物联网技术在医疗输血领域中的应用

摘要：在采血、加工、配发、医疗输血全过程监管的重要性和必要性分析的基础上，结合先进的物联网和RFID技术特征，创新性地利用物联网、RFID技术构建了医疗输血应用系统模型。系统主要功能包括：无线实时传输功能、信息同步共享功能和安全溯源查询功能。该系统利用互联网对血液在配发运输、贮存、医疗输血等过程进行全面的监控，同时支持医惠双方对血液质量安全的溯源追踪。系统的应用提高了医疗输血全过程的安全性和统一监管力度，实现了信息共享、资源调配动态跟踪，大大提高了血液采集使用的周转率。系统适合在各采供血机构和医疗输血时使用。
关键词：物联网；无线传感器；射频识别；医疗输血；质量安全

0 引言
    随着我国对物联网技术和应用系统开发的高度重视，物联网已经成为大家生活的一部分。基于物联网技术的使用特点，本文将应用物联网相关技术对医疗输血在血液采集、离心分离加工和配发运输、贮存管理及溯源追踪中的问题进行了重点研究。
    血液具有人源性、必须性和潜在疾病传染性等特点，属于国家重点监管的对象。由于血液不宜大规模长期贮存(血小板最长保存5天，全血最长35天)属于重要的、特殊的即时资源。致使一些不法分子(“血头”)非法组织他人出卖血液，从中非法暴利。非法无序采血、血液传播疾病的传播，严重打破了平衡安全的献血模式，令受血者恐惧，献血者不公。当前血液安全问题已引起全社会的广泛关注。前不久，卫生部部长陈竺在《第三届中国经济前瞻论坛》上强调，建立血液的供应、储备和安全使用的保障机制势在必行。由于血型匹配难，低温贮存保质期短，运输不便，易受病毒污染等问题使血液从采集到使用的过程中安全受到严重威胁，因此血液智能管理和及时配发显得非常重要。
    为了加强对医疗输血血液监管力度，构建了医疗输血血液应用系统模型，改变了传统单一的信息采集效率低、数据实时性差、无法实时调度、监管和资源共享，造成资源浪费的缺点，真正实现了数据的实时采集、动态跟踪、在线调配、溯源追踪，在确保医疗输血质量的同时，安全及时地送达各级医疗救助点。

1 现状与问题
    血液(全血)来自于壮健人体的血液，血液是由血细胞成分和血桨2大部分组成，是医疗临床输血的来源。血细胞成分包括红细胞、白细胞、血小板3类；血桨则包括百种以上各具特有生物学功能的血桨蛋白成分。在医疗急救及某些特定疾病的预防和治疗上，血液有着其他药品不可替代的重要作用。目前还不能利用科学技术人工合成，不能大规模生产，适龄健康人群的无偿捐献是临床病患用血的重要来源。
    医疗临床用血根据《中华国民共和国献血法》规定，实行无偿献血制度。医疗用血是由省、市和红十字血站(血站是采集、提供临床用血的机构，是不以营利为目标的公益性组织)采集血液(全血)，严格执行国家规定，并在无菌状态下经检测后，制备成血细胞成分和血桨．经过贮存、配发运输至各级医院输血科或血库再贮存，临床配型最后给患者进行输血治疗。
1．1 缺少全国联网的医疗血液信息系统
    确保信息的无缝对接，从根本上解决“献血容易用血难”。在不少献血者看来，让自己和家人免费用血是主要的献血理由。但因缺少全国联网的献血信息系统，献血者在用血时不能在第一时间得到保证，整个信息核对、报销过程非常漫长而繁琐。建立健全的查询网络是从源头上简化程序，实现信息无隙对接，鼓舞群众无偿献血，进入良性循环。
1．2 建立公开、透明的用血机制
    各级血站是公益机构，无偿献血毋庸置疑，但不少市民对“献血无偿到用偿用血”不理解，有些献血者担心“白献血”，血液从采集、保存、检测到运送等需要经过哪些环节。因此，建立公开、透明的献血用血机制迫在眉睫。
1．3 支持科学高效的信息查询服务
    据调查，患者对医疗输血安全持谨慎态度，90％以上的被调查患者认为：尽量不要输血，惧怕输血后可能感染。因此建立科学高效的信息溯源追踪平台，保证有效的治疗方案的实施消除不必要的恐惧和担忧。

2 物联网与RFID技术简介
2．1 物联网简介
    物联网(Internet of things)是通过传感设备按照约定的协议，把各种网络连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化物体识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。因而每个物联网可以细分为标志、感知、处理和信息传送4个环节，每个环节的关键技术分别为RFID二维码、传感器、智能芯片和电信运营商的无线传输网络。物联网结构模型主要可分为3层：感知层、网络层和应用层，如图1所示。

