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作者:林翰俊、徐業良(2011-05-06);推薦:徐業良(2011-06-05)
附註:本文發表於「2011年福祉科技與服務管理大師級講座暨研討會」,南開科技大學,南投,台灣,201157日。

Personal Health Cloud (PHC)客製化遠距居家健康照護雲端服務資訊系統平台之建置

摘要

遠距居家照護系統利用資通訊科技協助照顧家中的高齡者,讓高齡者能夠有尊嚴地在自己家中居住、生活。然而遠距居家健康照護系統,目前還無法為一般使用者廣泛採用,面臨以下困難與挑戰,需要重新思考與應對:營運成本與使用者付費意願之間的落差大、使用者對遠距居家照護服務機構信任度不足、現行系統無法滿足照護需求的多樣性與地域性以及現行資訊系統無法彈性配合醫療院所或遠距居家健康照護服務機構服務流程等。元智大學老人福祉科技研究中心提出之「分散式遠距居家照護系統」架構,以分散式健康資料伺服器為核心,每個家庭或照護單位只要擁有寬頻網路環境,都可以在家中自行建立家庭專屬的遠距健康監測系統。本研究進一步將分散式遠距居家照護系統架構中,應用伺服器的遠距居家照護服務功能模組建構於「雲端」,透過雲端提供各項功能模組,而每朵雲(每個功能模組)可由不同的研發夥伴、服務提供者提供,而非建置於單一應用伺服器。類似在網路服務平台上建置個人部落格,或在電子商務平台上建置個人網路商店的程序,使用者可快速取用與結合應用雲端上的遠距居家照護服務功能模組,依其照護需求及服務流程,建立專屬、客製化的遠距居家照護系統,試圖解決上述四個問題困難與挑戰。

關鍵字:遠距居家照護系統、客製化系統、雲端服務、生理訊號監測

1.    研究背景

網路通訊技術發展快速,也對醫療照護的形式帶來很大衝擊和新發展,「遠距醫療(tele-medicine)」、「遠距居家照護(tele-homecare or home tele-health)」等領域近年來廣泛受到重視。

「遠距醫療」一般是指利用資訊通訊科技協助執行臨床的醫療照護,根據美國遠距醫療協會(American Telemedicine Association, http://www.atmeda.org/)的定義,遠距醫療是“利用經由電子通訊從一處傳輸至另一處的醫療資訊,來改進病人的健康狀況。”例如病人和遠端的醫師之間利用各種通訊方式傳輸醫療資訊或進行問診,醫師藉以做出診斷並進行治療。與「遠距醫療」很接近的專有名詞「遠距健康(telehealth)」則有一個比較廣泛的定義,指的是利用資通訊科技進行遠距健康照護相關的活動,但並不一定是臨床醫療行為,像是透過遠距生理訊號傳輸,以監測使用者的健康狀況,甚至透過遠距教學的方式對醫護人員進行在職進修課程,都是屬於「遠距健康」的應用範疇。

如果遠距健康照護發生的地點是在病人家中的話,便稱作「遠距居家照護」。早在1998年,加拿大的“Office of Health and Information Highway”對「遠距居家照護」一詞做了如下定義:“遠距居家照護可以被定義為,利用資訊通訊科技,使能在病人家中有效地提供並管理健康照護服務。”「遠距居家照護」和「遠距醫療」最大的不同,是遠距居家照護不必然牽涉到醫療行為的執行,因此傳遞或接收健康資訊的人不全然是醫師,還可能包括使用者本身、家人、護理人員、照護者或其他醫療照護專業人員等。而遠距居家照護最重要的目標,就是讓使用者(病人、高齡者)能夠有尊嚴地留在家中居住、生活,維持的時間越久越好,同時也能接受到完整、高品質的健康照護。國內外學術界、產業界紛紛投入「遠距居家照護」領域研發,也已有許多商業化系統出現,例如美國的Health Hero Network [http://www.healthhero.com/]、歐洲的Tunstall [http://www.tunstall.co.uk/]Card Guard [http://www.cardguard.com/]等等,都有完整的商品和廣大的使用客戶,國內也有許多業者推出類似的服務。

