3D技術在導醫中的應用

楊豪杰 馬凱 楊文濤 周建國 吳雪

【摘 要】隨著醫療衛生水平的提高，醫院的規模逐漸擴大，出現了很多“區域型”的大型醫院，與以往醫院各個部門集中在一棟建筑中不同，“區域型”醫院中不同的部門所在的區域不同，包括急診中心、內科住院部、外科住院部、門診部等，這種模式在提高醫療水平的同時也產生了一些問題，例如醫院部門分布復雜，患者在就醫的過程中不能準確地找到自己想要去的就診科室，在樓與樓之間來回尋找，浪費了患者的就診時間，也可能使患者產生厭煩情緒。為了解決這些問題，文章利用3D技術建造醫院模型，用三維圖像將“區域型”醫院的整體分布呈現在患者的眼前，并設置部門查找及路徑指導功能，幫助患者順利到達指定部門。

【關鍵詞】3D技術;導醫;“區域型”醫院

【中圖分類號】R197.324;TP311.52【文獻標識碼】A【文章編號】1674-0688（2021）01-0026-03

1 項目背景介紹

近年來，“區域型”醫院逐漸增多，醫院的部門分布越來越復雜，患者經常無法快速且準確地找到自己想要前往的部門，雖然大多數醫院會在固定位置提供醫院的整體布局圖，但是由于平面圖的代入感較差，再加上患者的文化程度不一，理解能力不同，所以多數患者還是無法準確找到位置。而且，醫院內部部門繁多，不僅難找，而且容易讓患者混淆，例如門診部又分為發熱門診、腹瀉門診、肝病門診等。

醫院內部劃分有各種功能區域，例如掛號處、抽血處、繳費處、取藥處等，一些大型醫院為了方便患者，會設置多個相同的功能區，但患者因為不了解醫院復雜的環境，所以無法快速找到離自己最近的功能區，這些功能區的設置也未能及時分流病人。

“區域型”醫院的患者就醫診療和手續辦理過程比較復雜，在就醫診療方面，以肺動脈造影為例，需要先由呼吸科開具檢查單，然后患者拿著檢查單到審核處審核，審核通過后到護士站打造影劑，打完造影劑后再到造影室檢查，一個普通的輔助檢查就涉及4個不同的功能區，給患者就診過程帶來了很多的麻煩;在手續辦理方面，住院繳費、辦理出院、醫療保險報銷、醫療糾紛申訴等各種事務的辦理涉及多個部門，患者沒辦法清晰地了解手續的辦理流程，也沒辦法快速找到相應的就診科室，容易產生厭煩的情緒。

2 國內外研究現狀

目前，市場上主要的手機導航軟件有谷歌地圖、高德地圖及百度地圖。谷歌地圖是Google公司提供的電子地圖服務，可以提供含有全球城市、交通及商業信息的矢量地圖、不同分辨率的衛星照片和顯示地形和等高線的地形視圖。高德地圖是由高德公司推出的可以提供地圖瀏覽、地圖渲染、在線導航、AR虛擬實景及出行查詢等功能的導航軟件。百度地圖是為用戶提供包括智能路線規劃、智能精準導航（駕車、步行、騎行）、實時路況、實時公交等與出行相關服務的平臺，隨著百度地圖Android客戶端上線，百度地圖逐漸成為人們出行的必備工具，并且隨著近幾年的不斷發展，百度地圖結合AI和圖像識別技術獨創了圖像識別采集技術，還上線了AR步導、AR導游等實用功能，更加方便用戶的出行。但是，隨著人們出行量的增多和城市規模的擴大，平面導航已經不能滿足人們出行的需求，人們希望可以擁有一款3D地圖導航軟件更加形象、具體地幫助人們出行。截至目前，谷歌地圖、高德地圖和百度地圖都開發了3D地圖功能，但是受限于室內衛星信號弱等原因，精確的室內導航目前依舊無法實現。1992年，英國劍橋ORL（Olivetti Research Ltd.）開發了Active Badge系統，是一個只能用于室內定位的基于蜂窩單元的定位系統，同時是最早期的室內定位系統之一。此后，相繼有RADAR定位系統、Cricket系統、AHLOS（Ad-hoc Localization System）系統及Calamari系統等出現[1]，推動室內導航不斷向前發展。目前，國內的室內導航技術主要包括四旋翼無人機[2]、MEMS傳感器[3]、超聲波[4]等，但它們都或多或少地存在一些不足。

