曹茂誠，王軍敬，楊云智

深圳市寶安人民醫(yī)院 計算機管理辦公室，廣東 深圳 518101

超寬帶位置服務(wù)技術(shù)在患者生命體征監(jiān)測系統(tǒng)中的研究進展

曹茂誠，王軍敬，楊云智

深圳市寶安人民醫(yī)院 計算機管理辦公室，廣東 深圳 518101

超寬帶技術(shù)是一種無載波通信技術(shù)，利用納秒至微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，具有功耗低、高速、抗多徑效果好、安全性高等優(yōu)點，是目前業(yè)界精度最高的商用定位系統(tǒng)。本文綜述了超寬帶位置服務(wù)技術(shù)在患者生命體征監(jiān)測系統(tǒng)中的研究進展。結(jié)合國內(nèi)外的研究進展，首先對室內(nèi)定位技術(shù)進行了介紹，概述了室內(nèi)定位技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)中的研究及應用成果，然后對超寬帶技術(shù)及在可穿戴醫(yī)療設(shè)備、室內(nèi)地圖開發(fā)中的應用及研究現(xiàn)狀進行了分析，最后對超寬帶位置服務(wù)技術(shù)的未來應用進行了分析與展望。

超寬帶；位置服務(wù)；生命體征監(jiān)測；地理資訊系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)

引言

隨著我國新一輪醫(yī)療體制改革的不斷推進，醫(yī)療模式從傳統(tǒng)的以“重治療、輕預防”逐漸轉(zhuǎn)為“重預防、早診斷、早治療”的新模式，居民健康指標的實時監(jiān)測、監(jiān)護需求在不斷地提高，實時動態(tài)的監(jiān)測人體生理參數(shù)是檢驗人身體是否健康的關(guān)鍵，醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)在疾病預防與診斷過程中發(fā)揮著越來越重要的作用。優(yōu)質(zhì)護理服務(wù)迫切需要通過無線移動、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，支持護理人員在具體落實各項優(yōu)質(zhì)護理服務(wù)過程中解決好業(yè)務(wù)流與信息流同步和以病人為中心的協(xié)同醫(yī)療服務(wù)的問題，從而真正保障由政府推動的優(yōu)質(zhì)護理服務(wù)工作的標準化建設(shè)，實現(xiàn)提高護理質(zhì)量、改善醫(yī)患關(guān)系、促進公立醫(yī)院改革在護理工作中的有效落實[1-3]。如何有效利用物聯(lián)網(wǎng)、無線移動等新興技術(shù)開發(fā)一款可對住院患者進行室內(nèi)定位并能夠自動采集患者生命體征的管理系統(tǒng)，進一步提升優(yōu)質(zhì)護理、緩解醫(yī)患關(guān)系已成為當前各公立醫(yī)院貫徹落實國家新醫(yī)改政策亟待解決的關(guān)鍵問題之一。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有很多針對患者生命體征監(jiān)測的研究，利用便攜監(jiān)護設(shè)備或人體可穿戴設(shè)備并通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了對脈搏、心電、血壓、體溫、血氧飽和度等人體健康信息的實時采集、信息無線傳輸和遠程監(jiān)控。盡管生命體征監(jiān)測研究領(lǐng)域已非常成熟，但是將住院患者生命體征自動采集與患者室內(nèi)精準定位相結(jié)合的研究還非常少。充分利用室內(nèi)定位技術(shù)實現(xiàn)對精神病患者、康復病人、重癥監(jiān)護人群等特殊病患的實時定位并獲取患者生命體征可以有效做到對住院病人實時預警管理、活動狀態(tài)實時監(jiān)控、REVIEW病人“病情”及時處理，進一步規(guī)范醫(yī)務(wù)人員的醫(yī)療行為，減輕護理工作量，規(guī)避人工抄錄數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的錯誤，提高醫(yī)療質(zhì)量，降低醫(yī)療差錯和事故。超寬帶技術(shù)是一種全新的、與傳統(tǒng)通信技術(shù)有著極大差異的通信新技術(shù)。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納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)。相比傳統(tǒng)的無線電頻率系統(tǒng)，超寬帶UWB是一種混合定位技術(shù)，具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復雜度低、能夠提高精確定位精度等優(yōu)點，通常用于室內(nèi)移動物體的定位跟蹤或?qū)Ш健?/p>

1 室內(nèi)定位技術(shù)

