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[其他] 基于可穿戴设备的医疗健康数据生命周期阶段分析

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1 数据获取
/ I- e2 J0 C: k0 s1 R数据采集指的是可穿戴设备用户在进行医疗健康活动中通过传感器和电路芯片采集用户个人识别数据(身高、体重、性别、出生日期等)、生理数据(如血糖、血压、心率、体温等)、以及周围环境数据(噪声、温度、湿度、污染指数、地理位置等)的过程。穿戴设备不同的佩戴目的,采集的数据内容存在很大的差异。如,为了评估用户的饮食情况,采集的内容主要是进食过程中使用的器皿形状、具体食物种类;为了识别用户的某些特定活动(如久坐还是运动状态),通过具备运动和视觉两种功能的传感器,采集某些时间窗口内的平均信号幅度,将其转换成卡路里的消耗数值来判断活动类型;为了帮助盲人或是视力受损的人进行导航,采集周围环境的图像信息并与之前预先采集到的正常视觉用户图像信息进行比较,即通过匹配两个图像信息进行导航。由于所采集的数据对于之后的一系列应用具有关键性的影响,所以不少学者对如何提高数据采集过程中数据的准确性和可靠性进行了研究。研究主要从传感器自身设计开发、无线传感器网络构建以及独立的程序监控角度出发,针对运动传感器、生理健康传感器、环境传感器所采集数据内容的不同提出对应的改进方案。运动传感器采用多轴传感器结合加速度传感器以及图像传感器,生理健康传感器通过改进制作的材料增强其敏锐性,环境传感器通过强化硬件的性能提高其监测的准确性。多无线传感器网络即每个传感器节点对收集的生理信号执行一系列计算任务,以提取用户的部分信息,应使用最少数量的节点,每个节点都要确保高精度和稳健性。通过设计开发独立的监控程序,持续监测可穿戴设备接收的信号,实时监测设备与服务器的连接状态。9 Y" I0 G' ~% J1 R
2 数据传输2 ?$ o* D+ S! k+ Y: X
数据传输指将采集到的用户在医疗健康活动过程中产生的数据传输给医院、保险、微信等第三方或是其他能够提供医疗健康服务机构的信息系统中,如果设备生产商有云平台作为支撑,数据也将会通过云平台二次上传至健康医疗服务信息系统中[。可穿戴设备的数据传输方式主要是安全性较低的无线局域网、蓝牙、红外等网络连接方式,少有的安全度高但是网络稳定性差、应用不够广泛的有蜂窝网、USB和ZigBee等。目前,可穿戴医疗健康设备的数据传输未形成统一的标准,如数据传输格式、安全级别设置、数据传输协议以及平台接入等,因而不同厂家的可穿戴设备的数据传输标准不统一。对于医疗健康设备而言,可靠的数据传输很重要,为了提高传输过程中数据的可信度,有研究者设计了一款可以对错误进行有效恢复的网络编码方案,还有研究者通过将检测到的数据信号进行过滤,采用数字化的方式来减少传输过程中数据的丢失。( K+ ]) c1 N1 `
3 数据集成
5 |9 c1 G2 |7 a! H. P$ p(1)远程监护个人的健康情况当前有不少可穿戴设备生产厂家提出并构建了第三方数据集成平台,进而实现了跨应用的个人健康监护数据的集合存储和应用。该平台可以对从不同来源所获得的健康监护数据实现管理,并根据用户的偏好进行设置,自动将不同来源的健康监护数据合并起来,此外,还可以获取每个来源的原始健康监护数据,执行自身健康数据的合并,目前已经应用于不少疾病的健康监护服务当中,如对糖尿病人出院后的远程监护研究,结果发现每个病人的全部医疗费用降低了42%;对心力衰竭的病人远程监护其接受心脏起搏器植入情况的研究,结果表明病人的住院时间减少了35%,同时出院之后看医生的次数下降了10%;对慢性阻塞性肺病的患者远程监护其呼吸频率、心率等的研究发现患者住院的次数下降50%。为了实现全天候的健康监测服务,杜克大学医学中心与奥克斯纳健康医疗体系选择与跨应用的可穿戴设备数据集成与应用平台合作。为了进一步实现健康监护数据的共享,有研究者提出了开源的框架,可以兼容第三方的插件,集成外部的数据,主要将设备本身记录的健康数据、存储于某些APP中的健康数据上传至中心平台,然后经过集成存储于用户的智能手机中,由用户自主决定共享的对象和数据内容。
" T: H8 T5 C. X$ d& t3 v(2)实时记录个人的健康信息