3 項目需求分析

為了滿足人們日益增長的醫療保健需求，醫院規模不斷擴大，提高就診效率的同時也產生了一些問題。

（1）隨著各種醫療App的出現，人們可以輕松地通過手機掛號，省掉了排隊等候的時間，但是到了醫院卻不熟悉就診流程，甚至無法找到就診科室。

（2）現如今，地區醫療水平差異較大，跨省就醫、跨國就醫的患者逐漸增多，但是由于交流困難、不熟悉醫院環境等，導致患者就診效率不高。

（3）隨著醫院規模的擴大和學科領域的細化，醫院內部出現了各種各樣的功能區，雖然提高了醫療水平，但是也在一定程度上增加了患者的就診難度。

（4）醫院就診、檢查、辦理手續程序復雜，患者無法清晰地了解全部流程。

根據中華人民共和國國家衛生健康委員會官方數據庫顯示，截至2018年9月30日，全國三甲醫院共計705家、二甲醫院共計1 888家，綜合性醫院數量的增多和規模的擴大讓醫院對導醫系統的需求越來越迫切。為解決這個問題，各地醫院實施了以下措施：①增加醫院各處的導醫人員數量，現場指導就醫過程，解答在就診過程中遇到的各種問題;②設置醫院平面圖幫助患者了解具體方位;③延長門診時間、增加掛號容量，讓更多的患者能輕松就醫。但是，隨著就診人數的不斷增加，這些措施的弊端逐漸顯現出來，而應用3D技術的導醫系統卻可以輕松地解決這一難題。截至目前，還沒有將醫院3D建模與導航系統結合起來的研究，所以該領域具有非常大的研究價值和社會效益。

3D技術在導醫中的應用，一方面可以使患者清晰且直觀地看到醫院的整體布局及醫院內部的具體結構，幫助患者精準地到達目的地，還可以顯示就診流程及注意事項、各功能科室的檢查內容等信息，在很大程度上提高了患者的就診效率;另一方面可以幫助醫院節省人力、物力、財力等，使醫療資源得到更好的利用。

4 項目研究內容

4.1 醫院3D模型的構建

（1）醫院建筑物3D信息的獲取：利用三維激光掃描技術[5]或基于Barista軟件的高分辨率遙感影像技術[6]獲取醫院建筑物的3D信息。三維激光掃描技術利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數據，具有快速性，不接觸性，實時、動態、主動性，高密度、高精度，以及數字化、自動化等特性，是繼GPS空間定位系統之后又一項測繪技術新突破。

（2）數據處理：對獲取的建筑物數據進行數據配準、數據過濾及坐標系轉換[7]。數據配準：找出坐標系之間的變換關系，將兩個以上坐標系中的大容量三維空間數據點集轉換到統一坐標系中。目前，主流的方法有點集對點集的配準方法（PSTPS）、迭代最近點方法（ICP）、基于點線面幾何特征約束的配準方法（GFC）、多幅影像數據的整體配準方法（MVS）。數據濾波：在對建筑物掃描數字化的過程中，建筑物前存在樹木、路燈、行人、車輛等遮擋物、建筑物表面存在的玻璃等透明物體會形成冗余數據，給后期的實物模型重構帶來很大影響，為了更好地提取建筑物的特征數據，可以通過中值濾波、均值濾波、高斯濾波等方法進行平滑處理[8]，將這些錯誤點等去除。坐標系轉換：建立兩個坐標系統之間一一對應的關系，將一種坐標系統變換到另一種坐標系統。目前的主要方法有格網法、多參數法、多元回歸法等。

