基于无线局域网实时定位技术在医疗领域的应用
日期:2015-01-18

一、引言

当今,国内医疗行业面临不断增加的财政压力、亟待改进提高的医疗服务水平、病患的安全监护等,问题的产生是缺乏一种针对病患、医护人员、医疗设备和其他可移动资产的位置及状态实时监控的可视化解决方案。如:因错位放置以致不能得到及时维护的医疗器械;走错病房的病人;门被打开放有温度敏感物品的冷藏室,所有这些对医院的医护工作都将产生极大的负面影响。

本文针对上述问题,介绍基于标准无线局域网(Wi-Fi)的医疗追踪解决方案。无须重新搭建其他网络或设施,在原有无线局域网基础上即能快速部署安装,搭起医疗可视化平台,为医疗机构提供完整的资产、病患和职员追踪解决方案,以利于降低运行成本,提高运行效率和医疗服务水平。该方案可供国内医院的建设参考。

二、无线局域网实时定位系统(Wi-Fi RTLS)介绍

1、主要组成

无线实时定位系统由无线网络接入点(AP)、Wi-Fi定位电子标签或者Wi-Fi模式无线终端设备(如手机、PDA、笔记本电脑)、定位服务器组成。 如图1所示。

图1 无线实时定位系统组成

2、工作原理

电子标签或者无线设备周期性向AP发出信号,或者AP周期性主动搜索电子标签或者无线设备,AP得到信号后,传送到后端定位服务器,定位服务器根据精准定位算法,实时在Web界面的电子地图上显示电子标签或者无线设备的具体位置。同时,标签可以通过AP实现与服务器之间进行双向通讯,标签可以向定位服务器发出信息,定位服务器也可以向标签发出指令,对标签进行分类管理。 RTLS定位原理图如图2所示。

图2 RTLS定位原理图

3、系统优势

(1)基于全球通用标准的Wi-Fi网络,无需读写器,无须重新搭建其他网络或设施,安装实施灵活方便迅捷,降低成本;

(2)集实时定位、历史运行轨迹回放与分析、标签即时报警、标签消失报警、进出禁止区域自动告警、智能传感控制与报警等多项功能于一体;

(3)支持各种不同类型的WiFi电子标签、手持终端、WiFi电话、移动电脑,满足各种行业的特殊需求;

(4)远距离识别,室外300米以上, 室内 100米

(5)室内、外精准定位最高可达3米;

(6)集合了无线上网、实时定位监控、与摄像头联动、智能化传感、门禁、考勤、电子消费、视频、语音为一体的综合性系统。

 

三、实时定位系统(Wi-Fi RTLS)在医疗行业的应用

1、母婴管理

刚出生的婴儿在外型上基本差异不大,没有自我保护的意识,需要医护人员给予细致的呵护。实时定位系统可以解决母婴配对以及婴儿防盗问题,实现母婴的安全保障。目前针对母婴管理解决方案基本上都采用的RFID射频技术,给婴儿和母亲都佩戴无源腕带标签,医护人员手持RFID读写器,分别读取母亲和婴儿的信息,比对是否配对。在婴儿室安装RFID读写器,只有持有无源标签的人员才可进入婴儿室,定期读取读写器的来访记录,不能做到实时监控,而且无法避免持有无源标签的人偷盗或者掉包婴儿。

(1)母婴配对

婴儿与母亲分别佩戴腕带标签和卡式标签,在后端定位服务器输入婴儿和目前的标签信息,如:个人信息、病历信息、喂奶次数、卫生状况、用药记录等等。医护人员手持 PDA 可以实时读取标签信息,只有母亲信息与婴儿信息配对时,医护人员才可以走出婴儿房,否则配对信息不匹配,后端软件即会实时锁住门禁,医护人员无法走出。