2．2 RFID技术简介
    RFID即无线射频识别技术，是一项利用射频信号通过空间耦合(交变的电磁场)实现非接触的信息传递，并通过所传递的信息来达到目标识别技术的目的。RFID芯片具有体积小、容量大、寿命长、穿透力强、可重复使用、支持快速读写、可定位和长期跟踪管理等优点，在医疗监管、药品监管、安全质量管理方面有着极大的应用潜力。
    RFID系统一般由标签线、天线、阅读器官部分组成
    (1)标签源(Tag)。主要由射频耦合元件与芯片组成，每个标签都具有惟一的电子编码，附着在物体的目标对象上(或嵌入物体内部)；
    (2)天线(Antenna)。发射射频电波，接收标签传递回来的射频信号；
    (3)阅读器(Reader)。即通过天线读取或写入标签信息的设备，将射频信号解码，供上层控制计算机(PC)查询、调取。在不同的应用中，无线传感器网络节点的组成也不尽相同，但一般都由数据采集、数据处理、数据传输和电源这4部分组成。数据采集单元是由各种传感器组成，负责一些物资环境数据的感知；数据处理单元采用一个嵌入式的CPU，负责数据的编码和处理；数据传输单元由无线通信模块或射频模块组成，实现数据的即时传送；电源单元一般采用锂电池或交流电源。结构如图2所示。

3 总体框架模型
3．1 传感器网络节点和RFID识读器交互模块
    传感器网络节点和RFID识读器交互模块中的传感器网络节点是用来采集省、市和红十字会血站分管各采血机构的详细原始信息，各采血机构是经过省卫生局、防疫站严格审批监管的授权机构，因此提高了数据采集的效率、准确率及可靠性，同时有效地杜绝非法组织的营利行为，减少了大量人力和财力的消耗。无线射频模块用来传递采集信息，大大提高了数据的实时性和高效性。

    无线传感网络节点和RFID识别器交互模块是由无线传感器网络节点和RFID识读器组成。其中无线传感器节点按类型可分为温、湿度传感器、环境监测、声音、震动、压力、运动或污染物传感器等，每个传感器由一个数据处理单元即单片机、存储器、天线、无线射频模块和电源5个部分构成，RFID识读器由单片机、无线射频模块、天线、串口接口模块和供电单元构成。传感网络节点和RFID识读器交互的过程，如图3所示。
3．2 医疗临床输血质量安全控制中心
    医疗输血溯源追踪是指在医疗输血血液供应链的各个环节(包括采集、离心分离、贮存、配发以及使用)中，医疗输血血液及其相关信息(采集人、采集环境、离心分离加工责任人、加工环境、加工地点等)能够被回溯追踪，使医疗输血血液始终处于有效地监控之中。把物联网技术应用于医疗输血血液的安全监管，就是在血液采集源头，对每一个献血者所献的血液标注RFID标签，此标签附带所有献血者身体状况的详细信息，以实现对血液原始资料的现场收集。带有RFID标签的血液会在省、市、红十字血站进行血液离心分离、血浆病毒灭活、冷冻、贮存等8大加工过程中实现各个环节的数据采集、存储和传输，并根据国家和行业的评价指标体系进行有效地监控。应用物联网能够显著地提高医疗输血血液的安全性，具体血液采集、加工中心作业流程如图4所示。

3．3 无线网络传递信息
    RFID识读器中的单片机对所有信息进行编码和处理，进而通过串口接口传送到GSM芯片。GSM芯片通过无线网络以规律的问隔，以短信或信息编码的数据形式在5 s内将这些信息传递到一个装有SIM卡的GSM接收装置，该装置通过GSM无线网络在3 s内传递信息到互联网中的数据处理中心服务器，进行数据的分析、处理，以备查询调用。具体信息传递流程如图5所示。

4 医疗输血血液应用系统模型及功能
    医疗输血血液应用系统模型，实现了FRID网络系统、城市各级血站采集机构、各级血站血液加工中心和各级医院网络平台的集成，实现了对医疗输血血液从采集、离心分离加工、配发运输、贮存保管、临床使用前的各种信息查询服务。同时支持患者可以通过网络对医疗输血血液的信息进行查询核对，也实现了在流通全过程中政府职能部门对其安全性能的全面监管。同时也降低了医疗输血血液流通的成本，提高了效率和安全性，每个环节所产生的数据将会通过网络进行共享。
    本系统通过传感器、单片机、GPS芯片、GSM芯片和无线射频模块等硬件的协同工作，将各级血站采集到的信息和具体的坐标信息，通过各种(温度、湿度、环境监测、声音、震动、压力、运动或污染物传感器等，)传感器感知血液的初始的环境数据以及RFID电子标签存储录入的各献血者基本属性数据到城市各级血站服务器主机上，通过服务器对血液在离心分离制备过程中的信息处理子系统对数据进行分析、存储、评估，能够及时地对各种医疗输血血液在配发运输过程进行有效监控，进而保证在第一时间对患者进行及时的救助，对有限的资源进行更加合理的调配。
    医疗输血血液应用系统模型如图6所示。

