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1、 1 医疗健康物联网白皮书（2020）编委会 主编 兰 青 江苏省卫生健康委员会 戴美忠 无锡市卫生健康委员会 副主编 笪学荣 无锡市卫生健康委员会 刘晓强 江苏省卫生统计信息中心 成员 胡建平 国家卫生健康委统计信息中心 李岳峰 国家卫生健康委统计信息中心 董方杰 国家卫生健康委统计信息中心 王爱年 江苏省卫生健康委员会 谢寿坤 无锡市卫生健康委员会 刘星宇 无锡市卫生健康委员会 刘丹红 第四军医大学 杨梦宁 重庆大学 钟代笛 重庆大学 王 东 上海交通大学RFID 与物联网研究所 王 澄 无锡新吴区科技局 陈 翀 无锡医疗物联网研究院 张 斌 无锡医疗物联网研究院 沈天翊 无锡医疗物联网研
2、究院 刘 东 动脉网蛋壳研究院 刘宗宇 动脉网蛋壳研究院 李成平 动脉网蛋壳研究院 陈 鹏 动脉网蛋壳研究院 感谢以下专家提供宝贵意见或提供典型案例（以姓氏笔画排序） ： 叶 刚 无锡海鹰医疗科技股份有限公司 叶 凯 江苏曼荼罗软件股份有限公司 刘 军 无锡识凌科技有限公司 何柄谕 中泰证券股份有限公司 余小益 创业慧康科技股份有限公司 张炎炎 中国移动通信集团设计院有限公司 2 版权声明 本白皮书版权属于无锡医疗物联网研究院和动脉网蛋壳研究院，并受法律保护。任何单位和个人未经无锡医疗物联网研究院和动脉网蛋壳研究院共同书面授权，不得以任何目的（包括但不限于学习、研究等非商业用途）修改、使用、复
3、制、截取、编纂、编译、上传、下载等方式转载和传播本书中的任何部分， 授权后转载、 摘编或利用其它方式使用本白皮书文字或者观点的， 应注明来源。 违反上述声明者，将被追究其相关法律责任。 3 序 医疗健康物联网（MIoT，Medical Internet of Things）是物联网技术在医疗健康行业的一个重要应用领域。随着大数据、互联网+、区块链等前沿技术的充分整合和运用，医疗健康物联网越来越呈现出强大的影响力和生命力， 对推进深化医药卫生体制改革、 加快 “健康中国” 建设和推动医疗健康产业发展，起到重要的支撑作用。在突如其来的新冠疫情中，医疗健康物联网被广泛应用于各地防疫，发挥了巨大的作用
4、，体现了医疗健康物联网的巨大潜力。 经过一段时间的高速发展后，我国医疗健康物联网的发展正在加速，并体现出了良好的发展态势。但是，在顶层架构、系统设计和落地模式上，我国医疗健康物联网还需要不断完善。2016 年健康中国2030 规划纲要发布以后，医疗健康物联网建设方向及时完成了从医疗卫生到医疗健康的转变，并对相应的解决方案进行了调整。针对新时代、新任务和新要求，研究院组织业内专家研究和编制了医疗健康物联网白皮书（2020） ，在之前研究院发布的医疗健康物联网白皮书（2016） 和医疗健康物联网白皮书（2018） 两个版本的基础上更新了医疗健康物联网的应用现状和发展趋势、存在的问题、机遇和挑战，并
5、为医疗健康物联网产业的发展提供了系统性规划和思考，旨在为医疗健康物联网产业发展提供建设指导，为政府部门前瞻规划提供决策参考，为医疗服务机构开展医疗健康物联网应用提供行业指导，并与业内同仁分享我们对医疗健康物联网的经验与思考。 医疗健康物联网白皮书（2020） 编制工作量较大，涉及面较广，难免有疏漏，敬请广大读者不吝批评指正，以便我们后续改进。 4 目录 1 医疗健康物联网概述 . 7 1.1 医疗健康物联网的定义及简要发展 . 7 1.2 “新冠疫情”及“新基建”对医疗健康物联网的影响 . 9 1.3 推动医疗健康物联网的“五驾马车”：技术、标准、政策、市场和资本 . 11 2 医疗健康物联网
6、基础架构及技术 . 12 2.1 医疗健康物联网的四层基础架构概述 . 12 2.2 医疗健康物联网感知层 . 12 2.2.1 感知层技术 . 12 2.3 医疗健康物联网网络层 . 17 2.3.1 医疗健康物联网主流网络技术 . 18 2.3.2 无线技术未来发展趋势 . 23 2.4 医疗健康物联网平台层 . 27 2.4.1 平台层技术未来趋势 . 27 2.5 医疗健康物联网应用层 . 28 2.5.1 应用层技术未来趋势 . 28 3 医疗健康物联网主要标准解析 . 30 3.1 国际标准组织有关医疗健康物联网技术标准制定工作现状 . 30 3.1.1 ISO 有关医疗健康物联网
