胡建強(qiáng)

(廈門(mén)理工學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，福建廈門(mén)361024)

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一種聯(lián)接“健康云”的家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡建強(qiáng)

(廈門(mén)理工學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，福建廈門(mén)361024)

摘要:新一代家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)不僅要求具備低成本、低功耗和低體積等特點(diǎn)，還要求快速適應(yīng)基于云計(jì)算的國(guó)家醫(yī)療信息化發(fā)展，為此，亟待設(shè)計(jì)一種聯(lián)接“健康云”的家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)．在介紹“健康云”層次化架構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析了家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)聯(lián)接“健康云”的工作過(guò)程，并解決了該系統(tǒng)的四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括:基于生理參數(shù)傳感器的家庭健康監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，基于HL7 RIM的數(shù)據(jù)交換機(jī)制、融合灰色模型和馬爾科夫模型的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，基于BPEL4WS的健康服務(wù)個(gè)性化組裝．采用廈門(mén)市集美區(qū)案例數(shù)據(jù)驗(yàn)證原型系統(tǒng)的有效性，為“健康云”服務(wù)走入家庭健康監(jiān)護(hù)奠定基礎(chǔ)．

關(guān)鍵詞:HL7 RIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換框架;健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型;健康云

當(dāng)前我國(guó)正面臨著人口老齡化、少子化、慢性病患者增多等趨勢(shì)，大中型醫(yī)院主要針對(duì)疾病的診斷和治療，很難承擔(dān)社區(qū)居民日常的醫(yī)療保健服務(wù)、健康咨詢(xún)以及緊急情況下的醫(yī)療援助任務(wù)．醫(yī)療信息化被認(rèn)為是大幅減少醫(yī)療和就醫(yī)成本、緩解醫(yī)療資源緊缺現(xiàn)狀和提高醫(yī)療整體水平的重要手段．目前醫(yī)療信息化呈現(xiàn)2種趨勢(shì):

1)基于云計(jì)算的醫(yī)療信息服務(wù)平臺(tái)快速發(fā)展．美國(guó)在智慧醫(yī)療領(lǐng)域的總投資已超過(guò)440億美元．IBM公司提出“數(shù)字化醫(yī)院集成平臺(tái)”［1］;美國(guó)HHS部電子健康檔案系統(tǒng)、Microsoft Health Vault等在美國(guó)開(kāi)始廣泛應(yīng)用并取得巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益．2013年1月日本富士通公司推出“高齡者護(hù)理云計(jì)算”，預(yù)計(jì)2015年可創(chuàng)造60億日元市場(chǎng)［2］．南京2012年基于H3C云存儲(chǔ)構(gòu)建新一代的社區(qū)公共衛(wèi)生服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)居民健康檔案、社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)站桌面虛擬化、SaaS方式交付等新型醫(yī)療信息化應(yīng)用．中國(guó)科學(xué)院實(shí)施“海云工程”，并推出低成本的健康服務(wù)［3］．2013年廈門(mén)市“健康云”采用云計(jì)算技術(shù)整合市民健康檔案和預(yù)約系統(tǒng)，目前已接入市第三醫(yī)院、仙岳醫(yī)院等38家醫(yī)院和63家社區(qū)康復(fù)中心．

