基于IoT的智慧云病房系統設計與研究

任立全， 馬嘯天， 張翼凡

(山東省建筑設計研究院有限公司, 濟南 250001)

0 引言

本文通過對智慧云病房系統的研究，介紹了系統的組成架構、主要技術特點以及實現的主要功能，旨在解決當前病房存在的痛點，消除信息孤島，提高病患的就醫體驗，減輕醫護人員的工作量,用傳感器豐富了各類醫學數據的采集來源，為將來醫療大數據的分析和共享奠定堅實的基礎。

1 目前醫院病房存在的痛點

(1)當前各類患者的收治信息與診斷體征，仍主要依靠醫護人員人工抄寫錄入和核對，工作量大，效率較低。

(2)病房內各系統設備數量龐雜，對接廠家售后眾多，各有側重、功能重疊、信息冗雜，未能有效整合，存在信息“孤島”。

(3)病人與陪護家屬獲取各類信息的渠道單一，大部分需要線下操作才能實現。

(4)病人的住院生活便捷性較低，對陪護人員體力和精神要求較高。

(5)病人及陪護家屬喜歡開窗、開空調、開新風、病房排氣扇及照明處于常開狀態，造成醫院的能源浪費，也容易引起醫患之間的矛盾。

(6)病人的精神需求得不到充分滿足，其低落情緒會影響康養進程。

(7)醫院與患者的交互性差，缺少有效互動。

針對以上痛點問題，需要依托互聯網技術、物聯網(IoT)、RFID技術、云計算、人工智能、信息技術和多媒體技術，以及對病房場景、護理呼叫流程的深入理解，以全新的理念和方式探索智慧云病房系統解決方案，構建醫患交互平臺，滿足醫護管理需求，有效提升患者在院滿意度。

2 智慧云病房的系統組成與架構

智慧云病房系統主要由大數據云平臺系統、通訊傳輸系統、物聯網現場數據采集及控制部分等組成。通過分層的架構設計保證系統穩定性與可靠性，同時各層布置方式可靈活配置，使得系統對不同設備的適用性更高。圖1所示為智慧云病房網絡架構拓撲圖。

圖1 智慧云病房網絡架構拓撲圖

2.1 智慧云病房網絡架構

(1)智慧云病房大數據云平臺

作為智慧病房系統的“大腦”，通過處理各種數據、設定管理策略，經過網絡傳輸層對數據采集層進行智能化管控，使得智慧病房系統能夠自主、高效、智慧運行。系統利用 Web Service 技術與醫院 HIS、EMR、移動護理系統對接，實現數據共享。

(2)通訊傳輸層

作為智慧病房系統的連接層，將數據采集層的各類裝置有機結合在一起，將數據傳輸至管理平臺；大數據平臺通過通訊網絡對病房內現場執行器下發指令，實現對數據的上傳和下控。

(3)數據采集層

作為智慧病房系統的基礎層，為大數據平臺提供所需數據，包含各類終端設備、各種物理量采集傳感器和生理指標采集傳感器。通過病房內智能控制器與傳輸層通訊，把數據上傳給系統平臺，該層具有高速率、高精度采集特點，能夠遠傳、自診斷及自恢復，支持各種通用的通信協議。

2.2 智慧云病房基礎設備

(1)病房綜合布線

系統采用RS485總線等將傳感器和各種數據采用總線接入系統，用一根網線即可聯接所有的傳感器和控制面板，節省布線和安裝工時,調試和維護方便,系統的可靠性更高，通過軟件可任意定義輸入和輸出端口。

(2)子系統智能控制

將不同的傳感器系統和控制器系統通過通訊網絡接至系統平臺，根據每個子系統運行特性建立對應的控制模式和邏輯關系，實現子系統智能化、精細化管控。

(3)運行數據分析及處理

通過對病房內各種物理量、各種電氣系統的數據統計、分析和邏輯運算，建立病房數據模型，按照預設模式、邏輯、算法來智能化的管控病房內環境和電氣設備。如當房間內CO2傳感器采集數據超過預設值時，系統自動發出指令命令開窗器開窗，同時打開新風系統。

