基于IoT的智慧云病房系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

任立全， 馬嘯天， 張翼凡

(山東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 濟(jì)南 250001)

0 引言

本文通過(guò)對(duì)智慧云病房系統(tǒng)的研究，介紹了系統(tǒng)的組成架構(gòu)、主要技術(shù)特點(diǎn)以及實(shí)現(xiàn)的主要功能，旨在解決當(dāng)前病房存在的痛點(diǎn)，消除信息孤島，提高病患的就醫(yī)體驗(yàn)，減輕醫(yī)護(hù)人員的工作量,用傳感器豐富了各類醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的采集來(lái)源，為將來(lái)醫(yī)療大數(shù)據(jù)的分析和共享奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 目前醫(yī)院病房存在的痛點(diǎn)

(1)當(dāng)前各類患者的收治信息與診斷體征，仍主要依靠醫(yī)護(hù)人員人工抄寫(xiě)錄入和核對(duì)，工作量大，效率較低。

(2)病房?jī)?nèi)各系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量龐雜，對(duì)接廠家售后眾多，各有側(cè)重、功能重疊、信息冗雜，未能有效整合，存在信息“孤島”。

(3)病人與陪護(hù)家屬獲取各類信息的渠道單一，大部分需要線下操作才能實(shí)現(xiàn)。

(4)病人的住院生活便捷性較低，對(duì)陪護(hù)人員體力和精神要求較高。

(5)病人及陪護(hù)家屬喜歡開(kāi)窗、開(kāi)空調(diào)、開(kāi)新風(fēng)、病房排氣扇及照明處于常開(kāi)狀態(tài)，造成醫(yī)院的能源浪費(fèi)，也容易引起醫(yī)患之間的矛盾。

(6)病人的精神需求得不到充分滿足，其低落情緒會(huì)影響康養(yǎng)進(jìn)程。

(7)醫(yī)院與患者的交互性差，缺少有效互動(dòng)。

針對(duì)以上痛點(diǎn)問(wèn)題，需要依托互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、RFID技術(shù)、云計(jì)算、人工智能、信息技術(shù)和多媒體技術(shù)，以及對(duì)病房場(chǎng)景、護(hù)理呼叫流程的深入理解，以全新的理念和方式探索智慧云病房系統(tǒng)解決方案，構(gòu)建醫(yī)患交互平臺(tái)，滿足醫(yī)護(hù)管理需求，有效提升患者在院滿意度。

2 智慧云病房的系統(tǒng)組成與架構(gòu)

智慧云病房系統(tǒng)主要由大數(shù)據(jù)云平臺(tái)系統(tǒng)、通訊傳輸系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及控制部分等組成。通過(guò)分層的架構(gòu)設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性，同時(shí)各層布置方式可靈活配置，使得系統(tǒng)對(duì)不同設(shè)備的適用性更高。圖1所示為智慧云病房網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)拓?fù)鋱D。

圖1 智慧云病房網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)拓?fù)鋱D

2.1 智慧云病房網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

(1)智慧云病房大數(shù)據(jù)云平臺(tái)

作為智慧病房系統(tǒng)的“大腦”，通過(guò)處理各種數(shù)據(jù)、設(shè)定管理策略，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸層對(duì)數(shù)據(jù)采集層進(jìn)行智能化管控，使得智慧病房系統(tǒng)能夠自主、高效、智慧運(yùn)行。系統(tǒng)利用 Web Service 技術(shù)與醫(yī)院 HIS、EMR、移動(dòng)護(hù)理系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

(2)通訊傳輸層

作為智慧病房系統(tǒng)的連接層，將數(shù)據(jù)采集層的各類裝置有機(jī)結(jié)合在一起，將數(shù)據(jù)傳輸至管理平臺(tái)；大數(shù)據(jù)平臺(tái)通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)對(duì)病房?jī)?nèi)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器下發(fā)指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的上傳和下控。

