基于RFlD技術(shù)的復(fù)用醫(yī)療器械消毒質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

高寶麗，葛冉，張東晨，柳喜鳳，馬旭東

1 河北省保定市第一中心醫(yī)院，保定市，071000

2 河北省保定市第二醫(yī)院，保定市，071000

0 引言

順應(yīng)新時期醫(yī)療體制改革的新形勢和新要求，深入貫徹智慧醫(yī)療戰(zhàn)略若干精神，積極把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、數(shù)據(jù)融合與深度分析技術(shù)、云計算技術(shù)、人工智能技術(shù)等融入智慧醫(yī)療建設(shè)的完整生命周期[1]，全力構(gòu)建并落地實施具有自我感知、自我追溯、自我決策屬性的復(fù)用醫(yī)療器械再處理鏈，打造以復(fù)用醫(yī)療器械回收透明、消毒滅菌實時監(jiān)測、質(zhì)量安全可視追溯等功能為業(yè)務(wù)支撐的復(fù)用醫(yī)療器械再處理鏈體系架構(gòu)[2]。復(fù)用醫(yī)療器械消毒供應(yīng)室處于復(fù)用醫(yī)療器械再處理鏈體系架構(gòu)的中心環(huán)節(jié)，是銜接自助回收、消毒滅菌監(jiān)測、質(zhì)量安全追溯的基礎(chǔ)樞紐，在復(fù)用醫(yī)療器械再處理鏈體系中發(fā)揮著核心支撐作用。面向智慧醫(yī)療載體的復(fù)用醫(yī)療器械再處理機制通過構(gòu)建具有歸一化數(shù)據(jù)融合機制的復(fù)用醫(yī)療器械統(tǒng)籌模型[3]，大幅度提升供應(yīng)組織、資源調(diào)動、數(shù)據(jù)協(xié)同等的工作質(zhì)效，全局協(xié)同智慧供應(yīng)鏈中多維數(shù)據(jù)自我感知與多角度自我決策之間的邏輯問題，強化復(fù)用醫(yī)療器械消毒供應(yīng)室內(nèi)外兩個高效協(xié)同，聚焦銜接復(fù)用醫(yī)療器械再處理鏈全局體系架構(gòu)的智慧決策中心[4]，積極探索符合中國醫(yī)療機構(gòu)運維實際的復(fù)用醫(yī)療器械再處理鏈新模式。

1 系統(tǒng)松耦合模塊化邏輯架構(gòu)設(shè)計

基于模塊化、可重構(gòu)、松耦合的設(shè)計原則，從復(fù)用醫(yī)療器械再處理鏈動態(tài)擴展多維數(shù)據(jù)感知層面、基于時分復(fù)用LoRa自組網(wǎng)多維數(shù)據(jù)傳送層面、質(zhì)量追溯及異常預(yù)警機制實時管控層面等給出了系統(tǒng)整體邏輯架構(gòu)，具體如圖1所示。在復(fù)用醫(yī)療器械再處理鏈動態(tài)擴展多維數(shù)據(jù)感知層面構(gòu)建了完整鏈條的基于RFID的信息采集系統(tǒng)，在RFID標(biāo)簽打印機中寫入復(fù)用醫(yī)療器械再處理鏈動態(tài)擴展多維數(shù)據(jù)，標(biāo)簽打印機對多維數(shù)據(jù)進行格式化編碼并生成蘊含多維數(shù)據(jù)信息的無源RFID射頻標(biāo)簽，作業(yè)人員利用RFID移動終端手持機進行多維數(shù)據(jù)信息的采集并存儲于內(nèi)置的高速存儲單元；基于時分復(fù)用LoRa自組網(wǎng)多維數(shù)據(jù)傳送層面，通過構(gòu)建基于時分復(fù)用的LoRa自組網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)復(fù)用醫(yī)療器械再處理鏈動態(tài)擴展多維數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)包格式化處理，并以多線程傳送模式上傳至管控平臺進行深度分析；質(zhì)量追溯及異常預(yù)警機制實時管控層面基于室內(nèi)定位算法，實現(xiàn)復(fù)用醫(yī)療器械消毒質(zhì)量全程可視追溯與異常狀態(tài)主動預(yù)警，利用Cesium可視化集成開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)復(fù)用醫(yī)療器械消毒全景運維狀態(tài)可視化實時復(fù)現(xiàn)。