（3）模型構建：利用Auto CAD構建高精度線框模型，再使用3DMax高效創建模型。Auto CAD具有完善的圖形繪制功能和強大的圖形編輯功能，在建模過程中可以保證很高的精確度，而3Dmax擁有可堆疊的建模步驟，使制作模型有非常大的彈性，可以制成效果更好、更貼合實際的建筑模型。將兩者結合起來，取長補短，更好地實現建筑物的三維建模[9]。醫院3D技術的導醫系統功能設計如圖1所示。

4.2 部門查找及路徑指導功能的實現

利用編碼完成部門查找及路徑指導功能，并提供智能語音導航。

4.3 就醫診療和手續辦理指導功能的實現

建立數據庫，錄入醫院各種輔助檢查的檢查程序及各種手續辦理的具體流程，設置功能查找模塊，患者輸入檢查項目或者手續名稱后自動顯示具體流程，并在3D模型上顯示路線（如圖2所示）。

5 結語

隨著社會的發展，人們對自己的身體健康狀態越來越關注，對醫院的需求和要求也越來越高。為了滿足人民日益增長的需求，醫院不斷擴建，增加了各種各樣的功能區，形成占地規模巨大的“區域型”醫院，為人們的身體健康提供了更好的保障，但是同時也產生了一些問題，面積過大及功能區過多給患者的就診過程帶來了很大的不便，很多醫院為了解決這一問題，專門雇傭人員指導患者就醫，但是這需要投入一定財力、人力及物力，而且導診的效率不高，在就診人流量大時無法應對。如何協助患者精確地找到目標科室成為一個迫切需要解決的問題。研究人員從百度地圖的導航中獲得靈感，將3D建模技術與導航功能相結合，從平面導航升級到三維導航，幫助患者解決就診難、就診慢的問題。

三維導航相較于平面導航與人工導航具有以下優勢：①更直觀地顯示目的地的具體方位。②節約人力資源，提高導診效率。③提高患者就診滿意度，改善醫患關系。三維導航目前存在的限制因素如下：①建筑物建模花費時間長。②3D建筑物模型數據信息量巨大，一般手機無法保證功能正常運行。但是，隨著3D建模技術的逐漸發展，利用各種方法獲取建筑物信息并建造3D模型的技術也逐漸成熟，而且5G時代的到來可以更好地支撐3D模型的通用需求，讓3D模型的巨大潛力發揮出來。

來到醫院，不管是患者還是患者家屬，心中肯定充滿了焦慮與緊張，如果在就診的過程中再遇到各種各樣的問題，肯定會產生怨念。目前，國內醫患關系緊張，本文認為除了醫生與患者之間存在溝通問題外，還有患者與患者家屬在就診前，對疾病的擔心和對醫院復雜環境的擔憂，而通過三維導航可以幫助患者及家屬快速地熟悉醫院環境，不會在掛號看病、做檢查、取藥、繳費等過程中因為找不到地方而產生焦慮情緒，這也是緩解與改善醫患關系的關鍵一步。

參 考 文 獻

[1]賀昶瑋.室內導航系統的設計與實現[D].北京：北京交通大學，2013.

[2]白志君. 四旋翼無人機室內自主導航系統的研究與實現[D].廈門：廈門大學，2014.

[3]韓盈黨.基于MEMS傳感器室內導航的系統設計[D].西安：西安郵電大學，2014.

[4]周先贊.基于超聲波的室內導航定位方法研究[D].南昌：南昌大學，2016.

[5]吳靜，靳奉祥，王健.基于三維激光掃描數據的建筑物三維建模[J].測繪工程，2007（5）：57-60.

[6]張培峰，胡遠滿，賀紅士.基于Barista軟件的高分辨率遙感影像中建筑物3D信息的提取[J].應用生態學報，2010，21（5）：1190-1195.

[7]吳靜，靳奉祥，王健.基于三維激光掃描數據的建筑物三維建模[J].測繪工程，2007（5）：57-60.

[8]王田磊，袁進軍，王建鋒.三維激光掃描技術在建筑物三維建模可視化中的應用[J].測繪通報，2012（9）：44-47.

[9]婁啟業，程效軍，譚凱.基于AutoCAD和3DMax的建筑物三維建模[J].工程勘察，2013，41（11）：71-74.