曹茂诚, 王军敬, 杨云智

(深圳市宝安人民医院)

0 引言

随着社会经济的发展、国民健康意识的不断增强以及国家医疗卫生事业改革的不断推进,医院信息化建设已由原来的以财务为中心向以病人为中心的思想进行转变，病人对医疗优质护理也提出了更多需求。国办发〔2015〕38号《国务院办公厅关于城市公立医院综合改革试点的指导意见》，文件明确指出要加快推进医疗卫生信息化建设；国卫办医发〔2015〕15号文件《关于进一步深化优质护理、改善护理服务的通知》，重点强调了信息化建设在优质护理工作中的关键性；深府办函〔2015〕80号文件《深圳市深化公立医院综合改革实施方案》，提出推动建立医疗行业综合监管、科学决策、精细化服务的新模式。优质护理服务迫切需要通过无线移动、物联网等技术，支持护理人员在具体落实各项优质护理服务过程中解决好业务流与信息流同步和以病人为中心的协同医疗服务的问题，从而真正保障由政府推动的优质护理服务工作的标准化建设，实现提高护理质量、改善医患关系、促进公立医院改革在护理工作中的有效落实[1,2]。如何有效利用物联网、无线移动等新兴技术开发一款可对住院患者进行室内定位并能够自动采集患者生命体征的管理系统，进一步提升优质护理、缓解医患关系已成为当前各公立医院贯彻落实国家新医改政策亟待解决的关键问题之一。

哈佛大学开发的CodeBlue 系统旨在紧急状态下提供无线医疗监护，它能够检测心率、血氧饱和度、心电,通过短距离无线传感器网络与 PDA 或笔记本等移动终端连接,数据可以在终端上实时显示并记录在病人健康档案中,当生理参数超出正常范围时报警等[3]。美国亚拉巴马大学的Jovanov等人深入研究了基于ZigBee通信协议的个人健康监护系统[4]。LucaniD E 等人则融合了嵌入式设计和蓝牙设计，开发了数据获得模块能应用于心电监护等远程监护[5]。加州大学伯克利分校和 Intel 联合实验室基于 ZigBee开发的无线传感器系统 MICA-MOTE，已经广泛的应用于医疗监护和环境监护[6]。比利时根特大学医院较早使用了基于技术监控病人等身体状况。该医院正在使用整合了医学监控设备的实时定位系统标签来远程传输病人健康状况数据和急救信号。系统不仅能够提供病人的医疗通讯信息，还能够提供病人的位置数据。护士使用无线网络电话能通过监控设备迅速得知病人的血压、氧含量甚至心电图等信息。在紧急情况下，实时定位标签能够自动报警。

国内一些研究所和其它医疗机构对无线医疗方面的研究投入了大量的资金。银江医公司在与浙江大学医学院附属邵逸夫医院以及无锡市人民医院等许多国内著名医院保持长期合作，结合信息化医院的管理方法和业务特点，利用智能识别和无线网络等基础技术而设计，实现医护移动查房和床前护理、病人药品及标本的智能识别、人员和设备的实时定位、病人呼叫的无线传达等功能。赵泽等人提出一种基于ZigBee技术的传感器节点和监护基站设备的系统结构设计,对ZigBee技术应用于监护领域做了一些探讨[7]。上海大学的Jiang Jie-hui和Zhang Jing则通过医用集线器(Medical Hub)对病人的监护数据进行上传和发送，完成远程的监护[8]。第一军医大学的郭劲松、第四军医大学李洪义及解放军医院连平立足于战场伤员的搜寻、急救，进行了远程无线生理监护、 定位系统——单兵生命状态监视系统的初步研究[9,10,11]。

虽然，国内外已经有很多针对患者生命体征监测的研究，例如血压、脉搏、体温等人体健康信息的实时采集，但是将住院患者生命体征自动采集与患者室内精准定位相结合的研究还非常少。