7、技术标准现状 . 30 3.1.2 ITU 有关医疗健康物联网技术标准现状 . 32 3.1.3 IEEE 有关医疗健康物联网技术标准现状 . 33 3.1.4 HL7 有关医疗健康物联网技术标准现状 . 36 3.2 我国相关机构有关医疗健康物联网技术标准制定及推进工作现状 . 36 3.2.1 国家标准化管理委员会有关医疗健康物联网技术标准现状 . 37 3.2.2 国家卫生信息标委会有关医疗健康物联网技术标准的推动工作 . 38 3.2.3 中国通信标准协会CCSA 有关医疗健康物联网技术标准的推动工作 . 38 3.2.4 CHMIA 有关医疗健康物联网技术标准及联盟的推动工作 . 3
8、9 3.2.5 无锡医疗物联网研究院有关医疗健康物联网技术标准及联盟的推动工作 . 40 3.3 国内医疗健康物联网标准化工作的发展建议 . 40 4 医疗健康物联网主要政策分析 . 42 4.1 全球医疗健康物联网发达地区医疗健康物联网行业政策分析 . 42 4.1.1 美国 . 44 4.1.2 欧盟 . 44 4.1.3 日本 . 45 4.1.4 韩国 . 45 4.2 国内医疗健康物联网政策分析 . 46 4.2.1 一战略 . 51 4.2.2 二层次 . 51 4.2.3 三对象 . 52 4.2.4 四周期 . 53 4.3 国际国内医疗健康物联网政策对比以及发展建议 . 54
9、 5 5 医疗健康物联网近年来的市场及资本环境 . 55 5.1 全球及国内医疗健康物联网市场规模预测 . 55 5.1.1 全球医疗健康物联网市场规模预测 . 55 5.1.2 国内医疗健康物联网市场规模预测 . 57 5.1.3 我国公立医院医疗健康物联网相关招投标数据解读 . 59 5.2 全球及国内医疗健康物联网投融资、收购及产业基金分析 . 61 5.2.1 国际医疗健康物联网投融资及收购分析 . 61 5.2.2 我国医疗健康物联网融资及收购分析 . 63 5.2.3 国际国内医疗健康物联网融资及收购对比分析 . 64 6 我国医疗健康物联网产业发展分析 . 66 6.1 产业生态
10、链 . 67 6.1.1 芯片 . 67 6.1.2 传感器 . 67 6.1.3 操作系统 . 68 6.1.4 无线模组 . 68 6.1.5 网络运营 . 69 6.1.6 平台服务 . 70 6.1.7 软硬件开发及集成应用 . 70 6.2 国内物联网产业联盟发展分析 . 71 6.3 国内物联网产业基金发展情况分析 . 72 6.4 我国医疗健康物联网市场竞争格局及应用场景发展潜力评析 . 73 6.5 国产替代背景下，国内企业及机构在全球生态链中的地位及其机会 . 76 7 医疗健康物联网应用场景透视 . 78 7.1 医疗健康物联网应用场景分类 . 78 7.1.1 智慧临床
11、. 78 7.1.2 智慧患者服务 . 79 7.1.3 智慧管理 . 79 7.1.4 远程健康 . 79 7.2 智慧临床类应用场景 . 80 7.2.1 医疗急救管理 . 80 7.2.2 移动护理管理 . 81 7.2.3 输液监护管理 . 82 7.2.4 智慧病区 . 83 7.2.5 床旁智能交互 . 84 7.3 智慧患者服务类应用场景 . 85 7.3.1 院内导航 . 85 7.3.2 院内人员定位管理 . 87 7.3.3 报警求助 . 88 7.4 智慧管理类应用场景 . 89 7.4.1 院内智慧后勤管理 . 89 7.4.2 院内物资及物流管理 . 90 7.4.3
12、 院内医废管理 . 91 6 7.4.4 中医及西医药品溯源管理 . 92 7.5 远程健康应用场景 . 93 7.5.1 社区慢病管理 . 93 7.5.2 社区公卫体检服务 . 94 7.5.3 社区生命体征监测 . 95 7.5.4 远程消费医疗 . 96 7.5.5 疾病早筛预防 . 97 7.5.6 5G+癌症筛查 . 98 8 对我国医疗健康物联网发展的建议和思考 . 100 8.1 强化产业集聚，进一步扶持打造全球性医疗健康物联网高地 . 100 8.2 增加研发投入，确保行业自主可控可持续性发展 . 100 8.3 完善安全建设，打造完全自主可控的医疗健康物联网安全体系 . 1
