基于CSS 及邊緣計算的移動醫(yī)療設(shè)備定位管理系統(tǒng)研究*

戴 麗，袁 琴*，朱頂貴，王增香，趙 俊

(1.南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬口腔醫(yī)院兒童口腔科，江蘇 南京210008；2.東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210096)

醫(yī)療設(shè)備是醫(yī)院社會效益和經(jīng)濟效益的重要支柱，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，醫(yī)療設(shè)備品種逐步增多，呈現(xiàn)出高、精、尖，且價格昂貴等新特點。 然而，少數(shù)醫(yī)院存在只重設(shè)備使用，不重設(shè)備管理的現(xiàn)象，往往造成設(shè)備性能劣化、壽命減少、利用率低甚至丟失等問題。 因此，在醫(yī)院管理工作中運用科學(xué)的方法和手段，加強對在用儀器設(shè)備的跟蹤管理，可保障醫(yī)療、科研、教學(xué)工作的順利進行[1-2]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和4G、5G 無線網(wǎng)絡(luò)的普及，萬物互聯(lián)的時代已經(jīng)到來[3-4]。 相比物聯(lián)網(wǎng)而言，萬物互聯(lián)除了“物”與“物”的互聯(lián)，還增加了更高級別的“人”與“物”的互聯(lián)，其突出特點是任何“物”都將具有語境感知的功能、更強的計算能力和感知能力。 啁啾擴頻信號(CSS)具有抗干擾、抗多徑能力強的特點[5-6]，是IEEE802.15.4a 協(xié)議在2007 年3 月提出的低速無線個人局域網(wǎng)物理層的標準之一，與RFID、WiFi、Zigbee 等其他短距離無線通信技術(shù)相比，在短距離無線通信方面優(yōu)勢明顯[7]。

基于CSS 技術(shù)構(gòu)建醫(yī)療設(shè)備室內(nèi)定位通信系統(tǒng)，可實現(xiàn)對靜止的或移動中的待識別物品的自動機器識別，達到對人員和設(shè)備的區(qū)域性定位及跟蹤管理功能。

此外，隨著醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備及人員數(shù)量的迅速增加，以云計算模型為核心的集中式數(shù)據(jù)處理模式已不能高效處理邊緣設(shè)備所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，為此，以邊緣計算模型為核心的面向網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)海量數(shù)據(jù)計算需求的邊緣數(shù)據(jù)處理模式應(yīng)運而生[8-9]。 邊緣計算設(shè)備具有利用收集的實時數(shù)據(jù)進行模式識別、預(yù)測分析、智能處理等功能。 在邊緣計算模型中，網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備已經(jīng)具有足夠的計算能力來實現(xiàn)源數(shù)據(jù)的本地處理，邊緣計算模型不僅可降低數(shù)據(jù)傳輸帶寬壓力，還可減小集中處理的計算、存儲壓力，較好地保護隱私數(shù)據(jù)[10-12]。 因此，邊緣計算與云計算模式相結(jié)合，可較好地解決萬物互聯(lián)時代大數(shù)據(jù)處理所存在的諸多問題[13-14]。

本文基于CSS 技術(shù)和邊緣計算技術(shù)，提出一種基于無線定位及邊緣計算的醫(yī)療設(shè)備定位管理方案，可實現(xiàn)覆蓋大范圍區(qū)域的移動醫(yī)療設(shè)備的智能追蹤，及時、準確地將各個區(qū)域設(shè)備的動態(tài)情況反映到中心監(jiān)控平臺，使管理人員能夠隨時掌握布控區(qū)域設(shè)備的分布狀況和每個受控對象的運動軌跡，進而實現(xiàn)更加合理的管理。

1 移動醫(yī)療設(shè)備定位管理系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

針對現(xiàn)有定位系統(tǒng)大多只能提供區(qū)域性定位功能，無法為人員或設(shè)備提供精準、實時的位置信息的問題，提出了基于CSS 及邊緣計算技術(shù)的醫(yī)療設(shè)備精確定位系統(tǒng)設(shè)計方案，如圖1 所示，包括感知層、傳送層、邊緣計算層以及應(yīng)用層。 系統(tǒng)結(jié)合GIS 地圖及視頻攝像頭，可實現(xiàn)醫(yī)護人員及移動醫(yī)療設(shè)備運行軌跡和實時位置的跟蹤及現(xiàn)場可視化，同時構(gòu)建電子圍欄，實現(xiàn)庫房等重點區(qū)域的越界和入侵告警功能。

