ICU患者溫控人機智能協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計研究*

王時惠，呂佳輝，張 軍，李志榕，劉宏智，黃偉紅，胡建中

(1.中南大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.中南大學(xué)湘雅醫(yī)院 移動醫(yī)療教育部-中國移動聯(lián)合實驗室，湖南 長沙 410008；3.湖南大學(xué) 設(shè)計藝術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410082；4.中南大學(xué)湘雅醫(yī)院 胸外ICU，湖南 長沙 410008)

一 引 言

重癥監(jiān)護病房(ICU)患者受危重病情影響，導(dǎo)致自身體溫調(diào)節(jié)中樞功能障礙，發(fā)熱發(fā)生率可高達(dá)70%。患者的高熱狀態(tài)若不能及時發(fā)現(xiàn)與處理，將引發(fā)心、肝、腎等臟器并發(fā)癥，并對腦血流量、腦代謝率和腦耗氧量造成影響，導(dǎo)致顱內(nèi)壓不斷升高，最終引發(fā)腦水腫，損害腦細(xì)胞。因此，及時對ICU患者實施溫控措施，能有效預(yù)防并發(fā)癥，對臨床治療具有重要意義[1-3]。

目前，我國ICU應(yīng)用的溫控產(chǎn)品主要為由護理人員人工放置與替換的冰袋與冰毯，該傳統(tǒng)方式因降溫持久度欠缺、無法對患者不同身體部位進行差異化溫度調(diào)節(jié)、患者體溫變化監(jiān)控不力、護理人員溫控監(jiān)護與處理費時費力及患者體驗不佳等問題[4-7]，亟須應(yīng)用智能技術(shù)，賦能ICU患者溫控服務(wù)，提高護理效率與質(zhì)量，改善ICU醫(yī)患溫控的用戶體驗。

在此背景下，本研究針對ICU醫(yī)患溫控的實際需求，從智能人機協(xié)同視角，提出了以護理床為中心，溫控精準(zhǔn)化、個性化與智能化的ICU患者溫控人機智能協(xié)同系統(tǒng)與軟硬件解決方案。

二 文獻(xiàn)綜述

人機智能協(xié)同系統(tǒng)，是指在高動態(tài)復(fù)雜環(huán)境中，通過人類與機器交互及協(xié)同的混合智能，在人機協(xié)同感知、協(xié)同認(rèn)知和協(xié)同控制下，人機關(guān)系從工具型關(guān)系向協(xié)作型關(guān)系轉(zhuǎn)變，從而實現(xiàn)人類智能和機器智能的優(yōu)勢互補、揚長避短，得以完成復(fù)雜情境下的復(fù)雜任務(wù)[8]。

目前，人機智能協(xié)同系統(tǒng)已被應(yīng)用于危險性高、工作負(fù)荷重、醫(yī)患需求日益增加的醫(yī)療領(lǐng)域，如皮膚癌診斷、手術(shù)機器人、外骨骼機器人等，相關(guān)研究表明，人機智能協(xié)同系統(tǒng)的應(yīng)用效果與效率明顯優(yōu)于單獨AI(人工智能)或醫(yī)生，在醫(yī)療領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[9-11]。

重癥監(jiān)護信息系統(tǒng)作為醫(yī)院信息系統(tǒng)的子系統(tǒng)，主要通過監(jiān)護儀、呼吸機、心電圖機、血氣分析儀等監(jiān)護設(shè)備，對患者進行數(shù)據(jù)信息采集，從而生成趨勢走向圖或預(yù)警，讓醫(yī)生和護理人員及時對患者實施相應(yīng)的治療和護理干預(yù)措施[12]。

近年來，國內(nèi)外重癥監(jiān)護信息系統(tǒng)的研究與設(shè)計，呈現(xiàn)出精準(zhǔn)化、個性化與智能化的特點。浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院ICU、護理部和信息中心提出了ICU精準(zhǔn)化液體信息管理系統(tǒng)，包含入量導(dǎo)入、全程預(yù)警提醒、閉環(huán)管理等功能，實時監(jiān)控患者液體的出入量，避免因過量造成的應(yīng)激性心功能損害和因不足導(dǎo)致的組織缺血缺氧、代謝紊亂、休克等并發(fā)癥[13]；貴州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科研發(fā)了重癥患者非計劃性拔管風(fēng)險預(yù)警和干預(yù)監(jiān)控信息系統(tǒng)，對不同風(fēng)險等級的重癥患者進行分級預(yù)警，并提供個性化護理干預(yù)方案[14]；美國佛羅里達(dá)醫(yī)學(xué)中心提出了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能軟件系統(tǒng)，結(jié)合患者生命體征變化，對敗血癥進行預(yù)警與發(fā)展監(jiān)控，為不同情境下敗血癥干預(yù)治療提供參考[15]。