2)低成本的家庭健康監(jiān)護(hù)成為緩解醫(yī)療資源緊缺最重要的技術(shù)．美國(guó)霍尼韋爾公司實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)I．L．S．A系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于多傳感器互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)感知模型、定時(shí)響應(yīng)、實(shí)時(shí)響應(yīng)等功能，可監(jiān)護(hù)心腦血管疾?。?］．日本提出全國(guó)性遠(yuǎn)距居家照護(hù)服務(wù)項(xiàng)目“Sukoyaka Family 21”遠(yuǎn)程生理檢測(cè)和應(yīng)急救護(hù)，采用物聯(lián)網(wǎng)終端SUKOYAKA NET i的壓迫帶測(cè)量血壓和電極測(cè)量心電，通過(guò)觸摸屏式液晶顯示器輸入體質(zhì)量等數(shù)值［5－6］．法國(guó)構(gòu)建EMUTEM平臺(tái)，采用可穿戴設(shè)備測(cè)試慢性病患者的脈搏、心率、血壓和血糖等生理數(shù)據(jù)以及紅外傳感器檢測(cè)坐臥姿勢(shì)和移動(dòng)狀態(tài)［7］．中國(guó)科學(xué)院研制一種基于體域網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)接收心電信號(hào)并及時(shí)預(yù)警反饋［8］．這類(lèi)家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，包括附著人體的指尖型血氧傳感器、腕表型血糖傳感器、腕表型睡眠品質(zhì)測(cè)量器、睡眠生理檢查器等，長(zhǎng)期監(jiān)視和記錄各項(xiàng)生理數(shù)據(jù)，評(píng)估身體狀況并預(yù)警生理病變．

新一代家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)不僅要具備低成本、低功耗和低體積等特點(diǎn)，還要求快速適應(yīng)基于云計(jì)算的國(guó)家醫(yī)療信息化發(fā)展．為此，廈門(mén)理工學(xué)院和廈門(mén)優(yōu)醫(yī)信息服務(wù)有限公司聯(lián)合研制一種聯(lián)接“健康云”的家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，支持家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)與“健康云”之間的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和個(gè)性化健康監(jiān)護(hù)方案定制，為健康檔案云端管理、健康咨詢(xún)、健康膳食等服務(wù)走入家庭健康監(jiān)護(hù)奠定基礎(chǔ)．

1體系架構(gòu)

1. 1“健康云”的層次化架構(gòu)

“健康云”建設(shè)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)集中統(tǒng)一的區(qū)域醫(yī)療信息共享和提高醫(yī)療資源的利用率，即虛擬化醫(yī)療軟硬件資源，實(shí)現(xiàn)軟硬件資源按需分配、醫(yī)療數(shù)據(jù)安全和綠色利用．典型層次化架構(gòu)包括(見(jiàn)圖1) :基礎(chǔ)設(shè)施(醫(yī)院、疾病控制中心、社區(qū)健康服務(wù)中心等，采集醫(yī)療衛(wèi)生數(shù)據(jù))、數(shù)據(jù)的整合交換共享云端服務(wù)(整合醫(yī)院信息系統(tǒng)( HIS)、電子病歷( EMR)、醫(yī)學(xué)影像存檔與通訊系統(tǒng)( PACS)、實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)( LIS)等)、云基礎(chǔ)設(shè)施(基于虛擬化、網(wǎng)絡(luò)安全、運(yùn)行監(jiān)管和維護(hù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)IaaS整合)、云數(shù)據(jù)中心(健康檔案數(shù)據(jù)庫(kù)、電子病歷數(shù)據(jù)庫(kù)、公共衛(wèi)生數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)即服務(wù)PaaS能力)、云端服務(wù)(以軟件即服務(wù)SaaS提供服務(wù)，包括健康檔案云端管理、遠(yuǎn)程視頻診療、健康咨詢(xún)、消息服務(wù)、運(yùn)動(dòng)服務(wù)和健康膳食)、服務(wù)對(duì)象(市民、醫(yī)生、第三方機(jī)構(gòu))．

圖1“健康云”的層次化架構(gòu)Fig．1 Hierarchy architecture for healthcare cloud

1. 2聯(lián)接“健康云”的家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

聯(lián)接“健康云”的家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)包括家庭健康監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)和“健康云”．

家庭健康監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是物聯(lián)網(wǎng)，它由一系列智能生理參數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成(包括血氧傳感器、腕表型血糖傳感器和加速度器等)，連續(xù)監(jiān)視生理信號(hào)和記錄人體健康信號(hào)(包括心電、血氧飽和度、脈搏等參數(shù))節(jié)點(diǎn)都具有獨(dú)立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)算、電源管理和無(wú)線(xiàn)通信等功能．融合先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(如Bluetooth、WIFI 或Zigbee)，可實(shí)現(xiàn)生理檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到家庭健康管理系統(tǒng)．

