物联网技术在隔离病房中的应用研究

【作 者】任斌，黄陆光，杨喆，蒋昆

1 空军军医大学第一附属医院 信息科，西安市，710032

2 空军军医大学 卫生统计学教研室，西安市，710032

0 引言

新型冠状病毒肺炎是现阶段威胁人类健康的主要传染性疾病，新型冠状病毒肺炎防治具有极其重要意义。在新型肺炎患者的救治中，隔离病区是防控的主战场。严格执行消毒隔离制度是控制院内感染，保证患者、医护人员、环境安全的关键。

国家卫健委出台《医疗机构内新型冠状病毒感染预防与控制技术指南（第七版）》，该指南是结合目前掌握的新型冠状病毒病原学特点，在已有医疗机构感染防控相关制度、标准和规范的基础上，进一步完善细化形成。其重点对感染防控流程、重点部门管理、医务人员防护、加强患者管理等方面提出严格要求。由于隔离病区属于紧急隔离医疗救治场所，存在着患者多、医护人员缺乏、保障条件简单、信息化系统缺乏等问题。无论在疫情防治效率、病床利用率以及隔离防护方面都存在诸多隐患。

面向新型冠状病毒感染肺炎患者的隔离病区救治，充分利用人工智能、物联网和机器人技术，开发探索包括隔离管理、消毒、医院管理、患者整治等在内的一体化智慧物联网应用系统，在提高防治效率、控制院内感染、保证患者、医护工人员、环境安全等方面发挥重大作用[1]。

1 一体化智慧物联网系统

依据国家卫健委发布的《医疗机构内新型冠状病毒感染预防与控制技术指南（第七版）》，面向新型冠状病毒感染肺炎患者的方舱医院救治，基于4个标准（业务标准、接入标准、交互标准、通信标准），开发建设包括隔离管理、消毒、医院管理、患者整治等在内的一体化智慧物联网系统，在提高防治效率、控制院内感染，保证患者、医护工人员、环境安全等方面发挥重大作用。

本项目主要分为智能终端、5G融合网络、集成管理平台以及应用层等子系统，总体架构如图1所示：

图1 一体化智慧物联网系统架构Fig.1 Architecture diagram of integrated intelligent IoT system

智能终端：机器人、输液监测仪、体温贴、智能床垫、患者手环、定位标签；实现护理、服务、管理、感控等多种数据采集和业务；

5G融合网络：融合LORA/蓝牙/WiFi/5G/4G多种通信协议的一体化网络；并通过统一的网管平台和设备对安全性、入网注册进行管理和监测；

平台层：由集成管理平台对设备、数据、应用、安全进行统一管理；由定位平台提供精准定位计算与地图引擎；

应用层：通过显示大屏、电脑端软件、手持机软件、监控软件等构建护士站、床旁、药事管理、废弃物管理、患者管理等过场景应用。

2 主要技术内容

2.1 物联网感知技术

物联网（Internet of Things,IoT）技术是将所有物品通过信息传感设备与互联网连接起来，实施万物互联，进行信息交换的一种现代技术，主要由感知层、网络层和应用层构成[2-4]。本项目用到的物联网感知技术主要有以下几种：

（1）通过二维码、RFID、红外、UWB等技术对患者、医护人员、设备、器械、药品等进行标识、分类，利用采集资产/人员的标签信息数据，比如人员位置、行径轨迹、输液滴速、设备维修记录、业务处理流程等；

（2）通过生物电传感器对患者生命特征数据进行自动采集，如：连续体温监测、红外热成像、智能床垫、心率采集等；

（3）通过视觉采集传感设备对视觉图形进行自动采集，如：人脸识别、机器人自动行走、行为分析等。

2.2 5G融合通信技术

作为采集控制层与应用层的数据链路，该项目的融合网络中主要采用：5G/4G/WiFi/LORA/蓝牙等多种通信技术。利用医院有线、无线网络链路，或采用运营商公众服务网络负责感知层数据传输。

2.3 人工智能技术

（1）临床辅助决策支持系统：面向呼吸疾病特点，运用相关、系统的临床知识和患者基本信息及病情信息，加强医疗相关的决策和行动，提高医疗质量和医疗服务水平的计算机应用系统。

（2）AI视觉识别系统：基于人工智能视觉的特定场景识别系统，其由人工智能视觉识别模块、光感模块和定位调制模块组成。本项目主要应用场景在于机器人自动行走、红外热成像人脸识别、行为识别等方向。

