基于ROS機(jī)器人的口腔模型交接電子標(biāo)簽掃描系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳儉?李新培?孫鋮鋮?王健

摘要：針對(duì)醫(yī)院在口腔模型手工交接中費(fèi)時(shí)費(fèi)力、易出差錯(cuò)、丟失的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了ROS機(jī)器人口腔模型交接電子標(biāo)簽掃描系統(tǒng)?；赗OS機(jī)器人的操作系統(tǒng)結(jié)合樹(shù)莓派PC技術(shù)，以及節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)對(duì)接、通信傳輸數(shù)據(jù)技術(shù)和射頻識(shí)別技術(shù)構(gòu)建了工作平臺(tái)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)試運(yùn)行及對(duì)多個(gè)口腔模型掃描測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，解決了護(hù)士在模型管理中出現(xiàn)因字跡模糊導(dǎo)致的差錯(cuò)和丟失問(wèn)題，縮短交接時(shí)間，提高了工作效率，實(shí)現(xiàn)了以電子化替代手工口腔模型交接管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存管理的預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：ROS機(jī)器人；口腔模型；電子標(biāo)簽

一、前言

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)正逐步應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，必然促進(jìn)口腔專(zhuān)科護(hù)理管理、操作流程、護(hù)理模式變革和發(fā)展[1]。南通大學(xué)附屬南通市口腔醫(yī)院是一所市級(jí)三級(jí)口腔醫(yī)院，2023年患者門(mén)診量達(dá)到3萬(wàn)多人次。修復(fù)科、正畸科、綜合科、兒童牙病科的模型較多，各類(lèi)模型的制作和保存、與外包技工所的交接是護(hù)理工作的重要部分。長(zhǎng)期以來(lái)，南通大學(xué)附屬南通市口腔醫(yī)院在口腔模型管理上還處于低層次。例如，模型做好后，把病人信息和編號(hào)寫(xiě)在小紙條上粘貼于模型，在模型外送交接等環(huán)節(jié)上，不時(shí)發(fā)生因字跡模糊、脫落造成模型差錯(cuò)和丟失現(xiàn)象，出現(xiàn)與患者糾紛問(wèn)題，是護(hù)理管理的難題。鑒于此，該院護(hù)理科研小組跨學(xué)科合作研發(fā)了機(jī)器人口腔模型電子標(biāo)簽掃描系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用ROS機(jī)器人系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS）為主的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，與樹(shù)莓派技術(shù)結(jié)合，進(jìn)行電子標(biāo)簽掃描模塊設(shè)計(jì)，構(gòu)建出分布式監(jiān)控系統(tǒng)的框架。ROS具有強(qiáng)大的通信和控制功能，支持多種編程語(yǔ)言和節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[2]。樹(shù)莓派（Raspberry Pi）是為計(jì)算機(jī)編程教育而設(shè)計(jì)的卡片式電腦，底層是一個(gè)完整的Linux操作系統(tǒng)。樹(shù)莓派是一個(gè)開(kāi)放源代碼的硬件平臺(tái)，具備I/O功能的電路板及ARM芯片，能編程、連接外部設(shè)備，功能多，用途廣泛。樹(shù)莓派操作系統(tǒng)是在ROS框架下運(yùn)行，主要進(jìn)行系統(tǒng)算法的處理，根據(jù)傳感器反饋的信息到主控系統(tǒng)。一個(gè)樹(shù)莓派連接多個(gè)檢測(cè)接頭，擴(kuò)大單個(gè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控視角范圍，每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間相互通信，向設(shè)定服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，電子標(biāo)簽跟蹤數(shù)據(jù)獲取，反饋到讀取器，再回到ROS主控電腦數(shù)據(jù)庫(kù)記錄存儲(chǔ)（見(jiàn)圖1）。

三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

（一）控制系統(tǒng)硬件和軟件的組成

硬件設(shè)計(jì)主要包括主控制ROS選型、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建，樹(shù)莓派終端電路、串口通信接口電路、顯示控制電路設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集電路。軟件設(shè)計(jì)主要包括ROS系統(tǒng)主程序、無(wú)線(xiàn)信號(hào)組網(wǎng)構(gòu)建程序、射頻識(shí)別數(shù)據(jù)采集程序、顯示控制程序、樹(shù)莓派終端控制算法程序等。

（二）電子標(biāo)簽系統(tǒng)組成

主控系統(tǒng)采用與RFID電子標(biāo)簽（Radio Frequency Identification，RFID）鏈接，即射頻識(shí)別[3]。RFID技術(shù)由標(biāo)簽、解讀器、數(shù)據(jù)傳輸和處理系統(tǒng)三部分組成，是當(dāng)代通信的一種技術(shù)，可通過(guò)無(wú)線(xiàn)電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)[4]。在RFID系統(tǒng)里包含一些基本組件，組件分為硬件和軟件，從實(shí)用功能可將RFID系統(tǒng)分為邊沿系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。