家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的工作過(guò)程(見(jiàn)圖2) : 1)基于家庭健康監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)，實(shí)時(shí)獲取生理測(cè)量數(shù)據(jù); 2)基于HL7 RIM數(shù)據(jù)交換機(jī)制實(shí)現(xiàn)與“健康云”數(shù)據(jù)交換，上傳各項(xiàng)生理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)個(gè)人健康檔案管理; 3)在“健康云”數(shù)據(jù)中心支持下，基于健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型實(shí)現(xiàn)個(gè)體健康狀況評(píng)估并制定個(gè)性化的健康干預(yù)措施; 4)得到“健康云”后臺(tái)特約醫(yī)生、功能醫(yī)療小隊(duì)和營(yíng)養(yǎng)師等提供的醫(yī)療、預(yù)防、保健等服務(wù)．由于“健康云”以SaaS方式提供云端服務(wù)，為保證家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的通用性、靈活性和可擴(kuò)展性，家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)支持按需動(dòng)態(tài)、松耦合、有序組裝健康服務(wù)，可實(shí)現(xiàn)健康服務(wù)個(gè)性化組裝，克服傳統(tǒng)家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)統(tǒng)一且固定不變的服務(wù)流程模式．

2關(guān)鍵技術(shù)

2. 1家庭健康監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

家庭健康監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)人體生理長(zhǎng)時(shí)間地連接監(jiān)測(cè)的硬件設(shè)施．Paradiso等開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)心電檢測(cè)系統(tǒng)采用GPRS協(xié)議，存在功耗大(平均電流100 mA，電壓12 V左右)、電磁輻射過(guò)高和體積較大(因配備大功率的太陽(yáng)能電池板或大容量的蓄電池)等缺陷［9］;天津大學(xué)開(kāi)發(fā)基于ZigBee技術(shù)的老年人家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，采用CC2430芯片，工作電流25～27 mA，每塊芯片大約12元，最大數(shù)據(jù)傳輸率為250 kbit/s［10］．

本系統(tǒng)家庭健康監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)由一系列智能生理參數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，需要綜合考慮能耗、成本、體積和數(shù)據(jù)傳輸率等因素．以心電采集為例，基于Neurosky公司BMD 101控制芯片(如圖3所示)，從微伏到毫伏范圍內(nèi)生物信號(hào)檢測(cè)的高性能模擬前端實(shí)時(shí)接收并循環(huán)讀取心電數(shù)據(jù)，經(jīng)芯片內(nèi)部放大、濾波、計(jì)算等處理輸出心電數(shù)字信號(hào)并通過(guò)串口接口發(fā)送．BMD101具備系統(tǒng)整體配置、模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)處理、內(nèi)外通信和電源管理控制等功能，帶有高精度分辨率的16位ADC，VDD引腳3．3 V供電，尺寸為3 mm×3 mm，價(jià)格約3美元．生理監(jiān)測(cè)數(shù)字信號(hào)由藍(lán)牙發(fā)送到家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，最大數(shù)據(jù)傳輸率為720 kbit/s．心電的各模塊在不同工作狀態(tài)的功耗情況見(jiàn)表1．

圖2聯(lián)接“健康云”的家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)Fig．2 Healthcare cloud－connected home healthcare monitoring system

圖3 BMD 101芯片結(jié)構(gòu)Fig．3 Architecture of BMD 101 chip

具體過(guò)程:上層應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)通過(guò)鏈路管理和I/O傳送到鏈路控制單元，進(jìn)行載波調(diào)制，而后進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，發(fā)送數(shù)據(jù)暫存在緩沖區(qū)，通過(guò)2．4 GHz射頻發(fā)送接收端(協(xié)議HCI) ;家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)接收端進(jìn)行逆向解調(diào)，得到源數(shù)據(jù)再通過(guò)鏈路管理和I/O傳送到上層執(zhí)行模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理．

