帶稱(chēng)重功能監(jiān)護(hù)病床自動(dòng)去皮系統(tǒng)研制

葉建平，翟潛，林鵬翔，黃曉霞，王志康，褚永華，梁家理，陳長(zhǎng)俊

1. 浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院 a. 臨床醫(yī)學(xué)工程部；b. 急診監(jiān)護(hù)室，浙江 杭州 310009；2. 浙江大學(xué) 流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027

引言

醫(yī)護(hù)人員有兩種無(wú)創(chuàng)方法來(lái)評(píng)估重癥監(jiān)護(hù)室患者出、入量平衡狀態(tài)[1-2]：一種是護(hù)士定性加定量，通過(guò)電子病歷系統(tǒng)繪制每日出、入量平衡圖；另一種是測(cè)量患者體重變化。但通過(guò)繪制出、入量平衡圖的方法，還需進(jìn)一步提高準(zhǔn)確性[3]。相較于前種方法，國(guó)外同行相對(duì)認(rèn)同第二種評(píng)估方法，因?yàn)轶w重被認(rèn)為是估計(jì)流體平衡的更準(zhǔn)確方法，故而得到推薦。體重亦是重癥燒傷患者補(bǔ)液和營(yíng)養(yǎng)支持的重要依據(jù)之一，研究表明每小時(shí)記錄一次重癥燒傷患者的體重極為重要[4]。

醫(yī)療儀器的設(shè)計(jì)要符合人體工程學(xué)，全面考慮醫(yī)護(hù)人員的使用情況，提升體驗(yàn)感、便捷性[5]。本文提出一種新方法解決醫(yī)護(hù)人員易忽略校零而導(dǎo)致稱(chēng)重精度不高的問(wèn)題。系統(tǒng)采用毫米波傳感器，基于77 GHz毫米波射頻互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)，通過(guò)循環(huán)掃描選定區(qū)域獲取患者是否在床信號(hào)。患者進(jìn)出重癥病房都有固定通道門(mén)，在不增加醫(yī)護(hù)人員工作量的條件下，采用Wi-Fi無(wú)線(xiàn)傳輸信號(hào)，觸發(fā)稱(chēng)重系統(tǒng)自動(dòng)校零。

1 材料與方法

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包含過(guò)門(mén)檢測(cè)模塊和患者不在床檢測(cè)模塊（圖1）。其中，過(guò)門(mén)檢測(cè)模塊包含毫米波雷達(dá)檢測(cè)模塊、多點(diǎn)控制單元（Multi Control Unit，MCU）模塊、Wi-Fi模塊、云端平臺(tái)。患者不在床檢測(cè)模塊包含毫米波雷達(dá)檢測(cè)模塊、患者呼吸胸廓特征提取、患者不在床識(shí)別、MCU模塊、Wi-Fi模塊、云端平臺(tái)、稱(chēng)重系統(tǒng)。基本運(yùn)行流程為轉(zhuǎn)運(yùn)床通過(guò)監(jiān)護(hù)室門(mén)時(shí)，毫米波雷達(dá)探測(cè)到患者，通過(guò)Wi-Fi發(fā)送0/1信號(hào)至云端平臺(tái)，所有重癥監(jiān)護(hù)床接收過(guò)門(mén)信號(hào)。重癥監(jiān)護(hù)病床在接收到過(guò)門(mén)信號(hào)時(shí)，通過(guò)毫米波雷達(dá)檢測(cè)有無(wú)患者在床。當(dāng)無(wú)患者在重癥監(jiān)護(hù)床時(shí)，稱(chēng)重系統(tǒng)校零；有患者在重癥監(jiān)護(hù)床時(shí)，稱(chēng)重系統(tǒng)維持原狀態(tài)。