圖1 基于CSS 及邊緣計算的醫(yī)療設(shè)備定位管理系統(tǒng)架構(gòu)

感知層由各種受控對象以及能夠?qū)崟r獲取對象數(shù)據(jù)的具有感知、通信、識別能力的感知設(shè)備及感知網(wǎng)絡(luò)組成，包括置于醫(yī)療設(shè)備和醫(yī)護人員身上的移動定位終端、無線定位基站和網(wǎng)關(guān)基站。 無線定位基站與移動定位終端交互定位數(shù)據(jù)，利用SDS-TWR定位算法和定位管理協(xié)議，通過信號空中傳輸時間計算出與移動定位終端的距離，并把距離數(shù)據(jù)和一些傳感控制信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)基站。 網(wǎng)關(guān)基站接收無線定位基站信息，可檢測出醫(yī)療設(shè)備和醫(yī)護人員的精確位置和傳感控制信息，并通過有線、無線通信接口上傳到邊緣計算智能網(wǎng)關(guān)。

傳送層為系統(tǒng)中所有部件和物理上分離的功能實體提供互連，具有多樣化的數(shù)據(jù)連接及交互能力，一方面將多個分布式網(wǎng)關(guān)基站定位信息送至邊緣計算智能網(wǎng)關(guān)，另一方面，將邊緣計算智能網(wǎng)關(guān)的計算、分析結(jié)果送至云平臺或用戶側(cè)。

邊緣計算層由邊緣計算智能網(wǎng)關(guān)組成，集成計算、存儲、應(yīng)用核心能力為一體的開放平臺，就近提供最近端服務(wù)。 其應(yīng)用程序在邊緣側(cè)發(fā)起，能產(chǎn)生更快的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)，滿足行業(yè)在實時業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能、安全與隱私保護等方面的基本需求。 具有多協(xié)議接口提供靈活的設(shè)備層感知數(shù)據(jù)接入能力以及設(shè)備即插即用能力，具有智能解讀數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)分析能力。 邊緣計算層收集多網(wǎng)關(guān)基站定位信息，進行數(shù)據(jù)比對、查詢、統(tǒng)計、計算，實現(xiàn)移動醫(yī)療設(shè)備的位置定位、運行軌跡跟蹤及使用人信息。

應(yīng)用層通過云計算平臺進行信息處理，對感知層的采集數(shù)據(jù)進行計算、處理和知識挖掘，從而實現(xiàn)對物理世界的實時控制、精確管理和科學(xué)決策，進而對整個醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備資源進行全局性、非實時、長周期的大數(shù)據(jù)處理與分析，實現(xiàn)長周期維護和資源整合管理，同時可將信息發(fā)送至手持式移動終端，實現(xiàn)遠程可視化。

1.2 CSS 測距

本方案CSS 測距采用小孔徑雷達的Chirp 技術(shù)，實現(xiàn)在2.4 GHz 頻段的信號傳輸。 Chirp 信號可簡單理解成一種頻率可調(diào)的脈沖信號，如圖2 所示，信號在時域上頻率發(fā)生由低到高或者由高到低的變化(Up Chirp 或者Down Chirp)，變頻信號經(jīng)過濾波器后，根據(jù)Up Chirp 或Down Chirp 頻率變化趨勢的不同而變成1-0 信號。 無線定位基站分辨出脈沖信號，識別出傳輸信號的發(fā)送時間和對應(yīng)回復(fù)信號的到達時間，并記錄在寄存器中，供軟件算法計算出傳輸路徑長度。

圖2 CSS Chirp 信號工作原理

CSS 采用SDS-TWR 測量方法獲取雙向傳輸時間，計算節(jié)點距離，如圖3 所示。 假設(shè)信號單次傳輸距離為d，則整個測量過程中，產(chǎn)生了四次傳輸過程4 d，以及2 次回復(fù)等待時間(treplyA、treplyB)，則單次測量時間見式(1)。

