Keiko Yamashita, Shintaro Oyama , Tomohiro Otani , Satoshi Yamashita , Taiki Furukawa , Daisuke Kobayashi , Kikue Sato , Ak Sugano , Chiaki Funada , kensaku-mori
Keiko Yamashita and others, Smart hospital infrastructure: geomagnetic in-hospital medical worker tracking, Journal of the American Medical Informatics Association, Volume 28, Issue 3, March 2021, Pages 477–486, https://doi.org/10.1093/jamia/ocaa204
Objetivo
La visualización de la ubicación es esencial para ubicar personas/objetos, mejorar la eficiencia y prevenir accidentes. En los hospitales, Wi-Fi, baliza de Bluetooth de baja energía (BLE), sistema de mensajería interior y métodos similares generalmente se han utilizado para el seguimiento, siendo Wi-Fi y BLE los más comunes. Recientemente, las enfermeras utilizan cada vez más dispositivos móviles, como teléfonos inteligentes y tabletas, mientras se desplazan. La precisión al usar Wi-Fi o BLE puede verse afectada por la interferencia o la propagación de trayectos múltiples. En esta investigación, evaluamos la precisión de posicionamiento del posicionamiento geomagnético en interiores en hospitales.
Materiales y métodos
Comparamos la precisión de la medición de posición de un método geomagnético solo, Wi-Fi solo, balizas BLE solas, geomagnético más Wi-Fi y geomagnético más BLE en una sala de hospitalización general, utilizando un algoritmo de posicionamiento geomagnético de GiPStech. Se utilizó la infraestructura Wi-Fi existente y se instalaron 20 balizas BLE adicionales. Nuestro primer experimento comparó la precisión de estos métodos para 8 rutas de prueba, mientras que el segundo experimento verificó un método combinado de baliza geomagnética/BLE usando 3 rutas basadas en actividades diarias reales.
Resultados
Los resultados experimentales demostraron que el método más preciso era geomagnético/BLE, seguido de geomagnético/Wi-Fi y luego geomagnético solo.
Discusión
La precisión de posicionamiento del método geomagnético varió ampliamente, pero combinarlo con balizas BLE redujo el error de posición promedio a aproximadamente 1,2 m, y la precisión de posicionamiento podría mejorarse aún más. Creemos que esto podría dirigirse efectivamente a los humanos (pacientes) donde generalmente se pueden tolerar errores de hasta 3 m.
Conclusión
Junto con las balizas BLE, el posicionamiento geomagnético podría ser lo suficientemente efectivo para muchas tareas de localización en hospitales.
Introducción
Recientemente, a medida que se han desarrollado las tecnologías de seguimiento de la posición, muchos servicios han aprovechado las tecnologías para tareas como la navegación y la búsqueda de rutas. 1 Están disponibles tecnologías de posicionamiento en interiores y exteriores. Un ejemplo destacado de tecnología de posicionamiento en exteriores es el Sistema de posicionamiento global (GPS), 2 que utiliza ondas de radio recibidas de los satélites. Sin embargo, estas tecnologías exteriores no pueden aplicarse a entornos interiores, ya que protegen al receptor de las ondas de radio satelitales entrantes, 3 (es decir, hasta hace poco tiempo, ha sido difícil desarrollar tecnologías de la información y la comunicación que puedan proporcionar un posicionamiento práctico en interiores).
Esto cambió con la llegada de tecnologías como Wi-Fi, 3 baliza Bluetooth de baja energía (BLE), 4 identificación por radiofrecuencia, 5 y el sistema de mensajería interior (IMES). 6 Muchas instalaciones ya han adoptado Wi-Fi, que tiene la ventaja de que ya es parte de la infraestructura existente, aunque esto puede causar interferencias de factores ambientales, como la presencia y el movimiento de personas. 7 Además, se deben instalar transmisores, lo que puede ser costoso cuando se requieren muchos. Por el contrario, las balizas BLE ofrecen mayor precisión que Wi-Fi, 8con unidades más económicas cuyo bajo consumo de energía significa que pueden funcionar con baterías, lo que facilita su introducción. Aunque las etiquetas individuales de identificación por radiofrecuencia son muy económicas, se necesitan muchas puertas, solo pueden cubrir un rango limitado alrededor de una puerta determinada y se requiere un mantenimiento frecuente. 9 Dado que IMES utiliza el mismo formato de radio que el GPS, puede adquirir sin problemas la posición actual tanto en interiores como en exteriores, pero se deben instalar transmisores IMES para que los dispositivos, como los teléfonos inteligentes con GPS, puedan recibir las señales.