13、01 8.4 推动应用示范，促进物联网与医疗健康的结合，用技术为医疗健康赋能 . 101 7 1 医疗健康物联网概述 1.1 医疗健康物联网的定义及简要发展 物联网技术（IoT，Internet of Things）是近年来兴起的一个新兴概念，与互联网（Internet）相对应。1999 年，美国麻省理工学院自动化识别系统中心的创始人之一凯文阿什顿（Kevin Ashton）在研究RFID 时提出了物联网的概念并沿用至今。它是将射频识别（RFID） 、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按特定协议将设备物品与互联网相连接，从而彼此进行信息交换及通讯，以实现智能化识别、定位、追踪
14、、监控和管理的一种网络技术。 随着计算处理能力和无线技术微型化的进步，物联网应用场景逐渐拓展，从一个个概念变为现实。物联医疗设备开发的创新使得医疗健康行业愈发意识到物联网技术在医疗健康行业中的巨大作用。 首先，物联网连通性的增强使其可以应用于大多数类别的医疗设备， 进而使得应用物联网的医疗设备大幅增加。随后， 物联医疗设备数量的大量增加， 又进一步促使支持采集和传输医疗级别数据的传感器、 物联网络、服务系统及软件的进步，最终将物联医疗设备和医疗健康IT 系统通过物联网相连，从而持续自动传输医疗数据。 这种将物联网和医疗保健IT 系统的有机结合， 也就是医疗健康物联网 （MIoT， Medica
15、l Internet of Things） ；或者，也可以称之为智慧医疗。 2003 年， 医疗行业就开始借助互联网、 RFID 技术和EPC 标准等手段， 开始医疗健康物联网的尝试。2004 年，利用射频信号实现无接触信息传递，并准确识别的RFID 技术被应用于医疗健康物联网。因其成本低廉、简单可靠，RFID 得到大量采用，至今仍然是医疗健康物联网主要的传感技术。2005 年，美国少数医院开始部署RFID 系统以追踪和管理患者、工作人员及资产设备。至此，医疗健康物联网形成初步商业模式。2006 年，美国率先应用植入式RFID 微型芯片并开展临床试验，以通过终端设备监测慢病患者病情。医疗健康物
16、联网逐渐得到医疗行业的认可，并快速发展出多种应用场景。 8 在我国，有识之士很早就意识到医疗健康物联网在慢性阻塞性肺疾病等慢性病呼吸疾病、糖尿病和充血性心力衰竭管理中的作用。2008 年，我国就有专家提出了物联网医学，设想将物联网应用于健康管理、医疗、术后管理和老年健康照护等领域1，并提出将医疗健康物联网应用到分级诊疗实现癌症早筛的设想2。2014 年和2015 年，中国最早的两部物联网医学专著实用物联网医学及物联网医学分级诊疗手册先后出版，奠定了中国医疗健康物联网理论基础。 医疗健康物联网概念提出的时候正值全球医疗健康费用快速上涨时期，这使得医疗健康物联网一经提出就被医疗健康行业迅速采纳。2
17、017 年，全球医疗健康支出为约 7.8 万亿美元，占当年全球 GDP 的10%之多。2000-2017 年间全球医疗健康支出平均增长率达到 3.9%，高于同期全球 GDP 平均 3%的增幅3。高盛在2015 年经过调查后发布报告认为，医疗健康物联网可以有效增加收入并降低成本，可以帮助美国每年减少超过 3 千亿美元的医疗健康费用支出4。当然，前提是能够将数以百万计的医疗健康物联网设备生成的数据转化为可操作的洞察力。 除此以外，医疗健康物联网对医疗健康行业的促进也是其被行业迅速采纳的重要原因。医疗器械行业每年生产超过50 万种不同类型的医疗健康器械5，包括可穿戴式医疗设备（皮肤贴片、胰岛素泵和血
18、糖监测仪） 、植入式医疗设备（起搏器和植入式心律转复除颤器设备）以及固定式医疗设备（家庭监控设备、连接成像设备和扫描设备） 。医疗健康物联网极大地拓宽了医疗健康器械应用的广度和深度。首先，医疗健康物联网使医疗器械可以自动持续地传递所采集的患者身体信息，以使医护人员可以实时监控患者健康状况并调整患者行为，从而提高诊断和治疗的速度和准确性。其次，它还可以简化临床流程、信 1 白春学，中华医学信息导报： 物联网在医学中的应用 ，2019 年第34 卷第8 期 2 苏暄，中国医药科学： 白春学：借力云计算和终端，拥抱物联网医学新时代 ，2016 年2 月第6 卷第4 期 3 WHO: Global S
19、pending on Health: A World in Transition (2019) 4 Goldman Sachs Report: How the Internet of Things Can Save the American Healthcare System $305 Billion Annually. Engage Mobile Blog. Engage Mobile Solutions, LLC. 23 June 2016. Retrieved 26 July 2018 5 Deloitte: Medtech and the Internet of Medical Thi