上述研究為ICU患者溫控系統(tǒng)設(shè)計的精準(zhǔn)化、個性化與智能化的解決方案提供了良好的借鑒與參考。但目前人機智能協(xié)同系統(tǒng)尚處于交互向協(xié)同轉(zhuǎn)變的初級階段，人機關(guān)系中協(xié)同性體現(xiàn)仍不全面、不充分、不深入[16]，尤其在ICU監(jiān)護情景下的人機智能協(xié)同的研究與設(shè)計探討尚不多見。因此，研究ICU患者溫控監(jiān)護人機智能協(xié)同系統(tǒng)，對輔助護理人員在ICU復(fù)雜情境下完成煩瑣的溫控監(jiān)護及護理任務(wù)，應(yīng)對ICU患者多樣化溫控需求，降低患者因高溫誘發(fā)的并發(fā)癥生命健康風(fēng)險，具有重要的現(xiàn)實意義。

三 ICU患者溫控監(jiān)護需求調(diào)查與分析

作者所在課題組由具有醫(yī)療、設(shè)計和人工智能等醫(yī)工交叉學(xué)科知識結(jié)構(gòu)的人員組成，在三甲醫(yī)院胸外ICU展開的溫控護理情境調(diào)查中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有降溫方式如圖1所示，通過與護理人員深度訪談，得出傳統(tǒng)降溫方式下溫控監(jiān)護現(xiàn)存問題與未滿足的護理需求如下：

(1)預(yù)防型物理降溫方式任務(wù)煩瑣。當(dāng)護理人員人工測量與監(jiān)控到患者體溫呈上升趨勢時，需通過冰袋對患者后頸部進行預(yù)防型物理降溫，并每隔一段時間觸測冰袋溫度，及時更換冰塊以保證持續(xù)物理降溫效果。重復(fù)觸測溫度、更換冰塊、取替冰袋導(dǎo)致控溫護理任務(wù)煩瑣。

(2)治療型降溫方式操作不便。當(dāng)預(yù)防型物理降溫起不到作用且患者體溫持續(xù)上升到38.5攝氏度及以上時，醫(yī)生和護理人員對患者病情進行綜合判斷，采取治療型降溫。通過挪動患者，在病床上放置冰毯連接冰毯機，對患者整個后背進行物理降溫(或同時采取治療型藥物降溫)，整個過程操作不便。

(3)傳統(tǒng)方式下多樣化溫控需求滿足難。由于患者病情及其發(fā)展變化，需及時采取不同類型的降溫措施；患者不同身體部位溫控需求不同，如軀干溫度高需降溫，而四肢溫度偏低需升溫保暖；患者降溫區(qū)域的皮膚狀況需密切監(jiān)控，若出現(xiàn)皮膚凍傷情況，需及時調(diào)整或停止降溫模式，傳統(tǒng)降溫方式導(dǎo)致多樣化溫控護理需求滿足難。

圖1 現(xiàn)有ICU降溫方式

上述傳統(tǒng)降溫方式及護理流程極大程度地增加了ICU患者高質(zhì)高效護理服務(wù)的難度和護理人員的工作負(fù)荷。

四 系統(tǒng)設(shè)計

以用戶為中心的設(shè)計方法(UCD)是美國加利福尼亞大學(xué)唐納德·諾曼的研究實驗室于1986年提出的經(jīng)典設(shè)計方法論。在設(shè)計過程中，從用戶需求和感受出發(fā)，通過情景調(diào)查、需求分析、草圖設(shè)計、迭代反饋等[17]，讓設(shè)計去適應(yīng)用戶的使用環(huán)境、任務(wù)流程與行為習(xí)慣。該方法在設(shè)計領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，取得了良好的效果[18-20]。2020年美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)在國際人機交互大會中通過對人機智能協(xié)同系統(tǒng)的設(shè)計挑戰(zhàn)與設(shè)計方法進行文獻(xiàn)綜述與探討指出，在人機交互向人機協(xié)同轉(zhuǎn)變趨勢下，UCD方法及AI設(shè)計指導(dǎo)方針在人機智能協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計初期階段，均有助于設(shè)計的發(fā)展與評估[21-24]。

本研究應(yīng)用UCD設(shè)計方法，在ICU復(fù)雜多任務(wù)情境、溫控護理任務(wù)類型、及差異化處理需求分析基礎(chǔ)上，從人機智能協(xié)同的角度，根據(jù)協(xié)同感知的適應(yīng)性、協(xié)同認(rèn)知的時效性、協(xié)同控制的情境相關(guān)性以及人工干預(yù)的便捷性等AI設(shè)計指導(dǎo)方針[25]，發(fā)展了多個以不同智能體為中心的人機智能協(xié)同系統(tǒng)草圖方案。以護理人員反饋為依據(jù)，選取了以護理床為中心的ICU患者體溫監(jiān)護人機智能協(xié)同系統(tǒng)(圖2)，并確定了系統(tǒng)中智能護理床溫控的能動性程度與范圍，進行了情境自適應(yīng)、主動交互模式以及動態(tài)學(xué)習(xí)與修正設(shè)計。在ICU溫控護理情境下，智能護理床結(jié)合顯示屏與護理人員手機界面(圖3)，發(fā)揮人類智能和機器智能的優(yōu)勢，揚長避短，完成ICU復(fù)雜情境下患者多樣化溫控護理任務(wù)，其人機智能協(xié)同模式與溫控原理如下：

