基于深度學習的病床信息采集機器人設計

趙天翼 蔡秋吉 葉航

（河海大學 江蘇省南京市 210098）

1 引言

在現(xiàn)代化的醫(yī)院中，醫(yī)學儀器與測量數(shù)據(jù)隨處可見。在重癥病房中的患者需要全身無時不刻地連接各種各樣的測量儀器以保證對患者情況的準確判斷和進行救治的情況也是屢見不鮮。但其實各個測量儀器反應出來的數(shù)據(jù)沒能發(fā)揮出它們應有的作用。每一臺儀器的功能都是獨立的，因為每個醫(yī)院、每個病房的環(huán)境都各不相同，我們無法要求可以有一個完全統(tǒng)一的平臺去處理各種紛雜的數(shù)據(jù)——因此有很大一部分的數(shù)據(jù)不會被檢測保留下來，因為醫(yī)院對于每個病人的照顧是有限的，醫(yī)護人員的精力也是有限的，沒有辦法也不可能隨時守候在一個病人的身旁。但是人工智能系統(tǒng)卻能夠做到這一點。此外，其還可以根據(jù)數(shù)據(jù)采取措施，例如調(diào)整關(guān)鍵病房任務中涉及的儀器。人工智能應用于病房中尚處于起步階段，上升空間巨大。當下，將人工智能應用于診室中的例子并不多見。李曉萌等在《全機器人TECAB 術(shù)后患者在ICU 的早期觀察與護理》中側(cè)重對于在應用機器人前后的監(jiān)護項目、護理及監(jiān)護指標等作詳細數(shù)據(jù)相比較，數(shù)據(jù)顯示出應用機器人后比較項有明顯的效益上的提升；這也映證了機器人應用于病房中的可行性；王咪咪在《自動化智能藥柜在ICU病房的應用》一文中，通過智能藥柜的“藥品取出、藥品補充、退藥及藥品盤點”功能應用人工智能，在工作效率上同樣也有顯著的提升。但是從對于病房中數(shù)據(jù)的采集與統(tǒng)合分析的角度出發(fā)以降低醫(yī)護資源緊張的問題仍亟需解決。而本文提出的信息采集機器人設計，主要目的就是可以推動機器人在醫(yī)療中的應用，從而提供更加細致而且敏銳的護理服務，就如同有專家長期守護在病人床邊仔細分析病情一般。機器人和人工智能在病房當中的應用有望幫助患者更快離開病房環(huán)境，從而降低醫(yī)療保健成本。

2 系統(tǒng)方案設計

病床信息采集機器人的系統(tǒng)整體將由硬件設備和軟件系統(tǒng)組成。硬件設備即為采集機器人的實物搭建和相關(guān)性能的配置，其中關(guān)鍵性的硬件布置在于病房的射頻識別標簽的布設以及機器人行走路線帶的設計和布置，軟件系統(tǒng)包括了射頻識別標簽信息的傳遞處理、對紅外裝置信息的采集處理以及對儀表數(shù)據(jù)的拍攝、采集、處理和顯示等功能模塊。病床信息采集機器人整體系統(tǒng)通過硬件和軟件的配合采集并分析相關(guān)的數(shù)據(jù)從而完成對監(jiān)護病人儀器數(shù)據(jù)的采集與分析，進行正常工作，從而達到緩解醫(yī)療資源緊張等問題的目的。

