基于超寬帶位置服務技術的患者生命體征監測系統研究

曹茂誠, 王軍敬, 楊云智

(深圳市寶安人民醫院)

0 引言

隨著社會經濟的發展、國民健康意識的不斷增強以及國家醫療衛生事業改革的不斷推進,醫院信息化建設已由原來的以財務為中心向以病人為中心的思想進行轉變，病人對醫療優質護理也提出了更多需求。國辦發〔2015〕38號《國務院辦公廳關于城市公立醫院綜合改革試點的指導意見》，文件明確指出要加快推進醫療衛生信息化建設；國衛辦醫發〔2015〕15號文件《關于進一步深化優質護理、改善護理服務的通知》，重點強調了信息化建設在優質護理工作中的關鍵性；深府辦函〔2015〕80號文件《深圳市深化公立醫院綜合改革實施方案》，提出推動建立醫療行業綜合監管、科學決策、精細化服務的新模式。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[1,2]。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。

哈佛大學開發的CodeBlue 系統旨在緊急狀態下提供無線醫療監護，它能夠檢測心率、血氧飽和度、心電,通過短距離無線傳感器網絡與 PDA 或筆記本等移動終端連接,數據可以在終端上實時顯示并記錄在病人健康檔案中,當生理參數超出正常范圍時報警等[3]。美國亞拉巴馬大學的Jovanov等人深入研究了基于ZigBee通信協議的個人健康監護系統[4]。LucaniD E 等人則融合了嵌入式設計和藍牙設計，開發了數據獲得模塊能應用于心電監護等遠程監護[5]。加州大學伯克利分校和 Intel 聯合實驗室基于 ZigBee開發的無線傳感器系統 MICA-MOTE，已經廣泛的應用于醫療監護和環境監護[6]。比利時根特大學醫院較早使用了基于技術監控病人等身體狀況。該醫院正在使用整合了醫學監控設備的實時定位系統標簽來遠程傳輸病人健康狀況數據和急救信號。系統不僅能夠提供病人的醫療通訊信息，還能夠提供病人的位置數據。護士使用無線網絡電話能通過監控設備迅速得知病人的血壓、氧含量甚至心電圖等信息。在緊急情況下，實時定位標簽能夠自動報警。

國內一些研究所和其它醫療機構對無線醫療方面的研究投入了大量的資金。銀江醫公司在與浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院以及無錫市人民醫院等許多國內著名醫院保持長期合作，結合信息化醫院的管理方法和業務特點，利用智能識別和無線網絡等基礎技術而設計，實現醫護移動查房和床前護理、病人藥品及標本的智能識別、人員和設備的實時定位、病人呼叫的無線傳達等功能。趙澤等人提出一種基于ZigBee技術的傳感器節點和監護基站設備的系統結構設計,對ZigBee技術應用于監護領域做了一些探討[7]。上海大學的Jiang Jie-hui和Zhang Jing則通過醫用集線器(Medical Hub)對病人的監護數據進行上傳和發送，完成遠程的監護[8]。第一軍醫大學的郭勁松、第四軍醫大學李洪義及解放軍醫院連平立足于戰場傷員的搜尋、急救，進行了遠程無線生理監護、 定位系統——單兵生命狀態監視系統的初步研究[9,10,11]。

雖然，國內外已經有很多針對患者生命體征監測的研究，例如血壓、脈搏、體溫等人體健康信息的實時采集，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。

1 項目簡介

深圳市寶安人民醫院臨床護理學為2011年廣東省臨床重點專科 ，2012年寶安區臨床重點專科，我院是寶安區域醫療技術中心，是寶安區內13家公立醫院、14間民營醫院的技術支持與保障中心，是寶安區急危重癥病人救治中心。是深圳西部規模最大，技術水平最高、功能最齊全的醫療、科研、教學中心。我院定編床位955張，實際開放床位1 200張，臨床科室35個和11個社康中心。全院護理人員737人，引進護理碩士2人，其中主任護師15人，副主任護師94人，主管護士147人，護師及護士481人，助理護士53人。自2012年我院信息化上線以來，我院完成了HIS系統下、LIS、PACS全部對接，完善HIS系統下臨床護士工作站功能，通過護士的移動工作站系統，護士在床邊就可完成醫囑查看、患者身份確認、執行記錄和對病人評估及護理病歷書寫。引進生命體征測量儀，自動采集監護儀器生命體征數據并自動生成的“生命體征折線圖”。同時根據專科特色設計完善護理電子病歷，簡化病歷書寫、減少護士書面工作。

