全自動采血管理系統(tǒng)的設(shè)計

四川大學 機械工程學院，四川 成都 610065

引言

20世紀90年代開始，隨著數(shù)字化和信息化的提出和推進，各大醫(yī)院紛紛開始了自身的數(shù)字化和信息化建設(shè)。信息化、數(shù)字化可以幫助醫(yī)院發(fā)展得更快更好[1]。在科學技術(shù)不斷發(fā)展的今天，針對醫(yī)院數(shù)字化、信息化建設(shè)的研究也一直都在進行[2]。楊歡將云計算技術(shù)與醫(yī)療服務(wù)管理相結(jié)合，開發(fā)了一套醫(yī)療服務(wù)云平臺，帶來了一種新興的醫(yī)療服務(wù)模式，將優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療服務(wù)搬上云端來共享，使得人們可以不受地域等限制來獲取優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療服務(wù)[3]。李立功將信息化技術(shù)和醫(yī)療設(shè)備管理結(jié)合，開發(fā)了醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備信息化管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要對各種醫(yī)療設(shè)備進行科學有效的管理，針對醫(yī)療設(shè)備診斷過程中的各種情況及時幫助作出決策，充分發(fā)揮醫(yī)療設(shè)備的作用[4]。

在醫(yī)院數(shù)字化、信息化建設(shè)進程中，部分醫(yī)院在標本采集流程中引入了全自動智能采血管理系統(tǒng)。全自動智能采血管理系統(tǒng)主要涉及信息系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫、機電一體化、計算機控制系統(tǒng)等核心技術(shù)。根據(jù)儀器不同的樣本處理能力和設(shè)計理念，該系統(tǒng)可以滿足門診采血室的大樣本量血液采集和臨床實驗室、床旁檢測、急診室、血庫及病房的小樣本量血液采集工作。其使用將成為醫(yī)院信息化建設(shè)、臨床實驗室自動化建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，為臨床實驗室標準化管理提供良好保障[5-9]。同時，信息化的管理系統(tǒng)也將優(yōu)化設(shè)備使用預(yù)約流程，實現(xiàn)了實驗室設(shè)備使用和管理的良性循環(huán)，提高了人員和設(shè)備的利用率[10]。但是目前市場上的全自動智能采血管理系統(tǒng)主要為國外廠家的產(chǎn)品，國內(nèi)也慢慢開始了全自動智能采血管理系統(tǒng)的研發(fā)[11]。為了更好地推進我國醫(yī)院的信息化、智能化、數(shù)字化建設(shè)，本研究針對該系統(tǒng)進行了研究與設(shè)計。該系統(tǒng)的實現(xiàn)不僅有效控制實驗前因素對檢驗結(jié)果的影響，同時也全面提升了臨床自動化、醫(yī)院信息化、數(shù)字化水平，方便患者，減少醫(yī)務(wù)人員的勞動強度，減少人工出錯率，提高工作效率，實現(xiàn)智能、高效、安全、可靠。同時，該系統(tǒng)的智能化、自動化程度也跟醫(yī)院的智能化水平、臨床實驗室自動化水平息息相關(guān)。

1 采血流程概述

采血流程規(guī)劃設(shè)計流程如圖1所示，醫(yī)生在HIS上提交檢驗申請單，患者或家屬交費后，憑就診卡在排號機刷卡預(yù)約登記采血，患者在等候區(qū)坐等叫號；候診區(qū)大屏幕顯示相應(yīng)號碼、患者姓名和相應(yīng)采血窗口，人工語音呼叫相應(yīng)號碼、患者姓名到相應(yīng)采血窗口?；颊叩较鄳?yīng)采血窗口，刷就診卡，信息確認程序自動確認核對患者信息和采血項目，同時電腦將信息傳輸至自動貼標機，機器依據(jù)相應(yīng)信息自動選取相應(yīng)項目所需要的試管，自動打印檢驗項目條形碼，并自動粘貼到試管上，機器再將粘貼好條形碼的所有試管和叫號條碼一起裝入小采血盒內(nèi)。護士拿相應(yīng)的試管進行采血，采血完畢后，將試管放入分揀盒，試管分揀裝置將試管分揀后送往相應(yīng)的檢驗科室[12]。

圖1 采血流程圖

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

通過對采血流程的深入分析與調(diào)研，其主要的功能需求為：

將患者信息、HIS/LIS、機械設(shè)備、打印、排號叫號等多個功能相互關(guān)聯(lián)和協(xié)同，完成醫(yī)患信息的接收、傳遞、核對、處理。

