基于無人飛行器的急救系統(tǒng)研究

喬榕 溫曉婧 馬玲 靖旭

摘 要：本文針對目前國內(nèi)交通混亂擁堵，救護(hù)車在接到急救任務(wù)后不能趕在病人的黃金時(shí)間內(nèi)到達(dá)現(xiàn)場的普遍問題。主要研究如何構(gòu)建一個(gè)以無人機(jī)為載體，醫(yī)院、救護(hù)車、急救中心三方的急救醫(yī)療體系結(jié)構(gòu)，來解決目前由于交通堵塞引起救護(hù)車遲到以及由于信息共享性差而導(dǎo)致的急救方案不理想的問題。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；急救成功率；急救系統(tǒng)

醫(yī)療是人類社會(huì)的基本問題，我國十分重視對公眾的院前急救。許多時(shí)候，病人的病情危重都是延遲、救護(hù)車的遲到等原因造成的。以無人機(jī)為載體搭載完備急救裝置的應(yīng)用對急需救治的人來說是一個(gè)很大的轉(zhuǎn)機(jī)，可以大大提高患者的急救成功率。通過研究無人機(jī)在醫(yī)療方面的應(yīng)用，設(shè)計(jì)出一個(gè)完善的急救醫(yī)療系統(tǒng)，將醫(yī)院、急救中心和救護(hù)車三者結(jié)合起來，最終實(shí)現(xiàn)病人的數(shù)據(jù)共享或?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測救護(hù)車的位置與動(dòng)態(tài)，同時(shí)通過智能化的救護(hù)車遠(yuǎn)程控制急救裝置，使得現(xiàn)場的施救人員在緊急的情況下，準(zhǔn)確得到病人所需的藥品，并且對病人的生理特征進(jìn)行檢測并反饋，從而使救護(hù)車內(nèi)的醫(yī)護(hù)人員做到心里有數(shù)，制定相應(yīng)的治療方案，準(zhǔn)備要采取的治療措施，提高醫(yī)院的工作效率，從而使整個(gè)急救過程更加體系化、智能化、人性化，使其更好地服務(wù)于現(xiàn)代化社會(huì)。

1 研究背景

2014年底，荷蘭一名大學(xué)生率先研制出了一款急救無人機(jī)，它的速度可達(dá)到每小時(shí)96公里，由6個(gè)螺旋槳驅(qū)動(dòng)，可攜帶4公斤負(fù)載。研制者表示：“歐盟每年有大約80萬人心臟驟停，只有8%的人幸存。造成如此低的存活率的主要原因在于應(yīng)急部門需要大約10分鐘的響應(yīng)時(shí)間，而心臟驟停后大約4到6分鐘便會(huì)導(dǎo)致腦死亡和最終的死亡。這種救護(hù)無人機(jī)能夠在1分鐘內(nèi)將除顫器送到周邊12平方公里內(nèi)的患者身邊，將存活率從8%提高到80%?！?/p>

2015年，谷歌就以無人機(jī)攜帶救生設(shè)備出急診的理念申請了專利。投資者按下特定的緊急狀況按鍵，攜帶相應(yīng)急救設(shè)備的無人機(jī)就會(huì)迅速飛來。專利解釋說，呼叫設(shè)備可以通過wifi、網(wǎng)線，以及借助手機(jī)和谷歌的無人機(jī)隊(duì)取得聯(lián)系。

隨著國內(nèi)外醫(yī)療體系的發(fā)展，公眾的院前急救得到極度重視。以無人機(jī)為載體搭載完備急救裝置的應(yīng)用將在很大程度上提高院前急救成功率。而至今已出現(xiàn)的基于無人機(jī)的醫(yī)療系統(tǒng)存在功能單一、沒有生理數(shù)據(jù)采集、與醫(yī)護(hù)人員缺乏溝通聯(lián)系等不足和缺陷。在智慧城市的大背景下，已有的先進(jìn)通信技術(shù)將與醫(yī)療體系相融合，帶給基于飛行機(jī)器人的急救系統(tǒng)新的發(fā)展。

