醫(yī)療行業(yè)中的定位感知系統(tǒng)

定位感知系統(tǒng)（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(wǎng)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(fā)揮計算機系統(tǒng)和網(wǎng)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(zhì)量。普適計算可以認為是信息空間與物理空間的融合，在這個融合的空間中人們可以隨時隨地、透明地獲得數(shù)字化的服務。

定位感知系統(tǒng)是普適計算的重要組成部分。所謂定位感知，就是系統(tǒng)中心在一定的精確度內(nèi)動態(tài)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(tǒng)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(tǒng)提出請求，系統(tǒng)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(tǒng)無法滿足用戶動態(tài)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(tǒng)是“主動模式”系統(tǒng)，它能夠同時為許多用戶提供服務。系統(tǒng)能夠根據(jù)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(tǒng)：“定位系統(tǒng)（Orienta-tionSystem）”和“位置系統(tǒng)（LocationSystem）”。“定位系統(tǒng)”的重點在于要知道對象所在的位置，而“位置系統(tǒng)”的重點在于要知道特定位置上的對象集。

在醫(yī)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(yī)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(yī)療服務等。隨著醫(yī)療行業(yè)信息化的不斷發(fā)展，定位感知系統(tǒng)正逐步在醫(yī)療行業(yè)構建起來，給醫(yī)療行業(yè)帶來了跨越式的發(fā)展。一個無所不在的救護網(wǎng)絡，一個準確快捷的設備和藥品管理網(wǎng)絡，一個安全及時的病人信息網(wǎng)絡，不僅提升了醫(yī)院的服務能力，方便了醫(yī)院內(nèi)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(tǒng)的結構和現(xiàn)有的醫(yī)療信息化水平出發(fā)，對醫(yī)療行業(yè)中的定位感知系統(tǒng)進行研討和展望。

從結構上來講，定位感知系統(tǒng)可分為以下五個部分：系統(tǒng)控制中心、事務處理中心、通信環(huán)境、定位系統(tǒng)和位置系統(tǒng)（圖1）。

1 系統(tǒng)控制中心

系統(tǒng)控制中心是整個系統(tǒng)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(tǒng)”傳送，它必須能夠?qū)崟r處理大量的各種信息，并進行分析檢測。

近幾年來，國內(nèi)各大醫(yī)院都在建設數(shù)字化醫(yī)院，“數(shù)字化醫(yī)院”就是利用先進的計算機及網(wǎng)絡技術，將病人的診療信息、衛(wèi)生經(jīng)濟信息、藥品信息、醫(yī)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(xiàn)各類業(yè)務流程的最優(yōu)化和信息利用最大化的醫(yī)院。而這些醫(yī)院所使用的醫(yī)院信息管理系統(tǒng)（HIS:HospitalInformationSystem）實現(xiàn)的就是系統(tǒng)控制中心的功能，它是整個醫(yī)院甚至是醫(yī)療行業(yè)的控制管理中心，可以實時傳輸和處理大量的醫(yī)療信息，有的甚至是從急救現(xiàn)場傳來的資料。

2　事務處理中心

事務處理中心是整個系統(tǒng)的服務發(fā)送者與處理單元。它接收系統(tǒng)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(tǒng)控制中心將許多更細節(jié)化的工作分散到各個事務處理中心，比如醫(yī)院HIS系統(tǒng)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(huán)境

通信環(huán)境為各個部分的信息傳送提供支持。從定位感知系統(tǒng)的意義上來講，我們希望構建的是一個無線的網(wǎng)絡世界。而無線廣域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)等技術的出現(xiàn)為實現(xiàn)定位感知系統(tǒng)的通信環(huán)境提供了一個非常好的平臺。

無線廣域網(wǎng)（WWAN）技術可使用戶通過遠程公共網(wǎng)絡或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡建立無線網(wǎng)絡連接。通過使用無線服務提供商所維護的若干天線或衛(wèi)星系統(tǒng)，這些連接可以覆蓋廣大的地理區(qū)域。

無線局域網(wǎng)（WLAN）是采用無線通訊技術代替?zhèn)鹘y(tǒng)電纜，提供設備接入功能的網(wǎng)絡，是計算機網(wǎng)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(wǎng)的發(fā)展中，形成了包括IEEE802.11a,802.11b,802.11g,HiperLAN/2等在內(nèi)的國際標準，能夠提供的網(wǎng)絡接入速率從11Mbps,22Mbps到54Mbps不等。

4　“定位系統(tǒng)”與“位置系統(tǒng)”

