一種監(jiān)護(hù)控制系統(tǒng)及室內(nèi)定位方法

曹茂誠(chéng) 王軍敬

摘 要：利用物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴便攜設(shè)備等新技術(shù)開發(fā)一款可對(duì)住院患者進(jìn)行精準(zhǔn)定位并能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)采集患者生命體征的監(jiān)護(hù)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)有效改變了醫(yī)院傳統(tǒng)護(hù)理模式，提升了護(hù)理質(zhì)量。通過建立監(jiān)護(hù)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了患者生命體征數(shù)據(jù)自動(dòng)采集;通過利用UWB超寬帶技術(shù)，采用基于錨的TDOA定位模式開發(fā)高精度室內(nèi)定位模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)住院患者精確定位。應(yīng)用該系統(tǒng)，護(hù)理人員可以對(duì)病人活動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、患者病情及時(shí)處理，對(duì)心腦血管疾病患者臨床診療過程具有重要意義。系統(tǒng)有效改變醫(yī)院傳統(tǒng)護(hù)理模式，降低了醫(yī)療差錯(cuò)，提高了醫(yī)護(hù)人員工作效率和醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：超寬帶; 室內(nèi)定位; 生命體征監(jiān)測(cè); 監(jiān)護(hù)控制

中圖分類號(hào)： TG409

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract：By using emerging technologies such as the Internet of things and wearable devices， a monitoring and control system is developed to realize the accurate localization of the inpatients and the automatic collection of vital signs in real time. The system is effective in changing the traditional model of nursing， promoting the high-quality nursing and enhancing the patient medical experience. The real-time vital signs data acquisition is realized by establishing the monitoring and control system. By using UWB technology， it takes the localization pattern based on TDOA to develop an indoor localization module with high precision in order to realize the inpatients accurate localization. With the current system， the active states of the inpatients are monitored in real time， thus their diseases can be diagnosed and treated timely. It is of great clinical significance for those patients suffering from cardiovascular and cerebrovascular diseases. With this system， we can achieve the objectives of changing the traditional model of nursing， reducing healthcare errors， and improving the working efficiency of health care professionals and the quality of medical services in a timely manner.

Key words：UWB; Indoor location; Vital sign monitoring; Monitoring and control

0 引言

近幾年來關(guān)于患者安全問題成為全球各國(guó)家醫(yī)療安全主要關(guān)注的焦點(diǎn)，已經(jīng)引起了社會(huì)的普遍關(guān)注。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年約20萬住院患者死于院內(nèi)安全管理問題，醫(yī)患關(guān)系日趨緊張，醫(yī)療矛盾也日益增加，我國(guó)患者的基數(shù)龐大導(dǎo)致醫(yī)療護(hù)理特別是安全有效護(hù)理供不應(yīng)求，醫(yī)療護(hù)理質(zhì)量各地區(qū)參差不齊。醫(yī)療護(hù)理勞動(dòng)力強(qiáng)，工作壓力大，人工護(hù)理效率低下，是目前住院病人管理的一個(gè)普遍現(xiàn)狀。特別是在骨科，神經(jīng)科，康復(fù)科等病房，臨床治療鼓勵(lì)患者活動(dòng)，然而由于對(duì)患者的護(hù)理不周，不精確往往導(dǎo)致出現(xiàn)患者跌倒、壓瘡事件的發(fā)生，更有甚者出現(xiàn)心跳驟停而得不到及時(shí)的救治的現(xiàn)象。國(guó)衛(wèi)辦醫(yī)發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步深化優(yōu)質(zhì)護(hù)理、改善護(hù)理服務(wù)的通知》[2015]15號(hào)文件指出要充分利用信息技術(shù)，助力提升優(yōu)質(zhì)護(hù)理工作。利用無線網(wǎng)絡(luò)、可穿戴便攜設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、5G等新興技術(shù)，協(xié)助護(hù)士提高工作效率，降低醫(yī)療差錯(cuò)，緩解優(yōu)質(zhì)護(hù)理中人員不足的困難，實(shí)現(xiàn)把時(shí)間還給護(hù)士，把護(hù)士還給病人，全面提升患者就醫(yī)體驗(yàn)[1，2]。

