摘 要 中国载人航天技术发展迅速，其中宇航员的身心健康状况影响着整个太空任务，发展航天远程医疗必不可少。伴随着物联网，大数据和云计算技术的兴起，本文提出了结合物联网技术的航天远程医疗系统，该系统通过采集宇航员生理信息和航天器内环境信息，并和地面医疗中心进行通信完成医疗诊断和视频通信，有效保障宇航员的身体和心理健康，确保飞行可以正常进行，不至于宇航员因个人问题而提前结束太空任务。
【关键词】远程医疗 载人航天 物联网 航天远程医疗系统
航天远程医疗技术的发展势在必行。宇航员在太空中极端环境中执行任务时需要进行实时的身体状况监测，载人航天器和太空舱也要进行封闭环境的检测以确保宇航员在一个安全环境中工作并且长期的在轨飞行，宇航员的心理状况容易受到影响，心理辅助治疗也必不可少。
和传统远程医疗系统相比，由于所处环境的特殊性，航天远程医疗系统在系统设计上需要考虑的方面更全面。除了对宇航员定期进行基本的身体健康的监测外，还要注重加强舱内的微生物控制，配置治疗药物和医疗器械，支持“天地协同”的远程会诊和治疗；配备太空锻炼设备和防护装备，以降低太空失重环境给宇航员带来的影响；根据宇航员身体状况，提供每日航天饮食，补充所需营养；加大飞行期间对宇航员的心理支持力度等。
因此，本文基于航天物联网技术构建具有远程数据采集、远程医疗监护和远程协同作业等特征的航天远程医疗系统，从而保障宇航员的身体和心理健康。
1 远程医疗的发展
远程医疗利用通信和信息技术实现异地疾病诊断、治疗和健康护理等，为医疗条件差或特殊环境的地方提供基于专家的健康护理或紧急情况下的危重病人救护。此概念由美国最早提出并实践。
20世纪60年代初，美国国家航空航天局（NASA）为探究太空失重环境下对宇航员身体健康状态的影响，为宇航员提供了远程医疗服务，将宇航员的身体特征数据和地面医学专家通过遥测连接。这一实践活动大大推动了远程医疗技术和设备的发展。
20世纪90年代初，美国乔治亚州教育医学系统（CSAMS），是世界上规模最大、覆盖面最广的远程医学教育和医疗网络。俄克拉荷马医疗网（OTN）当时美国国内最大的医疗网，有效降低了治疗费用，缩短诊断和治疗时间，同时增加了农村医务人员接受培训和教育的机会。
除美国外，世界上其他发达国家的远程医疗技术也发展迅速。以瑞典为例，全国几十家大医院建成医疗数据传输系统。法国也有五分之一的城市社区及农村诊所医生可以进入到“电子医生”体系中。
我国远程医疗建设已完成试验阶段，逐步向区域集团化和协同应用方向发展，逐步走进社区和家庭。例如，北京大学医学部远程医疗中心通过与合作医院共建“北京大学医学部远程医疗中心合作医院”等多种形式开展合作。
2 航天远程医疗的发展
美国和俄罗斯，在开展载人航天计划初期就开始利用遥测技术监测航天飞行任务对宇航员生理健康的影响。
1959-1963年的“水星计划”标志美国载人航天计划的开始，也是载人航天远程医学实践的开端。通过可穿戴设备采集各项生命体征数据并将其直接传输到地面，完成数据的分析与医疗诊断。
20世纪70年代，随着美国个人空间站的建立，航天远程医疗的发展愈发重要。除了将宇航员的身体健康特征数据传输到地面，还增强了宇航员和航天中心医生的音频交流。
1981年的美国航天飞机项目，将远程医疗系统分为身体健康特征数据采集模块和飞行器舱内数据采集模块。宇航员与飞行控制中心的医生进行私人音频会议成为了例行项目。
1998年1月，俄罗斯的STS-89任务中宇航员利用远程医疗仪设备完成宇航员身体健康特征数据的采集、转存与传输，同时将数据传输到地面医疗控制中心被医疗专家利用，提供实时的诊断建议。
中国航天远程医学也取得了丰硕成果。2016年，中国神州十一通过天地远程医疗会诊系统，成功实现了航天员和航天员支持室、远程医疗会诊中心、地面支持医院四方联动，打通了天地协同远程医疗会诊所需的数据传输链路，验证了我国首个天地远程医疗会诊系统，也预示着我国航天员中长期在轨飞行医学保障能力得到显著提高。
