智能入院信息登記機器人系統的設計與實現

張 冰，孫樹田，張 彬，孟 翔，高瑞軍，姚柏韜，郭立川*

（1.天津醫科大學朱憲彝紀念醫院，天津市內分泌研究所，國家衛健委激素與發育重點實驗室，天津市代謝性疾病重點實驗室，天津300134；2.天津開發區先特網絡系統有限公司，天津300192）

0 引言

自新型冠狀病毒肺炎疫情暴發以來，全國各族人民在黨中央的領導下針對疫情防控工作取得了階段性的勝利，但“外防輸入、內防反彈”的形式依然嚴峻[1]。為進一步加強醫院常態化疫情防控工作，鞏固疫情防控阻擊戰取得的重大成果，本院迅速響應上級政策，結合自身實際情況，設計了一套智能入院信息登記機器人系統。本系統以數字抗疫、智慧醫療為指導思想進行建設，提供管制刀具監測、口罩檢測、自動測溫、掃碼登記、證件登記、紅外計數、門禁控制、流調采集、統計分析等功能，并且對接上級衛生健康委員會入院登記系統實時進行全市登記信息同步。同時融合人臉識別、光學字符識別（optical character recognition，OCR）、紅外熱成像、金屬探測等人工智能和物聯網技術[2]，可在醫院門急診、住院處、鑒定中心等入口處為患者提供智能化的信息登記服務。

1 系統設計

1.1 研發背景

隨著新型冠狀病毒肺炎疫情在全球肆虐，世界各地無癥狀感染者逐漸增多，常態化疫情防控工作面臨嚴峻的挑戰?；颊呷朐簳r做好必要的信息登記，是疫情防控工作中極其重要的一環[3]。實行入院信息登記能夠有效地控制在院人數，跟蹤患者行動軌跡，篩查疑似病例，降低醫護人員和患者之間交叉感染的風險。然而在信息登記工作的實際開展過程中，經常遇到登記難、易擁堵等情況。掃碼登記方式常常受到患者手機型號、網絡狀況、軟件版本等因素的影響，老年患者普遍難以接受。未攜帶手機的患者只能采取人工錄入的方式進行信息登記，效率低、易出錯，患者滯留時間過長，極易造成人員擁堵，增加交叉感染的概率[4]。此外，從事信息登記工作的醫護人員長期接觸入院患者，無形中增加了被感染的風險。針對目前醫院信息登記工作當中存在的問題，本文設計一款集多種功能于一體的智能入院信息登記機器人系統。

1.2 架構設計

智能入院信息登記機器人系統架構圖如圖1所示。系統的硬件設備主要包括安檢設備、登記機器人、閘機通道以及醫院服務器。系統的軟件主要包括基于Android系統的自助登記客戶端和基于Java Web的中控平臺。整個系統通過建立物聯網通信網絡將安檢設備、登記機器人、閘機通道、醫院服務器等硬件設備相連接，串口數據與IP數據的轉換通過數據傳輸單元（data transfer unit，DTU）設備實現，并將Modbus協議以及其他RS-485傳輸的自定義控制協議轉換成標準的JSON協議格式，通過超文本傳輸協議（hypertext transfer protocol，HTTP）請求與內網服務器進行數據交互。

圖1 智能入院信息登記機器人系統架構圖

患者進入醫院后首先通過安檢儀進行安檢，然后可以根據自身實際情況選擇自助登記或人工登記。若患者攜帶智能手機或有效證件（身份證/醫?？ǎ┛蛇x擇登記機器人進行信息登記，可選擇的登記方式有掃碼登記或證件登記[5]。若患者未攜帶智能手機或有效證件，可選擇到人工登記處通過口述的方式進行信息登記。當患者完成信息登記且無任何異常后，便可通過閘機通道進入醫院。

醫院服務器通過衛生健康委員會專線與天津市醫療機構統一信息登記平臺相連接，保證患者數據的實時上傳、互聯互通。信息登記的全流程始終處于中控平臺的監控之下，每一位入院患者的登記信息都會以列表的形式顯示在中控平臺上。中控平臺是統一的入院信息管理平臺。該平臺利用成熟的Spring MVC、WebSocket等Web技術將系統中各部分軟硬件數據進行記錄、匯總和分析，同時利用實時的通信技術進行統一的管理。

