杨明，舒明雷，刘瑞霞，陈长芳，魏诺

(山东省计算中心(国家超级计算济南中心)，山东省计算机网络重点实验室，山东 济南 250014)

面向农村基层的医疗云系统设计与实现

杨明，舒明雷，刘瑞霞，陈长芳，魏诺

(山东省计算中心(国家超级计算济南中心)，山东省计算机网络重点实验室，山东 济南 250014)

提出了一种基于无线体域网(WBAN)和云计算的农村基层医疗云系统，提供了农村基层医疗滞后问题的解决途径。系统以“智能医疗终端+综合性医疗云服务平台”为架构，基于WBAN和智能硬件技术，设计了低成本、通用化、可动态扩展的智能医疗终端；基于实时医疗数据融合和压缩感知算法，实现了面向低速网络的可靠数据传输；基于多级医疗资源整合、多模态医疗服务共享、高并发高可用医疗服务能力支撑机制，构建了以基层群众为核心的医疗云服务平台。与当前主流医疗云系统的对比结果表明，该系统可提升基层医疗的检测水平和服务能力，有助于建立面向农村基层的新型互联网医疗模式。

农村基层; 无线体域网; 医疗云; 云服务

当前，我国农村基层医疗发展滞后，村级卫生室普遍存在医疗设备匮乏、医疗规范缺失、村医人才不足、医护水平与服务能力整体低下等问题，严重制约了国家医疗卫生事业的发展。以物联网、云计算、大数据等为代表的新一代信息技术和“互联网+”国家战略下的健康医疗，为农村基层医疗短板的解决提供了创新途径。

虽然已有较先进的医疗器械公司从事智能医疗终端及服务平台的研发，但尚难用于以农村卫生室为代表的基层医疗机构。在医疗终端方面，其普遍存在设备昂贵、可扩展性与兼容性差等问题；在服务平台方面，存在公益性偏低、服务质量无法保证、可持续性差等问题。

无线体域网(wirelessbodyareanetwork,WBAN)是由轻量级、低功耗、可进行无线通信的体表或体内植入式节点组成的网络，可对人体生理数据进行连续化的监测[1-2]。WBAN与云计算技术的结合[3-4]，能实现对海量异构医疗数据的获取、处理、分析和存储，并可提供高度共享的云医疗服务，是提升农村基层医疗卫生机构服务能力，改善农村医疗条件，推进优势医疗资源向农村基层延伸的有效手段。

本文提出了一种新型的基于WBAN和云计算的农村基层医疗云系统设计与实现方法，依托山东省云计算中心的平台支撑，有效改善了农村基层医疗面临的数据获取、传输、分析、管理等问题，助力于“预防为主、防治结合”的新型农村医疗信息化模式的构建。

1 农村基层医疗云系统的架构设计

系统的整体设计如图1所示，以“智能医疗终端+综合性医疗云服务平台”为体系架构，从以下方面构建面向农村基层的新型互联网医疗模式。

(1)基于WBAN和智能硬件技术，设计低成本、轻量级、易操作的智能医疗终端，以其为核心形成标准化的村级卫生室解决方案。通过多样化医学信号精准感知、通用可扩展的医疗数据智能处理等技术，实现农村基层常见医学指标的精准检测。

(2)基于数据融合、压缩感知等技术，保障实时医疗数据可通过农村基层的低速网络，有效、可靠地传输至省级云平台。

(3)以山东省云计算中心为平台支撑，通过多级医疗机构资源整合与多模态医疗服务共享、医疗资源快速部署与医疗服务动态伸缩扩展、海量医疗数据高并发与高流量等技术，向农村基层提供高度共享的综合性医疗云服务。

图1 农村基层医疗云系统架构设计Fig.1 Architecture of the rural medical cloud system

2 基于WBAN和云计算的医疗云系统模块设计

2.1 基于WBAN和智能硬件的通用可扩展智能医疗终端

针对农村基层的医疗检测需求，基于WBAN和智能硬件技术，设计了低成本、通用化、可动态扩展的智能化医疗检测终端，如图2所示。具体方案如下：

(1)依托智能硬件平台，根据不同医疗传感器的硬件接口和数据协议要求，设计相应的集成方法、传输方法、控制方法和配置方法，实现了可精准感知多样化生理信号(如心电、血压、血糖、血氧、体温等)的通用智能感知硬件平台。

