基于新型室內定位技術的智慧醫院導航系統架構與實現

江蘇省中醫院/南京中醫藥大學附屬醫院 信息數據中心，江蘇 南京 210029

引言

醫院門診區域每天需要接待大量的就醫患者，是人群高度集中且流動性較強的場所，也是醫院日常管理工作的重要環節。然而，患者來院后面對復雜而陌生的環境，在辦理就醫手續、前往診室看診、做各項檢查治療的時候，經常需要不斷長時間尋找下一個目的科室[1]。據統計，即使大部分醫院在門診設有樓層分布圖和科室引導標志，患者中仍有約三分之一的人會前往咨詢臺或直接找醫護人員尋求幫助，而其中約42%的問題與地點位置及就醫流程相關[2]。隨著門診量的不斷提升，加上就診時間相對集中，仍舊有大量患者在就醫過程中發生迷路、站立等候、無序、長時間滯留等問題，極大地降低了就醫體驗的滿意度。同時，醫院在維護秩序時也消耗了大量的人力成本，且無法對患者流量信息進行收集、處理和再利用。

隨著智能手機、醫療物聯網應用以及無線網絡技術的成熟，高精度位置服務產業發展迅猛。傳統衛星定位系統,如全球定位系統（Global Positioning System，GPS）、北斗定位系統，在室外空曠環境擁有較高的定位精度,但因很容易受到遮擋或干擾，導致其在室內環境定位不準甚至無法定位[3]。為解決此問題，新型的室內定位技術的相關研究已成為近年來定位導航領域的熱點之一。

智慧醫院導航系統就是基于新型的室內定位技術，通過互聯網+與醫療衛生服務行業的合作[4]，結合醫院信息系統構建的一個移動化、自助化、智能化的院內精準導航服務體系，實時對接動態就診信息，讓線下的人和物，也能像在線信息一樣被搜索、定位、聯接，從而為患者提供動猶如專人引導一般的動態連續指引；同時為醫院延伸服務窗口，有效疏導及分流就診人群，切實降低醫院導診投入，提高醫院管理效率和綜合形象。本文根據江蘇省中醫院（后文中簡稱我院）信息化建設中的實際經驗，對智慧醫院導航系統的架構與實現進行了探討，并針對涉及的最新室內定位技術進行了較為全面的介紹。

1 系統架構與實現

1.1 平臺架構

如圖1所示，本系統的架構主要分為定位云平臺、定位設備和定位終端三大部分。

圖1 系統架構圖

其中，作為本系統的核心部分，定位云平臺包含定位引擎服務器、地圖引擎服務器和路徑規劃引擎服務器[5]。而定位設備則是通過院內iBeacon藍牙信標等硬件的部署，在后臺完成對移動端用戶位置信息的讀取操作[6]，從而實現實時、精準的離線型室內定位。

定位終端的線上入口主要包括集成有加速度計、陀螺儀和指南針等低成本慣性測量單元的手機、iPad等智能移動客戶端，通過將核心功能模塊嵌入到醫院官方APP或者集成到醫院微信公眾號的模式，在移動終端能夠便捷的啟用導航相關功能。同時，也可根據醫院門診區域的構造部署業內通用的導航機作為線下入口的顯示終端，供患者現場操作使用。

1.2 關鍵技術

1.2.1 興趣點

興趣點（Point of Interest，POI）是地理信息系統中的一個術語，泛指一切可以抽象為點的地理對象，如學校、銀行、餐館、加油站、超市等。每個POI包含名稱、類別、坐標、分類四方面信息，能及時地提醒用戶路況分支及周邊建筑的詳盡信息，也能方便地在導航中查到所需要的各個地方，選擇最為便捷和通暢的道路來進行路徑規劃。對導航系統這樣一個含地理位置的信息系統來說，POI的數量和質量直接影響到系統的使用友好度和實用價值。

在本系統中，POI大致上可分為樓棟、樓層、科室名稱以及功能設施四大類。每個POI的具體信息內容包括名稱、經度、緯度、樓層和屬性，通過對上述信息進行專業的POI校準，可在確認初始定位后，將各POI按照由近至遠自動進行排序。

1.2.2 iBeacon藍牙信標

iBeacon是蘋果公司推出的一項新型室內定位技術，采用了Bluetooth BLE 4.0和蘋果公司標準iBeacon協議，可以讓附近的手機等移動電子設備檢測到由一個iBeacon信號發射器發出的藍牙信號，通過軟硬件結合的方式將室內定位精度從原來的幾十米提高到一米以內。