(2)二次配对确保万无一失的母婴配对

医护人员将婴儿抱出婴儿房以后,送入母亲的病房,母亲的标签与婴儿的标签近距离在一起,如果两标签不匹配,后端服务器即会出现告警提示。这样就避免了医护人员走出婴儿房后,由于疏忽或其他人为原因走错母亲病房导致配对错误发生。

(3)婴儿防盗

拆卸告警:婴儿佩戴的腕带标签是具有防拆、防水、防高温、防间断的功能,婴儿从出生佩戴标签直到出院,标签都是不离开婴儿的。腕带标签以任何方式被脱离系统都会告警。

位置移动报警:婴儿被抱离婴儿房或母亲的房间,后端服务器会告警提示,实时提供婴儿的位置信息,以及回放婴儿的历史运行轨迹。

实时定位与视频监控联动:实时定位系统可以摄像监控联动,当带有标签的婴儿发生位置移动时,标签会激发摄像机拍照或者录像,上传后端定位服务器,管理人员实时可以查看到婴儿的安全状况。从而,有效防止婴儿被盗。

2、特殊病人管理

(1)实时位置信息查询:给病人佩戴电子标签,可在后端定位服务器上查看到病人在医院的实时位置信息以确定病人处于安全的环境中。

(2)紧急情况告警:当病人遇见紧急情况,例如:残疾病人在洗手间摔倒、儿童找不到自己的病房、突发病患者病情突然发作等,病人可以自己按自己所佩戴的标签告警按钮,后端定位服务器即刻出现告警提示,管理人员可以马上做出反应,安排援救。

(3)医院特殊重地管理:医院有很多禁止病人入内的区域,需要严格监控和管理。如果带有标签的病人闯入此区域时,就会触发后端定位服务器的报警功能,提醒管理人员即时处理。

(4)安全范围界定:为了更加维护特殊病人的安全,医院可根据实际状况安排特殊病人在安全的区域内,如果病人走出安全区域,病人携带的标签即会向后端定位服务器发出告警信息,管理人员可以实时安排医护人员前去处理。

(5)离开医院报警:如果病人擅自医院,即标签在无线网络覆盖区域范围内消失,后端服务器就会显示消失告警提示。

(6)重症监护室管理:标签内置传感模块,可以实时采集重症监护室的温度、空气湿度等参数;标签与门禁、摄像联动,实时监控进入重症监护室的人员情况;设置访问权限,避免外来人员的干扰。

(7)传染病患者隔离管理:给传染病患者佩戴标签,如果传染病患者擅自走出隔壁病房,标签会触发门禁系统,门即刻被锁死,后端服务器发出告警提示,以防止传染病蔓延至其他人员。

3、医疗设备管理

(1)急救设备实时位置查询:医院急救设备,例如呼吸机、输液泵、急救手术器材、输氧装置等,装配上电子标签,需要时在服务器上输入设备名称,即可实时查询到设备的存放位置,不至于因为寻找设备而耽误病人的抢救。

(2)对于行动不便需要使用轮椅的人,可在轮椅上配上标签,当轮椅上的病人需要帮助时可以按报警按钮,后端系统实时接收到报警信息,可安排人员去帮助。同时也可以实时查询到轮椅的实时位置,提高轮椅的有效使用率。

4、特殊药品监管

(1)对外界环境要求高的药品管理:内置传感器的标签可以实时采集药品所处环境的温度、湿度等参数信息,根据药品对环境的要求,在后端服务器设置温度、湿度等参数极限值,当标签传递过来的数值超过极限值时,即会触发告警信息提示。

(2)对药品有效使用时间的管理:各种药品都有优先使用的时间限制,在后端服务器对药品的标签进行归类划分,输入药品标签的相关时间信息,设置时间提醒,药品到期或者接近有效期时会触发告警提示。

5、优化医院工作流程

(1)即时寻找到医生:医生佩戴电子标签,管理人员可以在后端定位服务器界面看见医生的实时位置信息,当有急诊需要找到医生时,就可以通过定位服务器发出指令信息到标签上,医生收到提示信息后,就知道有急症,即可马上回到诊室。