國內外遠距居家照護系統案例,依監測的項目分為個人緊急救援服務以及長期健康監測兩大類。個人緊急救援服務的目的主要是緊急、意外事件的立即通報與救援,而長期健康監測系統主要目的則在於建立長期的健康狀況資料。圖1所示為典型遠距居家照護系統架構,高齡者或其他使用者在家中量測血壓、血糖、體溫、體重、心電圖、乃至於日常生活活動等各種生理訊號,經過電話線(包含行動電話通訊)或網際網路傳送到「居家健康照護服務機構」的集中式資料庫儲存,並做進一步的資料管理與分析;家人或照護者隨時可在網路上看到這些資料,瞭解高齡者的健康狀態,如察覺所監測之生理訊號有異常,或者接獲高齡者傳來的緊急求助訊號,居家健康照護服務機構會對家人或照護者發出警訊,並可轉介使用者至醫療單位做進一步診治;高齡者就診時,醫療單位也可查閱健康資料管理中心的長期監測資料作為診斷參考。

1. 典型遠距居家照護系統架構示意圖

儘管相關的生理訊號量測裝置、通訊技術已經相當成熟,國內在遠距居家照護方面也有非常多的研究計畫及營運模式在進行中,然而目前為止似乎還無法為一般使用者廣泛接受,至今仍然沒有成功的商業營運案例。前述集中式資料庫架構的遠距居家照護系統面對以下困難與挑戰,需要重新思考:

(1)  營運成本與使用者付費意願之間的落差大

從營運與服務面來看遠距居家照護系統,採用集中式資料庫的系統規模較大,所需基礎建設投資大、成本高,且牽涉到複雜的異業整合,系統建置的難度較高。為維護使用者的監測資料並提供相關服務,採用集中式資料庫的遠距居家照護系統必須採取向使用者收取月費的方式經營,而目前國內健保制度尚不給付遠距居家照護服務費用,直接前往醫院看診相對來說仍然比較便宜,消費者較無動機額外花錢訂購遠距居家照護服務。事實上如何建立收費機制,定期向使用者收取月費,也是許多遠距居家照護系統經營時所面臨的難題。

(2)  使用者對遠距居家照護服務機構信任度不足

遠距居家健康照護服務機構是否能取得使用者信任,包括是否能保證使用者資料之安全性、維護使用者隱私,以及服務是否能永續經營等,使用者因而是否願意將居家健康監測資料長期傳送至遠距居家健康照護服務機構的集中式資料庫儲存、處理,也需做進一步探討。

(3)  現行系統無法滿足照護需求的多樣性與地域性

一般遠距居家照護服務機構,以結合本身既有的資源與架構來設計所提供的服務,再據以設計資訊系統,以「服務+系統」整合方式提供給使用者。然而使用者∕被照護者需求的多樣性極高,遠距居家健康照護服務機構花費極大成本建置的「服務+系統」內容往往不能符合單一使用者需求,而搭配的醫療資源服務也有很強的地域性限制,服務與系統提供者必須非常有彈性地去提供多樣性、客製化的服務與系統,來滿足每一個不同的需求。

(4)  現行資訊系統無法彈性配合醫療院所或遠距居家健康照護服務機構服務流程

遠距居家照護系統另一個非常重要的「顧客」是醫療照護服務提供者。每一醫療院所或遠距居家健康照護服務機構有不同的營運模式、照護資源與照護流程,而醫療院所或照護服務機構本身大多沒有充分的資通訊軟硬體與系統開發專業,如欲建構遠距居家照護系統,必須採取一般客製化系統方式,委由專業廠商針對其特定需求與照護服務流程,量身訂作與發展其專屬的資訊架構與系統,開發時間長、成本昂貴、維護困難,且系統較缺乏彈性。

針對前述集中式資料庫架構的遠距居家照護系統面對之困難與挑戰,本研究提出了一個「Personal Health Cloud (PHC)客製化遠距居家健康照護雲端服務資訊系統平台」的創新遠距居家健康照護架構。有別於目前的遠距居家照護市場中,醫療院所或居家健康照護服務機構自行或委託專業資通訊廠商、醫材廠商,根據其構想之需求建置完成集中式系統,並整合「服務+系統」為一體,提供給使用者的方式,本研究建構的平台讓不同照護需求的使用者與不同照護服務流程的服務提供者,在此平台上自行依據其需求組合各項功能模組,打造量身訂做、專屬客製化的遠距居家照護系統。

本研究的基本概念,類似個人部落格(blog)、電子商務平台的建置,以使用者需求導向之系統與服務、所需服務隨選即用、以及雲端計算∕雲端服務為思考核心,目標的用戶∕使用者包括受照護者個人及其家庭、經營遠距居家照護之社區、安養院,乃至於專業醫療院所或遠距居家健康照護服務機構。如圖2客製化概念所示,本平台上提供各種模組,使用者可以依據其照護需求與服務流程,自行選擇、組合其專屬的遠距居家照護系統。

