智慧健康与云计算

0 引言 据中国互联网络信息中心（CNNIC）发布第37次《中国互联网络发展状况统计报告》，截至2015年12月底:我国的网民规模达到6.88亿，互联网的普及率达50.3%［1］。互联网的快速发展直接推动了“互联网+”这一研究热点的出现，特别是医疗健康领域。目前，在全球范围内许多用户都会通过因特网来搜索有关的健康信息，互联网为用户获得所需的健康信息提供了极大的便利［2-3］。随着物质生活水平的提高，人们对自身的健康水平有了更高的要求，再加之智能技术、健康技术以及网络技术的逐步成熟，使得智慧健康逐渐成为国内外医疗健康领域的研究热点。21世纪是一个“大数据时代”，智慧健康的研究和发展过程中必然伴随着庞大的健康数据，大数据为云计算技术与健康产业的融合很好地实现了这些健康大数据的存储和传输过程，除此之外，云计算平台提供的数据分析功能也充分地挖掘了这些健康数据的潜在价值。云计算已经成为智慧健康系统中不可或缺的一部分，如何利用云计算平台更高效地、安全地保证健康数据的接收、存储与传输将会成为智慧健康研究中的重点。 1 智慧健康的概念与云计算技术 1.1 智慧健康的概念 世界卫生组织（WHO）对健康（wellness）的定义是：健康不仅是躯体没有疾病，还包括心理健康、社会适应良好和有道德，而早在世界卫生组织1948年成立之时宪章中对健康的定义中还没有强调道德健康。随着科学技术的进步和人们健康观念的转变，健康的内涵处于动态变化之中，同时医学模式和服务方式也在发生着巨大的变化，因此也就出现了第一代、第二代、第三代健康的演变。近几年来，智能传感技术、云计算技术、网络通讯技术、健康技术的突飞猛进以及人们对以自我为主导的健康模式的追求，促进了新一代健康的出现，也就是我们今天的智慧健康。对于智慧健康概念，目前尚未有相对权威或被广泛认可的说法。有的学者提出智慧健康是应用现代化的大数据、网络信息技术以及智能技术来改进传统的医疗模式，提倡和促进自我健康管理的一种健康模式［4］；也有学者提出智慧健康是以智能技术、健康技术和网络技术为支撑，为人类健康提供服务功能的复杂动态系统［5］。结合其他学者对智慧健康的相关研究以及前文的论述，本文从医学模式、健康内涵、服务方式和健康技术四个维度对智慧健康进行定义：智慧健康是以生物-心理-社会-道德的医学模式为指导，通过利用现代化的智能传感技术、网络通讯技术、云计算技术以及医疗健康技术为支撑来实现对健康的自我管理的新一代健康。 1.2 云计算技术 云计算技术作为一个新兴的技术，是继1980年代大型计算机到C/S模式大转变之后的又一次影像深远的巨大技术进步，在许多领域特别是医疗卫生领域得到了广泛应用，目前对云计算比较权威的定义就是美国国家标准与技术研究院（NIST）给出的定义：云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算机资源共享池（资源包括网络、服务器、应用软件、服务），这些资源能够被快速提供，同时投入很少的管理工作，或与服务器供应商进行很少的交互。因此，从本质上来看，云计算是一种分布式的系统，它将一定规模的计算资源与存储资源利用互联网进行整合，然后以不同的形式提供给需求用户［6］。相比于传统的计算机运算方式，云计算的独有的特点主要体现在：（1）规模大。提供云服务的多家企业都拥有几十万计的服务器，具有强大的计算能力；（2）虚拟处理与实时共享。云计算借助于互联网可以向任何位置的用户提供来自“云”的资源，并不要求用户访问位于某一具体实体机上的资源，而且可以实现不同设备之间的资源传输与实时共享；（3）高性价比。承载资源的“云”由较为廉价的节点所构成，但却提供可以存储大量数据的云存储平台，以及可完成类似于超级计算这样强大的云计算任务［7-8］。