老树新花：物联网时代的医疗行业

September 28, 2023

Li Yuan

发布于2023年9月28日

在上一次互联网浪潮中，虽然移动互联网大幅改变了诸多行业，但除了网络挂号，医疗作为人类最古老的行业之一，并没有太大的变化——患者发现自己出现身体不适，仍然需要线下就医，而医院系统本身与几十年前也并没有太大变化。

但近年来，一场由医疗物联网(IoMT)带来的数字化革命正在悄悄席卷医疗行业，为这一古老行业塑造着新的面貌。据预测，2020年至2028年，全球医疗物联网市场预计将增长四倍多，其中新冠疫情的影响、网络条件的改善、老龄化带来的人们对于医疗成本降低的追求等等，都是医疗物联网能够进一步推进的催化条件。

2020年，中南大学湘雅医院、中国信通院和英伟达曾联合推出一个报告，将医疗健康物联网整体架构定义为感知层、网络层、平台层和应用层四部分。

感知层，指的是采集医疗信息数据的感知设备和信息采集设备，典型的感知层设备包括光学传感器、陀螺仪、温度传感器等；
网络层，指的是实现医疗信息数据传输的有线或无线通讯方式，比如Wi-Fi，5G等等。
平台层，指的是智能、准确、高效地连接感知层和应用层的平台，它能达到优化业务流程、整合应用、通信管理等目的。
应用层，指的是具体的医疗健康物联网应用。

感知层，网络层和平台层的创新型技术，共同推动应用层的革新，有望让古老的医疗行业迈入数字化时代。

医疗物联网带来的智慧医疗时代究竟应该长成什么样子？

为了一探究竟，本文将选取智慧医疗应用革新的三大方向：可穿戴设备、远程医疗、医院业务的智慧管理，带大家领略推动了医疗物联网发展的典型技术创新，掀开智慧医疗未来的面纱。

可穿戴设备：从被动治病到主动健康管理

在医疗物联网中，感知层是所有应用的底层基础。传感器的不断进步，让医疗物联网的触角能够不断延伸。

通过更先进的传感器、更小的芯片和AI技术，传统上需要去医院使用大的设备才能进行的身体检查，逐渐变成人们居家，自己就能操作的简单事。而这样的技术再往前一步，做到极致，就是可穿戴设备——通过足够小、足够轻便、足够无感的可穿戴设备，让人们能够随时随地监控自己的健康状态。

常见的可穿戴设备包括智能手表、手表、健身手环、耳机甚至是一次性粘贴式贴片等。

可穿戴设备监控健康的概念走向公众的一个重要节点，是苹果公司的Apple Watch手表于2015年的横空出世。Apple Watch的重要卖点就在于运动和健康的监测，其中利用了多种感知层的技术。比如，Apple Watch的一大卖点是利用LED灯配合光电二极管来检测佩戴者的心率。

图源：Omar Al-Ghosson/unsplash.com

该手表进行心率检测的原理很简单：血液是红色的，因此会反射红光，吸收绿光。Apple Watch的LED灯每秒钟进行数百次的闪烁，当心脏跳动之时，流经手腕的血流量会增加，吸收的绿光也会增加；在心跳间隔期间，吸收的绿光随之减少。而对光敏感的光电二极管能够忠实记录下这数百次闪烁后从皮肤返回的数据，计算血流量，从而算出每分钟的心跳次数，即心率。这种方法称为光电容积脉搏波描记法（photoplethysmography, PPG）。

为了提高检测准确率，Apple Watch还配备了红外光和绿光两种光源，在平时使用更加准确的绿光检测，而在皮肤表面因为运动导致附着的水分增加时，切换为红外光模式。

2018年，Apple Watch通过加速度计和陀螺仪两种传感器的应用，实现了摔倒检测。一名68岁的挪威男子倒在浴室并失去知觉后，Apple Watch的该功能使其得到及时救助从而挽救了他的生命。

在Apple Watch推出后，各个消费电子公司在智能手表领域不断增加新型的传感器应用。目前，智能手表已经可以监测心率、血氧含量、血压和血糖监测等等一系列健康指数。血糖和血压等参数监测，对于慢病病人的主动健康管理，意义重大。

通过将手表采集的数据与AI和算法训练进一步结合，可穿戴设备的数据还能进一步用来监测许多我们传统上认为难以监测的医疗领域——比如抑郁。来自中国科学院李正奎教授的实践就是一个典型的例子。通过使用手表上的心率数据和根据情绪理论建模，李正奎教授用华为手环实现了对抑郁情绪的监测。

“传统上，我们通过脸部图像识别、脑电波、心率和核磁共振的多模态监测手段来计算情绪状态。但这几种手段，成本很高，而且你不可能头戴着脑电波设备到处跑。”中国科学院李正奎教授讲到，“实际上，情绪是会短期变化的，而积累长期的情绪数据是很有意义的。”可穿戴设备的价值也体现于此。

