超寬帶位置服務技術在患者生命體征監測系統中的研究進展

曹茂誠，王軍敬，楊云智

深圳市寶安人民醫院 計算機管理辦公室，廣東 深圳 518101

超寬帶位置服務技術在患者生命體征監測系統中的研究進展

曹茂誠，王軍敬，楊云智

深圳市寶安人民醫院 計算機管理辦公室，廣東 深圳 518101

超寬帶技術是一種無載波通信技術，利用納秒至微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，具有功耗低、高速、抗多徑效果好、安全性高等優點，是目前業界精度最高的商用定位系統。本文綜述了超寬帶位置服務技術在患者生命體征監測系統中的研究進展。結合國內外的研究進展，首先對室內定位技術進行了介紹，概述了室內定位技術在醫療行業中的研究及應用成果，然后對超寬帶技術及在可穿戴醫療設備、室內地圖開發中的應用及研究現狀進行了分析，最后對超寬帶位置服務技術的未來應用進行了分析與展望。

超寬帶；位置服務；生命體征監測；地理資訊系統；物聯網

引言

隨著我國新一輪醫療體制改革的不斷推進，醫療模式從傳統的以“重治療、輕預防”逐漸轉為“重預防、早診斷、早治療”的新模式，居民健康指標的實時監測、監護需求在不斷地提高，實時動態的監測人體生理參數是檢驗人身體是否健康的關鍵，醫療監護系統在疾病預防與診斷過程中發揮著越來越重要的作用。優質護理服務迫切需要通過無線移動、物聯網等技術，支持護理人員在具體落實各項優質護理服務過程中解決好業務流與信息流同步和以病人為中心的協同醫療服務的問題，從而真正保障由政府推動的優質護理服務工作的標準化建設，實現提高護理質量、改善醫患關系、促進公立醫院改革在護理工作中的有效落實[1-3]。如何有效利用物聯網、無線移動等新興技術開發一款可對住院患者進行室內定位并能夠自動采集患者生命體征的管理系統，進一步提升優質護理、緩解醫患關系已成為當前各公立醫院貫徹落實國家新醫改政策亟待解決的關鍵問題之一。目前，國內外已經有很多針對患者生命體征監測的研究，利用便攜監護設備或人體可穿戴設備并通過網絡實現了對脈搏、心電、血壓、體溫、血氧飽和度等人體健康信息的實時采集、信息無線傳輸和遠程監控。盡管生命體征監測研究領域已非常成熟，但是將住院患者生命體征自動采集與患者室內精準定位相結合的研究還非常少。充分利用室內定位技術實現對精神病患者、康復病人、重癥監護人群等特殊病患的實時定位并獲取患者生命體征可以有效做到對住院病人實時預警管理、活動狀態實時監控、REVIEW病人“病情”及時處理，進一步規范醫務人員的醫療行為，減輕護理工作量，規避人工抄錄數據所產生的錯誤，提高醫療質量，降低醫療差錯和事故。超寬帶技術是一種全新的、與傳統通信技術有著極大差異的通信新技術。它不需要使用傳統通信體制中的載波．而是通過發送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數據。相比傳統的無線電頻率系統，超寬帶UWB是一種混合定位技術，具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統復雜度低、能夠提高精確定位精度等優點，通常用于室內移動物體的定位跟蹤或導航。

1 室內定位技術

室內定位是指在室內環境中實現位置定位，主要采用無線通訊、基站定位、慣導定位等多種技術集成形成一套室內位置定位體系，從而實現人員、物體等在室內空間中的位置監控。近年來，隨著基于位置服務日益增大的需求，同時基于衛星定位的全球導航衛星系統無法在室內定位，針對復雜室內場景的室內定位技術發展迅速，從各個方面影響著人們的日常生活。室內定位技術作為定位技術在室內環境中的延續，彌補了傳統定位技術的不足，目前已經在特定的行業內投入實際應用，并取得了一定的應用成果，有著良好的應用前景。

1.1 常見的室內無線定位技術系統架構

常見的室內無線定位技術主要有：Wi-Fi、藍牙、紅外線、超寬帶、RFID、ZigBee和超聲波等。傳統的室內定位技術都需要事先部署相應的定位網絡來實現，它們可以共用相同的系統架構，見圖1。