(3)數(shù)據(jù)采集層

作為智慧病房系統(tǒng)的基礎(chǔ)層，為大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供所需數(shù)據(jù)，包含各類終端設(shè)備、各種物理量采集傳感器和生理指標(biāo)采集傳感器。通過(guò)病房?jī)?nèi)智能控制器與傳輸層通訊，把數(shù)據(jù)上傳給系統(tǒng)平臺(tái)，該層具有高速率、高精度采集特點(diǎn)，能夠遠(yuǎn)傳、自診斷及自恢復(fù)，支持各種通用的通信協(xié)議。

2.2 智慧云病房基礎(chǔ)設(shè)備

(1)病房綜合布線

系統(tǒng)采用RS485總線等將傳感器和各種數(shù)據(jù)采用總線接入系統(tǒng)，用一根網(wǎng)線即可聯(lián)接所有的傳感器和控制面板，節(jié)省布線和安裝工時(shí),調(diào)試和維護(hù)方便,系統(tǒng)的可靠性更高，通過(guò)軟件可任意定義輸入和輸出端口。

(2)子系統(tǒng)智能控制

將不同的傳感器系統(tǒng)和控制器系統(tǒng)通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)接至系統(tǒng)平臺(tái)，根據(jù)每個(gè)子系統(tǒng)運(yùn)行特性建立對(duì)應(yīng)的控制模式和邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)智能化、精細(xì)化管控。

(3)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析及處理

通過(guò)對(duì)病房?jī)?nèi)各種物理量、各種電氣系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析和邏輯運(yùn)算，建立病房數(shù)據(jù)模型，按照預(yù)設(shè)模式、邏輯、算法來(lái)智能化的管控病房?jī)?nèi)環(huán)境和電氣設(shè)備。如當(dāng)房間內(nèi)CO2傳感器采集數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出指令命令開(kāi)窗器開(kāi)窗，同時(shí)打開(kāi)新風(fēng)系統(tǒng)。

(4)采用智能床墊或是智能醫(yī)療設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)采集體溫、血壓、心率、尿床、睡眠、運(yùn)動(dòng)量等數(shù)據(jù)，通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)處理接口，上傳到護(hù)士站的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，自動(dòng)轉(zhuǎn)錄到各類護(hù)理記錄中，護(hù)士不用現(xiàn)場(chǎng)采集和手工重復(fù)錄入，大大減小了醫(yī)護(hù)員的工作量。該設(shè)備可以實(shí)時(shí)接收、監(jiān)測(cè)、分析病人的各項(xiàng)生理數(shù)據(jù)，超出設(shè)定數(shù)據(jù)的，系統(tǒng)會(huì)給出建議或預(yù)警，該系統(tǒng)能通過(guò)大數(shù)據(jù)及預(yù)存病理庫(kù)，綜合分析患者的各項(xiàng)生理指標(biāo)，為醫(yī)生提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析及診療建議，大大提高醫(yī)療系統(tǒng)的智能化程度水平。

3 智慧云病房系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

系統(tǒng)是以病患為中心、病房和病床為承載平臺(tái)，以患者的健康數(shù)據(jù)管理為主線，通過(guò)云病房系統(tǒng)連接醫(yī)院的HIS系統(tǒng)及各個(gè)管理子系統(tǒng)，將醫(yī)護(hù)人員、患者、醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備通過(guò)多網(wǎng)絡(luò)緊密聯(lián)接聯(lián)通，建設(shè)以患者為中心的健康醫(yī)護(hù)云平臺(tái)，讓病人可感知、可操作，提高病人住院期間的就醫(yī)體驗(yàn)及舒適感，提升醫(yī)護(hù)人員工作效率的同時(shí)降低運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)方便快捷的智慧護(hù)理和智慧應(yīng)用。

3.1 物與物聯(lián)

