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
曹茂诚，王军敬，杨云智
深圳市宝安人民医院 计算机管理办公室，广东 深圳 518101
[摘 要]超宽带技术是一种无载波通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，具有功耗低、高速、抗多径效果好、安全性高等优点，是目前业界精度最高的商用定位系统。本文综述了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。结合国内外的研究进展，首先对室内定位技术进行了介绍，概述了室内定位技术在医疗行业中的研究及应用成果，然后对超宽带技术及在可穿戴医疗设备、室内地图开发中的应用及研究现状进行了分析，最后对超宽带位置服务技术的未来应用进行了分析与展望。
[关键词]超宽带；位置服务；生命体征监测；地理资讯系统；物联网
引言
随着我国新一轮医疗体制改革的不断推进，医疗模式从传统的以“重治疗、轻预防”逐渐转为“重预防、早诊断、早治疗”的新模式，居民健康指标的实时监测、监护需求在不断地提高，实时动态的监测人体生理参数是检验人身体是否健康的关键，医疗监护系统在疾病预防与诊断过程中发挥着越来越重要的作用。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[1-3]。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。目前，国内外已经有很多针对患者生命体征监测的研究，利用便携监护设备或人体可穿戴设备并通过网络实现了对脉搏、心电、血压、体温、血氧饱和度等人体健康信息的实时采集、信息无线传输和远程监控。尽管生命体征监测研究领域已非常成熟，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。充分利用室内定位技术实现对精神病患者、康复病人、重症监护人群等特殊病患的实时定位并获取患者生命体征可以有效做到对住院病人实时预警管理、活动状态实时监控、REVIEW病人“病情”及时处理，进一步规范医务人员的医疗行为，减轻护理工作量，规避人工抄录数据所产生的错误，提高医疗质量，降低医疗差错和事故。超宽带技术是一种全新的、与传统通信技术有着极大差异的通信新技术。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。相比传统的无线电频率系统，超宽带UWB是一种混合定位技术，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能够提高精确定位精度等优点，通常用于室内移动物体的定位跟踪或导航。
1 室内定位技术
室内定位是指在室内环境中实现位置定位，主要采用无线通讯、基站定位、惯导定位等多种技术集成形成一套室内位置定位体系，从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控。近年来，随着基于位置服务日益增大的需求，同时基于卫星定位的全球导航卫星系统无法在室内定位，针对复杂室内场景的室内定位技术发展迅速，从各个方面影响着人们的日常生活。室内定位技术作为定位技术在室内环境中的延续，弥补了传统定位技术的不足，目前已经在特定的行业内投入实际应用，并取得了一定的应用成果，有着良好的应用前景。
1.1 常见的室内无线定位技术系统架构
常见的室内无线定位技术主要有：Wi-Fi、蓝牙、红外线、超宽带、RFID、ZigBee和超声波等。传统的室内定位技术都需要事先部署相应的定位网络来实现，它们可以共用相同的系统架构，见图1。
图1 传统室内定位系统架构图
由于医院内部环境复杂性，特别是相对而言的独立单元比如病房的病床和护理站、急救设备等，一般要求定位的精度比较高，这样才能够满足应用需要；医院内应用的无线室内定位系统要求不能对医疗电子设备产生过多干扰，同时自身不因外界环境改变而受到影响；由于室内环境的变化，比如增加大型设备、改装屏蔽房、病房的增加或减少等都要求医院室内定位技术具备较高的稳定性[4]。
国内医院室内定位技术的研究及应用近几年才刚刚起步，仅有少数医院管理研究者在基于传统的定位系统[4]上做了一系列的改进，杭州市红十字会医院的王敏等[5]设计一个基于CSS技术的室内定位系统，对医院进行区域定位和监控，有效监测了患者跌倒坠床，促进了患者安全管理；南京邮电大学的李树明等[6]利用CC2431芯片，开发了基于ZigBee的定位监护医疗服务系统,准确地反映室内温度变化，成为改善病人生活质量的基础。
