萬 振，許 華，劉 勇，溫利軍

（天津大學(xué)海河醫(yī)院，天津300350）

0 引言

天津大學(xué)海河醫(yī)院是天津市衛(wèi)生健康委員會(huì)所屬的一家以治療呼吸系統(tǒng)疾病為主的大型三級(jí)甲等綜合醫(yī)院，曾在嚴(yán)重急性呼吸綜合征、高致病性禽流感、中東呼吸綜合征等疫情中作為第一定點(diǎn)醫(yī)院并承擔(dān)重要任務(wù)，也是此次新型冠狀病毒肺炎（以下簡稱“新冠肺炎”）疫情暴發(fā)后天津地區(qū)新冠肺炎患者第一定點(diǎn)收治醫(yī)院。針對(duì)新冠肺炎疫情，我院緊急啟動(dòng)戰(zhàn)時(shí)模式，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際救治情況，進(jìn)行了大量優(yōu)化改進(jìn)工作，其中緊急研發(fā)了一種面向傳染病重癥隔離病房的輕量化多功能床旁醫(yī)學(xué)觀察終端，并全程應(yīng)用于7 例危重癥患者的全程監(jiān)管、遠(yuǎn)程會(huì)診等，在此次危重癥患者收治過程中起到了非常重要的作用，得到了天津市新冠肺炎醫(yī)療救治專家組的高度評(píng)價(jià)。

1 需求分析

鑒于新冠肺炎的高傳染性，隔離病房嚴(yán)格控制人員進(jìn)出，故隔離病房內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)多個(gè)臨床專業(yè)醫(yī)護(hù)人員全程在重癥患者床旁進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管[1]。而重癥患者通常病情緊急，不僅需要實(shí)時(shí)監(jiān)管患者的各項(xiàng)生命體征、各類醫(yī)療設(shè)備的狀態(tài)及指標(biāo)，還存在需要實(shí)時(shí)觀察病房內(nèi)醫(yī)護(hù)人員的操作流程與規(guī)范等需求[2]。如何實(shí)現(xiàn)僅常規(guī)、必要的醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行床旁監(jiān)管及多學(xué)科專家團(tuán)隊(duì)遠(yuǎn)程同時(shí)進(jìn)行多個(gè)重癥病房的高效觀察并指導(dǎo)工作，成為目前亟待解決的關(guān)鍵問題[3]。

2 研發(fā)難點(diǎn)

針對(duì)醫(yī)療救治專家組提出的各項(xiàng)實(shí)際需求，經(jīng)過多種方案的討論，本終端的設(shè)計(jì)存在以下難點(diǎn)：（1）現(xiàn)有隔離病房內(nèi)吊頂安裝的攝像頭難以查看患者的局部細(xì)節(jié)，例如患者表情及肺部起伏情況、液體顏色及黏稠度、體外膜肺氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）及呼吸機(jī)等重點(diǎn)醫(yī)療設(shè)備的界面等，且監(jiān)控視線極易被遮擋。擬在所有隔離病房的吊頂或貼墻重新安裝多只高清攝像頭聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行多角度觀察，但因傳染病重癥隔離病房內(nèi)已經(jīng)收治確診患者，屬于污染區(qū)，施工難度非常大，且視線依舊容易被遮擋。若安裝三維可調(diào)支架式攝像頭，雖然可以調(diào)節(jié)觀察角度，但因病房內(nèi)存在吊式輸液桿及滑軌、隔簾等設(shè)施，其活動(dòng)空間受限，造成調(diào)節(jié)不便。同時(shí)，高清數(shù)字?jǐn)z像頭部署在隔離病房的什么位置、以何種方式部署最利于專家組多方位觀察是最大難點(diǎn)。（2）傳染病重癥隔離病房內(nèi)醫(yī)療設(shè)備種類、數(shù)量繁多，整體功耗大、散熱量大，故床旁醫(yī)學(xué)觀察終端以占用較小空間、散熱量小為宜，以便為醫(yī)護(hù)工作人員提供更多的救治空間[4]。（3）傳染病重癥隔離病房內(nèi)醫(yī)護(hù)人員穿戴隔離衣、防護(hù)服、手套等防護(hù)用品進(jìn)行復(fù)雜操作多有不便，故床旁醫(yī)學(xué)觀察終端操作方法越簡單越好[5]。（4）由于時(shí)間非常緊急，市面上缺乏現(xiàn)成的、可滿足我院需求的成套可用設(shè)備，故只能基于現(xiàn)有設(shè)備及環(huán)境進(jìn)行組合式應(yīng)用創(chuàng)新。（5）傳染病重癥隔離病房內(nèi)雖已覆蓋無線信號(hào)，但通信對(duì)講機(jī)對(duì)無線信號(hào)的干擾非常嚴(yán)重，因此必須采用有線傳輸。（6）此次收治的新冠肺炎患者數(shù)量較多，需要為所有傳染病重癥隔離病房批量配備床旁醫(yī)學(xué)觀察終端，需求量大，單臺(tái)終端制作成本不宜過高。