室內(nèi)定位是指在室內(nèi)環(huán)境中實現(xiàn)位置定位，主要采用無線通訊、基站定位、慣導定位等多種技術(shù)集成形成一套室內(nèi)位置定位體系，從而實現(xiàn)人員、物體等在室內(nèi)空間中的位置監(jiān)控。近年來，隨著基于位置服務(wù)日益增大的需求，同時基于衛(wèi)星定位的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)無法在室內(nèi)定位，針對復雜室內(nèi)場景的室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展迅速，從各個方面影響著人們的日常生活。室內(nèi)定位技術(shù)作為定位技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境中的延續(xù)，彌補了傳統(tǒng)定位技術(shù)的不足，目前已經(jīng)在特定的行業(yè)內(nèi)投入實際應用，并取得了一定的應用成果，有著良好的應用前景。

1.1 常見的室內(nèi)無線定位技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)

常見的室內(nèi)無線定位技術(shù)主要有：Wi-Fi、藍牙、紅外線、超寬帶、RFID、ZigBee和超聲波等。傳統(tǒng)的室內(nèi)定位技術(shù)都需要事先部署相應的定位網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，它們可以共用相同的系統(tǒng)架構(gòu)，見圖1。

圖1 傳統(tǒng)室內(nèi)定位系統(tǒng)架構(gòu)圖

由于醫(yī)院內(nèi)部環(huán)境復雜性，特別是相對而言的獨立單元比如病房的病床和護理站、急救設(shè)備等，一般要求定位的精度比較高，這樣才能夠滿足應用需要；醫(yī)院內(nèi)應用的無線室內(nèi)定位系統(tǒng)要求不能對醫(yī)療電子設(shè)備產(chǎn)生過多干擾，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[4]。

國內(nèi)醫(yī)院室內(nèi)定位技術(shù)的研究及應用近幾年才剛剛起步，僅有少數(shù)醫(yī)院管理研究者在基于傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)[4]上做了一系列的改進，杭州市紅十字會醫(yī)院的王敏等[5]設(shè)計一個基于CSS技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，對醫(yī)院進行區(qū)域定位和監(jiān)控，有效監(jiān)測了患者跌倒墜床，促進了患者安全管理；南京郵電大學的李樹明等[6]利用CC2431芯片，開發(fā)了基于ZigBee的定位監(jiān)護醫(yī)療服務(wù)系統(tǒng),準確地反映室內(nèi)溫度變化，成為改善病人生活質(zhì)量的基礎(chǔ)。

1.2 超寬帶技術(shù)

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）[7]技術(shù)是室內(nèi)定位技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)是一種全新的、與傳統(tǒng)通信技術(shù)有著極大差異的通信新技術(shù)。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納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)。從而具有GHz量級的帶寬。美國FCC對超寬帶定義為任何-10 db相對帶寬大于0.2 MHz或者絕對帶寬大于500 MHz的信號都是超寬帶信號。相比傳統(tǒng)的無線電頻率系統(tǒng)，UWB是一種混合定位技術(shù)，可以實現(xiàn)高精度的跟蹤，因為它們受多徑失真的影響較小，它們的計算不是基于信號強度而是基于到達時間差，到達角度或到達時間。然而，對基于到達時間差的超寬帶系統(tǒng)而言接收器必須是同步的，這些接收器的成本和安裝時增加的復雜性對不需要嚴密細節(jié)的解決方案而言是有經(jīng)濟成本影響的。近幾年，隨著電子芯片方案的成熟和成本下降,國內(nèi)研究UWB技術(shù)及室內(nèi)定位的越來越多。

UWB工作的頻率和基于時延的測距精度都很高。精確同步非常重要，難度也大。當超寬帶信號占空比很低時，對短距離傳輸來說。先后發(fā)射的脈沖即使經(jīng)多經(jīng)傳播后也能較容易識別。這也是UWB用于定位系統(tǒng)的典型優(yōu)點，但是如果網(wǎng)絡(luò)節(jié)點密度較大、環(huán)境復雜時，多徑問題會很突出。這在室內(nèi)定位中就會顯得尤為明顯。大多數(shù)UWB定位系統(tǒng)都采用TDOA方式。這樣可以弱化對基站與被測點之間的同步要求，但仍需要參考基站之間保持精確同步。

