物聯網技術在隔離病房中的應用研究

【作 者】任斌，黃陸光，楊喆，蔣昆

1 空軍軍醫大學第一附屬醫院 信息科，西安市，710032

2 空軍軍醫大學 衛生統計學教研室，西安市，710032

0 引言

新型冠狀病毒肺炎是現階段威脅人類健康的主要傳染性疾病，新型冠狀病毒肺炎防治具有極其重要意義。在新型肺炎患者的救治中，隔離病區是防控的主戰場。嚴格執行消毒隔離制度是控制院內感染，保證患者、醫護人員、環境安全的關鍵。

國家衛健委出臺《醫療機構內新型冠狀病毒感染預防與控制技術指南（第七版）》，該指南是結合目前掌握的新型冠狀病毒病原學特點，在已有醫療機構感染防控相關制度、標準和規范的基礎上，進一步完善細化形成。其重點對感染防控流程、重點部門管理、醫務人員防護、加強患者管理等方面提出嚴格要求。由于隔離病區屬于緊急隔離醫療救治場所，存在著患者多、醫護人員缺乏、保障條件簡單、信息化系統缺乏等問題。無論在疫情防治效率、病床利用率以及隔離防護方面都存在諸多隱患。

面向新型冠狀病毒感染肺炎患者的隔離病區救治，充分利用人工智能、物聯網和機器人技術，開發探索包括隔離管理、消毒、醫院管理、患者整治等在內的一體化智慧物聯網應用系統，在提高防治效率、控制院內感染、保證患者、醫護工人員、環境安全等方面發揮重大作用[1]。

1 一體化智慧物聯網系統

依據國家衛健委發布的《醫療機構內新型冠狀病毒感染預防與控制技術指南（第七版）》，面向新型冠狀病毒感染肺炎患者的方艙醫院救治，基于4個標準（業務標準、接入標準、交互標準、通信標準），開發建設包括隔離管理、消毒、醫院管理、患者整治等在內的一體化智慧物聯網系統，在提高防治效率、控制院內感染，保證患者、醫護工人員、環境安全等方面發揮重大作用。

本項目主要分為智能終端、5G融合網絡、集成管理平臺以及應用層等子系統，總體架構如圖1所示：

圖1 一體化智慧物聯網系統架構Fig.1 Architecture diagram of integrated intelligent IoT system

智能終端：機器人、輸液監測儀、體溫貼、智能床墊、患者手環、定位標簽；實現護理、服務、管理、感控等多種數據采集和業務；

5G融合網絡：融合LORA/藍牙/WiFi/5G/4G多種通信協議的一體化網絡；并通過統一的網管平臺和設備對安全性、入網注冊進行管理和監測；

平臺層：由集成管理平臺對設備、數據、應用、安全進行統一管理；由定位平臺提供精準定位計算與地圖引擎；

應用層：通過顯示大屏、電腦端軟件、手持機軟件、監控軟件等構建護士站、床旁、藥事管理、廢棄物管理、患者管理等過場景應用。

2 主要技術內容

2.1 物聯網感知技術

物聯網（Internet of Things,IoT）技術是將所有物品通過信息傳感設備與互聯網連接起來，實施萬物互聯，進行信息交換的一種現代技術，主要由感知層、網絡層和應用層構成[2-4]。本項目用到的物聯網感知技術主要有以下幾種：

（1）通過二維碼、RFID、紅外、UWB等技術對患者、醫護人員、設備、器械、藥品等進行標識、分類，利用采集資產/人員的標簽信息數據，比如人員位置、行徑軌跡、輸液滴速、設備維修記錄、業務處理流程等；

（2）通過生物電傳感器對患者生命特征數據進行自動采集，如：連續體溫監測、紅外熱成像、智能床墊、心率采集等；

（3）通過視覺采集傳感設備對視覺圖形進行自動采集，如：人臉識別、機器人自動行走、行為分析等。

2.2 5G融合通信技術

作為采集控制層與應用層的數據鏈路，該項目的融合網絡中主要采用：5G/4G/WiFi/LORA/藍牙等多種通信技術。利用醫院有線、無線網絡鏈路，或采用運營商公眾服務網絡負責感知層數據傳輸。

2.3 人工智能技術

（1）臨床輔助決策支持系統：面向呼吸疾病特點，運用相關、系統的臨床知識和患者基本信息及病情信息，加強醫療相關的決策和行動，提高醫療質量和醫療服務水平的計算機應用系統。

（2）AI視覺識別系統：基于人工智能視覺的特定場景識別系統，其由人工智能視覺識別模塊、光感模塊和定位調制模塊組成。本項目主要應用場景在于機器人自動行走、紅外熱成像人臉識別、行為識別等方向。

