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面向物联网的药品管理智能包装与智能药盒
庞志波*、田俊哲**、强晨**
*瑞典瓦斯特萨斯ABB AB公司研究
**瑞典斯德哥尔摩皇家理工学院(KTH)ICT学校
pang.zhibo@se.abb.com, {junzhe, qiangch}@kth.se
摘要
用药不符合问题已经对公众健康造成了严重威胁，同时也造成了巨大的经济浪费。物联网带来的新兴普及医疗保健提供了有希望的解决方案。此外，还需要一个家庭保健站(IHHS)，以满足日益增长的日常监测和现场诊断及预后需求。本文提出了一种基于智能交互式包装(I2Pack)和智能药盒(iMedBox)的普适预防性药物管理解决方案。智能药品包装由受控分层材料(CDM)密封，并由无线通信控制。可穿戴生物医学传感器也可以通过无线链路收集各种重要参数。高性能架构支持这些重要参数的现场诊断和预测。此外，友好的用户界面被强调，以方便老年人，残疾人和病人的操作。I2Pack和iMedBox的原型系统已经实现，并通过现场试验进行了验证。
关键字：药物管理；物联网；家庭保健站(IHHS)；无线传感器网络(WSN)；受控分层材料；射频识别；
一、引言
无处不在的医疗保健已被公认为是下一代医疗保健形式，分布式、以患者为中心和自我管理的医疗保健被强调为传统住院治疗、以员工为中心和专业管理的医疗保健的替代方案[1]。基于物联网(IoT)新兴技术(即所谓的Health-IoT)的普及医疗保健被视为IoT 的杀手级应用之一[18, 21]。在这一充满希望的领域，已经投入了许多项目和倡议。不幸的是，在现有的研究中，对处方药不依从性的关注不够，这是自我管理护理的一种基本类型[2]。一个经常被引用的事实是:不遵守药物治疗每年给美国医疗保健系统造成高达1000亿美元的损失，这也是美国每年约11%住院治疗的原因[3]。已经证明，对于4种药物消耗最大的慢性疾病(糖尿病、高血压、高胆固醇血症和充血性心力衰竭)，药物依从性较高的患者的住院率显著较低[4]。2007年美国全国患者信息与教育委员会(NCPIE) [5]的一份报告中列出了更多令人吃惊的数据。只有大约50%的美国患者按处方服药，这给美国经济每年带来大约1770亿美元的直接和间接成本。
为了解决药物不符合规定的问题，传统包装工业的一个解决方案是单剂量包装[6]，它将一个剂量的片剂或胶囊包装到一个小盒子的袋子中。它只是使患者用药更方便，但既不能提高依从性，也不能防止不依从性。智能医用冰箱[7]中封装的微芯片驱动的平板电脑[8]和智能剂量提醒[9]提供了不合规检测和记录功能。但这些措施主要是事后检查措施，而不是预防措施，而且这些解决方案的操作非常复杂，只适用于受过培训的照顾者，而不适用于老年人、残疾人和患者。
与此同时，日益增长的日常监控需求促使Health-IoT解决方案集成更多的传感和数据处理能力，尤其是现场诊断和预测能力。例如，可以全天候监测三轴加速度计、心电图(ECG)、血压、血氧饱和度(SpO2)、呼吸血氧饱和度、血糖浓度和体温[10-14]。因此，不仅需要一个功能强大的家庭终端来解决用药不合规的问题，而且还需要一个功能强大的家庭终端来作为每个家庭中的通用家庭保健工作站(IHHS)。
本文在[16-21]工作的基础上，提出了一种基于智能交互包装(I2Pack)和智能药盒(IMedBox)的家庭用药管理与保健系统。智能药品包装采用受控分层材料(CDM)密封，通过无线通信进行控制，实现预防性用药管理。可穿戴式生物医学传感器还可以通过无线链路收集各种重要参数。强大的架构支持这些重要信号的现场诊断和预测。此外，还强调了友好的用户界面，方便了老年人、残疾人和患者的操作。实现了原型系统，并通过现场试验进行了验证。
本文的其余部分组织如下。第二节介绍了Health-IoT的愿景和相关概念。第三节给出了系统的功能和体系结构。第四节和第五节分别给出了I2Pack和iMedBox的实现和实验结果。第五部分对全文进行了总结，并对有待解决的问题进行了讨论。
