野戰(zhàn)救護(hù)智能輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱捷，周麗梅，袁丹鳳，楊傲，周繼紅，王正國

(1.陸軍軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院 野戰(zhàn)外科研究所，重慶 400038；2.聯(lián)勤保障部隊(duì)第901醫(yī)院 護(hù)理部，安徽 合肥 230031)

在有限野戰(zhàn)醫(yī)療資源條件下，如何實(shí)現(xiàn)及時(shí)有效的野戰(zhàn)急救是亟待研究和解決的問題。伴隨微機(jī)電、微電子和無線通信等技術(shù)的進(jìn)步，基于微型傳感器及無線通信技術(shù)的普適感知環(huán)境技術(shù)在醫(yī)療監(jiān)控、應(yīng)急救治等方面的廣泛應(yīng)用，為解決這一問題提供了研究思路。隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，微型傳感器芯片不僅能實(shí)現(xiàn)多種個(gè)人信息的采集和傳輸，還可以對(duì)周圍戰(zhàn)場環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，從而構(gòu)建普適感知的戰(zhàn)場環(huán)境。為有效解決戰(zhàn)場傷員實(shí)時(shí)感知、精確定位、高效救護(hù)等問題[1]，本研究提出一種適用于野戰(zhàn)條件的醫(yī)療救護(hù)智能輔助系統(tǒng)，可在突發(fā)和緊急情況下通過組網(wǎng)協(xié)作為士兵提供醫(yī)療救護(hù)服務(wù)，現(xiàn)介紹如下。

1 野戰(zhàn)救護(hù)智能輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

本野戰(zhàn)救護(hù)智能輔助系統(tǒng)基于無線網(wǎng)絡(luò)和多傳感器組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，依靠無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，利用無線射頻識(shí)別技術(shù)(radio frequency identification，RFID)、近場通信、北斗、血壓感應(yīng)器等傳感器實(shí)現(xiàn)人員身份識(shí)別、狀態(tài)監(jiān)控和信息實(shí)時(shí)傳送，傳感器嵌入單兵便攜裝備如智能手表、手機(jī)和通信機(jī)等。本系統(tǒng)具有兩個(gè)特征：狀態(tài)感知和組網(wǎng)協(xié)作。前者是該系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，后者則是該系統(tǒng)具體實(shí)施方式。

系統(tǒng)在檢測到單兵重要生命參數(shù)出現(xiàn)異常情況時(shí)，發(fā)出預(yù)警或求救信號(hào)。考慮到戰(zhàn)場環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，可通過該系統(tǒng)查找附近士兵，并由指揮中心向士兵發(fā)出救治行動(dòng)命令。另外，系統(tǒng)還依靠先進(jìn)的通信手段和數(shù)據(jù)共享實(shí)現(xiàn)傷情現(xiàn)場的后方還原，從而使具有醫(yī)療經(jīng)驗(yàn)的后方醫(yī)護(hù)人員實(shí)時(shí)指導(dǎo)傷員自身或救援士兵正確處理傷情。

1.1 狀態(tài)感知 野戰(zhàn)救護(hù)智能輔助系統(tǒng)給多個(gè)終端提供實(shí)時(shí)單兵狀態(tài)信息，包括位置信息、環(huán)境信息、心率及體溫信息等，后方指揮或醫(yī)護(hù)人員根據(jù)這些信息提供針對(duì)性幫助。從單兵裝備獲得的信息具有離散性和不相關(guān)特性，考慮到戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜及救治時(shí)間緊迫，后方保障人員難以完成所采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析和處理，要求系統(tǒng)具備對(duì)采集數(shù)據(jù)的智能分析功能，如自動(dòng)完成傷員生理參數(shù)采集、戰(zhàn)傷評(píng)分計(jì)算、傷勢分類，結(jié)合戰(zhàn)場態(tài)勢智能化形成救治策略和優(yōu)先級(jí)別。

單兵自身傳感器和戰(zhàn)場傳感器的融合也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的重要內(nèi)容，大量戰(zhàn)場分布的傳感器為醫(yī)療救治的實(shí)施提供了輔助信息。例如，一個(gè)智能的位置系統(tǒng)應(yīng)包含基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位的個(gè)人地理信息、基于Zigbee定位的局部位置信息以及附近人員位置信息。實(shí)際中，這些數(shù)據(jù)會(huì)被后方指揮、醫(yī)護(hù)人員及單兵自身使用，因此系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)應(yīng)是一種松耦合的結(jié)構(gòu)。

