基于蓝牙技术的手术室移动医疗设备智能定位系统设计

刘志猛，吕亚东，乔龙学，田林怀，杨 坤，李开元，詹宁波，魏颖康，晁 勇*

（1．解放军总医院医疗保障中心医学工程科，北京 100039；2.北京资信物联科技有限公司，北京 100176）

0 引言

大型医院手术室内医疗设备数量多、价值高，是医院医疗设备重点投入科室。手术室内除了手术床、无影手术灯、医用吊塔等相对固定的医疗设备外，还有如腔镜系统、高频电刀、超声刀等多种移动医疗设备[1]。这些移动医疗设备在各手术间流转共用，难以确认位置和使用状态，寻找和调度要花费医护人员大量的时间和精力，以至于无法及时高效地完成手术前的准备工作，同时也给手术室医疗设备管理带来困难[2-3]。因此，实现对手术室区域内的医疗设备特别是移动医疗设备的精准定位和管理有着迫切的实际需求。

近年来，基于物联网的定位技术已应用于仓储管理、物流运输、医疗设备管理等领域[4-6]。李良喆[7]、张丰友等[8]、谢骅等[9]都尝试将射频识别技术用于医院设备管理，可实现对医疗设备的定位、查询、信息维护等管理功能，提高了医疗设备的管理效率和质量，但对医疗设备的实时定位功能未开展深入研究。梁佳妮等[10]采用低功耗蓝牙技术在手术室区域实现了对医疗设备的定位功能，但设计的系统定位时间较长并且没有考虑电磁安全等方面的问题。手术室对环境要求高，对电磁环境有严格的要求，常用的有源物联网定位技术都会辐射电磁波，可能会对手术室的医疗设备造成潜在电磁干扰[11-12]。虽然在电磁兼容方面国家标准只规定医疗设备本身的抗扰度标准，对医疗环境自身目前并无特殊的规定要求[13-14]，但当安装有源物联网设备后，无法预测对原有空间电磁场环境造成的干扰。因此，在手术室区域应用物联网定位系统需考虑电磁干扰的影响，不能影响原有医疗设备的正常使用。

本研究针对手术室对移动医疗设备定位管理的迫切需求，同时为避免对手术室内重要医疗设备的电磁干扰，设计基于蓝牙定位的手术室移动医疗设备智能定位系统。通过自动识别设备位置和运动状态智能控制蓝牙标签开关，降低蓝牙标签对手术室医疗设备的电磁干扰，实现对移动医疗设备的精确定位和管理。本系统具有体积小、工作时间长、工程造价低以及对周围环境的电磁辐射干扰小等优点，可显著减轻医护人员的工作强度，提高手术室医疗设备的管理质量。

1 蓝牙定位原理

蓝牙定位采用接收的信号强度指示（received signal strength indication，RSSI）技术和多网关轨迹滤波算法实现。蓝牙标签发射电磁波信号，根据电磁波在空气中传播的理论，电磁波信号的强度随距离的增加而减小，因此以各网关中RSSI 最大值作为蓝牙标签在该网关区域的判断准则，实现对医疗设备的精确定位。

2 系统设计

手术室移动医疗设备智能定位系统由蓝牙网关、蓝牙信标、蓝牙标签以及后台的数据处理平台组成（如图1 所示），其中蓝牙标签、蓝牙信标和蓝牙网关均由北京资信物联科技有限公司选型设计。

图1 手术室移动医疗设备智能定位系统布局图

蓝牙网关部署在走廊内，由于定位精度与网关的部署密度紧密相关，为保证定位精度，网关的部署间隔为7～10 m，并且保证在每一个手术室门外附近都安装一个网关以监测蓝牙标签信息。网关处于主从工作模式，主模式负责接收蓝牙标签信号，从模式负责广播网关自身信息。由于网关部署于手术室外，在手术室门关闭时，网关的信号被大大地衰减，不会对手术室内的电磁环境产生干扰。

