Wi-Fi實時定位系統在醫療系統的應用

姚文坡，沈華強，黃亞萍，吳敏

南京軍區南京總醫院 醫學工程科，江蘇 南京 210002

Wi-Fi實時定位系統在醫療系統的應用

姚文坡，沈華強，黃亞萍，吳敏

南京軍區南京總醫院 醫學工程科，江蘇 南京 210002

目的研究Wi-Fi實時定位系統的相關技術和系統構架，并分析其在醫療系統中的應用。方法分析對比Wi-Fi、ZigBee等物聯網組網技術的差異，研究定位系統的系統組成、結構功能框架、功能特點等，并分析如何應用于醫院管理的不同部分。結果Wi-Fi實時定位系統存在前期投入低、技術成熟等優勢，即使存在功耗等方面的不足，但是在醫院醫護人員、患者以及設備等內容的定位中能夠有效實現。結論Wi-Fi實時定位系統可有效滿足醫療系統對實時定位的要求，而且在醫療衛生單位已經取得成功應用，因此具有廣泛的應用前景。

實時定位；醫院管理；Wi-Fi；物聯網

引言

實時定位在現代化醫院的管理中具有重要的應用價值，醫護人員在崗情況巡查、患者實時跟蹤、醫療設備的監測等環節在定位技術的幫助下可得到有效的提升。當前流行的GPS、北斗定位系統無法滿足醫院物資區域性的實時定位需求，而且在管理中存在諸多不便。隨著物聯網技術的發展，區域性實時定位技術已有很多成熟的技術和產品，能夠有效地應用于醫療系統中，滿足醫院管理中的需求。

智能定位追蹤系統在醫療搶救設備、危險物品和醫療垃圾等方面有較強的應用價值和前景，通過與醫院信息系統的結合，可有效解決醫院物資管理中存在一些不足[1]。國內外工程人員、科研工作者以及企業在將實時定位系統[2]引入醫院管理工作中做了大量研究，取得了一定的成效。王玉柱等人分析介紹了一種基于ZigBee技術的醫院病人追蹤定位系統的設計，并且對定位引擎在實際應用中的不足提出了改進措施[3]。利用射頻識別（Radio Frequency Indentif cation，RFID）技術可實現高值耗材的跟蹤[4]以及醫療設備的定位。陳俊陽等[5]人在醫院實際需求的基礎上，結合Wi-Fi實時定位技術，對基本構架和管理控制模式加以分析，并且展望了未來的研究發展方向。基于Wi-Fi的實時定位系統是物聯網的典型應用，目前的研究內容還包括RFID定位以及基于ZigBee網絡的應用，各有特點，促進了區域性的實時定位管理水平的提升。Wi-Fi實時定位系統的主要優點在于覆蓋面廣，接入便捷以及技術成熟。目前多數醫療衛生單位實現Wi-Fi網絡覆蓋，智能終端設備可較為便捷地接入管理系統，并且系統搭建的網絡基礎可免去前期的網絡投入，降低成本。Wi-Fi產品技術相對成熟，保障系統運行的可靠度，因此基于Wi-Fi的實時定位系統具有較為廣闊的應用前景。

本文詳細分析了Wi-Fi實時定位系統的相關技術和系統構架，研究其在醫療系統中的應用價值并對當前應用中存在的問題進行討論。

1 Wi-Fi實時定位系統相關技術

物聯網是指通過溫濕度、光電參數的傳感設備采集感知信息，利用RFID、NFC、全球定位系統等技術標記識別感知物體和傳感器，按照約定的協議，將物體和網絡相連，進行信息通信，以實現智能化識別、定位、監控和管理的網絡概念[6]。作為物聯網在醫療中的重要應用，下面詳細介紹與區域性實時定位相關的識別技術和傳輸網絡兩方面的內容。