简单来说，李政奎教授从心率中提取了两个特征值：唤醒度的高低和情绪的正负性。长期的数据监测显示，如果一个人长期处于负面情绪，且唤醒度很低，则接近于抑郁状态。在新冠疫情发生时，李教授的团队在与安徽一家医院合作的过程中，成功预测了两例自杀意向，防止了老人自杀。

除了智能手表这样的通用可穿戴设备，定制传感器和基于特定算法的专业可穿戴设备，也将主动健康监控推广至更多细分领域。

妊娠晚期的胎心监护对于了解胎儿状态非常重要，但受制于医疗条件，一般的孕妇一周才能去医院监测一次胎心变化。萌动公司开发的家用胎动听诊器，可以通过一个绑带，24小时固定在孕妇的肚子上，不间断地对婴儿的状态进行监控。该绑带型听诊器包含一个声音传感器，可以采集接收胎心、母心率等各种声音信号，还包含一个加速度传感器，可以计算婴儿在腹中翻动起伏的不同加速度。通过算法，这样的听诊器可以实时显示胎心基线、变异、加速减速情况和胎动频数。一旦出现异动现象，相关数据都可以通过APP直接发送至产科医生处进行及时分析。

从一周去医院检查一次胎心状态，到24小时主动监测，萌动产品在推出后的4年里，帮助了70个父母及时发现了婴儿的风险，对于备孕和孕期的父母来说，这类可穿戴产品价值不言而喻。

可以想像，未来一定会出现更多针对慢性病和特殊医疗场景的可穿戴设备，让人们主动监控健康，防患于未然。

远程医疗：缩小地区间医疗资源差异

多年以来，有线网络和Wi-Fi、ZigBee、蓝牙、UWB、Z-wave、NFC 和 IrDA 等短距离无线通信技术一直为许多医疗应用提供着不同形式的网络支持。

不过，医疗物联网的发展前景中最受人们瞩目的，还是5G技术以及未来可能的6G技术的专项应用。无线网络较之有线网络能提供更高的移动性，而无线网络的不断发展，带来了更大的带宽，更快的传输速度，以及更多设备能够接入网络，让许多原本成本极高的应用成为了可能。

远程医疗就是一个这样的得益于感知层和网络层共同进步的应用场景。

在感知层，得益于传感器的进步和成本的下降，智能手机摄像头的普及，医生能够更好地远程了解患者的情况。而在网络层，更快的网速能够让医生更及时地对患者做出反应。一个明显受益于网络进步的案例，就是5G手术。2023年2月，浙大邵逸夫医院普外科的蔡秀军院长团队和梁霄教授合作完成了我国首例5G超远程机器人肝胆手术。浙大教授本人在杭州操作一台手术机器，而患者远在新疆兵团的阿拉尔医院，两地相隔5000公里之巨。

这样的手术成功，依赖的就是5G网络。据了解，该手术使用的是中国电信5G定制网络，具有高带宽、低时延等特性，操作指令传输和语言传输均达到毫秒级水平的技术要求。

通过感知层和网络层的进一步发展，未来，远程医疗还将能传递更多的数据。比如，目前传输的数据，更多的是停留在2D层面，而未来，随着VR和AR技术进步和设备普及，以及网速的进一步提升，医生可以通过远端传来的3D信息，为患者做出更好的医疗诊断。

浙大邵逸夫医院就开发过类似的项目，通过其研发的5G+AR远程急救系统，医生只需戴上AR眼镜，就能够通过“第一视角”看到患者情况，“身临其境”地提供救治指导、协同诊疗。

“5G+AR远程急救系统是医生的‘千里眼’。对远端来说，打破了常规线上会诊资料传输繁琐、信号稳定性差等局限；对本端来说，能解放医生双手，不会耽误任何急救操作，为患者赢得‘黄金时间’。”浙大邵逸夫医院急诊科主任洪玉才说。

目前，全世界范围内医疗资源分布不均的现象极其严重，美国这样的发达国家拥有成千上万个放射科医生，而有14个非洲国家，一个放射科医生都没有。长远来看，这是一个巨大的市场。除了解决地区间的医疗资源不平衡外，远程医疗还可以应用于社区医疗中，分流本地的就医需求。

根据Mordor Intelligence的的研究，2021年，全球远程医疗市场规模约为1,044.4亿美元，在2022年-2027年期间，将实现翻倍增长，预测显示，至2027年，市场规模将达到2,727.6亿美元。

除了平衡地区间医疗资源，创造性地应用远程医疗，还可以打造出一些更有效率的医疗商业模式。比如在牙齿正畸中，传统正畸的流程需要患者首先到口腔医院进行口腔扫描，此后，正畸患者每次更换牙套的时候都需要前往诊所复查。整个流程对医患双方都有着很高的时间要求。

