室內(nèi)定位技術(shù)及其在醫(yī)院的應(yīng)用研究

喻志才，蔣元林，蔣俊成，朱閩湘

室內(nèi)定位技術(shù)及其在醫(yī)院的應(yīng)用研究

喻志才，蔣元林，蔣俊成，朱閩湘

介紹了室內(nèi)定位的概念、原理和常用室內(nèi)定位技術(shù)的方式方法，重點闡述了室內(nèi)定位技術(shù)的幾個關(guān)鍵參數(shù)和優(yōu)缺點以及在醫(yī)院環(huán)境下室內(nèi)定位的技術(shù)要求，指出了室內(nèi)定位技術(shù)是當前醫(yī)院，特別是大型綜合型醫(yī)院信息化、智能化發(fā)展的趨勢。

室內(nèi)定位技術(shù)；可見光通信；智能化

0 引言

導航與定位系統(tǒng)中，大家最熟悉的是全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）。但隨著手機和通信網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了一種網(wǎng)絡(luò)輔助全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（assisted global positioning system，AGPS），它利用手機基地站配合GPS衛(wèi)星進行導航與定位，減少了對GPS衛(wèi)星的依賴，使定位的速度更快，但需要耗費網(wǎng)絡(luò)流量。在這些應(yīng)用中，定位衛(wèi)星起到關(guān)鍵作用。由于室內(nèi)基本接收不到衛(wèi)星信號，一旦在室內(nèi)需要進行定位和導航，衛(wèi)星定位功能就無法發(fā)揮作用。因此，室內(nèi)定位和導航一直是國際和國內(nèi)各個行業(yè)研究的課題。近年來，室內(nèi)定位技術(shù)[1]越來越成熟，開始在各個行業(yè)應(yīng)用并快速發(fā)展，特別是在大型綜合商場、飛機場、醫(yī)院等領(lǐng)域。

1 室內(nèi)定位系統(tǒng)技術(shù)介紹

1.1 無線定位原理和方法

無線定位[2]原理就是利用信標節(jié)點間信號的到達時間、到達時間差、到達信號的角度或到達信號的強度等信息確定位置坐標。

1.2 室內(nèi)定位系統(tǒng)常用的定位技術(shù)

根據(jù)發(fā)射信號方式不同，室內(nèi)定位系統(tǒng)常用的定位技術(shù)主要包括以下幾種：

（1）基于超聲波的定位技術(shù)。超聲波定位主要通過三角反射式測距法確定物體的位置，由應(yīng)答器和主測距器組成。主測距器放置在被測物體上，在微機指令信號的作用下向位置固定的應(yīng)答器發(fā)射同頻率的無線電信號，應(yīng)答器在收到無線電信號后同時向主測距器發(fā)射超聲波信號，得到主測距器與各個應(yīng)答器之間的距離，當同時有3個或3個以上不在同一直線上的應(yīng)答器作出回應(yīng)時，就能計算出被測物體所在的位置。

超聲波定位整體定位精度較高、結(jié)構(gòu)簡單，但超聲波在空氣中傳播時衰減大，一般只能適用于短距離傳輸。在醫(yī)院系統(tǒng)中，B超手術(shù)定位導航是應(yīng)用比較成功的例子，但原理上有所區(qū)別。

（2）基于紅外線的定位技術(shù)。紅外線室內(nèi)定位技術(shù)定位的原理為：紅外線標志發(fā)射調(diào)制的紅外射線，通過光學傳感器接收進行定位。由于光線不能穿過障礙物，使得紅外射線僅能視距傳播。當接收器被其他物體遮擋時就不能正常工作了，需要在每個房間、走廊安裝足夠多的接收器才能達到定位的目的，這使得造價較高。因此，紅外線只適合短距離傳播，而且容易被熒光燈或者房間內(nèi)的打火機、手電筒等光線所干擾。

（3）基于超寬帶（ultra wideband，UWB）的定位技術(shù)。超寬帶技術(shù)是具有千兆赫茲的容量和最高空間容量的無線信道技術(shù)，它是通過發(fā)送、接收納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)。由于超寬帶信號的時域脈沖極窄，能分辨納秒級以下的到達時間或時間差，因此可用于室內(nèi)精確定位。

（4）射頻識別（radio frequency detification，RFID）定位技術(shù)。系統(tǒng)通常是將閱讀器安裝在室內(nèi)固定的位置上（其位置信息是已知的），如安裝在室內(nèi)的天花板或者走廊墻壁上，利用這些已知位置的閱讀器來定位處在運動狀態(tài)的電子標簽。閱讀器通過檢測其周圍的電子標簽相對自己的位置進行定位計算，并將位置信號傳輸給控制顯示計算機系統(tǒng)。