1.2 超宽带技术
超宽带（Ultra Wide Band，UWB）[7]技术是室内定位技术的关键技术，该技术是一种全新的、与传统通信技术有着极大差异的通信新技术。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量级的带宽。美国FCC对超宽带定义为任何-10 db相对带宽大于0.2 MHz或者绝对带宽大于500 MHz的信号都是超宽带信号。相比传统的无线电频率系统，UWB是一种混合定位技术，可以实现高精度的跟踪，因为它们受多径失真的影响较小，它们的计算不是基于信号强度而是基于到达时间差，到达角度或到达时间。然而，对基于到达时间差的超宽带系统而言接收器必须是同步的，这些接收器的成本和安装时增加的复杂性对不需要严密细节的解决方案而言是有经济成本影响的。近几年，随着电子芯片方案的成熟和成本下降,国内研究UWB技术及室内定位的越来越多。
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TDOA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。
网络定位协议是解决该问题的一种方式。定位节点可分为完整功能节点（Full Functional Node，FFD）和简化功能节点（Reduced Function Node，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，包括基于锚的协议和无锚协议。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。
若采用基于锚的TDOA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。
2 超宽带技术的应用
2.1 超宽带技术在可穿戴医疗设备中的应用
随着医疗模式从诊断治疗向日常监护转变的同时将促使小型医疗便携监护设备的兴起，这些监护设备具有日常家庭使用的特点，即可穿戴医疗监护设备[8-9]或称为便携式医疗设备。可穿戴式医疗监护设备是指将医疗监测系统集成在可穿戴设备系统上，即主要通过服装及其附件而依附在人体上，既能实现穿戴物品的日常使用功能，又能实现人体生理信号的监测，从而达到生理信息监护与人体日常穿戴衣物、附件的无缝整合。
除了高校、研究所对医疗监护系统进行探索外，世界各国很多的电子行业巨头甚至政府机构都十分看重其未来庞大的市场和广泛的发展前景，并开始提供资金和政策支持。Intel实施了名为“Proactive Health”的项目，计划研发一套基于体域网技术的人体生理参数医疗保健系统，旨在不仅仅是病人，哪怕是健康人群，也可通过该系统随时掌握自身的健康状况[10]。2010年，欧盟委员会通过相关文件正式提出了物联网战略，确立了使欧洲的基于物联网的智能基础设施处于世界领先地位的宏伟目标。紧接着, 通过ICT研发计划启动了90多个相关研发项目[11-12]，投入资金达到4亿欧元，更在接下来的3年里投入6亿欧元持续加强研究开发力度，并拨款3亿欧元专口用于建设物联网相关项目，医疗相关项目也有涉及。
AMON和Life Shirt 设备是穿戴式健康医疗监护设备的两个代表作品：AMON是腕带式健康医疗监护设备，该设备集成了多个生理参数测量传感器，能够对人体生理参数进行实时采集和处理。Life Shirt 是衬衫式的健康医疗监护设备，其制作成本相较于一般的穿戴式医疗监护设备较高[13]；缪洁等[14]结合蓝牙4.0通信协议,设计了一种便携式心电采集系统，小体积、易操作的设计方案为可穿戴医疗设备提供了基础。2017年7月，从南开大学获悉，该校药物化学生物学国家重点实验室刘遵峰、史林启团队联合国内外多个科研团队，研获了一种大形变电阻型应变传感器。电阻型应变传感器可以通过监测电阻测量形状变化，具有制备简单、检测方便、耗能低的优势，可广泛应用于可穿戴设备与健康医疗监测领域。2017年7月19日，在联想TechWorld大会上，联想发布了一款名为SmartVest的智能心电衣，也是全球首款12导联的医疗可穿戴设备。这件智能衣可以360度扫描心脏，实时监测用户12导联的心电图，提供心率数据，续航方面可以连续使用两周的时间。用户穿在身上可以随时自测心电图、呼吸功率等健康指标，支持直接水洗。对于平时有运动习惯的人来说，在运动中心率过大的话，心电衣也会实时发出报警告知。通过手机端APP可以随时掌握身体状况，也可以根据数据定制健康趋势分析或是优化训练方案.
