航天遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計(jì)

尹子航 唐磊 沈緒榜

摘 要 中國(guó)載人航天技術(shù)發(fā)展迅速，其中宇航員的身心健康狀況影響著整個(gè)太空任務(wù)，發(fā)展航天遠(yuǎn)程醫(yī)療必不可少。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)的興起，本文提出了結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的航天遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過采集宇航員生理信息和航天器內(nèi)環(huán)境信息，并和地面醫(yī)療中心進(jìn)行通信完成醫(yī)療診斷和視頻通信，有效保障宇航員的身體和心理健康，確保飛行可以正常進(jìn)行，不至于宇航員因個(gè)人問題而提前結(jié)束太空任務(wù)。

【關(guān)鍵詞】遠(yuǎn)程醫(yī)療 載人航天 物聯(lián)網(wǎng) 航天遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)

航天遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展勢(shì)在必行。宇航員在太空中極端環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)時(shí)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的身體狀況監(jiān)測(cè)，載人航天器和太空艙也要進(jìn)行封閉環(huán)境的檢測(cè)以確保宇航員在一個(gè)安全環(huán)境中工作并且長(zhǎng)期的在軌飛行，宇航員的心理狀況容易受到影響，心理輔助治療也必不可少。

和傳統(tǒng)遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)相比，由于所處環(huán)境的特殊性，航天遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上需要考慮的方面更全面。除了對(duì)宇航員定期進(jìn)行基本的身體健康的監(jiān)測(cè)外，還要注重加強(qiáng)艙內(nèi)的微生物控制，配置治療藥物和醫(yī)療器械，支持“天地協(xié)同”的遠(yuǎn)程會(huì)診和治療；配備太空鍛煉設(shè)備和防護(hù)裝備，以降低太空失重環(huán)境給宇航員帶來的影響；根據(jù)宇航員身體狀況，提供每日航天飲食，補(bǔ)充所需營(yíng)養(yǎng)；加大飛行期間對(duì)宇航員的心理支持力度等。

因此，本文基于航天物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)和遠(yuǎn)程協(xié)同作業(yè)等特征的航天遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)，從而保障宇航員的身體和心理健康。

1 遠(yuǎn)程醫(yī)療的發(fā)展

遠(yuǎn)程醫(yī)療利用通信和信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)異地疾病診斷、治療和健康護(hù)理等，為醫(yī)療條件差或特殊環(huán)境的地方提供基于專家的健康護(hù)理或緊急情況下的危重病人救護(hù)。此概念由美國(guó)最早提出并實(shí)踐。

20世紀(jì)60年代初，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）為探究太空失重環(huán)境下對(duì)宇航員身體健康狀態(tài)的影響，為宇航員提供了遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)，將宇航員的身體特征數(shù)據(jù)和地面醫(yī)學(xué)專家通過遙測(cè)連接。這一實(shí)踐活動(dòng)大大推動(dòng)了遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展。

20世紀(jì)90年代初，美國(guó)喬治亞州教育醫(yī)學(xué)系統(tǒng)（CSAMS），是世界上規(guī)模最大、覆蓋面最廣的遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)教育和醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)。俄克拉荷馬醫(yī)療網(wǎng)（OTN）當(dāng)時(shí)美國(guó)國(guó)內(nèi)最大的醫(yī)療網(wǎng)，有效降低了治療費(fèi)用，縮短診斷和治療時(shí)間，同時(shí)增加了農(nóng)村醫(yī)務(wù)人員接受培訓(xùn)和教育的機(jī)會(huì)。

除美國(guó)外，世界上其他發(fā)達(dá)國(guó)家的遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)也發(fā)展迅速。以瑞典為例，全國(guó)幾十家大醫(yī)院建成醫(yī)療數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。法國(guó)也有五分之一的城市社區(qū)及農(nóng)村診所醫(yī)生可以進(jìn)入到“電子醫(yī)生”體系中。

我國(guó)遠(yuǎn)程醫(yī)療建設(shè)已完成試驗(yàn)階段，逐步向區(qū)域集團(tuán)化和協(xié)同應(yīng)用方向發(fā)展，逐步走進(jìn)社區(qū)和家庭。例如，北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部遠(yuǎn)程醫(yī)療中心通過與合作醫(yī)院共建“北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部遠(yuǎn)程醫(yī)療中心合作醫(yī)院”等多種形式開展合作。

2 航天遠(yuǎn)程醫(yī)療的發(fā)展

美國(guó)和俄羅斯，在開展載人航天計(jì)劃初期就開始利用遙測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)航天飛行任務(wù)對(duì)宇航員生理健康的影響。

