医疗物联网创新的设计基础

持续的 COVID-19 大流行正在加剧医疗保健系统中已经存在的所有问题，例如人员短缺、资源不足以及患有既往疾病的患者人数不断增加。

然而，每一次危机中总有机会。COVID-19 可能只是推动涉及物联网 （IoT）的智能技术发展并催生医疗物联网 （IoMT） 的催化剂。

与物联网一样，物联网由收集数据的传感器、存储数据的云服务器以及执行数据分析和支持决策的算法组成。IoMT 有两个主要应用：医院护理和门诊治疗。

IoMT 如何让医疗保健更智能

医院总是面临压力：一方面他们需要降低成本，另一方面他们必须提高效率和病人护理的质量。他们需要用更少的人员和更少的资源挽救更多的生命并治疗更多的患者。结果，员工总是因长时间工作而筋疲力尽，执行重复的手动任务，并由于这两种情况而犯更多错误。

医生和护士可以使用 IoMT 帮助他们专注于解决复杂的问题或做出复杂的决定。安装在医院设备上的 IoMT 传感器可以帮助工作人员快速追踪设备部件或安排主动维护以防止灾难性故障。因此，医院可以降低设备和维护成本。使用 IoMT 还可以更轻松地及时补充库存并准确输入数据。此外，IoMT 可以帮助监控员工对卫生的遵守情况和医疗废物处理协议，这在大流行期间对于改善患者结果和员工安全尤其重要。此外，IoMT 收集和分析的大数据可以帮助管理人员监控患者和工作人员的健康状况。

住院费用昂贵。医院一直在努力通过增加远程患者监控来平衡住院时间和床位的减少，以确保护理质量。例如，英格兰的几家医院一直在尝试对正在康复的 COVID-19 患者进行远程监控。在试验期间，患者佩戴小型监测设备，记录他们的生命体征，如脉搏和氧气水平，并在病情发生重大变化时提醒医生。

远程监测也适用于需要较少强度监测但确实需要长期持续监测的慢性病患者。许多研究表明，只有一半的患者在服药时遵循指示；任何人都可以猜测他们遵循其他指示的程度，例如饮食和锻炼。随着时间的推移，患者对医生指示的依从性可能会进一步下降，慢性病患者也是如此。包含可摄入传感器的智能药瓶和药物可以帮助医生监控患者是否以及何时服药。此外，移动工具允许医疗保健提供者和护理人员监控患者的活动和生活方式趋势。

通常，对于一些患有慢性疾病的患者，药物输送需要更加灵活。例如，能够实现自动胰岛素输送 （AID） 的系统，也称为人工胰腺系统，对糖尿病患者来说是革命性的。AID 系统由血糖监测仪控制，该监测仪连续测量身体的血糖水平以确定所需的胰岛素量。

其他慢性非代谢性疾病，如帕金森氏症和阿尔茨海默氏症，也可以从 IoMT 指导的患者监测中受益。对帕金森病患者的持续监测可以产生有价值的步行数据。从这些数据中，医生可以分析和检测异常模式，例如帕金森病患者突然缺乏运动时的步态冻结。这样，医生可以调整他们对患者看护人的建议。此外，嵌入式 IoMT 可以帮助护理人员跟踪阿尔茨海默病患者不可预测的活动和行为模式。

设计考虑和挑战

IoMT 设计的三个关键考虑因素包括：

可靠的连接性

使用方便

能源效率

由于 IoMT 设备服务于具有特殊和关键需求的特定人群，因此它们需要展示最高水平的准确性和可靠性。远程患者监测需要持续的数据收集和实时分析，以做出准确及时的医疗决策；数据收集、分析或决策的任何延迟都可能对患者有害。因此，可靠的设备连接是必要且至关重要的。

易用性将是 IoMT 设备的另一个关键设计考虑因素。患者将更有可能使用不会妨碍其活动或生活方式的可穿戴设备和其他 IoMT 设备。此外，患者构成了一个多元化的群体。许多人不是喜欢摆弄很酷的小玩意的技术爱好者。他们主要是出于必要而使用智能设备。此外，由于人口老龄化，许多患者可能年龄较大且对技术的了解程度较低。