表1各模塊的工作狀態(tài)與總功耗Tab．1 Working state of each module and its power consumption

2. 2基于HL7 RIM的數(shù)據(jù)交換機(jī)制設(shè)計(jì)

由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)模型不統(tǒng)一，“健康云”普遍采用SaaS方式．只有采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)才能解決無(wú)障礙傳輸且能夠被兩方接收者無(wú)歧義地解釋?zhuān)瑥亩鴮?shí)現(xiàn)家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)與“健康云”數(shù)據(jù)交換．

HL7( Health Level 7)［11］標(biāo)準(zhǔn)是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局( ANSI)授權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)Health Level Seven公司研究開(kāi)發(fā)的一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)及醫(yī)用儀器、設(shè)備數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)膰?guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其中健康檔案的內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用HL7制定CDA( clinical document architecture)標(biāo)準(zhǔn)．HL7 RIM( reference information model)數(shù)據(jù)模型能清楚表達(dá)時(shí)序性、層次性和邏輯性，目的是解決不同開(kāi)發(fā)商開(kāi)發(fā)和制定的信息標(biāo)準(zhǔn)不一致問(wèn)題，為標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)和制定者提供一個(gè)最高層次的參考模型．

圖4所示為基于HL7 RIM的數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換框架:生理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)元素形式封裝，每個(gè)數(shù)據(jù)元素由簡(jiǎn)單屬性復(fù)合成復(fù)合數(shù)據(jù)，或者數(shù)據(jù)元素清單，即每一個(gè)都是復(fù)合數(shù)據(jù)類(lèi)型屬性;多個(gè)次序的多數(shù)據(jù)元素組成消息段，而多個(gè)有次序的消息段構(gòu)成具體消息; HL7 RIM使用到HL7字典的任何元素、數(shù)據(jù)類(lèi)型、詞匯都衍生自RIM規(guī)范要求，從而保證其一致性; HL7 XML模式生成器將生理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合HL7標(biāo)準(zhǔn)的XML統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式．

圖4基于HL7 RIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換框架Fig．4 HL7 RIM－based data conversion framework

基于HL7 RIM的數(shù)據(jù)交換機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)和健康云端主機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)個(gè)人健康檔案管理和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供支持．?dāng)?shù)據(jù)交換過(guò)程如下(見(jiàn)圖5) :

1)發(fā)送過(guò)程:接收方以家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)為例，基于生理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建HL7 RIM邏輯結(jié)構(gòu)的對(duì)象圖，采用XML構(gòu)建符合HL7消息的數(shù)據(jù)格式，通過(guò)簡(jiǎn)單對(duì)象傳輸協(xié)議( SOAP)發(fā)送XML消息．

2)接收過(guò)程:接收方偵聽(tīng)到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)是自己的消息時(shí)，根據(jù)HL7協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)提取XML域目錄，進(jìn)一步解析消息文檔對(duì)象，還原HL7 RIM格式對(duì)象圖，以HL7 CDA標(biāo)準(zhǔn)保存到云端主機(jī)．

綜上所述，首先按照HL7的語(yǔ)法標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成XML SOAP消息格式，然后按照底層網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議封裝并傳輸，接收系統(tǒng)在應(yīng)用層進(jìn)行應(yīng)答和相應(yīng)的控制，再按照HL7標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)法進(jìn)行解析，最終將消息轉(zhuǎn)換成應(yīng)用程序數(shù)據(jù)格式．

