基于低功耗藍牙定位技術(shù)的手術(shù)室移動設(shè)備定位管理系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

梁佳妮，文志有，張輝

廣東省第二人民醫(yī)院麻醉科，廣東廣州 510317

前言

新時代隨著計算機、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字化、信息化、智慧化醫(yī)院等新興概念應(yīng)運而生。醫(yī)療儀器設(shè)備的自動化和遠程化管理是新時代醫(yī)院的重要管理環(huán)節(jié)，手術(shù)室作為醫(yī)院危重癥患者集中地，具備了醫(yī)院核心的急救醫(yī)療設(shè)備［1-2］。手術(shù)室的醫(yī)療設(shè)備管理水平很大程度上直接影響手術(shù)室工作人員的效率和質(zhì)量［3］，如急診患者的搶救效率、人員配置的合理分配。因此，如何方便、高效地管理手術(shù)室的設(shè)備對提高整個醫(yī)院的救治水平、提高患者的滿意度以及提高醫(yī)護的工作效率、醫(yī)院的可持續(xù)發(fā)展起到重要的作用。

目前大部分醫(yī)院對醫(yī)療設(shè)備的管理主要通過局域網(wǎng)收集醫(yī)療設(shè)備信息從而建立“儀器、設(shè)備檔案”，主要包括儀器設(shè)備的原機性能、自熱狀況、設(shè)備的原始技術(shù)資料、可行性報告、設(shè)備操作規(guī)程、使用記錄、檢修記錄等［4-6］。其中設(shè)備的使用記錄是醫(yī)務(wù)工作人員最關(guān)注的一項內(nèi)容，包括設(shè)備名稱、放置地點、使用時間、使用者等詳細的信息記錄［7］。在實際工作中，我們發(fā)現(xiàn)日常管理工作中存在很多問題：（1）目前大部分手術(shù)室內(nèi)的設(shè)備使用情況需要人工登記，不能實時獲取設(shè)備的位置，人工登記還存在易出錯、延后、效率低且成本高的情況；（2）部分醫(yī)院采用視頻監(jiān)控的方式進行管理。視頻監(jiān)控建設(shè)需要的成本較高，監(jiān)控范圍有限，存在監(jiān)控死角問題，一旦需要查找相關(guān)的設(shè)備需要消耗大量時間，效率低下［8-9］；（3）基于WIFI 信號模塊的定位裝置，耗電量大，產(chǎn)品體積大，需要專業(yè)人員頻繁地進行維護；（4）射頻識別雖然耗電量低、體積小，但是需要專業(yè)人員規(guī)范操作以及耗費大量資金設(shè)置站點才能實現(xiàn)實時監(jiān)控；（5）GPS 定位衛(wèi)星信號無法穿透建筑物，由于墻壁等遮擋物的存在且室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，衛(wèi)星信號會產(chǎn)生放射、折射、衰減等現(xiàn)象，使得GPS 室內(nèi)定位不準確甚至出現(xiàn)無法定位的現(xiàn)象［10-12］。因此，這些技術(shù)都無法簡便、快捷地了解設(shè)備的位置，導(dǎo)致無法及時地對設(shè)備進行調(diào)度和管理。

為解決這個實際問題，本研究自主設(shè)計和制作了基于低功耗藍牙技術(shù)定位管理裝置。該裝置系統(tǒng)體積小、耗電量低、成本低、維護少，很好地解決了手術(shù)室移動設(shè)備室內(nèi)定位難的問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 手術(shù)室環(huán)境分析

手術(shù)室環(huán)境復(fù)雜，物品繁多，每個醫(yī)院的手術(shù)室房間多，少則十幾個，多則幾十個，有的分樓層，有的分片區(qū)，就像“迷宮”一樣。管理人員想要從這么復(fù)雜的環(huán)境中找到需要的設(shè)備，難度很大［13-15］。同時這些移動設(shè)備因為常用，但是數(shù)量少，移動性大，經(jīng)常出現(xiàn)急用時找不到的情況，造成設(shè)備利用率低，醫(yī)護人員工作效率低。因此，本研究設(shè)計的基于低功耗藍牙技術(shù)的定位管理系統(tǒng)可以有效解決這一問題。

1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計

本研究設(shè)計的手術(shù)室設(shè)備定位追蹤管理系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)主要分為硬件和軟件兩部分，硬件主要由局域網(wǎng)交換機、藍牙從機裝置、藍牙主機裝置、主服務(wù)器組成。藍牙從機裝置固定在需要定位的設(shè)備上，藍牙主機裝置固定在每個手術(shù)間內(nèi)。軟件主要以查看界面為主，一目了然的界面可以滿足不同的應(yīng)用需求。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)框架圖Fig.1 System architecture diagram