Otra técnica de estimación de la posición basada en el geomagnetismo compara la información del campo magnético medido con un mapa del campo magnético derivado de las características del campo magnético interior del edificio actual. Este método tiene la ventaja de que, dado que hay un campo magnético natural en todas partes, puede usarse en lugares donde el posicionamiento Wi-Fi es imposible, debido a interferencias de ondas de radio, falta de suministro eléctrico o donde es difícil instalar balizas BLE; y no requiere ninguna inversión de capital significativa.
Recientemente, los hospitales y otras instalaciones médicas dependen cada vez más de la información de ubicación. Ser capaz de ubicar con precisión a pacientes, médicos, enfermeras y dispositivos médicos les permite responder rápidamente cuando las enfermeras llaman desde las áreas públicas del hospital, observar la situación de ocupación del paciente de un vistazo y realizar un seguimiento de la ocupación del equipo médico y los baños, mejorando así la operación. eficiencia y prevención de accidentes médicos. 10 El análisis de los datos acumulados también puede conducir a mejores prácticas de trabajo al identificar los momentos de mayor actividad de las enfermeras y cuantificar sus cargas de trabajo generales.
Nuestro hospital (Hospital Universitario de Nagoya) está intentando visualizar tanto seres humanos como objetos en un esfuerzo por mejorar la eficiencia operativa y prevenir accidentes médicos, examinando las ubicaciones actuales de los pacientes y el personal médico en el hospital en un intento de identificar la ineficiencia de una manera que hasta ahora se creía imposible. Utilizando tecnología avanzada y tecnologías de la información y la comunicación, estamos desarrollando un nuevo «concepto de hospital inteligente» médico, conectando ubicaciones y familias mejorando la eficiencia del hospital y brindando atención médica segura.
Para lograr estas mejoras en la eficiencia operativa, necesitábamos recopilar información de posición y visualizar los movimientos de personas y mercancías. También distribuimos teléfonos inteligentes a las enfermeras para crear un entorno en el que pudiéramos adquirir continuamente dicha información de ubicación. Esto nos llevó a centrarnos en un método basado en el geomagnetismo. Aunque otros estudios han intentado medir la posición utilizando teléfonos inteligentes con balizas BLE 4 , creemos que los métodos basados en geomagnetismo no deben descuidarse, lo que nos motiva a evaluar su potencial.
Hemos adoptado la tecnología GiPStech 11 que se puede utilizar en todo tipo de aplicaciones y se puede colocar sin necesidad de equipos costosos. También puede combinar geomagnetismo, balizas BLE y datos de Wi-Fi para generar mediciones de posición.
MATERIALES Y MÉTODOS
Experimento 1: Geomagnética, Wi-Fi, BLE y su medición de precisión de posicionamiento combinada
Las salas del Hospital de la Universidad de Nagoya cubren 14 pisos y elegimos realizar experimentos de posicionamiento en la sala del octavo piso (8W), ya que está en el centro del edificio donde es probable que el impacto de la estructura del edificio en las mediciones sea mayor. Para el conjunto de rutas de prueba, seleccionamos una ruta que incluía todas las condiciones para entrar y salir de la habitación del hospital desde un ascensor o una estación de enfermería con muchos objetos ( Figura 1 , prueba-ruta1). Para estas rutas, la diferencia entre la posición medida y la posición real se midió usando solo geomagnetismo, solo Wi-Fi, solo BLE, geomagnetismo en combinación con Wi-Fi y geomagnetismo en combinación con BLE.
Las 8 rutas de prueba.
Comparación de la precisión del posicionamiento geomagnético, Wi-Fi y BLE
Para seleccionar un conjunto adecuado de rutas de prueba, entrevistamos a trabajadores de la salud sobre sus patrones de trabajo reales y elegimos 7 rutas de prueba que cubren todas las salas ( Figura 1 ). Para estas rutas, medimos las diferencias entre las posiciones medidas y reales. Comparamos la precisión de posicionamiento de 3 enfoques: geomagnetismo solo, geomagnetismo con Wi-Fi y geomagnetismo con BLE.
