1 引言

随着智能手机、医疗物联网应用以及三维全景导航技术的成熟，在医院内部，借助定位导航技术，为患者提供改善性的就医体验、提高管理效率的新型应用正备受关注。上海市第一人民医院运用基于全景图像的虚拟导航系统，实地采集图像，建立模型和图像渲染，通过后期集成处理，将全景图像展示在手机上。导航系统与电子平面地图相结合，可以随时参考实景，又可以定位地图，提供清晰明了的导航体验。同时，导航系统与HIS对接，能够实时获取患者在院就诊医嘱信息，根据医嘱的缴费、预约、执行等状态，智能地为患者规划导航路径。

2 系统功能架构

本文的无线定位解决方案从系统架构方面主要分成三个部分，分别为无线控制器、可提供存储地图的智慧网关和定位/导航平台、应用平台和Portal/认证/审计平台，并根据需求可扩展。

无线控制器用于统一配置和管理智慧网关，智慧网关用于提供用户接入和定位扫描以及提供本地地图下载服务，定位/导航平台中API服务器、定位引擎用于提供定位引擎数据功能，实现用户在医院内外的院区诊室等信息的查看和静态导航。

系统以PORTAL形式展现，不用下载软件，打开浏览器就可以进入系统。并结合HIS系统，可以实时获取患者的就诊诊疗信息，根据相关医嘱的当前缴费、预约、执行状态，计算出目的地和导航路径，使用户能够便捷、快速找到下一站目的地。

系统根据起始地和目的地，动态规划导航路径，结合文字说明、平面地图和三维全景，提供人性化的导航界面（见图１）。

图1 文字和平面地图相结合的导航界面

整个系统采用了PORTAL页面设计，除了导航功能，用户还可以动态查询候诊叫号和医技检查报告。

3 系统实现的关键技术

3.1 全景图像数据采集、拼接和渲染三部曲 全景导航系统的图片素材来源主要靠现场图像的采集，第一项工作就从拍摄照片开始。传统的图像采集系统会使用到五台照相机协同拍摄，其中一台布置在垂直方向，四台相机分别朝向前后左右四个面。而本文的采集工作，为了达到更完美的全景还原效果，使得各个方向拍摄的照片都有足够的重叠部分作为后续图像的拼接基础，所以本文新增配置了两台相机，一共七台。用两台负责垂直方向的拍摄，而用五台负责水平方向的拍摄。

图像采集阶段，预先规划好采集点，在平面地图上予以坐标显示，同时输入到数据库中。在每个采集点用七台相机拍摄出一组照片，这样就能完成一组全景视野点的采集，并和数据库中的坐标吻合配对，为后续调用做好准备工作。

第二部工作是进行图像拼接，从而可以得到全景的图像。从人眼的有效视角的角度来设计，考虑到余光的视角，水平180度和垂直90度的广度为宜。全景图像可以按照图像的投影方式分成三种类型：球型、圆柱型和立方体型。立方体型的全景图结合了球型和圆柱型的优点，宽广视野，容易拼接，便于存储，同时也可以随意旋转视角。本文采用了立方体型的全景图像拼接方法处理，使用七台相机采图，每个视野点共获取七张图像，并通过PanoramaStudio软件完成一个立方体全景图的拼接。经过拼接之后得到的球面全景图见图2。

图2 拼接后的球面全景图室内效果

第三部，进行图像的渲染工作。本文通过Flash方法对图像进行渲染工作，实质就是将全景图像中的某一块特定区域构建到二维平面的对应区域。经过渲染处理之后的图像就是一个单场景的球型全景图，可以提供水平360度和垂直180的随意浏览功能。

3.2 WIFI定位技术 由于室内定位的特殊性和局限性，本文主要采用WIFI技术，对患者的智能手机终端提供定位服务。WIFI定位的基本原理是通过布置在室内的多个定位用的AP，相互收集用户手机终端发射出来的射频信号信息，然后根据这些射频信号的场强强弱，结合场强定位算法，最终可以估算出手机终端的来源和方向。本文使用的RSSI（场强定位）基本定位算法的工作模式（见图3）。

图3 RSSI场强定位示意图

场强定位法，首先将信号衰减度定义成一个模型，然后根据接收到的信息的场强值，通过算法得到相应的位置参数和数据，推算出用户的手机终端与AP之间的距离值。有了初步的距离值，再结合位置的范围分布，利用三角定位原理，就可以比较精确地计算出用户的位置，从而实现室内的定位服务功能（见图４）。

图4 三角定位原理示意图

3.3 路径规划的最优算法 导航引擎在获得用户的起始地和目的地之后，就会根据平面地图，来规划路径和计算最佳路线。具体实现途径可以分为4步。

第一步，搜索区域。预设A点到B点，将区域分成小方格，并简化成二维数组，并标记一个可否通过的标记。第二步，开始搜索。从A点开始，依次检查它的相邻节点，然后以此类推并向外扩展，最终能找到B点。第三步，路径排序。根据F = G + H等式，从起点A沿着已生成的路径到一个给定方格的移动开销。从给定方格到目的方格的估计移动开销。目的路径是通过反复遍历开放列表并选择具有最小F值的方格来生成的，并根据与父方格的相对位置（斜角或非斜角方向）来给这个G值加上特定值。第四步，通过递归的方法继续搜索，直至搜索完全部路径。

3.4 HTML5 获得所需的全景图像后，一般以手机终端的APP形式展示。但是为了提供更好的免安装的用户体验，本文选用PORTAL形式的全景导航服务，不需要安装APP，省流量，操作简便。

国内外基于HTML5的全景漫游解决方案不是太多，本文运用了Cheetah3D和Panorama Viewer，运用WebGL的一些第三方图形库实现简单的全景漫游场景。

3.5 定位精准度问题 室外定位系统，一般使用GPS定位，精度可以达到1-2米，而室内点位的精准度一直是业内的一个难题。使用WIFI定位，根据场强定位法和三角定位估算法，精度一般在5-7米范围内。

蓝牙室内定位技术来解决精度问题。iBeacon是苹果公司开发的一种通过低功耗蓝牙技术进行一个十分精确的微定位技术。通过此技术，设备可以接收一定范围由其他iBeacons发出来的信号，同时也可以把终端的信息在一定范围内传给其他用户。

4 总结

智能化的三维全景导航技术在医疗行业的运用算是先驱者，项目开发建设过程中也遇到了不少技术难点，也缺乏成功案例的经验参考。由于室内定位和室外定位在技术实现方式上存在着本质性差异，所以一定程度上，室内定位还存在一些不足之处，比如定位精准度、使用便捷度和转向实时辨别度等。如果考虑使用APP应用的方式提供全景导航服务，那么可以尝试使用蓝牙的iBeacon技术来提高定位精准度。

（来源：节选自《中国数字医学》杂志2016年第8期  作者：傅春瑜 刘琍 金平 张钧 沈轩 俞华  上海市第一人民医院）