物聯(lián)網(wǎng)感知房間內(nèi)的聲、電、位移、力、熱、光等信號(hào)，根據(jù)事件發(fā)生對(duì)象、空間、環(huán)境以及時(shí)間等相關(guān)信息來(lái)判斷事件，物體從感官到智能相聯(lián)，經(jīng)大數(shù)據(jù)運(yùn)算并上傳到云平臺(tái)。

智慧云病房系統(tǒng)是通過(guò)房間智能控制器，將病房?jī)?nèi)設(shè)施聯(lián)網(wǎng)集中控制，讓病人操作簡(jiǎn)便化、后臺(tái)數(shù)據(jù)清晰化、病人體征可視化、能耗管理可控化。例如，當(dāng)光照度傳感器采集數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)邏輯判斷，自動(dòng)關(guān)閉房間內(nèi)的燈光；當(dāng)病房?jī)?nèi)開(kāi)窗時(shí)間超過(guò)15min時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出指令關(guān)閉空調(diào)以節(jié)省能源；當(dāng)廁所紅外探測(cè)無(wú)人時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉廁所內(nèi)的排風(fēng)和燈光。

3.2 人與物聯(lián)

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)及傳感器技術(shù)，人機(jī)智能交互設(shè)備可以實(shí)時(shí)采集病人的各項(xiàng)生命體征數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析，供醫(yī)護(hù)人員參考；管理者或病人可通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)控制房間內(nèi)的所有電器和設(shè)備(如智能床墊和手環(huán))檢測(cè)到病人體溫變化，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算，自動(dòng)調(diào)整房間內(nèi)的溫度；病人可以現(xiàn)場(chǎng)用語(yǔ)音控制病房?jī)?nèi)各種電器設(shè)備和病床。

3.3 萬(wàn)物互聯(lián)

把所有人的信息和物的數(shù)據(jù)互聯(lián)起來(lái),進(jìn)行信息交換和處理,以實(shí)現(xiàn)智能化采集、識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理，實(shí)現(xiàn)真正意義的萬(wàn)物互聯(lián)。

4 智慧云病房系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)

病房是病人治療和生活的場(chǎng)所，智慧云病房實(shí)現(xiàn)的功能設(shè)計(jì)需考慮特殊的需求，如人員流動(dòng)大、靜音、易清潔、門(mén)窗管理、燈光控制、電器控制、防止交叉?zhèn)魅尽⒎乐乖斐扇藛T傷害以及開(kāi)窗與空調(diào)的矛盾等，這就對(duì)云病房智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了很多新的要求。智慧云病房外圍系統(tǒng)終端設(shè)備組網(wǎng)示意圖如圖2所示。

圖2 外圍系統(tǒng)終端設(shè)備組網(wǎng)示意圖

4.1 場(chǎng)景開(kāi)關(guān)面板

面板選用弱電型自復(fù)位式開(kāi)關(guān)，通過(guò)RS485協(xié)議與主機(jī)通信，采用“弱控強(qiáng)”的形式用網(wǎng)線與主機(jī)連接，可以讓系統(tǒng)對(duì)病房?jī)?nèi)的各種燈具、窗簾、開(kāi)窗器及電器等進(jìn)行單獨(dú)或組合智能控制，從而達(dá)到方便病人、提高舒適度及節(jié)能等效果。護(hù)士站也可遠(yuǎn)程自定義設(shè)置，即管理人員可以在電腦的系統(tǒng)軟件端自由設(shè)置和更改病房的場(chǎng)景及模式，提高便捷性和靈活性。

4.2 空調(diào)、新風(fēng)遠(yuǎn)程監(jiān)控

空調(diào)面板采用聯(lián)網(wǎng)型空調(diào)溫控器，通過(guò)RS485協(xié)議與主機(jī)通信，云平臺(tái)軟件對(duì)主機(jī)統(tǒng)一設(shè)置，如采用模式控制或分時(shí)間段控制空調(diào)、新風(fēng)設(shè)備，既能保持病房舒適度，又能節(jié)省能源。統(tǒng)一定時(shí)排風(fēng)，使病房保持空氣清新，且無(wú)需人工干預(yù)。該技術(shù)在某醫(yī)院已完成了約3 000控制點(diǎn)的智能化控制及系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)，取得了良好的應(yīng)用效果。