2. 3健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估用于描述和估計(jì)某一個(gè)體未來(lái)發(fā)生某種特定疾病或因?yàn)槟撤N特定疾病導(dǎo)致死亡的可能性．通過(guò)收集個(gè)體健康信息(包括家庭健康監(jiān)測(cè)獲得的各項(xiàng)生理信息和家庭病史、飲食習(xí)慣和生活方式)，結(jié)合“健康云”提供的健康檔案和EMR數(shù)據(jù)，用數(shù)字模型進(jìn)行量化評(píng)估，幫助個(gè)體全面認(rèn)識(shí)健康狀況和病變風(fēng)險(xiǎn)，為制訂個(gè)性化的健康干預(yù)措施提供支持．

美國(guó)Framingham危險(xiǎn)評(píng)估模型是經(jīng)典健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，主要預(yù)測(cè)個(gè)體在未來(lái)10年發(fā)生心血管疾病的危險(xiǎn)率．由于不同國(guó)家、地區(qū)，人們的文化背景和生活習(xí)慣存在差異，不同人群實(shí)際篩選的準(zhǔn)確性有較大出入．針對(duì)Framingham模型存在的局限性，選取中國(guó)醫(yī)學(xué)界公認(rèn)因素，包括年齡、體質(zhì)量、血壓、血脂、血糖和體質(zhì)指數(shù)( BMI)［12－13］，展開(kāi)相對(duì)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)和絕對(duì)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)．相對(duì)危險(xiǎn)性是指與同年齡段、同性別人群平均水平相比患某些慢性疾病可能性;絕對(duì)危險(xiǎn)性是指?jìng)€(gè)體在未來(lái)幾年內(nèi)患某些慢性疾病可能性［14］．

圖5基于HL7 RIM的數(shù)據(jù)交換過(guò)程Fig．5 HL7 RIM－based data exchange process

1)相對(duì)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

參照文獻(xiàn)［14］的方法，應(yīng)用Logistic模型計(jì)算某慢性疾病的危險(xiǎn)分?jǐn)?shù)，得出危險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)模型，評(píng)價(jià)各種危險(xiǎn)因素不同暴露水平對(duì)疾病發(fā)生的影響．

定義2危險(xiǎn)度=基準(zhǔn)發(fā)病率×相對(duì)危險(xiǎn)度．對(duì)于多項(xiàng)危險(xiǎn)因素疾病，記P為組合相對(duì)危險(xiǎn)度(相對(duì)危險(xiǎn)性)，P=( P1－1) +( P2－1) +…+( Pn－1) +Q1×Q2×…× Qm，其中: P為組合危險(xiǎn)度; Pi為大于等于1的各項(xiàng)危險(xiǎn)度; Qi為小于1的各項(xiàng)危險(xiǎn)度［15］．

2)絕對(duì)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

目前常用的預(yù)測(cè)模型包括回歸模型、ARIMA模型、馬爾科夫模型和灰色模型．回歸模型要求數(shù)據(jù)總體服從多元正態(tài)分布且協(xié)方差相同; ARIMA模型要求非平衡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榱憔灯胶怆S機(jī)序列，適用于短期預(yù)測(cè);馬爾科夫強(qiáng)調(diào)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率預(yù)測(cè)內(nèi)部變化;灰色模型GM( 1，1)是灰色模型中應(yīng)用最廣泛的預(yù)測(cè)模型，不需明確數(shù)據(jù)指標(biāo)關(guān)系，適用于小樣本和不確定系統(tǒng)預(yù)測(cè)．由于高血壓、糖尿病屬慢性病具有長(zhǎng)期化趨化、容易呈現(xiàn)某種變化趨勢(shì)等非平衡特點(diǎn)，因此采用灰色模型和馬爾科夫模型相結(jié)合的預(yù)測(cè)模型．灰色模型只考慮綜合灰色量對(duì)某種疾病的作用，而馬爾科夫適用于隨機(jī)過(guò)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)移行為，可彌補(bǔ)灰色預(yù)測(cè)對(duì)隨機(jī)波動(dòng)大時(shí)間序列預(yù)測(cè)不好的缺陷．