基于此，為了滿足臨床治療方案，在鼓勵(lì)患者活動(dòng)的過程中對(duì)患者進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)控，為每個(gè)醫(yī)護(hù)人員及時(shí)提供患者的安全動(dòng)態(tài)，做到安全事件及時(shí)處理，甚至是提前處理，有必要基于安全有效管理以及精準(zhǔn)救治的理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，為住院患者提供一種安全有效的監(jiān)護(hù)控制系統(tǒng)和方法。

常用的WIFI、紅外線及藍(lán)牙等室內(nèi)定位技術(shù)普遍存在定位精度不高、時(shí)間延遲等問題。如何有效利用物聯(lián)網(wǎng)、5G、無創(chuàng)生命體征便攜設(shè)備等信息技術(shù)研制一套既可以實(shí)現(xiàn)患者室內(nèi)精準(zhǔn)定位又能自動(dòng)采集血壓、血氧、血糖等生命體征的信息系統(tǒng)，提升住院患者優(yōu)質(zhì)護(hù)理工作、緩解緊張的醫(yī)患關(guān)系已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外各醫(yī)療機(jī)構(gòu)亟待解決的關(guān)鍵問題之一[3]。

國(guó)內(nèi)外有很多研究機(jī)構(gòu)及專家學(xué)者正在積極研究患者血壓、血糖、體溫等生命體征信息的自動(dòng)實(shí)時(shí)采集及推廣應(yīng)用，但是將室內(nèi)精準(zhǔn)定位與患者生命體征數(shù)據(jù)自動(dòng)采集有機(jī)結(jié)合的研究與探索還處于起步階段。

1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

監(jiān)護(hù)控制系統(tǒng)通過由監(jiān)護(hù)對(duì)象所佩戴的可穿戴設(shè)備實(shí)時(shí)采集監(jiān)護(hù)對(duì)象的生理參數(shù)，由設(shè)置在監(jiān)控空間內(nèi)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集裝置實(shí)時(shí)或者定時(shí)獲取可穿戴設(shè)備上的生理參數(shù)和所述監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集裝置與所述可穿戴設(shè)備的距離信息，并將所述生理參數(shù)和所述距離信息同時(shí)發(fā)送至服務(wù)器，并由服務(wù)器根據(jù)所述距離信息計(jì)算可穿戴設(shè)備的位置信息，并將所述生理參數(shù)和所述位置信息實(shí)時(shí)發(fā)送至監(jiān)護(hù)管理人員所持智能終端，可以對(duì)監(jiān)護(hù)對(duì)象的生理參數(shù)和位置同時(shí)進(jìn)行精準(zhǔn)有效的監(jiān)控，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

如圖1所示，監(jiān)護(hù)控制系統(tǒng)包括W臺(tái)可穿戴設(shè)備、N個(gè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集裝置、S臺(tái)中轉(zhuǎn)服務(wù)器、1臺(tái)總服務(wù)器及若干個(gè)智能終端。

W臺(tái)可穿戴設(shè)備，用于實(shí)時(shí)采集監(jiān)護(hù)對(duì)象的生理參數(shù);N個(gè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集裝置，用于實(shí)時(shí)或者定時(shí)獲取可穿戴設(shè)備上的生理參數(shù)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集裝置與所述可穿戴設(shè)備的距離信息，并將生理參數(shù)和距離信息同時(shí)發(fā)送至服務(wù)器;服務(wù)器，用于接收監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集裝置發(fā)送的生理參數(shù)和距離信息，根據(jù)距離信息計(jì)算可穿戴設(shè)備的位置信息，并將生理參數(shù)和位置信息實(shí)時(shí)發(fā)送至監(jiān)護(hù)管理人員所持智能終端。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集裝置通過將生理參數(shù)和距離信息同時(shí)發(fā)送至服務(wù)器，可以使得服務(wù)器同時(shí)獲取到生理參數(shù)和距離信息，避免僅獲取到生理參數(shù)或者距離信息或者在不同時(shí)間獲取到生理參數(shù)和距離信息，導(dǎo)致不能根據(jù)生理參數(shù)和距離信息及時(shí)的對(duì)監(jiān)護(hù)對(duì)象的監(jiān)護(hù)情況做出精準(zhǔn)反饋的問題。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集裝置與可穿戴設(shè)備通過超帶寬（Ultra Wideband，UWB）無線通信。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集裝置與中轉(zhuǎn)服務(wù)器通過光纖連接通信或者通過無線連接通信。