二、愿景
A.健康物联网
物联网技术(所谓的健康物联网)支持的家庭医疗保健(IHH)服务对传统医疗保健行业和信通技术行业都大有可为。健康物联网服务无处不在且个性化，将加速医疗保健从以职业为中心向以患者为中心的转变。通常，健康物联网解决方案包括以下功能:
跟踪和监控。以无处不在的识别、感知和通信能力为动力，所有的物体(人、设备、药物等。)可以被可穿戴WSN设备全天候跟踪和监控。
远程服务。医疗保健和辅助生活服务，如紧急检测和急救、中风居住和培训、饮食和药物管理、远程医疗和远程诊断、健康社交网络等。可以通过互联网和现场设备远程传送。
信息管理。通过物联网的全球连接，所有医疗保健信息(物流、诊断、治疗、康复、药物治疗、管理、财务，甚至日常活动)都可以在整个价值链中收集、管理和利用。
跨组织整合。医院信息系统(HSs)。扩展到患者家中，并可以集成到可能覆盖社区、城市甚至州的更大规模的医疗保健系统中。
B.应用场景
图1展示了Health-IoT系统的一个典型应用场景，该系统的中心是一个功能强大的智能药盒(IMedBox)，它不仅可以作为传统的居家用药容器(如橱柜的抽屉、恒温器或冰箱)，而且还可以充当“用药检查员”，以及日常监控中的“现场检查员”。一方面，它通过无线互联网与公共区域(如医院、药品供应链、急救中心)相连。
另一方面，它通过射频识别(RFID)链路和无线生物医学传感器网络(WBSN)分别控制一套智能药包(IPackage)和一套可穿戴生物医学传感器标签(ITAG)。我们以前的工作[16-21]提供了更多信息。
图1 应用场景
C.智能互动包装
“无处不在”是物联网技术的显著特征。理想情况下，它应该能够到达对象的每一个项目。Health-IoT系统应该能够跟踪每一包药物，记录每一粒胶囊的药物活性，并呈现与患者相关的所有处方信息。为了实现这一特征，需要合适格式的智能设备。它应该能够以负担得起的成本和自然的方式承载物联网的能力和优势。根据iPack VINN卓越中心22的愿景，智能互动包装(I2Pack)是一种适合此目的的智能设备格式。
如图2 [22]所示，I2Pack是下一代包装，通过将射频识别、传感、能量收集、通信、显示、动作和其他功能集成到传统包装上，它可以与客户互动。当纸基致动器和显示器集成在一起时，包装不仅可以感知顾客的存在，还可以告知顾客正在进行什么。
I2Pack的愿景可能会给商业世界带来巨大的变革。包装承载的信息将从静态向动态转变，信息流动将从单向(仅限产品对消费者)转变为双向(既有产品对消费者，也有消费者对产品)，包装的作用将从“被动”(仅由消费者控制)向“主动”(自主或遥控)转变。
因此，I2Pack除了负责货物的装载和保护之外，还可以承担更多的责任。包装的作用成为供应商和消费者之间的“沟通媒介”。它应该是现场销售者、信息提示者、信息收集者，甚至是特定操作的执行者。例如，在零售应用场景中，带有触摸传感器的I2Pack知道是谁触摸了它，如果与价签集成，它可以通知客户“今天的特价”。在Food-IoT应用场景中，它可以自动通知客户食物的质量和新鲜度。在Health-IoT应用场景中，可以通过手指触摸来电动打开粘贴的智能药品包装。[22]
图2 智能交互式包装的愿景[22]
智能药物包装是I2Pack愿景的典型实现之一(参见第三节)。它为实现所谓的预防性用药管理提供了技术解决方案。
D.智能预防性药物管理
与现有的解决方案相比，预防性用药管理被认为是更有效地解决用药不依从性问题[5]。预防性用药管理需要对用药活动进行实时提醒、记录、预防，对生命参数进行现场诊断和预测，并对用户进行应急支持。具体地说，它包括以下功能。
药品库存：iMedBox可以通过读取上面的RFID标签自动注册、记录、查询和统计所有药品实用程序。
用药提醒：iMedBox可以自动下载并解析处方，并通过屏幕闪烁、扬声器播放音乐、闪烁灯光等方式提醒患者按时服药。
不合规记录：患者的所有用药活动(如开箱、服药、忘记服药、误销毁部分药品、扔掉部分药品等)都被检测到并记录下来。