網(wǎng)絡(luò)定位協(xié)議是解決該問題的一種方式。定位節(jié)點可分為完整功能節(jié)點（Full Functional Node，F(xiàn)FD）和簡化功能節(jié)點（Reduced Function Node，RFD）。FFD與多個RFD以及相鄰的FFD進行會話。RFD定制非常簡單，僅能與一個FFD會話。定位協(xié)議可分為兩類，包括基于錨的協(xié)議和無錨協(xié)議?；阱^的協(xié)議假定網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點集（參考節(jié)點或錨節(jié)點）在網(wǎng)絡(luò)初始化時已知相對或絕對位置。需要外在的定位系統(tǒng)提供每個錨節(jié)點的位置。GPS終端可測定錨節(jié)點的位置，并提供一個坐標系，與定位協(xié)議相關(guān)的信令流量較低，但存在稀疏錨節(jié)點問題和測距誤差問題，GPS本身定位精度有限，以致產(chǎn)生較大的定位誤差。

若采用基于錨的TDOA定位模式，由被測節(jié)點發(fā)射信號，各基站負責接收。傳送到中心節(jié)點進行計算，從而得到被測點的精確坐標，適合節(jié)點小型化，簡單化地要求。解決網(wǎng)絡(luò)節(jié)點密度較大，室內(nèi)環(huán)境復雜情況下的同步問題。

2 超寬帶技術(shù)的應用

2.1 超寬帶技術(shù)在可穿戴醫(yī)療設(shè)備中的應用

隨著醫(yī)療模式從診斷治療向日常監(jiān)護轉(zhuǎn)變的同時將促使小型醫(yī)療便攜監(jiān)護設(shè)備的興起，這些監(jiān)護設(shè)備具有日常家庭使用的特點，即可穿戴醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備[8-9]或稱為便攜式醫(yī)療設(shè)備?？纱┐魇结t(yī)療監(jiān)護設(shè)備是指將醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)集成在可穿戴設(shè)備系統(tǒng)上，即主要通過服裝及其附件而依附在人體上，既能實現(xiàn)穿戴物品的日常使用功能，又能實現(xiàn)人體生理信號的監(jiān)測，從而達到生理信息監(jiān)護與人體日常穿戴衣物、附件的無縫整合。

除了高校、研究所對醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)進行探索外，世界各國很多的電子行業(yè)巨頭甚至政府機構(gòu)都十分看重其未來龐大的市場和廣泛的發(fā)展前景，并開始提供資金和政策支持。Intel實施了名為“Proactive Health”的項目，計劃研發(fā)一套基于體域網(wǎng)技術(shù)的人體生理參數(shù)醫(yī)療保健系統(tǒng)，旨在不僅僅是病人，哪怕是健康人群，也可通過該系統(tǒng)隨時掌握自身的健康狀況[10]。2010年，歐盟委員會通過相關(guān)文件正式提出了物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略，確立了使歐洲的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能基礎(chǔ)設(shè)施處于世界領(lǐng)先地位的宏偉目標。緊接著, 通過ICT研發(fā)計劃啟動了90多個相關(guān)研發(fā)項目[11-12]，投入資金達到4億歐元，更在接下來的3年里投入6億歐元持續(xù)加強研究開發(fā)力度，并撥款3億歐元專口用于建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)項目，醫(yī)療相關(guān)項目也有涉及。

AMON和Life Shirt 設(shè)備是穿戴式健康醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備的兩個代表作品：AMON是腕帶式健康醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備，該設(shè)備集成了多個生理參數(shù)測量傳感器，能夠?qū)θ梭w生理參數(shù)進行實時采集和處理。Life Shirt 是襯衫式的健康醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備，其制作成本相較于一般的穿戴式醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備較高[13]；繆潔等[14]結(jié)合藍牙4.0通信協(xié)議,設(shè)計了一種便攜式心電采集系統(tǒng)，小體積、易操作的設(shè)計方案為可穿戴醫(yī)療設(shè)備提供了基礎(chǔ)。2017年7月，從南開大學獲悉，該校藥物化學生物學國家重點實驗室劉遵峰、史林啟團隊聯(lián)合國內(nèi)外多個科研團隊，研獲了一種大形變電阻型應變傳感器。電阻型應變傳感器可以通過監(jiān)測電阻測量形狀變化，具有制備簡單、檢測方便、耗能低的優(yōu)勢，可廣泛應用于可穿戴設(shè)備與健康醫(yī)療監(jiān)測領(lǐng)域。2017年7月19日，在聯(lián)想TechWorld大會上，聯(lián)想發(fā)布了一款名為SmartVest的智能心電衣，也是全球首款12導聯(lián)的醫(yī)療可穿戴設(shè)備。這件智能衣可以360度掃描心臟，實時監(jiān)測用戶12導聯(lián)的心電圖，提供心率數(shù)據(jù)，續(xù)航方面可以連續(xù)使用兩周的時間。用戶穿在身上可以隨時自測心電圖、呼吸功率等健康指標，支持直接水洗。對于平時有運動習慣的人來說，在運動中心率過大的話，心電衣也會實時發(fā)出報警告知。通過手機端APP可以隨時掌握身體狀況，也可以根據(jù)數(shù)據(jù)定制健康趨勢分析或是優(yōu)化訓練方案.

