基于IoT的醫(yī)療設(shè)備管理系統(tǒng)

吳風(fēng)浪

(西安交通大學(xué), 醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院， 陜西, 西安 710000)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，傳統(tǒng)行業(yè)也到處可以看到物聯(lián)網(wǎng)的身影[1-2]。由于近些年來醫(yī)療改革以及相關(guān)經(jīng)濟的原因，迫使醫(yī)院急需進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和降低成本。因此，醫(yī)院需要提高患者吞吐量，提高操作性能，減少冗余環(huán)節(jié)，削減不必要的人力資源。在醫(yī)院內(nèi)的各種復(fù)雜流程中，空間感知服務(wù)有助于提高護理質(zhì)量和降低成本[3-5]。目前通過引入物聯(lián)網(wǎng)，搭建相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)平臺，可以實現(xiàn)對醫(yī)院中的床位，病人，藥品以及設(shè)備，進行實時跟蹤，管理以及邏輯分析。從而提高了流程利用率和員工生產(chǎn)效率，提高了物流的透明度，減少了庫存和過度購買，減少了搜索時間，并確保正確的患者可以使用正確的流程[6-8]。

但醫(yī)院特殊的環(huán)境和運行條件對物聯(lián)網(wǎng)平臺系統(tǒng)的發(fā)展提出了很高的要求。這是因為醫(yī)院是非常敏感的工作場所，因此必須確保部署的系統(tǒng)不會對關(guān)鍵醫(yī)療設(shè)備或特殊治療指定區(qū)域造成干擾，然而目前現(xiàn)有的應(yīng)用情況對于醫(yī)院內(nèi)部的設(shè)備或人員的位置跟蹤精確度較差，并且系統(tǒng)缺乏穩(wěn)定性[9]。為了解決以上問題，本文利用無源被動的RFID技術(shù)[10-13]，提出了一種對醫(yī)院內(nèi)中移動物體的位置和方向定位和跟蹤的方法，實現(xiàn)了對醫(yī)療器械，設(shè)備的實時定位和管理。

1 背景描述

圖1顯示了一個典型的醫(yī)院環(huán)境。從圖可知，這個環(huán)境包括病房、醫(yī)療設(shè)備存儲室、IT室和管理人員，他們控制個人、患者和設(shè)備的工作流程。

圖1 醫(yī)院內(nèi)部環(huán)境示意圖

當(dāng)有病人因事故被送到醫(yī)院時，需要對病人進行急救，因此就需要輪椅，氧氣面罩，心臟泵等專業(yè)設(shè)備，同時也需要空置的病床。設(shè)備管理人員需要根據(jù)設(shè)備管理系統(tǒng)快速檢查所需設(shè)備的位置和可用性。使用設(shè)備管理系統(tǒng)，管理員可以通過系統(tǒng)查詢，并在瞬間獲得該設(shè)備的位置和狀態(tài)。同樣的情況也適用于輪椅和床位。如圖1所示，空閑床位共有3張，輪椅1輛，2個心臟泵和1個監(jiān)測裝置。

2 系統(tǒng)原理

2.1 系統(tǒng)設(shè)置

在提出的方法中，要求將RFID標(biāo)簽集成到放置移動對象的網(wǎng)格中的地板中，如圖2所示，地板由尺寸相等的N×M塊板組成，使得N，M≥1。在每個地板上，RFID標(biāo)簽貼在位置(X,Y)上，使得X,Y≥1。每個標(biāo)記都放置在特定地板內(nèi)固定預(yù)設(shè)位置上。

圖2 以病床為例，可擴展RFID地板部署示意圖

在圖2中，坐標(biāo)X和Y對應(yīng)于地板的行和列。標(biāo)記存儲了分別表示板中水平行和垂直列的整數(shù)值x和y。該標(biāo)記還存儲水平行變量m和垂直列變量n，它們對應(yīng)于板在房間尺寸中的位置。必須指出的是，每個地板上的RFID標(biāo)簽的分布不必相同。然而，重要的是，如圖2所示，存儲在每個標(biāo)簽中的位置信息參考與網(wǎng)格設(shè)計相關(guān)的變量x和y。在該設(shè)計中，如果需要更改標(biāo)簽分布(例如，地板中的RFID標(biāo)簽較少)，則可以通過按需跳過行或列來完成操作，但不更改RFID標(biāo)簽在地板中的位置。通過這樣做，可以避免更改每個RFID中存儲的數(shù)據(jù)。此外，還可以控制不同樓層分區(qū)上RFID標(biāo)簽的密度，以達到所需的分辨率，并分別控制特定的樓層面積，以滿足特定的應(yīng)用需求。另外還可以擴展RFID地板，以覆蓋任意大空間。

2.2 移動物體設(shè)置

在設(shè)置中，需要預(yù)先在所有移動對象上安裝RFID閱讀器。RFID閱讀器組件通過串行接口連接到嵌入式計算機，通過串行接口根據(jù)存儲的標(biāo)簽信息計算位置和方向信息。由于讀卡器和轉(zhuǎn)發(fā)器之間的距離必須很小，所以將閱讀器安裝在移動物體下面。

