一种监护控制系统及室内定位方法

2020-04-22曹茂诚王军敬

微型电脑应用 2020年3期

曹茂诚王军敬

摘要：利用物联网、可穿戴便携设备等新技术开发一款可对住院患者进行精准定位并能够实时自动采集患者生命体征的监护控制系统。系统有效改变了医院传统护理模式，提升了护理质量。通过建立监护控制系统，实现了患者生命体征数据自动采集;通过利用UWB超宽带技术，采用基于锚的TDOA定位模式开发高精度室内定位模块，实现对住院患者精确定位。应用该系统，护理人员可以对病人活动状态进行实时监控、患者病情及时处理，对心脑血管疾病患者临床诊疗过程具有重要意义。系统有效改变医院传统护理模式，降低了医疗差错，提高了医护人员工作效率和医疗服务质量。

关键词：超宽带; 室内定位; 生命体征监测; 监护控制

中图分类号： TG409

文献标志码： 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

近幾年来关于患者安全问题成为全球各国家医疗安全主要关注的焦点，已经引起了社会的普遍关注。据不完全统计，每年约20万住院患者死于院内安全管理问题，医患关系日趋紧张，医疗矛盾也日益增加，我国患者的基数庞大导致医疗护理特别是安全有效护理供不应求，医疗护理质量各地区参差不齐。医疗护理劳动力强，工作压力大，人工护理效率低下，是目前住院病人管理的一个普遍现状。特别是在骨科，神经科，康复科等病房，临床治疗鼓励患者活动，然而由于对患者的护理不周，不精确往往导致出现患者跌倒、压疮事件的发生，更有甚者出现心跳骤停而得不到及时的救治的现象。国卫办医发《关于进一步深化优质护理、改善护理服务的通知》[2015]15号文件指出要充分利用信息技术，助力提升优质护理工作。利用无线网络、可穿戴便携设备、物联网、5G等新兴技术，协助护士提高工作效率，降低医疗差错，缓解优质护理中人员不足的困难，实现把时间还给护士，把护士还给病人，全面提升患者就医体验[1，2]。

基于此，为了满足临床治疗方案，在鼓励患者活动的过程中对患者进行严密的监控，为每个医护人员及时提供患者的安全动态，做到安全事件及时处理，甚至是提前处理，有必要基于安全有效管理以及精准救治的理念进行设计，为住院患者提供一种安全有效的监护控制系统和方法。

常用的WIFI、红外线及蓝牙等室内定位技术普遍存在定位精度不高、时间延迟等问题。如何有效利用物联网、5G、无创生命体征便携设备等信息技术研制一套既可以实现患者室内精准定位又能自动采集血压、血氧、血糖等生命体征的信息系统，提升住院患者优质护理工作、缓解紧张的医患关系已成为当前国内外各医疗机构亟待解决的关键问题之一[3]。

国内外有很多研究机构及专家学者正在积极研究患者血压、血糖、体温等生命体征信息的自动实时采集及推广应用，但是将室内精准定位与患者生命体征数据自动采集有机结合的研究与探索还处于起步阶段。

1 系统架构图

监护控制系统通过由监护对象所佩戴的可穿戴设备实时采集监护对象的生理参数，由设置在监控空间内的监控数据采集装置实时或者定时获取可穿戴设备上的生理参数和所述监控数据采集装置与所述可穿戴设备的距离信息，并将所述生理参数和所述距离信息同时发送至服务器，并由服务器根据所述距离信息计算可穿戴设备的位置信息，并将所述生理参数和所述位置信息实时发送至监护管理人员所持智能终端，可以对监护对象的生理参数和位置同时进行精准有效的监控，系统架构图如图1所示。

如图1所示，监护控制系统包括W台可穿戴设备、N个监控数据采集装置、S台中转服务器、1台总服务器及若干个智能终端。

W台可穿戴设备，用于实时采集监护对象的生理参数;N个监控数据采集装置，用于实时或者定时获取可穿戴设备上的生理参数和监控数据采集装置与所述可穿戴设备的距离信息，并将生理参数和距离信息同时发送至服务器;服务器，用于接收监控数据采集装置发送的生理参数和距离信息，根据距离信息计算可穿戴设备的位置信息，并将生理参数和位置信息实时发送至监护管理人员所持智能终端。监控数据采集装置通过将生理参数和距离信息同时发送至服务器，可以使得服务器同时获取到生理参数和距离信息，避免仅获取到生理参数或者距离信息或者在不同时间获取到生理参数和距离信息，导致不能根据生理参数和距离信息及时的对监护对象的监护情况做出精准反馈的问题。监控数据采集装置与可穿戴设备通过超带宽（Ultra Wideband，UWB）无线通信。监控数据采集装置与中转服务器通过光纤连接通信或者通过无线连接通信。