(2)通过智能硬件平台对其他医疗设备的动态扩展，进一步实现了对血脂(总胆固醇、甘油三酯、HDL、LDL)、尿酸等医疗数据的精准感知和智能处理。① 针对传统医疗设备，设计了基于USB、串行口等标准化硬件接口规范的扩展方法，及屏蔽数据协议异构性的中间件，实现了终端扩展的即插即用、即配即用；② 针对可无线通信的医疗设备，基于WBANMAC层机制和IEEE802.15.6标准[5]，设计了以智能硬件平台为WBAN协调器、以多个外扩医疗终端为节点的WBAN快速部署，实现了动态、弹性、灵活的医疗终端无线扩展与双向链路的高效数据通信。

图2 通用化、动态扩展的智能医疗终端设计Fig.2 Generalization and dynamic scalability of the intelligent medical device

2.2 基于实时医疗数据融合和压缩感知的低速网络可靠数据传输

基于WBAN的智能医疗终端所获取的医疗数据具有结构多样性、数据量大等特点，不仅包括血压、脉搏、血糖等小数据量参数，还包括心电、脑电等数据量较大的周期性参数，甚至含音视频等多媒体数据。针对农村基层地区通信基础设施薄弱、网络资源受限等问题，设计了面向低速率、低稳定性网络环境的可靠数据传输算法。自下向上采用数据级、特征级、决策级[6]的融合封装算法，消除了实时多源医疗数据的异构性与复杂度。通过对医疗数据的稀疏化处理和自适应压缩编码，实现了医疗数据的压缩感知算法，从而减少连续监测医疗数据的冗余度。

基于上述数据融合和压缩感知算法，有效降低了实时医疗数据的通信量，提高了低速网络环境下医疗终端与云平台间数据传输的可靠性。算法设计如图3所示。

图3 低速网络的可靠数据传输算法设计Fig.3 Reliable data transmission algorithm oriented to low-rate networks

2.3 基于云平台的多级医疗机构资源整合与多模态医疗服务共享

从医疗资源整合、医疗服务共享、医疗服务能力支撑三方面，对医疗云服务平台进行设计，以向农村基层提供24小时不间断的综合性云医疗服务，如图4所示。

(1)跨地域的异构医疗资源整合设计。根据村、镇、县、省多级医疗机构的特点，设计了以村级卫生室为基础覆盖、以乡镇卫生院和县级医疗机构为主体、以省级三甲医院为专家库支撑的多样化虚拟平台，实现了多级医疗资源的整合。

(2)定制化、多模态医疗服务共享设计。以“农民专属健康档案”为核心，为各级医疗机构定制医疗数据共享、专家医生资源共享、远程诊断与监护的多模态服务系统。

(3)动态伸缩、高并发、高可用的医疗服务支撑设计。基于Nginx负载均衡、多服务器集群、分区存储与数据库读写分离等机制，实现了云平台的医疗资源灰度发布、医疗服务动态伸缩扩展和海量医疗数据高并发处理。

图4 多级医疗资源整合与多模态医疗服务共享设计Fig.4 Integration of multi-level medical resources and sharing of multi-mode medical services

3 系统实现及分析

3.1 智能医疗终端及云平台的实现

(1)通过有效整合上述的模块设计技术，实现了适宜在农村基层医疗机构推广的智能医疗终端，完成了农村基层群众医疗数据的采集、管理与交互。基于WBAN和智能硬件的通用可扩展智能医疗终端设计技术，保证了终端的整体功能与性能，提升了其广泛适用性和易操作性。 基于实时医疗数据融合和压缩感知的低速网络可靠数据传输技术，保证了云模式下的通信稳定。同时依靠模块化、软硬协同以及高度数字化，实现了终端的低成本应用。

(2)依托山东省云计算中心的平台资源，通过上述的医疗资源整合、医疗服务共享及医疗服务能力支撑技术，实现了以农民为核心，以预防为主、防治结合的新型综合医疗服务云平台。

系统建立了安全、专属的农民健康档案，使农民享受到“足不出村”的诊断、监护等专业级医疗服务，为新农合互联互通搭建了绿色通道。目前平台正在实现与山东大学齐鲁医院的健康数据共享，以及与公共卫生服务系统的对接。本系统实现的智能医疗终端产品及综合医疗服务云平台界面如图5所示。