2.3 標(biāo)簽排列

標(biāo)簽的排列方式是1個閱讀器只能覆蓋一個標(biāo)簽。其主要原因是定位結(jié)果的預(yù)期分辨率和可靠性。雖然理論上每個對象有1個讀卡器就足以讀取1個RFID標(biāo)簽來計算其位置，但至少有2個閱讀器需要檢測2個RFID標(biāo)簽來計算其方向。為了更準(zhǔn)確地測量方位，2個閱讀器并不總是足夠的，因為它們不一定與標(biāo)簽匹配。例如，如果標(biāo)記的分布非常稀疏，那么在未標(biāo)記區(qū)域中獲取閱讀器的概率很高，因此它不會接收定位數(shù)據(jù)。在每個對象上使用更多的閱讀器可以提高系統(tǒng)的魯棒性和測量精度。

2.4 測量步驟

總體測量步驟如下。

(1) 掃描。應(yīng)答器以同步方式讀出標(biāo)簽。標(biāo)簽的ID和坐標(biāo)M、N、X和Y的值是有時間戳的，并作為數(shù)據(jù)元組轉(zhuǎn)發(fā)給軟件模塊。

(2) 測量。軟件模塊根據(jù)數(shù)據(jù)元組M、N、X、Y、RFID標(biāo)簽的ID和時間戳計算對象的位置。此信息從靠近特定讀卡器的RFID標(biāo)簽中掃描。

系統(tǒng)組成及通信：系統(tǒng)組成模塊如圖3所示。它們之間的相互通信是：當(dāng)數(shù)據(jù)被掃描時，嵌入式計算機將測量到的信息轉(zhuǎn)換成高級的“情境事件”并發(fā)送給軟件模塊。軟件模塊由情境管理代理和存儲移動對象移動歷史的數(shù)據(jù)庫組成。在這種設(shè)置中，嵌入式計算機是使用知識查詢標(biāo)記語言(knowledge query markup language, KQML)的代理通信模塊的一部分，KQML提供了一種基于純文本的TCP/IP代理通信機制來與系統(tǒng)中的實體交互。

圖3 RFID系統(tǒng)組成模塊

另一種方法是使用無線串行適配器(如藍牙、ZigBee或WiFi)將RFID閱讀器輸出發(fā)送到遠程計算機。每個RFID閱讀器都需要連接到一個無線串行適配器，該適配器與房間中的遠程計算機配對。雖然這種方法只需操作無線串行設(shè)備就可以節(jié)省移動設(shè)備的能耗，但它會產(chǎn)生信號干擾，特別是當(dāng)室內(nèi)有兩個或三個以上的移動對象時。也就是說，12個無線串行適配器將使用同一臺遠程計算機在同一個房間中運行，很可能相互干擾。

3 定位方法

在獲取了相應(yīng)數(shù)據(jù)以后，為了計算特定讀取器掃描的標(biāo)簽的位置，可以通過式(1)、式(2)計算得到其位置：

(1)

(2)

注意m、n、x和y都是大于0的數(shù)字。表1描述了式(1)、式(2)中的符號。

表1 符號釋義

對于可以掃描標(biāo)簽的情況，P的x和y分量的值是不確定的。上述方程表明，用2個位置點可以確定物體的位置和方向。然而，為了提高系統(tǒng)的魯棒性，在此使用了4個閱讀器。如果1個或2個閱讀器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)仍然可以有效地計算出移動對象的位置和方向。

移動物體的位置由中心點p0確定，如圖4所示。從移動物體的高度可以很容易地計算出三維位置的z分量。移動對象的方向僅圍繞z軸(偏移)變化。通過建立n個識別閱讀器位置的矢量平均值來計算中心點p0，具體如式(3)。

圖4 已安裝的RFID閱讀器的移動物體的尺寸示意圖

(3)

其中，i={1,…,n}使得1≤n≤4，P0是移動對象的中間點，Ri表示從閱讀器接收的向量(點)。然而，如果移動對象的大小和尺寸是已知的，則如圖4所示，可以通過使用對象的長度或其對角線僅使用兩點來計算位置。為了說明這一點，考慮以下情況R1和R3已知，則可使用式(4)計算移動對象的位置：

(4)

如果R2和R4已知，則位置為直線R2R4的中心點，該中心點使用式(5)計算：

(5)

有了這個新的單位向量，可以通過將它乘以物體一半的邊并將其添加到Px中來獲得物體的位置。使用R1和R3，可以利用公式(6)計算P0：

(6)

在這里Φ=90°。使用R1和R3時，必須使用A而不是B，旋轉(zhuǎn)角度Φ將為-90°。對于圖4所示的示例，B的長度為55 cm，A的長度為49 cm。方向被視為從移動對象到對象的邊界框的用戶定義側(cè)的中心的標(biāo)準(zhǔn)化正交向量。(R1-R2)或(R3-R4)之間的單位向量是移動對象的方向o，具體可以通過式(7)計算得到

