医院船人员定位及体征监测辅助系统设计

倪 健，骆星九，刘 勇，邵壮超，曹保根

（海军特色医学中心，上海 200433）

0 引言

医院船是专门用于对伤病员和海上遇险者进行海上救护、治疗和运输的船舶，主要用于战时实施作战海区卫勤保障任务，平时根据任务需要，遂行舰艇出访、沿海岛礁医疗巡诊以及突发事件、灾害的医学救援等任务，并可作为提供海上卫勤训练或教学的平台。

医院船作为海上大型救治平台，舱室众多，执行任务时接收伤病员数量较大，为更好地管理医务人员和及时救治伤病员，提高医务人员工作效率，本文基于数据通信、软件交互集中管理等技术，综合考虑终端布置和网络架构方案及总体性能，从为医务人员提供系统、科学、合理的数据信息角度出发，开展医院船人员定位及体征监控辅助系统的研究工作[1]。

1 现状与需求

1.1 国内外研究现状

随着科学技术的发展，人员定位及生命体征监测技术也逐渐从研究进入了应用阶段。国外较为典型的有单兵生命状态检测器WPSM[2]和Smart Shirt（智能衬衫）[3]，通过士兵身上佩戴的传感器及微处理器，将生命体征信息进行存储或传输。VivometricsTM公司的Life Shirt计划[4]，是利用远程医疗技术来达到监测身体健康状况的功能。我国也研究了飞行员生理参数记录仪[5]、战场士兵多生命体征监测头带[6]等相关设备，用以记录和传输单兵生命体征数据。在舰船人员定位及监测方面，任伟等[7]、唐磊等[8]设计了基于ZigBee无线传感网络技术进行大型舰船人员实时定位的方法，用以解决复杂舱室环境和电磁环境下的人员高精度实时定位问题。谢泰等[9]、徐执印等[10]对舰船人员定位及生命体征监测的现状、传输技术以及系统进行了研究，设计了通过超宽带、卫星定位技术实现舰艇舱内及落水人员定位搜救，利用穿戴设备传感器进行人员生命体征监测，并进行数据传输的信息系统。

1.2 需求分析

由于舰船人员数量有限、各司其职，缺乏专人进行系统软硬件维护与保养工作，平时使用过程中发现的问题难以及时反馈与升级修复，致使系统适应性下降。此外，穿戴设备传感器偏多、设计复杂，导致穿戴使用不便，舰船定位与体征监测数据准确性不足，也是降低用户使用意愿的一大因素。

医院船作为海上重要的卫生勤务船舶，无论战时执行医疗后送任务还是平时执行巡诊、医疗救援、模拟训练等任务时，都存在并发伤病员人数多、救援任务重、瞬时工作量巨大的问题。为更好地管理、监控伤病员和及时救治重病人员、统一调配医疗救护人员，应研发能够提高人员工作效率与容错率、为各系统各环节的统一调度和调配提供重要支持的医疗服务监测辅助系统。同时，医院船本身具有医疗信息系统相关配套软硬件，医护人员及信息技师对信息系统的操作和维护具有扎实基础，设计人员定位及体征监测辅助系统，做好与信息系统的数据接口与人机交互，不会过多增加系统维护工作量，并可有效提高舰船卫勤保障能力。

2 系统设计

2.1 总体架构

系统采用分布式终端-集中数据管理的构架设计，由一个服务器机柜、一台管理计算机、多个现场交换机、若干无线AP以及若干便携式终端组成。其中现场交换机和无线AP按照医院船医疗区域舱室采用就近分布的原则进行配置安装。整个系统采用有线、无线以太网通信。系统预留医疗信息系统数据接口，用于获取本船当前伤病员和医务人员信息，同时还预留标准外部扩展接口。医院船人员定位及体征监测辅助系统整体结构如图1所示。

