和可靠性使其成为物联网设备中方便使用的技术。NFC是另一种适合短距离通信的技术，具有在对象之间进行安全、直接认证的机制。包含NFC的设备可以在三种模式下运行： - **读写器模式**：在这种模式下，可以通过系统的非接触式读写操作访问信息或触发操作。 - **点对点模式**：在这种模式下，通信通道双向开放，可实现双向通信。 - **卡模拟模式**：设备在这种模式下表现得像智能卡。 - **LR - WPAN**：低速率无线个人区域网络（LR - WPAN）是WPAN的一个子类型，在成本和功率利用方面更高效，同时提供可靠的数据传输协议。有两种类型的设备可以在LR - WPAN中运行： - **全功能设备（FFD）**：这是一个灵活的系统，可以作为个人区域网络（PAN）协调器、通用协调器或网络中的普通设备。 - **简化功能设备（RFD）**：当不需要传输大量数据时使用该设备。 - **蓝牙**：蓝牙是一种短距离无线通信技术，可以一次连接一个或多个设备，功耗极低。该技术在建立连接前采用加密和认证两种保护方法。它使用2.4GHz频段上约79个带宽为1MHz的射频信道，范围可达100米，连接速度为3Mbps。蓝牙提供的低功耗解决方案适用于远程监测的物联网应用。 - **ZigBee**：该技术在物联网环境中具有广泛的适用性，它允许实体在相互通信的同时运行，为物联网奠定了基础。它基于终端节点、路由器（用于通信）、协调器（用于保持联系）和处理单元（用于数据积累和处理）运行。网络灵活性、互操作性和最低功耗等特点使其成为物联网实施的首选。其使用的网状网络模型还具有即使连接到终端节点的设备之一发生故障，节点之间仍能继续运行和通信的优势。 - **Wi - Fi**：由于广泛的可用性和速度，Wi - Fi已成为通信技术的主流。尽管它比一些技术更昂贵，但其更广泛的范围和易用性使其便于在可穿戴物联网医疗设备中使用。如果无线局域网（WLAN）符合IEEE 802.11标准，也被视为Wi - Fi类别。基于Wi - Fi的局域网已在许多医院得到应用。 - **WiMAX**：WiMAX是无线城域网（WMAN）802.16系列标准的组成部分。IEEE 802.16a标准的频率带频谱范围为2 - 11GHz，能够在许可和非许可频段执行，是最早开发的标准。IEEE 802.16b标准的频率带频谱范围为5 - 6GHz，为客户提供实时的高质量语音和数据服务。IEEE 802.16c标准的工作频率带范围为10 - 66GHz，提供其内置设备或小工具之间的互操作通信。 - **移动通信**：移动通信系统随着新一代的发展克服了前一代的局限性。第一代基于模拟系统，允许在