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个人医疗设备通信标准将无缝通信变成现实

作者:时间:2017-06-06来源:网络收藏

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201706/349977.htm

数十年前,为医疗应用和健康而使用个人健康设备()进行家庭健康检测还是遥不可及的愿望,而如今这一愿望正逐渐成为现实。无论是简易的个人健康体重秤,还是复杂的心血管健康检测仪,这些新一代的感应装置和廉价的微处理器都已经被开发出来,且个人健康设备的技术和生产流程已为人们所熟知,各设备均可零售并在市场上以合理的价格购买。然而在现实中,这些个人健康设备的市场却不尽人意。

要有效地将个人健康设备用户的健康数据传输到如医生办公室、诊所或录入监测服务机构等被证明是非常困难的。其中部分原因可以追溯到设计、生产和销售个人健康设备的公司所使用的专属协议里缺少了通信连接。


医院与家庭中的用户环境截然不同。在医院,数据所在的网络环境经过精心设计并设限;同时,医院向同一个供应商或系统整合商购买设备,因此专属协议并不是问题。而在家庭中使用的设备,来自多个设备供应商和使用多种专属协议则不可避免。


诸如以太网、蓝牙、Wi-Fi、ZigBee等传输协议在多年前就已被确定为通用标准,但越来越多的专属协议却阻碍了其与潜在网关设备(如手机、无线路由器、机顶盒等)间的信息通信。其中的通信挑战在于如何定义对采集以相同计量单位(如磅或公斤)计算的同一信息(如体重),并将信息以固定格式传输给与外界联通的通信界面的“虚拟”标准设备。


互操作性


按标准生产的制造商可确保其设备能与传输通信协议和网关设备之间实现。但这并不意味着某一种类的所有都必须是相同的“传统风味”,标准设定了产品的基本功能,制造商可增加自己的设计以提高产品性能。


图1是端对端PHD通信示意图,其中展现了许多设备、连接选项、健康服务和数据聚合选项。左面第一列是PHD,它们通过ISO/IEEE 11073系列标准实现了与传输媒介(个域网和局域网)的无缝连接。数据聚合器不仅包括手机和个人电脑,还有个人健康系统等新型设备。这些设备将经过聚合和处理的数据传输给健康服务供应商,而供应商均符合康体佳健康联盟的广域网框架要求。在某些情况下,数据采集最终形成了病人的个人健康记录(PHR)。康体佳健康联盟成立于2006年,其宗旨是开发一个提供个人专属医疗服务的系统。目前,联盟已拥有超过240个会员公司,并与全球的标准组织(IEEE、ISO等)、政府单位和规范机构建立了联系。


图1:端对端个人健康设备(PHD)通信示意图。


标准化利益


如果历史值得借鉴——电视就是个很好的例子——那么广泛使用,将使PHD用户、制造商和健康服务供应商(如医疗诊所和疾病管理服务)受益。制造商可降低生产成本,因为它们不再需要为所有潜在的传输媒体设置界面;用户也可获得更低价、更多样化的PHD产品,而可能更重要的是,他们能直接向医生或其他健康服务供应商提供数据。尽管竞争会令单件产品的价格降低,但制造商将获益于市场范围的扩大。健康服务供应商能以更低的成本提供高品质服务。


图2a:PHD产品举例。

图2b:低成本网关设备。

现有PHD可用于大量人类活动和采集各种健康数据。有多种PHD分类方法,其中包括按广义用途分类(表1),以及按狭义用途分类(表2)(见最左列用途范围)。图2a中展示了几种设备,图2b展示了一款低成本网关。右列指出了适用于每个用途范围的PHD,标在ISO/IEEE标准后。例如,ISO/IEEE 11073-10415是体重秤的


表1:PHD按广义用途分类


表2:PHD按狭义用途分类

超过300名来自国际企业、规范机构和专业协会的个人代表参与制定了ISO/IEEE 11073 PHD系列标准,其总标题为《健康信息科技——个人健康设备通信》。新标准的制定还在继续,并已有多项标准在2012年5月获得了IEEE标准委员会的通过。考虑到PHD产品范围之广以及市场上已有的专利PHD产品,IEEE的个人健康设备工作小组在实践标准化目标的进程中,始终秉持谨慎的态度。


制定者们尽量将标准降低,将所规定的功能性限定在参与人均认同为最低标准设备所必须拥有的范围内。但另一方面标准又十分复杂,必须确保囊括了所有信息,标准执行人可据此通过增加功能来生产更高级的产品。

面向对象模型


尽管ISO/IEEE 11073标准不要求设计者使用面向对象的编程语言作为PHD软件的操作语言,但标准制定是基于面向对象的系统管理模型和程式。这样做的价值在于可方便地增加新标准,因为新设备可被看作是已定义的某医疗设备系统(MDS)对象的另一种形式。


两个重要的概念:“中介和管理人”,其定义如下:

