倪 健，駱星九，劉 勇，邵壯超，曹保根

（海軍特色醫(yī)學(xué)中心，上海 200433）

0 引言

醫(yī)院船是專門用于對(duì)傷病員和海上遇險(xiǎn)者進(jìn)行海上救護(hù)、治療和運(yùn)輸?shù)拇?，主要用于?zhàn)時(shí)實(shí)施作戰(zhàn)海區(qū)衛(wèi)勤保障任務(wù)，平時(shí)根據(jù)任務(wù)需要，遂行艦艇出訪、沿海島礁醫(yī)療巡診以及突發(fā)事件、災(zāi)害的醫(yī)學(xué)救援等任務(wù)，并可作為提供海上衛(wèi)勤訓(xùn)練或教學(xué)的平臺(tái)。

醫(yī)院船作為海上大型救治平臺(tái)，艙室眾多，執(zhí)行任務(wù)時(shí)接收傷病員數(shù)量較大，為更好地管理醫(yī)務(wù)人員和及時(shí)救治傷病員，提高醫(yī)務(wù)人員工作效率，本文基于數(shù)據(jù)通信、軟件交互集中管理等技術(shù)，綜合考慮終端布置和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案及總體性能，從為醫(yī)務(wù)人員提供系統(tǒng)、科學(xué)、合理的數(shù)據(jù)信息角度出發(fā)，開展醫(yī)院船人員定位及體征監(jiān)控輔助系統(tǒng)的研究工作[1]。

1 現(xiàn)狀與需求

1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人員定位及生命體征監(jiān)測(cè)技術(shù)也逐漸從研究進(jìn)入了應(yīng)用階段。國(guó)外較為典型的有單兵生命狀態(tài)檢測(cè)器WPSM[2]和Smart Shirt（智能襯衫）[3]，通過士兵身上佩戴的傳感器及微處理器，將生命體征信息進(jìn)行存儲(chǔ)或傳輸。VivometricsTM公司的Life Shirt計(jì)劃[4]，是利用遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)來達(dá)到監(jiān)測(cè)身體健康狀況的功能。我國(guó)也研究了飛行員生理參數(shù)記錄儀[5]、戰(zhàn)場(chǎng)士兵多生命體征監(jiān)測(cè)頭帶[6]等相關(guān)設(shè)備，用以記錄和傳輸單兵生命體征數(shù)據(jù)。在艦船人員定位及監(jiān)測(cè)方面，任偉等[7]、唐磊等[8]設(shè)計(jì)了基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行大型艦船人員實(shí)時(shí)定位的方法，用以解決復(fù)雜艙室環(huán)境和電磁環(huán)境下的人員高精度實(shí)時(shí)定位問題。謝泰等[9]、徐執(zhí)印等[10]對(duì)艦船人員定位及生命體征監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀、傳輸技術(shù)以及系統(tǒng)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了通過超寬帶、衛(wèi)星定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)艦艇艙內(nèi)及落水人員定位搜救，利用穿戴設(shè)備傳感器進(jìn)行人員生命體征監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔⑾到y(tǒng)。

1.2 需求分析

由于艦船人員數(shù)量有限、各司其職，缺乏專人進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件維護(hù)與保養(yǎng)工作，平時(shí)使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題難以及時(shí)反饋與升級(jí)修復(fù)，致使系統(tǒng)適應(yīng)性下降。此外，穿戴設(shè)備傳感器偏多、設(shè)計(jì)復(fù)雜，導(dǎo)致穿戴使用不便，艦船定位與體征監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不足，也是降低用戶使用意愿的一大因素。

醫(yī)院船作為海上重要的衛(wèi)生勤務(wù)船舶，無論戰(zhàn)時(shí)執(zhí)行醫(yī)療后送任務(wù)還是平時(shí)執(zhí)行巡診、醫(yī)療救援、模擬訓(xùn)練等任務(wù)時(shí)，都存在并發(fā)傷病員人數(shù)多、救援任務(wù)重、瞬時(shí)工作量巨大的問題。為更好地管理、監(jiān)控傷病員和及時(shí)救治重病人員、統(tǒng)一調(diào)配醫(yī)療救護(hù)人員，應(yīng)研發(fā)能夠提高人員工作效率與容錯(cuò)率、為各系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的統(tǒng)一調(diào)度和調(diào)配提供重要支持的醫(yī)療服務(wù)監(jiān)測(cè)輔助系統(tǒng)。同時(shí)，醫(yī)院船本身具有醫(yī)療信息系統(tǒng)相關(guān)配套軟硬件，醫(yī)護(hù)人員及信息技師對(duì)信息系統(tǒng)的操作和維護(hù)具有扎實(shí)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)人員定位及體征監(jiān)測(cè)輔助系統(tǒng)，做好與信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口與人機(jī)交互，不會(huì)過多增加系統(tǒng)維護(hù)工作量，并可有效提高艦船衛(wèi)勤保障能力。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)