3 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

綜合考慮傳染病重癥隔離病房的特殊環(huán)境，經(jīng)我院反復(fù)論證，最終決定在原輸液架基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，在不影響輸液架功能的前提下，將攝像頭部署于輸液架上，實(shí)現(xiàn)高度可調(diào)，最終滿足新冠肺炎患者救治醫(yī)學(xué)觀察的多樣化需求。

3.1 設(shè)計(jì)思路

為滿足專家觀察視角及不同救治階段觀察不同指標(biāo)的需求，我院設(shè)計(jì)了可搭載雙高清攝像頭的電動(dòng)升降桿，并配備了萬向輪底座?？筛鶕?jù)觀察目標(biāo)的需求，調(diào)整終端設(shè)備到達(dá)最佳觀察位置，進(jìn)而通過電動(dòng)機(jī)控制升降桿上升或下降到達(dá)最佳高度，通過調(diào)整第一攝像頭、第二攝像頭以實(shí)現(xiàn)攝像頭的固定點(diǎn)高度，然后再通過云臺(tái)軟件遠(yuǎn)程控制、調(diào)節(jié)攝像頭角度，實(shí)現(xiàn)全方位調(diào)控，以便在床旁近距離、更精準(zhǔn)地模擬專家視角，從而捕獲被觀察目標(biāo)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。

3.2 終端結(jié)構(gòu)及組成

床旁醫(yī)學(xué)觀察終端由底座、不間斷電源（uninterruptible power supply，UPS）電池盒、220 V 交流電通用插座、電量顯示屏、萬向滑輪、升降桿、升降電動(dòng)機(jī)、承載板、承載柱、平板計(jì)算機(jī)及支架、輸液掛鉤、第一攝像頭、第二攝像頭、攝像頭固定板和網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備組成，如圖1 所示。

圖1 床旁醫(yī)學(xué)觀察終端結(jié)構(gòu)示意圖

其中，升降桿與升降電動(dòng)機(jī)均為迅馳電氣定制成品，電壓為DC 12 V，標(biāo)準(zhǔn)行程為500 mm，速度為50 mm/s。UPS 電池盒空間容量為350 mm×300 mm×100 mm，市面上通用帶逆變功能的電池模塊均可直接接入。當(dāng)終端接電困難或突發(fā)電源故障時(shí)，UPS 電池盒可為終端供電，以保證終端24 h 都能穩(wěn)定運(yùn)行。承載板采用ABS 工程塑料材質(zhì)，半徑為200 mm，最大承重約3 kg。承載柱采用201 不銹鋼材質(zhì)，長度為1 600 mm，直徑為32 mm，最大承重約20 kg。平板計(jì)算機(jī)支架采用鋁合金材質(zhì)，最大承重約2 kg。輸液掛鉤采用201 不銹鋼材質(zhì)，最大承重約4 kg。攝像頭固定板采用ABS 塑料材質(zhì)，長為350 mm，寬為120 mm，最大承重約3 kg。平板計(jì)算機(jī)采用市面上通用產(chǎn)品即可完成固定與接入。

為保證床旁醫(yī)學(xué)觀察終端的穩(wěn)定性，UPS 電池盒及底座的重心均位于終端最低處，承載柱的重心位于底座的中心位置，輸液泵、注射泵等主要設(shè)備采用后卡扣方式掛載于承載柱上下方，使得多個(gè)設(shè)備同時(shí)掛載時(shí)可均衡施重，便于穩(wěn)定重心。

考慮到傳染病重癥隔離病房內(nèi)設(shè)備繁多，結(jié)構(gòu)緊湊，剩余空間容量小，床旁醫(yī)學(xué)觀察終端應(yīng)輕便小巧、移動(dòng)靈活，還需能承載醫(yī)治過程中的各類物品（如藥品、液體、標(biāo)本、器械等），故設(shè)計(jì)了圓形承載板，這樣不僅可以增大承載面積，還便于均衡施重，提高穩(wěn)定性。為便于觀察患者及設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)，終端配備了雙云臺(tái)高清攝像頭，支持多倍物理變焦及自動(dòng)對(duì)焦。

