智能入院信息登记机器人系统的设计与实现

张 冰，孙树田，张 彬，孟 翔，高瑞军，姚柏韬，郭立川*

（1.天津医科大学朱宪彝纪念医院，天津市内分泌研究所，国家卫健委激素与发育重点实验室，天津市代谢性疾病重点实验室，天津300134；2.天津开发区先特网络系统有限公司，天津300192）

0 引言

自新型冠状病毒肺炎疫情暴发以来，全国各族人民在党中央的领导下针对疫情防控工作取得了阶段性的胜利，但“外防输入、内防反弹”的形式依然严峻[1]。为进一步加强医院常态化疫情防控工作，巩固疫情防控阻击战取得的重大成果，本院迅速响应上级政策，结合自身实际情况，设计了一套智能入院信息登记机器人系统。本系统以数字抗疫、智慧医疗为指导思想进行建设，提供管制刀具监测、口罩检测、自动测温、扫码登记、证件登记、红外计数、门禁控制、流调采集、统计分析等功能，并且对接上级卫生健康委员会入院登记系统实时进行全市登记信息同步。同时融合人脸识别、光学字符识别（optical character recognition，OCR）、红外热成像、金属探测等人工智能和物联网技术[2]，可在医院门急诊、住院处、鉴定中心等入口处为患者提供智能化的信息登记服务。

1 系统设计

1.1 研发背景

随着新型冠状病毒肺炎疫情在全球肆虐，世界各地无症状感染者逐渐增多，常态化疫情防控工作面临严峻的挑战。患者入院时做好必要的信息登记，是疫情防控工作中极其重要的一环[3]。实行入院信息登记能够有效地控制在院人数，跟踪患者行动轨迹，筛查疑似病例，降低医护人员和患者之间交叉感染的风险。然而在信息登记工作的实际开展过程中，经常遇到登记难、易拥堵等情况。扫码登记方式常常受到患者手机型号、网络状况、软件版本等因素的影响，老年患者普遍难以接受。未携带手机的患者只能采取人工录入的方式进行信息登记，效率低、易出错，患者滞留时间过长，极易造成人员拥堵，增加交叉感染的概率[4]。此外，从事信息登记工作的医护人员长期接触入院患者，无形中增加了被感染的风险。针对目前医院信息登记工作当中存在的问题，本文设计一款集多种功能于一体的智能入院信息登记机器人系统。

1.2 架构设计

智能入院信息登记机器人系统架构图如图1所示。系统的硬件设备主要包括安检设备、登记机器人、闸机通道以及医院服务器。系统的软件主要包括基于Android系统的自助登记客户端和基于Java Web的中控平台。整个系统通过建立物联网通信网络将安检设备、登记机器人、闸机通道、医院服务器等硬件设备相连接，串口数据与IP数据的转换通过数据传输单元（data transfer unit，DTU）设备实现，并将Modbus协议以及其他RS-485传输的自定义控制协议转换成标准的JSON协议格式，通过超文本传输协议（hypertext transfer protocol，HTTP）请求与内网服务器进行数据交互。

图1 智能入院信息登记机器人系统架构图

患者进入医院后首先通过安检仪进行安检，然后可以根据自身实际情况选择自助登记或人工登记。若患者携带智能手机或有效证件（身份证/医保卡）可选择登记机器人进行信息登记，可选择的登记方式有扫码登记或证件登记[5]。若患者未携带智能手机或有效证件，可选择到人工登记处通过口述的方式进行信息登记。当患者完成信息登记且无任何异常后，便可通过闸机通道进入医院。

医院服务器通过卫生健康委员会专线与天津市医疗机构统一信息登记平台相连接，保证患者数据的实时上传、互联互通。信息登记的全流程始终处于中控平台的监控之下，每一位入院患者的登记信息都会以列表的形式显示在中控平台上。中控平台是统一的入院信息管理平台。该平台利用成熟的Spring MVC、WebSocket等Web技术将系统中各部分软硬件数据进行记录、汇总和分析，同时利用实时的通信技术进行统一的管理。

