基于物联网技术的呼吸机远程监测平台建设与实践

□ 伍诚麟WU Cheng-lin 田金TIAN Jin 李亦林LI Yi-lin 李永LI Yong 薛晓琦XUE Xiao-qi 张博ZHANG Bo田耘TIAN Yun 许锋XUE Feng

2022 年底，随着我国防疫政策的调整，感染新冠病毒后转为急危重症病例的数量激增，各医院的首要任务是对急危重症患者进行救治[1]。在救治工作初期，医疗资源短缺是导致医护人员在抢救患者时陷入较被动的重要因素之一，特别是救治过程中对呼吸机的需求尤为明显[2]。由于各呼吸亚重症病房对于呼吸机的使用管理大多采取自管自用的模式，形成了不同病房对呼吸机数量的需求随患者出入院的人次变化而变化，导致不同时间段内某些病房的呼吸机紧缺，而另外一些病房的呼吸机出现空置。院内医疗设备管理部门因无法获取呼吸机的实时位置及使用状态等相关信息，导致不能及时调拨空置呼吸机至有需求的病房。因此，实时监测呼吸机的物理位置和运行状态，掌握呼吸机的使用情况，实现院内不同呼吸亚重症病房间呼吸机的快速共享调配，是医疗设备管理部门亟需解决的问题。

物联网技术从1999年被提出至今，已应用于众多领域[3]。物联网的实质为物品按照约定的通信协议与互联网结合，实现物品信息的智能化管理[4]。其体系架构主要分为感知层、网络层、平台层、应用层四个层面[5]。感知层的作用为识别物体，采集数据信息；网络层的作用为利用网络实现信息传递；平台层的作用为实现数据的汇总、处理、存储、分发等；应用层的作用为将收集的数据做应用场景展示。目前在医疗领域中，众多学者将物联网技术与医疗设备相结合，成功实现对医疗设备的电气安全监测[6]、质量溯源[7]、耗材管理[8]以及可穿戴医疗设备的生理参数实时监测[9]等。不仅如此，物联网技术在智慧医疗的建设中也起到重要支撑作用，推动智慧医疗不断向前发展。国家工信部在 2017 年根据国务院《关于推进物联网有序健康发展的指导意见》编制了《物联网的十三五规划(2016-2020)》，提出加快物联网与行业领域的深度融合，在医疗领域，推广物联网技术在药品、耗材流通、患者看护、医护电子病历管理、远程诊断、远程手术等方面的应用[10]。

本研究把物联网技术与呼吸机的使用相结合，将远程监测系统平台应用于新冠病毒急危重症患者的救治中，使医疗设备管理部门可实时掌握呼吸机的使用情况，帮助工程师快速查找、定位空置呼吸机并调配至有需求的呼吸亚重症病房。在实现院内呼吸机共享调配的同时，系统平台还可以对呼吸机的运行参数进行实时远程监测，开展呼吸机线上巡检及使用安全预警等工作，保障临床诊疗工作的顺利开展。

呼吸机远程监测平台搭建

呼吸机远程监测系统平台总体框架如图1 所示。该平台由呼吸机、数据采集器、Wi-Fi 网络、服务器、手机与电脑应用终端组成。呼吸机为数据来源端，在患者治疗中的数据信息(报警数据、医疗数据、使用状态等参数信息)被采集上传。数据采集器为数据采集端，其作用为采集、解析并上传呼吸机产生的数据，即物联网架构中的感知层。Wi-Fi网络为传输端，用来传输呼吸机数据至服务器，即物联网架构中的网络层。服务器为数据整合终端，其作用为接收、处理、存储、分发数据采集器所采集的数据信息，即物联网架构中的平台层。手机与电脑应用终端为用户展示端，显示服务器所处理的呼吸机的数据信息，即物联网架构中的应用层。本研究中分为以下三个步骤进行平台搭建，包括在用呼吸机品牌型号及数量统计，数据采集器的配置与调试，WEB 客户端与移动端APP 的应用展示。