微機電系統(tǒng)[15-16]（Micro Electro Mechanical System，MEMS）也稱作微電子機械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微機械等，是在微電子技術(shù)（半導體制造技術(shù)）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，MEMS傳感器是采用微電子和微機械加工技術(shù)制造出來的新型傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實現(xiàn)智能化的特點。同時，微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機械傳感器所不能實現(xiàn)的功能。

隨著MEMS器件成本的大大降低，MEMS加速度計的應用越來越廣，并大量應用于消費電子領(lǐng)域里的運動感應，如視頻、游戲、手機與計步器等。目前，基于MEMS傳感器的可穿戴式跌倒檢測系統(tǒng)由于檢測裝置體積小、攜帶方便，使用方式也比較靈活和方便，可在很多環(huán)境中使用，對用戶所處場地沒有要求，容易實現(xiàn)24 h無創(chuàng)、連續(xù)監(jiān)測，不會影響被測人員的正常活動狀態(tài)，己經(jīng)在生活得到廣泛的應用[17-19]。目前MEMS加速度器件廠家很多，如ST Micro、Freescale、ADI、MEMSIC等等，生產(chǎn)的產(chǎn)品也各式各樣。MEMS加速計主要分為壓電式、容感式和熱感式3種技術(shù)。2013年意法半導體（ST Micro electronics，ST）宣布其微型運動感測和數(shù)據(jù)處理芯片投放市場[20]，用于研制市場上小而精確的穿戴式心率監(jiān)測器，讓運動及健身愛好者可以隨時隨地掌握自己的心率狀況。

以美國科學情報研究所ISI的DII數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)來源，對數(shù)據(jù)庫中收錄的優(yōu)先權(quán)年為2000～2014年的MEMS傳感器相關(guān)專利數(shù)據(jù)進行對比分析[21]，我們發(fā)現(xiàn)在各種可能發(fā)生的情況下，從無身體運動到心臟負荷最高的劇烈運動，意法半導體的低功耗高性能MEMS加速度計，可使心率測量的精度和可靠性保持與心電圖儀同樣的水平。意法半導體的先進加速度計能夠有效跟蹤手臂的運動和振動，徹底解決光血流檢測方法中的噪聲問題。

因此，通過選用ST的低功耗MEMS芯片，可以使患者定位終端在心率監(jiān)測方面能夠區(qū)別實際心率脈沖信號和手臂運動產(chǎn)生的噪聲信號。

2.2 超寬帶技術(shù)在室內(nèi)地圖軟件開發(fā)中的應用

地理資訊系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）是以地理坐標為骨干的信息系統(tǒng)，其主要功能為地圖顯示、平移縮放、屬性查詢、空間查詢與分析等。其中空間查詢和分析功能是地理信息系統(tǒng)的核心功能[22]。室內(nèi)地圖的研究才剛剛起步。與成熟的戶外導航技術(shù)相比，室內(nèi)地圖導航面臨諸多挑戰(zhàn)。谷歌2011年11月起開始將室內(nèi)地圖加入谷歌地圖服務(wù)，用戶可以在谷歌地圖中瀏覽里面的建筑物室內(nèi)信息，如機場、車站、博物館、商場、大學和其他室內(nèi)公共場所[23]；而通過諾基亞的合作，微軟的必應地圖也剛剛更新了世界各地重要地標的室內(nèi)地圖，這次更新主要專注于在北美，歐洲和亞洲等地的商場[24]。