3 航天远程医疗系统
3.1 物联网技术在远程医疗上的应用
物联网就是基于实物的互联网，其真正奥义是高效化的大数据。物联网的发展离不开无线通信、智能移动设备、大数据、处理器、传感器等各领域过去十年间的快速发展。基于物联网技术的远程医疗可以视为是物联网的子集。
3.1.1 远程数据采集
通过智能化可穿戴设备和舱内各类传感器将宇航员的生理信息和航天器内的环境信息进行远程数据采集，同时将完成数据存储备份和加密工作，并通過遥测通信技术将采集到的数据传输到地面医疗监测中心。
地面医疗监测中心接受到太空中传来的数据，进行数据解码和分析，将其与医疗中心接入的数据库数据进行对比，了解宇航员的生理变化情况和太空环境的变化，并由专业医务人员完成诊断将诊断结果保存反馈给宇航员。
3.1.2 远程医疗监护
远程医疗监控，实现对宇航员全方位、全天候的智能监护。宇航员身上佩戴传感器（如宇航员医疗手环），对宇航员的生理信息进行收集，使地面医护人员及时了解宇航员情况，一旦有异常现象将立即发出警报。太空舱内传感器，对宇航员活动范围进行监测，并把收集到的环境信息传送到地面监控中心，一旦发现异常情况，立即报警提醒，采取应急措施。
3.1.3 远程医疗协同
物联网技术的应用将提高远程在信息化建设过程中的自动化和智能化水平，实现医院与医院之间的智能协同和部门间的各科室专家的协同作业能力，改善医院的响应速度和效率，降低医疗咨询的错误率。航天远程医疗上，主要体现在“天地协同”的效率和安全性上，保障了信息的隐私、传输速率和及时反馈，是宇航员的生命安全的重要保障。
3.1.4 远程预防和保健服务
基于物联网技术的远程医疗系统可将远程采集的数据在系统医疗监测中心的数据库中进行智能匹配，若存在异常情况（系统怀疑被监测者存在患病风险），将数据分析结果提供给医学专家作为参考，并由医务专家做出医疗诊断，提出相应的医疗解决方法。系统将解决方案、相关注意事项和应急措施反馈给被监测者。
宇航员在空间站执行任务期间，提供在线指导，健康服务。从心理、营养、运动、饮食等方面提供咨询保障。
3.1.5 宇航员医疗手环
通过佩戴医疗手环，将宇航员的心率、体温、呼吸、运动和睡眠情况下传到地面控制中心。同时，手环可对周围环境进行监测，如有异常情况，手环有警报功能。手环录入了航天医药箱中的各药品信息，可通过其上的射频发射器对药物进行验证，配合地面医学专家的诊断指导获取响应药物。
3.1.6 航天医疗物资管理
航天医药箱、医疗器械设备等实现信息的及时采集与汇聚，实时了解医疗设备与用品的使用情况和正常与否，实现对不可见问题的预警。利用射频识别（RFID）技术对药物进行管理，通过航天员佩戴的医疗手环上的射频发射器接收药物上的射频发射器发出的信号，自动核对药物信息，防止航天员错误服用。
3.2 航天远程医疗系统的架构
航天远程医疗系统的架构设计以SOA架构为基础，结合物联网架构的技术特点进行设计，主要包括六个层次，分别是航天医疗资源层、数据采集层、网络传输层、数据存储层、数据分析层和用户层，见图1。
3.2.1 航天医疗资源层
航天医疗资源层包括航天医药箱、医疗器械、监护仪器、医疗手环、检测仪器等各种设备和设施，并进行智能化统一管理。作为整个航天远程医疗系统的底层基础，提供了所有的医疗资源对象。 同时各类医疗设备信息都会实时进行反馈记录，以确保设施的安全性。
3.2.2 数据采集层
利用传感器、RFID技术以及移动摄像头等设备完成对宇航员生理信息和宇航器内环境信息进行数据采集，通过航天远程医疗系统的软件接口对采集到的数据进行统一管理，完成数据的暂存和加密工作。
3.2.3 网络传输层
通过现有的卫星通信技术、空间无线通信网络、传感器网络完成实时的数据传输工作。并在此基础上，构建自适应自组织的物联网遥测通信系统。
3.2.4 数据存储层
