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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置身于一個無線網絡的世界,服務設備無處不在,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揮計算機系統和網絡的功能,利用它們更好地為人們服務,極大提高人們的生活質量。普適計算可以認為是信息空間與物理空間的融合,在這個融合的空間中人們可以隨時隨地、透明地獲得數字化的服務。 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態獲取用戶的位置信息,同時為用戶積極主動地提供各種所需服務。在傳統的“請求—應答”服務模式中,用戶要得到所需信息必須先向服務系統提出請求,系統響應后給出回復,按照要求的格式提供信息。這種被稱為“被動模式”的系統無法滿足用戶動態信息的需求,無法積極智能地主動提供服務,是不符合普適計算的要求的。 定位感知系統是“主動模式”系統,它能夠同時為許多用戶提供服務。系統能夠根據自已取得的信息主動向用戶們進行廣播,說明自己能夠提供的服務,用戶按照自己的所需獲取自己的信息。因此,“主動模式”必須擁有兩個功能系統:“定位系統(Orienta-tionSystem)”和“位置系統(LocationSystem)”。“定位系統”的重點在于要知道對象所在的位置,而“位置系統”的重點在于要知道特定位置上的對象集。 在醫療行業中,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等。隨著醫療行業信息化的不斷發展,定位感知系統正逐步在醫療行業構建起來,給醫療行業帶來了跨越式的發展。一個無所不在的救護網絡,一個準確快捷的設備和藥品管理網絡,一個安全及時的病人信息網絡,不僅提升了醫院的服務能力,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,對醫療行業中的定位感知系統進行研討和展望。 從結構上來講,定位感知系統可分為以下五個部分:系統控制中心、事務處理中心、通信環境、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處理中心傳送,將位置信息向“位置系統”傳送,它必須能夠實時處理大量的各種信息,并進行分析檢測。 近幾年來,國內各大醫院都在建設數字化醫院,“數字化醫院”就是利用先進的計算機及網絡技術,將病人的診療信息、衛生經濟信息、藥品信息、醫院管理信息等各類信息進行最有效的收集、儲存、傳輸與整合,并實現各類業務流程的最優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)實現的就是系統控制中心的功能,它是整個醫院甚至是醫療行業的控制管理中心,可以實時傳輸和處理大量的醫療信息,有的甚至是從急救現場傳來的資料。 2 事務處理中心 事務處理中心是整個系統的服務發送者與處理單元。它接收系統控制中心傳來的各種信息,或者響應用戶的服務請求,或者主動向用戶廣播各種有用信息。系統控制中心將許多更細節化的工作分散到各個事務處理中心,比如醫院HIS系統中的護士工作站,就是一個比較典型的事務處理中心。 3 通信環境 通信環境為各個部分的信息傳送提供支持。從定位感知系統的意義上來講,我們希望構建的是一個無線的網絡世界。而無線廣域網、無線局域網等技術的出現為實現定位感知系統的通信環境提供了一個非常好的平臺。 無線廣域網(WWAN)技術可使用戶通過遠程公共網絡或專用網絡建立無線網絡連接。通過使用無線服務提供商所維護的若干天線或衛星系統,這些連接可以覆蓋廣大的地理區域。 無線局域網(WLAN)是采用無線通訊技術代替傳統電纜,提供設備接入功能的網絡,是計算機網絡與無線通信、移動通信技術相結合的新生技術。在無線局域網的發展中,形成了包括IEEE802.11a,802.11b,802.11g,HiperLAN/2等在內的國際標準,能夠提供的網絡接入速率從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,而無論是定位信息還是位置信息都離不開無線定位技術的應用。常用的無線定位技術有:紅外線定位技術、全球定位系統(GPS)、超聲波定位系統、IEEE802.11定位系統和無線射頻識別(RFID, Radio Frequency Identification)定位系統等。每種定位技術特點和定位精度各不相同。借助于無線網絡的平臺,RFID定位追蹤系統是近期研究比較多的一個方向。 無線射頻識別技術(RFID, Radio Frequency Identification)是一種非接觸的自動識別技術,其基本原理是利用空間電磁波的耦合或傳播來進行通信,以達到自動識別被標識對象,獲取標識對象相關信息的目的。