主要步驟包括:

( i)灰度模型GM( 1，1)

原始數(shù)據(jù)序列X( 0)= { x( 0)( 1)，x( 0)( 2)，…，x( 0)( n) }，增強(qiáng)規(guī)律性累加處理，得到X( 1)= { x( 1)( 1)，x( 1)( 2)，…，x( 1)( n) }，對(duì)x( 1)( t)建立GM( 1，1)，得到

其中a，u可由最小二乘法求解得到，求解方程為

得到一次累加生成量x( 1)( t)的模型預(yù)測(cè)值，表示為(

ii)殘差序列的GM( 1，1)模型

經(jīng)過(guò)類(lèi)似求解，得到

其中sgn( t)值由原殘差的符號(hào)確定．

( iii)馬爾科夫模型轉(zhuǎn)移概率矩陣

馬爾科夫模型關(guān)注狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，設(shè)預(yù)測(cè)對(duì)象有n種狀態(tài)E1，E2，…，En，從某種狀態(tài)Ei向這n種狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率分別為Pi1，Pi2，…，Pin，且滿(mǎn)足0≤Pij≤1，Pi1+Pi2+…+Pin= 1．以血壓值為例，涵蓋理想血壓、正常血壓、臨界高血壓、高血壓、超高血壓．根據(jù)馬爾科夫模型求解殘差轉(zhuǎn)移的概率，確定殘差sgn ( t)值．

綜上，采用灰色模型和馬爾科夫模型結(jié)合得到預(yù)測(cè)值，結(jié)合其組合相對(duì)危險(xiǎn)度與總發(fā)病率相乘，就得到絕對(duì)危險(xiǎn)性．相對(duì)危險(xiǎn)性和絕對(duì)危險(xiǎn)性度量出危險(xiǎn)因素和慢性發(fā)病之間數(shù)量依存關(guān)系及其規(guī)律性，為制訂個(gè)性化的健康干預(yù)措施提供參考和依據(jù)．

2. 4健康服務(wù)個(gè)性化組裝

家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的靈活性、可維護(hù)性和可定制性是影響健康監(jiān)護(hù)效能的重要因素．針對(duì)家庭用戶(hù)需求特點(diǎn)，健康服務(wù)流程需要個(gè)性化定制．根據(jù)病人的實(shí)際情況制訂個(gè)性化健康監(jiān)測(cè)和“健康云”服務(wù)需求，包括定期的(血壓、心電和加速度)監(jiān)測(cè)、信息提醒、健康膳食、運(yùn)動(dòng)服務(wù)．為此，針對(duì)不同居民健康監(jiān)護(hù)需求，以一種可擴(kuò)展、靈活的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)健康服務(wù)的動(dòng)態(tài)重組，滿(mǎn)足不同居民的需要．

“健康云”以SaaS方式提供健康服務(wù)，而且基于HL7 RIM的數(shù)據(jù)交換機(jī)制采用SOAP傳輸總線(xiàn)，因此家庭健康監(jiān)護(hù)業(yè)務(wù)方案采用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)業(yè)務(wù)流程執(zhí)行語(yǔ)言BPEL4WS描述．SOAP控制引擎通過(guò)統(tǒng)一請(qǐng)求接口接收來(lái)自遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的SOAP請(qǐng)求消息，并以SOAP消息隊(duì)列機(jī)制標(biāo)識(shí)請(qǐng)求消息的優(yōu)先級(jí)．SOAP控制引擎解析BPEL4WS( business process execution language for web services)文件，按順序調(diào)用健康服務(wù)序列并保證整個(gè)組裝順利完成．

針對(duì)不同家庭監(jiān)測(cè)對(duì)象(如糖尿病、高血壓病人等)的不同需求，只需要?jiǎng)討B(tài)修改家庭健康監(jiān)護(hù)方案相應(yīng)的BPEL4WS文件，從而保證家庭健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈活性和適用性．