圖1 傳統室內定位系統架構圖

由于醫院內部環境復雜性，特別是相對而言的獨立單元比如病房的病床和護理站、急救設備等，一般要求定位的精度比較高，這樣才能夠滿足應用需要；醫院內應用的無線室內定位系統要求不能對醫療電子設備產生過多干擾，同時自身不因外界環境改變而受到影響；由于室內環境的變化，比如增加大型設備、改裝屏蔽房、病房的增加或減少等都要求醫院室內定位技術具備較高的穩定性[4]。

國內醫院室內定位技術的研究及應用近幾年才剛剛起步，僅有少數醫院管理研究者在基于傳統的定位系統[4]上做了一系列的改進，杭州市紅十字會醫院的王敏等[5]設計一個基于CSS技術的室內定位系統，對醫院進行區域定位和監控，有效監測了患者跌倒墜床，促進了患者安全管理；南京郵電大學的李樹明等[6]利用CC2431芯片，開發了基于ZigBee的定位監護醫療服務系統,準確地反映室內溫度變化，成為改善病人生活質量的基礎。

1.2 超寬帶技術

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）[7]技術是室內定位技術的關鍵技術，該技術是一種全新的、與傳統通信技術有著極大差異的通信新技術。它不需要使用傳統通信體制中的載波，而是通過發送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數據。從而具有GHz量級的帶寬。美國FCC對超寬帶定義為任何-10 db相對帶寬大于0.2 MHz或者絕對帶寬大于500 MHz的信號都是超寬帶信號。相比傳統的無線電頻率系統，UWB是一種混合定位技術，可以實現高精度的跟蹤，因為它們受多徑失真的影響較小，它們的計算不是基于信號強度而是基于到達時間差，到達角度或到達時間。然而，對基于到達時間差的超寬帶系統而言接收器必須是同步的，這些接收器的成本和安裝時增加的復雜性對不需要嚴密細節的解決方案而言是有經濟成本影響的。近幾年，隨著電子芯片方案的成熟和成本下降,國內研究UWB技術及室內定位的越來越多。

UWB工作的頻率和基于時延的測距精度都很高。精確同步非常重要，難度也大。當超寬帶信號占空比很低時，對短距離傳輸來說。先后發射的脈沖即使經多經傳播后也能較容易識別。這也是UWB用于定位系統的典型優點，但是如果網絡節點密度較大、環境復雜時，多徑問題會很突出。這在室內定位中就會顯得尤為明顯。大多數UWB定位系統都采用TDOA方式。這樣可以弱化對基站與被測點之間的同步要求，但仍需要參考基站之間保持精確同步。

網絡定位協議是解決該問題的一種方式。定位節點可分為完整功能節點（Full Functional Node，FFD）和簡化功能節點（Reduced Function Node，RFD）。FFD與多個RFD以及相鄰的FFD進行會話。RFD定制非常簡單，僅能與一個FFD會話。定位協議可分為兩類，包括基于錨的協議和無錨協議?；阱^的協議假定網絡中的一個節點集（參考節點或錨節點）在網絡初始化時已知相對或絕對位置。需要外在的定位系統提供每個錨節點的位置。GPS終端可測定錨節點的位置，并提供一個坐標系，與定位協議相關的信令流量較低，但存在稀疏錨節點問題和測距誤差問題，GPS本身定位精度有限，以致產生較大的定位誤差。

若采用基于錨的TDOA定位模式，由被測節點發射信號，各基站負責接收。傳送到中心節點進行計算，從而得到被測點的精確坐標，適合節點小型化，簡單化地要求。解決網絡節點密度較大，室內環境復雜情況下的同步問題。

2 超寬帶技術的應用

2.1 超寬帶技術在可穿戴醫療設備中的應用

隨著醫療模式從診斷治療向日常監護轉變的同時將促使小型醫療便攜監護設備的興起，這些監護設備具有日常家庭使用的特點，即可穿戴醫療監護設備[8-9]或稱為便攜式醫療設備?？纱┐魇结t療監護設備是指將醫療監測系統集成在可穿戴設備系統上，即主要通過服裝及其附件而依附在人體上，既能實現穿戴物品的日常使用功能，又能實現人體生理信號的監測，從而達到生理信息監護與人體日常穿戴衣物、附件的無縫整合。

除了高校、研究所對醫療監護系統進行探索外，世界各國很多的電子行業巨頭甚至政府機構都十分看重其未來龐大的市場和廣泛的發展前景，并開始提供資金和政策支持。Intel實施了名為“Proactive Health”的項目，計劃研發一套基于體域網技術的人體生理參數醫療保健系統，旨在不僅僅是病人，哪怕是健康人群，也可通過該系統隨時掌握自身的健康狀況[10]。2010年，歐盟委員會通過相關文件正式提出了物聯網戰略，確立了使歐洲的基于物聯網的智能基礎設施處于世界領先地位的宏偉目標。緊接著, 通過ICT研發計劃啟動了90多個相關研發項目[11-12]，投入資金達到4億歐元，更在接下來的3年里投入6億歐元持續加強研究開發力度，并撥款3億歐元?？谟糜诮ㄔO物聯網相關項目，醫療相關項目也有涉及。