20、ngs (2018) - How connected medical devices are transforming health care 9 息和工作流程，来提高医疗保健组织的运作效率和有效性。再次，医疗健康物联网还有助于对患者进行实时远程护理，并改善医疗机构内部和医疗机构之间的通信。最后，医疗健康物联网产生的大量数据为开发具有预测性、预防性、个性化和参与性的药物提供了数据基础。 随着时间的推移和技术的发展，医疗行业愈发发现医疗健康物联网的重要作用，并演变出如今五花八门的应用，但归根结底主要是为了实现下列几个方面的智能化管理，即人员管理智能化、设备管理智能化、医疗过程智能化、供应链管理智
21、能化、医疗废弃物管理智能化和健康管理智能化。 1.2 “新冠疫情”及“新基建”对医疗健康物联网的影响 在前不久的新冠疫情中，医疗健康物联网展示了其在公共卫生领域的巨大作用。最让人印象深刻的两个场景均与医疗健康物联网密切相关。其一，全国人民通过架设在建设工地旁基于 5G 网络的摄像头实时了解医院建设动态。 在后续的治疗中， 5G 远程影像也极大地缓解了当地医疗资源不足的压力。 其二，在雷神山和火神山医院中，无人机器人完成了病区消毒和配送医疗物资的任务，极大地帮助了抗疫。医疗健康物联网在整个过程中的应用数不胜数，从设备人员定位到运营管理都发挥了极大的作用。这些智能化应用不仅极大降低了医护人员的负担
22、，有效缓解了疫情期间医疗系统过载的问题，更减少了医护人员与患者的直接接触，从而对疫情防控起到了积极作用。尽管如此，此次重大公共卫生事件还是暴露了我国现行医疗体系，尤其是公共卫生体系的不足。在 2020 年两会上，有不少议案建议和提案都涉及到医疗健康行业的完善。这意味着行业将获得政策的巨大推力。 10 包括医疗健康物联网在疫情中展示出来的巨大作用在内一系列因素的影响， 2020 年3 月以来， 我国陆续出台了一系列“新基建”相关政策。 “新基建”是相对于铁路、公路和机场等传统基础设施而言的高速信息网络基础建设，主要涉及5G 基础设施、特高压电网、城际高铁和轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、
23、人工智能和工业互联网七个领域。这七个领域几乎都与物联网技术紧密相关：工业互联网的核心便是物联网的“万物相通” ；人工智能则是物联网应用层的支撑技术；5G 网络则将会与物联网共同演进发展，并赋予物联网低延迟、高速率和多终端交互能力；特高压和充电桩的部署运营，以及高铁和大数据中心的实时监控与调度都离不开物联网分布式监控管理。因此， “新基建”背景下的物联网将成为经济发展、社会进步和科技创新最重要的基础设施。 “新基建”包含7部分内容 与其他国家及地区相比，我国的物联网具有同发优势和行业重大影响力，技术研发水平处于世界前列。早在 1999 年，中国科学院就启动了传感网（也就是后来的物联网）的研究和开
24、发。2013 年 9 月，在国家标准化管理委员会、工业和信息化部等相关部门的指导下，中国电子标准化研究院和无锡物联网产业研究院联合提出了 物联网： 参考体系结构 标准提案。 2018 年8 月30 日， 基于该提案的ISO/IEC 30141：IoT Reference Architecture 获得通过，成为全球首个物联网顶层架构国际标准。作为制造业大国，我国的物联网市场规模也处于全球前列。截至 2019 年底，我国已成为全球最大的物联网市场全球15 亿台蜂窝网络连接设备中有9.6 亿台来自我国，占比高达64%6。可想而知，随着“新基建”的逐步落地，医疗健康物联网将会获得“政策+科技”的双重
25、提升。 其中，5G、大数据中心、工业互联网、人工智能都与物联网有很强的相关性；同时，能源基础设施和交通基础设施也需要物联网技术赋能。 截至2020 年4 月中旬， 我国已有13 个省区市发布了2020 年新基建相关重点项目投资计划；其中，8 个省份公布了计划总投资额，共计 33.83 万亿元7。因此， “新 6 张汉青， 经济参考报 ： “新基建”重塑物联网产业 7 瞭望东方周刊 ：新基建，是什么 11 基建”对于物联网有着极大的推动作用。 1.3 推动医疗健康物联网的“五驾马车” ：技术、标准、政策、市场和资本 任何一个行业的发展，都无法离开多重因素的影响。根据经验，行业的快速发展需要标准、