图1 医院船人员定位及体征监测辅助系统整体结构图

2.2 硬件组成

硬件部分采用服务器-局域网-终端的构架形式，通过无线网络连接各个人员佩戴的便携式终端。硬件系统由服务器机柜（内装服务器、网络交换机、KVM、UPS等）、管理计算机、便携式终端（智能手表、智能手环）、通信设备（网络交换机、无线AP、无线AC）等硬件组成。医院船人员定位及体征监测辅助系统硬件结构如图2所示。

图2 医院船人员定位及体征监测辅助系统硬件结构图

2.3 软件组成

软件部分采用浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）架构的设计，用户通过浏览器进行系统功能应用。终端软件采用内置与便携式终端的方式设计，实现数据自动交互功能。系统软件包括系统管理服务软件、终端设备管理软件、便携式设备内置软件三大部分，结构如图3所示。

2.4 工作流程

图3 医院船人员定位及体征监测辅助系统软件结构图

系统通过现场添加人员和与医疗信息系统数据库接口实现伤病员、医护人员与终端的绑定功能，终端便携式设备绑定后发放给每个医护人员与伤病员。使用人员的定位与体征监测数据通过佩戴的智能手表或手环中内置的传感器将数据传输至服务器。指挥人员通过信息综合展示界面实时了解医护人员及伤病员的基本信息，根据全船工作需要统一调配医护人员。系统对超出预设边界的状态进行报警提醒，体征指标异常信息提供给指挥人员进行数据参考[11]。当进行模拟训练时，则通过终端信息录入设备批量录入终端便携式设备（智能手表及智能手环），通过管理计算机实现批量绑定，并分发给各参训人员。

3 关键技术

3.1 舱内定位技术

由于船舱内部对全球定位系统（global positioning system，GPS）信号的屏蔽，目前较为常用的室内定位手段为Wi-Fi和蓝牙。Wi-Fi定位是基于标准的IEEE 802.11无线局域网（wireless local area networks，WLAN），定位算法是基于接收到Wi-Fi信号的强度。在覆盖WLAN的地方，定位设备周期性地发出信号，WLAN访问点（AP）接收到信号后，将信号传送给定位服务器。Wi-Fi定位有三角法、指纹法等[12]。船用环境中船内结构复杂、障碍物多，易形成多路径干扰，导致信号变化较大，本系统利用Wi-Fi定位技术，采用三角定位法、指纹定位法相结合的算法能实现船内区域定位。

3.2 接口与标准化技术

为了更加高效地采集医护及伤病员信息，系统建立了标准的通信协议服务功能，用于获取和发送数据，包含Modbus TCP/UDP自定义协议及AC信息数据接口。为减少医护人员工作量，切实提高工作效率，与船载医疗信息系统同步开发了信息接口。同时为了便于岸基管理信息系统更好地采集、利用相关数据，将数据进一步开发利用，系统软硬件均留有标准通信接口，在满足符合接口要求的情况下，可对外扩展相应设备与其他信息系统进行信息交互。

3.3 环境适应性与可靠性

由于海上特殊的霉菌、盐雾、湿热等环境条件，再加上海上舰船航行过程中的摇摆、冲击、振动等因素影响，极易对软硬件系统造成损坏。为适应船用环境，本系统主要硬件均采用船用加固设计，对软件进行陆上联调及第三方测试，还将进行系泊与航行试验，综合验证系统软硬件的环境适应性与可靠性。

4 功能实现

医院船大部分医疗区域将实现信号覆盖。执行任务期间，系统可实现医护人员与伤病员在医疗区域内的人员定位、体征监测、消息推送、定时提醒、人员调配、报警等功能。

4.1 人员定位

预先在医疗区域铺设无线AP，舱室人员定位功能主要通过便携式设备网卡与无线AP的连接信息状态，经定位算法计算后确定该设备所处舱室，从而实现人员定位的功能。系统将根据时间轴记录人员轨迹并保存轨迹数据，用以数据分析及其他研究需要。人员轨迹回放界面如图4所示。