盡管我院臨床護理信息化建設已初見成效，但隨著國民健康意識的不斷增強以及患者對優質護理的希望，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，只有建立切實可行的“可定位生命體征監測系統，才能更好整合醫療資源，規范醫療行為，減少醫療差錯事故的發生，優化護理工作模式，提高護理工作效率，提升優質護理服務水平和服務質量，進一步提高患者滿意度，從而盡快實現學科建設總目標。

2 系統架構圖

室內定位技術由紅色的患者終端(手腕帶)與基站組成，項目根據不同的建筑設計平面和樓層通過UWB技術對患者的二維平面位置進行定位，同時結合絕對壓力傳感器的海拔高度測量技術，進行自適應的樓層計算，從而精確的定位出患者所在醫院建筑中的位置，包括樓層，樓道，樓梯，病房，衛生間等等。

同時利用UWB的數據傳輸技術，將患者的實時脈搏、心電、血壓、體溫、血氧飽和度等人體健康信息傳輸到定位服務器，通過服務器將患者的實時位置及心率傳輸給護理人員的App終端，系統架構圖,如圖1所示。

圖1 系統架構圖

3 關鍵技術

3.1 基于UWB的精準同步技術

超寬帶(Ultra-wide Bandwidth)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[12]。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量級的寬帶。美國FCC對超寬帶定義為,任何-10 db相對寬帶大于0.2或者絕對寬帶大于500 MHz的信號都是超寬帶信號。

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定位系統都采用到達時間延遲TDOA(Time Delay on Arrival)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。

本項目將通過網絡定位協議解決該問題。定位節點可分為完整功能節點(FFD)和簡化功能節點(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(anchor—based)的協議和無錨(anchor—free)協議。基于錨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。

本項目采用基于錨的到達時間延遲(Time Delay on Arrival)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。

3.2 可穿戴生命體征監測

2013年意法半導體(STMicroelectronics，簡稱ST)宣布其微型運動感測和數據處理芯片投放市場，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。

大量的科學實驗證明，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(optical blood—flow detection)中的噪聲問題。

因此，通過選用ST的低功耗MEMS芯片[13]，可以使本項目所開發的患者定位終端在脈搏、心電、血壓、體溫、血氧飽和度等人體健康信息監測方面能夠區別實際脈沖信號和手臂運動產生的噪聲信號。

3.3 室內地圖軟件開發

GIS是以地理坐標為骨干的信息系統，主要功能包括地圖顯示、平移縮放、屬性查詢等功能[14]。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。在綜合考慮項目成本、技術研發能力、技術標準等因素基礎上，本課題室內定位引用開源工具SharpMap[15]作為地圖編輯操作的地理信息系統工具，研發基于Web的實時室內定位系統。室內定位系統主要包括定位基站、定位標簽、服務器、數據庫、患者客戶端。定位基站將采集的原始數據通過無線網絡發送到服務器，服務器通過定位算法根據采集的原始數據計算出定位目標的坐標值，客戶端應用程序根據該坐標值在定位地圖上顯示出被定位目標的定位結果。通過SharpMap應用程序編程接口對矢量化后的地圖文件進行處理，并將信息提供給患者客戶端。室內實時定位系統體系結構,如下圖2所示。

圖2 室內實時定位系統體系結構

SharpMap是基于.NET2.0，使用C#開發的Map渲染類庫，可實現基本的GIS功能并渲染ESPI Shape、PostGIS、MS SQL等格式的GIS數據，還可應用于Web程序。通過SharpMap API接口可以對地圖進行編程處理，具有加載地圖文件，顯示控制圖層、放大縮小地圖等基本功能。本項目定位地圖主要包括基本操作、實時定位、應用擴展等功能模塊，結構圖,如圖3所示。

圖3 實時定位地圖功能結構

4.應用效果

2017年5月在我院心血管內科一病區進行了基于超寬帶位置服務技術的患者生命體征監測系統的試點工作，圖4為心血管內科一病區二層平面結構圖，圖5為系統功能截圖。

基于超寬帶位置服務技術的患者生命體征監測系統功能模塊主要包含：實時報警、實時人數、生命體征實時監測、熱力圖、報警統計、昨日運動時間排行榜信息，通過首頁用后臺管理者可以直觀的看到整個人員定位系統的基本情況匯總。目前已完成試點病區患者的心率、血壓等數據自動上傳及監控，后續將陸續加入其它生命體征數據。

5 總結

通過基于超寬帶位置服務技術實現了對住院病人進行預警管理，做到病人活動狀態實時監控，病人“病情”及時處理；通過實時采集多種生命體征信息，為臨床規范化診斷、治療提供具體的數據依據，為科研、教學提供可靠的數據；有利于完善大規模多中心的醫療服務、社區衛生及公共衛生的科研項目。

圖4 心血管內科二層平面結構圖

圖5 基于超寬帶位置服務技術的患者生命體征監測系統功能

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