1959-1963年的“水星計(jì)劃”標(biāo)志美國(guó)載人航天計(jì)劃的開始，也是載人航天遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)實(shí)踐的開端。通過可穿戴設(shè)備采集各項(xiàng)生命體征數(shù)據(jù)并將其直接傳輸?shù)降孛?，完成?shù)據(jù)的分析與醫(yī)療診斷。

20世紀(jì)70年代，隨著美國(guó)個(gè)人空間站的建立，航天遠(yuǎn)程醫(yī)療的發(fā)展愈發(fā)重要。除了將宇航員的身體健康特征數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，還增強(qiáng)了宇航員和航天中心醫(yī)生的音頻交流。

1981年的美國(guó)航天飛機(jī)項(xiàng)目，將遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)分為身體健康特征數(shù)據(jù)采集模塊和飛行器艙內(nèi)數(shù)據(jù)采集模塊。宇航員與飛行控制中心的醫(yī)生進(jìn)行私人音頻會(huì)議成為了例行項(xiàng)目。

1998年1月，俄羅斯的STS-89任務(wù)中宇航員利用遠(yuǎn)程醫(yī)療儀設(shè)備完成宇航員身體健康特征數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)存與傳輸，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛驷t(yī)療控制中心被醫(yī)療專家利用，提供實(shí)時(shí)的診斷建議。

中國(guó)航天遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)也取得了豐碩成果。2016年，中國(guó)神州十一通過天地遠(yuǎn)程醫(yī)療會(huì)診系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了航天員和航天員支持室、遠(yuǎn)程醫(yī)療會(huì)診中心、地面支持醫(yī)院四方聯(lián)動(dòng)，打通了天地協(xié)同遠(yuǎn)程醫(yī)療會(huì)診所需的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，驗(yàn)證了我國(guó)首個(gè)天地遠(yuǎn)程醫(yī)療會(huì)診系統(tǒng)，也預(yù)示著我國(guó)航天員中長(zhǎng)期在軌飛行醫(yī)學(xué)保障能力得到顯著提高。

3 航天遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)

3.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在遠(yuǎn)程醫(yī)療上的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)就是基于實(shí)物的互聯(lián)網(wǎng)，其真正奧義是高效化的大數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展離不開無(wú)線通信、智能移動(dòng)設(shè)備、大數(shù)據(jù)、處理器、傳感器等各領(lǐng)域過去十年間的快速發(fā)展?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療可以視為是物聯(lián)網(wǎng)的子集。

3.1.1 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集

通過智能化可穿戴設(shè)備和艙內(nèi)各類傳感器將宇航員的生理信息和航天器內(nèi)的環(huán)境信息進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，同時(shí)將完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份和加密工作，并通過遙測(cè)通信技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛驷t(yī)療監(jiān)測(cè)中心。

地面醫(yī)療監(jiān)測(cè)中心接受到太空中傳來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼和分析，將其與醫(yī)療中心接入的數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，了解宇航員的生理變化情況和太空環(huán)境的變化，并由專業(yè)醫(yī)務(wù)人員完成診斷將診斷結(jié)果保存反饋給宇航員。

3.1.2 遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)

遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)宇航員全方位、全天候的智能監(jiān)護(hù)。宇航員身上佩戴傳感器（如宇航員醫(yī)療手環(huán)），對(duì)宇航員的生理信息進(jìn)行收集，使地面醫(yī)護(hù)人員及時(shí)了解宇航員情況，一旦有異?，F(xiàn)象將立即發(fā)出警報(bào)。太空艙內(nèi)傳感器，對(duì)宇航員活動(dòng)范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并把收集到的環(huán)境信息傳送到地面監(jiān)控中心，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，立即報(bào)警提醒，采取應(yīng)急措施。

3.1.3 遠(yuǎn)程醫(yī)療協(xié)同

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用將提高遠(yuǎn)程在信息化建設(shè)過程中的自動(dòng)化和智能化水平，實(shí)現(xiàn)醫(yī)院與醫(yī)院之間的智能協(xié)同和部門間的各科室專家的協(xié)同作業(yè)能力，改善醫(yī)院的響應(yīng)速度和效率，降低醫(yī)療咨詢的錯(cuò)誤率。航天遠(yuǎn)程醫(yī)療上，主要體現(xiàn)在“天地協(xié)同”的效率和安全性上，保障了信息的隱私、傳輸速率和及時(shí)反饋，是宇航員的生命安全的重要保障。