圖1 帶稱(chēng)重功能監(jiān)護(hù)病床自動(dòng)校零系統(tǒng)框圖

1.2 具體實(shí)現(xiàn)方法

1.2.1 過(guò)門(mén)檢測(cè)模塊

在打開(kāi)監(jiān)護(hù)室前，毫米波雷達(dá)通過(guò)掃描轉(zhuǎn)運(yùn)床可檢測(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)床上是否有患者，進(jìn)而確定是否觸發(fā)監(jiān)護(hù)床稱(chēng)重系統(tǒng)校零。如圖2所示，本研究使用的毫米波雷達(dá)實(shí)物模塊采用德州儀器的T1模塊，其毫米波發(fā)射和接收集成在同一電路板，檢測(cè)范圍為0.04～100+m。該模塊還安裝在監(jiān)護(hù)室患者通道門(mén)框上，見(jiàn)圖3。

圖2 毫米波雷達(dá)實(shí)物圖

圖3 轉(zhuǎn)運(yùn)床過(guò)門(mén)雷達(dá)檢測(cè)點(diǎn)

1.2.2 患者不在床檢測(cè)模塊

如圖4所示，患者不在床檢測(cè)模塊亦采用T1模塊，一般固定在床頭，毫米波雷達(dá)以±60°角度和25 s間隔循環(huán)掃描。

圖4 患者不在床檢測(cè)示意圖

1.3 患者不在床狀態(tài)檢測(cè)算法

定義NZ是毫米波掃描的區(qū)域數(shù)，S[t]是雷達(dá)第t幀的Nr×Naz距離方位角復(fù)數(shù)頻譜矩陣，其第（n，m）個(gè)元素表示為Sn,m[t]。Zi是第i個(gè)區(qū)域內(nèi)的所有距離方位角柵格的集合。算法流程框圖如圖5所示。

圖5 患者不在床狀態(tài)檢測(cè)算法流程圖

1.3.1 感興趣區(qū)選取

對(duì)每個(gè)區(qū)域，提取用于確定占用狀態(tài)的特征。功能可由每個(gè)區(qū)域的平均功率得出（稱(chēng)為“區(qū)域功率”）。對(duì)于雷達(dá)上t幀i區(qū)，平均區(qū)域功率計(jì)算如式(1)所示。

對(duì)第t幀的區(qū)域i，進(jìn)一步定義移動(dòng)平均區(qū)域功率，見(jiàn)式(2)。

其中，L是移動(dòng)平均的窗口長(zhǎng)度。

對(duì)區(qū)域的移動(dòng)平均功率進(jìn)行峰值檢測(cè)，篩選出峰值感興 趣 區(qū)（Region of Interest，ROI），{Zk1,Zk2, …,Z(kNROI)}，NROI為檢測(cè)出的ROI數(shù)。

此外，區(qū)域特征定義包括：① 對(duì)于第t幀i處的區(qū)域，定義移動(dòng)平均功率如公式(3)所示；② 在區(qū)域i和區(qū)域j之間，區(qū)域功率的相關(guān)系數(shù)如公式(4)所示；③σi[t]是區(qū)域i的Qi[t]的標(biāo)準(zhǔn)偏差，計(jì)算方法見(jiàn)公式(5)。

1.3.2 胸廓運(yùn)動(dòng)特征提取

對(duì)其中任意一個(gè)ROI區(qū)域Zk，計(jì)算復(fù)數(shù)信號(hào)Sn,m[t]，(n,m)=Zk的相位，并進(jìn)行相位展開(kāi)得到φn,m[t]；然后使IIR帶通濾波器對(duì)進(jìn)行濾波得到提取的特征包括：① 移動(dòng)平均窗口峰值定義為公式(6)；② 移動(dòng)平均窗口極差定義為公式(7)；③ 移動(dòng)平均窗口功率譜定義為公式(8)；④ 移動(dòng)平均窗口自相關(guān)函數(shù)生成的序列定義為公式(9)；⑤ 對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行空間重構(gòu)，可得到重構(gòu)矩陣，移動(dòng)平均窗口排列熵序列定義為公式(10)。

其中，m為嵌入維數(shù)，τ為延時(shí)時(shí)間，K為重構(gòu)分量，K=n-(m-1)×τ。

重構(gòu)矩陣中每一行為一個(gè)重構(gòu)向量，將其按照數(shù)值大小升序排列，所得序列的索引值構(gòu)成一組符號(hào)序列S(j)，總共可能出現(xiàn)m種排列，統(tǒng)計(jì)每一種排列出現(xiàn)的次數(shù)并計(jì)算出現(xiàn)的概率P1,P2…PK，據(jù)此計(jì)算時(shí)間序列的排列熵如公式(11)所示。