（3）室內定位算法：UWB無線定位系統要實現精確定位，首先要獲取與位置相關的變量信息，建立相應的數學模型，然后根據這些變量和參數以及數學模型來解算目標的坐標。

3 物聯網在患者安全管理中的應用

3.1 環境隔離管理

為保障隔離病區的醫患分流，嚴格管控出入人員，提高安全管理等級，方便權限統一設置，提高醫院精益化管理水平。在隔離病區主出入口，部署人臉體溫門禁一體機，有效限制及統計人員進出。門禁管理系統其目的是為了有效地控制人員的出入，并且對出入人員進行測溫，來實現隔離病區人員依從性管理出入口的方便、安全管理，包含出入授權、實時監控、紅外測溫等。

此門禁系統主要特點是出入口嚴格管控，人臉識別用于減少交叉感染；人臉識別算法是基于深度神經網絡，讓計算機學習人的大腦，并通過不斷訓練，進行交叉驗證和動態識別，來識別人臉；安全性方面，采用3D人臉識別技術，并通過軟硬件結合的方式進行活體檢測，來判斷采集到的人臉是否是照片、視頻或者軟件模擬生成的，有效地避免各種人臉偽造帶來的身份冒用情況，也不容易受到姿態、光照、表情等因素的影響，識別率更高；非接觸式體溫檢測，檢測精度±0.5℃。

3.2 消毒管理

3.2.1 廢棄物電子軌跡管理

醫療垃圾與公共衛生密切相關，具有高污染、高危險等特點[5]。如何有效監控醫療垃圾的收集、存儲、跟蹤及運輸，避免二次污染，實現全程可追溯的實時監管，是醫療垃圾處理行業當前需要研究的重要課題。目前國內醫療垃圾處理行業中普遍存在垃圾處理成本高、效率低的問題，主要表現為追蹤及溯源困難、收運線路固定、垃圾產生信息滯后、運輸調度不合理等[6]。醫療廢品在傳染病醫院中更為常見，因為相較于一般的綜合醫院和專科醫院，傳染病醫院會產生更多有傳染風險的污染性醫療垃圾。從國內來講，許多大型醫院還依靠人力進行醫療廢品的收集。無論是在運輸中或者在后期處理中，都會增加許多不可控制的風險因素。

給每個垃圾桶安裝RFID定位標簽，實時監控擺放位置、移動時間、移動軌跡、停留時間[7-9]。并通過設置污染物通道電子圍欄，一旦發生可疑情況及時報警，最大限度隔絕污染源。醫療垃圾室內可視化管理：給每個垃圾桶安裝定位標簽，可實現院內實時定位，在后臺可監管所有垃圾桶的移動軌跡，停留時間及位置，一旦發生可疑軌跡可及時預警，防患于未然。

3.2.2 消毒機器人

通過人工智能技術，讓隔離病區滅菌消毒更徹底，提高工作效率和病房使用率。以機器人為載體，集成多種消毒模式于一體，根據不同場景按需求設置消毒模式，全智能化操作，人機分離，保證人員安全。滿足房間多、布局復雜的室內環境下自動、定時、高效、準確的消毒防疫需求。消毒機器人能夠根據設定的路線自動、高效、精準地對室內進行消毒防疫。使用場景如圖2所示。智能移動消毒機器人可以協助護理人員完成定期定量移動消毒，避免現有消毒時間不固定、消毒劑量隨機化、傳染病房/放射科等高風險區域的消毒不徹底的問題，消毒任務及工作日志可在云平臺查看。

圖2 消毒機器人使用場景Fig.2 Scene of a robot being sterilized

3.2.3 病服回收機器人

病患服裝是高度污染源之一，傳統的收集模式具有很高的感染風險。服裝收集機器人可以根據更換時間走到患者床旁，通過密碼口令方式完成自助投放，并經由污染物通道返回到統一收集間，可有效隔絕污染源，降低保潔人員工作強度，改善患者服務體驗。醫用物流機器人是基于通用底盤技術，結合豐富的樓層運輸經驗，為醫院場景打造的全自主、便捷管理的醫用產品運送機器人。通過智能醫院后端，對整體智慧運輸系統進行后臺管理，實時掌握和調度機器運作狀況。

3.3 醫護人員管理

3.3.1 連續體溫監測系統

連續體溫監護系統能實現持續體溫采集，遠程無線通信方式。降低護士工作強度，減少交叉感染概率，同時能夠及時發現隔離患者異常狀態。在不打擾病人休息的情況下可以對病人進行實時、連續的體溫信息采集，減少護士與患者的接觸。

體溫監測系統由無線體溫貼、物聯網、體溫監測控制器（中間件）和體溫監測系統四部分組成，體溫標簽貼在病人腋下，實現對體征數據的采集，接收器接收到體溫數據后傳輸給物聯網 AP，物聯網 AP將數據統一傳輸到體溫或心電監測控制器（中間件），控制器對協議進行統一的過濾轉換、算法分析，并將結構化的體溫信息保存至后臺數據庫。護士工作站可以對病人體溫和心電進行統一的監測，同時系統提供標準的接口，可以將病人的體溫和心電信息傳遞至移動護理、遠程監護等信息化系統。