（3）室内定位算法：UWB无线定位系统要实现精确定位，首先要获取与位置相关的变量信息，建立相应的数学模型，然后根据这些变量和参数以及数学模型来解算目标的坐标。

3 物联网在患者安全管理中的应用

3.1 环境隔离管理

为保障隔离病区的医患分流，严格管控出入人员，提高安全管理等级，方便权限统一设置，提高医院精益化管理水平。在隔离病区主出入口，部署人脸体温门禁一体机，有效限制及统计人员进出。门禁管理系统其目的是为了有效地控制人员的出入，并且对出入人员进行测温，来实现隔离病区人员依从性管理出入口的方便、安全管理，包含出入授权、实时监控、红外测温等。

此门禁系统主要特点是出入口严格管控，人脸识别用于减少交叉感染；人脸识别算法是基于深度神经网络，让计算机学习人的大脑，并通过不断训练，进行交叉验证和动态识别，来识别人脸；安全性方面，采用3D人脸识别技术，并通过软硬件结合的方式进行活体检测，来判断采集到的人脸是否是照片、视频或者软件模拟生成的，有效地避免各种人脸伪造带来的身份冒用情况，也不容易受到姿态、光照、表情等因素的影响，识别率更高；非接触式体温检测，检测精度±0.5℃。

3.2 消毒管理

3.2.1 废弃物电子轨迹管理

医疗垃圾与公共卫生密切相关，具有高污染、高危险等特点[5]。如何有效监控医疗垃圾的收集、存储、跟踪及运输，避免二次污染，实现全程可追溯的实时监管，是医疗垃圾处理行业当前需要研究的重要课题。目前国内医疗垃圾处理行业中普遍存在垃圾处理成本高、效率低的问题，主要表现为追踪及溯源困难、收运线路固定、垃圾产生信息滞后、运输调度不合理等[6]。医疗废品在传染病医院中更为常见，因为相较于一般的综合医院和专科医院，传染病医院会产生更多有传染风险的污染性医疗垃圾。从国内来讲，许多大型医院还依靠人力进行医疗废品的收集。无论是在运输中或者在后期处理中，都会增加许多不可控制的风险因素。

给每个垃圾桶安装RFID定位标签，实时监控摆放位置、移动时间、移动轨迹、停留时间[7-9]。并通过设置污染物通道电子围栏，一旦发生可疑情况及时报警，最大限度隔绝污染源。医疗垃圾室内可视化管理：给每个垃圾桶安装定位标签，可实现院内实时定位，在后台可监管所有垃圾桶的移动轨迹，停留时间及位置，一旦发生可疑轨迹可及时预警，防患于未然。

3.2.2 消毒机器人

通过人工智能技术，让隔离病区灭菌消毒更彻底，提高工作效率和病房使用率。以机器人为载体，集成多种消毒模式于一体，根据不同场景按需求设置消毒模式，全智能化操作，人机分离，保证人员安全。满足房间多、布局复杂的室内环境下自动、定时、高效、准确的消毒防疫需求。消毒机器人能够根据设定的路线自动、高效、精准地对室内进行消毒防疫。使用场景如图2所示。智能移动消毒机器人可以协助护理人员完成定期定量移动消毒，避免现有消毒时间不固定、消毒剂量随机化、传染病房/放射科等高风险区域的消毒不彻底的问题，消毒任务及工作日志可在云平台查看。

图2 消毒机器人使用场景Fig.2 Scene of a robot being sterilized

3.2.3 病服回收机器人

病患服装是高度污染源之一，传统的收集模式具有很高的感染风险。服装收集机器人可以根据更换时间走到患者床旁，通过密码口令方式完成自助投放，并经由污染物通道返回到统一收集间，可有效隔绝污染源，降低保洁人员工作强度，改善患者服务体验。医用物流机器人是基于通用底盘技术，结合丰富的楼层运输经验，为医院场景打造的全自主、便捷管理的医用产品运送机器人。通过智能医院后端，对整体智慧运输系统进行后台管理，实时掌握和调度机器运作状况。

3.3 医护人员管理

3.3.1 连续体温监测系统

连续体温监护系统能实现持续体温采集，远程无线通信方式。降低护士工作强度，减少交叉感染概率，同时能够及时发现隔离患者异常状态。在不打扰病人休息的情况下可以对病人进行实时、连续的体温信息采集，减少护士与患者的接触。

体温监测系统由无线体温贴、物联网、体温监测控制器（中间件）和体温监测系统四部分组成，体温标签贴在病人腋下，实现对体征数据的采集，接收器接收到体温数据后传输给物联网 AP，物联网 AP将数据统一传输到体温或心电监测控制器（中间件），控制器对协议进行统一的过滤转换、算法分析，并将结构化的体温信息保存至后台数据库。护士工作站可以对病人体温和心电进行统一的监测，同时系统提供标准的接口，可以将病人的体温和心电信息传递至移动护理、远程监护等信息化系统。