（三）紐扣式高頻近程電子標(biāo)簽

在RFID系統(tǒng)中，識(shí)別信息存放在電子數(shù)據(jù)載體中，電子數(shù)據(jù)載體稱(chēng)為應(yīng)答器（即電子標(biāo)簽），應(yīng)答器中存放的識(shí)別信息由閱讀器讀寫(xiě)（應(yīng)答器嵌入在口腔模型內(nèi)）。RFID系統(tǒng)由閱讀器、應(yīng)答器和高層（ROS主控系統(tǒng)）等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.高層（即ROS主控系統(tǒng)）

電子掃描跟蹤是由多個(gè)閱讀器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)系統(tǒng)，需要在高層（這里是指ROS主控系統(tǒng)）將多個(gè)閱讀器獲取的數(shù)據(jù)有效整合，提供查詢(xún)、追蹤等相關(guān)管理和服務(wù)。

2.閱讀器

對(duì)應(yīng)答器提供能量，進(jìn)行讀寫(xiě)操作的設(shè)備。

3.應(yīng)答器

RFID的核心是應(yīng)答器，閱讀器根據(jù)應(yīng)答器的性能而設(shè)計(jì)。應(yīng)答器在某些應(yīng)用場(chǎng)合被稱(chēng)為射頻卡、標(biāo)簽等。

在RFID系統(tǒng)中，射頻識(shí)別部分主要由閱讀器和應(yīng)答器兩部分組成。閱讀器與應(yīng)答器之間的通信采用無(wú)線(xiàn)射頻方式進(jìn)行耦合。RFID可以分為電感耦合（磁耦合）和反向散射耦合（電磁場(chǎng)耦合）兩大類(lèi)。一般電感耦合工作距離比較近，而反向散射耦合工作距離可以達(dá)到1米以上，因此采用了反向散射耦合工作方式（見(jiàn)圖3）。

在反向散射耦合的RFID系統(tǒng)中，閱讀器與應(yīng)答器之間耦合的工作原理如下：閱讀器通過(guò)閱讀器天線(xiàn)發(fā)射載波，其中一部分被應(yīng)答器天線(xiàn)反射回閱讀器天線(xiàn)。閱讀器天線(xiàn)收到攜帶有調(diào)制信號(hào)的反射波后，經(jīng)收發(fā)耦合、濾波放大，再經(jīng)解碼電路獲得應(yīng)答器發(fā)回的信息。閱讀器是為應(yīng)答器提供能量，進(jìn)行讀寫(xiě)操作的設(shè)備。讀到的信息通過(guò)樹(shù)莓派串口傳送至樹(shù)莓派主板，樹(shù)莓派處理完電子標(biāo)簽的信息后，通過(guò)自組無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸至ROS主控系統(tǒng)。

四、RFID讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)

讀卡器硬件系統(tǒng)基于MF RC500的RFID技術(shù)Mirfare1卡讀寫(xiě)器系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖4所示。

硬件主要由STM32F407單片機(jī)、MFRC500以及232通信等接口模塊組成。內(nèi)置I2C、SPI、USART、I2S、CAN和SDIO等通信協(xié)議接口，使用非常方便。

五、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

樹(shù)莓派處理完電子標(biāo)簽的信息后，通過(guò)自組無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸至ROS主控系統(tǒng)。ROS主控系統(tǒng)的主控是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取。這個(gè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取采用了ling to sql數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)。

ling to sql（或者叫DLINQ）是ling（.NET 語(yǔ)言集成查詢(xún)）的一部分，全稱(chēng)基于關(guān)系數(shù)據(jù)的.NET語(yǔ)言集成查詢(xún)。用于以對(duì)象形式管理關(guān)系數(shù)據(jù)，linq to sql是linq的擴(kuò)展框架，支持linq針對(duì)SQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢(xún)（將查詢(xún)的條件轉(zhuǎn)化為SQL語(yǔ)句）。linq是一種語(yǔ)法和函數(shù)庫(kù)，它使得C#程序員可以用更簡(jiǎn)單的方式構(gòu)造查詢(xún)。linq不僅可以查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)，還可以查詢(xún)對(duì)象、數(shù)組、xml文件等。sql server 2010是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，它為高性能的數(shù)據(jù)庫(kù)解決方案提供了基礎(chǔ)的軟件。如果將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在sql server中，linq只是一個(gè)調(diào)用，后端還是要翻譯成sql在sql server中執(zhí)行。數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示。

