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技術探索

定位追踪技術 拓展智慧醫院可能性

工研院資通所 顏在賢

智慧醫療利用資通訊技術來提供醫療及健康領域的應用,包括醫療器材管理、醫療照護、復健管理等,讓傳統醫院升級為智慧醫院。其中定位追踪技術為各類智慧醫院應用的關鍵基礎,藉由高精準的定位資訊,協助管理院內的重要醫療資源,將可大幅提升醫院營運的效益。

現在醫院主要以藍芽(Bluetooth)技術來提供室內定位追踪的解決方案,提供包含醫護人員定位追蹤、醫療設備定位追蹤、病患在醫院區域內的就診導引等。然而以無線訊號強度為基礎的藍芽定位技術,容易受室內隔間、屏蔽影響,而干擾到定位的準確度與穩定度,往往只能提供數公尺的定位精準度。此外受限於傳輸距離限制,需要建置密集的定位設備(例:Bluetooth Locator)來覆蓋場域區間,造成建置成本增加。本技術利用無線通道狀態資訊(Channel State Information, CSI)的定位技術,不需更改場域內原有通訊基礎建設,在通訊過程中可利用使用者裝置與基地台設備,經由無線通道狀態資訊監聽設備(CSI Sniffer),收集其通訊過程的無線通道狀態資訊來進行定位估算,提供高精準定位服務。

智慧醫院的定位追踪應用

世界衛生組織(WHO)將「智慧醫療」(eHealth)定義為「資通訊科技」(Information & Communications Technology, ICT)在醫療及健康領域的應用,其主要目標在於優化病患就醫體驗、提升醫院營運效率以及強化臨床醫療效益。在智慧醫療應用服務中,如何取得標的物(包含:醫療器材、病患、及醫療人員等)所在位置,將是智慧醫療的重要基礎。圖1描繪以定位追踪為基礎的五項智慧醫療應用,包含院內導航、醫院訊息推播、醫療人員管理、貴重醫材追踪、以及電子圍籬等服務。這些服務皆需借助定位資訊來提供服務之運作,相關描述如下:

院內導航:

大型醫療院所環境錯綜複雜,病患在進行多項診療服務時,需在不同的診間移動。借助於定位追踪服務,配合院內地圖資訊,此服務可快速指引病患移動至指定的診間,大幅提升病患的就醫體驗。

1.醫院訊息推播:

院內常需針對不同區域的病患及醫療人員進行即時資訊通知,藉由定位資訊,可精準針對不同區域人員進行即時推播,減少收到不必要的推播資訊,快速及精準掌握關鍵資訊,提升營運效率。

2.人員管理:

醫院常需處理急診時的人員協調,借助於定位資訊,當醫院需要緊急協助時,可快速調配附近的相關人員進行醫療協助,提升醫療效益。

3.貴重醫材追踪:

醫療設備及器材為醫院的重要資源,需妥善分配及管理以提升其使用效率,定位追踪服務可即時掌握設備及器材的使用狀態及位置,進行調配及使用,提升醫院營運效益。

4.電子圍籬:

醫院的特定區域,限制病患及人員的進入或隔離間,而透過定位追踪服務,可動態地建立電子圍籬區域,利用資通訊來進行管控,免除人工的建立隔離區域,提升營運效率。

圖1 智慧醫院的定位追踪應用

圖1 智慧醫院的定位追踪應用

無線通道狀態資訊定位技術

傳統室內定位技術,廣泛使用藍芽(Bluetooth)技術方案,此技術依據裝置通訊時的訊號強度來估算標的物的距離來提供定位服務,受限於其傳距離及訊號干擾的影響,其定位誤差為數公尺間,且需建置大量的定位裝置, 使得醫院的智慧醫療等應用受到局限。近年來,無線通道狀態資訊定位技術有了重大的突破, 除了精準度可小於1公尺等級,還具有抗多路徑干擾、並且不需更改原有網路通訊設備。