鑒于無線信號(hào)易受到對(duì)講機(jī)干擾，為保證雙云臺(tái)高清攝像頭視頻質(zhì)量及傳輸穩(wěn)定，增加了有線網(wǎng)絡(luò)接入模塊，采用傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP）和H.265 視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，在保障圖像質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)低帶寬視頻傳輸。

整個(gè)終端的物理線路輸出為1 根超五類8 芯網(wǎng)線和1 根3 芯標(biāo)準(zhǔn)的220 V 電源線，均采用束線纏繞帶進(jìn)行處理，不存在線路纏繞問題。最終投入使用的床旁醫(yī)學(xué)觀察終端質(zhì)量輕，不含電池的總質(zhì)量小于10 kg，其實(shí)際應(yīng)用展示如圖2 所示。床旁醫(yī)學(xué)觀察終端在使用過程中全程錄像，視頻可追溯，可隨時(shí)調(diào)閱歷史視頻。

圖2 床旁醫(yī)學(xué)觀察終端實(shí)際應(yīng)用展示圖

4 使用方法

床旁醫(yī)學(xué)觀察終端的使用過程如下：（1）由隔離病房內(nèi)醫(yī)護(hù)人員將終端部署于最佳床旁位置，既不占用較大空間，又能保持占位無遮擋，保證良好的觀察視角。（2）完成有線網(wǎng)絡(luò)接入，確保信號(hào)通暢、無卡頓。（3）通過攝像頭自帶的云臺(tái)控制軟件控制2 只攝像頭的高度、視角、放大倍數(shù)、焦點(diǎn)等參數(shù)，達(dá)到對(duì)目標(biāo)的最佳觀察效果。（4）根據(jù)患者觀察體位及目標(biāo)變化，及時(shí)調(diào)整視角，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)患者及重要設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)管。（5）通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，醫(yī)療救治專家組在計(jì)算機(jī)上查看高清圖像，進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)。如需進(jìn)行救治，可將注射泵、輸液泵、藥品、器械等就近承載于終端上，節(jié)省救治時(shí)間，充分利用空間。

5 性能測(cè)試

床旁醫(yī)學(xué)觀察終端設(shè)計(jì)最重要的是保證傳輸?shù)囊曨l質(zhì)量，從而保證對(duì)患者及重要設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)管效果。本文采用ElecardStreamEye Tools 視頻分析工具對(duì)視頻質(zhì)量及其所占網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 視頻流及其所占網(wǎng)絡(luò)帶寬分析圖

通過對(duì)床旁醫(yī)學(xué)觀察終端的視頻錄像進(jìn)行分析可知，視頻圖像的實(shí)際分辨力為2 560×1 440，實(shí)際像素達(dá)400 萬，視頻幀率達(dá)到50 幀/s。其2 560×1 440像素的高清分辨力可保證患者表情、動(dòng)作及監(jiān)護(hù)儀等重要設(shè)備關(guān)鍵信息的有效獲取，50 幀/s 的高幀率可保證視頻觀看流暢、不卡頓。在百兆網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，通過視頻瀏覽器可同時(shí)預(yù)覽2 路高清視頻，實(shí)際占用帶寬為13～16 Mbit/s，較為穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了高清視頻的低帶寬傳輸，有效降低了網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用率。

6 應(yīng)用效果

床旁醫(yī)學(xué)觀察終端應(yīng)用于7 例新冠肺炎危重患者，效果良好，滿足了多學(xué)科專家會(huì)診及遠(yuǎn)程觀察的要求，目前已在我院全部重癥病房中配備并使用。床旁醫(yī)學(xué)觀察終端使用效果示意圖如圖4 所示。

以一位典型患者為例，年齡24 歲，體質(zhì)量120 kg，新冠肺炎合并急性呼吸窘迫綜合征患者，行經(jīng)口氣管插管機(jī)械通氣治療，因患者體型較胖、病情變化較復(fù)雜，不僅需要隨時(shí)觀察生命體征、確定各個(gè)管路的正確位置，還需要醫(yī)療救治專家組隨時(shí)觀察患者狀態(tài)并指導(dǎo)治療，及時(shí)調(diào)整各項(xiàng)指標(biāo)的參數(shù)。通過使用床旁醫(yī)學(xué)觀察終端實(shí)現(xiàn)了近距離觀察患者情況、呼吸機(jī)以及微量注射泵等重要設(shè)備的參數(shù)，并可根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到最佳治療效果?；颊呒爸匾O(shè)備床旁觀察效果如圖5 所示。該患者在治療一周后突然出現(xiàn)鼻出血且出血量較大，重癥醫(yī)療團(tuán)隊(duì)在病房開展緊急搶救，同時(shí)耳鼻喉專家進(jìn)行緊急會(huì)診，并通過床旁醫(yī)學(xué)觀察終端遠(yuǎn)程指導(dǎo)重癥醫(yī)療團(tuán)隊(duì)進(jìn)行氣管鏡操作，成功地找到了出血部位并進(jìn)行處理，迅速穩(wěn)定了病情。耳鼻喉專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)場景如圖6 所示。

