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基于RFID技术的计算机视觉数据标注系统在医院自动抓药机中的应用
1. 概要
RFID在多种场景具有多样性的用途。近年来，人工智能技术迅猛发展，在为人类带来便捷的同时，也对高质量的训练标注数据提出了巨大的需求。本文介绍了一种基于RFID技术的计算机视觉数据标注系统。该系统利用RFID芯片体积小、无源供电的特性，以及RFID技术在近场通信效率和防碰撞问题上的优势，为视觉数据标注提供一种高效安全的解决方案。本文以基于RFID技术的计算机视觉标注系统在医院自动抓药机中的应用为例，详细论证该方案的创新性和可行性。该系统使用RFID技术，全自动化高效构造图像中药丸数量清点的视觉模型数据集，使得机器学习模型实现药品包装过程中药丸数量的精确控制，从而提高医院药品管理的效率和准确性。
2. 概述
2.1. 人工智能模型与数据标注
目前，最实用的机器学习模型利用的是监督学习，它应用算法以将一个输入映射到一个输出。为了使监督学习发挥作用，需要为模型提供大量带标签的数据，使模型能够从中学习以做出正确的决定。数据标记的起点通常是要求人类就指定的无标签数据做出判断，例如清点图片中指定对象的数量、或是框定指定物体的轮廓等，作为输入信息的标签。机器学习模型在训练过程中，使用人类提供的标签，学习背后的模式。这样训练过的模型，可用于对新数据进行预测。训练过的模型的准确度将取决于标准答案的准确度，因此确保高准确度的数据标记至关重要。
然而，数据标注需要花费大量的人力成本。对于图像数据，常用的标注方法包括人工标注、使用图像生成技术生成与指定标签对应的图像等。但是这些方法往往具有成本过高、数据准确度低等劣势。
2.2. RFID技术
RFID是一种包含小型芯片的器件，当它处于阅读器生成的射频场时，会以无线通信方式，自动返回预先配置的数据，该数据作为该器件的ID。其通信方式具有传输速率快、可应用于非可视场景的优点。
RFID器件可以是无源、半无源、有源，其中无源 RFID 从阅读器生成的射频场中耦合电磁能量，不需要配备电源，因此应用更方便。
RFID 进行无线通信时，使用的频谱包括LF、HF、UHF、SHF。LF和HF采用电感耦合方式通信，从射频场中耦合电源，通信距离较短，速率低，但一般不需要备电；UHF 和 SHF采用雷达散射耦合方式，通信距离远，速率快，但一般需要备电；
RFID芯片的尺寸可以设计得很小，可达0.1平方毫米级别，同时又能保证相对远的识别距离。
2.3. 自动抓药机
随着医疗信息化的快速发展，医院对药品管理的要求也越来越高。传统人工抓药方式存在效率低、误差率高等问题。自动抓药机可以显著提高药品包装的效率。自动抓药机能够从药库中释放出指定数量的药丸，将其包装交付给患者。
然而，由于抓药需要严格的准确性，如何在自动抓药机中清点药丸的数量是一个亟待解决的问题。同时，药品要求高度的卫生条件。因此，使用计算机视觉方法是解决此问题的最佳方案。因此，需要使用机器学习方法训练一个视觉模型，核验药库释放药丸的数量是否符合处方要求。
考虑到药丸尺寸小、数量变化情况复杂，训练视觉模型的数据集有准确度高、细粒度高、数据分布方差大的要求。
在后文中，对于构建数据集和模型实际应用过程，我们将在系统介绍一节中分别描述使用的RFID技术、系统组成、部署方案、工作流程和系统安全性设计；最后，我们将在总结展望一节中描述本系统的不足和可能的后续研究方向。
3. 系统介绍
3.1. 使用的RFID频点及理由
本系统使用高频（High Frequency）频段（13.56MHz）的RFID标签。选择RFID频点考虑的因素有三个。
首先是RFID芯片的尺寸和备电需求受到限制。在制作标注数据的过程中，RFID芯片在药丸样品内部发挥作用，因此需要将芯片尺寸限制在药丸样品的体积之内，且需要无源供电。HF频段的RFID可以无源供电，且天线尺寸较小，能够满足该需求。