& Q( ?% j9 Q* h' K( I( Y+ P当前有不少记录个人健康数据的应用开发平台,如Google Fit这一健康追踪平台,主要用于存储从各种可穿戴设备或是APP中收集来的健身数据,其数据集成的方式主要为通过可穿戴设备或是网页的形式进行数据的上传与访问,在数据获取和服务上打破了平台之间的限制。微软开发的健康云服务平台,存储了个人的健康与健身数据,通过智能引擎将这些数据转化为有用的信息并通过主流平台获取。该平台集合了大数据和机器学习方面的内容,对所收集到的数据进行集成和处理,可以给用户提供更好的健康支持。此外,该平台还可以集成来自于不同健康设备的数据,同时用户也可以通过微软提供的应用程序接口,将自身的健康数据导入至开发者的应用或是服务中。这些健康数据应用开发平台还可以与医院相连,为用户提供更为精准的健康指导。苹果公司也拥有自己的移动应用平台HealthKit和医疗健康应用平台ResearchKit,目前在苹果的iOS系统中,内置的健康平台已经获得了许多第三方应用程序和健身追踪可穿戴设备的支持,通过与美国多个顶级医院达成的合作协议,将患者的数据导入平台中,平台对数据进行整合,之后配合电子病历系统,可以为医生的诊断提供参考,该平台还可以通过全天实时追踪的方式提供风险报警类的辅助服务。) v  G9 t& u+ o- u. E3 x! x
三星开发的开源平台不仅可以收集可穿戴设备用户的个人健康记录数据,如心电图(ECG)、生物电阻抗、皮肤电反应(GSR)、皮肤温度等,还可以统一这些数据的标准,之后将其提供给有需要的应用开发者使用。/ K8 z% ]& b) W
(3)提供用于医疗的语义大数据2 k0 w, R. I. B
集成可穿戴设备数据的语义大数据平台是在综合大数据的可扩展性、云计算的高效性以及本体的语义一致性的基础上,将三种技术进行集成。医疗语义大数据平台共有四个层次:即数据存储层、大数据层、语义知识层以及访问控制层。其中数据存储层主要是用来寻访来自各种可穿戴设备以及相关数据源的异构医疗数据,这些数据被分别存储在云空间的不同数据簇中。大数据层包括了数据收集、数据审编、数据分析以及可视化展示等用于处理数据的组件,数据格式在此统一,语义更加明晰,便于之后的本体映射工作。语义知识层利用预先定义好的本体统一数据源和数据语义信息,增强其互操作性,经过本体映射之后,推理机对收集到的健康数据信息进行分析推理,进而判断用户的健康状况,提出相应的指导意见。访问控制层是为了保证用户信息不会被恶意盗取或是修改。医疗语义大数据平台的建设在考虑异构数据语义互操作性、数据源可扩展性的基础上,也兼顾了计算的高效性和平台的安全性。但是医疗数据分析的结果需要用户通过查询的方式才可以获得。
* m% n: _8 `3 X  d4 数据交互: }' i* L6 ?4 T/ ?- o7 P3 P: L- F
数据交互指的是将从可穿戴设备中采集到的用户原始数据与其他的医疗健康数据记录进行集成,然后上传到健康大数据云平台进行计算,最后将包含医疗健康可穿戴设备数据的大数据,通过共享的方式提供给有关的医疗健康科学实验平台或是政府主导的健康信息决策中心。研究者们将数据的交互模式分为直接交互与辅助交互(借助于APP、软件等)。直接交互指的是直接将记录在可穿戴设备上的数据以及所采集到的用户原始数据通过无线传输的形式直接上传至健康大数据平台中,并共享给相应的信息中心。辅助交互指的是用户在可穿戴设备上的数据必须借助于智能手机上的APP或是其他的辅助软件才可以上传至大数据平台中,进而实现数据资源的共享。整个交互过程中,使用到三种接口类型,即应用-平台接口、终端-应用接口以及应用-应用接口,通过标准的接口,可以实现同一品牌下的可穿戴设备记录的医疗健康数据的交互共享。而不同品牌的可穿戴设备之间由于没有统一的数据交互标准,造成数据在交互过程中不兼容的问题,进而影响了之后的数据共享过程。为了保证数据交互过程的顺利进行,研究者将研究的重点放在数据融合的算法上以及对去噪、特征提取、数据分类和数据压缩等关键技术的设计和实现。
( r$ k' _7 L' o2 o5 数据反馈
2 P9 ^2 o- E# T8 Q* E% u3 u: A数据反馈指的是将采集到的信息再传递给用户,包括设备直接将经过计算的数据信息内容呈现给用户,或者将经过医疗服务机构或是云平台整合后的数据分享给用户所在公司的健康信息系统、健康医疗信息系统以及政府健康信息决策中心,从而为提高用户的生命健康质量提供有效的方案。在数据反馈过程中会比较数据、进行预测,通过将采集到的数据与正常数据进行比较,比如心电图波动数据,医疗服务机构或是云平台在收到数据后会辨别数值与正常范围之间的差异,若是出现异常数据,会及时记录数据异常的时间,然后作出提醒和预警。医疗服务机构或是云平台也会通过以往采集的数据总结趋势、预测未来,如果某天的实际情况与预测结果差别很大,说明用户的身体出现了异常,机构或平台就会向用户发出健康预警信息。2 o: v* J  n- ?2 D/ \

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