2 關(guān)鍵功能與核心算法分析設(shè)計

2.1 無源RFID讀寫機制設(shè)計

基于數(shù)據(jù)可信度、傳輸距離、能耗等層面的考慮，兼容ISO 18000-6B、EPC CLASS1 G2等國際主流標(biāo)準(zhǔn)，一體化移動消毒質(zhì)量安全追溯終端底層數(shù)據(jù)高效采集及融合采用無源RFID讀寫機制，其讀寫機制邏輯示意圖，如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)松耦合模塊化邏輯架構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of system loose coupling modular logic architecture

圖2 無源RFID讀寫機制邏輯示意圖Fig.2 Logic diagram of passive RFID read-write mechanism

通過無源RFID讀寫機制內(nèi)置的電感耦合式電子標(biāo)簽存儲追溯對象的物理信息，通過獲取無線通信單元發(fā)出的磁場信息（感應(yīng)電流）建立能量傳送機制，實現(xiàn)追溯對象的物理信息高效的交換[5]，完成數(shù)據(jù)的低延遲采集并暫存于核心控制單元附屬的存儲器。核心控制單元喚醒數(shù)據(jù)完整性校驗單元對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，進行整流、交直流的轉(zhuǎn)換，并把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，在上述工作的基礎(chǔ)上采用冗余校驗法對數(shù)據(jù)的有效性、完整性等進行校驗分析。引入射頻收發(fā)單元，內(nèi)置射頻協(xié)議子單元，實現(xiàn)ISO 18000-6B、EPC CLASS1 G2等國際主流標(biāo)準(zhǔn)射頻協(xié)議的一致性轉(zhuǎn)換，內(nèi)置收發(fā)耦合子單元，實現(xiàn)物理數(shù)據(jù)發(fā)送與接收過程的數(shù)據(jù)耦合，提高數(shù)據(jù)交換效率，為一體化移動終端實現(xiàn)大體量數(shù)據(jù)的軟實時處理提供底層硬件驅(qū)動支持。

2.2 時分復(fù)用LoRa自組網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

利用LoRaWAN協(xié)議構(gòu)建時分復(fù)用LoRa自組網(wǎng)系統(tǒng)，對復(fù)用醫(yī)療器械消毒質(zhì)量安全追溯數(shù)據(jù)包進行數(shù)據(jù)包格式化處理并以多線程傳送模式上傳至LoRa集中網(wǎng)關(guān)。經(jīng)過復(fù)用醫(yī)療器械消毒質(zhì)量全景感知與融合計算同步機制處理過后的復(fù)用醫(yī)療器械消毒質(zhì)量安全追溯數(shù)據(jù)，以歸一化格式的相同量級數(shù)據(jù)包的格式存在，如圖3所示。采用具有自動組網(wǎng)多跳傳輸機制的LoRaWAN協(xié)議構(gòu)建時分復(fù)用LoRa自組網(wǎng)系統(tǒng)。采用基于LoRa WAN協(xié)議的樹狀拓撲結(jié)構(gòu)，樹根節(jié)點為協(xié)調(diào)器的主節(jié)點[6]，無線組網(wǎng)多跳協(xié)議采用LoRa WAN-Pro協(xié)議，采用終端傳感器感知集群采集差異性多維數(shù)據(jù)，通過多跳路由匯聚機制把差異性多維數(shù)據(jù)匯聚到協(xié)調(diào)器節(jié)點實現(xiàn)多節(jié)點、多線程、時分復(fù)用的LoRa自組網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)歸一化格式下的復(fù)用醫(yī)療器械消毒質(zhì)量安全追溯數(shù)據(jù)包多線程傳輸。

圖3 時分復(fù)用LoRa自組網(wǎng)系統(tǒng)傳輸邏輯示意圖Fig.3 Transmission logic diagram of time division multiplexing Lora ad hoc network system