圖3 CSS 基于SDS-TWR 測距原理

式中:C 為常量，troundA、troundB、treplyA、treplyB均可通過基帶時鐘測量出來，故單次信號傳輸時間、傳輸距離也能夠計算出來。 由于用了高精度時鐘電路，時間精度可達3 ns～4 ns，因此，實際測距精度可達1 m左右。

為了提高系統(tǒng)的定位精度和穩(wěn)定性，采用卡爾曼(Kalman)濾波算法來改善系統(tǒng)的降噪效果。 卡爾曼濾波是一種線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過系統(tǒng)輸入、輸出觀測數(shù)據(jù)對系統(tǒng)狀態(tài)進行最優(yōu)估計。

現(xiàn)實的線性系統(tǒng)因噪聲影響是非完全平滑的:

1.3 邊緣計算網(wǎng)關(guān)

邊緣計算智能網(wǎng)關(guān)由主板、無線板及接口板組成，可提供靈活的感知層數(shù)據(jù)接入，有限的安全策略部署及計算能力支持，具備差異化易用的開發(fā)套件和庫，支持工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用快速開發(fā)，如圖4 所示。

主板由主處理器系統(tǒng)和FPGA 芯片組組成，具有SATA、SD 卡和USB2.0 高速接口。 無線板實現(xiàn)所有無線解決方案，分為南北向兩種界面，北向具有遠程接入能力，包括LTE/WCDMA 和NB-IOT，南向?qū)崿F(xiàn)本地傳感器連接，包括BLE4.2、6Lowpan、ZigBee和Wi-Fi(AP 模式)。 接口板實現(xiàn)外部傳感器的接入，可支持不同類型的串行端口:RS232、RS485、RS422 和模擬采樣接口。

邊緣計算智能網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)如圖5 所示，基于開源Linux 操作系統(tǒng)實現(xiàn)內(nèi)核空間和用戶空間之間的行為交互，IOT 庫和開發(fā)套件支持安全、視頻分析、深度學(xué)習(xí)、科學(xué)計算、區(qū)塊鏈等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和服務(wù)能力。

圖5 邊緣計算網(wǎng)關(guān)IOT 庫和開發(fā)套件

為實現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備的精準定位，減少誤報，邊緣計算智能網(wǎng)關(guān)支持視頻信息的實時接入及處理能力，如圖6 所示，可實現(xiàn)視頻信息與定位信息的雙重判斷。

圖6 邊緣計算網(wǎng)關(guān)視頻信息處理流程

2 實驗測試

在南京市口腔醫(yī)院兒童口腔科搭建了基于CSS無線定位及邊緣計算的醫(yī)療設(shè)備定位管理實驗測試系統(tǒng)，其中，傳送層方案采用無線NB-IOT 通信協(xié)議。

對比分析了Kalman 濾波前后系統(tǒng)的定位效果，如圖7 所示。 可以看出，采用軟件Kalman 濾波可以顯著提高定位精度。 經(jīng)過Kalman 濾波后，傳輸速率為1 Mbit/s 信號在1 μW 功率下，傳輸距離可達5 m，在6.3 mW 功率下，傳輸距離可達26 m。

圖7 Kalman 濾波前后定位精度對比

圖8 人員移動時運行軌跡顯示

3 結(jié)束語

本文基于CSS 技術(shù)和邊緣計算技術(shù)，提出一種基于無線定位及邊緣計算的醫(yī)療設(shè)備定位管理方案，定義了系統(tǒng)層次功能，優(yōu)化了定位濾波算法，構(gòu)建了實驗測試系統(tǒng)并完成了系統(tǒng)性能測試，測試結(jié)果表明，本文所提方案可實現(xiàn)覆蓋大范圍區(qū)域的移動醫(yī)療設(shè)備的智能追蹤，及時、準確地將各個區(qū)域設(shè)備的動態(tài)情況反映到中心監(jiān)控平臺，結(jié)合GIS 地圖可實現(xiàn)人員及設(shè)備運行軌跡和實時位置的跟蹤及現(xiàn)場可視化。