可穿戴設(shè)備上設(shè)置有無線通訊模塊，用于在監(jiān)護(hù)對(duì)象與監(jiān)護(hù)對(duì)象承載體的距離小于設(shè)定距離時(shí)，將生理參數(shù)發(fā)送給監(jiān)護(hù)對(duì)象承載體的控制器。其中，監(jiān)護(hù)對(duì)象承載體可以為病床、座椅等，在可穿戴設(shè)備檢測(cè)到監(jiān)護(hù)對(duì)象與監(jiān)護(hù)對(duì)象承載體的距離小于設(shè)定距離時(shí)，例如監(jiān)護(hù)對(duì)象靠近病床時(shí)，將患者的生理參數(shù)發(fā)送給病床附近的控制器，由控制器控制所連接的顯示器將所述生理參數(shù)進(jìn)行顯示，并可向用戶顯示詳細(xì)的治療計(jì)劃。

可穿戴設(shè)備上設(shè)置有無線充電模塊，用于對(duì)所述可穿戴設(shè)備進(jìn)行無線充電。

服務(wù)器包括總服務(wù)器和連接于所述總服務(wù)器的至少一個(gè)中轉(zhuǎn)服務(wù)器;中轉(zhuǎn)服務(wù)器，用于獲取設(shè)定規(guī)格的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集裝置發(fā)送的生理參數(shù)和所述距離信息，并根據(jù)距離信息計(jì)算可穿戴設(shè)備的位置信息，將可穿戴設(shè)備的生理參數(shù)和位置信息發(fā)送至總服務(wù)器;總服務(wù)器，用于接收至少一個(gè)中轉(zhuǎn)服務(wù)器發(fā)送的可穿戴設(shè)備的生理參數(shù)和位置信息，實(shí)時(shí)發(fā)送至監(jiān)護(hù)管理人員所持終端。其中，設(shè)定規(guī)格可以為設(shè)定數(shù)量或者設(shè)定區(qū)域范圍，示例性的，中轉(zhuǎn)服務(wù)器可以與設(shè)定數(shù)量或者設(shè)定區(qū)域范圍內(nèi)（例如，幾個(gè)病房區(qū)域范圍）的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集裝置連接，獲取該設(shè)定數(shù)量或者設(shè)定區(qū)域范圍內(nèi)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集裝置采集的可穿戴設(shè)備的生理參數(shù)和位置信息。

其中，生理參數(shù)包括血壓、血氧、心電和體溫，相應(yīng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集裝置包括用于采集監(jiān)護(hù)對(duì)象血壓參數(shù)的血壓監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器、用于采集監(jiān)護(hù)對(duì)象血氧參數(shù)的血氧監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器、用于采集監(jiān)護(hù)對(duì)象心電參數(shù)的心電監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器和用于采集監(jiān)護(hù)對(duì)象體溫參數(shù)的體溫監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器。其中，一個(gè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集裝置可以由一個(gè)或多個(gè)血壓監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器、一個(gè)或者多個(gè)血氧監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器、一個(gè)或者多個(gè)心電監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器和一個(gè)或者多個(gè)體溫監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器構(gòu)成。一個(gè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器可由一個(gè)血壓監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器、一個(gè)血氧監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器、一個(gè)心電監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器和一個(gè)體溫監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器構(gòu)成。

2 基于UWB的精準(zhǔn)同步技術(shù)

超寬帶技術(shù)是一項(xiàng)既古老又年輕的無線通信技術(shù)、與傳統(tǒng)通信技術(shù)有極大差異，它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或微秒級(jí)以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有3.1～10.6 GHz量級(jí)的帶寬，具有傳輸速率高，發(fā)射功率低，穿透能力強(qiáng)及精準(zhǔn)定位等優(yōu)點(diǎn)。