1.3 系統功能

智能入院信息登記機器人系統功能結構如圖2所示，整個系統由安檢模塊、自助登記模塊、門禁模塊和中控平臺模塊4個部分組成。

圖2 智能入院信息登記機器人系統功能結構圖

安檢模塊主要實現管制刀具檢測和紅外計數功能，可通過網絡實時將安檢及計數結果上傳至中控平臺。

自助登記模塊主要實現口罩檢測、體溫測量、掃碼/證件登記、流調采集、語音提示等功能。在患者使用登記機器人時，登記機器人會根據患者的操作進行相應的語音提示，同時登記機器人采集的患者信息將被實時上傳至中控平臺。

當入院人員完成全部的信息登記操作且無異常時，門禁模塊將接收到中控平臺的“開閘”指令，門禁閘機便會自動開啟。

中控平臺模塊是整個機器人系統的“神經中樞”，控制著整個系統的數據流轉、信號傳輸、命令發布。中控平臺是采用基于Java語言開發的Web管理系統，具有多角色、多權限的管理賬戶，能夠完成系統管理、控制，數據統計、分析及上報工作。

2 功能實現

2.1 安檢模塊

安檢模塊主要由安檢機、安檢門2種安檢設備組成。安檢機負責對入院人員隨身攜帶的行李進行安全檢測。安檢機如圖3（a）所示，該設備采用了X射線與人工智能圖像分析相結合的技術，能夠在監測屏上實時顯示通過行李的內部狀況。一旦發現行李中存在疑似危險品，安檢機便會發出警報，提示安檢工作人員人工查驗，同時將安檢圖像實時上傳至中控平臺模塊。安檢門主要負責檢測入院人員的貼身物品，同時安檢門還具備紅外計數功能，能夠實時計數通過安檢門的入院人數。安檢門如圖3（b）所示，該儀器兩側自下而上平均分布6個獨立的金屬探測器，通過發射線圈和接收線圈的電壓變化，有效地監測入院患者管制刀具攜帶情況。在安檢機與安檢門的密切配合下，安保人員能夠有效地排查出入院人員的危險品攜帶情況。

圖3 安檢設備

2.2 自助登記模塊

自助登記模塊是本系統進行入院人員信息登記的客戶端模塊，該模塊從軟硬件上可以分為兩部分：一部分是基于Android平臺開發的機器人登記系統軟件，該軟件具備口罩檢測、體溫測量、掃碼登記、證件登記、聯系方式及流調采集等功能。另一部分是能夠搭載上述功能所配套的硬件機器人，該機器人一共裝有2個探頭，其中一個高清攝像頭負責入院人員人臉圖像的采集，另一個紅外探頭負責入院人員的體溫檢測。自助登記模塊主界面如圖4所示，入院人員可以根據自身實際情況選擇掃碼和證件2種信息登記方式。

圖4 自助登記模塊主界面

2.2.1 口罩、體溫檢測

信息登記的第一步是進行口罩、體溫監測，當入院人員在自助登記模塊主界面上選擇掃碼登記或證件登記后，登記機器人便會進行口罩、體溫檢測。該模塊采用已經成熟的人臉識別技術進行口罩佩戴監測，通過高清攝像頭拍攝、記錄入院患者登記圖像[6]。同時利用紅外溫度傳感器對人體額頭部分進行定位并測溫。為保證溫度的準確性，增加環境溫度傳感器，對現場額頭溫度進行環境溫度補償，大幅度地提高登記機器人測溫的準確性[7]?？谡肿R別及體溫檢測示意圖如圖5所示。

圖5 口罩識別及體溫檢測示意圖

2.2.2 掃碼登記

自助登記模塊提供2種登記方式，針對攜帶智能手機的患者，可通過掃碼的方式進行信息登記。圖6（a）為天津市醫療機構統一入院登記二維碼，該二維碼包含患者姓名、身份證號、聯系方式、家庭住址、流調等基本信息。入院人員可通過手機微信小程序填寫個人基本信息生成健康信息二維碼，通過圖6（b）中的登記機器人掃碼方式完成入院信息登記。掃碼登記采用的二維碼掃描技術為Google開源的用于Android開發的條形碼掃描庫ZXing。