其次是芯片与阅读器的耦合距离限制。系统从药库中释放药丸到数据收集区，这限制了耦合距离不能过大，否则容易导致各个区域的药丸样品相互干扰。HF频段的耦合距离约15cm，既能识别各个区域内的所有药丸样品，又不会误识别其他区域的药丸样品。
最后是抗干扰能力的限制。采集区域可能使用金属容器，HF频段的抗金属干扰能力强，减少了差错的产生。
3.2. 系统组成
系统主要由以下几部分组成：
RFID标签：这些标签嵌入在样例药丸内部，具有唯一的标识符，用于标记和追踪每颗药丸的数量。这些标签选择HF频段（13.56MHz），因其天线尺寸较小，能够无源供电且具有较强的抗干扰能力，适合嵌入在药丸内部。
摄像头：安装在药盘上方，用于实时拍摄药丸的图像。这些图像将用于训练和验证计算机视觉模型，确保模型能够精确识别和计数药丸。
RFID阅读器：放置在摄像头附近，用于读取药丸内部RFID标签的信息。阅读器选用定向天线，确保信号集中在药盘区域，避免对周边区域的干扰，同时调整阅读器的功率以确保其读取范围仅限于近距离内的标签。
药库：一个配备了RFID阅读器的封闭容器，负责存储和释放药丸。药库中的阅读器用于在每次释放药丸样品前，清点药库内的药丸样品数量，确保其正确无误。
药盘：用于承接药库释放的药丸，确保药丸分布均匀并便于摄像头拍摄。药盘设计有振动装置，使药丸在盘中均匀分布并静止，便于后续的数据采集。
控制计算机：作为系统的控制中心，向各个组件发出指令，协调数据采集和标注流程。它获取摄像头拍摄的图像和RFID阅读器读取的标签信息，生成（图像，数量）的数据对，并存储在数据集中供模型训练使用。
计算机视觉模型：基于深度学习算法，用于识别和计数摄像头拍摄图像中的药丸数量。通过使用生成的数据集进行训练，模型能够实现对新图像中药丸数量的高精度预测，确保药品包装的准确性和高效性。
3.3. 部署方案
为了隔绝药库和药盘之间的RFID信号传播，我们采用以下措施：
- 在药库和药盘之间安装RFID信号屏蔽材料，如金属板，阻挡RFID信号的传播。
- 调整药库和药盘中RFID阅读器的功率，使其只能读取到近距离内的RFID标签，减少RFID信号的传播范围。
- 在药盘中使用定向天线，将RFID阅读器的信号集中在药盘区域，避免信号向不需要的区域传播。
具体部署如下：
- 药库：安装一个RFID阅读器，控制其功率，确保每次吐药前，药库中的样例药丸数量正确。
- 抓药机药盘：安装一个摄像头和一个定向天线的RFID阅读器，摄像头用于拍摄药丸图像，RFID阅读器用于读取样例药丸的RFID标签信息。
3.4. 工作流程
- 药库释放药丸：首先药库内部的RFID阅读器清点药丸中的RFID芯片总量。若总量正确，随机释放一定数量的样例药丸。若总量不正确，发出警报，中止采集流程；
- 药盘承接药丸：药盘承接药库释放的药丸，通过振动等方式使药丸铺开，随后静止等待采集数据；
- 采集数据：摄像头拍摄药盘图像，RFID阅读器读取药丸内部RFID标签信息，统计药丸数量。控制计算机获取摄像头和RFID阅读器设备信息，组成（图像，数量）数据对，写入数据集保存；
- 模型训练与部署：使用数据集训练视觉模型，最终用于生产环境。
3.5. 系统安全性设计
为了确保系统的安全性和数据的准确性，系统设计了以下安全措施：
- 在药库中安装RFID阅读器，每次吐药前，先检查药库中的样例药丸数量，确保数量正确、RFID芯片没有损坏。
- 隔绝药库和药盘之间的RFID信号传播，防止药盘的RFID阅读器误读药库中的药丸芯片。
4. 总结展望
通过本文介绍的基于RFID技术的计算机视觉数据标注系统，医院可以实现药丸包装过程中的精确控制，提高药品管理的效率和准确性。未来，可以进一步优化系统的算法和硬件设计，提升系统的性能和可靠性，同时探索RFID技术在其他医疗场景中的应用潜力。