2. 客製化系統基本概念

2.    Personal Health Cloud (PHC)創新架構

3所示為元智大學老人福祉科技研究中心提出「分散式遠距居家照護系統架構」[Hsu et al., 2007],以分散式健康資料伺服器(Distributed Data Server, DDS)為核心,每個家庭或照護機構、單位只要擁有寬頻網路環境,都可以在家中自行建立家庭專屬的遠距健康監測系統。健康監測資料儲存在家中的DDS,遠端的家人、照護者、家庭醫師皆可使用電腦、手機等裝置,經由網際網路直接讀取家中DDS儲存的長期生理訊號量測紀錄和健康照護資訊,系統並能以E-mail或手機簡訊方式提供定期報告及緊急事件通報等服務。在此架構中,使用者可自行在家中的DDS上進行所有健康資料的儲存與事件的管理,不必然需要將健康資料傳送至遠距居家健康服務機構的集中式資料庫與訂購相關服務,因此可以不需繳交額外月費,對於個人資料隱私也有更好保障。

3. 分散式遠距居家照護系統架構

有別於圖1典型的遠距居家照護系統架構,在此架構中以家庭為遠距居家照護系統建置的基本單位,每一家庭以自身的照護需求安裝所需的感測設備,擷取健康監測資訊,透過有線或無線的傳輸方式傳送至家中的DDS進行儲存。較複雜的管理需求(如照護者、家庭醫師有同時管理多個居家系統的需求或複雜的資料分析),亦可以集中式資料庫方式管理。此遠距居家照護系統架構以每一家庭為核心而非以醫療照護單位為核心,設定的使用情境主要是高齡者與其子女、照護者之間的互動溝通。此分散式遠距居家照護系統已在40個病人家中進行時間長達一年以上的實際使用評估,已非常穩定與成熟。

本研究進一步引入雲端運算與雲端服務之概念進行建構。雲端運算與服務是利用網路使電腦能夠彼此合作或使服務更無遠弗屆,將原先一般直接於本地電腦端執行的運算工作或是建置的功能服務,改由網路上的多台伺服器協同並分散進行運算、提供服務,藉由網路連線從遠端取得服務,亦被稱為「軟體即服務」概念。透過雲端運算與雲端服務,使用者不需知道背後的運作機制、不需持有、建構與維運伺服器,即可於網路上自行建構其服務、從網路上取用服務。

在此概念下,本研究將圖3應用伺服器的遠距居家照護服務功能模組建構於「雲端」,而非建置於單一應用伺服器。如圖4所示,透過雲端上提供各項功能模組(如緊急事件簡訊、定期報表E-mail,以及各類分析應用軟體),而每朵雲(每個不同功能模組)可由不同的研發夥伴、供應商等提供。類似於在網路服務平台上建置個人專屬部落格,或在電子商務平台上建置個人專屬網路商店的程序,使用者不需知道任何技術細節,即可快速取用與結合雲端上的遠距居家照護服務功能模組,依其照護需求及服務流程,建立專屬、客製化的遠距居家照護系統。

4. 透過雲端服務提供各項功能模組

PHC架構下,兩種可能的使用情境敘述如下:

(1)  個人化雲端應用情境

如圖5所示,個人化雲端應用情境中,照護者不需下載或安裝任何程式、不需維護任何電腦∕伺服器,僅需透過網際網路取用其所需之功能模組,自行客製化其系統平台。使用者可依其本身需求,自行挑選與取用各項功能模組,以建構完全符合其需求之客製化服務。

5. 個人化雲端應用情境

在此應用情境下自行建置之個人化遠距居家照護系統,資料分析處理等需即時連線至雲端提供之功能模組,但生理訊號仍採「分散式遠距居家照護系統」概念儲存於每位用戶(受照護者)家裡的DDS,雲端服務提供者不負責儲存、管理使用者任何生理量測資料或隱私資料。此應用情境適合建構高齡者與其子女、照護者之間健康資訊上的互動溝通平台,子女自行照護家中長者之平台,但照護者不必自行架設或維護任何電腦∕伺服器。

(2)  機構客製化雲端應用情境

在社區或照護機構建構遠距居家照護服務時,由於往往缺乏專業人力進行資訊系統的建置與維運。如圖6所示,PHC架構下,社區或照護機構不需維護任何電腦或伺服器,僅需透過網際網路從雲端服務取用其所需之功能模組,自行客製化其系統平台,可依其本身照護需求與所欲提供的服務流程,自行建構完全符合其需求之客製化遠距居家照護系統,提供照護服務給其住民。並可以就近搭配當地信賴或長期合作之醫療院所提供醫療服務,以滿足照護需求的多樣性與地域性。