3.1.4 遠(yuǎn)程預(yù)防和保健服務(wù)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)可將遠(yuǎn)程采集的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)醫(yī)療監(jiān)測(cè)中心的數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行智能匹配，若存在異常情況（系統(tǒng)懷疑被監(jiān)測(cè)者存在患病風(fēng)險(xiǎn)），將數(shù)據(jù)分析結(jié)果提供給醫(yī)學(xué)專家作為參考，并由醫(yī)務(wù)專家做出醫(yī)療診斷，提出相應(yīng)的醫(yī)療解決方法。系統(tǒng)將解決方案、相關(guān)注意事項(xiàng)和應(yīng)急措施反饋給被監(jiān)測(cè)者。

宇航員在空間站執(zhí)行任務(wù)期間，提供在線指導(dǎo)，健康服務(wù)。從心理、營(yíng)養(yǎng)、運(yùn)動(dòng)、飲食等方面提供咨詢保障。

3.1.5 宇航員醫(yī)療手環(huán)

通過佩戴醫(yī)療手環(huán)，將宇航員的心率、體溫、呼吸、運(yùn)動(dòng)和睡眠情況下傳到地面控制中心。同時(shí)，手環(huán)可對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如有異常情況，手環(huán)有警報(bào)功能。手環(huán)錄入了航天醫(yī)藥箱中的各藥品信息，可通過其上的射頻發(fā)射器對(duì)藥物進(jìn)行驗(yàn)證，配合地面醫(yī)學(xué)專家的診斷指導(dǎo)獲取響應(yīng)藥物。

3.1.6 航天醫(yī)療物資管理

航天醫(yī)藥箱、醫(yī)療器械設(shè)備等實(shí)現(xiàn)信息的及時(shí)采集與匯聚，實(shí)時(shí)了解醫(yī)療設(shè)備與用品的使用情況和正常與否，實(shí)現(xiàn)對(duì)不可見問題的預(yù)警。利用射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)對(duì)藥物進(jìn)行管理，通過航天員佩戴的醫(yī)療手環(huán)上的射頻發(fā)射器接收藥物上的射頻發(fā)射器發(fā)出的信號(hào)，自動(dòng)核對(duì)藥物信息，防止航天員錯(cuò)誤服用。

3.2 航天遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的架構(gòu)

航天遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)以SOA架構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括六個(gè)層次，分別是航天醫(yī)療資源層、數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)分析層和用戶層，見圖1。

3.2.1 航天醫(yī)療資源層

航天醫(yī)療資源層包括航天醫(yī)藥箱、醫(yī)療器械、監(jiān)護(hù)儀器、醫(yī)療手環(huán)、檢測(cè)儀器等各種設(shè)備和設(shè)施，并進(jìn)行智能化統(tǒng)一管理。作為整個(gè)航天遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)，提供了所有的醫(yī)療資源對(duì)象。 同時(shí)各類醫(yī)療設(shè)備信息都會(huì)實(shí)時(shí)進(jìn)行反饋記錄，以確保設(shè)施的安全性。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集層

利用傳感器、RFID技術(shù)以及移動(dòng)攝像頭等設(shè)備完成對(duì)宇航員生理信息和宇航器內(nèi)環(huán)境信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過航天遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的軟件接口對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，完成數(shù)據(jù)的暫存和加密工作。

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

通過現(xiàn)有的衛(wèi)星通信技術(shù)、空間無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)完成實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸工作。并在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建自適應(yīng)自組織的物聯(lián)網(wǎng)遙測(cè)通信系統(tǒng)。

3.2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層

利用固態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)包括宇航員個(gè)人醫(yī)學(xué)信息、航天器環(huán)境數(shù)據(jù)、地面醫(yī)療中心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、地面醫(yī)療中心初步診斷信息、醫(yī)學(xué)專家診斷信息、視頻信息和語(yǔ)音信息等數(shù)據(jù)的保存。同時(shí)將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)的航天醫(yī)療資源數(shù)據(jù)庫(kù)和專用集成數(shù)據(jù)庫(kù)，為醫(yī)療監(jiān)測(cè)中心提供數(shù)據(jù)支持。

3.2.5 數(shù)據(jù)分析層

數(shù)據(jù)的分析和病情診斷，均以提供宇航員身體和心理健康保障為目的。其中包括，宇航員信息的核對(duì)，生理與心理健康情況的監(jiān)控。地面監(jiān)控醫(yī)生對(duì)宇航員醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的初步分析，通過視頻語(yǔ)音對(duì)宇航員心理狀態(tài)的診斷。若存在疑似異常情況，數(shù)據(jù)同步到專家醫(yī)生作進(jìn)一步的分析并提出相應(yīng)的建議，將向宇航員發(fā)出警報(bào)并反饋結(jié)果傳輸給宇航員。

3.2.6 用戶層

宇航員是核心用戶，同時(shí)還包括地面醫(yī)療中心、醫(yī)學(xué)專家、航天中心、政府等用戶。多方用戶通過航天遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)，實(shí)時(shí)交互以及相關(guān)信息的共享與傳輸。

