醫療行業(yè)中的定位感知系統

　　定位感知系統(Location-aware System)是屬于普適計算(Ubiquitous Computing)研究的范疇。普適計算的思想最早是1991年MarkWeiser在《Scientific American》的“The Computer for the 21st Century”中提出的,普適計算的設想就是人類(lèi)置身于一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的世界,服務(wù)設備無(wú)處不在,并己完全融入人們的日常生活中。普適計算的目的是充分發(fā)揮計算機系統和網(wǎng)絡(luò )的功能,利用它們更好地為人們服務(wù),極大提高人們的生活質(zhì)量。普適計算可以認為是信息空間與物理空間的融合,在這個(gè)融合的空間中人們可以隨時(shí)隨地、透明地獲得數字化的服務(wù)。

　　定位感知系統是普適計算的重要組成部分。所謂定位感知,就是系統中心在一定的精確度內動(dòng)態(tài)獲取用戶(hù)的位置信息,同時(shí)為用戶(hù)積極主動(dòng)地提供各種所需服務(wù)。在傳統的“請求—應答”服務(wù)模式中,用戶(hù)要得到所需信息必須先向服務(wù)系統提出請求,系統響應后給出回復,按照要求的格式提供信息。這種被稱(chēng)為“被動(dòng)模式”的系統無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)動(dòng)態(tài)信息的需求,無(wú)法積極智能地主動(dòng)提供服務(wù),是不符合普適計算的要求的。

　　定位感知系統是“主動(dòng)模式”系統,它能夠同時(shí)為許多用戶(hù)提供服務(wù)。系統能夠根據自已取得的信息主動(dòng)向用戶(hù)們進(jìn)行廣播,說(shuō)明自己能夠提供的服務(wù), 用戶(hù)按照自己的所需獲取自己的信息。因此,“主動(dòng)模式”必須擁有兩個(gè)功能系統:“定位系統(Orienta-tionSystem)”和“位置系統 (LocationSystem)”。“定位系統”的重點(diǎn)在于要知道對象所在的位置,而“位置系統”的重點(diǎn)在于要知道特定位置上的對象集。

　　在醫療行業(yè)中,定位信息和位置信息都是非常重要的信息。比如,定位可以在緊急救援或者醫療看護中發(fā)揮作用,而位置信息可以知道在特定位置有怎樣的患者,需要怎樣的醫療服務(wù)等。隨著(zhù)醫療行業(yè)信息化的不斷發(fā)展,定位感知系統正逐步在醫療行業(yè)構建起來(lái),給醫療行業(yè)帶來(lái)了跨越式的發(fā)展。一個(gè)無(wú)所不在的救護網(wǎng)絡(luò ),一個(gè)準確快捷的設備和藥品管理網(wǎng)絡(luò ),一個(gè)安全及時(shí)的病人信息網(wǎng)絡(luò ),不僅提升了醫院的服務(wù)能力,方便了醫院內部的信息溝通,更是保障了病人生命的安全。以下,我們將從定位感知系統的結構和現有的醫療信息化水平出發(fā),對醫療行業(yè)中的定位感知系統進(jìn)行研討和展望。

　　從結構上來(lái)講,定位感知系統可分為以下五個(gè)部分:系統控制中心、事務(wù)處理中心、通信環(huán)境、定位系統和位置系統(圖1)。

　 1　系統控制中心

　　系統控制中心是整個(gè)系統的控制管理中心,它負責將位置信息或者對象集信息向事務(wù)處理中心傳送,將位置信息向“位置系統”傳送,它必須能夠實(shí)時(shí)處理大量的各種信息,并進(jìn)行分析檢測。

　　近幾年來(lái),國內各大醫院都在建設數字化醫院,“數字化醫院”就是利用先進(jìn)的計算機及網(wǎng)絡(luò )技術(shù),將病人的診療信息、衛生經(jīng)濟信息、藥品信息、醫院管理信息等各類(lèi)信息進(jìn)行最有效的收集、儲存、傳輸與整合,并實(shí)現各類(lèi)業(yè)務(wù)流程的最優(yōu)化和信息利用最大化的醫院。而這些醫院所使用的醫院信息管理系統 (HIS:HospitalInformationSystem)實(shí)現的就是系統控制中心的功能,它是整個(gè)醫院甚至是醫療行業(yè)的控制管理中心,可以實(shí)時(shí)傳輸和處理大量的醫療信息,有的甚至是從急救現場(chǎng)傳來(lái)的資料。

　　2　事務(wù)處理中心

　　事務(wù)處理中心是整個(gè)系統的服務(wù)發(fā)送者與處理單元。它接收系統控制中心傳來(lái)的各種信息,或者響應用戶(hù)的服務(wù)請求,或者主動(dòng)向用戶(hù)廣播各種有用信息。系統控制中心將許多更細節化的工作分散到各個(gè)事務(wù)處理中心,比如醫院HIS系統中的護士工作站,就是一個(gè)比較典型的事務(wù)處理中心。

