Wi-Fi實時定位系統(tǒng)在醫(yī)療系統(tǒng)的應(yīng)用

姚文坡，沈華強(qiáng)，黃亞萍，吳敏

南京軍區(qū)南京總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，江蘇 南京 210002

Wi-Fi實時定位系統(tǒng)在醫(yī)療系統(tǒng)的應(yīng)用

姚文坡，沈華強(qiáng)，黃亞萍，吳敏

南京軍區(qū)南京總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，江蘇 南京 210002

目的研究Wi-Fi實時定位系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)和系統(tǒng)構(gòu)架，并分析其在醫(yī)療系統(tǒng)中的應(yīng)用。方法分析對比Wi-Fi、ZigBee等物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)的差異，研究定位系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)功能框架、功能特點(diǎn)等，并分析如何應(yīng)用于醫(yī)院管理的不同部分。結(jié)果Wi-Fi實時定位系統(tǒng)存在前期投入低、技術(shù)成熟等優(yōu)勢，即使存在功耗等方面的不足，但是在醫(yī)院醫(yī)護(hù)人員、患者以及設(shè)備等內(nèi)容的定位中能夠有效實現(xiàn)。結(jié)論Wi-Fi實時定位系統(tǒng)可有效滿足醫(yī)療系統(tǒng)對實時定位的要求，而且在醫(yī)療衛(wèi)生單位已經(jīng)取得成功應(yīng)用，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。

實時定位；醫(yī)院管理；Wi-Fi；物聯(lián)網(wǎng)

引言

實時定位在現(xiàn)代化醫(yī)院的管理中具有重要的應(yīng)用價值，醫(yī)護(hù)人員在崗情況巡查、患者實時跟蹤、醫(yī)療設(shè)備的監(jiān)測等環(huán)節(jié)在定位技術(shù)的幫助下可得到有效的提升。當(dāng)前流行的GPS、北斗定位系統(tǒng)無法滿足醫(yī)院物資區(qū)域性的實時定位需求，而且在管理中存在諸多不便。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，區(qū)域性實時定位技術(shù)已有很多成熟的技術(shù)和產(chǎn)品，能夠有效地應(yīng)用于醫(yī)療系統(tǒng)中，滿足醫(yī)院管理中的需求。

智能定位追蹤系統(tǒng)在醫(yī)療搶救設(shè)備、危險物品和醫(yī)療垃圾等方面有較強(qiáng)的應(yīng)用價值和前景，通過與醫(yī)院信息系統(tǒng)的結(jié)合，可有效解決醫(yī)院物資管理中存在一些不足[1]。國內(nèi)外工程人員、科研工作者以及企業(yè)在將實時定位系統(tǒng)[2]引入醫(yī)院管理工作中做了大量研究，取得了一定的成效。王玉柱等人分析介紹了一種基于ZigBee技術(shù)的醫(yī)院病人追蹤定位系統(tǒng)的設(shè)計，并且對定位引擎在實際應(yīng)用中的不足提出了改進(jìn)措施[3]。利用射頻識別（Radio Frequency Indentif cation，RFID）技術(shù)可實現(xiàn)高值耗材的跟蹤[4]以及醫(yī)療設(shè)備的定位。陳俊陽等[5]人在醫(yī)院實際需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合Wi-Fi實時定位技術(shù)，對基本構(gòu)架和管理控制模式加以分析，并且展望了未來的研究發(fā)展方向?；赪i-Fi的實時定位系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用，目前的研究內(nèi)容還包括RFID定位以及基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，各有特點(diǎn)，促進(jìn)了區(qū)域性的實時定位管理水平的提升。Wi-Fi實時定位系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)在于覆蓋面廣，接入便捷以及技術(shù)成熟。目前多數(shù)醫(yī)療衛(wèi)生單位實現(xiàn)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)覆蓋，智能終端設(shè)備可較為便捷地接入管理系統(tǒng)，并且系統(tǒng)搭建的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)可免去前期的網(wǎng)絡(luò)投入，降低成本。Wi-Fi產(chǎn)品技術(shù)相對成熟，保障系統(tǒng)運(yùn)行的可靠度，因此基于Wi-Fi的實時定位系統(tǒng)具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

本文詳細(xì)分析了Wi-Fi實時定位系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)和系統(tǒng)構(gòu)架，研究其在醫(yī)療系統(tǒng)中的應(yīng)用價值并對當(dāng)前應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行討論。