系統(tǒng)采用分布式終端-集中數(shù)據(jù)管理的構(gòu)架設(shè)計(jì)，由一個(gè)服務(wù)器機(jī)柜、一臺(tái)管理計(jì)算機(jī)、多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)、若干無線AP以及若干便攜式終端組成。其中現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)和無線AP按照醫(yī)院船醫(yī)療區(qū)域艙室采用就近分布的原則進(jìn)行配置安裝。整個(gè)系統(tǒng)采用有線、無線以太網(wǎng)通信。系統(tǒng)預(yù)留醫(yī)療信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口，用于獲取本船當(dāng)前傷病員和醫(yī)務(wù)人員信息，同時(shí)還預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)外部擴(kuò)展接口。醫(yī)院船人員定位及體征監(jiān)測(cè)輔助系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 醫(yī)院船人員定位及體征監(jiān)測(cè)輔助系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 硬件組成

硬件部分采用服務(wù)器-局域網(wǎng)-終端的構(gòu)架形式，通過無線網(wǎng)絡(luò)連接各個(gè)人員佩戴的便攜式終端。硬件系統(tǒng)由服務(wù)器機(jī)柜（內(nèi)裝服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、KVM、UPS等）、管理計(jì)算機(jī)、便攜式終端（智能手表、智能手環(huán)）、通信設(shè)備（網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、無線AP、無線AC）等硬件組成。醫(yī)院船人員定位及體征監(jiān)測(cè)輔助系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 醫(yī)院船人員定位及體征監(jiān)測(cè)輔助系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.3 軟件組成

軟件部分采用瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）架構(gòu)的設(shè)計(jì)，用戶通過瀏覽器進(jìn)行系統(tǒng)功能應(yīng)用。終端軟件采用內(nèi)置與便攜式終端的方式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)交互功能。系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)管理服務(wù)軟件、終端設(shè)備管理軟件、便攜式設(shè)備內(nèi)置軟件三大部分，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.4 工作流程

圖3 醫(yī)院船人員定位及體征監(jiān)測(cè)輔助系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)通過現(xiàn)場(chǎng)添加人員和與醫(yī)療信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫接口實(shí)現(xiàn)傷病員、醫(yī)護(hù)人員與終端的綁定功能，終端便攜式設(shè)備綁定后發(fā)放給每個(gè)醫(yī)護(hù)人員與傷病員。使用人員的定位與體征監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過佩戴的智能手表或手環(huán)中內(nèi)置的傳感器將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器。指揮人員通過信息綜合展示界面實(shí)時(shí)了解醫(yī)護(hù)人員及傷病員的基本信息，根據(jù)全船工作需要統(tǒng)一調(diào)配醫(yī)護(hù)人員。系統(tǒng)對(duì)超出預(yù)設(shè)邊界的狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警提醒，體征指標(biāo)異常信息提供給指揮人員進(jìn)行數(shù)據(jù)參考[11]。當(dāng)進(jìn)行模擬訓(xùn)練時(shí)，則通過終端信息錄入設(shè)備批量錄入終端便攜式設(shè)備（智能手表及智能手環(huán)），通過管理計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)批量綁定，并分發(fā)給各參訓(xùn)人員。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 艙內(nèi)定位技術(shù)

由于船艙內(nèi)部對(duì)全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）信號(hào)的屏蔽，目前較為常用的室內(nèi)定位手段為Wi-Fi和藍(lán)牙。Wi-Fi定位是基于標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.11無線局域網(wǎng)（wireless local area networks，WLAN），定位算法是基于接收到Wi-Fi信號(hào)的強(qiáng)度。在覆蓋WLAN的地方，定位設(shè)備周期性地發(fā)出信號(hào)，WLAN訪問點(diǎn)（AP）接收到信號(hào)后，將信號(hào)傳送給定位服務(wù)器。Wi-Fi定位有三角法、指紋法等[12]。船用環(huán)境中船內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、障礙物多，易形成多路徑干擾，導(dǎo)致信號(hào)變化較大，本系統(tǒng)利用Wi-Fi定位技術(shù)，采用三角定位法、指紋定位法相結(jié)合的算法能實(shí)現(xiàn)船內(nèi)區(qū)域定位。