3.3.2 智能輸液監測系統

為了實現隔離病區集中掌控輸液信息并減少護士出入病區次數，基于物聯網技術的智能輸液監控管理系統，是在未改變傳統輸液方式的基礎上，通過物聯網終端輸液監護儀將每個床位或輸液位的輸液狀態信息實時傳送到護士服務臺，實現護理人員隨時隨地對病人輸液狀態及呼叫狀態的實時掌控，解決傳統輸液的一些弊端，提高醫院的服務水平和服務質量，減少輸液過程中出現的醫療事故，增強醫院業務競爭力。

該系統由輸液監控器、智能AP、護士移動終端（PDA）、輸液監控管理軟件組成。輸液監控儀在病床輸液過程使用，使用中通過433 MHz頻段，與院內部署的物聯網網關進行數據交互通訊，物聯網網關通過院內有線網絡，與中心平臺進行數據通訊，中心系統平臺在經過數據分析處理后，經由院內網絡向電子監控屏、護士工作站、移動終端和LED屏發送消息通知，進行信息展現。

圖3 輸液護理管理護士站界面Fig.3 Interface of nursing station for transfusion management

3.4 患者管理

3.4.1 患者定位手環

患者手環基于RFID等定位技術，不僅能夠實時監測患者生命體征，還能夠定位患者位置，如果隔離患者在非授權情況下離開隔離區，系統會自動報警并跟蹤患者位置，方便醫護人員后期進行追溯軌跡分析。

在分布式邊緣解算模式下，定位手表接收基站發送的帶有時間戳的定位信號，然后通過定位引擎在本地解算手表的位置信息，通過可選的回傳通道將此位置信息發送業務服務器或者其他需要的地方。或者是在集中式解算模式下，手表發射定位信號，基站接受手表發射的信號，傳送到解算服務器，由服務器解算出定位手表的位置信息。

3.4.2 床旁終端服務系統

為滿足隔離患者自助服務、遠程探視的核心需求，基于局域網LAN和IP技術，建設床旁終端服務系統。系統采用的數字音視頻技術徹底解決了網絡對講時的回音、嘯叫。視頻采用H.264，廣播采用MP3、通話采用32K音頻采樣。應用信息化技術建設智慧病房交互平臺，能夠有效解決病房信息共享以及可視化界面的問題。作為智慧病房的信息中心，智慧病房交互平臺主要是以患者安全管理為目的，在病房內實現對患者各項數據信息實時互聯互通[10]。

患者在病房和洗手間內需要幫助時，能一鍵快速呼叫護理人員。通過床頭終端能查詢費用信息、檢驗報告、醫囑信息。患者通過床頭終端能收到服藥提醒、檢查提醒、診約提醒等消息。在線查看醫院及科室介紹、醫護人員介紹、多媒體宣教等相關信息[11-13]。能在線對醫護人員進行滿意度評價或投訴，促進醫院醫療服務質量和綜合管理水平提高。

3.4.3 機器人護士

智能機器人護士以移動機器人為載體，在機身上搭載大屏幕顯示、視頻、紅外體溫計等醫療設備，代替醫護人員對患者進行日常的查體、醫學知識宣教、藥物配送、及遠程視頻，降低隔離病區內交叉感染。智能機器人護士可以協助護理人員完成術前術后宣教、健康宣教、住院事項告知、患者健康數據查詢、遠程會診等工作。

4 結論

4.1 運行情況

AI環境管理：以紅外測溫防控系統、紅外測溫自動行走機器人為載體，實時監控體溫異常人員。

AI消毒管理：包括廢棄物電子軌跡管理系統、患者服裝自助收集機器人、消毒機器人等。加強對病室環境及用物，患者用品的消毒管理，嚴格管控醫療廢棄物。

人工智能醫護：包括連續體溫監測系統、智能輸液監測系統在內的非接觸式物聯網醫療系統，減少醫務人員與患者接觸的操作，極大提高護理效率。

患者管理方向：通過患者手環實現精確定位并實時采集體征、從而實現患者網格化管理；通過機器人護士為患者提供送藥服務，并可以利用機器人實現遠程探視、宣教等功能，減少直接接觸，提高服務效率。

4.2 優缺點分析

優點：充分利用人工智能、物聯網和機器人技術，開發探索包括隔離管理、消毒、醫院管理、患者整治等在內的一體化智慧物聯網應用系統，在提高防治效率、控制院內感染、保證患者和醫護工人員的環境安全等方面發揮重大作用。

缺點：隔離病區使用的應用系統需要建設一套基礎融合網絡（4G/5G/WiFi/LORA/UWB等多種通信協議），為各應用系統提供網絡及硬件支撐環境。一體化融合網絡的建設難易很大程度取決于醫院的原有網絡建設水平，若醫院原有網絡基礎薄弱，則網絡建設施工花費時間較長。