可穿戴设备上设置有无线通讯模块，用于在监护对象与监护对象承载体的距离小于设定距离时，将生理参数发送给监护对象承载体的控制器。其中，监护对象承载体可以为病床、座椅等，在可穿戴设备检测到监护对象与监护对象承载体的距离小于设定距离时，例如监护对象靠近病床时，将患者的生理参数发送给病床附近的控制器，由控制器控制所连接的显示器将所述生理参数进行显示，并可向用户显示详细的治疗计划。

可穿戴设备上设置有无线充电模块，用于对所述可穿戴设备进行无线充电。

服务器包括总服务器和连接于所述总服务器的至少一个中转服务器;中转服务器，用于获取设定规格的监控数据采集装置发送的生理参数和所述距离信息，并根据距离信息计算可穿戴设备的位置信息，将可穿戴设备的生理参数和位置信息发送至总服务器;总服务器，用于接收至少一个中转服务器发送的可穿戴设备的生理参数和位置信息，实时发送至监护管理人员所持终端。其中，设定规格可以为设定数量或者设定区域范围，示例性的，中转服务器可以与设定数量或者设定区域范围内（例如，几个病房区域范围）的监控数据采集装置连接，获取该设定数量或者设定区域范围内的监控数据采集装置采集的可穿戴设备的生理参数和位置信息。

其中，生理参数包括血压、血氧、心电和体温，相应的监控数据采集装置包括用于采集监护对象血压参数的血压监控数据采集器、用于采集监护对象血氧参数的血氧监控数据采集器、用于采集监护对象心电参数的心电监控数据采集器和用于采集监护对象体温参数的体温监控数据采集器。其中，一个监控数据采集装置可以由一个或多个血压监控数据采集器、一个或者多个血氧监控数据采集器、一个或者多个心电监控数据采集器和一个或者多个体温监控数据采集器构成。一个监控数据采集器可由一个血压监控数据采集器、一个血氧监控数据采集器、一个心电监控数据采集器和一个体温监控数据采集器构成。

2 基于UWB的精准同步技术

超宽带技术是一项既古老又年轻的无线通信技术、与传统通信技术有极大差异，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微秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有3.1～10.6 GHz量级的带宽，具有传输速率高，发射功率低，穿透能力强及精准定位等优点。

超宽带室内定位技术常采用TDOA演示测距定位算法，就是通过信号到达的时间差，通过双曲线交叉来定位的超宽带系统包括产生、发射、接收、处理极窄脉冲信号的无线电系统。而超宽带室内定位系统则包括UWB接收器、UWB参考标签和主动UWB标签。定位过程中由UWB接收器接收标签发射的UWB信号，通过过滤电磁波传输过程中夹杂的各种噪声干扰，得到含有效信息的信号，再通过中央处理单元进行测距定位计算分析。超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度。根据不同公司使用的技术手段或算法不同，精度可保持在0.1～0.5 m[4-5]。

本文采用TODA定位模式，由定位目标发出信号，各数据监测基站接收信息，通过检测信号到达多个监测基站的绝对时间差来对目标进行精准坐标[6]。

3 室内定位方法

對计算可穿戴设备1在监护空间内的位置信息方法进行说明：可穿戴设备1所在的定位网络单元可以包括血压监控、血氧监控、心电监控和体温监控数据采集器各一个。相应的，距离信息包括第一监控数据采集器1与可穿戴设备1之间的第一距离L1、第二监控数据采集器2与可穿戴设备1之间的第二距离L2、第三监控数据采集器3与可穿戴设备1之间的第三距离L3和第四监控数据采集器4与可穿戴设备1之间的第四距离L4，其中第一监控数据采集器1在定位网络单元中距离可穿戴设备1最远，第二监控数据采集器2在定位网络单元中距离可穿戴设备1次远，第三监控数据采集器3在定位网络单元中距离可穿戴设备1第三远，第四监控数据采集器4在定位网络单元中距离可穿戴设备1最近。