1.1 識別技術

目前的識別技術比較多，如Wi-Fi標簽、RFID標簽、NFC等，在實時定位的應用中主要的研究有Wi-Fi和RFID 2方面。

RFID是一種非接觸式的自動非接觸識別技術，通過射頻信號自動識別物體并獲取數據信息[7-8]，其通信方式屬于被動工作方式。當前RFID在零售、物流和醫療等行業具有重要的應用，能夠應對粉塵、污染、輻射等惡劣的環境，而且制作成本較低。完整的射頻識別系統包括三部分：① 標簽，每個標簽具有唯一的編碼，用于識別物體；② 閱讀器，讀取標簽中的信息；③ 天線，在標簽和閱讀器之間傳遞射頻信號。Wi-Fi標簽芯片相對便宜，技術成熟，實現的復雜度較低，而且在物資內置Wi-Fi功能，無需再粘貼Wi-Fi標簽，也可極大降低實時定位的成本。

1.2 物聯網傳輸網絡

理論上任何有線和無線的通信方式都可以應用于物聯網的信息傳輸，本文主要介紹藍牙、Wi-Fi與ZigBee 3個方面內容。

作為WLAN的新技術，基于IEEE802.11b的Wi-Fi無線技術在當前有著極其廣泛的應用，目前已經將個人電腦、路由器、手持設備等終端有效地連接起來。Wi-Fi的優勢主要體現在傳輸速度和傳輸距離方面，其最大的傳輸距離可達300 m，最大的傳輸速度速度可達到300 Mbps，但是缺點是功耗較大，最大功耗為50 mA。

藍牙技術目前在電腦和手機短距離數據傳輸方面有一定程度的使用，而且正在不斷更新，功能也不斷優化，最新版本4.2加強了物聯網應用特性，可實現IP聯接及網關設置等諸多新特性[9]。目前基于藍牙技術開發的應用較少，相比于Wi-Fi，藍牙的優勢在于低功耗和安全性方面，但是傳輸速度和有效傳輸距離方面存在不足，最大傳輸速度和距離分別為1 Mbps和100 m。

ZigBee作為一種較新的無線通信技術在物聯網中有著較為廣泛的應用前途和潛力[10-11]，在未來的物聯網發展中必將發揮重要的作用。ZigBee的優勢在于低復雜度、自組織、高安全性、低功耗上以及具備組網和路由特性；另外可方便嵌入到各類設備中，安全性介于Wi-Fi和藍牙之間。

另外，移動通信技術，如GPRS、3G和4G-LTE，已經完全可以實現多媒體通信，在物聯網系統中可將手機等手持設備有效地融入管理監控功能中，但是目前利用移動通信技術實現實時定位的應用研究相對較少。

2 Wi-Fi實時定位系統結構框架

基于Wi-Fi的實時定位系統[12]與其他定位系統系統相比具有眾多優勢：現醫療衛生系統一般都實現了Wi-Fi網絡的覆蓋，因此定位系統科充分利用現有的無線基礎設施，無需增加額外的網絡搭建投資；Wi-Fi芯片可實現標識定位功能，無需專門覆蓋標識設備，而且在物資內置Wi-Fi模塊實現較為容易；管理控制部分可完全由軟件編程實現，功能改進靈活，系統調整方便；Wi-Fi網絡能夠融入各類手持設備、PDA等，監控便捷，擴大系統管理的應用。

Wi-Fi實時定位系統主要包括3部分：Wi-Fi定位卡、無線局域網接入點、管理系統，圖1～2分別為Wi-Fi實時定位系統運行圖和功能結構圖。

圖1 Wi-Fi實時定位系統運行圖

圖2 Wi-Fi實時定位系統功能結構圖

（1）Wi-Fi定位卡作為無線數據采集模塊可方便地佩戴在人員身上或物品上，系統通過對標簽的跟蹤實現對人員和資產的跟蹤定位，另外可以根據需要設計不同的外形并通過設備本身內置Wi-Fi模塊接入管理系統。

（2）無線AP采用2.4 GHz頻段，支持802.11 b/g模式，及時采集Wi-Fi卡片傳輸的信息，傳輸到后端的監控中心，對人員物資進行監控管理。

（3）管理系統通過定位服務器和相關的軟件系統對傳輸數據進行實時分析，并結合電子地圖對人員物資的實時位置進行分析；監控物體的位置信息、運動軌跡同時存入存儲服務器，監控人員可通過計算機訪問服務器，查詢相關信息；另外可以通過編寫相關的應用程序，將智能手機、PDA和平板電腦等便攜裝置融入管理系統。