患者使用就診卡選取就診時間在系統(tǒng)里排號。到號后，系統(tǒng)對其進行滾動播報。系統(tǒng)需要將患者智能地分配到多個采血窗口，以提高采血效率，提高患者就診體驗。

患者到達采血窗口時，通過刷卡，系統(tǒng)獲取到患者信息，經(jīng)系統(tǒng)對患者就診信息進行核驗、傳輸、處理等后，快速地獲取到患者的采血試管類型和相應(yīng)的標簽信息，系統(tǒng)從試管架里取相應(yīng)的試管，再自動地完成打印和粘貼。

根據(jù)系統(tǒng)功能，將系統(tǒng)功能主要分為四個子系統(tǒng)，如圖2所示，主要包括：① 排號叫號系統(tǒng)?；颊咚⒕驮\卡，經(jīng)過信息流系統(tǒng)對信息進行采集、核驗后，確認患者就診項目和采血窗口現(xiàn)有排號信息后，提供采血時間預(yù)約。預(yù)約完成后，系統(tǒng)進行排號，在大屏幕滾動播報相應(yīng)號碼、患者姓名和相應(yīng)采血窗口；② 信息流系統(tǒng)。信息流系統(tǒng)主要完成對患者的信息進行采集、核驗并進行一定的計算處理；③ 機電系統(tǒng)。機電系統(tǒng)是儲存試管的“倉庫”和運送試管的“小車”，智能地選取、抓取和運送試管到打印系統(tǒng)。④ 打印系統(tǒng)。接收信息流系統(tǒng)傳遞的信息后，打印相應(yīng)的標簽，自動粘貼在試管上。系統(tǒng)的空間布局如圖3所示。

圖2 全自動采血系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

圖3 系統(tǒng)空間布局示意圖

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計

醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)從一定程度上改變了醫(yī)院的管理模式，優(yōu)化了醫(yī)院的管理效率和工作效率，解決了大量的醫(yī)患信息糾紛問題，也使得醫(yī)院可通過收集醫(yī)院信息對醫(yī)院工作開展情況分析不足之處，逐步提高醫(yī)院的服務(wù)水平[6]。全自動采血管理系統(tǒng)內(nèi)部各系統(tǒng)之間根據(jù)功能需求，建立起局域網(wǎng)，再通過信息流系統(tǒng)接入以太網(wǎng)，和HIS、LIS進行信息交互和傳輸，通過圖4的網(wǎng)絡(luò)方案將排號叫號系統(tǒng)、打印系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、信息流系統(tǒng)與醫(yī)院的HIS、LIS相關(guān)聯(lián)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計圖

2.3 系統(tǒng)核心控制器

根據(jù)功能和實際需要，分別采用了工控機、Raspberry 3B+、Arduino Mega 2560單片機作為排號叫號系統(tǒng)、信息流系統(tǒng)、機電系統(tǒng)的核心控制器。同時在本系統(tǒng)中，患者的信息獲取和傳遞也是非常重要的一部分，該功能主要通過讀卡器讀取患者IC卡信息實現(xiàn)。系統(tǒng)的傳感器層主要包括用于信息讀寫的讀卡器模塊、用于機電系統(tǒng)位置傳感的限位開關(guān)、用于識別試管標簽邊緣的光電傳感器、光線放大器等，以及工控機、Arduino Mega 2560單片機、Raspberry 3B+等組成。網(wǎng)絡(luò)層主要由Ethernet、串口通信等組成。應(yīng)用層由數(shù)據(jù)庫SQLlite、醫(yī)院的HIS/LIS接口、工控機C#界面程序、Raspberry 3B+ python程序和Arduino程序等組成[13]。

3 核心子系統(tǒng)設(shè)計

本部分對全自動采血管理系統(tǒng)幾個核心子系統(tǒng)的開發(fā)過程做系統(tǒng)性的介紹。核心子系統(tǒng)主要包括排號叫號系統(tǒng)、信息流系統(tǒng)、機電系統(tǒng)和打印系統(tǒng)。

3.1 排號叫號系統(tǒng)