圖4 應(yīng)用效果圖（繪制）

圖5 患者及重要設(shè)備床旁觀察效果圖

圖6 專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)場景

在緊急情況處理中，所有專家都可以通過床旁醫(yī)學(xué)觀察終端近距離、清晰地觀察患者及臨床操作的全過程，猶如親臨現(xiàn)場，保障了搶救現(xiàn)場的有序性，可實(shí)時(shí)進(jìn)行多學(xué)科會(huì)診以便給予最佳的治療方案，大大提高了搶救質(zhì)量和效率。

實(shí)踐證明，床旁醫(yī)學(xué)觀察終端具有如下優(yōu)勢(shì)：（1）多功能一體化。本終端同時(shí)具備高清監(jiān)控、視頻對(duì)話等多項(xiàng)功能，尤其是具備多種掛載、承載功能，可用于放置輸液泵、注射泵、藥品、器械等。（2）觀察方式靈活。本終端具有很強(qiáng)的占位功能，不易被遮擋觀察視線，可近距離部署于病床四周，并可靈活移動(dòng)位置。（3）節(jié)省空間。本終端僅占用原輸液架大小的位置便可實(shí)現(xiàn)輸液、醫(yī)學(xué)觀察、視頻對(duì)話等多項(xiàng)功能。（4）可避免交叉感染。通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，醫(yī)療救治專家可遠(yuǎn)程查看患者各個(gè)部位、各類醫(yī)療設(shè)備的面板數(shù)據(jù)以及醫(yī)護(hù)人員的操作過程，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)管、醫(yī)療指導(dǎo)[6]，無需多名專家同時(shí)進(jìn)入隔離病房進(jìn)行現(xiàn)場操作和指導(dǎo)，降低了交叉感染風(fēng)險(xiǎn)，規(guī)范了病房秩序。（5）節(jié)省防護(hù)型醫(yī)療資源。通過減少醫(yī)護(hù)人員的進(jìn)出次數(shù)可大大減少隔離衣、手套等防護(hù)型醫(yī)療資源的消耗[7]。

7 結(jié)語

隨著高清視頻采集處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)以及混合現(xiàn)實(shí)（mixed reality，MR）技術(shù)的飛速發(fā)展，遠(yuǎn)程診療技術(shù)正逐步向遠(yuǎn)程真實(shí)場景重構(gòu)方向轉(zhuǎn)化。而傳統(tǒng)的視頻采集、傳輸方法已不能滿足高效互動(dòng)等需求[8-9]，先進(jìn)的技術(shù)手段為復(fù)雜視頻的快速捕捉及處理、傳輸?shù)於藞?jiān)實(shí)基礎(chǔ)，使得在診療過程中醫(yī)患雙方、會(huì)診雙方通過良好的視聽感覺達(dá)到真實(shí)的互動(dòng)效果，從而實(shí)現(xiàn)滿足新需求的遠(yuǎn)程診療[10-11]。

床旁醫(yī)學(xué)觀察終端的研發(fā)及應(yīng)用在此次新冠肺炎疫情的救治過程中解決了隔離病區(qū)內(nèi)外高清視頻傳輸?shù)膯栴}，對(duì)患者的救治起到了良好的效果。但該設(shè)備的應(yīng)用仍需根據(jù)專家的不同需求進(jìn)行人工調(diào)整，且僅為多路視頻的同步傳輸，缺乏多路視頻智能融合重構(gòu)的能力。未來可在患者端部署多個(gè)高清視頻采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)無死角獲取患者及場景的真實(shí)視頻數(shù)據(jù)，利用高效算法對(duì)采集的多路視頻進(jìn)行智能多維重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)百分百真實(shí)場景還原。同時(shí)還可通過電子位置感應(yīng)地毯等模擬專家立足位置進(jìn)而模擬專家視角，以對(duì)患者進(jìn)行無死角的醫(yī)學(xué)觀察分析，達(dá)到真實(shí)查房效果。