2 研究目的

此次本項(xiàng)目主要為達(dá)到以下研究目的：

1）使用無人機(jī)搭載急救裝置的方式，利用無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性，縮短其到達(dá)搶救現(xiàn)場的時(shí)間，彌補(bǔ)救護(hù)車因道路堵塞而不能及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場的缺點(diǎn)，有效降低病人因搶救不及時(shí)而死亡的概率，并在無人機(jī)上配備攝像頭，將現(xiàn)場情況實(shí)時(shí)反映到醫(yī)院，大大提高患者的存活率；

2）設(shè)計(jì)功能相對齊全的急救裝置，內(nèi)部包括相應(yīng)的急救設(shè)備、檢測設(shè)備與急救藥品，使救護(hù)人員可以針對病人不同的病情選擇措施與藥物；

3）通過基于ARM的微型電腦主板，救護(hù)車遠(yuǎn)程控制機(jī)載急救小艙室的打開，使現(xiàn)場的施救人員可以準(zhǔn)確拿取藥品與設(shè)備，從而及時(shí)進(jìn)行施救，穩(wěn)定病人病情；

4）將所測得的病人的生理指標(biāo)通過4G技術(shù)傳回到救護(hù)車內(nèi)的yeelink云平臺(tái)，使醫(yī)護(hù)人員能夠?qū)Σ∪说臓顩r初步了解，從而準(zhǔn)備相應(yīng)的措施；

5）建立醫(yī)院、急救中心與救護(hù)車之間的急救系統(tǒng)：將病人的病史（若有的情況下）從醫(yī)院調(diào)到救護(hù)車內(nèi)作為治療參考，并可以與醫(yī)院通過專用通信軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語音及視頻聊天；急救中心調(diào)度系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測救護(hù)車的位置與狀態(tài)。

3 研究原理

1）結(jié)合本項(xiàng)目的需求，設(shè)計(jì)急救裝置上的控制板大小、功能、及通信模塊，選定需要測量的患者的生理參數(shù)與合適的傳感器，比如心率、血氧、體溫、心電圖傳感器，并將其與控制板的通信模塊相結(jié)合，使其能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、發(fā)送和信號的接收等功能；

2）設(shè)計(jì)機(jī)載急救裝置，尤其是機(jī)械受控部分，分析目前機(jī)械控制的方式，比較得出一種最佳方式，不僅使其救護(hù)功能較為完備，還能夠使救護(hù)車通過遠(yuǎn)程控制的電信號推動(dòng)急救每一小艙室的打開；

3）選擇目前比較時(shí)興智能家居控制系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程控制工具—基于ARM的微型電腦主板（樹莓派），來實(shí)現(xiàn)救護(hù)車對無人機(jī)上急救裝置的遠(yuǎn)程控制?；贏RM的微型電腦主板擺脫了控制距離的限制，使數(shù)據(jù)可以超長距離、準(zhǔn)確無誤的傳輸。

在深入分析基于ARM的微型電腦主板的分類，功能、及特性的基礎(chǔ)上，研究目前各種版本的基于ARM的微型電腦主板的系統(tǒng)功能、編程語言、使用特性與限制，選定符合項(xiàng)目要求的基于ARM的微型電腦主板類型與編程語言；

4）通過分析目前現(xiàn)有的資料，結(jié)合國內(nèi)外智能化救護(hù)車發(fā)展現(xiàn)狀，開發(fā)一款全新的救護(hù)車上的專用軟件，使其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)與醫(yī)院的實(shí)時(shí)語音、視頻交流，并且能夠調(diào)回醫(yī)院數(shù)據(jù)庫中病人病史，便于醫(yī)護(hù)人員制定最佳治療方案；

5）研究目前較遠(yuǎn)距離通信技術(shù)，深入分析當(dāng)前通信技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，比較采用哪種技術(shù)更加安全可靠，更符合本項(xiàng)目的研究需求與未來幾年國內(nèi)外的發(fā)展趨勢，確保醫(yī)院與救護(hù)車之間的語音及視頻交流的實(shí)時(shí)性與數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性。