3.3.2 智能输液监测系统

为了实现隔离病区集中掌控输液信息并减少护士出入病区次数，基于物联网技术的智能输液监控管理系统，是在未改变传统输液方式的基础上，通过物联网终端输液监护仪将每个床位或输液位的输液状态信息实时传送到护士服务台，实现护理人员随时随地对病人输液状态及呼叫状态的实时掌控，解决传统输液的一些弊端，提高医院的服务水平和服务质量，减少输液过程中出现的医疗事故，增强医院业务竞争力。

该系统由输液监控器、智能AP、护士移动终端（PDA）、输液监控管理软件组成。输液监控仪在病床输液过程使用，使用中通过433 MHz频段，与院内部署的物联网网关进行数据交互通讯，物联网网关通过院内有线网络，与中心平台进行数据通讯，中心系统平台在经过数据分析处理后，经由院内网络向电子监控屏、护士工作站、移动终端和LED屏发送消息通知，进行信息展现。

图3 输液护理管理护士站界面Fig.3 Interface of nursing station for transfusion management

3.4 患者管理

3.4.1 患者定位手环

患者手环基于RFID等定位技术，不仅能够实时监测患者生命体征，还能够定位患者位置，如果隔离患者在非授权情况下离开隔离区，系统会自动报警并跟踪患者位置，方便医护人员后期进行追溯轨迹分析。

在分布式边缘解算模式下，定位手表接收基站发送的带有时间戳的定位信号，然后通过定位引擎在本地解算手表的位置信息，通过可选的回传通道将此位置信息发送业务服务器或者其他需要的地方。或者是在集中式解算模式下，手表发射定位信号，基站接受手表发射的信号，传送到解算服务器，由服务器解算出定位手表的位置信息。

3.4.2 床旁终端服务系统

为满足隔离患者自助服务、远程探视的核心需求，基于局域网LAN和IP技术，建设床旁终端服务系统。系统采用的数字音视频技术彻底解决了网络对讲时的回音、啸叫。视频采用H.264，广播采用MP3、通话采用32K音频采样。应用信息化技术建设智慧病房交互平台，能够有效解决病房信息共享以及可视化界面的问题。作为智慧病房的信息中心，智慧病房交互平台主要是以患者安全管理为目的，在病房内实现对患者各项数据信息实时互联互通[10]。

患者在病房和洗手间内需要帮助时，能一键快速呼叫护理人员。通过床头终端能查询费用信息、检验报告、医嘱信息。患者通过床头终端能收到服药提醒、检查提醒、诊约提醒等消息。在线查看医院及科室介绍、医护人员介绍、多媒体宣教等相关信息[11-13]。能在线对医护人员进行满意度评价或投诉，促进医院医疗服务质量和综合管理水平提高。

3.4.3 机器人护士

智能机器人护士以移动机器人为载体，在机身上搭载大屏幕显示、视频、红外体温计等医疗设备，代替医护人员对患者进行日常的查体、医学知识宣教、药物配送、及远程视频，降低隔离病区内交叉感染。智能机器人护士可以协助护理人员完成术前术后宣教、健康宣教、住院事项告知、患者健康数据查询、远程会诊等工作。

4 结论

4.1 运行情况

AI环境管理：以红外测温防控系统、红外测温自动行走机器人为载体，实时监控体温异常人员。

AI消毒管理：包括废弃物电子轨迹管理系统、患者服装自助收集机器人、消毒机器人等。加强对病室环境及用物，患者用品的消毒管理，严格管控医疗废弃物。

人工智能医护：包括连续体温监测系统、智能输液监测系统在内的非接触式物联网医疗系统，减少医务人员与患者接触的操作，极大提高护理效率。

患者管理方向：通过患者手环实现精确定位并实时采集体征、从而实现患者网格化管理；通过机器人护士为患者提供送药服务，并可以利用机器人实现远程探视、宣教等功能，减少直接接触，提高服务效率。

4.2 优缺点分析

优点：充分利用人工智能、物联网和机器人技术，开发探索包括隔离管理、消毒、医院管理、患者整治等在内的一体化智慧物联网应用系统，在提高防治效率、控制院内感染、保证患者和医护工人员的环境安全等方面发挥重大作用。

缺点：隔离病区使用的应用系统需要建设一套基础融合网络（4G/5G/WiFi/LORA/UWB等多种通信协议），为各应用系统提供网络及硬件支撑环境。一体化融合网络的建设难易很大程度取决于医院的原有网络建设水平，若医院原有网络基础薄弱，则网络建设施工花费时间较长。