2.1 機器人功能概述

本文提出設計的用于采集病床信息的智能機器人，它的特征在于它包括了機器人的本體、房門敲擊的結(jié)構(gòu)和病床信息采集的機制架構(gòu)。其中，房門敲擊機構(gòu)包括曲柄驅(qū)動電機、曲柄、連桿、彈簧和敲擊球；曲柄驅(qū)動電機安裝在機器人本體頂部，用于驅(qū)動曲柄轉(zhuǎn)動；連桿底端與曲柄頂端相鉸接，連桿頂端與彈簧底端相連接，彈簧頂端安裝所述敲擊球；而病床信息采集機制的構(gòu)成則應由幾部分協(xié)同構(gòu)成，主要采用RFID 等射頻識別技術(shù)；病房號RFID 標簽應設置在病床對應的病房房門外側(cè)，內(nèi)置有對應病房房號等信息；床位RFID 標簽設置在對應病房對應床位外側(cè)，內(nèi)置有對應病房房號和床位號信息，病床信息記錄單懸掛在對應床位的床尾中部，且與對應床位RFID 標簽位置相對應；RFID 讀卡器設置在機器人本體上，能夠自動讀取病房號RFID 標簽和床位RFID 標簽；攝像頭設置在機器人本體上，用于掃描懸掛在床位處的病床信息記錄單。而為了準確實現(xiàn)采集病床信息的智能機器人的正常工作和行進，在病區(qū)布應設有機器人行走線路帶，機器人行走線路帶包括主干路帶和若干個杈枝路帶；主干路帶布設在病房房門外側(cè)的走廊中間；杈枝路帶布設在每個病房房間內(nèi)的公共過道處，且均與主干路帶相連接；病房號RFID 標簽并內(nèi)置在主干路帶中，且與對應病房房門位置相對應；機器人的RFID 讀卡器設置在機器人本體底部，這樣機器人通過既定的訓練路線識別標簽即可在固定時間內(nèi)進入每個房間進行信息的收集與分析、反饋。反饋的方式是將智能終端集成于采集病床信息的智能機器人系統(tǒng)中，機器人本體內(nèi)置有無線傳輸系統(tǒng)，機器人本體通過無線傳輸系統(tǒng)將讀取的病房房號、床位號以及掃描的病床信息記錄單傳送至智能終端。另外，機器人本體中內(nèi)置有紅外感應裝置，從而可以通過模型訓練后準確識別病人方位，進行拍攝等具體操作。

2.2 系統(tǒng)總體方案

機器人本體包括機箱、設置在機箱底部的萬向輪、內(nèi)置在機箱中的行走電機和控制器。控制器為機器人本體的核心控制部件，為現(xiàn)有技術(shù)，優(yōu)選型號為MIO-5373。行走電機的驅(qū)動軸與萬向輪相連接，用于驅(qū)動萬向輪的轉(zhuǎn)動與行走。行走電機與控制器電連接，用于接收控制器的行走控制信號。

3 軟件設計

軟件系統(tǒng)主要由應用層、數(shù)據(jù)層和感知層組成，其中數(shù)據(jù)層分為數(shù)據(jù)管理層和數(shù)據(jù)分析層兩部分。軟件系統(tǒng)主要核心的功能是數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)識別功能。需要實現(xiàn)目標的定位、檢測與度數(shù)、對環(huán)境的評估（行走運動過程中）等。

在本設計中，攝像頭可以根據(jù)需要，拍攝對應病床所使用儀表的儀表盤，并將拍攝的儀表盤圖片上傳給智能終端。智能終端中內(nèi)置有儀表盤圖片識別軟件，儀表盤圖片識別軟件為現(xiàn)有技術(shù)進行亮度增強和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡RNN 的機器學習方法。

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡RNN 的機器學習方法的流程為：提前對儀表盤圖片進行訓練，構(gòu)建儀表盤圖片數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫。智能終端將接收的儀表盤圖片與構(gòu)建的表盤圖片數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫中圖片進行對比，從而讀取儀表盤中的儀表讀數(shù)，也即實現(xiàn)病床儀表的自動讀數(shù)。算法模型的搭建都需要數(shù)據(jù)集去訓練圖片數(shù)據(jù)，對于儀表等識別對象進行特征提取以生成訓練數(shù)據(jù)，然后我們將對訓練好的模型進行檢測，用非訓練數(shù)據(jù)集中的圖片數(shù)據(jù)測試、匹配識別，如果置信度較高，框選出的堆積物與置信度比較可靠，就算是一次成功的測試，否則我們將把這些特殊的樣本數(shù)據(jù)收集并且進行分析，重新進行訓練以期得到更加準確的模型。

4 硬件設計

4.1 整體機構(gòu)設計

本小節(jié)將在前文對機器人系統(tǒng)的設計有一個大體的描述與分析的基礎上，詳細地對機器人的每個部件的位置、結(jié)構(gòu)、功能進行設計與分析。