3.2 接口與標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)

為了更加高效地采集醫(yī)護(hù)及傷病員信息，系統(tǒng)建立了標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議服務(wù)功能，用于獲取和發(fā)送數(shù)據(jù)，包含Modbus TCP/UDP自定義協(xié)議及AC信息數(shù)據(jù)接口。為減少醫(yī)護(hù)人員工作量，切實(shí)提高工作效率，與船載醫(yī)療信息系統(tǒng)同步開發(fā)了信息接口。同時(shí)為了便于岸基管理信息系統(tǒng)更好地采集、利用相關(guān)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)一步開發(fā)利用，系統(tǒng)軟硬件均留有標(biāo)準(zhǔn)通信接口，在滿足符合接口要求的情況下，可對(duì)外擴(kuò)展相應(yīng)設(shè)備與其他信息系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。

3.3 環(huán)境適應(yīng)性與可靠性

由于海上特殊的霉菌、鹽霧、濕熱等環(huán)境條件，再加上海上艦船航行過程中的搖擺、沖擊、振動(dòng)等因素影響，極易對(duì)軟硬件系統(tǒng)造成損壞。為適應(yīng)船用環(huán)境，本系統(tǒng)主要硬件均采用船用加固設(shè)計(jì)，對(duì)軟件進(jìn)行陸上聯(lián)調(diào)及第三方測(cè)試，還將進(jìn)行系泊與航行試驗(yàn)，綜合驗(yàn)證系統(tǒng)軟硬件的環(huán)境適應(yīng)性與可靠性。

4 功能實(shí)現(xiàn)

醫(yī)院船大部分醫(yī)療區(qū)域?qū)?shí)現(xiàn)信號(hào)覆蓋。執(zhí)行任務(wù)期間，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)醫(yī)護(hù)人員與傷病員在醫(yī)療區(qū)域內(nèi)的人員定位、體征監(jiān)測(cè)、消息推送、定時(shí)提醒、人員調(diào)配、報(bào)警等功能。

4.1 人員定位

預(yù)先在醫(yī)療區(qū)域鋪設(shè)無線AP，艙室人員定位功能主要通過便攜式設(shè)備網(wǎng)卡與無線AP的連接信息狀態(tài)，經(jīng)定位算法計(jì)算后確定該設(shè)備所處艙室，從而實(shí)現(xiàn)人員定位的功能。系統(tǒng)將根據(jù)時(shí)間軸記錄人員軌跡并保存軌跡數(shù)據(jù)，用以數(shù)據(jù)分析及其他研究需要。人員軌跡回放界面如圖4所示。

圖4 人員軌跡回放界面

4.2 體征監(jiān)測(cè)

若要實(shí)現(xiàn)體溫、心率、呼吸、血壓、運(yùn)動(dòng)、睡眠等全部體征監(jiān)測(cè)，需要多傳感器全身多處佩戴，目前技術(shù)還不能綜合集成于手表或手環(huán)設(shè)備中。考慮到設(shè)備實(shí)用性以及醫(yī)院船本身就具備較為完善的醫(yī)療設(shè)施，本文通過便攜式設(shè)備的心跳、重力傳感器與穿戴設(shè)備內(nèi)置軟件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)相關(guān)人員的基本生命體征監(jiān)測(cè)，研究重點(diǎn)在于如何避免正?；顒?dòng)對(duì)信號(hào)監(jiān)測(cè)的影響，并盡量降低設(shè)備功耗，延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與有效性。

4.3 消息推送

管理人員在管理計(jì)算機(jī)處，可對(duì)各帶屏幕的便攜式終端發(fā)送推送信息。當(dāng)便攜式終端接收到此類信息時(shí)，通過振動(dòng)提醒佩戴者。推送信息主要用于發(fā)送通知、臨時(shí)消息，指派醫(yī)療工作等。該功能可實(shí)現(xiàn)管理人員與作業(yè)人員的實(shí)時(shí)溝通和信息交互，達(dá)到作業(yè)工況下人員的高效調(diào)配。

4.4 定時(shí)提醒

經(jīng)過對(duì)操作系統(tǒng)的通知欄框架代碼進(jìn)行研究，添加了通知欄的軟件接口，使在線醫(yī)療服務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)的手表軟件可以調(diào)用此接口，實(shí)現(xiàn)推送消息前端顯示。