1 项目简介

深圳市宝安人民医院临床护理学为2011年广东省临床重点专科 ，2012年宝安区临床重点专科，我院是宝安区域医疗技术中心，是宝安区内13家公立医院、14间民营医院的技术支持与保障中心，是宝安区急危重症病人救治中心。是深圳西部规模最大，技术水平最高、功能最齐全的医疗、科研、教学中心。我院定编床位955张，实际开放床位1 200张，临床科室35个和11个社康中心。全院护理人员737人，引进护理硕士2人，其中主任护师15人，副主任护师94人，主管护士147人，护师及护士481人，助理护士53人。自2012年我院信息化上线以来，我院完成了HIS系统下、LIS、PACS全部对接，完善HIS系统下临床护士工作站功能，通过护士的移动工作站系统，护士在床边就可完成医嘱查看、患者身份确认、执行记录和对病人评估及护理病历书写。引进生命体征测量仪，自动采集监护仪器生命体征数据并自动生成的“生命体征折线图”。同时根据专科特色设计完善护理电子病历，简化病历书写、减少护士书面工作。

尽管我院临床护理信息化建设已初见成效，但随着国民健康意识的不断增强以及患者对优质护理的希望，优质护理服务迫切需要通过无线移动、物联网等技术，支持护理人员在具体落实各项优质护理服务过程中解决好业务流与信息流同步和以病人为中心的协同医疗服务的问题，只有建立切实可行的“可定位生命体征监测系统，才能更好整合医疗资源，规范医疗行为，减少医疗差错事故的发生，优化护理工作模式，提高护理工作效率，提升优质护理服务水平和服务质量，进一步提高患者满意度，从而尽快实现学科建设总目标。

2 系统架构图

室内定位技术由红色的患者终端(手腕带)与基站组成，项目根据不同的建筑设计平面和楼层通过UWB技术对患者的二维平面位置进行定位，同时结合绝对压力传感器的海拔高度测量技术，进行自适应的楼层计算，从而精确的定位出患者所在医院建筑中的位置，包括楼层，楼道，楼梯，病房，卫生间等等。

同时利用UWB的数据传输技术，将患者的实时脉搏、心电、血压、体温、血氧饱和度等人体健康信息传输到定位服务器，通过服务器将患者的实时位置及心率传输给护理人员的App终端，系统架构图,如图1所示。

图1 系统架构图

3 关键技术

3.1 基于UWB的精准同步技术

超宽带(Ultra-wide Bandwidth)技术是一种全新的、与传统通信技术有着极大差异的通信新技术[12]。它不需要使用传统通信体制中的载波．而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据。从而具有GHz量级的宽带。美国FCC对超宽带定义为,任何-10 db相对宽带大于0.2或者绝对宽带大于500 MHz的信号都是超宽带信号。

UWB工作的频率和基于时延的测距精度都很高。精确同步非常重要，难度也大。当超宽带信号占空比很低时，对短距离传输来说。先后发射的脉冲即使经多经传播后也能较容易识别。这也是UWB用于定位系统的典型优点，但是如果网络节点密度较大、环境复杂时，多径问题会很突出。这在室内定位中就会显得尤为明显。大多数UWB定位系统都采用到达时间延迟TDOA(Time Delay on Arrival)方式。这样可以弱化对基站与被测点之间的同步要求，但仍需要参考基站之间保持精确同步。

本项目将通过网络定位协议解决该问题。定位节点可分为完整功能节点(FFD)和简化功能节点(RFD)。FFD与多个RFD以及相邻的FFD进行会话。RFD定制非常简单，仅能与一个FFD会话。定位协议可分为两类，包括基于锚(anchor—based)的协议和无锚(anchor—free)协议。基于锚的协议假定网络中的一个节点集(参考节点或锚节点)在网络初始化时已知相对或绝对位置。需要外在的定位系统提供每个锚节点的位置。GPS终端可测定锚节点的位置，并提供一个坐标系，与定位协议相关的信令流量较低，但存在稀疏锚节点问题和测距误差问题，GPS本身定位精度有限，以致产生较大的定位误差。