图4 人员轨迹回放界面

4.2 体征监测

若要实现体温、心率、呼吸、血压、运动、睡眠等全部体征监测，需要多传感器全身多处佩戴，目前技术还不能综合集成于手表或手环设备中。考虑到设备实用性以及医院船本身就具备较为完善的医疗设施，本文通过便携式设备的心跳、重力传感器与穿戴设备内置软件，实现系统对相关人员的基本生命体征监测，研究重点在于如何避免正常活动对信号监测的影响，并尽量降低设备功耗，延长待机时间，提高数据的准确性与有效性。

4.3 消息推送

管理人员在管理计算机处，可对各带屏幕的便携式终端发送推送信息。当便携式终端接收到此类信息时，通过振动提醒佩戴者。推送信息主要用于发送通知、临时消息，指派医疗工作等。该功能可实现管理人员与作业人员的实时沟通和信息交互，达到作业工况下人员的高效调配。

4.4 定时提醒

经过对操作系统的通知栏框架代码进行研究，添加了通知栏的软件接口，使在线医疗服务监控系统的手表软件可以调用此接口，实现推送消息前端显示。

管理人员在管理界面中对相关人员设置定时提醒功能，当满足时间要求时，服务器自动发送提醒消息到相应人员的终端。该功能用于对相关人员发送提醒消息（如吃药、用餐、就诊等通知）。

具有显示屏的终端设备（智能手表）佩戴人员，可手工设置提醒功能和提醒内容，当满足时间要求时，设备自动提醒佩戴者。该功能主要用于医务人员手动设置事项提醒。

4.5 人员调配

通过舱室模型和人员配置数字化建模，形成具有针对性的模型算法，实现医疗任务时的人员分配控制建议。数学建模的基本信息有舱室位置、医务人员信息（位置、工作强度、工作时间）、病员信息（位置、紧急程度、重要性）、仪器设备状态。该功能可以大大减少工作量，在医务人员配置紧张时最大限度配置医疗资源，实现最优的医疗救助方案。

4.6 报警

系统的报警主要有心率过低、生命状态缺失、超出医疗范围（外籍或预设人员）、医务人员过劳、区域人员密度过大等。针对不同报警，系统管理员界面中通过不同方式进行显示，但均可在历史报警记录中进行查询。其中心率过低、生命状态缺失将即时显示于软件系统前端界面，且无法被消除，直到管理人员输入密令进行手动确认；超出医疗范围报警将显示于软件系统主界面；医务人员过劳报警主要在工作强度高的情况下，告知管理人员合理调配人员工作，尽量平衡人员工作量，起到一定的辅助决策作用。

5 系统测试

系统经过多次测试，性能稳定，环境适应性良好，采集端可以在30 s内快速采集和发送数据。人员定位信息较为准确，越界、过劳等行为可及时反馈给指挥人员提供决策参考。人员体征信息受环境及佩戴习惯影响较大，为尽量减少误判导致报警情况发生，可手动设置提醒与报警条件。此外，系统特意为医疗队训练设置的训练模式可快速批量设置及抹除人员信息，供参训人员使用。

6 结语

医院船人员定位及体征监测辅助系统利用穿戴设备与无线AP结合，采用Wi-Fi定位算法进行人员定位；通过穿戴设备监测人员当前基本体征，通过消息推送实现管理人员与作业人员的实时沟通和信息交互，达到了作业工况下人员的高效调配。本系统不足之处在于为实现终端设备的实用性与便携性，牺牲了生命体征采集传感器种类，无法全方位进行生命体征监测。

本系统可根据船舶空间与功能定位的不同等具体条件进行裁剪，具有较好的功能扩展性，穿戴设备还可与电子伤票和医疗卡功能合并，实现多卡合一。随着信息化技术的不断进步和信息采集精度与算法的进一步完善，本系统必将更好地为海上大型救治平台信息化建设提供有力支撑。