综合分析上述云计算的主要特点我们可以知道，云计算技术的主要功能就是对来自于云平台数据接口的各种大数据进行存储和共享，再根据需求计算与分析这些数据来解决相关的问题。智慧健康的发展，伴随着海量的健康数据，如何有效利用这些数据对云计算技术提出了新的要求，健康大数据对存储和计算的高要求间接推动了云计算技术的发展及其与云计算的结合，而人们利用云计算技术对健康大数据进行充分计算和分析又可以很好地帮助发现和解决相关的健康问题，云计算技术已经成为智慧健康发展过程中不可或缺的一部分。 2 智慧健康系统中的云计算平台 智慧健康旨在帮助用户自主管理健康，而实现这一功能则需要一套由多个功能模块或功能层组成的智慧健康体系来共同完成。目前，国内外对智慧健康系统都有较多的研究，借助于相关学者对智慧健康系统架构以及物联网、云计算体系架构的研究成果，本文将智慧健康体系架构主要划分为五层［9］：（1）对象层。这一层主要是健康数据的来源层，可以分为人和健康设备两个部分，人主要包括用户自身以及相关医务人员，而健康设备主要是用于记录各项生命体征和健康指标的电子设备；（2）数据感知层。主要是通过移动可穿戴式设备以及二维码标签和标识器、RFID标签和读写器感知和记录健康数据；（3）数据处理层。主要包括健康大数据和云计算平台，接受数据感知层的健康数据，完成对这些数据的存储和分析计算；（4）网络层。利用无线（比如WiFi技术）和有线（如3G、4G技术等）等网络通讯技术对处理层的数据进行传输和共享，主要确保数据传输的安全保密性和实时性；（5）应用服务层。主要是利用处理后的健康大数据为用户提供相关的健康服务，包括生命体征检测、个人健康管理以及视频会诊等。在整个体系架构中，云计算平台主要发挥着“承上启下”的作用，下文将主要介绍云计算平台所处的数据处理层与感知层和网络层之间的关系及其功能的实现。见下图1。 图1 云计算技术在智慧健康系统中的功能图 2.1 接收感知层健康数据 感知层通过一系列的智能传感器（比如智能手环、血压测量仪、心电测量仪等）感知并记录相关的生命体征和健康指标数据，不同类型的传感器收集不同的健康数据，并沿着传感器节点汇聚到用户可管理的管理节点，这在一定程度上也保证了健康数据的可区分度和准确度；除此之外，数据感知层还可以利用物联网技术（比如二维码和条形码识别器、RFID标签和读写器）自动识别并记录这一类数据。借助于数据端口可以将由智能传感器和物联网技术得到的健康数据传送至云计算平台，云平台再对这些数据进行存储并根据用户的健康需求分析数据，再进行健康数据的传输与共享。 2.2 借助网络层传输健康数据 云计算这一分布式系统可以通过互联网为任何位置的用户提供实时的、高效的计算与存储资源，在智慧健康体系结构中，位于数据处理层的云计算技术借助于上层的网络通讯技术（包括有线和无线）传输健康数据为需求用户提供健康服务。通讯技术的快速发展引领我们迈入4G时代，满足了健康数据的庞大性、复杂性和多样性对数据传输高效率与高质量的要求，网络的可及性和客户端的低门槛操作性使得用户能够随时随地获得相关的健康信息以及享受健康服务。网络通讯技术的成熟既促进了“健康云资源”的发展，又为用户获取健康服务提供了多元化的途径。 3 讨论 3.1 加强对健康数据安全与隐私的保护 智慧健康体系中的云计算平台中必然会存储和传输庞大的健康数据，对于用户而言，其首要的安全目标就是保证健康数据在存储和传输过程中的安全以及对于敏感类健康数据的隐私保护。提供云服务的大多都是带有商业性质的企业，这就很难保证云服务商不会恶意泄露用户的健康数据来为自己谋利或者是直接利用平台本身存储的用户的健康数据，通过分析用户行为间接地掌握用户的习惯来针对性地提供健康服务［10］。