4 總體構(gòu)想圖

如圖一所示，多旋翼無人機(jī)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體分為四個(gè)方面：無人機(jī)上急救裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、救護(hù)車對機(jī)載急救裝置的控制、現(xiàn)場施救人員與救護(hù)車內(nèi)部醫(yī)護(hù)人員的實(shí)時(shí)交流以及救護(hù)車與醫(yī)院之間的通信。

5 各部分設(shè)計(jì)效果圖

5.1 急救裝置設(shè)計(jì)效果圖

急救裝置總體可分為兩部分，分別是上部的通信控制組件和下部的醫(yī)療設(shè)備。

5.1.1上部通信控制部件

上部為控制模塊，其內(nèi)部包括核心處理單元（基于ARM的微型電腦主板），二級控制板，無線通信模塊，供電電源，麥克，揚(yáng)聲器，攝像頭，通過上部的掛載孔掛載至飛行器底板上。

上部的主要功能是與急救車進(jìn)行通信，將從檢測設(shè)備上以及攝像頭和麥克風(fēng)收集到的信息發(fā)送至救護(hù)車上，并能夠接受救護(hù)車上發(fā)出的指令。攝像頭能夠?qū)F(xiàn)場的實(shí)時(shí)畫面拍攝下來，病人家屬通過麥克風(fēng)與揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)和醫(yī)生實(shí)時(shí)的語音交流。上部的控制信號通過電磁繼電器和下部的控制開關(guān)相連接。

5.1.2下部醫(yī)療設(shè)備

下部由電磁閥控制的艙室，左右各有若干個(gè)裝載艙室，其中左側(cè)為檢測設(shè)備的裝載艙室，右側(cè)為急救藥品的裝載艙室，兩部分通過卡槽實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接，在卡插上設(shè)有金屬觸點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)兩部分的信號傳送以及充電的功能。

急救裝置的設(shè)計(jì)考慮到搶救現(xiàn)場的實(shí)際情況，配備有醫(yī)療設(shè)備，藥物等救護(hù)所需物，并設(shè)計(jì)有天線等通信模塊與救護(hù)車實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通話。該裝置使得整個(gè)搶救過程更加人性化、智能化。

5.2 救護(hù)車對機(jī)載急救裝置的控制

5.2.1對急救裝置的控制

該部分使用基于ARM的微型電腦主板，通過python語言編程及onenet云平臺(tái)操作來實(shí)現(xiàn)對繼電器的開閉。

5.2.2急救裝置與救護(hù)車的數(shù)據(jù)傳輸

該部分基于ARM的微型電腦主板通過4G網(wǎng)絡(luò)連接到onenet云服務(wù)平臺(tái)，傳感器通過zigbee技術(shù)傳送到樹莓派上，在樹莓派內(nèi)用python編程，從而實(shí)現(xiàn)上傳數(shù)據(jù)。救護(hù)車內(nèi)的筆記本電腦即可看到相關(guān)數(shù)據(jù)。

5.3 施救人員與救護(hù)車內(nèi)醫(yī)護(hù)人員的實(shí)時(shí)交流設(shè)計(jì)

當(dāng)飛機(jī)著陸之后，救護(hù)車上的計(jì)算機(jī)已安裝VLC播放器，通過yeelink平臺(tái)發(fā)出指令，從而攝像頭、揚(yáng)聲器及麥克風(fēng)等設(shè)備打開，通過4G網(wǎng)絡(luò)連接來實(shí)現(xiàn)與救護(hù)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)語音及視頻傳輸。

該功能的實(shí)現(xiàn)將專業(yè)醫(yī)護(hù)人員與現(xiàn)場的病人家屬聯(lián)系起來，可以實(shí)時(shí)指導(dǎo)病人家屬進(jìn)行一些簡單但必要的急救措施，為病人爭取黃金的急救時(shí)間。除此之外，醫(yī)護(hù)人員可以掌握病人的實(shí)時(shí)狀況，從而制定到達(dá)現(xiàn)場后的急救方案。

5.4 救護(hù)車與醫(yī)院的實(shí)時(shí)通信設(shè)計(jì)

