医疗行业中的定位感知系统研究

定位感知系统是普适计算的重要组成部分。所谓定位感知,就是系统中心在一定的精确度内动态获取用户的位置信息,同时为用户积极主动地提供各种所需服务。在传统的“请求-应答”服务模式中,用户要得到所需信息必须先向服务系统提出请求,系统响应后给出回复,按照要求的格式提供信息。这种被称为“被动模式”的系统无法满足用户动态信息的需求,无法积极智能地主动提供服务,是不符合普适计算的要求的。
       定位感知系统是“主动模式”系统,它能够同时为许多用户提供服务。系统能够根据自已取得的信息主动向用户们进行广播,说明自己能够提供的服务,用户按照自己的所需获取自己的信息。因此,“主动模式”必须拥有两个功能系统:“定位系统(Orienta-tionSystem)”和“位置系统(LocationSystem)”。“定位系统”的重点在于要知道对象所在的位置,而“位置系统”的重点在于要知道特定位置上的对象集。
       在医疗行业中,定位信息和位置信息都是非常重要的信息。比如,定位可以在紧急救援或者医疗看护中发挥作用,而位置信息可以知道在特定位置有怎样的患者,需要怎样的医疗服务等。随着医疗行业信息化的不断发展,定位感知系统正逐步在医疗行业构建起来,给医疗行业带来了跨越式的发展。一个无所不在的救护网络,一个准确快捷的设备和药品管理网络,一个安全及时的病人信息网络,不仅提升了医院的服务能力,方便了医院内部的信息沟通,更是保障了病人生命的安全。以下,我们将从定位感知系统的结构和现有的医疗信息化水平出发,对医疗行业中的定位感知系统进行研讨和展望。
       从结构上来讲,定位感知系统可分为以下五个部分:系统控制中心、事务处理中心、通信环境、定位系统和位置系统(图1)。
   
   1 系统控制中心
        系统控制中心是整个系统的控制管理中心,它负责将位置信息或者对象集信息向事务处理中心传送,将位置信息向“位置系统”传送,它必须能够实时处理大量的各种信息,并进行分析检测。
        近几年来,国内各大医院都在建设数字化医院,“数字化医院”就是利用先进的计算机及网络技术,将病人的诊疗信息、卫生经济信息、药品信息、医院管理信息等各类信息进行最有效的收集、储存、传输与整合,并实现各类业务流程的最优化和信息利用最大化的医院。而这些医院所使用的医院信息管理系统(HIS:HospitalInformationSystem)实现的就是系统控制中心的功能,它是整个医院甚至是医疗行业的控制管理中心,可以实时传输和处理大量的医疗信息,有的甚至是从急救现场传来的资料。
   2　事务处理中心
       事务处理中心是整个系统的服务发送者与处理单元。它接收系统控制中心传来的各种信息,或者响应用户的服务请求,或者主动向用户广播各种有用信息。系统控制中心将许多更细节化的工作分散到各个事务处理中心,比如医院HIS系统中的护士工作站,就是一个比较典型的事务处理中心。
   3　通信环境
       通信环境为各个部分的信息传送提供支持。从定位感知系统的意义上来讲,我们希望构建的是一个无线的网络世界。而无线广域网、无线局域网等技术的出现为实现定位感知系统的通信环境提供了一个非常好的平台。
       无线广域网(WWAN)技术可使用户通过远程公共网络或专用网络建立无线网络连接。通过使用无线服务提供商所维护的若干天线或卫星系统,这些连接可以覆盖广大的地理区域。
       无线局域网(WLAN)是采用无线通讯技术代替传统电缆,提供设备接入功能的网络,是计算机网络与无线通信、移动通信技术相结合的新生技术。在无线局域网的发展中,形成了包括IEEE802.11a,802.11b,802.11g,HiperLAN/2等在内的国际标准,能够提供的网络接入速率从11Mbps,22Mbps到54Mbps不等。
   4　“定位系统”与“位置系统”
       “定位系统”和“位置系统”是定位感知系统的重要功能系统,而无论是定位信息还是位置信息都离不开无线定位技术的应用。常用的无线定位技术有:红外线定位技术、全球定位系统(GPS)、超声波定位系统、IEEE802.11定位系统和无线射频识别(RFID, Radio Frequency Identification)定位系统等。每种定位技术特点和定位精度各不相同。借助于无线网络的平台,RFID定位追踪系统是近期研究比较多的一个方向。
       无线射频识别技术(RFID, Radio Frequency Identification)是一种非接触的自动识别技术,其基本原理是利用空间电磁波的耦合或传播来进行通信,以达到自动识别被标识对象,获取标识对象相关信息的目的。最简单的RFID系统由标签(Tag)、读写器(Reader)和天线(Antenna)3部分组成,配合计算机网络和软件支持可以组成一个RFID应用系统(图2)。RFID运用无线电技术进行通讯,信息储存在标签中的一个小硅片中。标签进入磁场后,接收解读器发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的信息(Passive Tag,无源标签或被动标签),或者主动发送某一频率的加密信号(Active Tag,有源标签或主动标签);解读器读取信息并解码后送至中央信息系统进行有关数据处理。
   