由于采用了低功耗的技術，iBeacon相比傳統的UWB、Wi-Fi、RFID等技術有著設備體積小、續航能力強、價格低廉和感知能力強的特性，可靈活布置在樓宇的任何地點，后期的維護和升級也非常方便[7]。在本系統中，iBeacon藍牙信標直接部署在天花板里或者墻頂上，方便快捷的同時不會對醫院現有設施造成任何損壞。

1.2.3 3D矢量地圖

本系統采用符合國際標準WGS-84規范的3D向量地圖，室內外地圖融合，全院區多樓棟統一展示，可在地圖上點選POI進行導航，并通過Flash方法將全景圖像中的特定區域構建到二維平面的對應區域；經過處理之后的圖像就是一個單場景的球型全景圖[8]，地圖可隨前進方向自動旋轉，并可任意切換視角和方位角，帶來更加真實直觀的體驗。

1.2.4 基于電磁指紋比對的離線定位技術

電磁指紋比對的基本概念：將室內環境分為若干塊，每一塊都有一個特定的“指紋”。該“指紋”并不是傳統意義上的指紋，而是例如該位置的信號強度RSSI值、方向等特征信息。測出待定位標簽的特征信息后與“指紋庫”進行匹配，最接近的一個位置指紋即為該標簽的位置[9]。本系統通過采用基于電磁指紋比對的離線定位技術，實現了室內定位的迅速、精準、不跳閃[10]，且不依賴3G、4G、Wi-Fi等任何形式的網絡連接。

1.2.5 融合定位技術

本系統采用了行人航跡推算（Pedestrian Dead Reckon，PDR）技術，即利用集成到智能移動終端自身平臺的加速度計來測量步數和步行速度，再通過指南針和陀螺儀確定航向，融合步速和航向進行行人相對位移量的推算[11]，從而實現了含GPS、電磁指紋比對、PDR等多種定位技術的融合定位模式，進而達到優勢互補，提高定位精度、魯棒性，降低定位成本[12]，實現了室內外定位的無縫融合。

1.3 核心功能

如圖2所示，智慧醫院導航系統可深入到實際就診中的掛號、看診、檢查、治療、取藥等各個環節，能快速定位到目的科室位置，并根據實際的室內布局情況規劃最少耗時的路徑[13]，通過室內外地圖的無縫融合，提供跨樓層和跨樓棟的實時導航和全程語音播報。即便患者不在醫院，也可以自動搜索相應路線，并進行模擬導航。

圖2 系統工作流程圖

支持電梯模式、扶梯模式等多元最適路徑規劃，直接顯示于地圖上供使用者選擇；同時，為不同需求的患者提供了智能最優路徑推薦，如針對門診低樓層智能推薦樓梯模式或手扶梯模式、對高樓層推薦電梯模式、對輪椅患者推薦無障礙通道模式等。

1.4 功能實現界面

如圖3所示，醫院微信公眾號、醫院官方APP作為線上導航的集成入口，患者掛號成功后，系統實時調用患者診療科室的位置名稱，對接動態就診信息；患者則可通過點擊自動彈出的通知框來調用導航功能，通過系統為患者或其家屬規劃最短及最少耗時的路線[14]，準確、快速地導引到下一個流程點的位置。

圖3 自動導航

如圖4所示，患者可主動通過分類搜索頁面、語音搜索關鍵字或直接在地圖上點選的方式，手動搜索相關目的地，并規劃最佳路徑進行實時導航。

圖4 用戶自搜索導航

患者也可通過掃描導航大屏上生成的二維碼在手機端獲取目的地的室內導航信息，并開啟查詢線程，獲取前往目的地的路徑[15]，轉而進行手機實時動態導航。

2 研究方法和結果分析

2.1 研究對象

首先是針對系統上線前后患者的尋路用時進行分析。智慧醫院導航系統于2019年7月至12月陸續在我院門診區域推廣使用，故而我們從我院2019年6月的患者中隨機抽取1000名作為傳統模式下觀察對象（對照組），納入標準為：患者年齡在40歲及以下，在HIS中辦理過掛號手續且就診科室在門診2～5樓區域。同時，從我院2020年6月的患者中隨機抽取1000名作為系統上線后的觀察對象（實驗組），納入標準為：在就診期間使用過智慧導航系統，且導航的目的地科室在門診2～5樓區域。無論是常規組還是實驗組，在抽取數據時均保證其中500名患者的就診時間在8:00～10:00或者14:00～15:00（高峰期），另外500名患者的就診時間在其他時間段（平峰期）。