管理人員在管理界面中對(duì)相關(guān)人員設(shè)置定時(shí)提醒功能，當(dāng)滿足時(shí)間要求時(shí)，服務(wù)器自動(dòng)發(fā)送提醒消息到相應(yīng)人員的終端。該功能用于對(duì)相關(guān)人員發(fā)送提醒消息（如吃藥、用餐、就診等通知）。

具有顯示屏的終端設(shè)備（智能手表）佩戴人員，可手工設(shè)置提醒功能和提醒內(nèi)容，當(dāng)滿足時(shí)間要求時(shí)，設(shè)備自動(dòng)提醒佩戴者。該功能主要用于醫(yī)務(wù)人員手動(dòng)設(shè)置事項(xiàng)提醒。

4.5 人員調(diào)配

通過艙室模型和人員配置數(shù)字化建模，形成具有針對(duì)性的模型算法，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療任務(wù)時(shí)的人員分配控制建議。數(shù)學(xué)建模的基本信息有艙室位置、醫(yī)務(wù)人員信息（位置、工作強(qiáng)度、工作時(shí)間）、病員信息（位置、緊急程度、重要性）、儀器設(shè)備狀態(tài)。該功能可以大大減少工作量，在醫(yī)務(wù)人員配置緊張時(shí)最大限度配置醫(yī)療資源，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的醫(yī)療救助方案。

4.6 報(bào)警

系統(tǒng)的報(bào)警主要有心率過低、生命狀態(tài)缺失、超出醫(yī)療范圍（外籍或預(yù)設(shè)人員）、醫(yī)務(wù)人員過勞、區(qū)域人員密度過大等。針對(duì)不同報(bào)警，系統(tǒng)管理員界面中通過不同方式進(jìn)行顯示，但均可在歷史報(bào)警記錄中進(jìn)行查詢。其中心率過低、生命狀態(tài)缺失將即時(shí)顯示于軟件系統(tǒng)前端界面，且無法被消除，直到管理人員輸入密令進(jìn)行手動(dòng)確認(rèn)；超出醫(yī)療范圍報(bào)警將顯示于軟件系統(tǒng)主界面；醫(yī)務(wù)人員過勞報(bào)警主要在工作強(qiáng)度高的情況下，告知管理人員合理調(diào)配人員工作，盡量平衡人員工作量，起到一定的輔助決策作用。

5 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)經(jīng)過多次測(cè)試，性能穩(wěn)定，環(huán)境適應(yīng)性良好，采集端可以在30 s內(nèi)快速采集和發(fā)送數(shù)據(jù)。人員定位信息較為準(zhǔn)確，越界、過勞等行為可及時(shí)反饋給指揮人員提供決策參考。人員體征信息受環(huán)境及佩戴習(xí)慣影響較大，為盡量減少誤判導(dǎo)致報(bào)警情況發(fā)生，可手動(dòng)設(shè)置提醒與報(bào)警條件。此外，系統(tǒng)特意為醫(yī)療隊(duì)訓(xùn)練設(shè)置的訓(xùn)練模式可快速批量設(shè)置及抹除人員信息，供參訓(xùn)人員使用。

6 結(jié)語

醫(yī)院船人員定位及體征監(jiān)測(cè)輔助系統(tǒng)利用穿戴設(shè)備與無線AP結(jié)合，采用Wi-Fi定位算法進(jìn)行人員定位；通過穿戴設(shè)備監(jiān)測(cè)人員當(dāng)前基本體征，通過消息推送實(shí)現(xiàn)管理人員與作業(yè)人員的實(shí)時(shí)溝通和信息交互，達(dá)到了作業(yè)工況下人員的高效調(diào)配。本系統(tǒng)不足之處在于為實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的實(shí)用性與便攜性，犧牲了生命體征采集傳感器種類，無法全方位進(jìn)行生命體征監(jiān)測(cè)。

本系統(tǒng)可根據(jù)船舶空間與功能定位的不同等具體條件進(jìn)行裁剪，具有較好的功能擴(kuò)展性，穿戴設(shè)備還可與電子傷票和醫(yī)療卡功能合并，實(shí)現(xiàn)多卡合一。隨著信息化技術(shù)的不斷進(jìn)步和信息采集精度與算法的進(jìn)一步完善，本系統(tǒng)必將更好地為海上大型救治平臺(tái)信息化建設(shè)提供有力支撐。