图1 呼吸机远程监测系统平台总体搭建框架图

1．在用呼吸机品牌型号及数量统计。为了便于后续数据采集以及对每台采集器与呼吸机特有的固定资产序号和机身序列号(serial number，SN 号)一对一绑定，工程师前期对医院本部及三个分院区涵盖急诊、危重症医学科病房、呼吸重症病房、21 个亚重症呼吸病房共计136 台在用呼吸机的品牌型号及数量进行统计盘点。记录每台呼吸机的固定资产序号、机身序列号以及实际存放位置。

2．数据采集器的配置与调试。数据采集器由第三方公司提供，其作用是获取不同品牌呼吸机的通讯协议，采集呼吸机数据，并将数据进行解析后通过Wi-Fi 网络上传。由于不同品牌呼吸机的采集接口与采集通讯协议有所不同，因此在安装数据采集器前，需提前配置采集器的呼吸机采集协议(包括品牌、型号)并进行无线网络设置。数据采集器由5v 直流电源供电，将USB 电缆与呼吸机相连得到直流供电电源。通过与呼吸机的串口(RS-232)连接，数据采集器可对呼吸机开关机时间、开机时长、使用时长、运行状况、实时参数、实时报警等信息进行采集、记录。此外，数据采集器上设有报修按键，当呼吸机出现故障时，医护人员可直接按键报修，采集器将呼吸机的故障状态传输到服务器，由服务器推送到工程师手机终端的APP 上，工程师可及时到达现场对故障进行排查，完成维修后可复位报警信息。数据采集器通过解析网络设置，获取病房内无线接入点(Access Point，AP)的MAC 地址回传至服务器，将MAC 地址与实际病房所处的物理地址一一对应，工程师便可通过采集器所连接的AP 定位其位置，实现呼吸机的实时定位。

3．WEB 客户端与移动端APP 应用展示。数据采集器采集数据后通过不同楼宇间的Wi-Fi 传输到服务器，并在服务器中进一步汇总、处理、展示。工程师利用WEB 客户端或手机APP 访问服务器后即可显示呼吸机的使用参数、工作状态以及单台呼吸机使用效率等相关参数信息，如图2 至图4 所示。采集器获取的呼吸机工作状态种类可以细分为关机、待机、工作、离线、故障五种状态。当呼吸机工作状态显示为关机或者离线时，则判定呼吸机处于空置状态。工程师接到科室借用呼吸机申请后，可根据就近原则调配临近科室空置呼吸机至需求科室。

图2 通过数据采集器采集到的呼吸机使用参数信息

图3 通过数据采集器采集到的呼吸机工作状态信息

图4 呼吸机使用效率一览图

基于呼吸机远程监测平台的呼吸机使用率统计

以医院本部呼吸机为例。截止2023 年1 月7 日，医疗设备管理部门对102 台呼吸机安装数据采集器，且调试成功。工程师每日可通过电脑WEB 端与手机APP 查看呼吸机的工作状态。为更好地掌握呼吸机的使用情况，实现新冠病毒急危重症救治期间对呼吸机的共享调配，工程师自2023 年1 月7 日至2023 年2 月3 日(注：2 月3 日医院呼吸亚重症病房全部关闭)对医院本部呼吸机每日使用率进行了统计分析，并对医院本部呼吸机使用科室的每日使用率以及使用时长不低于8 小时的呼吸机使用率进行了统计，以2023 年1月7 日为例进行展示。

结果

利用呼吸机远程监测数据平台对院本部2023 年1 月7日至2023 年2 月3 日呼吸机每日使用率进行统计的结果如图5 所示。其中2023 年1 月7 日使用率最高达到50．98%，随着社会面疫情全面好转，呼吸机使用率整体呈现下降趋势，2023 年2 月2 日使用率达到最低为11．76%。以2023 年1月7 日为例，呼吸重症病房、呼吸亚重症病房、急诊、ICU等临床科室呼吸机当日使用率及使用时长不低于8 小时的呼吸机使用率进行统计，结果如图6 所示。其中呼吸亚重症1病房、5 病房、6 病房、7 病房、14 病房、15 病房呼吸机使用率均达到100%。不仅如此，呼吸亚重症5 病房、6 病房、7 病房全部呼吸机使用时长均不低于8 小时。