Método de posicionamiento geomagnético
El campo magnético local se ve afectado por materiales magnéticos como la estructura de acero del edificio, y el campo geomagnético es diferente en cada ubicación. Los magnetómetros, sensores para medir campos magnéticos, se han vuelto omnipresentes en los teléfonos inteligentes. Estos magnetómetros son los que permiten que funcione la brújula del teléfono. La forma más sencilla de medir la intensidad de campo del campo magnético terrestre sería simplemente tomar la suma vectorial de las contribuciones de intensidad de campo en cada dirección espacial. 12 Por lo tanto, medimos las características del campo magnético de estos materiales usando un sensor magnético basado en un teléfono inteligente (ARROWS M357/Fujitsu/Japan). Para estimar la posición actual, primero registramos esta información de campo magnético (mapa) en la base de datos de GiPStech antes de los experimentos ( Figura 2-1a). Durante los experimentos, la posición actual se calculó comparando el mapa geomagnético con mediciones de vectores magnéticos continuos realizadas por el dispositivo del usuario y utilizando la navegación a estima para peatones (PDR) 13 basada en la aplicación de un algoritmo de filtro de partículas a los datos de comportamiento del usuario .
Método de posicionamiento wifi
Para el posicionamiento, identificamos las ubicaciones de 12 puntos de acceso inalámbrico existentes (Cisco Aironet 3700i/Cisco/America) del esquema del edificio ( Figura 2-1b ), luego mapeamos sus intensidades de señal usando un teléfono inteligente. Esto nos permitió calcular la posición actual comparando la intensidad de la señal Wi-Fi medida con el mapa de intensidad de la señal Wi-Fi.
Método de posicionamiento de baliza BLE
Para el posicionamiento de BLE, instalamos 20 balizas BLE (IBKS 105/Accent Systems/America) en la sala y anotamos sus ubicaciones ( Figura 2-1c ). Las balizas se instalaron en las paredes del pasillo y del puesto de enfermería a una altura de 2 m ( Figura 2-2a ). Como era difícil instalarlos en las paredes de las habitaciones del hospital, los instalamos en lámparas de techo a una altura de 3 m ( Figura 2-2b ). Las ubicaciones exactas de las balizas se enumeran en la Tabla 1 . Luego, triangulamos la posición del usuario estimando la distancia de cada baliza en función de la intensidad de la señal (como para Wi-Fi) y combinando las distancias con los datos de ubicación de la baliza.
Figura 2-1.
Experimento 2: Verificación de la precisión del posicionamiento geomagnético y BLE combinado
En el Experimento 2, después de consultar con el personal médico (médicos y enfermeras) que trabajan en la sala, identificamos las siguientes rutas, en función de sus patrones de trabajo reales ( Figura 3 ).
- Ruta 1: Ruta del profesor al visitar a todos los pacientes
- Ruta 2: Ruta del médico al visitar a todos los pacientes
- Ruta 3: Ruta típica de las enfermeras
Luego medimos para cada ruta, la ubicación de cada miembro del personal mientras seguían estas rutas para evaluar la precisión de posicionamiento del método más preciso, según lo determinado por el Experimento 1.
Datos reales del terreno
Para preparar un conjunto de datos de información de posición correcta (verdad del terreno), colocamos códigos de barras en las paredes de las puertas de las habitaciones de los pacientes a una altura de 1,5 m ( Figura 4 ). Estos eran códigos de barras unidimensionales, de 4 cm × 2,8 cm de tamaño, creados según el estándar JAN-8 con un total de 8 dígitos, los primeros 4 identificaban la ubicación y los otros 4 eran el número de serie. Adquirimos imágenes de códigos de barras usando un teléfono inteligente (a través de su cámara incorporada) y comparamos la información del código de barras con la posición real usando una aplicación Java de nuestro propio diseño. Esta aplicación incluía una tabla predefinida que enumeraba las correspondencias entre códigos de barras y ubicaciones e incluía los resultados de ubicación en la base de datos. A continuación, se evaluó la precisión del posicionamiento comparando la información basada en el código de barras con los registros de los teléfonos inteligentes relacionados.Figura 3.
Orientación del dispositivo
En el Experimento 1 (Sección 2.1), los dispositivos se mantuvieron en una orientación fija, pero para el Experimento 2 (Sección 2.2), para que coincidan más con el uso en el mundo real, no se requirió que los usuarios mantuvieran sus dispositivos en una orientación fija. Esto se logró utilizando la función de «orientación libre» de GiPStech, que calcula la orientación relativa del dispositivo y, en consecuencia, adapta los resultados, eliminando así la restricción anterior de «orientación fija».
RESULTADOS
Experimento 1: Precisión del posicionamiento geomagnético, Wi-Fi y baliza BLE
La Figura 5 y las Tablas 2 y 3 muestran los errores de posición absolutos promedio y las desviaciones estándar para el Experimento 1, rutas 1–8 ( Figura 1 ) cuando se usa posicionamiento geomagnético, Wi-Fi, BLE, geomagnético/Wi-Fi y geomagnético/BLE.Figura 4.