* 中介是PHD软件的组成部分,其主要职能是为外界的设备提供界面连接功能。

* 管理人是信息传输通道另一端设备的软件组成部分,通常是从中介接收数据。


由于中介设备通常在零售店出售,一般是低成本的面向用户的产品设备,因此其内存、微控制器、存储器、闪存等基本硬件的性能都不高。另外,设备采用小型廉价的电池,电力有限。出于简易和能源有效的考虑,它们一般采用固定配置,一旦发生停滞就无法连接。而管理人则一般拥有更强的硬件性能,可与多个中介连接,通常使用墙插式电源或更强大的电池。


一个中介可用一个或多个标准配置操作,或用扩展(自定义)配置操作。中介在首次与管理人连接后,即告知了其设备类型。一般,管理人已知此类中介的对象模型:管理人在创建时已输入相关信息,或在与其他拥有相同对象模型的中介连接时获得了相关信息。若管理人不知中介的配置信息,可要求中介罗列属性,以告知自身特征。


由于PHD设备配置存在各种类型,有些基本医疗设备系统(MDS)的属性是必须的,有些是可选的。在面向对象模型中,上述信息被称为域信息模型(DIM)。表3罗列了可能与设备相关的对象类别。


数值型


只显示一个测量值。ISO/IEEE 11073-20601定义了两种浮点数据类型:16字节长或32字节长。可以是数列,或单个数值。除了数值,物件还可包含单位和状态信息。实时采样陈列(RTSA)

显示连续性样本或信号波形。RTSA物件包含的信息有样本的数量、样本间隔,以及应用于每个数据值的结论、比例和抵消值。

枚举型

以文字显示状态信息(代码)或注释。枚举型物件包含关于不合格、用户家庭所在地或烟雾报警器状态等的信息。

持续性公制存储(PM-存储)

显示了中介长时间内捕获的大量信息。每个PM-存储物件包含了元数据和PM-区段,其中包含了数据。数据分层排列。


表3:PHD对象类

每个对象及其所有属性均在《抽象句法符号标准一》(ASN.1)中给出正式定义,该标准是用于表述、编码、传输和解码数据的规则和结构的标准表达方式。每个PHD中将包含若干个表3中描述的物件,用来定义设备传送的数据。


图3是一个MDS(中介)对象模型:体重计(ISO/IEEE 11073-10415),与表3中描述的模型一致。


图3:体重计对象模型。

服务和通信模型


除了域模型,ISO/IEEE 11073系统模型还包含服务模型和通信模型。服务模型描述了协议与对象和属性间的相互影响,通信模型描述了连接状态机并详细说明了通信特性。这三个模型共同体现了PHD数据、定义数据访问和命令方式,并实现从中介到管理人的数据通信。


服务模型定义了消息类型,建立和拆分通信对话等内容。服务模型的基本功能是定义中介向管理人传输配置信息的有效方式,以便管理人了解中介所拥有的物件。以下是七种消息类型,被分为两类:


* 关联服务

o 关联请求/回应

o 释放请求/回应

o 中断

* 物件访问服务

o 到达

o 设置

o 事件报告

o 措施(方法)

ASN.1(《抽象句法符号标准一》)对信息进行了定义。模型还定义了这些事件发生的时间。


通信模型为多个中介通过点对点连接与单个经理人建立通信提供了方式。ISO/IEEE 11073-20601:2010具传输独立性,它使用连接状态机与USB、蓝牙、ZigBee等传输技术实现成功互通。


通信模型还定义了将ASN.1对象表达方式转换成二进制信息的流程,即传输应用的医疗设备编码规则(MEDR)。传输完成后,信息将被精确解码,由此获知对象及其数据。


尽管ISO/IEEE 11073-20601:2010(E) [B48]中描述的通信流程是必不可少的,但前提是必须可适用于现实世界中的PHD。为帮助制造商简化使用过程,ISO/IEEE 11073系列标准采用了设备档案的概念,对特殊设备和数据传输档案进行了明确描述,确保设备间实现基于同一通信技术的互操作性。


PHD将能够通过无线个人局域网进行通信,如蓝牙或ZigBee等。通常情况下,测量数值从PHD被传输到手机,手机通过远程连接(如无线广域网)将数据传输给健康服务供应商。


通过有线连接,如笔记本或电脑连接USB,也可实现短程交换。有线系统的好处是还能为PHD提供电源。


上述方法的巨大优势在于标准为不同网域提供了可互操作性,可在通用平台上实现多模态监控。同时,即插即用的特性还将进一步改善这一方法,也就是说不用升级管理人软件,即可在同一平台上增加新的感应器。


更大范围的生态系统


图4是ISO/IEEE 11073系列标准所展望的医疗保健生态系统,图左列出的PHD旁标注了现有标准。另外,IEEE正在为呼吸率监控仪、胰岛素泵、尿液监控仪和动态血糖监测仪等PHD制定标准。ISO/IEEE所使用的术语和物件模型与IHE PCD-01等其他标准是一致的,由此简化与医疗公司间的数据通信。


图4:ISO/IEEE 11073系列标准展望的远程医疗生态系统。

多年来,为提高非住院病人和慢性病患者的生活质量,人们一直希望能建立起更广范围的远程医疗信息系统。基础技术已通过测试,且各类产品也都将技术付诸实践。但部分设想仍未能完全实现,原因在于缺乏PHD与外界的。ISO/IEEE 11073系列标准将突破这一通信瓶颈,让希望成为现实。



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