蓝牙信标安装在手术室准备间，在广播模式下工作，主要作用是提示蓝牙标签转换工作模式。通过软硬件设计可控制蓝牙信标的发射功率和信号覆盖范围，以满足手术室对电磁环境的要求。

蓝牙标签安装于设备之上，实现定位信息的主动上报。蓝牙标签内部集成了加速度传感器，可感知设备的运动状态，在走廊内处于工作状态时，可发射定位信号，经网关获取并传输至后台定位。在进入手术室的过程中，蓝牙标签收到蓝牙信标的信号之后转换为扫描模式，蓝牙标签进入静默状态，不再对外发射信号，以保证进入手术室内不产生电磁干扰；在离开手术室之后，蓝牙标签扫描到网关的广播信号，又智能切换回定位模式，从而实现在定位的同时保证对电磁辐射的控制。

2.1 蓝牙网关设计

蓝牙网关主要包括有源以太网（power over ethernet，POE）模块、直流电源模块、CPU、Wi-Fi 模块、BLE1 蓝牙模块、BLE2 蓝牙模块以及天线，如图2所示。

图2 蓝牙网关组成框图

BLE1 蓝牙模块在扫描模式下工作，BLE2 蓝牙模块在广播模式下工作。当蓝牙标签从手术室内由静止状态变化为运动状态，CPU 被加速度计唤醒，此时CPU 进一步控制自身的蓝牙模块开启扫描模式，当扫描到蓝牙网关的BLE2 蓝牙模块的广播信号时，蓝牙标签才由扫描模式开启广播模式，对外广播蓝牙MAC（medical access control）地址信息。蓝牙网关接收到蓝牙标签广播的信息后通过Wi-Fi 或者POE传输到后端平台实现位置计算。

2.2 蓝牙信标设计

蓝牙信标由信标控制单元、蓝牙发射模块、蓝牙接收模块和电源供电模块组成，其组成框图如图3所示。信标控制单元通过蓝牙接收模块接收手术室特征信息，并将其写入预存储的内存中，实现与手术室编号的绑定，并且通过控制蓝牙发射模块以1 Hz频率定期发送存储的手术室信息。蓝牙标签在1～2 m内收到信标信号后自动更改扫描模式，避免其对手术间其他医疗设备造成电磁干扰。

图3 蓝牙信标组成框图

2.3 蓝牙标签设计

蓝牙标签包括微控制单元（microcontroller unit，MCU）、蓝牙模块、防拆开关、加速度计和电池5 个部分，如图4 所示。

图4 蓝牙标签组成框图

防拆开关用于在蓝牙标签出现被无意破坏或自行脱落等异常情况时主动发出报警信号。加速度计可感知医疗设备的运动状态，结合接收到的信标、网关等的广播信号，自适应调节蓝牙标签的工作模式。在一段时间没有感知到运动状态的情况下，蓝牙标签进入休眠模式，可以节省电能消耗，延长电池寿命，降低部署和维护成本。

为了不影响医疗设备的正常工作，蓝牙标签需满足尺寸尽可能小、易于安装和拆卸、可长时间待机以减轻维护工作量等特性。因此，使用2 颗CR2405 纽扣电池以保证蓝牙标签可待机2 年以上。蓝牙标签的尺寸主要是2 颗电池的尺寸，具体为6 cm×4 cm×0.5 cm（长×宽×高）。蓝牙标签内部如图5 所示，可应用于绝大多数医疗设备。

图5 蓝牙标签内部实物图

蓝牙标签的工作逻辑如图6 所示。蓝牙标签初始状态设置为休眠，加速度计为运动唤醒模式。当医疗设备由静止发生位置移动，加速度突然发生变化，蓝牙标签加速度计被唤醒，进而唤醒蓝牙MCU，蓝牙标签开启扫描模式，不再发射信号。如果蓝牙标签静止时间超过3 s，则进入休眠状态，等待再一次被唤醒。