Experimento 2: Precisión al combinar posicionamiento geomagnético y baliza BLE
En la sala 808, el código de barras se eliminó antes de la verificación, por lo que la precisión de posicionamiento no se midió en esta sala y no se incluye en el cálculo promedio. Además, otra habitación en la ruta se dividió en un espacio para 4 personas, pero durante la evaluación solo se consideró 1 ubicación (típica) para esa habitación.
Ruta 1: Ruta del profesor al visitar a todos los pacientes
El error de posición promedio para la ruta 1 fue de 1,24 m ( Figura 6a ). Esta cifra se estableció leyendo la información del código de barras al entrar y salir de cada habitación y dentro de cada habitación.Figura 5.
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Errores de posición absoluta para el Experimento 1, Rutas 1–8.Figura 6.
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Errores absolutos de posición y desviaciones estándar para el Experimento 2: a) Ruta del profesor, b) Ruta del médico, y c) Ruta de las enfermeras.
Ruta 2: Ruta del médico al visitar a todos los pacientes
El error de posición promedio para la ruta 2 fue de 1,11 m ( Figura 6b ). Esta cifra se estableció leyendo la información del código de barras al entrar y salir de cada habitación, dentro de cada habitación y al entrar y salir del puesto de enfermería.
Ruta 3: Ruta típica de las enfermeras
El error de posición promedio para la ruta 3 fue de 1,20 m ( Figura 6c ). Esta cifra se estableció leyendo la información del código de barras al entrar y salir de cada habitación, dentro de cada habitación y al entrar y salir del puesto de enfermería.
DISCUSIÓN
El posicionamiento en interiores es muy importante para optimizar la provisión de servicios médicos, como ubicar personas y cosas, y comprender el nivel de ocupación de las salas médicas y el estado de uso de los dispositivos médicos. Wi-Fi tiene el problema de la interferencia de radio y el método IMES es costoso y difícil de implementar. Por lo tanto, creemos que en el futuro se puede considerar un método de posicionamiento que combine información geomagnética y de baliza BLE.
Después de comparar las precisiones de posicionamiento de los métodos geomagnético, Wi-Fi y BLE, encontramos que el error de posición promedio con el enfoque geomagnético fue de 7,62 m, pero se redujo a 3,19 m cuando se combinó con información de Wi-Fi y a 2,60 m cuando combinado con balizas BLE. Aunque el método geomagnético sufría de precisión de posicionamiento variable, esto podría suprimirse combinándolo con información de baliza Wi-Fi o BLE. De los datos anteriores, el error de posicionamiento Wi-Fi es un promedio de varios metros, 13 y el error de posicionamiento BLE es un promedio de 1 m a 5 m, 14y se considera que el posicionamiento geomagnético es excelente. A partir de los resultados de nuestra medición previa en las mismas condiciones, solo geomagnético, Wi-Fi y BLE tuvieron la mejor precisión de posicionamiento geomagnético de 3,61 m. La precisión mejoró cuando se combinó con geomagnética y Wi-Fi/BLE, y la precisión de posicionamiento, especialmente cuando se combinó con BLE, fue de 1,63 m. Además, en nuestro segundo experimento, el error de posicionamiento promedio con BLE fue de 3,85 m, pero se redujo a 1,93 m al combinarlos con geomagnética. Aquí nuevamente, vemos que la precisión de posicionamiento variable del método geomagnético podría suprimirse combinándolo con las balizas. Además, dado que la habitación para 4 personas tiene 6 m cuadrados, el error de posicionamiento relativamente alto allí (alrededor de 3 m por persona) puede considerarse aceptable.
Para las rutas 2, 3, 4 y 8, fue necesario especificar las posiciones iniciales para lograr resultados de precisión razonables y estables y el error de posición máximo fue de 22 m. Creemos que esto se debe a las características de la tecnología PDR 15cuando se utiliza un algoritmo de filtro de partículas. El posicionamiento PDR calcula la distancia relativa y la dirección desde el punto de partida midiendo el movimiento del usuario con los sensores integrados de su teléfono inteligente. Por lo tanto, los errores pueden acumularse con el tiempo, generando diferencias de posición significativas. En nuestro caso, un factor significativo fue que la precisión de la posición inicial era pobre, debido a la dificultad de encontrar un patrón magnético, aumentando los errores en las medidas de posición del PDR. Además, dado que las posiciones se vuelven más estables con el tiempo con la ayuda de una posición inicial precisa, los errores de posición promedio son menores para rutas más largas.