(1)枕部預(yù)防型主動降溫模式。當(dāng)智能護理床床面緊貼患者背部與頸后部的溫度感應(yīng)模塊檢測到患者體溫呈上升趨勢時，將自動開啟枕部預(yù)防型主動降溫模式，并在床尾顯示屏上顯示輕度溫控預(yù)警、患者病情信息、體溫變化趨勢圖及現(xiàn)溫控處理模式，同時發(fā)送預(yù)警信息至醫(yī)生和護理人員手機。

(2)軀干治療型主動降溫模式。當(dāng)智能護理床的溫度感應(yīng)模塊檢測到患者體溫仍呈持續(xù)上升趨勢或突然升高至38.5攝氏度時，將自動切換或開啟治療性主動降溫模式，并在床尾顯示屏上顯示中度或重度溫控預(yù)警，同時致電提醒醫(yī)生和護理人員到床旁確認(rèn)患者情況，結(jié)合采取人工干預(yù)措施處理。

(3)多溫控需求主動調(diào)節(jié)模式。當(dāng)智能護理床位于患者手部和足部位置的紅外溫度感應(yīng)器檢測到患者四肢溫度低于正常值時，將自動開啟患者四肢紅外升溫保暖模式，并在顯示屏上顯示患者病情信息、不同身體部位體溫現(xiàn)狀以及現(xiàn)溫控處理模式。

(4)溫控主動節(jié)能模式。當(dāng)智能護理床面通過壓力傳感器檢測到患者體型的胖瘦時，將自動增減符合患者體型的溫控模塊，進行節(jié)能模式溫控。

(5)患者舒適度主動調(diào)節(jié)。根據(jù)患者的頸部曲線，智能護理床能自動調(diào)整枕部形態(tài)，使其更貼合人體曲線。溫控模塊能根據(jù)患者軀干與四肢溫度情況，進行適宜降溫與升溫，防止患者皮膚凍傷或燙傷。

圖2 ICU患者溫控監(jiān)護智能護理床

圖3 ICU患者溫控監(jiān)護智能護理床顯示屏及護理人員手機界面

(6)溫控動態(tài)學(xué)習(xí)與修正。當(dāng)護理人員收到智能預(yù)警后或通過智能護理床床尾的顯示屏預(yù)警注意到患者體溫變化異常時，可以到床旁查看患者基本病情信息、體溫變化趨勢圖、預(yù)警提示以及現(xiàn)溫控處理模式。醫(yī)生和護理人員結(jié)合患者病情，可通過智能護理床顯示屏或手機，進行人工溫控設(shè)置。同時，智能護理床通過醫(yī)生和護理人員的人工干預(yù)設(shè)定，進行自主學(xué)習(xí)與修正。在物理降溫?zé)o效的情況下，醫(yī)生和護理人員可采取其他人工干預(yù)措施，如藥物治療。

在迭代設(shè)計與優(yōu)化結(jié)束后，項目組邀請了3名三甲醫(yī)院ICU資深護理人員，對上述以護理床為中心的ICU患者溫控人機智能協(xié)同系統(tǒng)方案進行了反饋與評估(圖4)。其結(jié)果顯示該方案對多類型醫(yī)患溫控需求的適應(yīng)性、溫控調(diào)節(jié)的時效性、信息顯示的易懂性以及人工干預(yù)的便捷性良好，能滿足護理人員在ICU復(fù)雜情境下對患者進行預(yù)防型降溫、治療型降溫及不同身體部位多樣化溫控護理需求，提高護理人員的工作質(zhì)量與效率，降低護理人員的工作負(fù)荷，改善ICU患者溫控用戶體驗，降低患者生命健康風(fēng)險。

圖4 ICU患者溫控人機智能協(xié)同系統(tǒng)的評估

五 結(jié) 論

本研究從ICU患者的溫控護理需求出發(fā)，通過應(yīng)用以用戶為中心的經(jīng)典設(shè)計理論方法和AI設(shè)計指導(dǎo)方針，提出了以護理床為中心的ICU患者溫控人機智能協(xié)同系統(tǒng)。根據(jù)ICU復(fù)雜多任務(wù)情境、溫控護理任務(wù)類型及差異化處理需求，設(shè)計了智能護理床溫控的能動性程度與范圍，以及情境自適應(yīng)、主動交互模式和動態(tài)學(xué)習(xí)與修正功能，并通過三甲醫(yī)院資深護理人員的反饋與良好評價，一定程度上驗證了設(shè)計方案的合理有效性、效率、便捷性與易懂性，為輔助護理人員在ICU復(fù)雜情境下建立健全I(xiàn)CU重點人群健康信息的自動感知、存儲傳輸、評估預(yù)警等人機智能協(xié)同系統(tǒng)，完成多需求溫控護理任務(wù)，降低患者生命健康風(fēng)險，提供了參考與借鑒。