1 Wi-Fi實時定位系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是指通過溫濕度、光電參數(shù)的傳感設(shè)備采集感知信息，利用RFID、NFC、全球定位系統(tǒng)等技術(shù)標(biāo)記識別感知物體和傳感器，按照約定的協(xié)議，將物體和網(wǎng)絡(luò)相連，進(jìn)行信息通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、監(jiān)控和管理的網(wǎng)絡(luò)概念[6]。作為物聯(lián)網(wǎng)在醫(yī)療中的重要應(yīng)用，下面詳細(xì)介紹與區(qū)域性實時定位相關(guān)的識別技術(shù)和傳輸網(wǎng)絡(luò)兩方面的內(nèi)容。

1.1 識別技術(shù)

目前的識別技術(shù)比較多，如Wi-Fi標(biāo)簽、RFID標(biāo)簽、NFC等，在實時定位的應(yīng)用中主要的研究有Wi-Fi和RFID 2方面。

RFID是一種非接觸式的自動非接觸識別技術(shù)，通過射頻信號自動識別物體并獲取數(shù)據(jù)信息[7-8]，其通信方式屬于被動工作方式。當(dāng)前RFID在零售、物流和醫(yī)療等行業(yè)具有重要的應(yīng)用，能夠應(yīng)對粉塵、污染、輻射等惡劣的環(huán)境，而且制作成本較低。完整的射頻識別系統(tǒng)包括三部分：① 標(biāo)簽，每個標(biāo)簽具有唯一的編碼，用于識別物體；② 閱讀器，讀取標(biāo)簽中的信息；③ 天線，在標(biāo)簽和閱讀器之間傳遞射頻信號。Wi-Fi標(biāo)簽芯片相對便宜，技術(shù)成熟，實現(xiàn)的復(fù)雜度較低，而且在物資內(nèi)置Wi-Fi功能，無需再粘貼Wi-Fi標(biāo)簽，也可極大降低實時定位的成本。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)

理論上任何有線和無線的通信方式都可以應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的信息傳輸，本文主要介紹藍(lán)牙、Wi-Fi與ZigBee 3個方面內(nèi)容。

作為WLAN的新技術(shù)，基于IEEE802.11b的Wi-Fi無線技術(shù)在當(dāng)前有著極其廣泛的應(yīng)用，目前已經(jīng)將個人電腦、路由器、手持設(shè)備等終端有效地連接起來。Wi-Fi的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在傳輸速度和傳輸距離方面，其最大的傳輸距離可達(dá)300 m，最大的傳輸速度速度可達(dá)到300 Mbps，但是缺點(diǎn)是功耗較大，最大功耗為50 mA。

藍(lán)牙技術(shù)目前在電腦和手機(jī)短距離數(shù)據(jù)傳輸方面有一定程度的使用，而且正在不斷更新，功能也不斷優(yōu)化，最新版本4.2加強(qiáng)了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用特性，可實現(xiàn)IP聯(lián)接及網(wǎng)關(guān)設(shè)置等諸多新特性[9]。目前基于藍(lán)牙技術(shù)開發(fā)的應(yīng)用較少，相比于Wi-Fi，藍(lán)牙的優(yōu)勢在于低功耗和安全性方面，但是傳輸速度和有效傳輸距離方面存在不足，最大傳輸速度和距離分別為1 Mbps和100 m。

ZigBee作為一種較新的無線通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中有著較為廣泛的應(yīng)用前途和潛力[10-11]，在未來的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中必將發(fā)揮重要的作用。ZigBee的優(yōu)勢在于低復(fù)雜度、自組織、高安全性、低功耗上以及具備組網(wǎng)和路由特性；另外可方便嵌入到各類設(shè)備中，安全性介于Wi-Fi和藍(lán)牙之間。

另外，移動通信技術(shù)，如GPRS、3G和4G-LTE，已經(jīng)完全可以實現(xiàn)多媒體通信，在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中可將手機(jī)等手持設(shè)備有效地融入管理監(jiān)控功能中，但是目前利用移動通信技術(shù)實現(xiàn)實時定位的應(yīng)用研究相對較少。