圖6 入院登記二維碼及二維碼掃描界面

2.2.3 證件登記

針對未攜帶智能手機的患者，自助登記模塊提供證件掃描的信息登記方式。如圖7所示，入院人員可將有效證件（身份證、醫?？ǎ┓胖玫街付▍^域，系統便可通過OCR技術自動登記患者基本信息[8]。證件登記中涉及的OCR技術采用的是飛槳paddlepaddle開源的PaddleHub一鍵OCR中文識別框架。

圖7 證件登記示意圖

2.2.4 聯系方式及流調信息采集

自助登記模塊為保障2種信息登記方式數據的全面性和一致性，采用證件登記方式的患者還需登記聯系方式及流調信息，操作界面如圖8所示。本系統通過連接天津市衛生健康委員會專線，實時更新流調信息，能夠確保流調信息的時效性[9]。

圖8 聯系方式及流調信息采集界面

2.3 門禁控制模塊

當入院人員通過自助登記模塊完成信息登記后，中控平臺模塊會根據入院人員登記信息查詢患者健康碼顏色，將反饋結果顯示在登記機器人的顯示屏上，如圖9所示。若登記信息反饋結果為黃碼，則門禁閘機不開啟，并提示入院人員到發熱門診就診。若登記信息反饋為綠碼，則門禁閘機開啟，允許入院人員進入醫院。

圖9 健康碼顏色反饋結果

2.4 中控平臺模塊

中控平臺模塊具有查詢、修改、統計、分析、人工錄入等功能，能夠對入院患者信息進行全方位的管理。該模塊采用IntelliJ IDEA開發工具進行軟件開發，同時采用基于Spring MVC的Java Web開發框架進行軟件架構設計，通信方面融入了WebSocket等Web技術，從而建立了統一的信息管理中控平臺。該模塊利用實時的通信技術，將智能硬件的各類配置放在服務器端進行統一的管理，實時對前端硬件下發配置信息，同時記錄、匯總和分析入院患者登記數據。如圖10所示，該模塊以滾動列表的形式實時顯示入院患者的登記信息。管理員可以通過中控平臺隨時查看任意患者的人臉圖像、健康碼顏色、聯系方式、家庭住址等詳細登記信息。此外該模塊還提供條件豐富的自定義信息篩查功能，方便信息系統管理員對入院患者登記信息的全方位掌控[10]。

圖10 中控平臺模塊實時數據展示界面

3 應用效果

智能入院信息登記機器人系統自2020年3月應用于本院以來，經過不斷升級改造，已具備強大的信息登記、安全檢查及統計分析等能力，在醫院實際抗疫工作中取得優異的成績。截止到2020年12月底，全院通過本系統進行信息登記的患者累計超過35萬人次，具體數據如圖11所示。系統平均每人次登記時間為6~10 s，大幅度地提高了入院信息登記工作的效率，緩解了醫院的擁堵狀況，提升了醫院的服務質量。

圖11 智能入院信息登記機器人系統2020年的入院患者信息統計情況

4 結語

智能入院信息登記機器人系統以科技抗疫、智慧醫院建設為指導思想，將各類軟硬件結合在一起，實現了自動安檢、自動測溫、自助登記、門禁管理、信息統計與分析等功能，在一定程度上減少了人工登記的工作量，降低了患者之間發生交叉感染的概率，提升了醫院的綜合服務質量。

本系統的創新之處在于充分采用基于人臉識別的口罩監測技術、基于紅外溫度傳感器的自動測溫技術、基于物聯網的門禁控制技術以及基于Spring MVC的Web系統技術。同時將安檢、信息登記、人流控制等流程有序地串聯起來，通過網絡實時監控入院患者基本情況，并與天津市衛生健康委員會保持信息實時的互聯互通。除此之外，本系統還具有操作簡便、安全準確、嚴控有序、快捷高效等特點，不僅能夠在疫情期間為醫療機構提供智能化的信息采集服務，而且能夠廣泛地應用于企事業單位、學校、商場、地鐵等需要進行安檢和信息登記的場所，便于進行軌跡跟蹤、人流量控制。

雖然本系統的應用前期取得了良好的效果，但仍存在一些不足，如建設成本較高、部署實施周期較長。未來，將進一步探索人工智能、物聯網等相關技術，致力于系統推廣與成本縮減。