(2)保证医护人员的安全:如果医护人员遇到紧急状况,例如被病人袭击、或者因为急事不能回到诊室等,医生可以按标签上的告警按钮,告知后端管理中心他的实时状况。

(3)通过无线方式随时掌握病人的各种信息,如病历、喂药情况,特殊病人(如糖尿病人)每日营养配餐。

四、系统主要功能描述

1、定位监控

(1)实时监控 

实时监控示意图如图3所示。

  1. 在地图上显示图标对应于标签绑定的人或物;
  2. 对标签进行实时监控,并在地图中显示标签的当前位置;
  3. 标签闪烁表示有报警;
  4. 标签分组,用不同的图标显示;
  5. 定位过程中能实时看到图标平滑移动;
  6. 搜索人员姓名、状态:
  7. 可跟踪指定的标签,地图随着标签的移动自动切换;
  8. 将鼠标移到图标上可以看到图标的信息和状态;
  9. 点击图标后可以显示人员的详细信息;
  10. 可以手动切换地图,查看指定地图上的所有标签的活动情况;
  11. 地图可以放大和缩小,调整到合适的大小;
  12. 跟踪单个标签时地图会自动切换楼层。

 

图3 实时监控示意图

(2)实时告警

  1. 触发告警,弹出页面,声音报警,并且显示对应的视频录像;
  2. 点击处理后,页面可以关闭,否则会一直提醒;
  3. 实时报警列表。

(3)轨迹回放

  1. 可以自定义、修改轨迹;
  2. 移动轨迹是平滑显示的;
  3. 可以锁定一个标签,按时间段播放,显示移动(可选择有轨迹或无轨迹),地图切换;
  4. 可以锁定一张地图,按时间段播放,显示不同标签移动,无轨迹;
  5. 轨迹回放过程中可以显示各类报警(按钮,区域,消失、振动、不动)和声音效果;
  6. 可以全屏播放;
  7. 可以保存某一段轨迹录像;
  8. 可以保存某一段数据,可调用播放;
  9. 可同时使用多个播放。

2、标签管理

标签管理分为医护人员和病人管理。

(1)标签发放,通过发卡机,自动获取标签ID;

(2)将标签与人员绑定:将指定的人员信息和其佩戴的标签进行绑定,在系统中显示的标签即代表佩戴该标签的人员;

(3)标签更换对应的人员;

(4)人员信息设置:可在系统中对人员的信息进行设置和管理;

(5)标签分组、分类:标签可以根据实际情况进行分组和分类。

3、报警管理

(1)按钮报警设置:标签有按钮报警功能,当发生紧急情况时可按下按钮发出报警信息;

(2)腕带剪断报警设置;

(3)越界报警:某些区域属于禁区,未经允许的标签进入将发出报警信息,或某些病人不能离开某个区域,一旦离开将发出报警信息;

(4)与管理信息系统不符报警: 病人在系统中已经设定好了房间号,一旦病人进错房间,将及时发出报警信息。

(5)消失报警设置——标签消失有多种因素(如电池没电、标签越过信号覆盖区域等),可以设置指定标签的消失报警条件和报警级别,如该标签消失了,将会触发相应的报警;

(6)电池低电报警设置——标签每隔一段时间将会向系统报告一次自己的当前电量,可以在系统中设置电量最低界限,一旦标签电量低于这个界限将会发出报警信息;

(7)未按规定路线报警——指定某个标签在某段时间的行走轨迹,一旦发现该标签偏离指定的行走轨迹达一定的时间,发出报警信息;