射頻識別技術(shù)利用射頻方式進行的讀寫器與電子標簽之間非接觸的雙向通信交換數(shù)據(jù)以達到識別和定位的目的。這種技術(shù)相互作用距離短，一般十幾或幾十米，但它可以得到厘米級定位精度的信息。其優(yōu)點是標志體可以很輕巧，造價成本低，但是作用距離短且不具有通信能力，基本不能獨立進行定位，通常需要與通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。Wi-Fi和RFID技術(shù)[3]在老年公寓人員定位系統(tǒng)的應(yīng)用中就有體現(xiàn)。

（5）Wi-Fi技術(shù)。它使用802.11b/g/n標準，在不需要增加額外硬件設(shè)備的情況下（如讀卡器、天線等），就可以利用現(xiàn)有Wi-Fi實現(xiàn)定位[4]與導航。原理為：每一個無線訪問接入點（access point，AP）都有一個全球唯一的MAC（media access control）地址，并且這些無線AP在一段時間內(nèi)是固定的，只要設(shè)備在開啟Wi-Fi的情況下，即可掃描并收集周圍的AP信號，獲取AP廣播出來的MAC地址，設(shè)備將這些能夠標示AP的數(shù)據(jù)發(fā)送到位置服務(wù)器，服務(wù)器檢索出每一個AP的地理位置，并結(jié)合每個信號的強弱程度，計算出設(shè)備的地理位置并返回到用戶設(shè)備。

（6）ZigBee[5]技術(shù)。ZigBee是一種全新的短距離、低功率、低成本、雙向無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。它使用802.15.4標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)通信以實現(xiàn)定位。這些傳感器只需要很少的能量，便可通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，因此效率非常高。ZigBee最顯著的技術(shù)特點是低功耗和低成本，在室內(nèi)定位系統(tǒng)[6]的設(shè)計以及在醫(yī)院應(yīng)用較為廣泛。目前應(yīng)用該技術(shù)可以了解患者位置和體征參數(shù)，且結(jié)合北斗導航[7]可實現(xiàn)海上傷員的定位。

（7）基于發(fā)光二極管（light emitting diocle，LED）可見光通信[8]的定位技術(shù)?？梢姽馔ㄐ哦ㄎ籟9]技術(shù)是將配備信號控制裝置的專用LED燈發(fā)出的光的明暗變化作為ID信號發(fā)送，接收到ID信號的便攜終端將其轉(zhuǎn)換成位置信息。該技術(shù)定位精度高約為1m，數(shù)據(jù)傳輸速度為9.6 Kbit/s。日本三重縣長島溫泉樂園的游樂項目“口袋妖怪探險營”中就部分采用了可見光通信室內(nèi)定位技術(shù)，但在醫(yī)院應(yīng)用方面目前還少有報道。可見光通信原理如圖1所示。

圖1 可見光通信原理

2 室內(nèi)定位技術(shù)的各參數(shù)、性能等比較

室內(nèi)定位技術(shù)的各參數(shù)、性能等比較見表1。

表1 各技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)

3 室內(nèi)定位在醫(yī)院的應(yīng)用

各種定位技術(shù)在醫(yī)院的應(yīng)用一直處于試驗和試用層面，近年來才開始逐漸被采納，但由于各種定位都有其自身的優(yōu)缺點，只有選擇合適性價比的方案并相互綜合應(yīng)用，才能取得更有效的精確定位點，提高實用性。室內(nèi)定位技術(shù)在醫(yī)院的應(yīng)用主要包括：（1）實時查找到急需的醫(yī)療搶救設(shè)備（呼吸機、麻醉機等）；（2）對精神病醫(yī)院的重點精神患者的實時監(jiān)護；（3）實現(xiàn)醫(yī)院住床的導航；（4）實現(xiàn)醫(yī)院出入院患者的流量等信息的統(tǒng)計分析；（5）對新生嬰兒實現(xiàn)實時監(jiān)控；（6）對醫(yī)院毒、麻等重點藥物實時監(jiān)控；（7）患者可以隨時隨地呼叫；（8）隨時隨地了解醫(yī)生、護士和患者的動向；（9）手術(shù)部位的定位導航。

4 室內(nèi)定位在醫(yī)院系統(tǒng)中的應(yīng)用

室內(nèi)定位在醫(yī)院系統(tǒng)中的應(yīng)用，必須綜合考慮以下幾個方面的因素。

4.1 精度

不同場所的應(yīng)用有著不同的定位精度要求。有的定位精度高但成本也高，有的成本低但不能滿足所需要的定位精度，這就要求在性價比之間做出優(yōu)化選擇。醫(yī)院內(nèi)環(huán)境比較復(fù)雜，特別是相對而言的獨立單元——比如病房的病床和患者單元、護理站、急救設(shè)備等，一般要求定位的精度比較高，這樣才能夠滿足應(yīng)用需要。通常定位的精度可以通過在硬件不變的基礎(chǔ)上綜合應(yīng)用多種軟件算法或者通過某種軟件算法綜合運用多種硬件設(shè)施，比如三軸陀螺儀和加速度傳感器等輔助設(shè)備來提高。