26、技术、政策、市场和资本“五驾马车”的拉动，缺一不可。医疗健康物联网行业同样不能免俗。 在推动医疗健康物联网发展的“五驾马车”中，政策的作用尤为重要，相当于行业发展的风向标。尤其在我国仍然处于“大政府”的背景下，政府政策往往能够引导社会资源向目标行业集中从而促进其发展。在 2009 年我国以政策形式将物联网正式列入国家五大新兴战略性产业后，包括医疗健康物联网在内的物联网全行业进入了高速发展态势。通过政策的引导，我国目前已经为医疗健康物联网初步营造出了良好发展环境，实现了对相关行业人才培养及企业发展的支持。 在通过政策引导后，行业获得了所需的资源。但其是否能够高速发展仍然取决于核心技术的突破。因此
27、，核心技术相当于行业发展的发动机，直接决定行业是否能够发展，以及发展速度。以医疗健康物联网为例，物联网连接及传感器技术无疑是决定行业能否发展的决定性技术。事实上，医疗健康物联网的概念早已诞生，但当时的网络连接及传感器技术仅能满足一部分行业需求。4G、ZigBee 等技术的成熟为医疗健康物联网带来了希望，5G（其中包括 NB-IoT、LET-Cat.1）网络技术的出现则将彻底引爆医疗健康物联网，使其实现爆发式增长。 随着技术的逐渐完善，行业发展需要通过标准化助力。标准是指在经济、技术、科学和管理等社会实践中，对重复性的事物和概念按照统一、简化、协调和最优化的方式制订、发布和实施的统一规范，以获得
28、最佳秩序和社会效益。标准制定需要行业各方参与，协调妥协后统一执行。因此，标准可以被认为是行业发展的催化剂。通过制定标准，往往可以消除行业壁垒，使各方技术彼此兼容对接，企业不用再针对不同标准进行多次开发，也不用担心产品服务无法在其他区域使用，从而迅速扩大市场规模。总的来说，目前我国在医疗健康物联网领域已经发布数项行业标准和团体标准，整体的医疗健康物联网信息标准框架正在研发当中；同时，还有多个课题正在研究之中，展现出极好的发展态势。 市场空间将决定行业发展的上限，缺乏足够市场规模的行业可能会导致企业前期研发的高投入难以获得足够的回报，从而迫使企业减少甚至放弃投入。依靠庞大市场规模对相关技术的促进，
29、我国在很多行业逐渐实现了对先进国家的超越。 高铁和5G 是其中较为典型的案例。 与之相对， 曾经引发广泛关注的圆珠笔芯钢珠则是一个反面例子该行业被少数几家国外企业把持并非因为技术门槛，恰恰是因为全行业市场规模过小，单价仅0.002 元，全年市场仅有1 亿元，去掉几千万元的研发费用后量产也难以获得价格优势，得不偿失8。我国人口众多，老龄化现象逐年加剧，医疗费用快速上升，种种情况对于医疗健康物联网有着迫切的市场需求。这都将刺激医疗健康物联网的发展。 事实上，资本投入是当代行业能否加速发展的重要助推力。尤其在行业发展早期，来自资本的融资能够帮助初创企业解决急缺的资金问题，从而完成产品研发，进而完善自
30、身的造血功能。同时，资本的逐利又指引企业不断通过优化管理或是技术研发在市场竞争中占据优势。近年来，医疗健康物联网的融 8 郭琤琤，松禾资本： 国产替代：沸腾的十年大潮 12 资和并购频繁。这也进一步说明了医疗健康物联网的市场活力和发展前景。 2 医疗健康物联网基础架构及技术 2.1 医疗健康物联网的四层基础架构概述 医疗健康物联网作为物联网的一个分支，其网络基础架构仍然遵循物联网的基本架构。作为专门负责电信、信息和通信技术（ICT）领域工作的联合国机构，国际电信联盟（ITU）下属的常设机构国际电信联盟电信标准化部门（ITU-T）负责研究技术、操作和资费问题，并且为在世界范围内实现电信标准化发表
31、建议书。在ITU-T Y.4000Y.2060 物联网概述中，将物联网分为四层结构：装置层（感知层） 、网络层、业务支持和应用支持层（平台层）和应用层（见后页图） 。 2.2 医疗健康物联网感知层 感知层（又称为传感层）是医疗健康物联网的基本特征，可以显著提高医疗健康物联网感知和识别物体及环境的能力。它由包括RFID 以及各种智能传感器在内的传感器硬件，以及相应的数据感知、采集协议构成；用于实现远程通信与控制，并利用多种生理信号采集方式如RFID、一维码、二维码、传感器和GPS 等协同完成对医疗信息的采集。比如，电阻式传感器可以将位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换成电阻值等从而