(8)无随同人员报警——将病人标签和医护人员标签绑定,一对一或多对多进行绑定,当病人标签的行走轨迹和医护人员标签的行走轨迹不一致,并达一定时间,发出报警信息。

4、系统管理

(1)用户管理:可设定各种用户权限,用户登录系统后根据自己的权限进行相应的操作和浏览符合权限的内容。

(2)地图如果已经划分区域,可设定各个标签进出各区域的条件。

(3)AP定位器管理:监控AP定位器工作状态,查询历史记录。

5、扩展功能

(1)与视频监控系统联动

1)右键点击标签,可选择查看视频监控;

2)报警时可自动调用标签所在位置附近的摄像头,查看视频。

(2)Wi-Fi PDA

(3)Wi-Fi手机通讯定位

1)Wi-Fi手机对讲、多方会议、短信、记录通话、信息查询等多种功能

2)Wi-Fi手机定位

6、统计报表

(1)标签警告记录:查看所有标签或指定标签的所有警告记录;

(2)查看标签报表:查看标签的重要报警,出入区域次数及停留时间统计;

(3)操作历史记录:查看用户的操作历史记录;

(4)可根据时间段进行数据统计;

(5)统计各项工作的执行次数、单人的工作情况和闲置时间、每天各岗位的工作高峰期;

(6)对各告警事件发生的时间和区域进行统计分析;

(7)根据用户自定义规则,按时间段统计保安巡逻次数、时间段和间隔时间。

 

五、定位算法和网络设计

Wi-Fi定位系统是基于标准的IEEE 802.11无线局域网(WLAN)。定位算法是基于接收到Wi-Fi信号的强度(RSSI)。在覆盖无线局域网的地方,定位标签周期性地发出信号,无线局域网访问点(AP)接收到信号后,将信号传送给定位服务器。定位服务器根据信号的强弱判断出标签距离AP的位置,通过标签到至少3个AP的距离可以算出标签的位置,并通过电子地图显示具体位置。这是传统的三角定位原理。

    Wi-Fi 无线信号经过反射后才到达接收器,而不是一条径直的路径,这样就给定位计算带来了很大的误差,这种现象叫多路径。因为室内空间的障碍物会造成多路径干扰,导致讯号变化较大,所以传统的三角定位法不适用於室内环境。我们采用基于RF指纹识别(FINGERPRINTING)的定位方法。在定位区域内设置多个采样点,将定位终端放在给个采样点。我们的场景规划工具可以把定位终端发射的信号特征记录下来,根据这些特征和不同位置的信号建立信号纹来指示定位终端的位置。利用信号纹和相对应的位置信息建立起数据库后,定位系统根据实时收集到的信号特征,就能计算位置了。人体对标签是有干扰的,我们的定位系统采用历史移动轨迹、增加AP定位器、修正信号突变等方法尽量在算法上降低干扰带来的定位误差。

    定位精度与定位目标、环境和定位器铺设密度有关,定物可以达到3米甚至更好,定位人时由于人体干扰,精度在5-10米的半径范围。定位精度是和定位器分布密度、环境、定位对象的干扰有关的,所以无线定位的精度不是一个绝对的数字。一般说, 精度能达到3米-5米,有时会10米甚至更差。我们也有应用能做到1.5米。定位器部署密度越高,定位精度越高。任何无线定位的技术,都会有定位误差及不确定因素存在。我们建议实际应用中,考虑到无线定位的特性,通过软件解决精度的不确定因素。定位中会出现跳动,这是由于定位位置处于几个定位点中间。

    定位频率可以设置为1秒或以上。网页刷新时间为1秒。网络传输也会耗费一定的时间,定位算法上为了避免人体对定位精度的干扰,在算法上做了特别调整,所以可能出现3-6秒的延时。 AP定位器 数量虽然会多,但是AP定位器的成本低,可以集中管理,可以通过POE方式供电。AP定位器无线发射功能可以禁止,所以大量AP定位器并没有产生任何无线信号,这和普通AP是不同的,不会造成无线干扰。