4.2 導航

導航是定位系統(tǒng)中最常見的應(yīng)用，特別是在人員和環(huán)境復(fù)雜的條件下，導航定位功能就顯得尤為突出。在醫(yī)院系統(tǒng)中導航的應(yīng)用主要在于實時及時地查找到急需的醫(yī)療搶救設(shè)備（呼吸機、麻醉機），可以為醫(yī)護人員的診斷和搶救贏得寶貴時間，還可以為病患的檢查路徑及患者家屬的探訪做出指引等。

4.3 自動識別能力

定位系統(tǒng)要求具備一定的自動識別能力。這種識別能力一般可以通過把身份識別系統(tǒng)和室內(nèi)定位系統(tǒng)集成起來，如患者腕帶或條碼識別[10]。這些無線腕帶或條碼信息不僅發(fā)送或接收定位無線信號，而且包括患者的基礎(chǔ)信息（姓名、年齡、病床號等），當定位系統(tǒng)定位某個單元的時候，這些基礎(chǔ)信息便被同時自動顯示。

4.4 系統(tǒng)自身的干擾和抗干擾

醫(yī)院內(nèi)應(yīng)用的無線室內(nèi)定位系統(tǒng)要求不對醫(yī)療電子設(shè)備產(chǎn)生大的干擾，同時自身不因外界環(huán)境改變而受到影響。由于室內(nèi)環(huán)境的變化，比如增加大型設(shè)備、改裝屏蔽房、病房的增加或減少等都要求醫(yī)院室內(nèi)定位技術(shù)具備較高的穩(wěn)定性。從目前的技術(shù)來看，室內(nèi)定位系統(tǒng)的抗干擾能力、穩(wěn)定性都有待提高。

5 醫(yī)院室內(nèi)定位系統(tǒng)發(fā)射接收的方式選擇

對于醫(yī)院室內(nèi)定位系統(tǒng)的方式選擇，從表1可以看出，超寬帶定位和射頻定位以及可見光通信定位技術(shù)比較符合精度、性價比、導航和穩(wěn)定性這幾項要求。這些也是近年來發(fā)展比較快也比較成熟的技術(shù)，如大家比較熟悉的Wi-Fi技術(shù)等。但從長遠來看，可見光通信定位技術(shù)則更具發(fā)展?jié)摿颓熬?，這是因為它不僅容易布局、價格低廉（它只需要普通的LED加以改裝作為發(fā)射源）、性能穩(wěn)定、傳輸速率高、便于維護，還不產(chǎn)生且不受到無線電磁的干擾，更適合醫(yī)院使用。

6 結(jié)語

不管是GPS定位技術(shù)還是利用無線網(wǎng)絡(luò)或其他定位手段進行的定位都有其局限性。未來室內(nèi)定位技術(shù)的趨勢是多技術(shù)和多種算法相結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)點，既可以提供較好的精度和通信速度，又可以覆蓋較廣的范圍，且能達到較高的性價比和系統(tǒng)穩(wěn)定性。由于醫(yī)院近年來大力加強信息化、智能化建設(shè)，相信不久之后，室內(nèi)定位技術(shù)會像室外GPS定位技術(shù)一樣深入醫(yī)療的各個角落，為醫(yī)院的醫(yī)療工作發(fā)揮更加積極的作用。

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（收稿：2014-05-22 修回：2014-09-17）

Indoor positioning technology and its application in hospital

YU Zhi-cai,JIANG Yuan-lin,JIANG Jun-cheng,ZHU Min-xiang
(Department of Medical engineering,the 117th Hospital of the PLA,Hangzhou 310013,China)

Indoor positioning technology (IPT)was introduced from aspects of the concept,principles and general methods.The focuses were put on IPT's key parameters,advantages and disadvantages,and technical requirements in the hospital.IPT tends to play an important role in informatized and intelligent large-scale comprehensive hospital.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（6）：124-126]

inndoor positioning technology;visible light communications；intelligentification

R318；R197.324

A

1003-8868（2015）06-0124-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.06.124

喻志才（1978—），男，工程師，主要從事醫(yī)療設(shè)備維修、計量質(zhì)控及儀器檔案管理方面的研究工作，E-mail:yuzhicai2002@163.com。

310013杭州，解放軍117醫(yī)院醫(yī)學工程科（喻志才，蔣元林，蔣俊成，朱閩湘）

朱閩湘，E-mail:hzlyylkzyg@163.com