32、完成信息收集的过程。 2.2.1 感知层技术 物联网的一大特点便是“感知” ，而这正是基于各种传感器实现。因此，传感器技术是感知层的核心支撑。与此同时，感知层也少不了芯片技术和操作系统技术的支撑。 传感器 传感器是用于采集各类信息并将其转换为特定信号的器件，用于采集身份标识、运动状态、地理位置、姿态、压力、温度、湿度、光线、声音、气味等信息。它是医疗健康物联网的重要环节，借助传感器技术可实现对患者生命体征数据和治疗检查过程数据的采集， 实现对医疗过程的监控， 提高治疗效果；同时，实现对药品从采购到最终患者者手中的全程管理。按类型不同，传感器可分为物理类传感器、化学类传感器和生物类传感器三大类。
33、医疗健康物联网传感器包括 RFID、敏感元器件、条形码、二维码、摄像头、读卡器及红外感应元器件等。针对不同的应用，这些传感器可以组成相应的传感器网络，如心电监测传感器、呼吸传感器、血压传感器、血糖传感器、GNSS 和摄像头等设备。 13 医疗健康物联网的基础架构 14 传感器及其对应的医疗健康场景 这其中，RFID 是我国医疗健康物联网应用得最多的传感器。它可以快速读写、长期跟踪管理，通过在物料、 药品中植入传感器， 并将传感器信号与物料产品信息相连接， 医院通过计算机、 自动识别系统，实现对物料、 药品的全程监管。 除此以外， 其他类型的传感器也被广泛应用于医疗健康物联网各种应用。 微机电系
34、统（MEMS，Micro Electro Mechanical Systems）代表了传感器技术的最新进展，将微电子技术与精密机械技术结合发展出来的工程技术，尺寸在1-100 微米量级，涵盖机械（移动、旋转） 、光学、电子（开关、计算） 、热学、生物等功能结构。微机电系统是涉及机械、半导体、电子、物理、生物、材料等学科的交叉领域，主要通过半导体制造工艺实现。相比传统的机械传感器与致动器，它具有微型化、重量低、功耗低、成本低和多功能等竞争优势。 传感器的集成趋势 伴随着医疗健康物联网终端设备的发展，可穿戴设备对于元器件尺寸的大小提出了进一步的要求。因此，传感器技术的小型化趋势愈发明显，逐渐从微机
35、电系统走向纳机电系统（NEMS，Nano Electro Mechanical Systems） 。纳机电系统与微机电系统原理相同，只是在制造工艺上进化到纳米尺度，尺寸更小。随着制造工艺的不断进步，传感器正迅速向传感与数据处理一体化集成的智能传感器发展，通过将MCU 或板上系统与MEMS/NEMS 传感器一体化集成，形成智能传感器节点。 随着应用的复杂程度不断提升，多种传感器的融合趋势非常明显。以可穿戴设备为例，一般需要感 15 知四个自由度的线性加速度、旋转、重力、电子罗盘、计步器、活动监测与终端、运动探测等信息，涉及MEMS 加速度计、MEMS 陀螺仪、MEMS 地磁计以及微控制器和软件。
36、此外，可穿戴设备还需要包含实现医疗健康应用所需的生命体征传感器等。因此，将多种MEMS 传感器进行功能集成是满足用户需求的重要发展方向。 随着柔性技术的不断进步，柔性传感器越来越受到医疗健康物联网的重视，尤其是可穿戴医疗健康设备。 柔性电子器件是一种把电子器件安装在柔性、 可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子技术的统称，在一定范围内进行弯曲、折叠、拉伸、压缩等形变后，仍能保持工作能力的电子器件。可穿戴产品无法与皮肤共形贴合， 监测能力遭遇了天花板， 精准度和灵敏度都受到了考验。 把传统的刚性器件变得柔软，使之更加贴合于皮肤、更适合佩戴后，监测或诊断结果会更加精确。因此，近年来，柔性传感器在人体体
37、征监测方面应用广泛，不仅可以监测如血压、脉搏、体温等与人类健康有关的基本生理参数，而且能够对心电、脑电、神经等各类电信号进行监测。 生物传感器也是未来医疗健康物联网传感技术的一大趋势。可穿戴设备以其对人体生理信息动态、连续及实时的监控对我们的日常生活产生了广泛影响。不过，目前已经商业化的可穿戴设备主要实现心电图（ECG）和光电容积图（PPG）测量心率，分别属于电化学和光学生物传感器类型。生物传感器则通过无创测量体液中的生化标志物来反映生理状态。 这些生物标志物主要包括汗液、 泪液、 唾液和间质液，以及体液中的代谢物、细菌及激素等。无创的方式意味着取样过程可以随时方便地进行，且不用担心有创取样可