　　3　通信環(huán)境

　　通信環(huán)境為各個(gè)部分的信息傳送提供支持。從定位感知系統的意義上來(lái)講,我們希望構建的是一個(gè)無(wú)線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )世界。而無(wú)線(xiàn)廣域網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)等技術(shù)的出現為實(shí)現定位感知系統的通信環(huán)境提供了一個(gè)非常好的平臺。

　　無(wú)線(xiàn)廣域網(wǎng)(WWAN)技術(shù)可使用戶(hù)通過(guò)遠程公共網(wǎng)絡(luò )或專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )建立無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接。通過(guò)使用無(wú)線(xiàn)服務(wù)提供商所維護的若干天線(xiàn)或衛星系統,這些連接可以覆蓋廣大的地理區域。

　　無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)是采用無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)代替傳統電纜,提供設備接入功能的網(wǎng)絡(luò ),是計算機網(wǎng)絡(luò )與無(wú)線(xiàn)通信、移動(dòng)通信技術(shù)相結合的新生技術(shù)。在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的發(fā)展中,形成了包括IEEE802.11a,802.11b,802.11g,HiperLAN/2等在內的國際標準,能夠提供的網(wǎng)絡(luò )接入速率從11Mbps,22Mbps到54Mbps不等。

　　4　“定位系統”與“位置系統”

　　“定位系統”和“位置系統”是定位感知系統的重要功能系統,而無(wú)論是定位信息還是位置信息都離不開(kāi)無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)的應用。常用的無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)有: 紅外線(xiàn)定位技術(shù)、全球定位系統(GPS)、超聲波定位系統、IEEE802.11定位系統和無(wú)線(xiàn)射頻識別(RFID, Radio Frequency Identification)定位系統等。每種定位技術(shù)特點(diǎn)和定位精度各不相同。借助于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的平臺,RFID定位追蹤系統是近期研究比較多的一個(gè)方向。

　　無(wú)線(xiàn)射頻識別技術(shù)(RFID, Radio Frequency Identification)是一種非接觸的自動(dòng)識別技術(shù),其基本原理是利用空間電磁波的耦合或傳播來(lái)進(jìn)行通信,以達到自動(dòng)識別被標識對象,獲取標識對象相關(guān)信息的目的。最簡(jiǎn)單的RFID系統由標簽(Tag)、讀寫(xiě)器(Reader)和天線(xiàn)(Antenna)3部分組成,配合計算機網(wǎng)絡(luò )和軟件支持可以組成一個(gè)RFID應用系統(圖2)。RFID運用無(wú)線(xiàn)電技術(shù)進(jìn)行通訊,信息儲存在標簽中的一個(gè)小硅片中。標簽進(jìn)入磁場(chǎng)后,接收解讀器發(fā)出的射頻信號,憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的信息(Passive Tag,無(wú)源標簽或被動(dòng)標簽),或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的加密信號(Active Tag,有源標簽或主動(dòng)標簽);解讀器讀取信息并解碼后送至中央信息系統進(jìn)行有關(guān)數據處理。

　　5　構建醫療行業(yè)中的定位感知系統

　　由定位感 知系統的結構特點(diǎn)和現有的醫療行業(yè)信息化水平來(lái)看,從現今的IT技術(shù)手段出發(fā),我們可以構建未來(lái)醫療行業(yè)中的定位感知系統的一個(gè)基本框架(圖3):以無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )為通信環(huán)境,以不斷升級的HIS系統為系統控制中心,以RFID技術(shù)為主要定位技術(shù)和信息獲取技術(shù)。

　　其實(shí)早在1997年,美國專(zhuān)利與商標局就批準過(guò)一個(gè)第5629678號專(zhuān)利,授權人為自然人。這個(gè)專(zhuān)利主要保護一種在身體植入RFID芯片,并用全球定位系統實(shí)施全球定位和身份識別的技術(shù)。它維系一種傳感器網(wǎng)絡(luò )。這個(gè)網(wǎng)絡(luò )能夠主動(dòng)對環(huán)境進(jìn)行監測,并記錄、發(fā)送相關(guān)資料。救護中心可隨時(shí)通過(guò)全球定位系統獲取當事人的位置、運動(dòng)路線(xiàn)、身份、緊急事態(tài)、救護辦法等。理論上講,這種技術(shù)可以用于檢測每個(gè)人的身體狀況,主動(dòng)檢測當事人遇到的疾病、遭遇的環(huán)境危害和人身攻擊,并自動(dòng)發(fā)送全部必要的救護信息。從專(zhuān)利描述的技術(shù)特點(diǎn)來(lái)看,這樣的一個(gè)RFID無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)趨于定位感知系統的要求。

