論醫護人員病區室內定位導航技術

桂林電子科技大學信息與通信學院 黃博

我國一線城市醫院患者人流量大，醫護人員數量遞增，病區室內定位技術迫切需求優質的導航手段。首先敘述了紅外線、慣性導航、超聲波、視覺定位、WiFi、藍牙、紫蜂、蜂窩網絡、射頻識別、超寬帶、地磁等定位技術，并進行了性能分析。然后介紹了一種將全球定位系統和超寬帶技術通過多傳感器技術結合的協同定位系統，這種系統大大提高了醫護人員在病區室內導航定位的能力。

近些年來，由于新冠疫情的影響，醫院的病患就診人數大幅增加，一旦醫院患者人數較多時，往往會出現患者在病區迷失方向的情況。在一些大型醫院這種情況出現的較為普遍。對于這種情況，有的醫院采取增加醫導人員的方法來應對，但是收效甚微。無論是對于患者還是醫護人員來說，用最快時間到達診室或者病房既關系著病患能否及時得到救治，又關系著醫院的運行效率。隨著智能手機、無線網絡技術的成熟以及高精度衛星導航系統的發展，各類室內定位導航的科技方法、手段，已成為科學技術界探討、大型醫院高級管理層投資的重點，智慧醫院導航系統就是基于新型的室內定位技術，通過“互聯網+”與醫療衛生服務行業的合作[1]，結合醫院信息系統構建的一個移動化、自助化、智能化的院內精準導航服務體系，實時對接動態就診信息，讓線下的人和物，也能像在線信息一樣被搜索、定位、聯接，從而為醫護人員提供猶如專人引導一般的動態連續指引。

1 醫院病區常用導航定位技術

依據實現基礎的不同，室內定位技術通常可以分為兩各大類：（1）是依賴于建筑的定位技術系統。在導航定位實現過程中，對建筑物內已有的功能設備以及建筑物的地圖結構具有很強依賴性，而根據所依賴設施的不同又可以將依賴于建筑的定位技術系統細分為兩種：一種是需要的基礎設施有很強的專業性；另一種是需要輔助設備支持，具有固有基礎性設施。如射頻識別定位、UWB定位、超聲波定位、紅外線定位、激光定位、ZigBee定位技術都屬于需要專業性很強的基礎設施來實現，而WiFi定位、蜂窩定位、藍牙定位則不需要專業性的基礎設施。（2）是獨立于建筑的定位技術系統，不需要依賴任何建筑物當中的硬件設施，而是基于一些如慣性導航定位、圖像識別、方位推算的技術來實現定位。其中，方位推算借助物體的歷史運動軌跡與移動速度等數據基于算法來實現定位；利用圖像識別的定位需要借助視頻圖像數據[2]。

2 醫院室內導航定位定義及應用價值

在很多大型醫院僅醫護工作人員的數量就超過萬人，這就給病區內各種醫療設施與人員調動的管理帶來了極大的挑戰，因此，借助科學技術在醫院進行導航定位具有很高的應用價值。

2.1 醫護人員定位導航

醫院都會在明顯位置張貼樓層科室分布圖、通道引導路線圖，但是在人流量很大的情況下，這些引導標志所能發揮的作用非常有限，極大的阻礙了醫院運轉效率。在一些特殊區域由于結構沒有特殊性導致人員在行走過程中極易發生方向錯亂，現有的室外導航系統又無法發揮作用。例如，大型醫院的急診病區，醫護人員不知被搶救的患者在那個病房，給醫護人員帶來了很多不便，失去了寶貴搶救時間，耽誤了醫療最佳機遇，導致病人去世的悲劇發生[3]。

室內導航技術還具有其他重要作用，比如患者可以在出現狀況時利用導航系統向醫護發出警報，讓醫護能快速到達病房處理患者。又如發生火災這樣的突發事故時，可以為醫護和病患提供路徑優化服務，幫助病人縮短撤離時間，防止發生踐踏情況，進而在保證醫護和患者的生命財產安全中發揮重要作用[4]。

2.2 資產物流的定位

當前，隨著物聯網技術不斷發展，高度集成化的設備互聯系統建設不斷完善，其在醫院中的應用前景愈加廣泛。通過對大量醫療設備配置有源標簽來實現精準定位，為醫護人員查詢設備使用情況，提高應急情況調配設備效率帶來了進步空間，能夠讓醫院的運營效率獲得極大提升。對倉庫中價值昂貴的醫療設備標配產生廠家的明確標簽，醫療器材管理人員采用室內定位系統，利用無線網絡實現對它們進行保管監控。同時，為醫護人員配備便攜化移動終端導航設備，使醫護人員能夠快速從倉庫中查找自己緊急需要的醫療設備。