2 Wi-Fi實時定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

基于Wi-Fi的實時定位系統(tǒng)[12]與其他定位系統(tǒng)系統(tǒng)相比具有眾多優(yōu)勢：現(xiàn)醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)一般都實現(xiàn)了Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，因此定位系統(tǒng)科充分利用現(xiàn)有的無線基礎(chǔ)設(shè)施，無需增加額外的網(wǎng)絡(luò)搭建投資；Wi-Fi芯片可實現(xiàn)標(biāo)識定位功能，無需專門覆蓋標(biāo)識設(shè)備，而且在物資內(nèi)置Wi-Fi模塊實現(xiàn)較為容易；管理控制部分可完全由軟件編程實現(xiàn)，功能改進(jìn)靈活，系統(tǒng)調(diào)整方便；Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)能夠融入各類手持設(shè)備、PDA等，監(jiān)控便捷，擴(kuò)大系統(tǒng)管理的應(yīng)用。

Wi-Fi實時定位系統(tǒng)主要包括3部分：Wi-Fi定位卡、無線局域網(wǎng)接入點(diǎn)、管理系統(tǒng)，圖1～2分別為Wi-Fi實時定位系統(tǒng)運(yùn)行圖和功能結(jié)構(gòu)圖。

圖1 Wi-Fi實時定位系統(tǒng)運(yùn)行圖

圖2 Wi-Fi實時定位系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

（1）Wi-Fi定位卡作為無線數(shù)據(jù)采集模塊可方便地佩戴在人員身上或物品上，系統(tǒng)通過對標(biāo)簽的跟蹤實現(xiàn)對人員和資產(chǎn)的跟蹤定位，另外可以根據(jù)需要設(shè)計不同的外形并通過設(shè)備本身內(nèi)置Wi-Fi模塊接入管理系統(tǒng)。

（2）無線AP采用2.4 GHz頻段，支持802.11 b/g模式，及時采集Wi-Fi卡片傳輸?shù)男畔?，傳輸?shù)胶蠖说谋O(jiān)控中心，對人員物資進(jìn)行監(jiān)控管理。

（3）管理系統(tǒng)通過定位服務(wù)器和相關(guān)的軟件系統(tǒng)對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析，并結(jié)合電子地圖對人員物資的實時位置進(jìn)行分析；監(jiān)控物體的位置信息、運(yùn)動軌跡同時存入存儲服務(wù)器，監(jiān)控人員可通過計算機(jī)訪問服務(wù)器，查詢相關(guān)信息；另外可以通過編寫相關(guān)的應(yīng)用程序，將智能手機(jī)、PDA和平板電腦等便攜裝置融入管理系統(tǒng)。

Wi-Fi實時定位系統(tǒng)的主要功能特點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)：定位系統(tǒng)基于Wi-Fi，對無線局域網(wǎng)非常普及，價格便宜，容易搭建和管理；同時定位網(wǎng)絡(luò)還可用于上網(wǎng)、語音、視頻等其他用途；可設(shè)定區(qū)域范圍，監(jiān)控區(qū)域內(nèi)人員或物品出入等情況，非許可人員或物品出入時，報警提示；以電子地圖形式顯示人員或物品的位置和移動軌跡；能通過傳感器監(jiān)測其周圍環(huán)境的溫度等信息，便于環(huán)境監(jiān)測和安全防范；管理系統(tǒng)可方便和互聯(lián)網(wǎng)相連，方便遠(yuǎn)程監(jiān)控、查詢，Wi-Fi實時定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)見圖3。

圖3 Wi-Fi實時定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖

3 Wi-Fi實時定位系統(tǒng)在醫(yī)院的應(yīng)用

Wi-Fi實時定位系統(tǒng)[13]在醫(yī)療系統(tǒng)中存在較為廣泛的應(yīng)用，如醫(yī)護(hù)人員在崗情況的監(jiān)控、病人外出實時定位監(jiān)護(hù)、醫(yī)療物資的巡檢和跟蹤等在實時定位系統(tǒng)的幫助下可得到有效管理，下面分析重點(diǎn)環(huán)節(jié)的應(yīng)用價值。

3.1 智能呼叫系統(tǒng)

