基于深度學(xué)習(xí)的病床信息采集機(jī)器人設(shè)計(jì)

趙天翼 蔡秋吉 葉航

（河海大學(xué) 江蘇省南京市 210098）

1 引言

在現(xiàn)代化的醫(yī)院中，醫(yī)學(xué)儀器與測(cè)量數(shù)據(jù)隨處可見。在重癥病房中的患者需要全身無(wú)時(shí)不刻地連接各種各樣的測(cè)量?jī)x器以保證對(duì)患者情況的準(zhǔn)確判斷和進(jìn)行救治的情況也是屢見不鮮。但其實(shí)各個(gè)測(cè)量?jī)x器反應(yīng)出來(lái)的數(shù)據(jù)沒能發(fā)揮出它們應(yīng)有的作用。每一臺(tái)儀器的功能都是獨(dú)立的，因?yàn)槊總€(gè)醫(yī)院、每個(gè)病房的環(huán)境都各不相同，我們無(wú)法要求可以有一個(gè)完全統(tǒng)一的平臺(tái)去處理各種紛雜的數(shù)據(jù)——因此有很大一部分的數(shù)據(jù)不會(huì)被檢測(cè)保留下來(lái)，因?yàn)獒t(yī)院對(duì)于每個(gè)病人的照顧是有限的，醫(yī)護(hù)人員的精力也是有限的，沒有辦法也不可能隨時(shí)守候在一個(gè)病人的身旁。但是人工智能系統(tǒng)卻能夠做到這一點(diǎn)。此外，其還可以根據(jù)數(shù)據(jù)采取措施，例如調(diào)整關(guān)鍵病房任務(wù)中涉及的儀器。人工智能應(yīng)用于病房中尚處于起步階段，上升空間巨大。當(dāng)下，將人工智能應(yīng)用于診室中的例子并不多見。李曉萌等在《全機(jī)器人TECAB 術(shù)后患者在ICU 的早期觀察與護(hù)理》中側(cè)重對(duì)于在應(yīng)用機(jī)器人前后的監(jiān)護(hù)項(xiàng)目、護(hù)理及監(jiān)護(hù)指標(biāo)等作詳細(xì)數(shù)據(jù)相比較，數(shù)據(jù)顯示出應(yīng)用機(jī)器人后比較項(xiàng)有明顯的效益上的提升；這也映證了機(jī)器人應(yīng)用于病房中的可行性；王咪咪在《自動(dòng)化智能藥柜在ICU病房的應(yīng)用》一文中，通過(guò)智能藥柜的“藥品取出、藥品補(bǔ)充、退藥及藥品盤點(diǎn)”功能應(yīng)用人工智能，在工作效率上同樣也有顯著的提升。但是從對(duì)于病房中數(shù)據(jù)的采集與統(tǒng)合分析的角度出發(fā)以降低醫(yī)護(hù)資源緊張的問題仍亟需解決。而本文提出的信息采集機(jī)器人設(shè)計(jì)，主要目的就是可以推動(dòng)機(jī)器人在醫(yī)療中的應(yīng)用，從而提供更加細(xì)致而且敏銳的護(hù)理服務(wù)，就如同有專家長(zhǎng)期守護(hù)在病人床邊仔細(xì)分析病情一般。機(jī)器人和人工智能在病房當(dāng)中的應(yīng)用有望幫助患者更快離開病房環(huán)境，從而降低醫(yī)療保健成本。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

病床信息采集機(jī)器人的系統(tǒng)整體將由硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)組成。硬件設(shè)備即為采集機(jī)器人的實(shí)物搭建和相關(guān)性能的配置，其中關(guān)鍵性的硬件布置在于病房的射頻識(shí)別標(biāo)簽的布設(shè)以及機(jī)器人行走路線帶的設(shè)計(jì)和布置，軟件系統(tǒng)包括了射頻識(shí)別標(biāo)簽信息的傳遞處理、對(duì)紅外裝置信息的采集處理以及對(duì)儀表數(shù)據(jù)的拍攝、采集、處理和顯示等功能模塊。病床信息采集機(jī)器人整體系統(tǒng)通過(guò)硬件和軟件的配合采集并分析相關(guān)的數(shù)據(jù)從而完成對(duì)監(jiān)護(hù)病人儀器數(shù)據(jù)的采集與分析，進(jìn)行正常工作，從而達(dá)到緩解醫(yī)療資源緊張等問題的目的。