排號叫號系統(tǒng)是一種綜合運用計算機、網(wǎng)絡(luò)、多媒體、通訊控制的高新技術(shù)產(chǎn)品，取代了各類服務(wù)性窗口傳統(tǒng)的由顧客站立排隊的方式，改由計算機系統(tǒng)代替客戶進行排隊[14]。本研究所運用的排號叫號系統(tǒng)，需要完成如下功能：① 利用讀卡器讀取患者信息。② 與信息流系統(tǒng)進行信息傳遞，對患者信息、系統(tǒng)信息進行獲取、核驗、處理。③ 統(tǒng)計分析已預(yù)約號和待預(yù)約號，通過顯示屏向患者提供選取采血時間段。④ 患者通過觸摸屏、鼠標、鍵盤選取采血時間段。⑤ 連接顯示屏和音響，向患者播報叫號信息，系統(tǒng)投射在大屏幕上顯示隊列序號、姓名、項目、窗口、預(yù)計等待時間等，系統(tǒng)連接上音響播報等待的患者[15]。

在醫(yī)院的管理系統(tǒng)里，醫(yī)院排隊系統(tǒng)的調(diào)度分配策略和醫(yī)院效率緊密相關(guān)[16]。如果不予以重視，可能會出現(xiàn)采血現(xiàn)場混亂、部分窗口采血堵塞等問題。此外，醫(yī)院的排隊系統(tǒng)還要求其具有高性能、高速度、高穩(wěn)定性等特點。

為了進一步提高系統(tǒng)的工作效率，本研究使用啟發(fā)式選擇算法進行排號。在每次排號前都檢查采血窗口的可用型，檢查采血窗口工作狀態(tài)，計算出各個采血窗口的最快完工時間，選擇完成時間最短的時間來派發(fā)采血任務(wù)[17]。假設(shè)有i個采血窗口，采血工作的處理時間遵從正態(tài)分布，其為（μ=t，σ2=3的Pt），成本計算步驟如下：

（1）檢查各個窗口的當前采血進度，計算出等待下一位患者所需的時間T1i。

（2）統(tǒng)計各窗口目前排隊人數(shù)Ni。

（3）患者等待時間T2i=T1i+Ni*Pt。

（4）任務(wù)完成時間Ti=T2i+Pt=T1i+Ni*Pt+Pt。

（5）對i個窗口的等待時間Ti進行從小到大進行排序Order Number =rank（Ti）。

（6） 將第Ni+1個患者推薦到Order Number 最小的窗口。

3.2 信息流系統(tǒng)

信息對于全自動采血系統(tǒng)是至關(guān)重要的，很多醫(yī)院在采血前后都要反復核驗病人信息。一旦出現(xiàn)事故，對于患者而言，可能會造成誤查、誤診等嚴重后果。這在醫(yī)院的管理和運營中，是不允許出現(xiàn)的[18]。

本研究中的信息流系統(tǒng)，主要功能之一是作為中間媒介和HIS/LIS、機電系統(tǒng)、打印系統(tǒng)、排號叫號系統(tǒng)進行對接協(xié)助其完成信息傳遞、核驗。主要功能之二是數(shù)據(jù)的處理加工站。信息流系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程如圖5所示。在和排號叫號系統(tǒng)對接時，患者到達排號叫號系統(tǒng)進行排號叫號操作時，排號叫號系統(tǒng)向信息流系統(tǒng)發(fā)起數(shù)據(jù)請求，信息流系統(tǒng)和HIS、LIS對接完成信息核驗，主要核驗患者的主信息（姓名、就診卡號、性別、年齡等）、檢驗信息（檢驗項目、本次檢驗時間、醫(yī)囑信息等）。在和機電系統(tǒng)和打印系統(tǒng)對接時，通過刷卡，信息流系統(tǒng)再次與HIS、LIS對接完成信息核驗，得到當前患者的檢驗項目信息（試管、醫(yī)囑），信息流系統(tǒng)將檢驗項目信息和相應(yīng)項目試管信息表匹配，向機電系統(tǒng)發(fā)送自動抓取相應(yīng)項目試管的指令，同時生成患者獨有的標簽信息，生成打印信息，最終發(fā)送給打印系統(tǒng)。

圖5 信息流系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

3.3 機電系統(tǒng)