3實(shí)驗(yàn)

基于WinCE 6．0嵌入式操作系統(tǒng)環(huán)境，使用Visual Studio 2010 C#研發(fā)家庭健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要技術(shù)指標(biāo): 1)支持藍(lán)牙傳輸; 2)支持與“健康云”數(shù)據(jù)交換; 3)支持個(gè)性化健康監(jiān)護(hù); 4)支持個(gè)人健康檔案管理; 5)健康數(shù)據(jù)分析結(jié)果．圖6展示正常狀態(tài)下系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面和異常狀態(tài)下心電生理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)界面．

圖6家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)Fig．6 Home healthcare monitoring system

具體情況如下:

1)與廈門(mén)市心臟中心合作，結(jié)合廈門(mén)市“健康云”電子檔案和EMR數(shù)據(jù)(廈門(mén)市集美區(qū)55～65歲(男性)研究對(duì)象和比對(duì)病例數(shù))，選擇指標(biāo)包括文化程度、吸煙、鍛煉、心率、BMI、血壓、腦卒中史、血脂，采用Logistic模型，得到暴露不同危險(xiǎn)因素水平的基準(zhǔn)發(fā)病率和危險(xiǎn)分?jǐn)?shù)(如表2所示)．根據(jù)健康檔案和家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)獲取1位61歲老人的健康數(shù)據(jù)為小學(xué)文化、不吸煙、不喜歡鍛煉、腹部較肥胖、血壓240/ 209 mmHg，心率92、有腦卒中家史、血脂超高，則個(gè)人患病相對(duì)危險(xiǎn)度為15．666．廈門(mén)市集美區(qū)糖尿病總發(fā)病率接近5%，當(dāng)前絕對(duì)危險(xiǎn)度為78．78%，采用馬爾科夫模型和灰色預(yù)測(cè)相結(jié)合，可以預(yù)測(cè)5年內(nèi)絕對(duì)危險(xiǎn)性．

2)糖尿病和高血壓等患者和健康促進(jìn)者，可以根據(jù)醫(yī)生的建議制訂個(gè)性化健康管理方案，測(cè)量心電、血氧飽和度、脈搏、體溫，并向健康云端上傳生理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)．

3)采用健康服務(wù)組合成功率度量家庭健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與“健康云”的聯(lián)接效果．健康服務(wù)組合成功率定義為基于BPEL4WS指定的序列組裝健康服務(wù)成功的次數(shù)與總的組裝次數(shù)的比率．經(jīng)1 000次測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算得到健康服務(wù)組合成功率為89%，這表明家庭健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能有效聯(lián)接“健康云”．廈門(mén)市“健康云”目前尚處于建設(shè)過(guò)程，上述指標(biāo)尚在合理范圍內(nèi)．

需要說(shuō)明的是，不同國(guó)家、地區(qū)的糖尿病風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型存在較大差異．基準(zhǔn)發(fā)病率和危險(xiǎn)分?jǐn)?shù)度量模型不同，例如德國(guó)和阿曼分別采用Cox回歸模型和Logistic回歸模型;引入危險(xiǎn)因素不同，例如德國(guó)強(qiáng)調(diào)包括盡可能多的可變危險(xiǎn)因素，阿曼強(qiáng)調(diào)BMI、糖尿病家族史、高血壓情況［16］．因此，本文建立的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型和表2中的危險(xiǎn)分?jǐn)?shù)雖然對(duì)糖尿病風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估操作簡(jiǎn)單、快速和廉價(jià)，但只適用于廈門(mén)市部分人群而不是福建省整體人群．