1.2 組網(wǎng)協(xié)作 野戰(zhàn)條件下的組網(wǎng)協(xié)作非常重要，在傷情處置中同樣如此。為提高野戰(zhàn)條件下的醫(yī)療救助效率，不能僅僅按班排形成團(tuán)隊(duì)，而是需要利用一切可以利用的資源，包括戰(zhàn)場上的任意一名單兵、指揮員或醫(yī)護(hù)人員。由于戰(zhàn)場突發(fā)情況不可預(yù)見性，各種傷員救護(hù)預(yù)案往往不能滿足需求。因此，系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)傷員具體情況臨時(shí)組成一支救治小組，不同組員具有不同功能，如早期救助、前方后送、醫(yī)療救治、運(yùn)輸安排等，組員間可進(jìn)行實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)共享，這樣才能在突發(fā)情況下完成搜救任務(wù)。相比于民用醫(yī)療救助系統(tǒng)，野戰(zhàn)條件下的組網(wǎng)協(xié)作不僅要求盡可能采用簡單高效的組網(wǎng)技術(shù)，還應(yīng)具備更高的智能化程度，從而降低對(duì)參與救治人員醫(yī)護(hù)素養(yǎng)的要求。

2 野戰(zhàn)救護(hù)智能輔助系統(tǒng)模型

2.1 野戰(zhàn)救護(hù)智能輔助系統(tǒng)模型的組成 系統(tǒng)通過傳感器和無線通信技術(shù)連接，實(shí)時(shí)監(jiān)測戰(zhàn)場戰(zhàn)況及傷情的發(fā)生，指揮員、醫(yī)護(hù)人員和單兵通過監(jiān)測中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。主要包括單兵(individual soldier, IS)、傳感器模塊(sensor module,SM)、個(gè)人信息處理模塊(personal information processing,PIP)、醫(yī)護(hù)人員模塊(medical supporter, MS)、監(jiān)測中心模塊(medical center,MC)、后方指揮模塊(rear command,RC)，見圖1。

圖1 野戰(zhàn)救護(hù)智能輔助系統(tǒng)模型示意圖

2.2 傳感器模塊 傳感器模塊由單兵個(gè)人攜帶和戰(zhàn)場部署組成，實(shí)時(shí)采集環(huán)境和個(gè)人原始信息發(fā)送到個(gè)人信息處理模塊。單兵攜帶了多種傳感器用于監(jiān)測小范圍的信息，如位置、心率、血壓及環(huán)境參數(shù)等；戰(zhàn)場傳感器包括部署在作戰(zhàn)裝備上的大型傳感器或通信設(shè)備，可以監(jiān)測我軍和敵軍等大范圍的信息。

2.3 個(gè)人信息處理模塊 個(gè)人信息處理模塊處理傳感器實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，智能判斷傷情等級(jí)和選擇處理方式。當(dāng)監(jiān)測到異常情況時(shí)，實(shí)時(shí)通知單兵和監(jiān)測中心，同時(shí)上報(bào)傳感器采集的信息。

2.4 醫(yī)護(hù)人員模塊 醫(yī)護(hù)人員模塊存儲(chǔ)并監(jiān)控醫(yī)療組所有人員信息，包括人員位置、技能等，在突發(fā)情況下選擇合適的醫(yī)護(hù)人員對(duì)傷員提供醫(yī)療幫助,見圖2。

圖2 監(jiān)測中心和醫(yī)護(hù)人員的信息交互

2.5 監(jiān)測中心模塊 監(jiān)測中心收到求救信息后立即對(duì)傷情進(jìn)行評(píng)估并根據(jù)實(shí)際可支配醫(yī)護(hù)人員分布給出解決方案，并將結(jié)果上報(bào)指揮中心。圖2顯示了監(jiān)測中心和救護(hù)人員的信息交互。當(dāng)監(jiān)測中心接收到傷情求助后，根據(jù)上報(bào)采集的信息判斷傷員情況，然后根據(jù)傷情選擇合適的處置方案并發(fā)送求助信息(call for assist, CFA)到醫(yī)護(hù)人員模塊(分布于戰(zhàn)場上的醫(yī)療救護(hù)人員)，CFA信息包含傷員的身份(identity，ID)、位置和傷情等。醫(yī)療救護(hù)人員收到CFA信息后，向監(jiān)控中心返回同意通知消息(answer note, AN)，該消息包含了可以參與的醫(yī)護(hù)人員ID和位置等信息，監(jiān)控中心將這些信息與指揮中心交互后給對(duì)應(yīng)人員或模塊發(fā)出命令。如果出現(xiàn)傷員昏迷和醫(yī)護(hù)人員不能立即趕到事發(fā)地點(diǎn)，監(jiān)測中心將選擇最近的單兵對(duì)傷員提供幫助，并讓醫(yī)護(hù)人員對(duì)其進(jìn)行指導(dǎo)。如果傷情嚴(yán)重，監(jiān)控中心聯(lián)系指揮中心，在控制傷情后進(jìn)行后送救治。