實時定位管理系統(tǒng)是在國外醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備、病人的管理中起到了很大的作用，系統(tǒng)基于Wi-Fi通信技術(shù)，可實現(xiàn)對對醫(yī)療設(shè)備及資產(chǎn)的跟蹤管理，并且在病人出現(xiàn)危機(jī)時可主動呼叫醫(yī)護(hù)人員，提高醫(yī)療機(jī)構(gòu)的運(yùn)作效率和管理水平，向精細(xì)化方向發(fā)展。進(jìn)入醫(yī)院的普通病人或特護(hù)病人被發(fā)放一個無線電子標(biāo)簽，病人可以在醫(yī)院任何范圍內(nèi)遇到危急情況時，只要輕觸標(biāo)簽上的按鈕便可實現(xiàn)呼叫求助，而不再像以前僅僅只能在床前呼叫；系統(tǒng)接收到呼叫請求后可立刻定位到病人呼叫的區(qū)域，定位精度在3～5 m，實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地施助。尤其對于老年癡呆、精神病人等，沒有足夠的人力進(jìn)行全天候監(jiān)護(hù)。同時，電子標(biāo)簽還可安裝在輪椅上，便于病人呼叫方便及系統(tǒng)自動跟蹤。

3.2 醫(yī)療設(shè)備管理

醫(yī)療設(shè)備集中管理中心。醫(yī)療設(shè)備集中管理為醫(yī)院應(yīng)急設(shè)備供應(yīng)帶來很大便捷，但是在外借設(shè)備的管理方面存在很大的不足。當(dāng)科室使用設(shè)備結(jié)束后不一定會及時歸還，容易造成應(yīng)急設(shè)備在科室的閑置，而且存在應(yīng)急設(shè)備在科室之間相互轉(zhuǎn)借的情況，Wi-Fi實時定位系統(tǒng)可有效地在對這些設(shè)備的監(jiān)控方面。通過為每臺應(yīng)急設(shè)備安裝Wi-Fi標(biāo)簽，實時監(jiān)測外借設(shè)備的動態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備長期閑置或是科室之間轉(zhuǎn)借的情況，集中管理中心工作人員及時和科室溝通，收回應(yīng)急設(shè)備，實現(xiàn)應(yīng)急設(shè)備的高效利用。

大型設(shè)備監(jiān)控。為大型設(shè)備或是大規(guī)模設(shè)備的關(guān)鍵部件安裝無線電子標(biāo)簽，標(biāo)簽的唯一ID。通過系統(tǒng)能夠?qū)崟r全方位定位追蹤設(shè)備的位置、數(shù)量，并監(jiān)控這些設(shè)備的使用現(xiàn)狀，對設(shè)備位置、移動狀況、實時狀態(tài)等信息進(jìn)行實時和定時監(jiān)控與統(tǒng)計分析，并根據(jù)設(shè)備的相關(guān)狀態(tài)觸發(fā)后續(xù)動作，滿足對于重要設(shè)備資產(chǎn)的全方位監(jiān)控與監(jiān)管，準(zhǔn)確統(tǒng)計設(shè)備的使用效率。 一旦出現(xiàn)非法移動、未經(jīng)授權(quán)的拆卸和其他異?，F(xiàn)象時，即可自動報警告知相關(guān)管理人員或責(zé)任人，及時采取對應(yīng)措施，避免損失和事故。

3.3 高值耗材跟蹤管理

高值耗材占醫(yī)院收支重要部分，隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)院對高值耗材的重視程度越來越高，正逐步提高高值耗材管理力度。高值耗材管理的一個難點(diǎn)在于監(jiān)管是否真正有效地利用于患者，委派專門的人員對高值耗材的使用情況進(jìn)行監(jiān)督存在諸多不便，而且需要投入額外的人力物力資源，Wi-Fi實時定位系統(tǒng)可以有效地解決高值耗材實時跟蹤的問題。

3.4 智能倉庫

智能倉庫利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)對倉庫的環(huán)境參數(shù)、庫存量以及貨物的位置等信息進(jìn)行采集，并搭建智能網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，結(jié)合數(shù)據(jù)庫管理軟件實現(xiàn)貨物的定位、跟蹤、倉庫的巡檢、監(jiān)控，即智能倉庫[14]。智能倉庫系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r監(jiān)測倉庫狀況，而且更重要的作用在于通過對倉庫數(shù)據(jù)的分析為倉庫的調(diào)整提供有價值的信息。智能倉庫系統(tǒng)對倉庫庫存量、環(huán)境參數(shù)和物資抽組等進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)記錄和分析，得出相應(yīng)優(yōu)化改進(jìn)方案。