無線通道狀態資訊技術利用電磁波的特性為基礎,利用無線裝置在發射端與接收端的無線通道狀態資訊的收集,來估算裝置的距離及方向。無線通道狀態資訊以複數型式表達,我們可將無線通道狀態資訊經由數學轉換成電磁波的震幅(Amplitude)與相位(Phase)來表示。當無線發射端與接收端之間存在任何位置變動,電磁波都會受到影響被改變,本技術利用此特性來進行定位計算。如圖2所示,可利用無線通道狀態資訊來進行距離及方向計算:

1.距離計算:

使用訊號飛行時間(Time of Flight, ToF)來幫助估計距離。訊號飛行時間是無線訊號從發射端到達接收端所花費的時間。如圖2(a)所示,利用不同子通道的相位差,可估算出傳送與接收端的距離。

2.方向計算:

利用訊號入射角(Angle of Arrival, AoA)可用於準確地導出發射端的方向,藉由不同天線接收同一個發射端傳出的訊號所造成的相位差。如圖2(b)所示,可計算出發射端相對於接收端的角度。

圖2 CSI定位原理

圖2 CSI定位原理

在定位服務系統建置上,本技術不需更改原有的網路設備(基地台),可經由架設無線訊號監聽設備(CSI Sniffer)來收集使用者裝置與基地台通訊時的無線通道狀態資訊,再依據無線通道狀態資訊定位技術,估算裝置所在的距離及方向,提供公分等級定位服務。

定位技術的實際應用

本技術與三軍總醫院合作,如圖3所示,利用無線通道狀態資訊定位技術,提供即時追蹤物件位置(移動軌跡),提升醫療器材管理效率,包含:醫療設備及嬰兒車等物件追蹤。透過醫院內現有的WiFi網路或未來規劃的5G網路,經由架設無線訊號監聽設備(CSI Sniffer),即可經由監聽無線終端(例: WiFi Tag、5G Tag等)的訊號來計算訊號入射角與飛行時間,進行定位計算以掌握標的物的精準位置。以下將以嬰兒車定位追踪來呈現智慧醫院之應用。

圖3 智慧醫院定位追蹤監測應用

圖3 智慧醫院定位追蹤監測應用

在三總嬰兒車定位追踪應用上,工研院於三總5樓嬰兒室(圖4(1))、走道區、電梯間以及產婦病房區(圖4(2))布建50套無線訊號監聽設備,並於嬰兒車上配置無線標籤(WiFi Tag)。無線訊號監聽設備負責即時監聽由無線標籤發送的訊號,進行無線通道狀態資訊解析,再由區域網路傳送至後端定位伺服器進行定位計算及軌跡追蹤。使用者(系統管理員或護理師)可經由圖台管理系統(圖4(3))即時監控各嬰兒車的位置以及嬰兒車的移動軌跡追蹤。經由建立此系統,三總可降低護理人員對嬰兒進出嬰兒室及產婦病房的管理負擔。另一方面,可預防嬰兒被帶離允許活動區域,提升嬰兒在院內的安全及防止意外狀況的發生。

圖4 嬰兒車定位追踪服務

圖4 嬰兒車定位追踪服務

在此場域建置中,相較以藍芽為基礎的場域建置,利用WiFi無線網路通道狀態資訊的網路建置,本技術所需布建的設備(WiFi Sniffer)數量,約為藍芽定位裝置的四分之一,且可達到小於1公尺以下的高精準度。無論在成本或效能的考量下,皆比傳統藍芽定位更具優勢。

提升精準度以完善智慧醫療

高精準室內定位對於智慧醫療是一項關鍵的技術,隨著無線通道狀態資訊定位技術的成熟,以及其低建置成本、高覆蓋率的特性,未來無線通道狀態資訊定位技術將會是醫療院建立智慧醫療網路的關鍵技術,在不需改變現有網路通訊模式下,提供加值的公分等級定位服務,將是一項具競爭力的技術項目。除了在智慧醫療上的使用,工業4.0將會是另一項主要市場,大量的物聯網物件以及大量的工業設備,利用通訊過程中掌握精準位置,將是無線通道狀態資訊定位技術的優勢所在。

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