3.3 相關(guān)支撐因素分析

3.3.1 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

目前中國(guó)在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、傳感器、M2M等方面取得了一定的技術(shù)突破。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，如傳感器技術(shù)和射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)也已相對(duì)成熟，航天遠(yuǎn)程醫(yī)療的發(fā)展具備技術(shù)基礎(chǔ)。但目前航天遠(yuǎn)程醫(yī)療受太空特殊環(huán)境影響較大，目前設(shè)備和通信在失重狀態(tài)下的工作情況還需進(jìn)一步完成地面試驗(yàn)驗(yàn)證及評(píng)估。作為載人航天屬于一個(gè)國(guó)家的核心技術(shù)，宇航員的個(gè)人身體狀況信息和航天器信息應(yīng)得到隱私保護(hù)，建立信任的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，規(guī)范隱私管控。

3.3.2 國(guó)家政策支持

國(guó)家大力進(jìn)行載人航天實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建空間站，同時(shí)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的重視，為航天遠(yuǎn)程醫(yī)療的發(fā)展提供了良好的社會(huì)環(huán)境。國(guó)家政策的支持和相關(guān)條例的出臺(tái)，保證了航天遠(yuǎn)程醫(yī)療的安全性，保障了宇航員的個(gè)人隱私和國(guó)家機(jī)密不被泄露。同時(shí)，刺激了醫(yī)療資源信息系統(tǒng)的融合，實(shí)現(xiàn)信息共享，形成遠(yuǎn)程醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.3.3 新興技術(shù)的發(fā)展

物聯(lián)網(wǎng)，云計(jì)算，大數(shù)據(jù)等被視為第四次工業(yè)革命的到來，它們發(fā)展的成熟度對(duì)航天遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的發(fā)展也有影響。隨著收集到的數(shù)據(jù)量越來越大，種類越來越多，遠(yuǎn)程醫(yī)療大數(shù)據(jù)時(shí)代必將來臨。面對(duì)海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)挖掘，并提供隨時(shí)隨地的決策支持，云計(jì)算技術(shù)必不可少，建立地面醫(yī)療云平臺(tái)勢(shì)在必行。

此外，傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程醫(yī)療上單純的醫(yī)學(xué)參數(shù)分析，不足以全面反映宇航員的身體信息，更無(wú)法體現(xiàn)宇航員的心理狀態(tài)。后來增加了視頻和語(yǔ)音方式協(xié)助診斷，但同樣存在一定問題，很難從視頻中獲得可靠的，有意義的觀察，并向宇航員提供有效反饋。

受限于視頻流傳輸技術(shù)，目前視頻診斷主要應(yīng)用在宇航員身份驗(yàn)證上。傳輸3D視頻需要很高的網(wǎng)絡(luò)帶寬，3D深度數(shù)據(jù)的有效壓縮和傳輸仍是一個(gè)難以解決的問題。而視頻的實(shí)時(shí)性、深度和音頻傳輸對(duì)于實(shí)現(xiàn)方便有效的遠(yuǎn)程醫(yī)療會(huì)話至關(guān)重要。針對(duì)以上問題，我們可以采取融合2D視頻流和高性能數(shù)據(jù)流的多通道通信的方式，其中前者用于提供普通的視頻咨詢，而后者用于提供被監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)（如，運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)）的實(shí)時(shí)流傳輸。由此，保障穩(wěn)定有意義的視頻觀察，并能給宇航員有效的反饋。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了遠(yuǎn)程醫(yī)療的發(fā)展及國(guó)內(nèi)外載人航天遠(yuǎn)程醫(yī)療相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況，并提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的航天遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)總體方案，該系統(tǒng)以宇航員為核心，全面保障宇航員在軌長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行任務(wù)過程中的身體和心理的健康。本文提出的設(shè)計(jì)方案，為我國(guó)載人航天遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)日后的發(fā)展提供了設(shè)計(jì)參考。未來，航天遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)一定會(huì)向系統(tǒng)化、人性化和智能化的方向發(fā)展，從航天大國(guó)邁向航天強(qiáng)國(guó)，中國(guó)航天遠(yuǎn)程醫(yī)療的發(fā)展必不可少，抓住物聯(lián)網(wǎng)浪潮結(jié)合遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)，早日建設(shè)完善的中國(guó)航天遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)。

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作者簡(jiǎn)介

尹子航（1994-），男，山東省德州市人。在讀碩士研究生。研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。

作者單位

1.西安微電子技術(shù)研究所（航天771所） 陜西省西安市 710054

2.中國(guó)科學(xué)院 北京市 100864