图5 2023年1月7日—2023年2月3日院本部呼吸机每日使用率

图6 2023年1月7日相关科室呼吸机使用率

在呼吸机远程监测平台上线使用前，医疗设备管理部门每天需派8 名工程师通过逐个病房寻找空置呼吸机、手工统计呼吸机使用情况的传统方法，实现呼吸机的院内调配，平均耗费时长约为2-3 小时。该方法耗时耗力，也易出现统计偏差，缺乏对呼吸机使用时效性的把握，无法及时对呼吸机进行调配。呼吸机远程监测平台投入使用后，1 名工程师便可利用该平台精确监测呼吸机使用情况，对空置呼吸机进行共享调配，人力成本与时间成本极大降低。

讨论

以2023 年1 月7 日为例，通过对当日呼吸机使用率进行统计分析，发现呼吸亚重症1 病房、5 病房、6 病房、7 病房、14 病房、15 病房呼吸机使用率达到100%，其中呼吸亚重症5 病房、6 病房、7 病房全部呼吸机使用时长均不低于8 小时。因此，医疗设备管理部门应加强对呼吸机使用率较高、使用时间较长的亚重症病房的巡检力度，并做好对相关科室的呼吸机调配准备。利用呼吸机远程监测平台对医院本部102 台呼吸机日常使用情况监测发现，自2023 年1 月7 日后呼吸机使用率呈现递减趋势，这与新冠疫情逐渐好转相关。每日新增急危重症患者的数量较爆发期减少，大部分患者无需呼吸机治疗。因此临床科室对呼吸机的需求逐渐减少。医疗设备管理部门通过对院内呼吸机的共享调配，逐步减少了呼吸机的购置，避免了医疗资源浪费并节约了医院资金的投入。

呼吸机作为急救和生命支持类设备在新冠急危重症患者的抢救过程中发挥了重要作用，但是院内呼吸机具有数量多、分布广、用时急、流动性强等特点，医疗设备管理部门难以实时掌握这些设备的使用情况，无法实现院内不同病房间呼吸机的快速共享调配。通过物联网技术方案解决呼吸机在使用与管理中遇到的难题已被多位学者采用。其中李天庆等人[11]利用物联网技术所搭建的呼吸机报警平台成功解决了“信息孤岛”以及报警处理无法监管等问题。黎茂林等人[12]所搭建的呼吸机健康管理云平台可实现对呼吸机远程数据监测及远程控制功能，一个医生即可对多名居家患者进行远程监护，解决医疗资源短缺等问题。李萌等人[13]的研究显示利用物联网技术的呼吸机质控信息数据采集可减少人员投入、缩短质控监测时间并且降低人工录入的误差概率。本研究利用物联网技术构建了呼吸机远程监测平台，实现对呼吸机使用情况的实时监测并可以对空置呼吸机进行快速共享调配，使工程师的工作效率明显提升，临床需求的响应时间明显缩短。

结论与展望

通过呼吸机远程监测平台可实时监测呼吸机使用状态、在用参数等数据，统计分析设备的使用率，实现对空置呼吸机的共享调配，帮助医疗设备管理部门及时了解呼吸机的使用情况，促进科室间的协同能力，提升医院应对重大突发公共卫生事件的应急响应能力。

随着医疗物联网技术的不断发展，未来越来越多的医疗设备将实现互联互通[14]。虽然目前医疗物联网平台的建设已取得一定进展，但是在医疗物联网搭建方面还存在很多挑战与平台建设的难点[15]，这其中包括：(1)医疗设备之间通讯协议的开放与统一；(2)数据的隐私与安全性；(3)数据通讯的稳定与实效性；(4)基于物联网服务的质量规范。尽管不同的厂家给出了不同的解决方案，但每种方案依旧存在各自的弊端[16]。相信随着医疗行业对医疗设备通讯协议的规范统一，以及5G 技术的应用和普及，这一问题会得到妥善解决。