(7)

示例：考慮圖2所示的布局，并假設(shè)檢測到閱讀器R1，R2和R3(標(biāo)記為紅色)，并且從這些閱讀器收集的數(shù)據(jù)如下：

R1讀數(shù)為 (m,n,x,y)=(1,3,4,1)

R2讀數(shù)為 (m,n,x,y)=(1,1,3,4)

R3讀數(shù)為 (m,n,x,y)=(2,1,4,3)。

應(yīng)用公式(1)和(2)，我們得到R1

然后，對于R1P1=(49.25 cm,122.75 cm)。類似地，閱讀器R2和R3的位置將計算出來，并在下面顯示。對于R2，P2=(34.25 cm,38.75 cm)，對于R3，P2=(109.25 cm,26.75 cm)。應(yīng)用式(3)，得到

圖3中的物體的方向是根據(jù)從閱讀器R1和R2根據(jù)式(7)的讀數(shù)計算的，如下所示：

上面例子顯示了如何根據(jù)地板本身的坐標(biāo)計算移動對象的位置和方向。但是，如果地板的布局方式與集成地板的房間不共享同一坐標(biāo)，則必須將位置矢量轉(zhuǎn)換為與房間坐標(biāo)對齊，以獲得最終位置和方向。在這種情況下，需要考慮兩個附加向量才能映射到房間的坐標(biāo)系。一個向量指向局部坐標(biāo)系的原點，而另一個向量則是N軸的單位方向向量，如圖2所示。另一種方法是排列RFID地磚，使其與房間的確切尺寸一致。在這種配置中，可以直接根據(jù)房間坐標(biāo)讀出絕對位置，而不是根據(jù)板塊的局部坐標(biāo)。

4 實驗與結(jié)果

4.1 實驗環(huán)境

如圖5所示，使用一個金屬支架來模擬一張病床，并配備了RFID閱讀器。對于地板，我們使用商用地毯板，面積為2.88 m2，分為兩排四列。每塊的尺寸為60 cm×60 cm。在每個標(biāo)牌的背面，貼上了20個RFID標(biāo)簽。標(biāo)簽被分為五行四列，每個尺寸為8.5 cm×5.5 cm，標(biāo)簽之間的距離為2-10 cm。

圖5 實驗設(shè)置，左邊中間為標(biāo)簽部署，右邊為模擬病床

4.2 實驗結(jié)果

表2顯示了隨機選取的10個點的位置，進行P0點的靜態(tài)測量的結(jié)果。從表中可以看到，平均誤差為12.875 cm。其中7個點的誤差在15 cm以下，說明在大部分位置，提出的方法具有較好的精度。

表2 靜態(tài)測量結(jié)果對比

在第二輪測試中，重點進行了移動測試，移動物體經(jīng)過10個位置。實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 路線結(jié)果對比圖

在10個位置中的8個，我們可以找到3個輪子。在另外2個位置，我們可以找到2個輪子。相對于參考點的平均誤差為6.38 cm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.39 cm。歐氏定位誤差測量點與參考點在10個位置上的差的絕對值分別為9.02 cm，5.75 cm，6.54 cm，7.02 cm，8.51 cm，4.44 cm，16.24 cm，3.83 cm，0.60 cm和1.84 cm。結(jié)果表明，使用四個閱讀器時，測量誤差在0.60～16.24 cm之間，平均誤差為6.37 cm。

在圖7中，展示了方位角的測量。平均定向誤差為0.21rad(12.17°)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.18rad(9.52°)。10個試驗位置的測量角度和參考角度之間的差異為0.18、0.01、0.19、0.14、0.35、0.19、0.57、0.12、0.001和0.38rad。結(jié)果表明，該方法定位精度高。

圖7 方位角測量結(jié)果對比

在整個實驗過程中，注意到由于標(biāo)簽的平行排列和標(biāo)簽的低傳輸范圍(約8 cm)，有時很難檢測和讀出標(biāo)簽。尤其是當(dāng)車輪在非聚集區(qū)域(即兩行之間)移動時。為了避免這種情況，可以重新排列標(biāo)簽位置，使用棋盤布局，然后進行廣泛的基準(zhǔn)測試。

5 總結(jié)

基于醫(yī)院的需求和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，本文提出了一個基于物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療設(shè)備管理系統(tǒng)，致力于簡化設(shè)備管理和調(diào)用流程，縮短時間。該方法主要是基于被動式無源RFID標(biāo)簽，通果部署標(biāo)簽在地板上，以及在設(shè)備上安放數(shù)個閱讀器，實現(xiàn)對醫(yī)療設(shè)備的位置定位。與現(xiàn)有的方法相比，該方法具有計算過程簡單，易部署等特點。其次，提出的方法中的平均誤差、精度和精度不受環(huán)境幾何和大小、移動對象的數(shù)量和分布等參數(shù)的影響，也不受信號傳播問題(如反射或吸收)的影響。誤差較小。