防止不合规：如果没有iMedBox按照处方发出的“打开”命令，用户/患者不能手动打开被CDM膜紧紧密封的iPackage。因此，可以完全防止过早或过度用药。
三、系统结构
A.系统架构图
如图3所示，多个无线链路集成在iMedBox中。提供用户友好的用户界面，包括液晶显示器、触摸屏、摄像机、扬声器、麦克风、发光二极管灯和振动器。
无线互联网链接:包括无线网络和/或无线分组无线网络/3G通信栈，系统安全，数据库访问，网络服务器的数据剪切。
全球定位系统链接:有助于在第一时间向正确的位置提供紧急支持。
WBSN链接:包括用于星型拓扑网络和数据收集的堆栈。
射频识别链接:包括药品库存管理、清洁发展机制控制和药品合规性检测。
图3 系统架构
在iPackage中，与传统的支持RFID的封装相比，一个显著的区别是增加了CDM薄膜阵列和相应的控制电路。CDM膜是由电化学环氧树脂制成的铝底层、铝顶层和胶粘剂中间层组成的三层箔。当底层和顶层之间的电压高于称为分层电压(Vd)的特定阈值时，电化学反应在中间层触发。如果电压保持的时间超过一个称为分层时间(Td)的特定时间，则环氧层被破坏，因此顶层和底层被分离。Vd和Td都是由制造材料时的配方和工艺确定的不同参数[15]。
利用CDM的独特特性来实现智能药品包装的防不合规功能。用CDM薄膜密封的iPackage可以由iMedBox通过向iPackage中的微芯片发送打开命令来打开。而且，由于CDM的粘合剂对人的手太紧，所以没有打开指令，病人是不能打开的。对于每个片剂或胶囊，都有一个单独控制的专用CDM。换句话说，每个药片或胶囊都可以由iMedBox控制。从而实现了片剂水平的处方依从性。
打开CDM所需的能量可以通过近场磁共振无线传输，因此智能药物仍然是无电池的。或者作为另一种选择，印刷电池可以与包装一起制造，以制造自供电包装解决方案。下一节的实验结果证明了这一点。无电池和电池供电的解决方案都将具有与传统解决方案类似的外观。
ITAG具有典型的WBSN体系结构。它由WBSN接口、低功耗MCU、一套生物医学传感器和电池组成。与无电池和自供电的无线传感器网络相比，电池供电的无线传感器网络设备在通信距离和传感能力方面具有显着的优势。
B.现场诊断框架
图4 现场诊断与远程诊断
普适医疗系统中主要有两种框架(图4)。在远程诊断框架中，现场终端采集的原始数据直接传输到服务器，并根据分析结果向用户提供非实时的、长期的反馈。相反，在现场诊断框架中，预处理在现场终端进行，并且只将结果(而不是原始数据)传输到服务器。这样，终端和服务器之间的流量负载和服务器中的计算负载都得到了显著降低。由于远程诊断框架中的数据传输和处理在广泛采用时会使通信系统和服务器上的资源不堪重负，这使得后一种方案更加有效和高效。此外，现场终端可以在第一时间和第一时间向用户反馈，这对于急性心肌梗死等紧急情况非常重要。
因此，我们采用现场诊断框架来设计该系统。在iMedBox中，可以在软件中执行一套基本的诊断和预后检查。在许多研究活动的努力过程中，可行的算法变得可用，例如基于三轴加速度的人体运动分类和检测、基于离散小波变换的心电信号压缩、基于心电信号分类的心脏过早检测[11-14]。
四、智能包装的实现
A.清洁发展机制的原型
为了分析和评估iPackage的CDM材料，我们制作了一块专用演示板，包括一个近场谐振线圈、一个谐振驱动芯片、一个MCU、两个纽扣电池、一个DC-DC转换器、一个电源开关和一片CDM膜(图5)。在此步骤中，主电源为纽扣电池，近场谐振线圈仅用于控制命令。如果从线圈接收到打开命令，DC-DC转换器将3V电池电压乘以30V到CDM。我们以前的工作[17]提供了更多信息。
图5 CDM原型(左)和组装智能包(右)
B.CDM特征化实验的设置
CDM表征的主要任务是评估打开CDM膜的单位面积所需的能量和功率，测量和计算了分层电压(Vd)、分层最大电流(Id)、分层时间
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