38、能导致的伤害或感染。以糖尿病患者为例，无创方式取样可以使得每日例行的血糖采集不再需要有创采血过程，体验提升巨大。 生物传感器依赖于高度特异的生物受体。这些生物受体能够在生理条件下识别复杂样品中的目标生物标记物及相关浓度。这一技术的推广也要求对体液的生化组成有深入的了解，如汗液或眼泪的生化组成及其与血液化学的关系。另外，为了实现不造成佩戴者不适前提下的无创采样，生物传感器还需要使用先进的材料和设计，从而提供必要的灵活性和延展性。目前，可穿戴生物传感器主要分为三类，分别是表皮可穿戴生物传感器、眼部可穿戴生物传感器和口腔可穿戴生物传感器。 生物传感器目前正处于研发验证中，其成功转化以及概念验证在商业
39、市场上面临着与其基本操作功能相关的几个障碍。首先，可穿戴设备必须克服在不受控制的条件下长时间工作造成的稳定性问题、采样生物体液成分造成的生物污染以及生物识别组分本身固有的不稳定性。第二，设备必须能够在无需经常重新校准的前提下可靠地运行。因此，传感器的制备必须保证高的生物受体稳定性，以保持响应的准确性和可靠性。第三，还需要适当的流体取样系统，如微流控，以实现在传感器上提供生物体液的有效传输，确保可再现的、准确的信号，以及可忽略的样本污染。这种先进的流体系统还可以促进多步骤生物亲和测定，特别是对免疫测定而言。如果要用于长时间使用的可穿戴设备，免疫传感器的再生是另一个需要克服的主要挑战。最后，完全集
40、成化的可穿戴生物传感平台需要结合具有供电的无线电子设备，以便数据处理和信号的安全传输。 芯片 医疗健康物联网领域极为庞杂，因此，不可能用一款芯片覆盖不断扩大的应用和市场。依据芯片功能的不同，医疗健康物联网感知层所需芯片可以分为集成在传感器及传感器模组中的特定功能芯片，用于通信、 视频及图像处理、 定位和安全等用途； 以及嵌入在医疗健康物联网终端中的嵌入式微处理器 （MCU 16 或 SoC） 。医疗健康物联网设备所采用的嵌入式微处理器基本应用嵌入式 ARM 架构，其技术架构紧跟ARM 架构的发展。这类处理器又可以分为两种类型，其一为大多数医疗设备上采用的传统嵌入式微处理器，需要配合单独的通信芯
41、片接入物联网。另一种则是将通信部分集成至芯片内部的新型物联网专用处理器，相比传统嵌入式处理器，专用物联网处理器的集成度和成本都更具优势。 特定功能芯片中最知名之一莫过于定位芯片。利用医疗健康物联网对设备及人员进行定位，进而实施管理是医疗健康物联网一个重要的功能，包括人员、物流及设备的定位管理都广泛应用到定位芯片。利用近地同步卫星进行室外定位及导航目前已经较为成熟， 并为大众所熟悉。 北斗卫星导航系统 （BDS，BeiDou Navigation Satellite System） 是我国自主发展独立运行的全球卫星导航系统。 它与美国GPS、俄罗斯GLONASS 和欧盟Galileo 构成全球四
42、大卫星导航系统。 2020 年6 月， 我国成功发射了最后一颗北斗三号卫星，完成了北斗三号导航系统的组网。性能指标上，北斗三号全球范围定位精度优于 10 米、测速精度优于0.2 米/秒、授时精度优于20 纳秒、服务可用性优于99，亚太地区性能更优。根据全球连续监测评估系统最近一周的测算结果， 北斗系统的全球实测定位精度均值为2.34 米， 而结合地基增强、精密单点定位，还能提供最高厘米级定位服务。这为医疗健康物联网在室外的应用带来了极大的增益。 除此以外，通信基带芯片也是物联网的主要应用。5G 基带是目前性能最好的基带芯片，高通和海思则是5G 基带芯片当之无愧的霸主。其中，骁龙X60 是高通第
43、三代5G 基带芯片，也是目前最先进的5G基带芯片，采用了 5nm 制造工艺。海思巴龙 5000 则是海思第二代 5G 基带芯片，由于发布时间较早，采用7nm 制造工艺，各项指标上要稍逊一筹。按照往年惯例，巴龙系列本应在2020 年下半年更新。不过，由于受到各种原因的干扰，巴龙5000 的后续产品未必能如期发布。除了这两大巨头，联发科、三星和紫光展锐也有5G 基带芯片产品。 5G 基带在医疗健康物联网中的潜在应用主要在于需要高速传输的远程场景，如远程手术、远程视频诊断或远程 AR 教学等等。但大多数的医疗健康物联网应用并不需要如此之高的传输性能，加上由于采用了目前最先进的5nm 及7nm 制造工
44、艺，价格较为昂贵。因此，基于中速LTE-Cat1 和窄带NB-IoT 两种专用物联网芯片应用空间会更加广泛。 LTE-Cat.1 方面， 翱捷 （ASR） 于2019 年9 月推出的LTE-Cat.1 单模/多模系列芯片ASR1601/3601是业界首款面向移动物联网的LTE-Cat.1/GMS 双模芯片。ASR1601 采用ARM Cortex R5 处理器，专为物联网专用实时操作系统（RTOS）打造。其624MHz 的主频更是同类产品中全球最高。发布于2019 年底的紫光展锐春藤8910DM 则是全球首颗针对LTE-Cat.1bis（Cat.1 的单天线版本，具体细节参见2.3.1 LTE