　　美國食品與藥品管理局于2004年12月份正式批準了美國應用數據解決公司(ADS:Applied Digital So-lutionsCo.)在醫療行業(yè)銷(xiāo)售RFID芯片的申請。ADS公司的VeriChip是一個(gè)長(cháng)約12mm、外形呈“米粒”的RFID芯片。芯片上記錄有植入者的識別(ID)信息,植入人的上臂皮下。VeriChip有專(zhuān)用的“讀取掃描設備”。該掃描設備發(fā)出的微弱無(wú)線(xiàn)電波穿過(guò)皮膚到達 VeriChip,就向其提供了微弱能量。獲得這些能量后,VeriChip就發(fā)出植入者的ID信息,被掃描設備接收。這些ID信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到ADS 公司管理的數據庫中心。數據庫中心記錄有簽約加入者的過(guò)去的醫療與健康信息,根據需要可以隨時(shí)調用。盡管這一技術(shù)在美國引起了廣泛爭議,但是就定位感知系統而言,植入人體的VeriChip芯片使網(wǎng)絡(luò ),設備和人更緊密的結合,是符合定位感知系統的發(fā)展要求的。

　　除信息獲取以外,利用RFID技術(shù)進(jìn)行定位是我們構建定位感知系統的一個(gè)非常重要的部分。無(wú)線(xiàn)定位的精確度是現在乃至今后的一個(gè)挑戰性的研究?jì)热?。對于在一個(gè)小區域查找某一個(gè)人或者事物在或者不在的簡(jiǎn)單定位,RFID技術(shù)完全可以勝任而且已經(jīng)在很多場(chǎng)合得到應用。對于利用RFID進(jìn)行精確定位, 典型代表是SpotON系統和LANDMARC系統。SpotON系統基于信號強度分析,發(fā)展了一種聚合算法對三維空間進(jìn)行定位。系統中硬件標簽成網(wǎng)絡(luò )狀分布,無(wú)需中央控制單元,通過(guò)標簽測試到的信號強弱來(lái)表征標簽之間的幾何距離。LANDMARC系統通過(guò)引入參考定位標簽,并根據不同標簽之間的殘差加權算法,可以獲得較高的定位精度。但是這兩個(gè)系統還處于實(shí)驗研究階段,因為實(shí)際應用環(huán)境的復雜程度對定位精度有很大影響,所以利用RFID進(jìn)行精確定位是今后研究的一個(gè)重要方向,也是構建定位感知系統的一個(gè)重要環(huán)節。

　　在現有的技術(shù)條件下,RFID定位追蹤系統已經(jīng)開(kāi)始在一些醫院應用,結合無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和HIS系統,可根據醫院的規模和性質(zhì)或者根據治理的疾病分類(lèi),對所有的病人、探病者、醫護工作人員裝上RFID電子標簽進(jìn)行追蹤,在醫院的平面圖上進(jìn)行監控,所有受監控對象的情況將會(huì )一目了然。憑借無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的及時(shí)性和移動(dòng)性的優(yōu)勢,可以隨時(shí)進(jìn)行生命體征數據、醫護數據的查詢(xún)與錄入,醫生查房、床邊護理、呼叫通信、護理監控、藥物配送和病人標識碼識別等都成為透明的數字化服務(wù)。同時(shí)還可以做到查詢(xún)統計分析,內容包括:現場(chǎng)人員清點(diǎn)(包括人數、分布、人員資料等)、區域歷史記錄查詢(xún)(某個(gè)區域在某段時(shí)間內曾出現過(guò)的人或物)、人員(對象)歷史記錄查詢(xún)(特定對象曾在哪些區域出現)、警報歷史記錄查詢(xún)(統計出事件發(fā)生模式)、主要物料庫存及去向(如血漿、器官、化驗樣本等)。

　　6　結束語(yǔ)

　　普適計算概念從形成到現在經(jīng)歷了十幾年,對定位感知系統的研究一直是普適計算中最為人們重視的領(lǐng)域之一。醫院信息管理系統、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和RFID 等新興技術(shù)的應用,使我們看到現代科技已經(jīng)逐步在醫療行業(yè)當中構建起一個(gè)定位感知系統的雛形。雖然,現有的雛形離普適計算概念中信息空間與物理空間完全融合的世界還有不小距離,特別是在精確定位方面,但是我們相信,隨著(zhù)科技水平的不斷提高,定位感知系統會(huì )在醫療這個(gè)與生命休戚相關(guān)的行業(yè)中真正成型。到那時(shí),一個(gè)小小的芯片將實(shí)時(shí)、主動(dòng)檢測我們身體和外界環(huán)境的危險信號,它將充當貼身醫生每時(shí)每刻保護人們的安全。