位于美国田纳西州纳什维尔的SmileDirectClub利用智能手机的普及，采取远程医疗的方式，推出了全远程的矫正牙齿方案。SmileDirectClub最初通过牙齿模具为用户提供远程医疗，用智能手机摄像头检查矫正进展。2022年，SmileDirectClub推出手机APP，希望接受矫正的人，可以直接使用手机应用，根据提示进行口腔扫描，定制自己的矫正牙套。今年，SmileDirectClub还推出了AI产品，患者不但可以通过手机扫描定制牙套，还可以直接在手机端预览矫正后的牙齿形态。

通过远程医疗，SmileDirectClub减少了医生接待病人看病的时间成本，也减轻了正畸患者的时间负担。在美国，原本普通正畸需要花费5000-8000美元，而在SmileDirectClub，费用不到2000美元。2014年到2019年，SmileDirectClub的销售呈指数级别增长，每一年收入就能翻一倍左右。2019年，该公司以独角兽身份上市。

智慧医院提升医院管理效率

感知层和网络层的科技，为医疗物联网带来立竿见影的改变，而平台层的科技，则更加润物细无声。

平台层向下可以通过设备管理平台、连接管理平台连接感知层和网络层，向上可以通过应用支持平台、业务分析平台为应用提供开发能力和统一接口。

经过多年的发展，平台层的应用技术，如数据路由、数据处理与挖掘、仿真与优化、业务流程和应用整合、通信管理、应用开发、设备维护服务等已经相对成熟。在实际应用中，平台层更多的并不是提供创新性的业务场景，而是为已有业务场景提升效率。智慧医院就尤其受益于平台层科技。

智慧医院应用场景包括医疗耗材管理、药品追溯、重症监护、智慧病房、院内外协同急救等。通常这些场景并不依赖特别尖端的感知层科技，但需要很好的平台层科技，将各项信息综合处理，提升医院的效率。

例如，医院的药品管理。在引入医疗物联网前，医院对于药品只能进行较为粗放的管理。出厂到入库之间，并不能进行良好的监控，且一旦药品出现召回，也难以精准处理。

而目前一个通用的解决方式，是利用无线射频识别技术（RFID），为每盒药品都打上电子标签，将药品名称、种类、产地、批次、生产、加工、运输和存储等各环节信息存储在RFID标签中。从药品生产，流通，进入医院库存，再到发给患者，通过建立追踪平台，对有RFID标签的药品可以实现无缝跟踪。这样的药品管理平台能够防止假冒药品进入流通，出现问题的药物批次也能够快速定位。此外，药品的精细化管理还能减轻物流和库存压力。同时，通过与能够识别药品RFID码的智能药柜配合，还能智能提醒患者服药。

图源：pina messina/unsplash.com

除了通过建立传统数据库进行药物追溯，区块链科技有望进一步加强此类药品管理。在区块链技术中，数据存储于区块之中，而所有数据一旦写入区块就不可修改，参与数据输入的所有相关方，共享同一条区块链条。这样的特性十分适合流通环节复杂且参与者众多的药品管理场景。

2017年5月，美国以辉瑞为首的一批公司就推出了MediLedger项目，将普通数据库替换为区块链数据库，在药品流通的每一个环节，经手的制药商、批发商等都需要将药品状态、位置状态、责任方和时间戳一起写入区块链的区块，也就是不可篡改的数据库中，一旦出现问题，可以精准追责。

除了对于医院体系本身的管控，智慧医院应用还可以体现在对患者的精准监控上，并带来更好的诊疗效果。

例如，智慧输液体系。传统的输液方式需要患者和患者家属不断监控输液情况，在合适时间呼唤护士拔针或更换输液瓶。而一旦监控不及时，不但护士处理患者时间需要加长，也会导致患者遭遇健康风险。

而压力感应传感器与平台层的结合，使智慧输液系统能够自动监控输液状态，在合适时间主动呼叫护士进行处理，这不但能够减轻患者负担，也能降低护士的工作强度。

相似的是，具有多种传感器的电子床垫，可以监测病人的心率、呼吸、睡眠质量、体位、翻身次数等等，帮助护士对住院病人进行更精细化的管理。

“虽然有些病人能走能动，但是因为病情医生要求绝对卧床。护士很难监测到病人是不是一直绝对卧床。而电子床垫可以实现离床报警，提醒护士检查病人情况，以免发生危险。同时，有些病人肢体不便，需要护士协助翻身，一旦电子床垫监测到病人已经翻身，护士就可以不再打扰病人。如果长期没有翻身，则护士可以及时协助病人翻身，避免压疮风险。”应用了电子床垫的北京天坛医院心脏中心的护士长李蒙在采访中介绍道。

医院的管理流程，自计算机科技诞生以来，通过看病挂号系统、病例的电子化，已经有了一次效率的提升；而医疗物联网的出现，则有望让医院场景的智慧化更上一个台阶。