2.3 基于UWB技術(shù)的高精度復(fù)用醫(yī)療器械定位模型

引入UWB技術(shù)構(gòu)建室內(nèi)精確定位體系，實現(xiàn)室內(nèi)人員、復(fù)用醫(yī)療器械等的實時軌跡追蹤，具有穿透性強、抗多徑效果優(yōu)良、短距離定位精度高等優(yōu)勢。采用的基站定位精度為15 cm，定位標(biāo)簽刷新頻率帶寬為0.002～33 Hz，可以根據(jù)不同應(yīng)用場景進行自動分配，提供應(yīng)用程序開放接口[7]，為復(fù)用醫(yī)療器械再處理鏈無縫銜接提供擴展API接口。與基于UWB技術(shù)的消毒供應(yīng)室室內(nèi)實時定位算法框架相契合，遵循可重構(gòu)、模塊化、工程化、實用化的原則，設(shè)計了基于UWB技術(shù)的消毒供應(yīng)室室內(nèi)實時定位設(shè)備布置圖，如圖4所示。根據(jù)消毒供應(yīng)室的設(shè)備分布、復(fù)用醫(yī)療器械消毒標(biāo)準(zhǔn)、人員進出流動情況等對定位標(biāo)簽和定位移動終端進行合理布局，定位標(biāo)簽內(nèi)置800 mA.h鋰電池，可以實現(xiàn)免維護工作數(shù)月，定位基站與定位標(biāo)簽采用時間間隔極短（小于1 ns）的脈沖進行高效通信，具有較強的抗干擾能力。根據(jù)定位基站的功率與覆蓋范圍不同，在核心部位和稀疏部位差異化設(shè)置中心基站與普通基站，采用三角延遲定位法給出待定位物體的精確位置或流動人員的精確軌跡。

圖4 消毒供應(yīng)室室內(nèi)實時定位設(shè)備布置示意圖Fig.4 Layout of indoor real-time positioning equipment in disinfection supply room

3 原理樣機與系統(tǒng)研發(fā)及效能分析

復(fù)用醫(yī)療器械消毒質(zhì)量安全追溯終端手持機原理樣機采用一體化設(shè)計，如圖5所示。

圖5 基于KL25微處理器的RFID移動終端手持機邏輯框圖Fig.5 Logic block diagram of RFID mobile terminal handset based on KL25 microprocessor

核心控制板采用飛思卡爾半導(dǎo)體的KL25Z128芯片，實現(xiàn)標(biāo)簽識別、數(shù)據(jù)暫存、數(shù)據(jù)傳送的協(xié)同控制。射頻收發(fā)模塊選用符合ETSI（歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會）規(guī)范的超高頻（UHF）RFID讀寫模塊，具備讀寫產(chǎn)品電子代碼協(xié)議（EPCC1G1）、IS015693、ISO14443-A等多種無源RFID協(xié)議的效能，工作在862～955 MHz頻段，可以高效精確讀取2.5 m范圍內(nèi)的超高頻電子標(biāo)簽。人機交互模塊通過矩陣功能鍵盤實現(xiàn)人機信息的交互[8]，人機交互模塊具有最高優(yōu)先級，可以處理相關(guān)突發(fā)狀況。免維護電源模塊采用高效鋰電池，融入能耗管理機制，為原理樣機提供高精度電力。高速數(shù)據(jù)暫存模塊采用外擴SD卡的形式實現(xiàn)多維數(shù)據(jù)的暫時存儲，存儲容量最高可擴展至64 GB。雙向數(shù)據(jù)傳送模塊實現(xiàn)暫存數(shù)據(jù)的傳送與更新指令信息的接收，采用LoRa收發(fā)模塊，工作在915 MHz頻段，采用TMD完成組網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向高效傳送。OLED顯示模塊用于顯示常用參數(shù)信息，以圖形化的方式提示數(shù)據(jù)采集、暫存、傳送進度等。實時時鐘模塊為整個系統(tǒng)進行授時，保證時間序列的邏輯穩(wěn)定性。