6. 機構客製化雲端應用情境

3.    PHC之系統架構

本研究建構之PHC平台由「基本模組群」和「選擇模組群」兩大核心模組群所構成,使用者透過使用者介面入口存取與使用各項模組。

6. PHC資訊系統平台之系統架構圖

如圖6所示,基本模組群中又包括「使用者管理(User management)」與「模組管理(Module administration)」兩項主要功能模組。在使用者管理功能中,使用者可以新增、設定照護者與被照護者各項基本資料與權限等;在模組管理功能中,則提供使用者自行根據其本身需求而設定、選取相對應所需之模組,並可分別設定授予各個模組使用者資料之存取權限、資訊加密等安全性設定,以增進資料之隱私與保護。

在選擇模組群中,主要功能模組分別為「內建模組群(Built-in modules)」與「外部模組群(External modules)」。本研究內建功能模組群如下:

(1)  個人健康記錄(PHR)模組

管理血壓、血糖、體溫、體重、體脂、血氧、心電圖等各項生理訊號之居家量測記錄,亦可整合受照護者於醫療院所之各項健康檢驗數值與記錄、疾病史、診斷史等個人健康記錄與病歷,以作為日後進階分析、各項健康風險評估與各種照護需求使用,為一般健康照護資訊系統中最基本之健康照護模組(如圖7)。

(2)  日常生活活動監測模組

整合受照護者於家中安裝之日常生活活動(Activity of Daily Living, ADL)與工具性日常生活功能(Instrumental Activities of Daily Living, IADLs)監測設備,可以評估受照護者之自我照護能力、行動能力、意識清醒程度、疾病類別與相同疾病之嚴重程度[Mahoney and Barthel, 1965]。本研究亦整合元智大學老人福祉科技研究中心研發之ADL監測設備,建置提供一軟體功能模組,成為客製化健康照護平台之內建功能模組之ㄧ。

(3)  健康照護專家系統(Expert System for Telehealth)模組

藉由日常居家長期、持續性的健康監測,可紀錄無法在短時間內察覺的疾病與生理機能退化徵兆。在遠距居家健康監測與照護服務中,資訊平台分析以及監控照護對象之生理訊號資料,若每筆資料均需透過照護人員或醫護人員逐一審視、判斷,人力成本將居高不下,且人為審視判斷易因疏忽而有遺漏或判斷錯誤等狀況發生。因此本研究整合健康照護專家系統,協助照護人員或營運機構進行異常判讀。異常發生時,專家系統將會主動警示,照護人員進而迅速與受照護者進行聯繫、關懷與處理,以期即時掌握異常情形。可減少人為判斷所導致之疏忽、遺漏或誤判等情形,加速異常情形判讀,以掌握時效,並能累積照護人員之專業知識,使專家系統與演算法日益完整。

7. PHC系統平台之模組架構

至於外部模組功能群,本研究所建構之PHC採取開放式、標準化之模組設計,故任何以標準的方式進行資料與程式上的銜接,即可自行開發功能模組。另外模組分享平台之功能,任一使用者只要有能力開發功能模組,即可將其完成的模組上傳、分享,甚至在此平台上進行銷售。相對的使用者可透過此分享平台下載、安裝各項外部開發之功能模組,輕鬆擴充所需功能。

4.    PHC平台之開放式標準化之模組設計與資料庫設計

本研究採取開放式標準化之模組設計,並提供模組設計規範與功能模組介接文件,任何按照本研究之設計、以標準的方式進行資料與程式上的銜接,即可自行開發功能模組。然而為了達到有效的資訊安全,本系統平台中所有傳遞資訊以加密方式進行傳遞,透過隨機產生每台伺服器獨一無二的私鑰進行自訂加密,如此即便加密方式被破解,但只要未取得私鑰,仍無法解得正確內容,可謂相當安全之加密方式。然而此加密方式由於可反向解密,因此仍有被破解之可能,因此在一些重要資訊上,本研究設計二次加密方法,將上述加密後的資訊再以國際標準MD5(Message-Digest Algorithm 5)[Rivest, 1992]進行二次加密(如圖8)。由於MD5之設計架構並無法直接反向解譯,故能有效保密資訊。