1.2.1 硬件條件手術(shù)室的局域網(wǎng)，主服務(wù)器一臺，配置中上，I5：7 代以上即可；其他需要查看及搜索設(shè)備的電腦若干臺，配置中等，I5：2 代以上即可。主服務(wù)器和所有搜索設(shè)備的電腦網(wǎng)口都連接交換機，組成局域網(wǎng)。大中型醫(yī)院基本都配置了硬件條件，只需要在這些基礎(chǔ)條件上搭建我們設(shè)計的系統(tǒng)即可。（1）藍牙從機裝置：固定在可移動設(shè)備上，發(fā)射藍牙信號（MAC 地址用作設(shè)備名），傳輸設(shè)備的位置信息。（2）藍牙主機裝置：固定在每個房間，提供房間定位信息。同時掃描從機的藍牙信號（獲取MAC 地址和RSSI值），將掃描到的藍牙信號通過服務(wù)器上傳到數(shù)據(jù)庫。藍牙主機裝置自身的MAC地址設(shè)定為ID 號，用于標識房間號。（3）服務(wù)器：采用醫(yī)院布設(shè)的服務(wù)器，主要將藍牙主機的MAC 地址和從機的MAC 地址和RSSI值上傳到數(shù)據(jù)庫，繪制成總表，在數(shù)據(jù)庫中完成設(shè)備位置的確定。（4）電腦PC：連接服務(wù)器，主要用于用戶查找所需的設(shè)備。

1.2.2 軟件條件（1）C#編寫顯示界面：主要是顯示軟件界面，醫(yī)護人員可以在電腦端進行查找所需要的設(shè)備。（2）SQL Server 數(shù)據(jù)庫：每個房間的服務(wù)器端（藍牙主機裝置）都會相應(yīng)有一個接收軟件，主要收集房間內(nèi)的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 藍牙主機和從機裝置

藍牙主機和從機裝置是本系統(tǒng)最主要的技術(shù)手段。藍牙主機裝置固定于每個房間內(nèi)，被用來作為房間定位，區(qū)分不同的房間，主要包括單片機、藍牙主機模塊、電源模塊。裝置成本大概約300 元，成本低。每個房間配置1 臺一直處于掃描狀態(tài)的藍牙主機裝置，主要目的是為了標識好所對應(yīng)的房間號以及作為區(qū)分房間的作用，同時掃描藍牙從機裝置的信號。主機會自動、定時掃描房間附近從機的藍牙模塊，基于藍牙掃描的特性，藍牙從機裝置離藍牙主機裝置越近，掃描的信號就越強，反之就越弱，藍牙主機裝置掃描后會返回藍牙從機裝置的MAC 地址和RSSI 值，RSSI 值就是電信號的距離值，RSSI 值越大，說明離藍牙主機裝置就越近，反之越小，藍牙的接收能力在空曠的條件下為30 m，在有障礙的情況下為10 m，在屏蔽時為0 m，利用這種特性判斷記錄，可以實現(xiàn)室內(nèi)定位［16-17］。藍牙主機裝置中的藍牙模塊掃描到的數(shù)據(jù)通過裝載在藍牙主機裝置上的單片機傳輸?shù)街鞣?wù)器，并將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，繪制成表。單片機主要工作原理如圖2所示。

圖2 單片機工作原理Fig.2 Working principle of single-chip computer

藍牙從機裝置相對簡單，只需要電源和藍牙模塊即可，主要負責自動、定時發(fā)送藍牙信號。本研究設(shè)計的藍牙裝置體積小，低功耗，充滿1 次電至少可使用2年，從而減少維護成本。

2.2 主服務(wù)器和交換機

每個醫(yī)院都會有相應(yīng)的服務(wù)器和交換機，服務(wù)器系統(tǒng)連接醫(yī)院的服務(wù)器和交換機，既保證安全性，同時也能夠保證本系統(tǒng)的正常運行。

2.3 數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)構(gòu)成

藍牙主機裝置的數(shù)據(jù)需要寫入數(shù)據(jù)庫，并匯總成表后才能在用戶電腦軟件端進行使用。數(shù)據(jù)庫表里主要收集的有：編碼（主鍵）、ID（房間號）、指令（設(shè)備名）、名稱（MAC）、信號強度（RSSI 值）、時間（掃描到的時間）等。我們在每個房間服務(wù)器對應(yīng)接收軟件上收集藍牙從機裝置的MAC地址和RSSI值，而房間號（以藍牙主機裝置的MAC 地址作為標簽）、設(shè)備號（以每個設(shè)備上藍牙從機裝置的MAC 地址為標簽）是提前自帶寫入的，另外主鍵也是數(shù)據(jù)庫自行編輯的。數(shù)據(jù)庫的工作模式如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫收集數(shù)據(jù)流程Fig.3 Flowchart of data collection by database

2.4 顯示數(shù)據(jù)