4結(jié)論

新一代家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在要求其具備低成本、低功耗和低體積的同時(shí)，亟需適應(yīng)基于云計(jì)算的國(guó)家醫(yī)療信息化發(fā)展．本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種聯(lián)接“健康云”的家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，利用附著在人體的智能生理參數(shù)傳感器連接監(jiān)測(cè)和記錄生理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和個(gè)性化家庭健康監(jiān)護(hù)方案定制，保證家庭健康監(jiān)測(cè)的靈活性和有效性，為“健康云”提供的健康檔案云端管理、健康咨詢(xún)、健康膳食等服務(wù)走入家庭健康監(jiān)護(hù)奠定基礎(chǔ)．下一步將建立適合本地化健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，提高相對(duì)危險(xiǎn)性和絕對(duì)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性;解決家庭健康監(jiān)測(cè)對(duì)象的隱私保護(hù)問(wèn)題;完善家庭健康系統(tǒng)，展開(kāi)示范性應(yīng)用和推廣．

表2廈門(mén)市集美區(qū)糖尿病因素及危險(xiǎn)分?jǐn)?shù)( 55～65歲，男性)Tab．2　 Risk factors and risk score of diabetic inpatients in Jimei，Xiamen ( 55～65 years old，male)

文化程度　　小學(xué)及以下　0．952　0．952中學(xué)　0．901　0．754大專(zhuān)以上　1．105　0．524吸煙　　不吸煙　1．658　1．658吸煙　0．680　2．572鍛煉　　否　0．926　0．926 是0．926　0．784心率　?。?0正常　0．658　0．765 ＞90非正?！?．043　2．873 BMI　　正?！?．265　1．625超重　0．961　1．307肥胖　0．984　2．885血壓　　理想(＜120 mmHg)　 0．123　0．223正常( 120～140 mmHg)　 0．771　0．771臨界( 140～160 mmHg)　 0．976　2．521高血壓( 160～180 mmHg)　 1．383　4．654超高(＞180 mmHg)　 1．573　6．543腦卒中史　　無(wú)　0．978　0．978 有0．978　1．778血脂　　正常　0．926　0．926偏高　0．978　4．152 _________________超高　1．548　5．325

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Design of Healthcare Cloud-connected Home Healthcare Monitoring Systems

HU Jianqiang

( School of Computer and Information Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China)

Abstract:A new generation of home healthcare monitoring systems strives to possess such characteristics as low－cost，low－power and lowvolume etc．，and furthermore，it needs to quickly adapt to the development of national medical information based Cloud computing．In response to this trend，a home healthcare monitoring system that connects with Healthcare Cloud was designed．First of all，this paper introduces the hierarchy architecture for Healthcare Cloud and analyzes home healthcare monitoring system's work process with the Healthcare Cloud．Then，it addresses the following key technical issues: constructing home healthcare monitoring network on intelligent physiological sensors，connecting with Healthcare Cloud based HL7 RIM data conversion framework，establishing health risk appraisal model on Grey－Markov model，and composing individual healthcare services based on BPEL4WS．Finally，clinical application of the system shows that it has positive significance for patients with hypertension and diabetes who can enjoy the services of Healthcare Cloud at home．

Key words:HL7 RIM－based data conversion framework; health risk appraisal( HRA) ; Healthcare Cloud

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金( 61373147，61502405) ;國(guó)家計(jì)生委聯(lián)合攻關(guān)項(xiàng)目( WKJ－FJ－35) ;廈門(mén)市高?？萍紕?chuàng)新項(xiàng)目( 3502Z20143031，3502Z20133033) ;廈門(mén)理工學(xué)院人才引進(jìn)項(xiàng)目( YKJ13004R)

收稿日期:2014－10－07錄用日期: 2015－01－20

doi:10．6043/j．issn．0438－0479．2016．01．022

中圖分類(lèi)號(hào):TP 393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0438－0479( 2016) 01－0114－07

Email: jqhucn@ xmut．edu．cn

引文格式:胡建強(qiáng)．一種聯(lián)接“健康云”的家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，55( 1) : 114－120．

Citation: HU J Q．Design of healthcare cloud－connected home healthcare monitoring system［J］．Journal of Xiamen University( Natural Science)，2016，55( 1) : 114－120．( in Chinese)