45、-Cat.1 章节）芯片，采用 28nm 成熟工艺，同时集成了蓝牙和 WiFi 室内定位。通过系统优化设计，春藤8910DM 具有显著的低功耗优势，是兼顾制式、性能、功耗、成本的优选物联网解决方案。 目前，海思在 NB-IoT 芯片领域占据了超过 70%的份额（2019 年） ，代表了目前 NB-IoT 芯片技术水平。 其主力产品海思Boudica 150 只支持3GPP R14 版本，也就是说还没有支持5G。 不过，Boudica 150 发布于2018 年，距今已有一段时间。2020 年，海思将发布的全新NB-IoT 芯片Boudica 200 将全面支持3GPP R15 和R16 的演进
46、，支持10 亿级NB-IoT 连接，并集成了GNSS、低功耗蓝牙、安全子系统、eSIM 和预集成物联网云平台等功能。同时，它进一步优化了NB-IoT 低功耗的价值，休眠、接收状态下的功耗，典型场景功耗降低 40%，位居业界领先水平，非常适合对功耗极度敏感的可穿戴类设备。此外，包括紫光展锐春藤8908A、芯翼信息XY1100、高通212、移芯通信EC616 也是目前各家芯片厂商最新的NB-IoT 芯片产品。 17 操作系统 物联网操作系统用于管理和控制物联网硬件和软件资源。它将传感器与已有的网络、数据库和中间件技术结合，构筑起了一个由无数联网的阅读器和移动标签组成的，比互联网更为庞大的物联网。医
47、疗健康物联网设备对实时性要求较高，同时也要求较低的成本和功耗。RTOS（实时操作系统，Real-Time Operating System）除了具有实时性，还普遍具有极小的体积、极低的功耗和极高的启动速度，从而满足医疗健康物联网设备的轻量化需求，成为了医疗健康物联网在内的物联网设备的不二之选。 2.3 医疗健康物联网网络层 网络层的作用是实现所有物体的连接，并允许设备与网络内其它设备传输共享信息。医疗健康物联网的网络层实际上是一个异构网络，包含接入网和传输网，分别实现物联网设备的接入和设备之间信息的传输。因此，物联网网络层基本上综合了已有的全部网络形式，通过不同网络的互相组合，来实现更加广泛的
48、 “万物互联” 。 网络层需要从多个物理网络中获取并聚合信息， 实现信息精准及时的传递； 同时，它还要求医疗设备可以自动发现并连接处于动态变化的网络，并自动完成部署、管理和调度；此外，由于医疗健康行业的特点，网络层还必须同时满足安全性、长期连接的可靠性、实时响应所需的低延时和低功耗等要求。 不过，与互联网相比，物联网也有自己的特点，即单一数据量小但设备数庞大。包含医疗健康物联网在内，绝大多数物联网设备的单一数据量非常之小，在整个寿命周期中传输的数据量可能都无法与我们平时传递的一张图片或者一段视频相当。物联网的设备数量远比互联网设备数量更多，2018 年，物联网接入设备数已经达到 103 亿，估
49、算 2025 年将有 246 亿设备接入物联网9。如此巨大的设备数量使得承担主干传输作用的传输网对带宽的要求丝毫不亚于互联网，同时对网络协议也有相应的要求。因此，可以容纳近乎无限设备的IPv6 协议也可以算得上是为物联网定制。 医疗健康物联网还尤其需要关注网络安全， 否则将导致严重的后果， 甚至危及使用者生命安全。 2016年，美国圣裘德医疗设备公司生产的可植入心脏装置被发现存在罕见的网络安全漏洞。黑客可利用这一漏洞远程控制患者的除颤器或起搏器，操纵它迅速耗尽可植入心脏装置的电池电量，从而改变患者的心跳速度并对患者心脏进行不当的危险电击10。圣裘德医疗设备公司迅速修复了这一漏洞，并没有使其造成
50、严重后果。不过，这也说明了医疗健康物联网网络层需要考虑的因素远比互联网更多。 9 GSMA Intelligence: IoT The Rise of enterprise (2020) 10 FDA: Cybersecurity Vulnerabilities Identified in St. Jude Medicals Implantable Cardiac Devices and Merlinhome Transmitter: FDA Safety Communication 18 2.3.1 医疗健康物联网主流网络技术 主流医疗健康物联网接入网络技术特性对比 医疗健康物联网网络层的接