微机电系统[15-16]（Micro Electro Mechanical System，MEMS）也称作微电子机械系统、微系统、微机械等，是在微电子技术（半导体制造技术）基础上发展起来的，MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。
随着MEMS器件成本的大大降低，MEMS加速度计的应用越来越广，并大量应用于消费电子领域里的运动感应，如视频、游戏、手机与计步器等。目前，基于MEMS传感器的可穿戴式跌倒检测系统由于检测装置体积小、携带方便，使用方式也比较灵活和方便，可在很多环境中使用，对用户所处场地没有要求，容易实现24 h无创、连续监测，不会影响被测人员的正常活动状态，己经在生活得到广泛的应用[17-19]。目前MEMS加速度器件厂家很多，如ST Micro、Freescale、ADI、MEMSIC等等，生产的产品也各式各样。MEMS加速计主要分为压电式、容感式和热感式3种技术。2013年意法半导体（ST Micro electronics，ST）宣布其微型运动感测和数据处理芯片投放市场[20]，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。
以美国科学情报研究所ISI的DII数据库为数据来源，对数据库中收录的优先权年为2000～2014年的MEMS传感器相关专利数据进行对比分析[21]，我们发现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中的噪声问题。
因此，通过选用ST的低功耗MEMS芯片，可以使患者定位终端在心率监测方面能够区别实际心率脉冲信号和手臂运动产生的噪声信号。
2.2 超宽带技术在室内地图软件开发中的应用
地理资讯系统（Geographic Information System，GIS）是以地理坐标为骨干的信息系统，其主要功能为地图显示、平移缩放、属性查询、空间查询与分析等。其中空间查询和分析功能是地理信息系统的核心功能[22]。室内地图的研究才刚刚起步。与成熟的户外导航技术相比，室内地图导航面临诸多挑战。谷歌2011年11月起开始将室内地图加入谷歌地图服务，用户可以在谷歌地图中浏览里面的建筑物室内信息，如机场、车站、博物馆、商场、大学和其他室内公共场所[23]；而通过诺基亚的合作，微软的必应地图也刚刚更新了世界各地重要地标的室内地图，这次更新主要专注于在北美，欧洲和亚洲等地的商场[24]。
Kazda等[25]使用GIS对社区医疗需求进行评估，证明并制定了一个公共卫生计划；Parrott等[26]在社区卫生服务规划建设中运用GIS，使社区卫生服务机构等公共卫生资源更趋人性化，加大社区肿瘤综合预防的参与度。万迪等[27]利用GIS空间分析技术对卫生医疗机构选址各因素进行分析，对其进行评估并对医疗机构选址进行评价，得到最大限度服务群众的卫生机构选址。
目前，各业务领域基本上都是使用传统商业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。
湖北医药学院附属医院的王明举等[28]利用开源软件DotSpatial开发了一套医院床位管理系统。借助该系统，临床护士可以直观准确的查询病房床位具体位置及使用情况，极大的提高了工作效率。首都医科大学附属同仁医院的韩莅莉等[29]利用GIS技术及地图处理模块Arcgis.9.3开发了一套医院空间管理系统，对医院本身具有的软硬件资源进行了全面合理的分析与配置，对每个病患根据实际需要分配合理的楼宇、设备、病房、床位及医生，使得医疗资源得到最大限度的合理利用。
3 总结与展望
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。贯彻落实了新医改对公立医院改革试点工作部署，全面加强了医院临床护理工作，响应国家卫计委要提出的全面推进优质护理服务“优质护理服务示范工程”活动；做到对住院病人实时预警管理、活动状态实时监控、病人“病情”及时处理，进一步规范医务人员的医疗行为，减轻护理工作量，规避人工抄录数据所产生的错误，提高医疗质量，降低医疗差错和事故。
尽管UWB对比其它定位技术有定位精度高、抗干扰性较好等优势，但也存在不足：基础设施部署成本高、电子芯片价格较高及需要定制终端及定位基站等。
相信随着物联网在医疗领域的不断发展[30-31]、电子芯片技术的不断革新及成本降低，UWB技术在医院室内定位方面会发挥越来越大的作用，符合医疗行业个性化要求的室内定位算法将成为医疗领域一个新的研究热点。
[参考文献]
[1] 陈敏亚,陆靓亮.智能床位监测系统.在护理质控和管理中的应用[J].医学信息学,2016,37(5):35-37.
[2] 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.
[3] 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.
[4] 喻志才.室内定位技术及其在医院的应用研究[J].医疗卫生装备,2015,6(36):124-126
[5] 王敏,叶杨,王瑞荣,等.基于CSS技术的室内定位系统在护理管理中的应用[J].医院管理论坛,2017,34(5):65-67.
[6] 李树明,肖艳,林巧民.基于ZigBee的定位监护医疗服务系统设计与实现[J].计算机技术与发展,2015,8(8):222-225.