AMON和Life Shirt 設備是穿戴式健康醫療監護設備的兩個代表作品：AMON是腕帶式健康醫療監護設備，該設備集成了多個生理參數測量傳感器，能夠對人體生理參數進行實時采集和處理。Life Shirt 是襯衫式的健康醫療監護設備，其制作成本相較于一般的穿戴式醫療監護設備較高[13]；繆潔等[14]結合藍牙4.0通信協議,設計了一種便攜式心電采集系統，小體積、易操作的設計方案為可穿戴醫療設備提供了基礎。2017年7月，從南開大學獲悉，該校藥物化學生物學國家重點實驗室劉遵峰、史林啟團隊聯合國內外多個科研團隊，研獲了一種大形變電阻型應變傳感器。電阻型應變傳感器可以通過監測電阻測量形狀變化，具有制備簡單、檢測方便、耗能低的優勢，可廣泛應用于可穿戴設備與健康醫療監測領域。2017年7月19日，在聯想TechWorld大會上，聯想發布了一款名為SmartVest的智能心電衣，也是全球首款12導聯的醫療可穿戴設備。這件智能衣可以360度掃描心臟，實時監測用戶12導聯的心電圖，提供心率數據，續航方面可以連續使用兩周的時間。用戶穿在身上可以隨時自測心電圖、呼吸功率等健康指標，支持直接水洗。對于平時有運動習慣的人來說，在運動中心率過大的話，心電衣也會實時發出報警告知。通過手機端APP可以隨時掌握身體狀況，也可以根據數據定制健康趨勢分析或是優化訓練方案.

微機電系統[15-16]（Micro Electro Mechanical System，MEMS）也稱作微電子機械系統、微系統、微機械等，是在微電子技術（半導體制造技術）基礎上發展起來的，MEMS傳感器是采用微電子和微機械加工技術制造出來的新型傳感器。與傳統的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產、易于集成和實現智能化的特點。同時，微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統機械傳感器所不能實現的功能。

隨著MEMS器件成本的大大降低，MEMS加速度計的應用越來越廣，并大量應用于消費電子領域里的運動感應，如視頻、游戲、手機與計步器等。目前，基于MEMS傳感器的可穿戴式跌倒檢測系統由于檢測裝置體積小、攜帶方便，使用方式也比較靈活和方便，可在很多環境中使用，對用戶所處場地沒有要求，容易實現24 h無創、連續監測，不會影響被測人員的正?；顒訝顟B，己經在生活得到廣泛的應用[17-19]。目前MEMS加速度器件廠家很多，如ST Micro、Freescale、ADI、MEMSIC等等，生產的產品也各式各樣。MEMS加速計主要分為壓電式、容感式和熱感式3種技術。2013年意法半導體（ST Micro electronics，ST）宣布其微型運動感測和數據處理芯片投放市場[20]，用于研制市場上小而精確的穿戴式心率監測器，讓運動及健身愛好者可以隨時隨地掌握自己的心率狀況。

以美國科學情報研究所ISI的DII數據庫為數據來源，對數據庫中收錄的優先權年為2000～2014年的MEMS傳感器相關專利數據進行對比分析[21]，我們發現在各種可能發生的情況下，從無身體運動到心臟負荷最高的劇烈運動，意法半導體的低功耗高性能MEMS加速度計，可使心率測量的精度和可靠性保持與心電圖儀同樣的水平。意法半導體的先進加速度計能夠有效跟蹤手臂的運動和振動，徹底解決光血流檢測方法中的噪聲問題。

因此，通過選用ST的低功耗MEMS芯片，可以使患者定位終端在心率監測方面能夠區別實際心率脈沖信號和手臂運動產生的噪聲信號。

2.2 超寬帶技術在室內地圖軟件開發中的應用

地理資訊系統（Geographic Information System，GIS）是以地理坐標為骨干的信息系統，其主要功能為地圖顯示、平移縮放、屬性查詢、空間查詢與分析等。其中空間查詢和分析功能是地理信息系統的核心功能[22]。室內地圖的研究才剛剛起步。與成熟的戶外導航技術相比，室內地圖導航面臨諸多挑戰。谷歌2011年11月起開始將室內地圖加入谷歌地圖服務，用戶可以在谷歌地圖中瀏覽里面的建筑物室內信息，如機場、車站、博物館、商場、大學和其他室內公共場所[23]；而通過諾基亞的合作，微軟的必應地圖也剛剛更新了世界各地重要地標的室內地圖，這次更新主要專注于在北美，歐洲和亞洲等地的商場[24]。