(4)采用智能床墊或是智能醫療設備，能夠實時采集體溫、血壓、心率、尿床、睡眠、運動量等數據，通過通訊網絡和數據處理接口，上傳到護士站的數據監測平臺，自動轉錄到各類護理記錄中，護士不用現場采集和手工重復錄入，大大減小了醫護員的工作量。該設備可以實時接收、監測、分析病人的各項生理數據，超出設定數據的，系統會給出建議或預警，該系統能通過大數據及預存病理庫，綜合分析患者的各項生理指標，為醫生提供準確的數據分析及診療建議，大大提高醫療系統的智能化程度水平。

3 智慧云病房系統的主要特點

系統是以病患為中心、病房和病床為承載平臺，以患者的健康數據管理為主線，通過云病房系統連接醫院的HIS系統及各個管理子系統，將醫護人員、患者、醫療監測設備通過多網絡緊密聯接聯通，建設以患者為中心的健康醫護云平臺，讓病人可感知、可操作，提高病人住院期間的就醫體驗及舒適感，提升醫護人員工作效率的同時降低運營成本，實現方便快捷的智慧護理和智慧應用。

3.1 物與物聯

物聯網感知房間內的聲、電、位移、力、熱、光等信號，根據事件發生對象、空間、環境以及時間等相關信息來判斷事件，物體從感官到智能相聯，經大數據運算并上傳到云平臺。

智慧云病房系統是通過房間智能控制器，將病房內設施聯網集中控制，讓病人操作簡便化、后臺數據清晰化、病人體征可視化、能耗管理可控化。例如，當光照度傳感器采集數據達到設定值時，系統經過邏輯判斷，自動關閉房間內的燈光；當病房內開窗時間超過15min時，系統發出指令關閉空調以節省能源；當廁所紅外探測無人時，系統自動延時關閉廁所內的排風和燈光。

3.2 人與物聯

通過物聯網及傳感器技術，人機智能交互設備可以實時采集病人的各項生命體征數據進行管理和分析，供醫護人員參考；管理者或病人可通過物聯網控制房間內的所有電器和設備(如智能床墊和手環)檢測到病人體溫變化，系統經過邏輯運算，自動調整房間內的溫度；病人可以現場用語音控制病房內各種電器設備和病床。

3.3 萬物互聯

把所有人的信息和物的數據互聯起來,進行信息交換和處理,以實現智能化采集、識別、定位、跟蹤、監控和管理，實現真正意義的萬物互聯。

4 智慧云病房系統終端設計

病房是病人治療和生活的場所，智慧云病房實現的功能設計需考慮特殊的需求，如人員流動大、靜音、易清潔、門窗管理、燈光控制、電器控制、防止交叉傳染、防止造成人員傷害以及開窗與空調的矛盾等，這就對云病房智能控制系統的設計提出了很多新的要求。智慧云病房外圍系統終端設備組網示意圖如圖2所示。

圖2 外圍系統終端設備組網示意圖

4.1 場景開關面板

面板選用弱電型自復位式開關，通過RS485協議與主機通信，采用“弱控強”的形式用網線與主機連接，可以讓系統對病房內的各種燈具、窗簾、開窗器及電器等進行單獨或組合智能控制，從而達到方便病人、提高舒適度及節能等效果。護士站也可遠程自定義設置，即管理人員可以在電腦的系統軟件端自由設置和更改病房的場景及模式，提高便捷性和靈活性。

4.2 空調、新風遠程監控

空調面板采用聯網型空調溫控器，通過RS485協議與主機通信，云平臺軟件對主機統一設置，如采用模式控制或分時間段控制空調、新風設備，既能保持病房舒適度，又能節省能源。統一定時排風，使病房保持空氣清新，且無需人工干預。該技術在某醫院已完成了約3 000控制點的智能化控制及系統平臺建設，取得了良好的應用效果。

4.3 智能感應設備

病房衛生間采用紅外與微波雙鑒探測器，當病人進入衛生間時不必手按開關即可自動點亮燈具，離開衛生間后自動延時關閉燈具，同時配合光照度感應器，可設定光線充足時房間部分燈具不可打開，既給病人提供了便捷的享受，又避免能源浪費。

門窗磁可實時監測房間門窗的開關狀態并記錄，在某些特殊情況下讓護士第一時間查詢到病人進出房間的動態信息；若房間空調正在工作且房間窗戶長時間處于打開狀態，超過一定時間后系統會自動通過開窗器將窗戶關閉或調整空調工作狀態，既保證了病人的身體健康，又避免了能源浪費。

