基于RFlD技術的復用醫療器械消毒質量安全追溯系統設計與實現

高寶麗，葛冉，張東晨，柳喜鳳，馬旭東

1 河北省保定市第一中心醫院，保定市，071000

2 河北省保定市第二醫院，保定市，071000

0 引言

順應新時期醫療體制改革的新形勢和新要求，深入貫徹智慧醫療戰略若干精神，積極把物聯網技術、大數據技術、數據融合與深度分析技術、云計算技術、人工智能技術等融入智慧醫療建設的完整生命周期[1]，全力構建并落地實施具有自我感知、自我追溯、自我決策屬性的復用醫療器械再處理鏈，打造以復用醫療器械回收透明、消毒滅菌實時監測、質量安全可視追溯等功能為業務支撐的復用醫療器械再處理鏈體系架構[2]。復用醫療器械消毒供應室處于復用醫療器械再處理鏈體系架構的中心環節，是銜接自助回收、消毒滅菌監測、質量安全追溯的基礎樞紐，在復用醫療器械再處理鏈體系中發揮著核心支撐作用。面向智慧醫療載體的復用醫療器械再處理機制通過構建具有歸一化數據融合機制的復用醫療器械統籌模型[3]，大幅度提升供應組織、資源調動、數據協同等的工作質效，全局協同智慧供應鏈中多維數據自我感知與多角度自我決策之間的邏輯問題，強化復用醫療器械消毒供應室內外兩個高效協同，聚焦銜接復用醫療器械再處理鏈全局體系架構的智慧決策中心[4]，積極探索符合中國醫療機構運維實際的復用醫療器械再處理鏈新模式。

1 系統松耦合模塊化邏輯架構設計

基于模塊化、可重構、松耦合的設計原則，從復用醫療器械再處理鏈動態擴展多維數據感知層面、基于時分復用LoRa自組網多維數據傳送層面、質量追溯及異常預警機制實時管控層面等給出了系統整體邏輯架構，具體如圖1所示。在復用醫療器械再處理鏈動態擴展多維數據感知層面構建了完整鏈條的基于RFID的信息采集系統，在RFID標簽打印機中寫入復用醫療器械再處理鏈動態擴展多維數據，標簽打印機對多維數據進行格式化編碼并生成蘊含多維數據信息的無源RFID射頻標簽，作業人員利用RFID移動終端手持機進行多維數據信息的采集并存儲于內置的高速存儲單元；基于時分復用LoRa自組網多維數據傳送層面，通過構建基于時分復用的LoRa自組網系統，實現復用醫療器械再處理鏈動態擴展多維數據，進行數據包格式化處理，并以多線程傳送模式上傳至管控平臺進行深度分析；質量追溯及異常預警機制實時管控層面基于室內定位算法，實現復用醫療器械消毒質量全程可視追溯與異常狀態主動預警，利用Cesium可視化集成開發環境，實現復用醫療器械消毒全景運維狀態可視化實時復現。

2 關鍵功能與核心算法分析設計

2.1 無源RFID讀寫機制設計

基于數據可信度、傳輸距離、能耗等層面的考慮，兼容ISO 18000-6B、EPC CLASS1 G2等國際主流標準，一體化移動消毒質量安全追溯終端底層數據高效采集及融合采用無源RFID讀寫機制，其讀寫機制邏輯示意圖，如圖2所示。

圖1 系統松耦合模塊化邏輯架構示意圖Fig.1 Schematic diagram of system loose coupling modular logic architecture

圖2 無源RFID讀寫機制邏輯示意圖Fig.2 Logic diagram of passive RFID read-write mechanism

通過無源RFID讀寫機制內置的電感耦合式電子標簽存儲追溯對象的物理信息，通過獲取無線通信單元發出的磁場信息（感應電流）建立能量傳送機制，實現追溯對象的物理信息高效的交換[5]，完成數據的低延遲采集并暫存于核心控制單元附屬的存儲器。核心控制單元喚醒數據完整性校驗單元對數據進行預處理，進行整流、交直流的轉換，并把模擬信號轉換為數字信號，在上述工作的基礎上采用冗余校驗法對數據的有效性、完整性等進行校驗分析。引入射頻收發單元，內置射頻協議子單元，實現ISO 18000-6B、EPC CLASS1 G2等國際主流標準射頻協議的一致性轉換，內置收發耦合子單元，實現物理數據發送與接收過程的數據耦合，提高數據交換效率，為一體化移動終端實現大體量數據的軟實時處理提供底層硬件驅動支持。