4．1 无线实时传递功能
    借助互联网、无线技术实现数据传递，可快速、准确地将数据信息传送到本地区各级采血站、各级血液加工中心和各级医院终端服务器。在采血时各种数据采集收集，以数字化形式储存，并通过无线网络传回至各级血站服务器，单张表格实时回传所需时间将缩短2min。
4．2 信息同步共享功能
    信息同步共享，有效地对医疗输血血液的监控和调配。通过对每一个献血者所献的血液标注RFID标签，城市各级血站可以和居民个人信息对接，了解到该献血者的详细资料(身体健康状况、职业稳定性、个人诚信度等，主要是为了有效制止以献血经济来源或过渡献血)同时也为献血者或家人在今后某一时间受血提供最准确的信息。因此需要有一个数据中心，利用GSM无线网络把采集到的数据传送到城市各级血站数据库服务器的主机上，将采集来的信息进行分析、加工、处理，与互联网同步对接，各级医院通过网络随时查询到城市各级血站现有血样详细信息，各种不同类型医疗输血血液将在第一时间为患者提供安全、有效、快捷的医疗救助服务。
4．3 移动监控调配功能
    通过RFID和互联网，使得城市各级血站通过电子显示屏、各级医院输血科或血库中心的监控电脑，随时掌握医疗输血血液的物理位置，并通过各类感应器及时了解医疗输血血液的使用情况、所处环境的温度、湿度、压力、运动或污染情况等，使用前是否被调换。
4．4 安全溯源查询功能
    各级医院根据患者需求可查询城市各级血站的供应能力和现有型号，申请调配医疗输血血液；核查以配发医疗输血血液RFID标签信息的完好性和一致性；患者可以通过手机终端，根据医疗输血血液上RFID标签，利用互联网清楚地查询到该医疗输血血液从采集、包装、离心分离加工、贮存、配发运输等各个环节的动态信息，从而真正地实现患者层面上通过互联网，对医疗输血血液的安全溯源追踪。

5 系统应用
    医疗输血血液应用系统在西安市PlAXJ采血站及PLA相关医院经过2年多时间的应用，取得了可观的结果。
    统计数据表明：运用了物联网和RFID技术后全血非正常报废率由1．11％降至0．47％，避免了以往不必要的浪费和损耗，最大程度地利用了原生资源；血液调配更是由原有的1～2天缩短到8 s，为医患双方节约了宝贵的时间；血液(成分血、全血)在库储存时间由原来的7天以上，减少至现在3～5天，血液(成分血、全血)使用周转周期提高50％，保证了血液的新鲜度和细胞的存活率；由于各大医院血库服务器与城市中心血站服务器(或城市血液加工中心服务器)联网，真正做到了资源共享，医患人员可利用网络(或手机)，利用血液包装袋上的RFID标签，登陆城市中心血站服务器对医疗输血血液的安全性进行溯源追踪，增强了全民安全意识。调查结果为日后医疗输血血液应用系统的广泛应用提供了有效地数据保证。
    表1系西安市PLAXJ采血站应用系统前后的检测结果。

6 结语
    目前物联网技术与RFID的应用领域越来越来广。物联网技术的出现为更多患者和医务工作者带来了极大便利，推动了人类进步和发展的步伐。很多RFID芯片厂商对RFID医疗应用非常看好，做了大量的研究工作，许多芯片厂商还专门推出了超低功耗RFID医疗解决方案，用于医疗领域的管理，获得了用户的青睐。
    利用物联网技术构建医疗输血血液应用系统，可以给现代医疗服务领域带来更多的便利。通过物联网技术可以大幅度降低医疗输血成本，使医疗输血血液监控过程无线化，目的是使患者能够得到方便快捷低成本、高质量、安全可靠的医疗输血血液，最终的目标是使有限的血液资源得到充分的利用，使医疗资源最大化，使患者能够共享优质医疗资源。希望在“十二五”期间，能够推广物联网在医疗卫生领域的应用，为患者提供更加安全更加有效的医疗卫生服务。