Se considera que la razón por la cual el error en la ruta 5 fue pequeño es que cuando se midió el campo magnético, la fluctuación magnética fue pequeña porque casi no había objetos en movimiento y se obtuvieron resultados estables y de alta precisión. Aquí, se cree que la precisión de Wi-Fi se reduce debido a la interferencia de radio.
Para la ruta 6, hubo un objeto en el corredor durante el experimento, lo que puede haber afectado los resultados de posicionamiento geomagnético y Wi-Fi. Estos fueron corregidos efectivamente por la baliza BLE y el error promedio se redujo a 1,5 m. Esto demuestra que incluso en pasillos de mucho tráfico, la combinación de datos geomagnéticos y de balizas hace posible obtener mediciones precisas. Con las mismas preocupaciones, de hecho, el entorno del sitio de prueba tenía varios contenedores de metal, camas y sillas de ruedas. Sin embargo, a diferencia de los ascensores, estos elementos metálicos pueden pasar juntos sin afectar el mapa magnético o el sensor si se colocan a más de 10 cm de distancia.
Las rutas 7 y 8 pasaron cerca de un ascensor, donde el error de posición aumentó a 10 m. Esto probablemente se debió a que el ascensor es un gran cuerpo magnético que causa fluctuaciones sustanciales en el campo magnético circundante. 16 Otro factor aquí podría ser el hecho de que mucho personal médico y pacientes se movían en las cercanías mientras se tomaban las medidas. Creemos que este problema podría mejorarse instalando balizas adicionales cerca del ascensor.
El examen del registro de posicionamiento demostró que al combinar los enfoques geomagnético y de baliza BLE, pudimos seguir con precisión las rutas preestablecidas. Sin embargo, la ruta desde el oeste hasta la habitación 808 no se pudo seguir con precisión y el posicionamiento no fue estable en la habitación del hospital. Se considera que esto se debe a que la posición de instalación de la baliza no era la óptima. Las balizas de los pasillos y puestos de enfermería se instalaron a una altura de 2 m, y debido a la dificultad de su instalación en la pared interior de la habitación del hospital, se instalaron sobre una luminaria de techo de 3 m de altura. Por lo tanto, la precisión de posicionamiento de la habitación del hospital no era estable. Esto indica que las posiciones son más estables cuando la altura de la baliza facilita la obtención de información sobre el movimiento de personas y mercancías.
Para el posicionamiento en interiores, la colocación de balizas es importante, por lo que es común ajustar la posición y probar la precisión del posicionamiento varias veces y, en algunos casos, puede ser necesario colocar muchas balizas en intervalos cortos. En nuestros experimentos, solo pudimos probar 1 conjunto de ubicaciones de balizas, pero creemos que una consideración cuidadosa de la ubicación de las balizas puede mejorar la precisión.
Se espera que el método de posicionamiento geomagnético se utilice en el futuro. Creemos que se puede utilizar para analizar los movimientos de las enfermeras y sugerir posibles mejoras en las prácticas laborales. Los edificios de los hospitales contienen muchos elementos que pueden tener un efecto significativo en el campo magnético observado, como la plomería y los cables de comunicación, por lo que la interferencia crea una estructura de campo magnético única que se puede leer a partir de las lecturas del campo magnético. La extracción de características espaciales es relativamente fácil. Sin embargo, existen muchos otros objetos magnéticos, como carritos de acero y sillas de ruedas, por lo que realizar experimentos similares en otras instalaciones puede arrojar resultados diferentes.
Nuestros resultados han demostrado que la precisión del posicionamiento se puede mejorar combinando el posicionamiento geomagnético con balizas BLE. En particular, creemos que podría usarse de manera efectiva para dirigirse a personas, como pacientes o enfermeras, donde podemos tolerar errores de posición de aproximadamente 2 a 3 m. Por el contrario, al apuntar a objetos que deben ubicarse con una precisión del orden de unos pocos centímetros, como equipos médicos, podría ser más eficaz utilizar dispositivos como un sistema de antena de matriz pasiva (Quuppa) o una radio de banda ultraancha (Decawave). ).
Creemos que, en el futuro, la experiencia hospitalaria podría mejorarse al combinar la información de ubicación (p. ej., para orientación y para facilitar la navegación) con sistemas automáticos de pago de cuentas hospitalarias.
Gestión y Economía de la Salud 