最后，必须平衡 IoMT 设备的能耗和系统性能。持续的数据收集和分析需要高水平的系统性能。同时，要求患者继续到医院更换电池是不切实际的。这种情况将违背远程患者监测目标并增加技术支持成本。因此，必须保持系统性能并提高能源效率以确保系统的可靠性。

设计案例

总体而言，IoMT 部署中最关键的组件是可穿戴诊断传感器，没有它们，进行远程患者监测将是不可能的，甚至是危险的。

案例 1：螺旋桨健康

哮喘虽然无法治愈，但完全可以控制。它甚至可能是可以预防的。患者的哮喘可能由环境中的意外因素引发，例如空气花粉、灰尘和温度。患者可以在完全发病前数小时发现症状。对环境触发因素和患者身体状况的密切检测和监测可以帮助患者采取必要措施，预防或至少尽量减少未来的攻击，并降低住院费用。

Propeller Health 着手创建一种价格合理、用户友好的交互式设备，以帮助哮喘和慢性阻塞性肺病 （COPD） 患者了解最容易引发其症状的因素。确保可靠的设备连接对于设备的有效性至关重要。

为了收集和分析患者数据，Propeller Health 使用 Silicon Labs 的集成 BMG121 蓝牙® SiP 模块。它占用空间小（6.5 x 6.5 x 1.4 mm），PCB 总面积要求为 51 mm 2。此外，它还集成了蓝牙智能应用所需的所有功能，包括蓝牙无线电、软件堆栈和基于 GATT 的配置文件。此外，它可以托管最终用户应用程序，无需外部微控制器，从而降低成本。该设备可以使用标准的 3V 纽扣电池供电。

框图

Propeller Health 创建的 IoMT 设备旨在用作药物的补充数字解决方案。该设备有望帮助优化用药的时间和剂量。

案例 2：LifeSignals 处理器和临床级生物传感器

持续的数据收集和分析是耗能的；但是，让患者前来更换电池是不现实的，绝对不方便的。高性能和节能模块是理想的解决方案。

LifeSignals 处理器和临床级生物传感器

由 LifeSignals 和 ST Microelectronics 联合开发的片上系统 （SoC） 处理器可为医疗保健、健康和安全应用实现低功耗和线状可靠性。

该 SoC 与多传感器接口子系统、信号处理器子系统和多频段无线电子系统高度集成，从而增加了其多功能性。此外，以 Wi-Fi 为中心的无线电子系统经过定制设计，可在由纽扣电池供电的生物传感器中实现超高功率效率；因此，传感器可以连续运行数天。SoC 能够快速开发低功耗、高可靠性的应用，在这些应用中，必须准确捕获患者的生命体征并通过无线接收器将其安全地传输到云端。

包含 SoC 的 LifeSignals 可穿戴医疗生物传感器结合了一次性和使用寿命。LifeSignals 生物传感器可在连续运行五天后一次性使用，重量轻、舒适、防水，并提供临床级的可靠性和准确性。

它可用于诊断前、住院筛查或诊断后、门诊所有生命体征的监测。这些包括 2 通道心电图、心率、呼吸频率、皮肤温度、咳嗽频率和心音。到目前为止，该生物传感器已在 10，000 多人身上进行了测试，这些人连续数天佩戴它进行远程和动态心脏监测。

IoMT的未来会怎样？

随着 5G 的出现，物联网应用可能会扩展到上述用例之外。例如，智能隐形眼镜可以调节以帮助患者看到不同距离。另一个例子是使用 IoMT 来监测患者是否、何时、以及多少睡眠，以及这与患者的抑郁程度有何关系。

但是，数据安全问题将会越来越多。IoMT 的增长将意味着正在积累的患者数据量的快速增加。大型数据集是黑客的宝库。因此，需要适当的网络安全措施来保护这些数据。因此，FCC 正在加强物联网设备的安全要求。

此外，由于 IoMT 设备用于治疗患者并提供准确及时的护理，因此它们必须通过更高的标准，即 FDA（北美）、CE 和欧盟医疗器械法规的合规性和监管批准（欧盟），在受雇于医疗机构之前。

审核编辑：郭婷