2.6 后方指揮模塊 后方指揮模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控，在各戰(zhàn)場的監(jiān)控中心合理分配醫(yī)療資源，并結(jié)合戰(zhàn)場態(tài)勢實(shí)時(shí)調(diào)整救治策略，根據(jù)戰(zhàn)傷大數(shù)據(jù)研究結(jié)論，配置野戰(zhàn)條件下嚴(yán)重創(chuàng)傷評(píng)估/評(píng)分方法和危險(xiǎn)值域[2]。

3 基于WCF技術(shù)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)框架

該系統(tǒng)采用了基于Windows 通訊基礎(chǔ)(Windows communication foundation，WCF)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案。圖3是基于WCF技術(shù)實(shí)現(xiàn)面向服務(wù)的松耦合系統(tǒng)框架。WCF是NET架構(gòu)中的技術(shù)，可用來創(chuàng)建面向服務(wù)的應(yīng)用程序、交換不同通信方案中的消息，以及執(zhí)行由服務(wù)操作生成的工作流。面向服務(wù)的架構(gòu)被認(rèn)為是目前在分布式系統(tǒng)上最優(yōu)的框架結(jié)構(gòu)，可以顯著簡化軟件生命周期管理，根據(jù)需求的變化易于更改和維護(hù)。系統(tǒng)主要由監(jiān)視援助層、信息管理層和團(tuán)隊(duì)組織層組成。

圖3 基于WCF技術(shù)的系統(tǒng)框架

3.1 監(jiān)視援助層 主要功能包括：(1)整合管理所有傳感器；(2)收集、融合和分發(fā)各種傳感器原始信息；(3)監(jiān)測單兵實(shí)時(shí)狀態(tài)，分析判斷傷情；(4)緊急情況下，通知監(jiān)測中心，發(fā)出求救信號(hào)。監(jiān)視援助層組件交互如圖4所示。通常采用定時(shí)方式，信息響應(yīng)服務(wù)(information response service, IRS)向傳感器發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求，定時(shí)請(qǐng)求的時(shí)間間隔取決于實(shí)際對(duì)數(shù)據(jù)的要求。如為了得到實(shí)時(shí)位置信息，位置傳感器可能被頻繁地采樣，而環(huán)境溫度傳感器的采樣頻率就低很多(例如10分鐘采樣一次)。一旦檢測到從傳感器獲得有用原始數(shù)據(jù)信息，IRS立即轉(zhuǎn)發(fā)到信息收集服務(wù)(information gathering service, IGS)和信息融合服務(wù)(information aggregation service, IAS)。IGS保存了近期的數(shù)據(jù)以及單兵的一些個(gè)人信息，以檢測可能的危險(xiǎn)情況，為后方指揮人員或醫(yī)護(hù)人員提供救護(hù)所需信息。另一方面，IAS匯總不同背景來源獲得的各種信息，并檢測可能的危險(xiǎn)情況。最后，信息分發(fā)服務(wù)(information distribution service, IDS)負(fù)責(zé)匯總數(shù)據(jù)并分發(fā)給相應(yīng)的模塊，例如，在緊急情況下，IDS發(fā)出一條救助信息到應(yīng)急響應(yīng)決策模塊(emergency response decision module, ERDM)中，救助信息包括如單兵的個(gè)人信息、位置信息及重要生命體征等。系統(tǒng)支持救援主動(dòng)行為方式，即在緊急情況下，單兵可通過個(gè)人通信系統(tǒng)無線廣播救助信息，附近士兵接收廣播救助信息后根據(jù)自身狀態(tài)決定是否提供幫助。但這也會(huì)帶來安全性和假警報(bào)的問題[2]，安全性問題是指頻繁的廣播救助信息可能會(huì)被偵察，破壞人員的隱秘性；假警報(bào)問題是由于戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜，傳感器系統(tǒng)的檢測技術(shù)可能對(duì)危險(xiǎn)情況存在一定的誤判，因此在確認(rèn)發(fā)生緊急情況時(shí)，檢測其原因和類型的監(jiān)測中心模塊工作人員的參與非常重要。