Kazda等[25]使用GIS對社區醫療需求進行評估，證明并制定了一個公共衛生計劃；Parrott等[26]在社區衛生服務規劃建設中運用GIS，使社區衛生服務機構等公共衛生資源更趨人性化，加大社區腫瘤綜合預防的參與度。萬迪等[27]利用GIS空間分析技術對衛生醫療機構選址各因素進行分析，對其進行評估并對醫療機構選址進行評價，得到最大限度服務群眾的衛生機構選址。

目前，各業務領域基本上都是使用傳統商業GIS軟件，功能強大但費用昂貴。隨著信息技術的不斷發展，如何利用開源技術進行地理信息系統的研究已成為未來醫院室內定位亟待解決的關鍵問題。

湖北醫藥學院附屬醫院的王明舉等[28]利用開源軟件DotSpatial開發了一套醫院床位管理系統。借助該系統，臨床護士可以直觀準確的查詢病房床位具體位置及使用情況，極大的提高了工作效率。首都醫科大學附屬同仁醫院的韓蒞莉等[29]利用GIS技術及地圖處理模塊Arcgis.9.3開發了一套醫院空間管理系統，對醫院本身具有的軟硬件資源進行了全面合理的分析與配置，對每個病患根據實際需要分配合理的樓宇、設備、病房、床位及醫生，使得醫療資源得到最大限度的合理利用。

3 總結與展望

通過利用UWB超寬帶技術，采用基于錨的TDOA定位模式開發高精度室內定位模塊，實現對住院患者精確定位。貫徹落實了新醫改對公立醫院改革試點工作部署，全面加強了醫院臨床護理工作，響應國家衛計委要提出的全面推進優質護理服務“優質護理服務示范工程”活動；做到對住院病人實時預警管理、活動狀態實時監控、病人“病情”及時處理，進一步規范醫務人員的醫療行為，減輕護理工作量，規避人工抄錄數據所產生的錯誤，提高醫療質量，降低醫療差錯和事故。

盡管UWB對比其它定位技術有定位精度高、抗干擾性較好等優勢，但也存在不足：基礎設施部署成本高、電子芯片價格較高及需要定制終端及定位基站等。

相信隨著物聯網在醫療領域的不斷發展[30-31]、電子芯片技術的不斷革新及成本降低，UWB技術在醫院室內定位方面會發揮越來越大的作用，符合醫療行業個性化要求的室內定位算法將成為醫療領域一個新的研究熱點。

[1] 陳敏亞,陸靚亮.智能床位監測系統.在護理質控和管理中的應用[J].醫學信息學,2016,37(5):35-37.

[2] 王杉.醫院管理信息化對推進優質護理服務的作用[J].中國護理管理,2011,11(4):19-20.

[3] 張瓊瑤,李紅,陳美榕,等.依托信息化平臺全面推進優質護理[J].中國護理管理,2012,12(10):5-8.

[4] 喻志才.室內定位技術及其在醫院的應用研究[J].醫療衛生裝備,2015,6(36):124-126

[5] 王敏,葉楊,王瑞榮,等.基于CSS技術的室內定位系統在護理管理中的應用[J].醫院管理論壇,2017,34(5):65-67.

[6] 李樹明,肖艷,林巧民.基于ZigBee的定位監護醫療服務系統設計與實現[J].計算機技術與發展,2015,8(8):222-225.

[7] 王子冉,李環.室內超寬帶無線定位技術研究[J].微型機與應用,2015,34(8):60-66.

[8] 賈震宇,王維,王琛,等.可穿戴設備在醫療領域中的應用發展[J].中國醫療設備,2017,32(2):96-99.

[9] 祁麟,文彥麗.可穿戴血壓測量設備的研究與應用進展[J].中國醫療設備,2016,31(12):77-79.

[10] Warren S,Yao J,Schmitz R,et al.Reconfigurable point-of care systems designed with interoperability standards[A].International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc[C].2004:3270.

[11] Sam H,Gupta A.Communication from the European commission to the council, the European parliament, the economic and social committee and committee of the regions[J].Sci Eng Ethics,2002,8(1):113-117.