图6 蓝牙标签工作逻辑框图

如果蓝牙标签扫描到网关的信号而没有扫描到信标信号，表示医疗设备处于手术室外，则蓝牙标签进入主从模式，即在扫描的同时广播自身信息。蓝牙标签第一次广播的信号内容包括自身ID 和休眠前最后一次扫描到的信标信号，蓝牙网关将获取的蓝牙标签信号传输至后台的数据处理平台，实现实时定位和记录历史定位信息，避免因包装、干扰、屏蔽、快速移动等原因造成的漏报。之后蓝牙标签广播自身信号并同时进行扫描。

如果蓝牙标签扫描到信标信号，则开启扫描模式，这保证了在进入敏感区域之前关闭自身的电磁信号广播，防止在敏感区产生辐射。

当医疗设备停止移动后，加速度计监测到静止时间超过3 s，蓝牙标签进入休眠，不再广播信号，这保证了医疗设备只要在任何地点静止蓝牙标签都能够快速进入休眠状态，从而节省电池的电量。

2.4 数据处理平台

数据处理平台前端采用Vue 框架开发，采用MySQL 5.6 数据库，后端采用JAVA 语言开发。该平台可分解为2 层。底层为数据接入平台，负责所有数据的接入。这是一个通用可横向扩展的平台，不仅可以连接系统定位数据，还可连接射频识别扫码系统产生的医疗设备盘点数据、人员工卡数据等。该平台对接入的数据进行清洗整理、协议转换、格式转换，并按照用户的规则写入数据库，为后面的平台应用和大数据应用等提供数据基础。上层是实现定位计算以及医疗设备管理的系统应用平台。对于本系统，在系统应用平台内通过定位计算算法实现位置计算，定位计算流程如图7 所示。

图7 定位计算流程图

由于蓝牙工作的2.4 GHz 频段存在诸多干扰，同时要考虑多径效应和不同路径上的障碍物的影响，因此蓝牙信号的衰落变化非常快且不稳定。为提高定位准确性，本系统通过多维度组合解析的方法实现定位：在空间维度上，对多个网关接收到的信号进行综合判断计算，实现多区域划分；在时间维度上，进行平滑滤波，实现历史数据的连续性判断；在信号维度上，实现信号有效性范围的自适应跟踪，从而通过多维度的组合算法实现对医疗设备的精准定位。

3 系统测试

完成系统的部署后，对本系统的实际使用情况进行第三方（计算机软件北航可靠性管理与测试中心）测试。测试结果表明：（1）本系统对医疗设备的定位精度为1～3 m，可准确定位医疗设备在手术室内的具体位置，准确率达到95%以上。另外，本系统具有可视化3D 显示功能（如图8 所示），同时具有离位报警、设备异常状态显示等功能，大大地方便了医护人员对手术室内医疗设备的查找和精细管理。（2）蓝牙模块在进入手术室后工作模式切换正常，设备静止后蓝牙标签进入静默状态，不存在电磁辐射问题。测试表明，蓝牙标签的辐射功率为10-6W/m2，远小于GB 8702—2014《电磁环境控制限值》规定的0.4 W/m2的要求，对于手术室的其他医疗设备不会造成电磁干扰。

图8 手术室移动医疗设备智能定位系统3D 显示效果图

经实际运行和测试表明，本系统运行稳定可靠，但存在小概率的定位错误（＜5%），这是蓝牙RSSI 定位算法自身难以克服的问题。

4 结语

本研究结合手术室对移动医疗设备定位管理的实际需求，将有源蓝牙标签应用于医疗设备管理，设计了基于蓝牙技术的手术室医疗设备智能定位系统。本系统可方便医护人员快速、准确定位所需医疗设备，减少手术备台时间，提高医疗设备管理效率和质量。同时，本系统具有电磁干扰低、系统稳定可靠、工程造价低等优点，解决了手术室内医疗设备物联网电磁干扰的技术瓶颈，同时为医疗设备智能管理提供了借鉴。针对存在的小概率定位错误问题，下一步可采用蓝牙AoA/AoD（angle of arrival/angle of departure）、超宽带（ultra wide band，UWB）等先进的定位技术进一步提高定位的精度和准确性。