基于物聯網技術的呼吸機遠程監測平臺建設與實踐

□ 伍誠麟WU Cheng-lin 田金TIAN Jin 李亦林LI Yi-lin 李永LI Yong 薛曉琦XUE Xiao-qi 張博ZHANG Bo田耘TIAN Yun 許鋒XUE Feng

2022 年底，隨著我國防疫政策的調整，感染新冠病毒后轉為急危重癥病例的數量激增，各醫院的首要任務是對急危重癥患者進行救治[1]。在救治工作初期，醫療資源短缺是導致醫護人員在搶救患者時陷入較被動的重要因素之一，特別是救治過程中對呼吸機的需求尤為明顯[2]。由于各呼吸亞重癥病房對于呼吸機的使用管理大多采取自管自用的模式，形成了不同病房對呼吸機數量的需求隨患者出入院的人次變化而變化，導致不同時間段內某些病房的呼吸機緊缺，而另外一些病房的呼吸機出現空置。院內醫療設備管理部門因無法獲取呼吸機的實時位置及使用狀態等相關信息，導致不能及時調撥空置呼吸機至有需求的病房。因此，實時監測呼吸機的物理位置和運行狀態，掌握呼吸機的使用情況，實現院內不同呼吸亞重癥病房間呼吸機的快速共享調配，是醫療設備管理部門亟需解決的問題。

物聯網技術從1999年被提出至今，已應用于眾多領域[3]。物聯網的實質為物品按照約定的通信協議與互聯網結合，實現物品信息的智能化管理[4]。其體系架構主要分為感知層、網絡層、平臺層、應用層四個層面[5]。感知層的作用為識別物體，采集數據信息；網絡層的作用為利用網絡實現信息傳遞；平臺層的作用為實現數據的匯總、處理、存儲、分發等；應用層的作用為將收集的數據做應用場景展示。目前在醫療領域中，眾多學者將物聯網技術與醫療設備相結合，成功實現對醫療設備的電氣安全監測[6]、質量溯源[7]、耗材管理[8]以及可穿戴醫療設備的生理參數實時監測[9]等。不僅如此，物聯網技術在智慧醫療的建設中也起到重要支撐作用，推動智慧醫療不斷向前發展。國家工信部在 2017 年根據國務院《關于推進物聯網有序健康發展的指導意見》編制了《物聯網的十三五規劃(2016-2020)》，提出加快物聯網與行業領域的深度融合，在醫療領域，推廣物聯網技術在藥品、耗材流通、患者看護、醫護電子病歷管理、遠程診斷、遠程手術等方面的應用[10]。

本研究把物聯網技術與呼吸機的使用相結合，將遠程監測系統平臺應用于新冠病毒急危重癥患者的救治中，使醫療設備管理部門可實時掌握呼吸機的使用情況，幫助工程師快速查找、定位空置呼吸機并調配至有需求的呼吸亞重癥病房。在實現院內呼吸機共享調配的同時，系統平臺還可以對呼吸機的運行參數進行實時遠程監測，開展呼吸機線上巡檢及使用安全預警等工作，保障臨床診療工作的順利開展。

呼吸機遠程監測平臺搭建

呼吸機遠程監測系統平臺總體框架如圖1 所示。該平臺由呼吸機、數據采集器、Wi-Fi 網絡、服務器、手機與電腦應用終端組成。呼吸機為數據來源端，在患者治療中的數據信息(報警數據、醫療數據、使用狀態等參數信息)被采集上傳。數據采集器為數據采集端，其作用為采集、解析并上傳呼吸機產生的數據，即物聯網架構中的感知層。Wi-Fi網絡為傳輸端，用來傳輸呼吸機數據至服務器，即物聯網架構中的網絡層。服務器為數據整合終端，其作用為接收、處理、存儲、分發數據采集器所采集的數據信息，即物聯網架構中的平臺層。手機與電腦應用終端為用戶展示端，顯示服務器所處理的呼吸機的數據信息，即物聯網架構中的應用層。本研究中分為以下三個步驟進行平臺搭建，包括在用呼吸機品牌型號及數量統計，數據采集器的配置與調試，WEB 客戶端與移動端APP 的應用展示。

