实用物联网医学
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四、物联网医学在远程恢复中的应用

无线远程医疗可在任何地方促进治愈,如陆地、海上以及空中。通过视频会议,不同国家的专家可以向医务人员,甚至是向没有接受过任何医疗培训的人员,实时提供建议。另外,通过远程医疗可以查询患者的电子病历,以便了解任何已知信息。除了在空中,远程医疗几乎可以在任何地方实施医疗诊断和治愈。远程恢复往往需要迅速定位患者,以及确定任何潜在影响患者恢复的危险因素,避免患者受其伤害。下面我们描述远程医疗帮助公众及专业人士冒着生命危险进行救治的三种情况:

(一)物联网医学在火灾救援中的应用

在火灾救援中,掌握灾难现场情况非常重要,被困人员多少、地点、危险情况、火势大小、着火物品、危险程度等都需要全面掌握,了解和掌握这些情况对救援起到至关重要的作用。因此,救援人员到火灾现场后,必须及时对灾难现场进行迅速、全面、细致的侦查。
由于救援时间有限,在火灾中实施救援是最具挑战性的。火蔓延迅速,并总是伴有可损伤视力的烟雾;该情况下,寻找逃离通道非常困难。医务人员和消防员都需要极其可靠的通信系统和工具,可以在最短时间回到安全环境。事实上,除非特别情况,人们通常不会随身携带任何信号识别装置,从而使寻找火灾中被困人员变得更加困难。因此,期望使用无线电定位被困者,是不切实际的。这就意味着只有依靠专业人士冒着生命危险,以确保尽早找到所有失踪者,并使其通过安全逃生通道到达安全区域。不幸的是,专业人员进入建筑物前不一定能获得楼层平面图。着火建筑物很容易变成一个迷宫。此外,对于逃生,救援人员进入建筑物的路径不一定是最短和最安全的。进入路径还可能被坠落的危险障碍物堵塞。
浓烟会严重损害视力,使被困人员几乎看不到周围事物。同样地,无线路径可被含有能量吸收材料物质阻止。对于无线电波,金属是一种特别“不友好”材料;但是建筑物由于多种原因,不可避免地都使用金属。不亲身体验烟雾阻碍视力和通信被火灾现场事物切断的处境,很难用言语来形容救援人员实际上是多么的绝望。
超过几个GHz频率的信号一般比低频率信号更容易穿透材料。手机信号进入电梯时可能会中断,这是由于大部分电梯具有金属外壳,有效阻断常用的900MHz手机信号。出于这个原因,消防员需要比手机更可靠的设备,确保他们能找到最安全逃生路线。每个通信设备具有不同功能,以确保用户安全。值得注意的是,防护服可以防止救助者和设备长时间接触高温和有毒气体。通信设备必须保证在任何屏蔽下都可保持连接。此外,必须有效排除干扰,以确保失火建筑物内的持续沟通。
另一个重要因素是需要确保氧气量足以维持到达安全环境。发出警报以允许足够的逃生时间,救援队可以在氧耗尽之前补充氧气。必须以微妙方式发出警报,避免对消防员产生不必要的压力。除了供氧状态,还应向控制或指挥中心汇报火场中任何易燃或有毒气体,以及环境录像,使其更好地了解救援情况。因此,满足多种通讯需求的可靠网络对于确保救援人员安全是必需的。
卫星覆盖范围广、穿透属性优异。当与异地救援人员交谈时,卫星电话是一个不错选择。然而,对于建筑物内消防救援,位置跟踪精度远远不够。GPS定位精度取决于不可控的因素,包括卫星位置和有效精度系数(可能受到附近建筑物的严重影响)。通常情况下,GPS仅能在半径为几米的范围内定位。这意味着被困人员可能被误认为在相邻房间,导致搜救时间延长。精度不足甚至可能导致在无3D定位建筑物中,搜救楼层错误。因此,卫星不适合消防救援。
救援人员使用的设备需要满足的基本要求包括:轻便、精确定位、能够良好穿透建筑材料和耐高温。
总之,随着不同通信网络技术的进步,需要开发更先进的无线系统,以满足日益增加的不同情形下提高生存的需求。