2.2 時分復用LoRa自組網系統設計

利用LoRaWAN協議構建時分復用LoRa自組網系統，對復用醫療器械消毒質量安全追溯數據包進行數據包格式化處理并以多線程傳送模式上傳至LoRa集中網關。經過復用醫療器械消毒質量全景感知與融合計算同步機制處理過后的復用醫療器械消毒質量安全追溯數據，以歸一化格式的相同量級數據包的格式存在，如圖3所示。采用具有自動組網多跳傳輸機制的LoRaWAN協議構建時分復用LoRa自組網系統。采用基于LoRa WAN協議的樹狀拓撲結構，樹根節點為協調器的主節點[6]，無線組網多跳協議采用LoRa WAN-Pro協議，采用終端傳感器感知集群采集差異性多維數據，通過多跳路由匯聚機制把差異性多維數據匯聚到協調器節點實現多節點、多線程、時分復用的LoRa自組網系統，實現歸一化格式下的復用醫療器械消毒質量安全追溯數據包多線程傳輸。

圖3 時分復用LoRa自組網系統傳輸邏輯示意圖Fig.3 Transmission logic diagram of time division multiplexing Lora ad hoc network system

2.3 基于UWB技術的高精度復用醫療器械定位模型

引入UWB技術構建室內精確定位體系，實現室內人員、復用醫療器械等的實時軌跡追蹤，具有穿透性強、抗多徑效果優良、短距離定位精度高等優勢。采用的基站定位精度為15 cm，定位標簽刷新頻率帶寬為0.002～33 Hz，可以根據不同應用場景進行自動分配，提供應用程序開放接口[7]，為復用醫療器械再處理鏈無縫銜接提供擴展API接口。與基于UWB技術的消毒供應室室內實時定位算法框架相契合，遵循可重構、模塊化、工程化、實用化的原則，設計了基于UWB技術的消毒供應室室內實時定位設備布置圖，如圖4所示。根據消毒供應室的設備分布、復用醫療器械消毒標準、人員進出流動情況等對定位標簽和定位移動終端進行合理布局，定位標簽內置800 mA.h鋰電池，可以實現免維護工作數月，定位基站與定位標簽采用時間間隔極短（小于1 ns）的脈沖進行高效通信，具有較強的抗干擾能力。根據定位基站的功率與覆蓋范圍不同，在核心部位和稀疏部位差異化設置中心基站與普通基站，采用三角延遲定位法給出待定位物體的精確位置或流動人員的精確軌跡。

圖4 消毒供應室室內實時定位設備布置示意圖Fig.4 Layout of indoor real-time positioning equipment in disinfection supply room

3 原理樣機與系統研發及效能分析

復用醫療器械消毒質量安全追溯終端手持機原理樣機采用一體化設計，如圖5所示。

圖5 基于KL25微處理器的RFID移動終端手持機邏輯框圖Fig.5 Logic block diagram of RFID mobile terminal handset based on KL25 microprocessor