[12] 許愛裝.物聯網全球發展現狀及趙勢[J].移動通信,2013,(9):60-63.

[13] 郭紅路.國內監護儀的發展進程[J].中國醫療器械信息,2008,(11):21-22．

[14] 繆潔,徐文龍,徐冰俏.一種可穿戴式心電采集系統的設計[J].中國計量學院學報,2015,26(3):305-310.

[15] Bampasidis G,Solomonidou A,Bratsolis E,et al.Sounding the interior of Titan’s lakes by using Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS)[A].International Conference on Space Technology[C].New York:IEEE,2011:1-4.

[16] 王軍,桂雪會.基于慣性感應的手機交互模型.研究及應用分析[J].2013,37(2):18-20.

[17] 黃國范,李亞.人體動作姿態識別綜述[J].電腦知識與技術:學術交流, 2013,(1):133-135.

[18] Shany T,Redmond SJ,Narayanan MR,et al.Sensors-based wearable systems for monitoring of human movement and falls[J].Sens J IEEE,2012,12(3):658-670.

[19] 余家寶,趙輝,李瑞祥.基于ZigBee的可穿戴跌倒監護系統[J].信息技術.2010,12(3):114-115.

[20] 佚名.ST展示最新的傳感器和功率半導體解決方案[J].微型機與應用,2013,(14):89.

[21] 梁琴琴,趙志耘,趙蘊華.全球MEMS傳感器技術創新現狀與趨勢-基于2000-2014年專利分析[J].科技管理研究,2016,(10):165-169.

[22] 吳信才.地理信息系統原理、方法及應用[M].武漢:中國地質大學出版社,2000.

[23] Hightower J,Borriello G,Want R.SpotON: an indoor 3Dlocation sensing technology based on RF signal strength. UW CSE Technical Report[J].Uw Cse,2000:1-16.

[24] Google, Google Indoor Map[EB/OL].http://searchen-gineland.com/google-maps-the-great-indoors-android-only-102742.

[25] Kazda MJ,Beel ER,Villegas D,et al.Methodological complexities and the Use of GIS in conducting a community needs assessment of a large U.S. municaipality[J].J Community Health,2009,34(3):210-215.

[26] Parrott R,Volkman JE,Lengerich E,et al.Using GIS to promote community involvement in comprehensive cancer control[J].Health Commun,2010,25(3):276-285.

[27] 萬迪,藏德彥.基于GIS的衛生醫療機構選址[J].科技信息,2012,(1):201-267.

[28] 王明舉,胡桂平,江雪蓮.基于開源GIS的醫院床位管理系統實現[J].醫院數字化,2015,10(30):93-95.

[29] 韓蒞莉,黃志剛,劉芳.基于GIS技術的醫院空間布局設計研究[J].電子設計工程,2016,11(24):61-63.

[30] 劉秦寧,劉明哲,徐皚冬,等.基于Web的室內實時定位地圖系統的研究與實現[J].計算機應用,2015,35(S2):290-293.

[31] 高峰,張勝,劉惠欣,等.基于物聯網技術的醫療設備精確定位系統的設計[J].中國醫療設備,2016,31(8):78-86.

Research Progress of Hyperwideband Location Service Technology in the Vital Signs Monitoring System of Patients

CAO Maocheng, WANG Junjing, YANG Yunzhi
Computer Administration Office, Shenzhen Baoan People’s Hospital, Shenzhen Guangdong 518101, China

Ultra-wideband technology (UWB) is a non-carrier communication technology, which uses non-sine wave narrow pulse transmission data with nanosecond to microsecond level. As the most accurate commercial positioning system, it has the advantages of low power consumption, high speed, multipath effect, high safety and so on. This paper reviewed the research progress of hyperwideband location service technology in the monitoring system of vital signs of patients. Based on the research progress at home and abroad, this paper firstly introduced indoor positioning technology, and summarized the research and application results of indoor positioning technology in medical industry. Then the application and research status of ultra-broadband technology and the development of wearable medical devices and indoor maps were analyzed. Finally, the future application of uwb location service technology was analyzed and prospected in this paper.

ultra-wideband technology; location based service; vital sign monitoring; geographic information system; Internet of things

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.12.029

1674-1633(2017)012-0115-04

2017-07-27

2017-08-28

2 0 1 6年深圳市科技創新基礎研究項目（JCYJ20160427192622779）。

作者郵箱：caomaocheng@126.com

本文編輯 王婷