利用固态存储技术实现包括宇航员个人医学信息、航天器环境数据、地面医疗中心基础数据、地面医疗中心初步诊断信息、医学专家诊断信息、视频信息和语音信息等数据的保存。同时将所有数据进行统一管理，构建标准的航天医疗资源数据库和专用集成数据库，为医疗监测中心提供数据支持。
3.2.5 数据分析层
数据的分析和病情诊断，均以提供宇航员身体和心理健康保障为目的。其中包括，宇航员信息的核对，生理与心理健康情况的监控。地面监控医生对宇航员医学数据的初步分析，通过视频语音对宇航员心理状态的诊断。若存在疑似异常情况，数据同步到专家医生作进一步的分析并提出相应的建议，将向宇航员发出警报并反馈结果传输给宇航员。
3.2.6 用户层
宇航员是核心用户，同时还包括地面医疗中心、医学专家、航天中心、政府等用户。多方用户通过航天远程医疗系统，实时交互以及相关信息的共享与传输。
3.3 相关支撑因素分析
3.3.1 基础设施建设
目前中国在网络架构、传感器、M2M等方面取得了一定的技术突破。物联网关键技术，如传感器技术和射频识别（RFID）技术也已相对成熟，航天远程医疗的发展具备技术基础。但目前航天远程医疗受太空特殊环境影响较大，目前设备和通信在失重状态下的工作情况还需进一步完成地面试验验证及评估。作为载人航天属于一个国家的核心技术，宇航员的个人身体状况信息和航天器信息应得到隐私保护，建立信任的物联网体系架构，规范隐私管控。
3.3.2 国家政策支持
国家大力进行载人航天实验，构建空间站，同时对物联网的重视，为航天远程医疗的发展提供了良好的社会环境。国家政策的支持和相关条例的出台，保证了航天远程医疗的安全性，保障了宇航员的个人隐私和国家机密不被泄露。同时，刺激了医疗资源信息系统的融合，实现信息共享，形成远程医疗物联网的大数据库。
3.3.3 新兴技术的发展
物联网，云计算，大数据等被视为第四次工业革命的到来，它们发展的成熟度对航天远程医疗系统的发展也有影响。随着收集到的数据量越来越大，种类越来越多，远程医疗大数据时代必将来临。面对海量的数据进行分析和数据挖掘，并提供随时随地的决策支持，云计算技术必不可少，建立地面医疗云平台势在必行。
此外，传统的远程医疗上单纯的医学参数分析，不足以全面反映宇航员的身体信息，更无法体现宇航员的心理状态。后来增加了视頻和语音方式协助诊断，但同样存在一定问题，很难从视频中获得可靠的，有意义的观察，并向宇航员提供有效反馈。
受限于视频流传输技术，目前视频诊断主要应用在宇航员身份验证上。传输3D视频需要很高的网络带宽，3D深度数据的有效压缩和传输仍是一个难以解决的问题。而视频的实时性、深度和音频传输对于实现方便有效的远程医疗会话至关重要。针对以上问题，我们可以采取融合2D视频流和高性能数据流的多通道通信的方式，其中前者用于提供普通的视频咨询，而后者用于提供被监控数据（如，运动数据）的实时流传输。由此，保障稳定有意义的视频观察，并能给宇航员有效的反馈。
4 结束语
本文分析了远程医疗的发展及国内外载人航天远程医疗相关技术的发展情况，并提出了一种基于物联网技术的航天远程医疗系统总体方案，该系统以宇航员为核心，全面保障宇航员在轨长时间执行任务过程中的身体和心理的健康。本文提出的设计方案，为我国载人航天远程医疗系统日后的发展提供了设计参考。未来，航天远程医疗技术一定会向系统化、人性化和智能化的方向发展，从航天大国迈向航天强国，中国航天远程医疗的发展必不可少，抓住物联网浪潮结合远程医疗技术，早日建设完善的中国航天远程医疗系统。
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作者簡介
尹子航（1994-），男，山东省德州市人。在读硕士研究生。研究方向为计算机科学与技术。
作者单位
1.西安微电子技术研究所（航天771所） 陕西省西安市 710054
2.中国科学院 北京市 100864