1.3 系统功能

智能入院信息登记机器人系统功能结构如图2所示，整个系统由安检模块、自助登记模块、门禁模块和中控平台模块4个部分组成。

图2 智能入院信息登记机器人系统功能结构图

安检模块主要实现管制刀具检测和红外计数功能，可通过网络实时将安检及计数结果上传至中控平台。

自助登记模块主要实现口罩检测、体温测量、扫码/证件登记、流调采集、语音提示等功能。在患者使用登记机器人时，登记机器人会根据患者的操作进行相应的语音提示，同时登记机器人采集的患者信息将被实时上传至中控平台。

当入院人员完成全部的信息登记操作且无异常时，门禁模块将接收到中控平台的“开闸”指令，门禁闸机便会自动开启。

中控平台模块是整个机器人系统的“神经中枢”，控制着整个系统的数据流转、信号传输、命令发布。中控平台是采用基于Java语言开发的Web管理系统，具有多角色、多权限的管理账户，能够完成系统管理、控制，数据统计、分析及上报工作。

2 功能实现

2.1 安检模块

安检模块主要由安检机、安检门2种安检设备组成。安检机负责对入院人员随身携带的行李进行安全检测。安检机如图3（a）所示，该设备采用了X射线与人工智能图像分析相结合的技术，能够在监测屏上实时显示通过行李的内部状况。一旦发现行李中存在疑似危险品，安检机便会发出警报，提示安检工作人员人工查验，同时将安检图像实时上传至中控平台模块。安检门主要负责检测入院人员的贴身物品，同时安检门还具备红外计数功能，能够实时计数通过安检门的入院人数。安检门如图3（b）所示，该仪器两侧自下而上平均分布6个独立的金属探测器，通过发射线圈和接收线圈的电压变化，有效地监测入院患者管制刀具携带情况。在安检机与安检门的密切配合下，安保人员能够有效地排查出入院人员的危险品携带情况。

图3 安检设备

2.2 自助登记模块

自助登记模块是本系统进行入院人员信息登记的客户端模块，该模块从软硬件上可以分为两部分：一部分是基于Android平台开发的机器人登记系统软件，该软件具备口罩检测、体温测量、扫码登记、证件登记、联系方式及流调采集等功能。另一部分是能够搭载上述功能所配套的硬件机器人，该机器人一共装有2个探头，其中一个高清摄像头负责入院人员人脸图像的采集，另一个红外探头负责入院人员的体温检测。自助登记模块主界面如图4所示，入院人员可以根据自身实际情况选择扫码和证件2种信息登记方式。

图4 自助登记模块主界面

2.2.1 口罩、体温检测

信息登记的第一步是进行口罩、体温监测，当入院人员在自助登记模块主界面上选择扫码登记或证件登记后，登记机器人便会进行口罩、体温检测。该模块采用已经成熟的人脸识别技术进行口罩佩戴监测，通过高清摄像头拍摄、记录入院患者登记图像[6]。同时利用红外温度传感器对人体额头部分进行定位并测温。为保证温度的准确性，增加环境温度传感器，对现场额头温度进行环境温度补偿，大幅度地提高登记机器人测温的准确性[7]。口罩识别及体温检测示意图如图5所示。

图5 口罩识别及体温检测示意图

2.2.2 扫码登记

自助登记模块提供2种登记方式，针对携带智能手机的患者，可通过扫码的方式进行信息登记。图6（a）为天津市医疗机构统一入院登记二维码，该二维码包含患者姓名、身份证号、联系方式、家庭住址、流调等基本信息。入院人员可通过手机微信小程序填写个人基本信息生成健康信息二维码，通过图6（b）中的登记机器人扫码方式完成入院信息登记。扫码登记采用的二维码扫描技术为Google开源的用于Android开发的条形码扫描库ZXing。