通過(guò)堆疊所有特征來(lái)形成雷達(dá)框架的特征集。

1.3.3 二分類(lèi)器

以識(shí)別無(wú)患者在床狀態(tài)0與有患者在床狀態(tài)1為目標(biāo)，以ROI區(qū)域特征與胸廓微小運(yùn)動(dòng)特征組成特征集合，使用支持向量機(jī)來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)特征集實(shí)現(xiàn)二分類(lèi)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

任選一患者采用本系統(tǒng)，在2 h內(nèi)進(jìn)行在床和不在床檢測(cè)。毫米波雷達(dá)在其左側(cè)、胸廓正中矢狀位、右側(cè)檢測(cè)患者不在床誤報(bào)率。其中誤報(bào)率為2 h有患者在床但毫米波雷達(dá)未測(cè)得患者次數(shù)占總測(cè)試次數(shù)百分比，即誤報(bào)率=無(wú)患者在床次數(shù)/總測(cè)試次數(shù)。

所有數(shù)據(jù)使用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行處理分析。兩組間各觀(guān)察指標(biāo)中計(jì)量資料采用±s表示，使用t檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

選用最佳毫米波雷達(dá)安裝位置，并進(jìn)行優(yōu)化，統(tǒng)計(jì)觸發(fā)稱(chēng)重系統(tǒng)清零精度。

2 結(jié)果

2.1 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

毫米波雷達(dá)在距離患者正中矢狀位0.8 m左右進(jìn)行掃描。圖6是其雷達(dá)檢測(cè)扇形圖。經(jīng)過(guò)特征提取與可視化后，系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖6 毫米波雷達(dá)檢測(cè)扇形圖

圖7 系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果

經(jīng)測(cè)試，當(dāng)雷達(dá)位置在患者左側(cè)時(shí)，誤報(bào)率為24.25%±5.60%；在患者胸廓正中矢狀位時(shí)，誤報(bào)率為13.13%±2.23%；在患者右側(cè)時(shí)誤報(bào)率為26.50±8.60%。毫米波傳感器置于患者胸廓正中矢狀位方比置于其他位置的不在床誤報(bào)率低（t=0.62，P＜0.05）。如圖8所示，毫米波傳感器固定于床頭，可有效降低誤報(bào)率。系統(tǒng)對(duì)在床狀態(tài)的識(shí)別精度＞99%，極少出現(xiàn)誤識(shí)別為離床的情況，能夠保證不發(fā)生稱(chēng)重系統(tǒng)錯(cuò)誤清零的產(chǎn)生；另一方面，對(duì)于離床狀態(tài)的識(shí)別精度為96%，能滿(mǎn)足稱(chēng)重系統(tǒng)及時(shí)清零要求。