由于其運行的環(huán)境特殊，醫(yī)療設(shè)備機電系統(tǒng)的設(shè)計和工業(yè)場合機電系統(tǒng)不一樣，需要有高效率、高穩(wěn)定性、高安全性、低噪聲、輕量化、易操作等多種特征。本研究所述的機電系統(tǒng)接收來自信息系統(tǒng)的指令信號，執(zhí)行相應(yīng)的機械指令，利用驅(qū)動器驅(qū)動XY運動軸電機，電動機械爪將試管從相應(yīng)的試管槽里取出并送至標簽粘貼工作區(qū)域，自動地進行粘貼標簽。程序流程如圖6所示。

圖6 試管取管貼標運動控制程序流程

機電系統(tǒng)主要由試管取管機械手、XY軸運動機構(gòu)、試管夾持貼標模塊組成。接收指令：信息流系統(tǒng)通過串口通信將指令信息發(fā)送給機電系統(tǒng)。分析指令：機電系統(tǒng)將接收到的指令進行區(qū)分，根據(jù)收到的指令不同，發(fā)送機械信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器驅(qū)動電機，完成不同的機械動作。指令與機電系統(tǒng)動作對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 指令與機電系統(tǒng)動作

（1）系統(tǒng)初始化。初始化程序，需要完成將試管取管貼標裝置回到設(shè)定的初始原點，包括X軸原點、Y軸原點、機械手原點、貼標模塊原點。

（2）取管、送管。Y軸向下移動到指定位置后，驅(qū)動機械手夾持住試管，由XY軸運動機構(gòu)把試管送往試管夾持貼標模塊。最后，試管夾持貼標模塊將試管夾持住。部分取管Arduino程序如圖7所示。

圖7 部分取管程序

（3）自動粘貼標簽。標簽需要沿著試管邊緣粘貼，漏出縫隙便于護士觀察采血量，故需檢測試管原標簽紙張邊緣。自動粘貼標簽的流程如圖8所示。值得注意的是發(fā)送打印信號到打印出紙需要一定的處理時間，這段時間里試管仍在旋轉(zhuǎn)，需要納入考量和調(diào)試。另外，電機帶動試管旋轉(zhuǎn)的速度需要在一定范圍內(nèi)，否則會造成標簽無法粘貼在試管上、粘貼過慢，影響整機運行效率，嚴重時會造成打印標簽堵死等后果。

圖8 自動粘貼標簽流程

3.4 打印系統(tǒng)

打印機系統(tǒng)選擇了嵌入式熱敏打印機模組，打印機控制指令為“字符串控制模式”，通信方式為Rs232串口通訊，波特率為115200。在此系統(tǒng)中，本研究使用信息流系統(tǒng)作為上位機，通過Rs232轉(zhuǎn)USB與打印機建立通訊，向打印機發(fā)送控制指令，進而驅(qū)動打印機執(zhí)行相應(yīng)的打印動作[19]。

PT561嵌入式打印模塊打印方式為熱敏打印，控制方式為基于串口通信的字符串控制方式。試管粘貼的標簽信息主要由條碼信息和字符信息組成。條碼信息包含了患者的特有編號信息，可通過連接HIS數(shù)據(jù)庫信息，獲取患者醫(yī)囑信息。文字內(nèi)容主要包括患者姓名、性別、年齡、采血編號、采血試管類型、醫(yī)囑等關(guān)鍵信息。打印機驅(qū)動編碼如圖9所示。

圖9 打印機驅(qū)動編碼

4 實驗與比較

針對本研究所述的全自動采血管理系統(tǒng)開展了實驗，并與市面上國內(nèi)外幾大公司的全自動采血管理系統(tǒng)做了比對（表2）。

表2 性能指標比較

5 結(jié)語

本研究設(shè)計了一套全自動采血管理系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了對接HIS/LIS、智能排號叫號、嵌入式打印、機械爪自動取管粘貼標簽等功能。該系統(tǒng)的機電系統(tǒng)、打印系統(tǒng)、信息流系統(tǒng)在實驗室進行了反復的實驗，具有較高的穩(wěn)定性、可靠性。然而，該系統(tǒng)的智能化、自動化仍存在許多不足。全自動采血系統(tǒng)會繼續(xù)朝著更加自動化、智能化方向發(fā)展，可以完善和改進的方面包括采血后的試管自動收集和分揀、自動將試管輸送到相應(yīng)的化驗室化驗、快速返回化驗結(jié)果、采血系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析以及運用更加智能的算法對排號叫號系統(tǒng)進行調(diào)度優(yōu)化等，這些將進一步提高醫(yī)院的信息化、智能化程度和服務(wù)質(zhì)量。