   5　构建医疗行业中的定位感知系统
   
       由定位感知系统的结构特点和现有的医疗行业信息化水平来看,从现今的IT技术手段出发,我们可以构建未来医疗行业中的定位感知系统的一个基本框架(图3):以无线网络为通信环境,以不断升级的HIS系统为系统控制中心,以RFID技术为主要定位技术和信息获取技术。
       其实早在1997年,美国专利与商标局就批准过一个第5629678号专利,授权人为自然人。这个专利主要保护一种在身体植入RFID芯片,并用全球定位系统实施全球定位和身份识别的技术。它维系一种传感器网络。这个网络能够主动对环境进行监测,并记录、发送相关资料。救护中心可随时通过全球定位系统获取当事人的位置、运动路线、身份、紧急事态、救护办法等。理论上讲,这种技术可以用于检测每个人的身体状况,主动检测当事人遇到的疾病、遭遇的环境危害和人身攻击,并自动发送全部必要的救护信息。从专利描述的技术特点来看,这样的一个RFID无线网络已经趋于定位感知系统的要求。
       美国食品与药品管理局于2004年12月份正式批准了美国应用数据解决公司(ADS:Applied Digital So-lutionsCo.)在医疗行业销售RFID芯片的申请。ADS公司的VeriChip是一个长约12mm、外形呈“米粒”的RFID芯片。芯片上记录有植入者的识别(ID)信息,植入人的上臂皮下。VeriChip有专用的“读取扫描设备”。该扫描设备发出的微弱无线电波穿过皮肤到达VeriChip,就向其提供了微弱能量。获得这些能量后,VeriChip就发出植入者的ID信息,被扫描设备接收。这些ID信息通过网络发送到ADS公司管理的数据库中心。数据库中心记录有签约加入者的过去的医疗与健康信息,根据需要可以随时调用。尽管这一技术在美国引起了广泛争议,但是就定位感知系统而言,植入人体的VeriChip芯片使网络,设备和人更紧密的结合,是符合定位感知系统的发展要求的。
       除信息获取以外,利用RFID技术进行定位是我们构建定位感知系统的一个非常重要的部分。无线定位的精确度是现在乃至今后的一个挑战性的研究内容。对于在一个小区域查找某一个人或者事物在或者不在的简单定位,RFID技术完全可以胜任而且已经在很多场合得到应用。对于利用RFID进行精确定位,典型代表是SpotON系统和LANDMARC系统。SpotON系统基于信号强度分析,发展了一种聚合算法对三维空间进行定位。系统中硬件标签成网络状分布,无需中央控制单元,通过标签测试到的信号强弱来表征标签之间的几何距离。LANDMARC系统通过引入参考定位标签,并根据不同标签之间的残差加权算法,可以获得较高的定位精度。但是这两个系统还处于实验研究阶段,因为实际应用环境的复杂程度对定位精度有很大影响,所以利用RFID进行精确定位是今后研究的一个重要方向,也是构建定位感知系统的一个重要环节。
       在现有的技术条件下,RFID定位追踪系统已经开始在一些医院应用,结合无线网络和HIS系统,可根据医院的规模和性质或者根据治理的疾病分类,对所有的病人、探病者、医护工作人员装上RFID电子标签进行追踪,在医院的平面图上进行监控,所有受监控对象的情况将会一目了然。凭借无线网络的及时性和移动性的优势,可以随时进行生命体征数据、医护数据的查询与录入,医生查房、床边护理、呼叫通信、护理监控、药物配送和病人标识码识别等都成为透明的数字化服务。同时还可以做到查询统计分析,内容包括:现场人员清点(包括人数、分布、人员资料等)、区域历史记录查询(某个区域在某段时间内曾出现过的人或物)、人员(对象)历史记录查询(特定对象曾在哪些区域出现)、警报历史记录查询(统计出事件发生模式)、主要物料库存及去向(如血浆、器官、化验样本等)。
   6　结束语
       普适计算概念从形成到现在经历了十几年,对定位感知系统的研究一直是普适计算中最为人们重视的领域之一。医院信息管理系统、无线网络和RFID等新兴技术的应用,使我们看到现代科技已经逐步在医疗行业当中构建起一个定位感知系统的雏形。虽然,现有的雏形离普适计算概念中信息空间与物理空间完全融合的世界还有不小距离,特别是在精确定位方面,但是我们相信,随着科技水平的不断提高,定位感知系统会在医疗这个与生命休戚相关的行业中真正成型。到那时,一个小小的芯片将实时、主动检测我们身体和外界环境的危险信号,它将充当贴身医生每时每刻保护人们的安全。