圖1 呼吸機遠程監測系統平臺總體搭建框架圖

1．在用呼吸機品牌型號及數量統計。為了便于后續數據采集以及對每臺采集器與呼吸機特有的固定資產序號和機身序列號(serial number，SN 號)一對一綁定，工程師前期對醫院本部及三個分院區涵蓋急診、危重癥醫學科病房、呼吸重癥病房、21 個亞重癥呼吸病房共計136 臺在用呼吸機的品牌型號及數量進行統計盤點。記錄每臺呼吸機的固定資產序號、機身序列號以及實際存放位置。

2．數據采集器的配置與調試。數據采集器由第三方公司提供，其作用是獲取不同品牌呼吸機的通訊協議，采集呼吸機數據，并將數據進行解析后通過Wi-Fi 網絡上傳。由于不同品牌呼吸機的采集接口與采集通訊協議有所不同，因此在安裝數據采集器前，需提前配置采集器的呼吸機采集協議(包括品牌、型號)并進行無線網絡設置。數據采集器由5v 直流電源供電，將USB 電纜與呼吸機相連得到直流供電電源。通過與呼吸機的串口(RS-232)連接，數據采集器可對呼吸機開關機時間、開機時長、使用時長、運行狀況、實時參數、實時報警等信息進行采集、記錄。此外，數據采集器上設有報修按鍵，當呼吸機出現故障時，醫護人員可直接按鍵報修，采集器將呼吸機的故障狀態傳輸到服務器，由服務器推送到工程師手機終端的APP 上，工程師可及時到達現場對故障進行排查，完成維修后可復位報警信息。數據采集器通過解析網絡設置，獲取病房內無線接入點(Access Point，AP)的MAC 地址回傳至服務器，將MAC 地址與實際病房所處的物理地址一一對應，工程師便可通過采集器所連接的AP 定位其位置，實現呼吸機的實時定位。

3．WEB 客戶端與移動端APP 應用展示。數據采集器采集數據后通過不同樓宇間的Wi-Fi 傳輸到服務器，并在服務器中進一步匯總、處理、展示。工程師利用WEB 客戶端或手機APP 訪問服務器后即可顯示呼吸機的使用參數、工作狀態以及單臺呼吸機使用效率等相關參數信息，如圖2 至圖4 所示。采集器獲取的呼吸機工作狀態種類可以細分為關機、待機、工作、離線、故障五種狀態。當呼吸機工作狀態顯示為關機或者離線時，則判定呼吸機處于空置狀態。工程師接到科室借用呼吸機申請后，可根據就近原則調配臨近科室空置呼吸機至需求科室。

圖2 通過數據采集器采集到的呼吸機使用參數信息

圖3 通過數據采集器采集到的呼吸機工作狀態信息

圖4 呼吸機使用效率一覽圖

基于呼吸機遠程監測平臺的呼吸機使用率統計

以醫院本部呼吸機為例。截止2023 年1 月7 日，醫療設備管理部門對102 臺呼吸機安裝數據采集器，且調試成功。工程師每日可通過電腦WEB 端與手機APP 查看呼吸機的工作狀態。為更好地掌握呼吸機的使用情況，實現新冠病毒急危重癥救治期間對呼吸機的共享調配，工程師自2023 年1 月7 日至2023 年2 月3 日(注：2 月3 日醫院呼吸亞重癥病房全部關閉)對醫院本部呼吸機每日使用率進行了統計分析，并對醫院本部呼吸機使用科室的每日使用率以及使用時長不低于8 小時的呼吸機使用率進行了統計，以2023 年1月7 日為例進行展示。

結果

利用呼吸機遠程監測數據平臺對院本部2023 年1 月7日至2023 年2 月3 日呼吸機每日使用率進行統計的結果如圖5 所示。其中2023 年1 月7 日使用率最高達到50．98%，隨著社會面疫情全面好轉，呼吸機使用率整體呈現下降趨勢，2023 年2 月2 日使用率達到最低為11．76%。以2023 年1月7 日為例，呼吸重癥病房、呼吸亞重癥病房、急診、ICU等臨床科室呼吸機當日使用率及使用時長不低于8 小時的呼吸機使用率進行統計，結果如圖6 所示。其中呼吸亞重癥1病房、5 病房、6 病房、7 病房、14 病房、15 病房呼吸機使用率均達到100%。不僅如此，呼吸亞重癥5 病房、6 病房、7 病房全部呼吸機使用時長均不低于8 小時。