3 常見醫院室內導航定位技術的分析

依據實現原理的區別，醫護人員院內定位技術分為幾個大類，包括傳感器定位、射頻信號定位、多信息融合等，而每一類技術都有其獨特的優劣性。

3.1 基于傳感器的院內定位技術

3.1.1 紅外線定位

院內紅外線定位系統大體上會由移動站與基站子系統構成，其中紅外發射器被安裝在移動站上，用于發射紅外線。在具體應用層面，由劍橋大學AT＆LT實驗室利用紅外線技術研制出了Ac-tiveBadge系統，在室內場景的定位精度可以達到6m。紅外線發射器質量輕，容易攜帶，但是存在紅外線穿透力弱的問題，碰到固體墻壁時，紅外線就只能提供房間級別的定位信息傳遞，在狹小室內，紅外線傳播距離有限，加之其他光照干擾或路徑限制，空間區域容易產生盲區，進而導致定位效果變差。所以，從實用性思考，紅外線定位技術可以與其他定位設備融合使用，充分發揮紅外線LED室內導航的優勢功能[5]。

3.1.2 慣性導航定位

慣導系統確定位置首先由加速度計、陀螺儀等傳感器采集相關數據，再通過數據融合算法推導出目標的具體位置。但是慣導系統有一個缺點是數據誤差會隨時間積累，許多科研團隊都在研究如何抵消這一負面影響，有的研究團隊通過微機電技術，將各種運動傳感器與智能手機平臺相結合來進行行人航機推算。當前領域內，進一步實現PDR與地磁、無線保真高度融合匹配是一個討論熱烈的研究課題[4]。還有的團隊提出將無線局域網絡定位系統的數據與慣性導航系統組成誤差補償機制，用于矯正累計誤差。

3.1.3 超聲波定位

超聲波定位主要利用的是聲波反射產生的時間差來推算發射位置與反射面之間的距離，根據這一原理研究人員研制出了Active Bat系統，在科學測試中Active Bat系統定位精度最高可以達到3cm，這微小的數據相對智能智聯網系統具有重要影響。此后，研究人員在Active Bat系統基礎上改造研制出Cricket室內定位系統，改變了有線網絡技術，無需再特定位置固定大量發射及接受網站，而是基于超聲波傳輸時間與射頻控制信號，完成三維、多維定位。當然，從成本上來說，超聲波定位對硬件要求更高，因此需要花費更多資金投入[6]。

3.1.4 視覺定位

視覺定位通過前置攝像頭來捕捉周邊環境特征，根據大量圖片數據以智能算法來分析目標的三維空間位置。已經成熟的技術中，具有代表性的技術：一種是利用了便攜式移動設備，當多組單目攝像頭進行定位時能夠具備更高的精度[7]；另一種基于圖像密度匹配性和運動恢復原理，采用相機交會來實現醫院室內定位。借助高性能照相機，獲取像素極高的圖像數據，讓分析精度增加，進而提高了定位準確性，不過室內環境是非常多變的，定位系統要持續保持高精度也是不現實的。在改進方面，一些學者正嘗試用引入視覺傳感器的方法完善這一技術[8]。

3.2 無線信號室內定位

無線信號定位技術是利用非接觸雙向數據通信方式，通過通信結合數據訪問技術，再連接數據庫數據，實現非接觸式的多項通信，達到定位的目的。

3.2.1 WiFi定位

就目前而言，常用的WiFi室內定位技術包括2種：一種是根據接收信號的強度變化來指示距離變化，當然信號衰減與空間距離變化不一定成線性關系，會受到如物體遮擋、空氣濕度等的外部因素干擾，所以定位精度是受限的；另一種是基于RSSI位置指紋法的定位技術，這一方法屬于目前使用最為廣泛的WiFi定位類型[9]。另外，還有一些相同原理的產品，如美國的WiFi SLAM以及我國的“翼周邊”系統，它們精度較好但是組成系統的輔助設施非常多，因此后期的維護與前期支撐設備的布設需要花費很多成本，不利于大規模推廣[10]。

3.2.2 藍牙和紫蜂定位

藍牙定位和紫蜂定位的共同點是利用低功耗、短距離的優勢，通過與指紋、質心、鄰近等定位技術結合，實現系統進度的進一步提升。藍牙和紫蜂定位都擁有能耗低，空間距離短、適用場合范圍廣等特點，不過這兩種定位方法也存在穩定性比較差、容易被外界環境干擾的劣勢。藍牙定位依托接收到的信號強度場來進行空間距離計算，典型如國產“尋鹿”微定位系統與iBeacon系統，iBeacon由蘋果公司所開發，在很大程度上滿足了低功耗、較高精度這一用戶需求。當前，以藍牙技術為基礎的諸多定位系統多利用了指紋定位原理，包括改進的方案。而隨著藍牙5.0協議在2016年的發布，使得這類高精度定位獲得了更好的通信技術保障。紫峰定位技術利用鄰近探測法對不同盲點間的通信進行探測，然后采用模糊聚類算法進行定位分析，從而獲得米級精確度的定位結果[11]。