Wi-Fi實時定位系統的主要功能特點包括以下幾點：定位系統基于Wi-Fi，對無線局域網非常普及，價格便宜，容易搭建和管理；同時定位網絡還可用于上網、語音、視頻等其他用途；可設定區域范圍，監控區域內人員或物品出入等情況，非許可人員或物品出入時，報警提示；以電子地圖形式顯示人員或物品的位置和移動軌跡；能通過傳感器監測其周圍環境的溫度等信息，便于環境監測和安全防范；管理系統可方便和互聯網相連，方便遠程監控、查詢，Wi-Fi實時定位系統網絡系統見圖3。

圖3 Wi-Fi實時定位系統網絡系統圖

3 Wi-Fi實時定位系統在醫院的應用

Wi-Fi實時定位系統[13]在醫療系統中存在較為廣泛的應用，如醫護人員在崗情況的監控、病人外出實時定位監護、醫療物資的巡檢和跟蹤等在實時定位系統的幫助下可得到有效管理，下面分析重點環節的應用價值。

3.1 智能呼叫系統

實時定位管理系統是在國外醫院醫療設備、病人的管理中起到了很大的作用，系統基于Wi-Fi通信技術，可實現對對醫療設備及資產的跟蹤管理，并且在病人出現危機時可主動呼叫醫護人員，提高醫療機構的運作效率和管理水平，向精細化方向發展。進入醫院的普通病人或特護病人被發放一個無線電子標簽，病人可以在醫院任何范圍內遇到危急情況時，只要輕觸標簽上的按鈕便可實現呼叫求助，而不再像以前僅僅只能在床前呼叫；系統接收到呼叫請求后可立刻定位到病人呼叫的區域，定位精度在3～5 m，實現快速、準確地施助。尤其對于老年癡呆、精神病人等，沒有足夠的人力進行全天候監護。同時，電子標簽還可安裝在輪椅上，便于病人呼叫方便及系統自動跟蹤。

3.2 醫療設備管理

醫療設備集中管理中心。醫療設備集中管理為醫院應急設備供應帶來很大便捷，但是在外借設備的管理方面存在很大的不足。當科室使用設備結束后不一定會及時歸還，容易造成應急設備在科室的閑置，而且存在應急設備在科室之間相互轉借的情況，Wi-Fi實時定位系統可有效地在對這些設備的監控方面。通過為每臺應急設備安裝Wi-Fi標簽，實時監測外借設備的動態，當出現設備長期閑置或是科室之間轉借的情況，集中管理中心工作人員及時和科室溝通，收回應急設備，實現應急設備的高效利用。

大型設備監控。為大型設備或是大規模設備的關鍵部件安裝無線電子標簽，標簽的唯一ID。通過系統能夠實時全方位定位追蹤設備的位置、數量，并監控這些設備的使用現狀，對設備位置、移動狀況、實時狀態等信息進行實時和定時監控與統計分析，并根據設備的相關狀態觸發后續動作，滿足對于重要設備資產的全方位監控與監管，準確統計設備的使用效率。 一旦出現非法移動、未經授權的拆卸和其他異常現象時，即可自動報警告知相關管理人員或責任人，及時采取對應措施，避免損失和事故。

3.3 高值耗材跟蹤管理

高值耗材占醫院收支重要部分，隨著醫療技術的發展，醫院對高值耗材的重視程度越來越高，正逐步提高高值耗材管理力度。高值耗材管理的一個難點在于監管是否真正有效地利用于患者，委派專門的人員對高值耗材的使用情況進行監督存在諸多不便，而且需要投入額外的人力物力資源，Wi-Fi實時定位系統可以有效地解決高值耗材實時跟蹤的問題。