傳統模式下，單個患者尋路用時=到達診區的登記時間-掛號完成時間，其中登記時間和掛號時間數據均來自于我院HIS；系統上線后，患者的尋路用時=選取觀察對象導航功能的使用時間，此數據可利用導航系統后臺的地圖時間分布表直接統計。

此外，我們還采集了2019年6月及2020年6月的每診區所需導醫人數和日門診量兩項數據并進行了對比和研究。其中，每診區安排的導醫數來源于我院管理資料，門診量數據則從我院HIS中直接獲取。

2.2 統計分析

本研究采用SPSS 25.0軟件工具進行分析，計量資料以均數±標準差（±s）表示，取95%置信區間。其中，患者尋路用時采用單因素ANOVA檢驗，日門診量則采用配對樣本t檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。

2.3 研究結果

從表1可見，無論是高峰期還是平峰期，對照組和實驗組的尋路用時均存在顯著差異，且該差異有統計學意義（P＜0.01）。此外，兩組間均方的對比可以說明，高峰期尋路用時的降低效果相較平峰期的更為顯著，數據模型對該指標變化具備解釋能力。從表2可見，系統上線之后，門診每診區安排的導醫數降低了50%，同時日門診量存在顯著性的上升（P＜0.01）。

表1 系統上線前后尋路用時對比

表2 系統上線前后導醫數及日門診量對比

3 討論

如圖5所示，快速、精準、自助的智慧醫院導航服務代替了傳統低效的人工問詢，極大縮短了患者的尋路用時，且縮短效果在門診高峰期時尤為顯著；這也在很大程度上節約了門診導醫環節的人力成本，使得門診工作人員得以從繁雜、重復的地點咨詢工作中解脫出來，將更多的精力集中在患者的救治方面[16]。雖然智慧導航系統不能作為醫院門診量增加的直接原因，但是，系統的應用使得我院在工作人員精簡的前提下得以應對日益增長的門診量，從而在很大程度上提高了門診的接診能力，也間接地為門診量的提升提供了巨大的助力。

圖5 研究結果對比圖

此外，本文在分析患者尋路用時的研究方法上，采取了一定程度的創新。

首先，相較同類研究的純文字敘述而言，本研究從我院信息系統中抽取了足量真實數據并進行了統計學的分析比對，配合以直觀的圖表說明，極大地增強了說服力和可信度。

其次，在觀察對象的篩選方面，由于使用智慧導航系統的多為年輕人，為保證系統上線前后的對比人群總體上在同一年齡段，故將對照組隨機抽取的患者的年齡段定義在了40周歲及以下。此外，特將觀察對象的就診地點選取在了我院患者較為集中的門診2～5樓區域，以保證研究更具備代表價值。

最后，本研究采取了分時段采集數據、對比分析的模式。從HIS的統計數據可以得知，我院8:00～10:00以及14:00～15:00是門診量的峰值，滿足這些時間段的患者更容易遇到人流量大、尋路難、無人解答的情形，這也意味著分時段的尋路時間研究會更精細、更具比對價值。

4 結論

新型室內定位技術使得智慧醫院導航系統得以成功架構與實現。該系統在我院上線以來運行穩定，成功地覆蓋了患者就診的全流程，基本上實現了患者尋路、咨詢業務的數字化，切實優化了門診流程，為就診者營造了一個便利、良好、有序的就醫環境，減少了門診就診者的隱性投訴和醫患糾紛[17]，取得了良好的運營效果，在全面提升醫院公共服務技術水平和形象檔次方面，具有重大意義。

室內定位技術作為當前熱門研究領域，將來很可能會有新的定位方法或者新的無線介質誕生[18]，這必將把室內定位技術帶入一個全新的領域。同時，隨著智慧醫院建設的不斷推進，以及新型的物聯網醫療系統的逐漸完善[19]，圍繞整個門診流程的硬件配置將更為先進和復雜，患者對就診中信息種類、數量、及時性和方便性的要求也會越來越高[20]。在此背景下，如何持續優化智慧醫院導航系統，使之與醫院的特色診療流程相契合，讓醫院門診的流程管理更加系統化、規范化、整體化，是需要今后進一步探討的問題。