2.1 機(jī)器人功能概述

本文提出設(shè)計(jì)的用于采集病床信息的智能機(jī)器人，它的特征在于它包括了機(jī)器人的本體、房門敲擊的結(jié)構(gòu)和病床信息采集的機(jī)制架構(gòu)。其中，房門敲擊機(jī)構(gòu)包括曲柄驅(qū)動(dòng)電機(jī)、曲柄、連桿、彈簧和敲擊球；曲柄驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在機(jī)器人本體頂部，用于驅(qū)動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)；連桿底端與曲柄頂端相鉸接，連桿頂端與彈簧底端相連接，彈簧頂端安裝所述敲擊球；而病床信息采集機(jī)制的構(gòu)成則應(yīng)由幾部分協(xié)同構(gòu)成，主要采用RFID 等射頻識(shí)別技術(shù)；病房號(hào)RFID 標(biāo)簽應(yīng)設(shè)置在病床對(duì)應(yīng)的病房房門外側(cè)，內(nèi)置有對(duì)應(yīng)病房房號(hào)等信息；床位RFID 標(biāo)簽設(shè)置在對(duì)應(yīng)病房對(duì)應(yīng)床位外側(cè)，內(nèi)置有對(duì)應(yīng)病房房號(hào)和床位號(hào)信息，病床信息記錄單懸掛在對(duì)應(yīng)床位的床尾中部，且與對(duì)應(yīng)床位RFID 標(biāo)簽位置相對(duì)應(yīng)；RFID 讀卡器設(shè)置在機(jī)器人本體上，能夠自動(dòng)讀取病房號(hào)RFID 標(biāo)簽和床位RFID 標(biāo)簽；攝像頭設(shè)置在機(jī)器人本體上，用于掃描懸掛在床位處的病床信息記錄單。而為了準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)采集病床信息的智能機(jī)器人的正常工作和行進(jìn)，在病區(qū)布應(yīng)設(shè)有機(jī)器人行走線路帶，機(jī)器人行走線路帶包括主干路帶和若干個(gè)杈枝路帶；主干路帶布設(shè)在病房房門外側(cè)的走廊中間；杈枝路帶布設(shè)在每個(gè)病房房間內(nèi)的公共過(guò)道處，且均與主干路帶相連接；病房號(hào)RFID 標(biāo)簽并內(nèi)置在主干路帶中，且與對(duì)應(yīng)病房房門位置相對(duì)應(yīng)；機(jī)器人的RFID 讀卡器設(shè)置在機(jī)器人本體底部，這樣機(jī)器人通過(guò)既定的訓(xùn)練路線識(shí)別標(biāo)簽即可在固定時(shí)間內(nèi)進(jìn)入每個(gè)房間進(jìn)行信息的收集與分析、反饋。反饋的方式是將智能終端集成于采集病床信息的智能機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人本體內(nèi)置有無(wú)線傳輸系統(tǒng)，機(jī)器人本體通過(guò)無(wú)線傳輸系統(tǒng)將讀取的病房房號(hào)、床位號(hào)以及掃描的病床信息記錄單傳送至智能終端。另外，機(jī)器人本體中內(nèi)置有紅外感應(yīng)裝置，從而可以通過(guò)模型訓(xùn)練后準(zhǔn)確識(shí)別病人方位，進(jìn)行拍攝等具體操作。