8. 自訂結合私鑰的加密方法與結合MD5方法進行二次加密

本研究採用目前國際標準之延伸標記語言格式(XML)與網路服務方式(Web Service)進行資料交換以及標準且一致的參數傳遞與結合資訊安全加密等程式銜接設計,讓系統平台與功能模組之間安全地進行資料傳遞與功能介接。任一使用者只要有能力,亦可依循本研究之設計進行開發撰寫功能模組,即可快速、彈性擴增此服務客製化遠距照護平台,如圖9與圖10所示。

9. 開放式標準化之模組設計規劃與資料交換方式

10. 開放式標準化之模組設計整體架構

PHC平台之資料庫設計採取依照功能別切割與分離資料庫,目的以分散存取流量、提升資料庫存取效率,並透過資料庫分離設計提升資訊安全等功用。當伺服器負擔大時,亦可將此些資料庫分散到不同的實體伺服器中,以有效使得資料庫存取回應時間最小化。本研究之資料庫設計如圖11所示,包含基本資料庫、使用者設定資料庫、DDS、專家系統資料庫以及提供各項模組使用之資料庫。

11. PHC分散式資料庫設計

為了加快系統使用與查詢速度,於基本資料庫中連結統計資料庫以及事件記錄資料庫,如此即可快速取得各項系統使用統計數據與事件記錄。因本系統為各項模組所構成之客製化平台,故在使用者設定資料庫連結了模組選擇資料庫,於系統載入時,讀取使用者的模組選擇設定。在專家系統部份,則連結了內建或訓練產生的模型與規則(Models & Rules),以供專家系統判讀使用。在提供各項模組使用的資料庫部份,讓不論是內建模組或外部模組,皆可於此資料庫中建置與儲存其所需之資料表。如前所述,在用戶生理訊號等量測資料部份,本研究採取分散儲存於各用戶家中DDS、由用戶自行管理的方式。當用戶透過PHC平台讀取其資料時,PHC方即時透過網路讀取存放於DDS中之資料。為了達成此分散式架構,使用者可選擇於PHC平台中即時輸入或事先儲存DDS連線設定資訊,如DDS IPDDS PortDDS帳號、DDS密碼等。

5.    結論

本研究透過提出PHC客製化遠距居家健康照護雲端服務資訊系統平台創新架構,讓使用者不需知道任何技術細節,即可快速取用與結合應用雲端上的遠距居家照護服務功能模組,依其照護需求及服務流程,建立專屬、客製化的遠距居家照護系統,以試圖解決遠距居家照護服務的問題困難與挑戰。PHC架構的提出,對現行遠距居家照護系統的困難與挑戰之回應敘述如下:

(1)  營運成本與使用者付費意願之間的落差大

由於每位使用者的需求不同,對於使用者而言,遠距居家照護的服務或系統提供者不一定能夠提供恰到好處、完全符合需求的服務。在本研究提出之「PHC創新架構」,能夠讓使用者自行挑選、組合一量身訂做之套裝組合,如此服務或系統提供者可以減少提供服務的成本;加上雲端計算與雲端服務的導入,系統服務提供者可直接引入使用其他研發夥伴或供應商之功能模組,如此可以有效地降低服務或系統提供者之研發成本與營運成本,進而降低收取的服務費用,使用者得以減少所需繳交之費用並提升付費意願。

(2)  使用者對居家照護服務機構信任度不足

在前述應用情境中,資料分析處理等功能,需即時連線至雲端服務所提供之功能模組進行使用,但生理訊號仍依「分散式遠距居家照護系統」概念儲存於每位用戶(受照護者)家裡的DDS,雲端服務提供者不負責儲存、管理使用者任何生理量測資料或隱私資料,因而不需面對使用者對居家照護服務機構信任度不足的問題。

(3)  現行系統無法滿足照護需求的多樣性與地域性

相對於現行遠距居家照護服務,以「服務+系統」整合方式提供給使用者,本研究之架構將系統與服務分離,在地的社區或照護機構可依其本身照護需求與所欲提供的服務流程,自行建構完全符合其需求之客製化遠距居家照護系統,自行提供照護服務,並就近搭配當地信賴或長期合作之醫療院所提供醫療服務,以滿足照護需求的多樣性與地域性。

(4)  現行資訊系統無法彈性配合醫療院所或居家健康照護服務機構服務流程

本研究採取模組化架構設計以達成服務客製化的目的,醫療院所或居家健康照護服務機構可自由地就所需功能模組進行組合,快速完成符合該醫療或照護機構服務流程之遠距照護系統。

參考文獻

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