圖8 稱(chēng)重系統(tǒng)清零準(zhǔn)確度分析

3 討論

重癥監(jiān)護(hù)患者體重常用測(cè)量方法有兩種。一種應(yīng)用帶稱(chēng)重功能的監(jiān)護(hù)床。進(jìn)口的產(chǎn)品如Schneider等[6]使用的Hill-Rom監(jiān)護(hù)床，其重復(fù)測(cè)量精度可達(dá)225 g（＜75 kg）或75 g（＞75 kg）；國(guó)產(chǎn)的如DZ2000型智能電子稱(chēng)重床[7-8]，其重復(fù)測(cè)量體重精度達(dá)到±100 g，性能亦佳。它們?cè)谝话汜t(yī)療場(chǎng)景使用時(shí)可帶來(lái)極大的方便，且可滿(mǎn)足臨床精度要求。但亦有不足之處：不能連續(xù)地記錄體重和校零不方便[3]。Davies等[9]在使用CRRT對(duì)液體平衡進(jìn)行回顧性分析，發(fā)現(xiàn)很難完整連續(xù)記錄體重，尤其連續(xù)記錄5 d以上。常規(guī)稱(chēng)重校零過(guò)程是醫(yī)護(hù)人員去除一切和體重?zé)o關(guān)的負(fù)載，進(jìn)行校零。該過(guò)程需要醫(yī)護(hù)人員知曉稱(chēng)重系統(tǒng)校零按鍵，提前知曉患者需稱(chēng)重，且患者在進(jìn)行呼吸治療、監(jiān)護(hù)儀監(jiān)測(cè)、微泵輸液時(shí)，還提前排除各種管道、導(dǎo)聯(lián)線(xiàn)、輸液皮管等干擾因素。但研究表明雖提前告知護(hù)士需要稱(chēng)重校零，還會(huì)存在因重癥監(jiān)護(hù)室復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景導(dǎo)致醫(yī)護(hù)人員疏忽忘記清零和不易校零的情況[9-10]。最終，醫(yī)護(hù)人員不得不抬起患者重新校零。JANET在模擬嬰兒使用呼吸機(jī)和不使用呼吸機(jī)時(shí)，測(cè)量模擬嬰兒體重，結(jié)果顯示有一定差異[11]，間接說(shuō)明校零時(shí)機(jī)很重要。另一種是采用電動(dòng)移位機(jī)，如美國(guó)LIKO公司的GOLVO 700ES，但使用電動(dòng)移位機(jī)時(shí)抬起患者，易牽拉患者治療的管路、導(dǎo)聯(lián)線(xiàn)等，不利治療[12-14]。

過(guò)門(mén)檢測(cè)可選用霍爾元件傳感器、視覺(jué)識(shí)別、毫米波雷達(dá)[15]。采用霍爾元件傳感器過(guò)門(mén)檢測(cè)時(shí)，當(dāng)有其他設(shè)備（如超聲診斷系統(tǒng)、ECMO 系統(tǒng)、CRRT 機(jī)）經(jīng)過(guò)時(shí)，將誤觸發(fā)過(guò)門(mén)信號(hào)，如此時(shí)有患者從轉(zhuǎn)運(yùn)床過(guò)床到重癥病床上，系統(tǒng)將被誤校零。視覺(jué)識(shí)別，需要大量的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，臨床應(yīng)用周期加長(zhǎng)。毫米波雷達(dá)可以通過(guò)實(shí)時(shí)掃描和識(shí)別區(qū)固定，彌補(bǔ)其他技術(shù)手段帶來(lái)的缺陷。

本研究通過(guò)毫米波雷達(dá)檢測(cè)患者不在床和轉(zhuǎn)運(yùn)床過(guò)門(mén)，將校零觸發(fā)信號(hào)發(fā)送至稱(chēng)重系統(tǒng)[16]。系統(tǒng)有以下三重優(yōu)勢(shì)：① 該種非接觸式方法可有效防止重癥病房交叉感染；② 毫米波穿透特性可保證能穿透患者覆蓋的被褥，信號(hào)返回亦不受干擾；③ 不受環(huán)境影響，尤其熱源影響，如患者在使用醫(yī)用控溫儀和溫毯儀。總之，系統(tǒng)較好地解決臨床上易忽略的體重校零細(xì)節(jié)，為后續(xù)持續(xù)監(jiān)測(cè)體重打下基礎(chǔ)。研究立足于臨床的實(shí)際應(yīng)用，克服原監(jiān)護(hù)床稱(chēng)重系統(tǒng)不足，提高了獲得的體重精度。

4 結(jié)論

本研究使用毫米波雷達(dá)作為檢測(cè)手段，通過(guò)患者不在床和過(guò)門(mén)檢測(cè)，觸發(fā)監(jiān)護(hù)床稱(chēng)重系統(tǒng)校零，解決了臨床上易忽略的體重校零細(xì)節(jié)。后續(xù)將采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能算法進(jìn)一步提升患者不在床識(shí)別率，并根據(jù)患者在床主要特征值快速提取，提高識(shí)別速度，優(yōu)化系統(tǒng)性能。