2.2 系統(tǒng)總體方案

機(jī)器人本體包括機(jī)箱、設(shè)置在機(jī)箱底部的萬(wàn)向輪、內(nèi)置在機(jī)箱中的行走電機(jī)和控制器。控制器為機(jī)器人本體的核心控制部件，為現(xiàn)有技術(shù)，優(yōu)選型號(hào)為MIO-5373。行走電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸與萬(wàn)向輪相連接，用于驅(qū)動(dòng)萬(wàn)向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)與行走。行走電機(jī)與控制器電連接，用于接收控制器的行走控制信號(hào)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要由應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層和感知層組成，其中數(shù)據(jù)層分為數(shù)據(jù)管理層和數(shù)據(jù)分析層兩部分。軟件系統(tǒng)主要核心的功能是數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)識(shí)別功能。需要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的定位、檢測(cè)與度數(shù)、對(duì)環(huán)境的評(píng)估（行走運(yùn)動(dòng)過(guò)程中）等。

在本設(shè)計(jì)中，攝像頭可以根據(jù)需要，拍攝對(duì)應(yīng)病床所使用儀表的儀表盤，并將拍攝的儀表盤圖片上傳給智能終端。智能終端中內(nèi)置有儀表盤圖片識(shí)別軟件，儀表盤圖片識(shí)別軟件為現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行亮度增強(qiáng)和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)RNN 的機(jī)器學(xué)習(xí)方法。

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)RNN 的機(jī)器學(xué)習(xí)方法的流程為：提前對(duì)儀表盤圖片進(jìn)行訓(xùn)練，構(gòu)建儀表盤圖片數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)。智能終端將接收的儀表盤圖片與構(gòu)建的表盤圖片數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中圖片進(jìn)行對(duì)比，從而讀取儀表盤中的儀表讀數(shù)，也即實(shí)現(xiàn)病床儀表的自動(dòng)讀數(shù)。算法模型的搭建都需要數(shù)據(jù)集去訓(xùn)練圖片數(shù)據(jù)，對(duì)于儀表等識(shí)別對(duì)象進(jìn)行特征提取以生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)，然后我們將對(duì)訓(xùn)練好的模型進(jìn)行檢測(cè)，用非訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中的圖片數(shù)據(jù)測(cè)試、匹配識(shí)別，如果置信度較高，框選出的堆積物與置信度比較可靠，就算是一次成功的測(cè)試，否則我們將把這些特殊的樣本數(shù)據(jù)收集并且進(jìn)行分析，重新進(jìn)行訓(xùn)練以期得到更加準(zhǔn)確的模型。

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本小節(jié)將在前文對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一個(gè)大體的描述與分析的基礎(chǔ)上，詳細(xì)地對(duì)機(jī)器人的每個(gè)部件的位置、結(jié)構(gòu)、功能進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。

如圖1所示，該圖展示了本文采集病床信息的智能機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖。詳細(xì)而言，圖示的標(biāo)號(hào)中11、12、13 部件是機(jī)器人的移動(dòng)組成單元；其中11 是萬(wàn)向輪、12 是機(jī)箱、13 是行走電機(jī)；部件組成中的21-25 部分是機(jī)器人的物理功能組成模塊；其中21 是曲柄驅(qū)動(dòng)電機(jī)、22 是受21 驅(qū)動(dòng)的曲柄、23 是連桿、24 是鏈接敲擊球的鏈接彈簧、25 是敲擊球；31-34 是電子模塊，主要用于進(jìn)行短距離無(wú)線數(shù)據(jù)交互與數(shù)據(jù)采集。31、32 為RFID 標(biāo)簽，33 是機(jī)器人路徑讀取的RFID 讀卡器，前文已描述過(guò)，此處不再贅述、34是攝像頭。

4.2 路線布設(shè)設(shè)計(jì)

清晰了機(jī)器人的基本工作方式之后，在本節(jié)的最后，將對(duì)病房中和病房間的機(jī)器人行徑路線布設(shè)方式進(jìn)行說(shuō)明，即如圖2所示的機(jī)器人行走線路帶的布設(shè)方式示意圖。其中31 是病房號(hào)RFID 標(biāo)簽、32 是床位RFID 標(biāo)簽。40-42 是路線帶說(shuō)明，40 為機(jī)器人行走線路帶、41 為主干路帶、42 為杈枝路帶。51-53 為醫(yī)院既有的硬件設(shè)施的位置標(biāo)明。51 是病房門、52 為病床，53 是病房信息記錄單。