3.4 智能倉庫

智能倉庫利用先進的傳感器技術對倉庫的環境參數、庫存量以及貨物的位置等信息進行采集，并搭建智能網絡對數據進行傳輸，結合數據庫管理軟件實現貨物的定位、跟蹤、倉庫的巡檢、監控，即智能倉庫[14]。智能倉庫系統不僅能夠實時監測倉庫狀況，而且更重要的作用在于通過對倉庫數據的分析為倉庫的調整提供有價值的信息。智能倉庫系統對倉庫庫存量、環境參數和物資抽組等進行詳細的數據記錄和分析，得出相應優化改進方案。

另外，Wi-Fi實時定位系統在危險輻射、化學物品、報廢物資的實時監測也存在廣泛應用的前景。

4 討論

基于Wi-Fi的實時定位系統的優勢在于，可極大降低網絡搭建的前期投入，并且可將電腦、智能手機、平板等手持設備便捷地接入管理網絡，能夠有效地將現有的管理方法融合擴大。與之相比，ZigBee是私有通信協議，需要組建專網，在相同的定位精度要求下，傳感器和節點布點的密度要高，投入成本較高，并且在管理上較為復雜。ZigBee網絡加RFID標簽實現的實時定位系統缺點也在于造價較高，系統的設計與現有基于IP的網絡與計算機構架的兼容性復雜。但是研究中也發現其存在不足以及需要進一步改進的方面。

Wi-Fi實時定位系統的缺陷在于較高的功耗以及較高Wi-Fi標簽卡片制作成本，因此降低標簽的制作成本和功耗是未來系統應用中需要重點研究的方向[15]。和RFID、ZigBee標簽相比，Wi-Fi標簽的制作雖然技術相對成熟，但是劣勢在于較高的制作成本。而Wi-Fi相關發射接收器件的高功耗是限制其快速發展的另一個因素，為了降低功耗，可對部分長期處于靜止狀況或是變動不大的物資的Wi-Fi器件降低信號發射功率或是定向發射信號，進而實現降低功耗的目的，延長標簽的使用時間。

另外，Wi-Fi實時定位系統的精度受多種因素的影響，如墻壁、金屬物體等。定位的情況受到信號強弱的影響，而Wi-Fi網絡受環境影響較大。方向性定位對固定大型設備運行狀況的監測比較方便，但是對移動比較頻繁的設備，則存在一定的困難。

5 結論

醫院對醫護人員、患者以及設備有較強的實時定位需求，隨著科技的發展，物聯網技術可有效解決這些問題。基于Wi-Fi的實時定位系統已經有不少成型的產品，并且在某些國內外醫院取得成功的應用。系統的優勢在于技術成熟，并且基于廣泛應用的Wi-Fi網絡可減少前期的網絡搭建投入，但是也存在成本高、功耗高等缺點。整體分析，基于Wi-Fi的實時定位系統可有效滿足醫療衛生單位和相關部門的實時定位需求，并且具有廣泛應用的潛力。

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Application of the Wi-Fi Real-Time Location System in Medical Systems

ObjectiveTo study the Wi-Fi Real-Time Location System (RTLS) network architectures and related technologies and analyze its applications in the medical system.MethodsComparative analysis of the differences among Wi-Fi, Zigbee and others communication methods was conducted. And RTLS issues on system components, structure, functional framework and features were analyzed. Researches on system applications in hospital management were made.ResultsWi-Fi RTLS had the advantages of low initial investment and mature technologies and could be effectively realized in real-time location, including hospital staff, patients and equipment positioning although it had drawbacks in some aspects such as power consumption.ConclusionWi-Fi RTLS can effectively satisfy the hospital requirements of real-time positioning, and it has been successfully applied in some medical and healthcare units and will have wide range of applications in the future.

real-time location; hospital management; Wi-Fi; Internet of things

YAO Wen-po, SHEN Hua-qiang, HUANG Ya-ping, WU Min
Department of Medical Engineering, Nanjing General Hospital of Nanjing Military Command, Nanjing Jiangsu 210002, China

TN925.93

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.12.051

1674-1633(2016)12-0172-04

2015-10-02

2015-12-28

吳敏，高級工程師。研究方向：醫療設備研究與開發，醫學信號處理。

通訊作者郵箱：njzywm@163.com