4.4 電量采集管理監控

系統通過在病房內安裝電量采集模塊，采用RS485通信方式，可以實現病房電量統計及能耗分析；還可以對病房內電器及設備遠程故障自診斷。當病房內電器出現故障時，系統軟件則會實時報警，便于維護人員及時維修或更換設備，提高后勤維護效率。

4.5 智能語音音箱

病人可以通過智能語音音箱來控制房間內燈光、空調、新風、窗簾、電視等電器，以及智能問答、講故事、聽音樂等功能，在減緩病人焦躁情緒的同時，也帶來了更便捷的享受體驗。

5 智慧云病房輔助醫療系統主要功能

系統通過云計算、物聯網和RFID、傳感器等新技術，以智能終端設備為載體，通過管理、服務的數字化、智能化與網絡化，實現病房個性化服務、便捷高效管理、節能降耗。圖3所示為智慧云病房輔助醫療系統組網示意圖。

圖3 智慧云病房輔助醫療系統組網示意圖

5.1 數據處理及越值報警

病房內根據需要可設置各種傳感器采集環境物理數據，并將采集到的數據通過通訊網絡實時傳送至系統云平臺，由云平臺存儲并分析處理這些數據。設置在護士站的數據監測平臺實時顯示每位患者的生理指標，超出設定數據，系統會給出建議或預警，實時監測、實時分析，減小了醫護員的工作量。

該系統能通過大數據及預存病理庫，綜合分析患者的各項生理指標，為醫生提供準確的數據分析及診療建議，提高了醫療系統的智能化程度。

5.2 智能輸液監控管理系統

采用先進的RFID技術，設備通過無線網關與主機通信，結合現場傳感器、RFID無線射頻、紅外感應等技術，終端通過RFID無線射頻技術逐次掃描各床位的輸液監控器，通過傳感器感知各個床位是否在輸液，并對輸液時的狀態(如輸液流速、輸液余量、剩余時間、滴速過快、過慢、滴停及輸液終末狀態)通過無線技術實時傳輸給中央站。當輸液即將結束或藥液剩余量小于預先設定值時，中央站將通過音頻語音提示護士前去接瓶或結束輸液。

5.3 智慧床旁交互系統

通過床旁分機，不僅可以滿足接收治療提醒、查詢住院信息、填寫調查問卷等需求，還可以滿足床旁端患者與家屬的影音娛樂、住院生活等需求。護士通過權限認證后，可在床旁隨時查閱患者各種信息、輸入各種體征以及執行醫囑等操作；醫生通過權限認證后，可在床旁隨時查閱患者入院以來的各項治療信息。

5.4 生命體征床墊

床墊采用超薄設計，可直接放置于現有床墊下，監測準確性不受影響，病人在無拘束狀態下，只需躺在床上即可監測其心率、呼吸、在離床、體動等生命體征數據，通過RS485通信方式與主機連接，將數據上傳智慧云平臺，在數據或狀態異常時主動報警，做到對被監護人的多級安全管理。

5.5 智能穿戴監測設備

智能手環及電子血壓計均采用藍牙5.0協議與網關連接，通過有線/無線方式與主機實時通信，可24h監測體溫、心率，同時手環可監測病人的睡眠時間和睡眠質量，并實時上傳至云端，當體溫異常時，實時報警提醒醫護人員進行查看。血壓計采用第三代手腕式，使用方便，提供血壓檢測的同時可自動測量心率數據，心率不齊時自動推送至醫護人員。

5.6 智慧病床

智慧病床主控器通過RS485通信方式與主機連接，可以通過自帶遙控器控制病床的升高、降低、抬腿、翻身、清洗、加熱、吹風等功能，對于不能自理的病人，可以通過智能語音音箱進行語音控制，節省看護人員的勞動強度。

5.7 病房大數據及云平臺

病房大數據及云平臺相當于一個智慧“大腦”，能夠思考和指揮。智慧“大腦”融匯了大量信息(大數據)和知識(知識庫)，并能不斷自適應學習和進化。針對外部刺激，“大腦”可以迅速對信息進行有效組織和組合，作出決策并指揮相應設備的行為動作。

6 結束語