服务器根据距离信息计算穿戴设备1的位置信息可以包括：根据第一距离L1、第二距离L2、第三距离L3和第四距离L4以及长边距离LX和短边距离LY计算可穿戴设备1在监护空间内的位置信息，长边距离LX为构成平行四边形的监控数据采集器中所述第一监控数据采集器1与第二监控数据采集器2之间的距离，短边距离LY为构成平行四边形的监控数据采集器中第一监控数据采集器1与第三监控数据采集器3之间的距离。

根据所述第一距离L1、第二距离L2、第三距离L3和第四距离L4以及长边距离LX和短边距离LY计算可穿戴设备1在监护空间内的位置信息P（X，Y，Z）包括：根据第一距离L1、第二距离L2以及长边距离LX构成的第一个三角形，计算所述第一个三角形以所述长边距离LX为底边的第一高HX1;根据第三距离L3、第四距离L4和长边距离LX构成的第二个三角形，计算第二个三角形以长边距离LX为底边的第二高HX2;根据第一高HX1、第二高HX2和短边距离LY构成的第三个三角形，计算第三个三角形以短边距离LY为底边的第三高HY，根据第三高HY确定所述可穿戴设备1在监护空间内的Z轴坐标。其中，根据所述第三高HY确定所述可穿戴设备1在监护空间内的Z轴坐标可以包括：将Hg与HY的差值作为所述可穿戴设备1在监护空间内的Z轴坐标，Hg为监控数据采集器到地面的距离。

图3为可穿戴设备1在监护空间中的二维平面示意图。

图4为可穿戴设备在监护空间中的另一二维平面示意图。如图4所示，根据第一中间距离LL1、第三中间距离LL3和短边距离LY构成的第四个三角形，计算第四个三角形的第四高，作为可穿戴设备在监护空间内的X轴坐标，或者，根据第二中间距离

LL2、第四中间距离LL4和短边距离LY构成的第五三角形，计算第五个三角形的第五高，作为可穿戴设备在监护空间内的X轴坐标;根据第一中间距离LL1、第二中间距离LL2和长边距离LX构成的第六三角形，计算第六三角形的第六高，作为可穿戴设备在监护空间内的Y轴坐标，或者，根据第三中间距离LL3、第四中间距离LL4和长边距离LX构成的第七个三角形，计算第七个三角形的第七高，作为可穿戴设备在监护空间内的Y轴坐标。

4 临床应用

2017年5月，在集团一院心血管内科一病区选取4个病间对部分急危重症患者进行了室内精准定位及生命体征自动实时采集的試点工作，图5为心血管内科一病区二层平面结构图，图6为监测系统部分功能截图。

室内定位及体征监测系统功能模块主要包括了：实时报警、实时病人数量、血压、血糖等生命体征数据实时监测、热力图、预警、运动时间分析等功能。截止2019年8月，已对423例心血管急危重症住院患者进行了血压、血糖、心率、体温等生命体征的自动上传及实时监控。

5 总结

室内定位及生命体征实时监测系统对部分特殊病群进行了预警管理，对病人活动状态实现了实时监控，做到了患者“病情”及时处理;通过实时自动采集血压、血糖、体温等生命体征数据，深化落实了优质护理，提升了服务质量，为临床规范化诊断、治疗提供了全面、精细的数据支撑，为科研与教学工作的开展奠定了信息化基础。

随着《“健康中国2030”规划纲要》的发布和新医改政策纵深发展[7]，我们有理由相信，室内定位及生命体征实时监测系统未来将在老年健康服务体系、家庭病床、医养结合、医防融合、慢病管理等领域发挥更重要的作用，符合医疗行业个性化、特殊要求的室内定位算法将成为未来医疗卫生领域一个新的研究热点。

参考文献

[1] 王杉.医院管理信息化对推进优质护理服务的作用[J].中国护理管理，2011，11（4）：19-20.

[2] 张琼瑶，李红，陈美榕，等. 依托信息化平台全面推进优质护理[J].中国护理管理，2012，12（10）：5-8.

[3] 曹茂诚，王军敬，杨云智，等. 超宽带位置服务技术在患者生命体征监测系统中的研究进展[J].中国医疗设备，2017， 32（12）： 115-118.

[4] 严宏健. 基于超宽带技术的室内定位系统设计与实现[D]：哈尔滨：黑龙江大学，2019.

[5] 李富民.基于超宽带的室内服务机器人定位技术研究与应用[D]：济南：山东大学，2017.