超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)常采用TDOA演示測(cè)距定位算法，就是通過信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差，通過雙曲線交叉來定位的超寬帶系統(tǒng)包括產(chǎn)生、發(fā)射、接收、處理極窄脈沖信號(hào)的無線電系統(tǒng)。而超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)則包括UWB接收器、UWB參考標(biāo)簽和主動(dòng)UWB標(biāo)簽。定位過程中由UWB接收器接收標(biāo)簽發(fā)射的UWB信號(hào)，通過過濾電磁波傳輸過程中夾雜的各種噪聲干擾，得到含有效信息的信號(hào)，再通過中央處理單元進(jìn)行測(cè)距定位計(jì)算分析。超寬帶技術(shù)可以應(yīng)用于室內(nèi)靜止或者移動(dòng)物體以及人的定位跟蹤與導(dǎo)航，且能提供十分精確的定位精度。根據(jù)不同公司使用的技術(shù)手段或算法不同，精度可保持在0.1～0.5 m[4-5]。

本文采用TODA定位模式，由定位目標(biāo)發(fā)出信號(hào)，各數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)基站接收信息，通過檢測(cè)信號(hào)到達(dá)多個(gè)監(jiān)測(cè)基站的絕對(duì)時(shí)間差來對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)坐標(biāo)[6]。

3 室內(nèi)定位方法

對(duì)計(jì)算可穿戴設(shè)備1在監(jiān)護(hù)空間內(nèi)的位置信息方法進(jìn)行說明：可穿戴設(shè)備1所在的定位網(wǎng)絡(luò)單元可以包括血壓監(jiān)控、血氧監(jiān)控、心電監(jiān)控和體溫監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器各一個(gè)。相應(yīng)的，距離信息包括第一監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器1與可穿戴設(shè)備1之間的第一距離L1、第二監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器2與可穿戴設(shè)備1之間的第二距離L2、第三監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器3與可穿戴設(shè)備1之間的第三距離L3和第四監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器4與可穿戴設(shè)備1之間的第四距離L4，其中第一監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器1在定位網(wǎng)絡(luò)單元中距離可穿戴設(shè)備1最遠(yuǎn)，第二監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器2在定位網(wǎng)絡(luò)單元中距離可穿戴設(shè)備1次遠(yuǎn)，第三監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器3在定位網(wǎng)絡(luò)單元中距離可穿戴設(shè)備1第三遠(yuǎn)，第四監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器4在定位網(wǎng)絡(luò)單元中距離可穿戴設(shè)備1最近。

服務(wù)器根據(jù)距離信息計(jì)算穿戴設(shè)備1的位置信息可以包括：根據(jù)第一距離L1、第二距離L2、第三距離L3和第四距離L4以及長(zhǎng)邊距離LX和短邊距離LY計(jì)算可穿戴設(shè)備1在監(jiān)護(hù)空間內(nèi)的位置信息，長(zhǎng)邊距離LX為構(gòu)成平行四邊形的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器中所述第一監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器1與第二監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器2之間的距離，短邊距離LY為構(gòu)成平行四邊形的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器中第一監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器1與第三監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器3之間的距離。

根據(jù)所述第一距離L1、第二距離L2、第三距離L3和第四距離L4以及長(zhǎng)邊距離LX和短邊距離LY計(jì)算可穿戴設(shè)備1在監(jiān)護(hù)空間內(nèi)的位置信息P（X，Y，Z）包括：根據(jù)第一距離L1、第二距離L2以及長(zhǎng)邊距離LX構(gòu)成的第一個(gè)三角形，計(jì)算所述第一個(gè)三角形以所述長(zhǎng)邊距離LX為底邊的第一高HX1;根據(jù)第三距離L3、第四距離L4和長(zhǎng)邊距離LX構(gòu)成的第二個(gè)三角形，計(jì)算第二個(gè)三角形以長(zhǎng)邊距離LX為底邊的第二高HX2;根據(jù)第一高HX1、第二高HX2和短邊距離LY構(gòu)成的第三個(gè)三角形，計(jì)算第三個(gè)三角形以短邊距離LY為底邊的第三高HY，根據(jù)第三高HY確定所述可穿戴設(shè)備1在監(jiān)護(hù)空間內(nèi)的Z軸坐標(biāo)。其中，根據(jù)所述第三高HY確定所述可穿戴設(shè)備1在監(jiān)護(hù)空間內(nèi)的Z軸坐標(biāo)可以包括：將Hg與HY的差值作為所述可穿戴設(shè)備1在監(jiān)護(hù)空間內(nèi)的Z軸坐標(biāo)，Hg為監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集器到地面的距離。