3.2.3 蜂窩網絡定位

蜂窩網絡定位技術，用在手機的定位，可對5G信號正確檢測，并更具特征通信參數來實現位置確定。依據原理不同，其常見定位方法有鄰近探測法、信號傳遞時間差探測定位。蜂窩網絡在當前通信領域中應用十分廣泛，其基礎設施幾乎遍布于任何建筑樓宇當中，因此將其應用于醫院室內定位導航具有很高的便利性，但其依然存在不足，這是因為定位會因時間同步精度問題而產生累計效應，使得平均定位準確性下降。典型如：愛立信公司提供的OTDOA定位方法精度僅為50m。而如果改為多天線MIMO＋TDOA的模式進行定位，則能讓精度有一定程度的提高，但這也僅僅只達到5～10m。隨著通信技術的進步，在5G通信網絡逐步普及的情況下，其精度有望獲得提升[12]。

3.2.4 射頻識別定位

射頻識別技術通過對不同的射頻信號識別來獲取對應目標位置，該技術既具有較長距離的輻射范圍、能夠繞過部分阻礙物傳遞信號的優點，又具有攜帶方便、定位精度高等技術特長，但射頻識別技術對信號強度非常敏感，當信號不穩定時，定位精度也會降低。目前以Spoton系統為代表的射頻識別系統存在硬件組成較為復雜并且計算量較大的問題，為解決之一問題而采取的技術手段是改進算法，未來隨著智能算法的不斷改進，相信這一技術也會不斷改進[13]。

3.2.5 超寬帶定位

美國是最早將超寬帶技術應用于定位導航的國家，在軍隊領域獲得了很大的成功，不過直到2002年才向民用領域開放。超寬帶定位具有系統結構的優勢，構成系統的模塊較為簡單，這有利于降低建造成本，并且具有能耗低、可靠性高、通道容量大等諸多優勢，美國軍用超寬帶定位導航系統的精度已經達到厘米級。超寬帶能夠實現通信與定位的一體化，特別是在室內環境復雜的條件下，其依然能保持較高的定位能力。在系統相關的硬件研究方面，Driver2和Aether5專業級芯片實現了真正意義上的小體積低功耗性能。在硬件系統性能不斷提升的前提下，由Ubisense公司開發的超寬帶實時定位系統能夠在實5.8～7.2GHz的高頻段工作，進一步與多邊定位法、三角定位法結合使得其室內定位精度提升至15cm[14]。

3.3 地磁定位

典型如地磁定位技術利用高精度的地磁探測儀器對周邊地磁變化進行分析，由于不同區域地磁強度不同進而進行室內定位，這一原理與WiFi相似，不過在有限面積內地磁的變化是非常有限的，因此這對探測器的要求便很高，加之同一地點的地磁并不是恒定的，所以這一定位系統存在較大的誤差。國外有科學團隊借助高精度探測設備構建出的定位系統能夠在地磁環境穩點區域實現精度接近1m的定位。地磁定位的優勢在于在室內布置系統比較便捷，其系統可以與其他定位方法融合使用，構成多信息定位模型，因而具有較好的研究前景[15]。

4 基于UWB的協同定位系統

隨著導航定位要求的不斷提高，單一的導航定位技術已經難以滿足用戶的需求。科研人員開始大力研究多源融合的導航系統，并取得了一定的成果。目前有學者提出了一種將全球定位系統（GPS）和超寬帶技術（UWB）通過多傳感器技術MARG（Magnetic，Angular，Rate and Gravity）結合的協同定位系統[16]。

協同定位系統中，室內定位采用超寬帶定位技術，實現室內高精度的定位，而室外則采用GPS衛星定位技術，同時借助MARG傳感器為GPS系統提供輔助的定位信息，如此一來，GPS與MARG相結合保證了醫院門診樓之外定位的穩定性與精確度，由于在門診樓內GPS信號被物體阻擋，因而信號十分微弱。此時定位信號進行切換，為UWB定位作為系統定位數據的全部輸出方，當處于室外時數據切換為由GPS全部提供。但在醫院中往往存在一些特殊空間區域，屬于室內與室外的混合區域，此時只靠切換后的GPS或UWB技術進行定位都無法滿足定位精度的要求，針對這一問題，目前還沒有比較好的解決方法，還需要科研人員做進一步的研究。

5 結語

本文首先敘述了紅外線、慣性導航、超聲波等定位技術，并進行了性能分析。針對單一的定位導航技術在應用過程中易出現大面積的盲區，數據精度難以滿足用戶需求的問題。介紹了一種將全球定位系統（GPS）和超寬帶技術（UWB）通過多傳感器技術MARG（Magnetic，Angular，Rate and Gravity）結合的協同定位系統，能夠極大的提高定位系統對環境的適應性，根據不同環境特征進行無縫模式切換，在擴大定位范圍的同時避免目標丟失。這種系統大大提高了醫護人員在病區室內導航定位的能力，但系統自身還有缺陷，需要進一步研究。