“定位系統(tǒng)”和“位置系統(tǒng)”是定位感知系統(tǒng)的重要功能系統(tǒng)，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(tǒng)（GPS）、超聲波定位系統(tǒng)、IEEE802.11定位系統(tǒng)和無線射頻識別（RFID, Radio Frequency Identification）定位系統(tǒng)等。每種定位技術特點和定位精度各不相同。借助于無線網(wǎng)絡的平臺，RFID定位追蹤系統(tǒng)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(tǒng)由標簽（Tag）、讀寫器（Reader）和天線（Antenna）3部分組成，配合計算機網(wǎng)絡和軟件支持可以組成一個RFID應用系統(tǒng)（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(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,無源標簽或被動標簽），或者主動發(fā)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(tǒng)進行有關數(shù)據(jù)處理。

5　構建醫(yī)療行業(yè)中的定位感知系統(tǒng)

由定位感知系統(tǒng)的結構特點和現(xiàn)有的醫(yī)療行業(yè)信息化水平來看，從現(xiàn)今的IT技術手段出發(fā)，我們可以構建未來醫(yī)療行業(yè)中的定位感知系統(tǒng)的一個基本框架（圖3）：以無線網(wǎng)絡為通信環(huán)境，以不斷升級的HIS系統(tǒng)為系統(tǒng)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(tǒng)實施全球定位和身份識別的技術。它維系一種傳感器網(wǎng)絡。這個網(wǎng)絡能夠主動對環(huán)境進行監(jiān)測，并記錄、發(fā)送相關資料。救護中心可隨時通過全球定位系統(tǒng)獲取當事人的位置、運動路線、身份、緊急事態(tài)、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(huán)境危害和人身攻擊，并自動發(fā)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(wǎng)絡已經(jīng)趨于定位感知系統(tǒng)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(shù)據(jù)解決公司（ADS:Applied Digital So-lutionsCo.）在醫(yī)療行業(yè)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(fā)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(fā)出植入者的ID信息，被掃描設備接收。這些ID信息通過網(wǎng)絡發(fā)送到ADS公司管理的數(shù)據(jù)庫中心。數(shù)據(jù)庫中心記錄有簽約加入者的過去的醫(yī)療與健康信息，根據(jù)需要可以隨時調(diào)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(tǒng)而言，植入人體的VeriChip芯片使網(wǎng)絡，設備和人更緊密的結合，是符合定位感知系統(tǒng)的發(fā)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(tǒng)的一個非常重要的部分。無線定位的精確度是現(xiàn)在乃至今后的一個挑戰(zhàn)性的研究內(nèi)容。對于在一個小區(qū)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(jīng)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(tǒng)和LANDMARC系統(tǒng)。SpotON系統(tǒng)基于信號強度分析，發(fā)展了一種聚合算法對三維空間進行定位。系統(tǒng)中硬件標簽成網(wǎng)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(tǒng)通過引入?yún)⒖级ㄎ粯撕?，并根?jù)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(tǒng)還處于實驗研究階段，因為實際應用環(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(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)。

在現(xiàn)有的技術條件下，RFID定位追蹤系統(tǒng)已經(jīng)開始在一些醫(yī)院應用，結合無線網(wǎng)絡和HIS系統(tǒng)，可根據(jù)醫(yī)院的規(guī)模和性質(zhì)或者根據(jù)治理的疾病分類，對所有的病人、探病者、醫(yī)護工作人員裝上RFID電子標簽進行追蹤，在醫(yī)院的平面圖上進行監(jiān)控，所有受監(jiān)控對象的情況將會一目了然。憑借無線網(wǎng)絡的及時性和移動性的優(yōu)勢，可以隨時進行生命體征數(shù)據(jù)、醫(yī)護數(shù)據(jù)的查詢與錄入，醫(yī)生查房、床邊護理、呼叫通信、護理監(jiān)控、藥物配送和病人標識碼識別等都成為透明的數(shù)字化服務。同時還可以做到查詢統(tǒng)計分析，內(nèi)容包括：現(xiàn)場人員清點（包括人數(shù)、分布、人員資料等）、區(qū)域歷史記錄查詢（某個區(qū)域在某段時間內(nèi)曾出現(xiàn)過的人或物）、人員（對象）歷史記錄查詢（特定對象曾在哪些區(qū)域出現(xiàn)）、警報歷史記錄查詢（統(tǒng)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

普適計算概念從形成到現(xiàn)在經(jīng)歷了十幾年，對定位感知系統(tǒng)的研究一直是普適計算中最為人們重視的領域之一。醫(yī)院信息管理系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡和RFID等新興技術的應用，使我們看到現(xiàn)代科技已經(jīng)逐步在醫(yī)療行業(yè)當中構建起一個定位感知系統(tǒng)的雛形。雖然，現(xiàn)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(tǒng)會在醫(yī)療這個與生命休戚相關的行業(yè)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(huán)境的危險信號，它將充當貼身醫(yī)生每時每刻保護人們的安全。

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