如圖1所示，該圖展示了本文采集病床信息的智能機器人的結(jié)構(gòu)示意圖。詳細而言，圖示的標號中11、12、13 部件是機器人的移動組成單元；其中11 是萬向輪、12 是機箱、13 是行走電機；部件組成中的21-25 部分是機器人的物理功能組成模塊；其中21 是曲柄驅(qū)動電機、22 是受21 驅(qū)動的曲柄、23 是連桿、24 是鏈接敲擊球的鏈接彈簧、25 是敲擊球；31-34 是電子模塊，主要用于進行短距離無線數(shù)據(jù)交互與數(shù)據(jù)采集。31、32 為RFID 標簽，33 是機器人路徑讀取的RFID 讀卡器，前文已描述過，此處不再贅述、34是攝像頭。

4.2 路線布設設計

清晰了機器人的基本工作方式之后，在本節(jié)的最后，將對病房中和病房間的機器人行徑路線布設方式進行說明，即如圖2所示的機器人行走線路帶的布設方式示意圖。其中31 是病房號RFID 標簽、32 是床位RFID 標簽。40-42 是路線帶說明，40 為機器人行走線路帶、41 為主干路帶、42 為杈枝路帶。51-53 為醫(yī)院既有的硬件設施的位置標明。51 是病房門、52 為病床，53 是病房信息記錄單。

機器人本體在病區(qū)的行走為現(xiàn)有技術(shù)，本設計中，優(yōu)選沿機器人行走線路帶4 進行行走。作為替換，機器人本體也可以通過控制器中內(nèi)置的其他規(guī)劃行走路徑進行行走。設計中的機器人行走線路，優(yōu)選具有如下兩種優(yōu)選布設方式：

4.2.1 布設方式1

如圖2所示，機器人行走線路帶包括主干路帶和若干個杈枝路帶。其中，主干路帶沿病區(qū)走廊中間的長度方向呈直線型布設，這種設置方式優(yōu)選適用于病房房間均設置在走廊單側(cè)的情況。杈枝路帶布設在每個病房房間內(nèi)的公共過道處，且優(yōu)選均與主干路帶垂直相連接。

4.2.2 布設方式2

機器人行走線路帶包括主干路帶和若干個杈枝路帶。其中，主干路帶沿病區(qū)走廊長度方向呈U 型、橢圓形或回型等布設方式，這種設置方式優(yōu)選適用于病房房間均設置在走廊兩側(cè)的情況。杈枝路帶布設在每個病房房間內(nèi)的公共過道處，且優(yōu)選均與主干路帶垂直相連接。曲柄驅(qū)動電機安裝在機器人本體頂部，用于驅(qū)動曲柄轉(zhuǎn)動，且曲柄驅(qū)動電機與控制器電連接，能接收控制器的驅(qū)動信號。連桿底端與曲柄頂端相鉸接，連桿頂端與彈簧底端相連接，彈簧頂端安裝敲擊球。當曲柄驅(qū)動電機接收到控制器的驅(qū)動信號時，曲柄驅(qū)動電機往復轉(zhuǎn)動，帶動連桿動作，敲擊球連續(xù)敲擊病房房門，提醒病房內(nèi)的人打開病房。彈簧的設置，能減振，并適應不同厚度的病房房門或粘貼有其他物件的病房房門。

另外，機器人本體內(nèi)置有無線傳輸系統(tǒng)，機器人本體通過無線傳輸系統(tǒng)將讀取的病房房號、床位號以及掃描的病床信息記錄單傳送至智能終端，方便智能終端處的工作人員及時處理病床信息記錄單。智能終端優(yōu)選為手機、IPAD 或電腦或其他監(jiān)視設備等。

5 結(jié)束語

就像在本文開始的時候提及的那樣，在當今的現(xiàn)代化病房中，臨床的監(jiān)護儀器顯示的檢測數(shù)值更新的很快，可能若干秒就會刷新，遺失是完全無法避免的，雖然現(xiàn)在很多先進的醫(yī)院病房中正在通過各種手段嘗試保存或者留下這些即時的消息，但是想要真正實現(xiàn)保存數(shù)據(jù)流不使其丟失還是有很大的難度的。

圖1：機器人部件設計分析圖

圖2：機器人行走線路帶布設方式示意圖

應用智能機器人進行數(shù)據(jù)采集能夠節(jié)約大量的醫(yī)護人員的時間，醫(yī)護人員不用再每天多次的記錄病床信息，同時減少醫(yī)護人員與病人的接觸次數(shù)和時間，減少交叉?zhèn)魅镜目赡苄裕徑夤残l(wèi)生環(huán)境緊張，和醫(yī)療資源緊缺問題。