在确定具体节点数量和位置之前,首先要从定位的需求考虑,确定需要定位区域和具体房间信息,需要考虑每个位置点的终端数量峰值,以及每个AP的吞吐能力。根据AP的功率,判断AP的有效信号所能覆盖范围,保证覆盖范围内的任何一个定位点所收到的AP信号中,至少有3个AP的RSSI值要大于-70,并且至少有一个AP的RSSI值要大于-50,根据实际的地理环境合理的安装AP,具体布局因地而异,建议每3个AP的布局。一般每个AP的同时客户端扫描能力在30-40 ,吞吐频率在0.5毫秒。综合以上参数合理的确定AP的位置点和安装数量。

医院环境复杂,为了确保精度,在重要的房间部署一个AP定位器,在走廊部署2到3个AP定位器,在进出门口部署一个AP定位器。

 

六、实际案例-移动门诊输液管理系统

在杭州某医院,根据数字化医院建设的需求,遵循医院现有的输液流程规范,利用先进、安全、便捷的“移动计算技术”和“移动识别技术”帮助护士杜绝输液流程中容易出错的环节,解决可能存在的安全隐患。

1.门诊输液管理系统需求

(1)通过与HIS系统接口的数据共享,输液系统调用处方信息,产生并打印条码输液标签;

(2)建立排队叫号系统,并增强病人等候次序;

(3)利用PDA手持移动设备进行数据的采集和核对,建立输液、接瓶全过程条码核对方式,增强病人和药物匹配的准确性;杜绝出错隐患;

(4)建立输液座位管理系统,及时了解座位实时使用情况,方便调度;

(5)建立病人无线呼叫求助系统,方便护士及时获得病人求助信息以及病人位置;

(6)实现护士业务处理的移动化、实时化和条码核对化。

 

2. 系统实施后新输液业务流程:

(1)病人药物及输液单信息在输液接待处收取后,护士划卡或输入输液号码,电脑打印该病人的药物条码标签和对应的输液病人身份核对标签---两联标签,一联为药物外贴标签(含输液排队叫号标签)、一联为对应的输液病人身份核对标签(含输液排队叫号标签)。

(2) 护士将输液病人身份核对标签(含输液排队叫号标签)交于病人,病人根据呼叫屏显示的输液排队信息等侯输液。使病人能按呼叫次序估计等候输液时间,减少环境嘈杂,避免了护士大声叫喊输液者;

(3)护士扫描病人的药物条码标签,系统即自动呼叫病人排队号码,病人到位后,护士扫描输液病人身份标签核对无误后操作输液。电脑自动分配病人合适的座位号(或病人通过触摸屏自主选择)。打印的座位号码标签交于病人作为分配凭证,避免病人争抢座位造成的环境混乱。同时,护士发给病人一张带有呼叫按钮的无线呼叫单元(WiFi标签)。在系统中病人身份已经和该标签绑定;

(4)病人输液中有不适反应、或接瓶、输液完毕时需要呼喊护士进行帮助时,病人通过手中的无线呼叫单元(呼叫钮)进行呼叫;呼叫信息及位置信息可发送至输液室LED显示屏,也可选择呼叫至巡查护士手中移动计算终端;护士查看PDA上病人输液信息,作接瓶准备(如:取第二份输液等);

(5)护士在病人接受接瓶前,使用移动计算终端进行病人身份条码标签及药物的条码进行扫描,可以实现快速而准确的识别,保证正确的病人接受正确的输液,杜绝差错发生;

(6)病人输液输液完毕后护士需扫描病人身份条码标签,确认输液已经完成。此时,系统自动将座位重新激活;

(7)护士下班或当班护士交接班时,生成每个护士或整班护士的工作情况统计表。统计表中包含护士名字、工作内容、时间标记等。

 

参考文献:

1、陆伟良,实用医院智能化系统工程[M]:南京:东南大学出版社,2009

2、苏州工业园区优频科技有限公司技术文件,2011


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