圖5 2023年1月7日—2023年2月3日院本部呼吸機每日使用率

圖6 2023年1月7日相關科室呼吸機使用率

在呼吸機遠程監測平臺上線使用前，醫療設備管理部門每天需派8 名工程師通過逐個病房尋找空置呼吸機、手工統計呼吸機使用情況的傳統方法，實現呼吸機的院內調配，平均耗費時長約為2-3 小時。該方法耗時耗力，也易出現統計偏差，缺乏對呼吸機使用時效性的把握，無法及時對呼吸機進行調配。呼吸機遠程監測平臺投入使用后，1 名工程師便可利用該平臺精確監測呼吸機使用情況，對空置呼吸機進行共享調配，人力成本與時間成本極大降低。

討論

以2023 年1 月7 日為例，通過對當日呼吸機使用率進行統計分析，發現呼吸亞重癥1 病房、5 病房、6 病房、7 病房、14 病房、15 病房呼吸機使用率達到100%，其中呼吸亞重癥5 病房、6 病房、7 病房全部呼吸機使用時長均不低于8 小時。因此，醫療設備管理部門應加強對呼吸機使用率較高、使用時間較長的亞重癥病房的巡檢力度，并做好對相關科室的呼吸機調配準備。利用呼吸機遠程監測平臺對醫院本部102 臺呼吸機日常使用情況監測發現，自2023 年1 月7 日后呼吸機使用率呈現遞減趨勢，這與新冠疫情逐漸好轉相關。每日新增急危重癥患者的數量較爆發期減少，大部分患者無需呼吸機治療。因此臨床科室對呼吸機的需求逐漸減少。醫療設備管理部門通過對院內呼吸機的共享調配，逐步減少了呼吸機的購置，避免了醫療資源浪費并節約了醫院資金的投入。

呼吸機作為急救和生命支持類設備在新冠急危重癥患者的搶救過程中發揮了重要作用，但是院內呼吸機具有數量多、分布廣、用時急、流動性強等特點，醫療設備管理部門難以實時掌握這些設備的使用情況，無法實現院內不同病房間呼吸機的快速共享調配。通過物聯網技術方案解決呼吸機在使用與管理中遇到的難題已被多位學者采用。其中李天慶等人[11]利用物聯網技術所搭建的呼吸機報警平臺成功解決了“信息孤島”以及報警處理無法監管等問題。黎茂林等人[12]所搭建的呼吸機健康管理云平臺可實現對呼吸機遠程數據監測及遠程控制功能，一個醫生即可對多名居家患者進行遠程監護，解決醫療資源短缺等問題。李萌等人[13]的研究顯示利用物聯網技術的呼吸機質控信息數據采集可減少人員投入、縮短質控監測時間并且降低人工錄入的誤差概率。本研究利用物聯網技術構建了呼吸機遠程監測平臺，實現對呼吸機使用情況的實時監測并可以對空置呼吸機進行快速共享調配，使工程師的工作效率明顯提升，臨床需求的響應時間明顯縮短。

結論與展望

通過呼吸機遠程監測平臺可實時監測呼吸機使用狀態、在用參數等數據，統計分析設備的使用率，實現對空置呼吸機的共享調配，幫助醫療設備管理部門及時了解呼吸機的使用情況，促進科室間的協同能力，提升醫院應對重大突發公共衛生事件的應急響應能力。

隨著醫療物聯網技術的不斷發展，未來越來越多的醫療設備將實現互聯互通[14]。雖然目前醫療物聯網平臺的建設已取得一定進展，但是在醫療物聯網搭建方面還存在很多挑戰與平臺建設的難點[15]，這其中包括：(1)醫療設備之間通訊協議的開放與統一；(2)數據的隱私與安全性；(3)數據通訊的穩定與實效性；(4)基于物聯網服務的質量規范。盡管不同的廠家給出了不同的解決方案，但每種方案依舊存在各自的弊端[16]。相信隨著醫療行業對醫療設備通訊協議的規范統一，以及5G 技術的應用和普及，這一問題會得到妥善解決。