核心控制板采用飛思卡爾半導體的KL25Z128芯片，實現標簽識別、數據暫存、數據傳送的協同控制。射頻收發模塊選用符合ETSI（歐洲電信標準協會）規范的超高頻（UHF）RFID讀寫模塊，具備讀寫產品電子代碼協議（EPCC1G1）、IS015693、ISO14443-A等多種無源RFID協議的效能，工作在862～955 MHz頻段，可以高效精確讀取2.5 m范圍內的超高頻電子標簽。人機交互模塊通過矩陣功能鍵盤實現人機信息的交互[8]，人機交互模塊具有最高優先級，可以處理相關突發狀況。免維護電源模塊采用高效鋰電池，融入能耗管理機制，為原理樣機提供高精度電力。高速數據暫存模塊采用外擴SD卡的形式實現多維數據的暫時存儲，存儲容量最高可擴展至64 GB。雙向數據傳送模塊實現暫存數據的傳送與更新指令信息的接收，采用LoRa收發模塊，工作在915 MHz頻段，采用TMD完成組網，實現數據雙向高效傳送。OLED顯示模塊用于顯示常用參數信息，以圖形化的方式提示數據采集、暫存、傳送進度等。實時時鐘模塊為整個系統進行授時，保證時間序列的邏輯穩定性。

基于加載大批量復用醫療器械再處理鏈動態擴展多維數據的實時性與可視化要求，采用Cesium可視化集成開發環境，開發了基于RFID技術的復用醫療器械消毒質量安全追溯系統，利用醫療機構消毒供應室底層三維模型實現可視化交互展示效果。利用Obj2gltf轉換工具（基于Node環境）生成.Glb格式的消毒供應室三維模型圖，利用Viewer.scene插件實時調控當前所見交互內容，利用插件Cesium.containe實現底層三維模型的場景切換，調用KmlDataSource.load插件實現樣式實體的矢量加載，渲染更加真實的三維場景，具體如圖6所示。通過安裝Tiles工具包，可以實現基于鼠標拖曳的交互選擇和樣式調整。

為了進一步從定性、定量兩個層面對比分析原型系統的工程化應用效能，選取河北省保定市第一中心醫院東院消毒供應室為效能評價載體，以河北省保定市某醫院現役應用的復用醫療器械再應用綜合管控系統為對照系統，覆蓋復用醫療器械再應用鏈涉及的回收、清點、消毒、打包、滅菌、發放、應用完整生命周期，從無菌器械包外標識識別率、電子條形碼感知速度、質量安全追溯可視化率等方面進行定量分析，圍繞復用醫療器械消毒質量安全追溯系統人機交互友好性、有效的績效評估體系輔助性、不合格器械預警召回互聯推送等方面進行定性分析，具體如表1所示。通過表1可以從定性和定量兩個層面分析得出，所提基于RFID技術的復用醫療器械消毒質量安全追溯系統可以在較短的時間內有效處理復用醫療器械消毒質量安全追溯問題，在感知快速性、追溯精準性、模型泛化能力等方面具有明顯優勢。

圖6 復用醫療器械消毒質量安全追溯系統效能驗證布置圖Fig.6 Layout of effectiveness verification of disinfection quality and safety traceability system of reused medical devices

表1 復用醫療器械消毒質量安全追溯系統效能對比表Tab.1 Efficacy comparison of quality and safety traceability system for disinfection of reused medical devices

4 結論

針對河北省保定市某醫院現役應用的復用醫療器械再應用綜合管控系統呈現的若干顯性弊端，開發了一款基于RFID技術的復用醫療器械消毒質量安全追溯系統并進行了樣機效能分析。引入無源RFID讀寫機制，通過RFID移動終端手持機實時獲取復用醫療器械再處理鏈動態擴展多維數據并進行暫存。引入基于時分復用LoRa自組網系統，對復用醫療器械再處理鏈動態擴展多維數據進行數據包格式化處理并以多線程傳送模式上傳至管控平臺進行深度分析與追溯。引入基于UWB技術的高精度消毒人員及復用醫療器械定位機制，實現消毒供應室內地圖信息的實時生成。選用STM32F103主控一體板，輔以必要的外圍電路，研發了移動終端手持機原理樣機，基于Cesium可視化集成開發環境，開發了基于RFID技術的復用醫療器械消毒質量安全追溯原型系統。選取河北省保定市第一中心醫院東院消毒供應室開展效能分析，效能分析結果顯示，基于RFID技術的復用醫療器械消毒質量安全追溯系統可以在較短的時間內有效處理復用醫療器械消毒質量安全追溯問題，在感知快速性、追溯精準性、模型泛化能力等方面具有明顯優勢。