圖4 監(jiān)視援助層組件交互

3.2 信息管理層 監(jiān)測中心從單兵的個(gè)人信息管理模塊接收到傷情請(qǐng)求后，在消息管理層觸發(fā)ERDM事件并上報(bào)請(qǐng)求進(jìn)行傷員處置。圖5顯示了信息管理層的工作流程，ERDM模塊根據(jù)當(dāng)前傷員的傷情和位置信息，通過臨近服務(wù)模塊得到合適的醫(yī)護(hù)人員或可以提供幫助的單兵，在MC模塊根據(jù)人員的ID，可以得到人員的職別、醫(yī)療經(jīng)驗(yàn)及兵種等信息。最后，ERDM模塊將方案提交到團(tuán)隊(duì)組織(group formation service, GFS)模塊，并建立醫(yī)療方案小組。

圖5 信息管理層工作流程圖

3.3 團(tuán)隊(duì)組織層 根據(jù)文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)的改進(jìn)，團(tuán)隊(duì)組織層主要實(shí)現(xiàn)了組成、管理和解散醫(yī)療救治小組的功能。當(dāng)需要建立醫(yī)療救治小組的時(shí)候，指揮中心初始化GFS模塊，產(chǎn)生一個(gè)救治小組。為了達(dá)到這個(gè)目的，GFS通過組ID生成服務(wù)(group ID generation service,GIGS)模塊隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)小組ID用于標(biāo)識(shí)，如圖6所示。通常情況下，人員視圖服務(wù)(view manager service, VMS)模塊建立、維持、更新和發(fā)布成員列表信息到每個(gè)小組成員，該列表內(nèi)包含了每個(gè)成員的簡要信息，如組別ID、身份ID、職別、負(fù)責(zé)工作等。同時(shí)，為了提高效率和防止沖突，VMS模塊實(shí)時(shí)從人員信息更新服務(wù)(personnel information update service,PIUS)模塊通信得到小組人員當(dāng)前的位置信息，估計(jì)出發(fā)、到達(dá)時(shí)間。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

4.1 智能化傷情判斷和急救支援的探索 本系統(tǒng)結(jié)合軍標(biāo)的簡易戰(zhàn)傷計(jì)分、休克指數(shù)(shock index)、呼叫應(yīng)答模擬神志狀況、自身傳感器采集的生理指標(biāo)(體溫、心率、血壓等)，通過模擬戰(zhàn)傷數(shù)據(jù)庫的大數(shù)據(jù)研究，探索野戰(zhàn)條件下嚴(yán)重創(chuàng)傷評(píng)分方法和危險(xiǎn)值域[3]，根據(jù)美軍戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)傷員救護(hù)(tactical combat casualty care，TCCC)實(shí)用性原則區(qū)分可救或不可救[4]，并結(jié)合戰(zhàn)場態(tài)勢智能化形成救治策略和優(yōu)先級(jí)別。

圖6 救護(hù)小組建立交互

4.2 網(wǎng)狀指控結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)為網(wǎng)狀指揮控制結(jié)構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)的樹狀指控結(jié)構(gòu)，更強(qiáng)調(diào)個(gè)體之間的自同步。自同步是指兩個(gè)或兩個(gè)以上個(gè)體之間對(duì)外部情況進(jìn)行主動(dòng)協(xié)調(diào)的一種交互反應(yīng)模式, 能對(duì)瞬息萬變的戰(zhàn)場情況做出自主的反應(yīng)，其協(xié)調(diào)關(guān)系是動(dòng)態(tài)、突發(fā)的, 不受嚴(yán)格的指揮等級(jí)約束, 具有速度快、信息共享能力強(qiáng)、互操作能力強(qiáng)等方面的優(yōu)勢。

5 小結(jié)

本文探討了野戰(zhàn)環(huán)境下救護(hù)智能輔助系統(tǒng)框架的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并在原硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的原型；相比于民用社區(qū)衛(wèi)生數(shù)據(jù)采集、監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，本研究基于網(wǎng)狀指控結(jié)構(gòu)和即時(shí)戰(zhàn)救團(tuán)隊(duì)組成及合作的方式，探索了野戰(zhàn)條件下救治優(yōu)先級(jí)別策略。理論上由于醫(yī)護(hù)資源有限，一般需要把傷情最嚴(yán)重的給予最高的優(yōu)先級(jí)，但在實(shí)際戰(zhàn)場環(huán)境中，監(jiān)測中心還要根據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境情況、交通情況以及醫(yī)護(hù)人員信息，才能形成一個(gè)迅速正確的處置方案，是一個(gè)非常復(fù)雜的多屬性決策問題。戰(zhàn)場的電磁環(huán)境非常復(fù)雜，下一步研究的重點(diǎn)將在依靠更有效的傳感器和通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)抗干擾能力強(qiáng)，更加穩(wěn)健的救治系統(tǒng)。另外,因?qū)崙?zhàn)環(huán)境的制約，信息安全也是需要著重研究和考慮的問題。