4.3 智能感應(yīng)設(shè)備

病房衛(wèi)生間采用紅外與微波雙鑒探測(cè)器，當(dāng)病人進(jìn)入衛(wèi)生間時(shí)不必手按開(kāi)關(guān)即可自動(dòng)點(diǎn)亮燈具，離開(kāi)衛(wèi)生間后自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉燈具，同時(shí)配合光照度感應(yīng)器，可設(shè)定光線充足時(shí)房間部分燈具不可打開(kāi)，既給病人提供了便捷的享受，又避免能源浪費(fèi)。

門(mén)窗磁可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)房間門(mén)窗的開(kāi)關(guān)狀態(tài)并記錄，在某些特殊情況下讓護(hù)士第一時(shí)間查詢到病人進(jìn)出房間的動(dòng)態(tài)信息；若房間空調(diào)正在工作且房間窗戶長(zhǎng)時(shí)間處于打開(kāi)狀態(tài)，超過(guò)一定時(shí)間后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)通過(guò)開(kāi)窗器將窗戶關(guān)閉或調(diào)整空調(diào)工作狀態(tài)，既保證了病人的身體健康，又避免了能源浪費(fèi)。

4.4 電量采集管理監(jiān)控

系統(tǒng)通過(guò)在病房?jī)?nèi)安裝電量采集模塊，采用RS485通信方式，可以實(shí)現(xiàn)病房電量統(tǒng)計(jì)及能耗分析；還可以對(duì)病房?jī)?nèi)電器及設(shè)備遠(yuǎn)程故障自診斷。當(dāng)病房?jī)?nèi)電器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)軟件則會(huì)實(shí)時(shí)報(bào)警，便于維護(hù)人員及時(shí)維修或更換設(shè)備，提高后勤維護(hù)效率。

4.5 智能語(yǔ)音音箱

病人可以通過(guò)智能語(yǔ)音音箱來(lái)控制房間內(nèi)燈光、空調(diào)、新風(fēng)、窗簾、電視等電器，以及智能問(wèn)答、講故事、聽(tīng)音樂(lè)等功能，在減緩病人焦躁情緒的同時(shí)，也帶來(lái)了更便捷的享受體驗(yàn)。

5 智慧云病房輔助醫(yī)療系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)通過(guò)云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和RFID、傳感器等新技術(shù)，以智能終端設(shè)備為載體，通過(guò)管理、服務(wù)的數(shù)字化、智能化與網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)病房個(gè)性化服務(wù)、便捷高效管理、節(jié)能降耗。圖3所示為智慧云病房輔助醫(yī)療系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖。

圖3 智慧云病房輔助醫(yī)療系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖

5.1 數(shù)據(jù)處理及越值報(bào)警

病房?jī)?nèi)根據(jù)需要可設(shè)置各種傳感器采集環(huán)境物理數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送至系統(tǒng)云平臺(tái)，由云平臺(tái)存儲(chǔ)并分析處理這些數(shù)據(jù)。設(shè)置在護(hù)士站的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示每位患者的生理指標(biāo)，超出設(shè)定數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)給出建議或預(yù)警，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)分析，減小了醫(yī)護(hù)員的工作量。

該系統(tǒng)能通過(guò)大數(shù)據(jù)及預(yù)存病理庫(kù)，綜合分析患者的各項(xiàng)生理指標(biāo)，為醫(yī)生提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析及診療建議，提高了醫(yī)療系統(tǒng)的智能化程度。

5.2 智能輸液監(jiān)控管理系統(tǒng)