[7] 王子冉,李环.室内超宽带无线定位技术研究[J].微型机与应用,2015,34(8):60-66.
[8] 贾震宇,王维,王琛,等.可穿戴设备在医疗领域中的应用发展[J].中国医疗设备,2017,32(2):96-99.
[9] 祁麟,文彦丽.可穿戴血压测量设备的研究与应用进展[J].中国医疗设备,2016,31(12):77-79.
[10] Warren S,Yao J,Schmitz R,et al.Reconfigurable point-of care systems designed with interoperability standards[A].International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc[C].2004:3270.
[11] Sam H,Gupta A.Communication from the European commission to the council, the European parliament, the economic and social committee and committee of the regions[J].Sci Eng Ethics,2002,8(1):113-117.
[12] 许爱装.物联网全球发展现状及赵势[J].移动通信,2013,(9):60-63.
[13] 郭红路.国内监护仪的发展进程[J].中国医疗器械信息,2008,(11):21-22．
[14] 缪洁,徐文龙,徐冰俏.一种可穿戴式心电采集系统的设计[J].中国计量学院学报,2015,26(3):305-310.
[15] Bampasidis G,Solomonidou A,Bratsolis E,et al.Sounding the interior of Titan’s lakes by using Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS)[A].International Conference on Space Technology[C].New York:IEEE,2011:1-4.
[16] 王军,桂雪会.基于惯性感应的手机交互模型.研究及应用分析[J].2013,37(2):18-20.
[17] 黄国范,李亚.人体动作姿态识别综述[J].电脑知识与技术:学术交流, 2013,(1):133-135.
[18] Shany T,Redmond SJ,Narayanan MR,et al.Sensors-based wearable systems for monitoring of human movement and falls[J].Sens J IEEE,2012,12(3):658-670.
[19] 余家宝,赵辉,李瑞祥.基于ZigBee的可穿戴跌倒监护系统[J].信息技术.2010,12(3):114-115.
[20] 佚名.ST展示最新的传感器和功率半导体解决方案[J].微型机与应用,2013,(14):89.
[21] 梁琴琴,赵志耘,赵蕴华.全球MEMS传感器技术创新现状与趋势-基于2000-2014年专利分析[J].科技管理研究,2016,(10):165-169.
[22] 吴信才.地理信息系统原理、方法及应用[M].武汉:中国地质大学出版社,2000.
[23] Hightower J,Borriello G,Want R.SpotON: an indoor 3Dlocation sensing technology based on RF signal strength. UW CSE Technical Report[J].Uw Cse,2000:1-16.
[24] Google, Google Indoor Map[EB/OL].http://searchen-gineland.com/google-maps-the-great-indoors-android-only-102742.
[25] Kazda MJ,Beel ER,Villegas D,et al.Methodological complexities and the Use of GIS in conducting a community needs assessment of a large U.S. municaipality[J].J Community Health,2009,34(3):210-215.
[26] Parrott R,Volkman JE,Lengerich E,et al.Using GIS to promote community involvement in comprehensive cancer control[J].Health Commun,2010,25(3):276-285.
[27] 万迪,藏德彦.基于GIS的卫生医疗机构选址[J].科技信息,2012,(1):201-267.
[28] 王明举,胡桂平,江雪莲.基于开源GIS的医院床位管理系统实现[J].医院数字化,2015,10(30):93-95.
[29] 韩莅莉,黄志刚,刘芳.基于GIS技术的医院空间布局设计研究[J].电子设计工程,2016,11(24):61-63.
[30] 刘秦宁,刘明哲,徐皑冬,等.基于Web的室内实时定位地图系统的研究与实现[J].计算机应用,2015,35(S2):290-293.
[31] 高峰,张胜,刘惠欣,等.基于物联网技术的医疗设备精确定位系统的设计[J].中国医疗设备,2016,31(8):78-86.
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
Abstract: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.
Key words:ultra-wideband technology; location based service; vital sign monitoring; geographic information system; Internet of things
[中图分类号]TH789
[文献标识码]A
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2017.12.029
[文章编号]1674-1633(2017)012-0115-04
收稿日期：2017-07-27
修回日期：2017-08-28
基金项目：2 0 1 6年深圳市科技创新基础研究项目（JCYJ20160427192622779）。
作者邮箱：caomaocheng@126.com
本文编辑 王婷