(二)物联网医学在海上救援中的应用

由于移动通信网络不能应用于海上,因此海上救援是救援人员面临的一个挑战性问题。在无陆地的海洋中,仅仅只有卫星通讯。虽然大多数现代船只都配备高精度的GPS,但这种方法并不总是可行的,因为需要紧急救援的伤员可能被抛到海里,或者船舶已经被击沉或失去动力。通信、电子及计算机技术的发展使医疗恢复在许多情况下,比以前容易得多。海上救援的第一步就是找到伤员。与高分辨率视频拍摄同时使用的视频提取技术,使在海上定位人或物体变得更加容易。必须实时开展救援船、直升机和控制中心的协调合作,因为现代设施可以快速将伤员送去救治。
卫星通讯通常用于海上搜救,卫星是可以覆盖整个海面的设施。由于卫星通讯利用GHz量级毫米波,因此沉船搜救几乎是不可能的。水下无线通信远比空中通信更有挑战性。声波在水中的传播速度比在空气中快5倍,使得声压通道适于水下通信。远程水下声压传播的研究可追溯到15世纪。正如其名称所暗示的,声道涉及可听频率范围从几十赫兹到20KHz。因此,无线通信系统需要不同的收发设备和天线。由于在空气中,声波传播速度远比毫米波慢,因此会带来传播延迟。除了显著的传播延迟,水下通信也受到多路径变化快和可用带宽窄等的影响。

(三)物联网医学在森林和山区救援中的应用

一般在草木茂密的地区进行搜救往往是不可见的。虽然红外摄像头在一些情况下可以帮助定位伤员,但是它不是在任何情况下都有效,并且其有效性受多种环境因素限制。另外,移动电话在森林和山区几乎无法使用,使救援更加困难。
在这些地区进行无线电通信非常困难。首先,由于特别低的用户密度和使用率,这些地区对运营商无吸引力。由于植被茂密,无法维持LOS路径;因此,衍射和反射成为影响成功通讯的重要威胁因素。无线路径的基本使命是向接收器提供足够的信号功率,从而得到有意义的信息,如:接收器的方位或显示周围区域的图像。物理障碍,如植物,对波传播的影响可用菲涅耳区域描述,指无线电路径两端两个天线的椭圆体封闭的空间。如果该区域内没有物体引起显著衍射,则可以维持正常无线电通信。但这并不意味一旦没有成功清理菲涅耳区,就会导致通信中断。经验表明,网络破坏很大程度上取决于实施环境。地面反射路径有时会受树木和其他植物干扰;而地面反射是在高原植被或湖泊,引起信号中断的主要因素。尽管不可能有LOS路径,但是如果有发射器和接收器,可能同时拥有直接路径和地面反射路径。该情况下,路径损耗取决于信号通过两个路径传导时的相对振幅和相位关系。反射波的振幅和相位依赖于多个变量,包括电导率和介电常数,如:反射面、频率、入射角和偏振。他们会相互重叠,从而引起变化。两个路径之间的相对信号强度取决于清除菲涅尔区域的地面反射路径和LOS信号路径(如果存在)的比例。如果是前者由于反射很少发生中断,这两个路径将会有类似信号强度。这种情况可能在信号只通过直接路径传导时,升高到6dB;或者信号消失,导致20dB的附件路径中断;或取决于两个路径的相对相移。两组信号在同相中结合(无相对相移)会导致“相长干涉”;在异相中结合(180°相对相移)将导致“相消干涉”。扩频技术和天线分集可有效控制这类问题。此外,雾可显著消减频率高于20GHz的信号,因此,在湿度大的森林中构建通讯系统,需要着重考虑该问题。
针对以上三种特殊救援现场,物联网能够克服上述特殊地理及环境因素导致的障碍,实施救援。物联网医学可实现救援现场及各医疗机构间患者健康及康复信息的互通和分享,并建立二级网络双向转诊机制,扩大专家的服务效率和范围;最终达到“三个连接(生物传感器、软件和云计算)全时空,融合三众(百姓、社区和专科医师)在其中。教育防保与诊疗,全新模式惠民众”的惠及民生的目标,并可在全国乃至发展中国家范围内推广。

(李静 吴杰)