图6 入院登记二维码及二维码扫描界面

2.2.3 证件登记

针对未携带智能手机的患者，自助登记模块提供证件扫描的信息登记方式。如图7所示，入院人员可将有效证件（身份证、医保卡）放置到指定区域，系统便可通过OCR技术自动登记患者基本信息[8]。证件登记中涉及的OCR技术采用的是飞桨paddlepaddle开源的PaddleHub一键OCR中文识别框架。

图7 证件登记示意图

2.2.4 联系方式及流调信息采集

自助登记模块为保障2种信息登记方式数据的全面性和一致性，采用证件登记方式的患者还需登记联系方式及流调信息，操作界面如图8所示。本系统通过连接天津市卫生健康委员会专线，实时更新流调信息，能够确保流调信息的时效性[9]。

图8 联系方式及流调信息采集界面

2.3 门禁控制模块

当入院人员通过自助登记模块完成信息登记后，中控平台模块会根据入院人员登记信息查询患者健康码颜色，将反馈结果显示在登记机器人的显示屏上，如图9所示。若登记信息反馈结果为黄码，则门禁闸机不开启，并提示入院人员到发热门诊就诊。若登记信息反馈为绿码，则门禁闸机开启，允许入院人员进入医院。

图9 健康码颜色反馈结果

2.4 中控平台模块

中控平台模块具有查询、修改、统计、分析、人工录入等功能，能够对入院患者信息进行全方位的管理。该模块采用IntelliJ IDEA开发工具进行软件开发，同时采用基于Spring MVC的Java Web开发框架进行软件架构设计，通信方面融入了WebSocket等Web技术，从而建立了统一的信息管理中控平台。该模块利用实时的通信技术，将智能硬件的各类配置放在服务器端进行统一的管理，实时对前端硬件下发配置信息，同时记录、汇总和分析入院患者登记数据。如图10所示，该模块以滚动列表的形式实时显示入院患者的登记信息。管理员可以通过中控平台随时查看任意患者的人脸图像、健康码颜色、联系方式、家庭住址等详细登记信息。此外该模块还提供条件丰富的自定义信息筛查功能，方便信息系统管理员对入院患者登记信息的全方位掌控[10]。

图10 中控平台模块实时数据展示界面

3 应用效果

智能入院信息登记机器人系统自2020年3月应用于本院以来，经过不断升级改造，已具备强大的信息登记、安全检查及统计分析等能力，在医院实际抗疫工作中取得优异的成绩。截止到2020年12月底，全院通过本系统进行信息登记的患者累计超过35万人次，具体数据如图11所示。系统平均每人次登记时间为6~10 s，大幅度地提高了入院信息登记工作的效率，缓解了医院的拥堵状况，提升了医院的服务质量。

图11 智能入院信息登记机器人系统2020年的入院患者信息统计情况

4 结语

智能入院信息登记机器人系统以科技抗疫、智慧医院建设为指导思想，将各类软硬件结合在一起，实现了自动安检、自动测温、自助登记、门禁管理、信息统计与分析等功能，在一定程度上减少了人工登记的工作量，降低了患者之间发生交叉感染的概率，提升了医院的综合服务质量。

本系统的创新之处在于充分采用基于人脸识别的口罩监测技术、基于红外温度传感器的自动测温技术、基于物联网的门禁控制技术以及基于Spring MVC的Web系统技术。同时将安检、信息登记、人流控制等流程有序地串联起来，通过网络实时监控入院患者基本情况，并与天津市卫生健康委员会保持信息实时的互联互通。除此之外，本系统还具有操作简便、安全准确、严控有序、快捷高效等特点，不仅能够在疫情期间为医疗机构提供智能化的信息采集服务，而且能够广泛地应用于企事业单位、学校、商场、地铁等需要进行安检和信息登记的场所，便于进行轨迹跟踪、人流量控制。

虽然本系统的应用前期取得了良好的效果，但仍存在一些不足，如建设成本较高、部署实施周期较长。未来，将进一步探索人工智能、物联网等相关技术，致力于系统推广与成本缩减。