ROS主控的數(shù)據(jù)通過(guò)上位機(jī)端口COM3接入。數(shù)據(jù)接收區(qū)顯示的是電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)，模型編號(hào)框中是解出的標(biāo)簽信息。日期框是當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間，它是標(biāo)簽的讀入時(shí)間信息。模型編號(hào)和標(biāo)簽的讀入時(shí)間自動(dòng)存入sql server 2010數(shù)據(jù)庫(kù)，在sql server 2010 中建立了一個(gè)名為KOUQ的數(shù)據(jù)庫(kù)，上圖下方有一個(gè)數(shù)據(jù)表格，這個(gè)表格是屬于KOUQ數(shù)據(jù)庫(kù)的，是在建立 KOUQ數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)添加進(jìn)來(lái)的。讀到的數(shù)據(jù)就保存在此表中，可以看到剛剛讀取的RFID卡中的模型號(hào)已保存在此表中了。在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)等后續(xù)工作。

六、測(cè)試與結(jié)果

目前，項(xiàng)目研究已經(jīng)進(jìn)入測(cè)試階段，測(cè)試目的是了解和檢驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能和相關(guān)指標(biāo)：第一，啟動(dòng)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間、高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下檢測(cè)本系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性。第二，測(cè)試系統(tǒng)操作與臨床實(shí)際情況符合程度。第三，測(cè)試患者診療信息輸入和掃描電子標(biāo)簽的反饋情況。

測(cè)試方法：從臨床隨機(jī)抽取多個(gè)口腔模型嵌入電子標(biāo)簽，按臨床使用過(guò)程進(jìn)行操作，按診療記錄電子掃描查找、檢測(cè)系統(tǒng)功能情況、信息準(zhǔn)確程度、速度及效率等。整個(gè)測(cè)試驗(yàn)證在全閉環(huán)系統(tǒng)下進(jìn)行。另外，隨機(jī)抽取觀察組和對(duì)照組各100例進(jìn)行模型交接，由科研組人員監(jiān)督記錄時(shí)間和數(shù)量，通過(guò)兩組比較發(fā)現(xiàn)，觀察組在交接時(shí)間上明顯比對(duì)照組縮短，工作效率大大提高。

測(cè)試結(jié)果顯示：護(hù)理操作者在科研組人員指導(dǎo)下通過(guò)對(duì)多個(gè)臨床模型掃描的模擬測(cè)試，尚未發(fā)現(xiàn)各功能模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤、障礙或死機(jī)現(xiàn)象，表明該系統(tǒng)具有較好的臨床輔助功能，操作方便快捷，界面顯示精準(zhǔn)記錄信息，對(duì)口腔模型管理掃描系統(tǒng)的完整性、安全性均較滿(mǎn)意。模型電子標(biāo)簽化管理也具有很多優(yōu)點(diǎn)，電子標(biāo)簽識(shí)別準(zhǔn)確無(wú)誤，識(shí)別距離具有靈活性，并且可以同時(shí)識(shí)別讀取多個(gè)標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)快速掃描[5]，做到穿透性和無(wú)屏障閱讀，具備抗污染能力和耐久性、安全性、可重復(fù)使用等特點(diǎn)[6]。

七、結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目基于ROS機(jī)器人系統(tǒng)與樹(shù)莓派組合設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了電子標(biāo)簽掃描管理系統(tǒng)，并采用了先進(jìn)非接觸式的掃描自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)射頻信號(hào)識(shí)別模型上的電子標(biāo)簽，讀取信息傳遞給管理系統(tǒng)，然后自動(dòng)分類(lèi)、統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)。解決了護(hù)士模型交接中所產(chǎn)生的問(wèn)題，改變了原來(lái)落后的手工操作，提高工作效率和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)模型電子標(biāo)簽化管理。

該系統(tǒng)通過(guò)多次調(diào)試、改進(jìn)、試用，具有性能穩(wěn)定、可靠、設(shè)置操作方便、造價(jià)低、兼容性好、運(yùn)行速度快等特點(diǎn)，達(dá)到預(yù)想設(shè)計(jì)的目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)了護(hù)士對(duì)模型交接電子標(biāo)簽化和電腦數(shù)據(jù)庫(kù)記錄存儲(chǔ)的管理模式。智能化管理大大減輕了護(hù)士工作繁瑣的流程，節(jié)約了交接時(shí)間，降低了護(hù)士勞動(dòng)強(qiáng)度，顯示了模型電子標(biāo)簽化管理的優(yōu)勢(shì)，提高了工作效率和服務(wù)質(zhì)量，避免了差錯(cuò)，減少醫(yī)患糾紛，提高醫(yī)院服務(wù)滿(mǎn)意度。

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基金項(xiàng)目：南通市基礎(chǔ)科學(xué)研究和社會(huì)民生科技計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：Jcz2022042）

責(zé)任編輯：張津平