用戶打開軟件，軟件自動連接數(shù)據(jù)庫，在顯示界面（圖4）點擊需要查找的設(shè)備名稱，顯示界面就會顯示設(shè)備在哪一個房間，同時界面上的相應(yīng)房間顏色會發(fā)生改變，簡單方便、一目了然。 數(shù)據(jù)庫工作原理是首先通過輸入的設(shè)備名稱查找到相應(yīng)的預(yù)設(shè)定藍牙從機裝置MAC 地址，匹配上設(shè)備與MAC 地址后，繼續(xù)查找到該MAC 地址出現(xiàn)的最新時間，按照RSSI 值大小重新排列1 次，結(jié)合預(yù)設(shè)定的房間MAC地址，將排在第1 位的ID（房間號）提取出來，這樣就可以確定需要查找的設(shè)備位置了。當我們需要找某個設(shè)備時，在數(shù)據(jù)庫先找到所有含有這個設(shè)備名的行數(shù)，因為不止一臺藍牙主機掃描到它，所以就有多行，先以最新時間排列，再以信號強度來排列，對應(yīng)信號最強主機的那個房間，就證明設(shè)備就在這個房間，如圖5所示。

圖4 電腦軟件界面Fig.4 Computer software interface

圖5 查找顯示界面Fig.5 Search display interface

2.5 系統(tǒng)功能測試

為了直觀地顯示該系統(tǒng)的可用性，我們在本手術(shù)室內(nèi)環(huán)境下進行功能測試，本單位手術(shù)室并列14個房間（共兩層），每個房間面積約25 m2，每個房間放置了藍牙主機，分別在房間4 和房間14 進行藍牙從機測試，在10 s 內(nèi)均成功將測試對象找出，結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 藍牙從機放置在房間4進行測試Fig.6 Bluetooth slave is placed in Room 4 for testing

圖7 藍牙從機放置在房間14進行測試Fig.7 Bluetooth slave is placed in Room 14 for testing

如圖6a 所示，將藍牙從機裝置放置于房間4 內(nèi)，10 s 后每個房間的藍牙主機返回了該從機的藍牙信號和RSSI 值（圖6b），房間1、2、6、7、8、9、13、14 均未掃描到藍牙從機，所以RSSI 值為0，房間3、4、5、10、11、12 掃描到藍牙主機，可以看到房間4 的RSSI值最小（離藍牙主機最近），因此我們就能根據(jù)該結(jié)果判定藍牙從機裝置在房間4。

為了證實本系統(tǒng)的可操作性與穩(wěn)定性，再次將藍牙從機裝置放置在房間14進行重復(fù)實驗，圖7a中顯示藍牙從機裝置放置在房間14，10 s后每個房間的藍牙主機返回了該從機的藍牙信號和RSSI值（圖7b），房間3、4、5、6、7、8、9、10、11、12均未掃描到藍牙從機，所以RSSI值為0。房間1、2、13、14掃描到藍牙主機，可以看到房間14的RSSI值最小（離藍牙主機最近），因此可以根據(jù)該結(jié)果判定藍牙從機裝置在房間14。

通過上述實驗，我們可以看到本系統(tǒng)的適應(yīng)性、穩(wěn)定性與快捷，能夠很好地解決醫(yī)護人員對手術(shù)室設(shè)備的查找和管理，高效地利用儀器設(shè)備。

2.6 自動維護功能

本系統(tǒng)通過局域網(wǎng)收集數(shù)據(jù)，難免出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接中斷或者故障情況。因此我們在服務(wù)器軟件上設(shè)置了在網(wǎng)絡(luò)連接中斷時開啟自動重啟功能，最大程度上保證本系統(tǒng)的正常運行，避免因網(wǎng)絡(luò)問題出現(xiàn)時導(dǎo)致不能正常工作，減少維護工作量。

3 結(jié)語

建設(shè)醫(yī)療設(shè)備定位系統(tǒng)是今后醫(yī)療事業(yè)發(fā)展的必然趨勢［18-20］，但是目前建設(shè)智慧化醫(yī)院所耗費的成本高、時間長［21］。本研究自主設(shè)計和制作的基于低功耗藍牙技術(shù)定位的手術(shù)室設(shè)備管理系統(tǒng)定位準、低功耗、高穩(wěn)定性、低成本、小體積以及操作方便的特點，可大范圍覆蓋。目前本系統(tǒng)已在我科使用半年多，運行良好，平均查找時間約為25 ms，查找成功率約為99.9%，醫(yī)護人員滿意度高。在實際使用中證明了本系統(tǒng)可安全、高效地用于手術(shù)室內(nèi)設(shè)備的管理，有效解決手術(shù)室設(shè)備定位問題，避免因?qū)ふ裔t(yī)療設(shè)備影響搶救時間，提高醫(yī)護人員的整體工作效率。