另外，Wi-Fi實時定位系統(tǒng)在危險輻射、化學(xué)物品、報廢物資的實時監(jiān)測也存在廣泛應(yīng)用的前景。

4 討論

基于Wi-Fi的實時定位系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，可極大降低網(wǎng)絡(luò)搭建的前期投入，并且可將電腦、智能手機(jī)、平板等手持設(shè)備便捷地接入管理網(wǎng)絡(luò)，能夠有效地將現(xiàn)有的管理方法融合擴(kuò)大。與之相比，ZigBee是私有通信協(xié)議，需要組建專網(wǎng)，在相同的定位精度要求下，傳感器和節(jié)點(diǎn)布點(diǎn)的密度要高，投入成本較高，并且在管理上較為復(fù)雜。ZigBee網(wǎng)絡(luò)加RFID標(biāo)簽實現(xiàn)的實時定位系統(tǒng)缺點(diǎn)也在于造價較高，系統(tǒng)的設(shè)計與現(xiàn)有基于IP的網(wǎng)絡(luò)與計算機(jī)構(gòu)架的兼容性復(fù)雜。但是研究中也發(fā)現(xiàn)其存在不足以及需要進(jìn)一步改進(jìn)的方面。

Wi-Fi實時定位系統(tǒng)的缺陷在于較高的功耗以及較高Wi-Fi標(biāo)簽卡片制作成本，因此降低標(biāo)簽的制作成本和功耗是未來系統(tǒng)應(yīng)用中需要重點(diǎn)研究的方向[15]。和RFID、ZigBee標(biāo)簽相比，Wi-Fi標(biāo)簽的制作雖然技術(shù)相對成熟，但是劣勢在于較高的制作成本。而Wi-Fi相關(guān)發(fā)射接收器件的高功耗是限制其快速發(fā)展的另一個因素，為了降低功耗，可對部分長期處于靜止?fàn)顩r或是變動不大的物資的Wi-Fi器件降低信號發(fā)射功率或是定向發(fā)射信號，進(jìn)而實現(xiàn)降低功耗的目的，延長標(biāo)簽的使用時間。

另外，Wi-Fi實時定位系統(tǒng)的精度受多種因素的影響，如墻壁、金屬物體等。定位的情況受到信號強(qiáng)弱的影響，而Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)受環(huán)境影響較大。方向性定位對固定大型設(shè)備運(yùn)行狀況的監(jiān)測比較方便，但是對移動比較頻繁的設(shè)備，則存在一定的困難。

5 結(jié)論

醫(yī)院對醫(yī)護(hù)人員、患者以及設(shè)備有較強(qiáng)的實時定位需求，隨著科技的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可有效解決這些問題?；赪i-Fi的實時定位系統(tǒng)已經(jīng)有不少成型的產(chǎn)品，并且在某些國內(nèi)外醫(yī)院取得成功的應(yīng)用。系統(tǒng)的優(yōu)勢在于技術(shù)成熟，并且基于廣泛應(yīng)用的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)可減少前期的網(wǎng)絡(luò)搭建投入，但是也存在成本高、功耗高等缺點(diǎn)。整體分析，基于Wi-Fi的實時定位系統(tǒng)可有效滿足醫(yī)療衛(wèi)生單位和相關(guān)部門的實時定位需求，并且具有廣泛應(yīng)用的潛力。

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Application of the Wi-Fi Real-Time Location System in Medical Systems

ObjectiveTo study the Wi-Fi Real-Time Location System (RTLS) network architectures and related technologies and analyze its applications in the medical system.MethodsComparative analysis of the differences among Wi-Fi, Zigbee and others communication methods was conducted. And RTLS issues on system components, structure, functional framework and features were analyzed. Researches on system applications in hospital management were made.ResultsWi-Fi RTLS had the advantages of low initial investment and mature technologies and could be effectively realized in real-time location, including hospital staff, patients and equipment positioning although it had drawbacks in some aspects such as power consumption.ConclusionWi-Fi RTLS can effectively satisfy the hospital requirements of real-time positioning, and it has been successfully applied in some medical and healthcare units and will have wide range of applications in the future.

real-time location; hospital management; Wi-Fi; Internet of things

YAO Wen-po, SHEN Hua-qiang, HUANG Ya-ping, WU Min
Department of Medical Engineering, Nanjing General Hospital of Nanjing Military Command, Nanjing Jiangsu 210002, China

TN925.93

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.12.051

1674-1633(2016)12-0172-04

2015-10-02

2015-12-28

吳敏，高級工程師。研究方向：醫(yī)療設(shè)備研究與開發(fā)，醫(yī)學(xué)信號處理。

通訊作者郵箱：njzywm@163.com