随着网络信息技术的进步，存储在“云”中的健康数据可能遭遇网络入侵而被泄露，也有可能在传输的过程中被第三方非法截取［11］。因此，我们可以从安全技术和政策制定两个方面来加强对健康数据安全和隐私的保护。首先是在完善安全技术方面，安全技术可以从存储安全和传输安全两个角度考虑，存储安全是指数据需要在安全的地方进行存储，这就包括利用相关的物理隔离或逻辑隔离技术对健康数据进行隔离以及入侵检测和防火墙的设置，为了防止自然因素带来的不可抗力的影响以及病毒、黑客的入侵造成的数据丢失，还可以对存储的健康数据进行备份设置；传输安全就是指健康数据在传输的过程中的安全性，在多数情况下都会采取加密传输的方法，包括对称和非对称密钥技术、数字签名和第三方认证技术等［10，12］。其次就是加速相关的政策制定，目前对云计算中隐私数据的保护政策并不成熟，云计算技术作为一个具有极大网络经济效益的新兴领域，法律所具有的滞后性这一特点也必然会影响云计算本领域以及与其相关联的领域的发展，从长远来看，这在将来也会给社会带来巨大的矫正成本［13］。因此，在云计算与其他产业进行融合发展的初期，就应当加速制定相关的监管政策以及法律，加强对云服务商的监督和管制。 3.2 提高健康数据的可靠程度 从智慧健康体系架构可看出，我们在收集、处理、传输这些健康数据之后，最终还是要回归到信息服务这一层面，即提供相关的医疗健康服务。因此，为了提供有效、准确且高质量的健康服务，我们需要通过完善每个环节来提高健康数据的可靠性。首先要提高智能传感器感知健康数据的精确性，为后续的健康数据分析打下基础。我们可以通过在物联网技术的基础上构建一个包括有不同类别传感器的感知体系，每种传感器能感知并收集其对应的生命体征和相关健康指标的数据，再通过网络通讯技术将这些健康数据发送至云平台为用户提供健康服务［14］；当然，在对数据进行计算之前我们还可以利用Benford法则等评估算法对这些健康数据进行质量检测［15］。其次就是完善云计算平台的数据分析技术。面对如此庞大且关系复杂的健康数据，云计算平台需要具备海量数据分析、存储和访问、管理以及并行处理的能力，最具有代表性的就是Google公司研发的三大云计算技术GFS、MapReduce和Bigtable就可以很好的实现数据的实时传输、海量分析和协同处理功能［16］。在利用云计算技术进行数据分析之前，我们首先要对数据进行预处理，然后再采用聚类、分类等方法对数据归类和关联，最后再借助云计算技术来实现对健康大数据的超级计算。最后就是确保健康数据在传输过程中的保真度。网络通讯技术的进步在很大程度上提高了数据传输的速度，但是确保数据传输的质量也同等重要。为尽可能地降低健康数据在传输过程中的误码率，一方面我们可以使用高质量的硬件设备保证信号的传输，另一方面还可以通过采用面向信道编码的纠错技术、结合编解码器与信道编码的纠错技术以及相关的控制拥塞技术来实现［17］。 4 结语 近几年来在“互联网+”热潮的推动之下，作为新一代健康的智慧健康成为了新的研究热点并得到了迅速的发展，伴随着这一新的健康模式的是极具研究和开发潜力的健康大数据。云计算技术满足了对这些健康数据的存储、计算分析和共享的要求，因此云计算这一领域也与智慧健康联系的更为紧密。云计算在智慧健康系统中通过数据接口接收数据感知层的数据，对健康数据进行处理之后又借助于网络层传输到应用层服务于需求方，但其在智慧健康系统中的应用还不是很成熟，因此仍需要在技术上和政策上加以规范，这样才能保证两者真正的融合以及健康地发展。

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