采用先進(jìn)的RFID技術(shù)，設(shè)備通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)與主機(jī)通信，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)傳感器、RFID無(wú)線射頻、紅外感應(yīng)等技術(shù)，終端通過(guò)RFID無(wú)線射頻技術(shù)逐次掃描各床位的輸液監(jiān)控器，通過(guò)傳感器感知各個(gè)床位是否在輸液，并對(duì)輸液時(shí)的狀態(tài)(如輸液流速、輸液余量、剩余時(shí)間、滴速過(guò)快、過(guò)慢、滴停及輸液終末狀態(tài))通過(guò)無(wú)線技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸給中央站。當(dāng)輸液即將結(jié)束或藥液剩余量小于預(yù)先設(shè)定值時(shí)，中央站將通過(guò)音頻語(yǔ)音提示護(hù)士前去接瓶或結(jié)束輸液。

5.3 智慧床旁交互系統(tǒng)

通過(guò)床旁分機(jī)，不僅可以滿足接收治療提醒、查詢住院信息、填寫(xiě)調(diào)查問(wèn)卷等需求，還可以滿足床旁端患者與家屬的影音娛樂(lè)、住院生活等需求。護(hù)士通過(guò)權(quán)限認(rèn)證后，可在床旁隨時(shí)查閱患者各種信息、輸入各種體征以及執(zhí)行醫(yī)囑等操作；醫(yī)生通過(guò)權(quán)限認(rèn)證后，可在床旁隨時(shí)查閱患者入院以來(lái)的各項(xiàng)治療信息。

5.4 生命體征床墊

床墊采用超薄設(shè)計(jì)，可直接放置于現(xiàn)有床墊下，監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性不受影響，病人在無(wú)拘束狀態(tài)下，只需躺在床上即可監(jiān)測(cè)其心率、呼吸、在離床、體動(dòng)等生命體征數(shù)據(jù)，通過(guò)RS485通信方式與主機(jī)連接，將數(shù)據(jù)上傳智慧云平臺(tái)，在數(shù)據(jù)或狀態(tài)異常時(shí)主動(dòng)報(bào)警，做到對(duì)被監(jiān)護(hù)人的多級(jí)安全管理。

5.5 智能穿戴監(jiān)測(cè)設(shè)備

智能手環(huán)及電子血壓計(jì)均采用藍(lán)牙5.0協(xié)議與網(wǎng)關(guān)連接，通過(guò)有線/無(wú)線方式與主機(jī)實(shí)時(shí)通信，可24h監(jiān)測(cè)體溫、心率，同時(shí)手環(huán)可監(jiān)測(cè)病人的睡眠時(shí)間和睡眠質(zhì)量，并實(shí)時(shí)上傳至云端，當(dāng)體溫異常時(shí)，實(shí)時(shí)報(bào)警提醒醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行查看。血壓計(jì)采用第三代手腕式，使用方便，提供血壓檢測(cè)的同時(shí)可自動(dòng)測(cè)量心率數(shù)據(jù)，心率不齊時(shí)自動(dòng)推送至醫(yī)護(hù)人員。

5.6 智慧病床

智慧病床主控器通過(guò)RS485通信方式與主機(jī)連接，可以通過(guò)自帶遙控器控制病床的升高、降低、抬腿、翻身、清洗、加熱、吹風(fēng)等功能，對(duì)于不能自理的病人，可以通過(guò)智能語(yǔ)音音箱進(jìn)行語(yǔ)音控制，節(jié)省看護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

5.7 病房大數(shù)據(jù)及云平臺(tái)

病房大數(shù)據(jù)及云平臺(tái)相當(dāng)于一個(gè)智慧“大腦”，能夠思考和指揮。智慧“大腦”融匯了大量信息(大數(shù)據(jù))和知識(shí)(知識(shí)庫(kù))，并能不斷自適應(yīng)學(xué)習(xí)和進(jìn)化。針對(duì)外部刺激，“大腦”可以迅速對(duì)信息進(jìn)行有效組織和組合，作出決策并指揮相應(yīng)設(shè)備的行為動(dòng)作。

6 結(jié)束語(yǔ)