圖3為可穿戴設(shè)備1在監(jiān)護(hù)空間中的二維平面示意圖。

圖4為可穿戴設(shè)備在監(jiān)護(hù)空間中的另一二維平面示意圖。如圖4所示，根據(jù)第一中間距離LL1、第三中間距離LL3和短邊距離LY構(gòu)成的第四個(gè)三角形，計(jì)算第四個(gè)三角形的第四高，作為可穿戴設(shè)備在監(jiān)護(hù)空間內(nèi)的X軸坐標(biāo)，或者，根據(jù)第二中間距離

LL2、第四中間距離LL4和短邊距離LY構(gòu)成的第五三角形，計(jì)算第五個(gè)三角形的第五高，作為可穿戴設(shè)備在監(jiān)護(hù)空間內(nèi)的X軸坐標(biāo);根據(jù)第一中間距離LL1、第二中間距離LL2和長(zhǎng)邊距離LX構(gòu)成的第六三角形，計(jì)算第六三角形的第六高，作為可穿戴設(shè)備在監(jiān)護(hù)空間內(nèi)的Y軸坐標(biāo)，或者，根據(jù)第三中間距離LL3、第四中間距離LL4和長(zhǎng)邊距離LX構(gòu)成的第七個(gè)三角形，計(jì)算第七個(gè)三角形的第七高，作為可穿戴設(shè)備在監(jiān)護(hù)空間內(nèi)的Y軸坐標(biāo)。

4 臨床應(yīng)用

2017年5月，在集團(tuán)一院心血管內(nèi)科一病區(qū)選取4個(gè)病間對(duì)部分急危重癥患者進(jìn)行了室內(nèi)精準(zhǔn)定位及生命體征自動(dòng)實(shí)時(shí)采集的試點(diǎn)工作，圖5為心血管內(nèi)科一病區(qū)二層平面結(jié)構(gòu)圖，圖6為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部分功能截圖。

室內(nèi)定位及體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能模塊主要包括了：實(shí)時(shí)報(bào)警、實(shí)時(shí)病人數(shù)量、血壓、血糖等生命體征數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、熱力圖、預(yù)警、運(yùn)動(dòng)時(shí)間分析等功能。截止2019年8月，已對(duì)423例心血管急危重癥住院患者進(jìn)行了血壓、血糖、心率、體溫等生命體征的自動(dòng)上傳及實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5 總結(jié)

室內(nèi)定位及生命體征實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)部分特殊病群進(jìn)行了預(yù)警管理，對(duì)病人活動(dòng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控，做到了患者“病情”及時(shí)處理;通過實(shí)時(shí)自動(dòng)采集血壓、血糖、體溫等生命體征數(shù)據(jù)，深化落實(shí)了優(yōu)質(zhì)護(hù)理，提升了服務(wù)質(zhì)量，為臨床規(guī)范化診斷、治療提供了全面、精細(xì)的數(shù)據(jù)支撐，為科研與教學(xué)工作的開展奠定了信息化基礎(chǔ)。

隨著《“健康中國(guó)2030”規(guī)劃綱要》的發(fā)布和新醫(yī)改政策縱深發(fā)展[7]，我們有理由相信，室內(nèi)定位及生命體征實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)未來將在老年健康服務(wù)體系、家庭病床、醫(yī)養(yǎng)結(jié)合、醫(yī)防融合、慢病管理等領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用，符合醫(yī)療行業(yè)個(gè)性化、特殊要求的室內(nèi)定位算法將成為未來醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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[5] 李富民.基于超寬帶的室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人定位技術(shù)研究與應(yīng)用[D]： 濟(jì)南：山東大學(xué)，2017.

[6] 曹茂誠(chéng)，王軍敬，楊云智，等. 基于超寬帶位置服務(wù)技術(shù)的患者生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].微型電腦應(yīng)用， 2018， 34（1）： 44-47.

[7] 中央辦公廳國(guó)務(wù)院.“健康中國(guó)2030”規(guī)劃綱要[Z].2016-10-25.http：//www.gov.cn/zhengce/2016-10/25/content_5124174.htm

（收稿日期： 2019.10.12）