图5 本系统实现的智能医疗终端及云平台Fig.5 Implementation of the intelligent medical device and cloud platform

3.2 系统分析

选取当前国内6家先进医疗器械公司所研发的主流产品，与本系统在智能医疗终端所检测医疗数据种类、云平台性质及服务能力方面进行了对比，结果见表1(为保护隐私而隐去公司真实名称)。

表1 本医疗云系统与当前主流产品的对比

4 结论

本文研究实现的面向农村基层的医疗云系统，是改变传统医疗模式的有效手段，在农村基层医疗机构具有广阔的应用前景，可有效解决基层群众医疗数据的采集、管理与交互问题，为基层群众提供专业的医疗服务，助力于“预防为主、防治结合”的新型农村医疗信息化模式的构建。然而，仅仅依托信息技术解决医学问题势必存在局限性，只有充分引入医生和医疗资源，才可实现信息技术和医学的深度融合。在未来研究中，将通过与三甲医院建立深度合作，建立起融合医生在内的闭环生态。

[1]CAVALLARIR,MARTELLIF,ROSINIR,etal.Asurveyonwirelessbodyareanetworks:technologiesanddesignchallenges[J].IEEECommunicationsSurveys&Tutorials, 2014， 16(3)： 1635-1657.

[2]舒明雷. 面向医疗监测的无线体域网MAC层关键技术研究[D]. 济南：山东大学, 2016.

[3]FORTINOG,GRAVINAR,RUSSOW.Activity-aaService:Cloud-assisted,BSN-basedsystemforphysicalactivitymonitoring[M]// 2015IEEE19thInternationalConferenceonComputerSupportedCooperativeWorkinDesign(CSCWD2015), [S.l.]:IEEE, 2015: 588-593.

[4]FORTINOG,PATHANM.Integrationofcloudcomputingandbodysensornetworks[J].FutureGenerationComputerSystem, 2014, 35: 57-61.

[5]IEEEComputerSociety/LAN/MANStandardsCommittee.IEEEstandardforlocalandmetropolitanareanetworks-part15.6:wirelessbodyareanetworks,IEEEStd. 802.15.6, 2012[S].NewYork,USA:IEEEPress,2012.

[6]潘泉, 于昕, 程咏梅, 等. 信息融合理论的基本方法与进展[J]. 自动化学报, 2003, 29(4): 599-615.

Designandimplementationofthemedicalcloudsystemorientedtoruralareas

YANGMing,SHUMing-lei,LIURui-xia,CHENChang-fang,WEINuo

(ShandongComputerScienceCenter(NationalSupercomputerCenterinJinan),ShandongProvincialKeyLaboratoryofComputerNetworks,Jinan250014,China)

∶AruralareaorientedmedicalcloudsystemwaspresentedbasedonWBANandcloudcomputing,providingsolutionstothelaggingbehindofmedical-careservicesinruralareas.Thesystemputforwardanarchitectureworkwhichconsistedofbothintelligentmedicaldeviceandcomprehensivemedicalcloudplatform.BasedonWBANandintelligenthardwaretechnology,thelow-cost,generalandscalableintelligentmedicaldevicewasdesigned.Thelow-ratenetworkorientedreliabledatatransmissionwasachievedonthebasisofreal-timedatafusionandcompressivesensingalgorithms.Themedicalcloudplatformwasestablishedbasedonthreemechanisms,i.e.integrationofmulti-levelmedicalresources,sharingofmulti-modemedicalservices,andhighsupportcapabilitiesformedicalservices.Comparedwithothermainstreamproducts,resultsshowedthatthesystemproposedcouldeffectivelyimprovethemedicalservicecapabilities,andwashelpfulfortheconstructionofanewInternetbasedmedicalmodeorientedtoruralareas.

∶ruralarea;wirelessbodyareanetwork(WBAN);medicalcloud;cloudservice

2016-11-17

山东省科技发展计划(2014GSF118107)；山东省重点研发计划(2015GGH309003)

杨明(1981—)，男，博士，助理研究员，研究方向为无线体域网、信息安全。E-mail:yangm@sdas.org

TP

A

1002-4026(2017)02-0122-06