Kazda等[25]使用GIS對社區(qū)醫(yī)療需求進行評估，證明并制定了一個公共衛(wèi)生計劃；Parrott等[26]在社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)規(guī)劃建設(shè)中運用GIS，使社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)機構(gòu)等公共衛(wèi)生資源更趨人性化，加大社區(qū)腫瘤綜合預防的參與度。萬迪等[27]利用GIS空間分析技術(shù)對衛(wèi)生醫(yī)療機構(gòu)選址各因素進行分析，對其進行評估并對醫(yī)療機構(gòu)選址進行評價，得到最大限度服務(wù)群眾的衛(wèi)生機構(gòu)選址。

目前，各業(yè)務(wù)領(lǐng)域基本上都是使用傳統(tǒng)商業(yè)GIS軟件，功能強大但費用昂貴。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，如何利用開源技術(shù)進行地理信息系統(tǒng)的研究已成為未來醫(yī)院室內(nèi)定位亟待解決的關(guān)鍵問題。

湖北醫(yī)藥學院附屬醫(yī)院的王明舉等[28]利用開源軟件DotSpatial開發(fā)了一套醫(yī)院床位管理系統(tǒng)。借助該系統(tǒng)，臨床護士可以直觀準確的查詢病房床位具體位置及使用情況，極大的提高了工作效率。首都醫(yī)科大學附屬同仁醫(yī)院的韓蒞莉等[29]利用GIS技術(shù)及地圖處理模塊Arcgis.9.3開發(fā)了一套醫(yī)院空間管理系統(tǒng)，對醫(yī)院本身具有的軟硬件資源進行了全面合理的分析與配置，對每個病患根據(jù)實際需要分配合理的樓宇、設(shè)備、病房、床位及醫(yī)生，使得醫(yī)療資源得到最大限度的合理利用。

3 總結(jié)與展望

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，實現(xiàn)對住院患者精確定位。貫徹落實了新醫(yī)改對公立醫(yī)院改革試點工作部署，全面加強了醫(yī)院臨床護理工作，響應國家衛(wèi)計委要提出的全面推進優(yōu)質(zhì)護理服務(wù)“優(yōu)質(zhì)護理服務(wù)示范工程”活動；做到對住院病人實時預警管理、活動狀態(tài)實時監(jiān)控、病人“病情”及時處理，進一步規(guī)范醫(yī)務(wù)人員的醫(yī)療行為，減輕護理工作量，規(guī)避人工抄錄數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的錯誤，提高醫(yī)療質(zhì)量，降低醫(yī)療差錯和事故。

盡管UWB對比其它定位技術(shù)有定位精度高、抗干擾性較好等優(yōu)勢，但也存在不足：基礎(chǔ)設(shè)施部署成本高、電子芯片價格較高及需要定制終端及定位基站等。

相信隨著物聯(lián)網(wǎng)在醫(yī)療領(lǐng)域的不斷發(fā)展[30-31]、電子芯片技術(shù)的不斷革新及成本降低，UWB技術(shù)在醫(yī)院室內(nèi)定位方面會發(fā)揮越來越大的作用，符合醫(yī)療行業(yè)個性化要求的室內(nèi)定位算法將成為醫(yī)療領(lǐng)域一個新的研究熱點。

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Research Progress of Hyperwideband Location Service Technology in the Vital Signs Monitoring System of Patients

CAO Maocheng, WANG Junjing, YANG Yunzhi
Computer Administration Office, Shenzhen Baoan People’s Hospital, Shenzhen Guangdong 518101, China

Ultra-wideband technology (UWB) is a non-carrier communication technology, which uses non-sine wave narrow pulse transmission data with nanosecond to microsecond level. As the most accurate commercial positioning system, it has the advantages of low power consumption, high speed, multipath effect, high safety and so on. This paper reviewed the research progress of hyperwideband location service technology in the monitoring system of vital signs of patients. Based on the research progress at home and abroad, this paper firstly introduced indoor positioning technology, and summarized the research and application results of indoor positioning technology in medical industry. Then the application and research status of ultra-broadband technology and the development of wearable medical devices and indoor maps were analyzed. Finally, the future application of uwb location service technology was analyzed and prospected in this paper.

ultra-wideband technology; location based service; vital sign monitoring; geographic information system; Internet of things

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.12.029

1674-1633(2017)012-0115-04

2017-07-27

2017-08-28

2 0 1 6年深圳市科技創(chuàng)新基礎(chǔ)研究項目（JCYJ20160427192622779）。

作者郵箱：caomaocheng@126.com

本文編輯 王婷