基于加載大批量復(fù)用醫(yī)療器械再處理鏈動態(tài)擴展多維數(shù)據(jù)的實時性與可視化要求，采用Cesium可視化集成開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了基于RFID技術(shù)的復(fù)用醫(yī)療器械消毒質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)，利用醫(yī)療機構(gòu)消毒供應(yīng)室底層三維模型實現(xiàn)可視化交互展示效果。利用Obj2gltf轉(zhuǎn)換工具（基于Node環(huán)境）生成.Glb格式的消毒供應(yīng)室三維模型圖，利用Viewer.scene插件實時調(diào)控當(dāng)前所見交互內(nèi)容，利用插件Cesium.containe實現(xiàn)底層三維模型的場景切換，調(diào)用KmlDataSource.load插件實現(xiàn)樣式實體的矢量加載，渲染更加真實的三維場景，具體如圖6所示。通過安裝Tiles工具包，可以實現(xiàn)基于鼠標(biāo)拖曳的交互選擇和樣式調(diào)整。

為了進一步從定性、定量兩個層面對比分析原型系統(tǒng)的工程化應(yīng)用效能，選取河北省保定市第一中心醫(yī)院東院消毒供應(yīng)室為效能評價載體，以河北省保定市某醫(yī)院現(xiàn)役應(yīng)用的復(fù)用醫(yī)療器械再應(yīng)用綜合管控系統(tǒng)為對照系統(tǒng)，覆蓋復(fù)用醫(yī)療器械再應(yīng)用鏈涉及的回收、清點、消毒、打包、滅菌、發(fā)放、應(yīng)用完整生命周期，從無菌器械包外標(biāo)識識別率、電子條形碼感知速度、質(zhì)量安全追溯可視化率等方面進行定量分析，圍繞復(fù)用醫(yī)療器械消毒質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)人機交互友好性、有效的績效評估體系輔助性、不合格器械預(yù)警召回互聯(lián)推送等方面進行定性分析，具體如表1所示。通過表1可以從定性和定量兩個層面分析得出，所提基于RFID技術(shù)的復(fù)用醫(yī)療器械消毒質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)可以在較短的時間內(nèi)有效處理復(fù)用醫(yī)療器械消毒質(zhì)量安全追溯問題，在感知快速性、追溯精準(zhǔn)性、模型泛化能力等方面具有明顯優(yōu)勢。

圖6 復(fù)用醫(yī)療器械消毒質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)效能驗證布置圖Fig.6 Layout of effectiveness verification of disinfection quality and safety traceability system of reused medical devices

表1 復(fù)用醫(yī)療器械消毒質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)效能對比表Tab.1 Efficacy comparison of quality and safety traceability system for disinfection of reused medical devices

4 結(jié)論

針對河北省保定市某醫(yī)院現(xiàn)役應(yīng)用的復(fù)用醫(yī)療器械再應(yīng)用綜合管控系統(tǒng)呈現(xiàn)的若干顯性弊端，開發(fā)了一款基于RFID技術(shù)的復(fù)用醫(yī)療器械消毒質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)并進行了樣機效能分析。引入無源RFID讀寫機制，通過RFID移動終端手持機實時獲取復(fù)用醫(yī)療器械再處理鏈動態(tài)擴展多維數(shù)據(jù)并進行暫存。引入基于時分復(fù)用LoRa自組網(wǎng)系統(tǒng)，對復(fù)用醫(yī)療器械再處理鏈動態(tài)擴展多維數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)包格式化處理并以多線程傳送模式上傳至管控平臺進行深度分析與追溯。引入基于UWB技術(shù)的高精度消毒人員及復(fù)用醫(yī)療器械定位機制，實現(xiàn)消毒供應(yīng)室內(nèi)地圖信息的實時生成。選用STM32F103主控一體板，輔以必要的外圍電路，研發(fā)了移動終端手持機原理樣機，基于Cesium可視化集成開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了基于RFID技術(shù)的復(fù)用醫(yī)療器械消毒質(zhì)量安全追溯原型系統(tǒng)。選取河北省保定市第一中心醫(yī)院東院消毒供應(yīng)室開展效能分析，效能分析結(jié)果顯示，基于RFID技術(shù)的復(fù)用醫(yī)療器械消毒質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)可以在較短的時間內(nèi)有效處理復(fù)用醫(yī)療器械消毒質(zhì)量安全追溯問題，在感知快速性、追溯精準(zhǔn)性、模型泛化能力等方面具有明顯優(yōu)勢。