在VB的環(huán)境下，編寫醫(yī)院與救護(hù)車的專用通信軟件，進(jìn)行實(shí)時(shí)通信與數(shù)據(jù)共享。

5.4.1通信程序設(shè)計(jì)

該軟件的模式為客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）模式，即客戶端向服務(wù)器發(fā)送連接請求，服務(wù)器對請求進(jìn)行響應(yīng)，從而建立起數(shù)據(jù)傳輸通道；之后客戶端與服務(wù)器之間便可以進(jìn)行簡單的語音及視頻交流。

5.4.2服務(wù)器設(shè)計(jì)

創(chuàng)建一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)EXE”工程，選中winsock控件，將其屬性設(shè)置為0，即ckTCPProtocol協(xié)議。讀取服務(wù)器的IP地址，當(dāng)接收到來自客戶端的請求時(shí)，服務(wù)器由偵聽狀態(tài)轉(zhuǎn)換為接收狀態(tài)。

5.4.3客戶端設(shè)計(jì)

同樣創(chuàng)建一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)EXE”工程，將其屬性設(shè)置為0。讀取本機(jī)的IP地址，當(dāng)收到來自服務(wù)器的接收請求時(shí)，便可發(fā)送相應(yīng)信息；當(dāng)服務(wù)器傳回消息時(shí)，利用winsock控件中的GatData來接收數(shù)據(jù)。

利用專用通信軟件，在病人未到達(dá)醫(yī)院之前，救護(hù)車上的醫(yī)護(hù)人員可以了解病人病史，采取準(zhǔn)確的急救措施，并可以和醫(yī)院的專家共同進(jìn)行商討，及時(shí)制定病人的救治方案，并安排專業(yè)醫(yī)護(hù)人員做好手術(shù)準(zhǔn)備。這樣更加完善了醫(yī)療急救系統(tǒng)，有利于全方位打造未來智慧化城市，使人類的醫(yī)療更有保障。

6 創(chuàng)新點(diǎn)

1）利用無人機(jī)靈活，機(jī)動(dòng)性高的特點(diǎn)，有效緩解救護(hù)車發(fā)生交通堵塞而延誤最佳救治時(shí)間的狀況，第一時(shí)間到達(dá)搶救現(xiàn)場，將醫(yī)療設(shè)備與急救藥物送給患者。

2）通過基于ARM的微型電腦主板，救護(hù)車對急救裝置的指令控制，急救裝置與救護(hù)車的數(shù)據(jù)傳輸，以及攝像頭與救護(hù)車的視頻通信，實(shí)現(xiàn)救護(hù)車的遠(yuǎn)程控制，指導(dǎo)患者家屬進(jìn)行必要的急救與生理檢測，并將測得的生理參數(shù)傳回，便于實(shí)時(shí)了解病人狀況，提前掌握病人的第一手資料。

3）通過4G通信技術(shù)，建立一個(gè)以無人機(jī)為載體，救護(hù)車、急救中心、醫(yī)院三方的醫(yī)療救護(hù)系統(tǒng)，急救中心可以調(diào)度救護(hù)車，救護(hù)車可以遠(yuǎn)程控制無人機(jī)并接收無人機(jī)上急救裝置傳回的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與圖像，醫(yī)院可以將患者的病史傳給救護(hù)車上的醫(yī)護(hù)人員，便于他們更加全面了解患者，更加準(zhǔn)確地診斷病情，采取相應(yīng)的急救措施。

7 可行性分析及使用價(jià)值

本項(xiàng)目針對急救系統(tǒng)120救護(hù)車的不能及時(shí)到達(dá)而錯(cuò)過救治時(shí)機(jī)問題，提出基于飛行機(jī)器人（無人機(jī)）與公共醫(yī)療數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)技術(shù)的急救系統(tǒng)方案，并研制開發(fā)其中的關(guān)鍵技術(shù)和單元技術(shù)，項(xiàng)目具有廣泛的應(yīng)用前景和社會(huì)效益，是未來醫(yī)療急救系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。設(shè)計(jì)項(xiàng)目從關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、單元技術(shù)和應(yīng)用驗(yàn)證等方面進(jìn)行了詳細(xì)的論證，并給出了可行的研究開發(fā)方案。

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