最簡單的RFID系統由標簽(Tag)、讀寫器(Reader)和天線(Antenna)3部分組成,配合計算機網絡和軟件支持可以組成一個RFID應用系統(圖2)。RFID運用無線電技術進行通訊,信息儲存在標簽中的一個小硅片中。標簽進入磁場后,接收解讀器發出的射頻信號,憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的信息(Passive Tag,無源標簽或被動標簽),或者主動發送某一頻率的加密信號(Active Tag,有源標簽或主動標簽);解讀器讀取信息并解碼后送至中央信息系統進行有關數據處理。 5 構建醫療行業中的定位感知系統 由定位感知系統的結構特點和現有的醫療行業信息化水平來看,從現今的IT技術手段出發,我們可以構建未來醫療行業中的定位感知系統的一個基本框架(圖3):以無線網絡為通信環境,以不斷升級的HIS系統為系統控制中心,以RFID技術為主要定位技術和信息獲取技術。 其實早在1997年,美國專利與商標局就批準過一個第5629678號專利,授權人為自然人。這個專利主要保護一種在身體植入RFID芯片,并用全球定位系統實施全球定位和身份識別的技術。它維系一種傳感器網絡。這個網絡能夠主動對環境進行監測,并記錄、發送相關資料。救護中心可隨時通過全球定位系統獲取當事人的位置、運動路線、身份、緊急事態、救護辦法等。理論上講,這種技術可以用于檢測每個人的身體狀況,主動檢測當事人遇到的疾病、遭遇的環境危害和人身攻擊,并自動發送全部必要的救護信息。從專利描述的技術特點來看,這樣的一個RFID無線網絡已經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.)在醫療行業銷售RFID芯片的申請。ADS公司的VeriChip是一個長約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有專用的“讀取掃描設備”。該掃描設備發出的微弱無線電波穿過皮膚到達VeriChip,就向其提供了微弱能量。獲得這些能量后,VeriChip就發出植入者的ID信息,被掃描設備接收。這些ID信息通過網絡發送到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去的醫療與健康信息,根據需要可以隨時調用。盡管這一技術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芯片使網絡,設備和人更緊密的結合,是符合定位感知系統的發展要求的。 除信息獲取以外,利用RFID技術進行定位是我們構建定位感知系統的一個非常重要的部分。無線定位的精確度是現在乃至今后的一個挑戰性的研究內容。對于在一個小區域查找某一個人或者事物在或者不在的簡單定位,RFID技術完全可以勝任而且已經在很多場合得到應用。對于利用RFID進行精確定位,典型代表是SpotON系統和LANDMARC系統。SpotON系統基于信號強度分析,發展了一種聚合算法對三維空間進行定位。系統中硬件標簽成網絡狀分布,無需中央控制單元,通過標簽測試到的信號強弱來表征標簽之間的幾何距離。LANDMARC系統通過引入參考定位標簽,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。但是這兩個系統還處于實驗研究階段,因為實際應用環境的復雜程度對定位精度有很大影響,所以利用RFID進行精確定位是今后研究的一個重要方向,也是構建定位感知系統的一個重要環節。 在現有的技術條件下,RFID定位追蹤系統已經開始在一些醫院應用,結合無線網絡和HIS系統,可根據醫院的規模和性質或者根據治理的疾病分類,對所有的病人、探病者、醫護工作人員裝上RFID電子標簽進行追蹤,在醫院的平面圖上進行監控,所有受監控對象的情況將會一目了然。憑借無線網絡的及時性和移動性的優勢,可以隨時進行生命體征數據、醫護數據的查詢與錄入,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。同時還可以做到查詢統計分析,內容包括:現場人員清點(包括人數、分布、人員資料等)、區域歷史記錄查詢(某個區域在某段時間內曾出現過的人或物)、人員(對象)歷史記錄查詢(特定對象曾在哪些區域出現)、警報歷史記錄查詢(統計出事件發生模式)、主要物料庫存及去向(如血漿、器官、化驗樣本等)。 6 結束語 普適計算概念從形成到現在經歷了十幾年,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域之一。醫院信息管理系統、無線網絡和RFID等新興技術的應用,使我們看到現代科技已經逐步在醫療行業當中構建起一個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,隨著科技水平的不斷提高,定位感知系統會在醫療這個與生命休戚相關的行業中真正成型。到那時,一個小小的芯片將實時、主動檢測我們身體和外界環境的危險信號,它將充當貼身醫生每時每刻保護人們的安全。 |