本项目采用基于锚的到达时间延迟(Time Delay on Arrival)定位模式，由被测节点发射信号，各基站负责接收。传送到中心节点进行计算，从而得到被测点的精确坐标，适合节点小型化，简单化地要求。解决网络节点密度较大，室内环境复杂情况下的同步问题。

3.2 可穿戴生命体征监测

2013年意法半导体(STMicroelectronics，简称ST)宣布其微型运动感测和数据处理芯片投放市场，用于研制市场上小而精确的穿戴式心率监测器，让运动及健身爱好者可以随时随地掌握自己的心率状况。

大量的科学实验证明，在各种可能发生的情况下，从无身体运动到心脏负荷最高的剧烈运动，意法半导体的低功耗高性能MEMS加速度计，可使心率测量的精度和可靠性保持与心电图仪同样的水平。意法半导体的先进加速度计能够有效跟踪手臂的运动和振动，彻底解决光血流检测方法(optical blood—flow detection)中的噪声问题。

因此，通过选用ST的低功耗MEMS芯片[13]，可以使本项目所开发的患者定位终端在脉搏、心电、血压、体温、血氧饱和度等人体健康信息监测方面能够区别实际脉冲信号和手臂运动产生的噪声信号。

3.3 室内地图软件开发

GIS是以地理坐标为骨干的信息系统，主要功能包括地图显示、平移缩放、属性查询等功能[14]。传统商业GIS软件功能强大，但费用昂贵。随着信息技术的不断发展，如何利用开源技术进行地理信息系统的研究已成为未来医院室内定位亟待解决的关键问题。在综合考虑项目成本、技术研发能力、技术标准等因素基础上，本课题室内定位引用开源工具SharpMap[15]作为地图编辑操作的地理信息系统工具，研发基于Web的实时室内定位系统。室内定位系统主要包括定位基站、定位标签、服务器、数据库、患者客户端。定位基站将采集的原始数据通过无线网络发送到服务器，服务器通过定位算法根据采集的原始数据计算出定位目标的坐标值，客户端应用程序根据该坐标值在定位地图上显示出被定位目标的定位结果。通过SharpMap应用程序编程接口对矢量化后的地图文件进行处理，并将信息提供给患者客户端。室内实时定位系统体系结构,如下图2所示。

图2 室内实时定位系统体系结构

SharpMap是基于.NET2.0，使用C#开发的Map渲染类库，可实现基本的GIS功能并渲染ESPI Shape、PostGIS、MS SQL等格式的GIS数据，还可应用于Web程序。通过SharpMap API接口可以对地图进行编程处理，具有加载地图文件，显示控制图层、放大缩小地图等基本功能。本项目定位地图主要包括基本操作、实时定位、应用扩展等功能模块，结构图,如图3所示。

图3 实时定位地图功能结构

4.应用效果

2017年5月在我院心血管内科一病区进行了基于超宽带位置服务技术的患者生命体征监测系统的试点工作，图4为心血管内科一病区二层平面结构图，图5为系统功能截图。

基于超宽带位置服务技术的患者生命体征监测系统功能模块主要包含：实时报警、实时人数、生命体征实时监测、热力图、报警统计、昨日运动时间排行榜信息，通过首页用后台管理者可以直观的看到整个人员定位系统的基本情况汇总。目前已完成试点病区患者的心率、血压等数据自动上传及监控，后续将陆续加入其它生命体征数据。

5 总结

通过基于超宽带位置服务技术实现了对住院病人进行预警管理，做到病人活动状态实时监控，病人“病情”及时处理；通过实时采集多种生命体征信息，为临床规范化诊断、治疗提供具体的数据依据，为科研、教学提供可靠的数据；有利于完善大规模多中心的医疗服务、社区卫生及公共卫生的科研项目。

图4 心血管内科二层平面结构图

图5 基于超宽带位置服务技术的患者生命体征监测系统功能

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