機(jī)器人本體在病區(qū)的行走為現(xiàn)有技術(shù)，本設(shè)計(jì)中，優(yōu)選沿機(jī)器人行走線路帶4 進(jìn)行行走。作為替換，機(jī)器人本體也可以通過(guò)控制器中內(nèi)置的其他規(guī)劃行走路徑進(jìn)行行走。設(shè)計(jì)中的機(jī)器人行走線路，優(yōu)選具有如下兩種優(yōu)選布設(shè)方式：

4.2.1 布設(shè)方式1

如圖2所示，機(jī)器人行走線路帶包括主干路帶和若干個(gè)杈枝路帶。其中，主干路帶沿病區(qū)走廊中間的長(zhǎng)度方向呈直線型布設(shè)，這種設(shè)置方式優(yōu)選適用于病房房間均設(shè)置在走廊單側(cè)的情況。杈枝路帶布設(shè)在每個(gè)病房房間內(nèi)的公共過(guò)道處，且優(yōu)選均與主干路帶垂直相連接。

4.2.2 布設(shè)方式2

機(jī)器人行走線路帶包括主干路帶和若干個(gè)杈枝路帶。其中，主干路帶沿病區(qū)走廊長(zhǎng)度方向呈U 型、橢圓形或回型等布設(shè)方式，這種設(shè)置方式優(yōu)選適用于病房房間均設(shè)置在走廊兩側(cè)的情況。杈枝路帶布設(shè)在每個(gè)病房房間內(nèi)的公共過(guò)道處，且優(yōu)選均與主干路帶垂直相連接。曲柄驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在機(jī)器人本體頂部，用于驅(qū)動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，且曲柄驅(qū)動(dòng)電機(jī)與控制器電連接，能接收控制器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。連桿底端與曲柄頂端相鉸接，連桿頂端與彈簧底端相連接，彈簧頂端安裝敲擊球。當(dāng)曲柄驅(qū)動(dòng)電機(jī)接收到控制器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，曲柄驅(qū)動(dòng)電機(jī)往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)連桿動(dòng)作，敲擊球連續(xù)敲擊病房房門，提醒病房?jī)?nèi)的人打開病房。彈簧的設(shè)置，能減振，并適應(yīng)不同厚度的病房房門或粘貼有其他物件的病房房門。

另外，機(jī)器人本體內(nèi)置有無(wú)線傳輸系統(tǒng)，機(jī)器人本體通過(guò)無(wú)線傳輸系統(tǒng)將讀取的病房房號(hào)、床位號(hào)以及掃描的病床信息記錄單傳送至智能終端，方便智能終端處的工作人員及時(shí)處理病床信息記錄單。智能終端優(yōu)選為手機(jī)、IPAD 或電腦或其他監(jiān)視設(shè)備等。

5 結(jié)束語(yǔ)

就像在本文開始的時(shí)候提及的那樣，在當(dāng)今的現(xiàn)代化病房中，臨床的監(jiān)護(hù)儀器顯示的檢測(cè)數(shù)值更新的很快，可能若干秒就會(huì)刷新，遺失是完全無(wú)法避免的，雖然現(xiàn)在很多先進(jìn)的醫(yī)院病房中正在通過(guò)各種手段嘗試保存或者留下這些即時(shí)的消息，但是想要真正實(shí)現(xiàn)保存數(shù)據(jù)流不使其丟失還是有很大的難度的。

圖1：機(jī)器人部件設(shè)計(jì)分析圖

圖2：機(jī)器人行走線路帶布設(shè)方式示意圖

應(yīng)用智能機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)采集能夠節(jié)約大量的醫(yī)護(hù)人員的時(shí)間，醫(yī)護(hù)人員不用再每天多次的記錄病床信息，同時(shí)減少醫(yī)護(hù)人員與病人的接觸次數(shù)和時(shí)間，減少交叉?zhèn)魅镜目赡苄裕徑夤残l(wèi)生環(huán)境緊張，和醫(yī)療資源緊缺問題。