基于深度学习的病床信息采集机器人设计

赵天翼 蔡秋吉 叶航

（河海大学 江苏省南京市 210098）

1 引言

在现代化的医院中，医学仪器与测量数据随处可见。在重症病房中的患者需要全身无时不刻地连接各种各样的测量仪器以保证对患者情况的准确判断和进行救治的情况也是屡见不鲜。但其实各个测量仪器反应出来的数据没能发挥出它们应有的作用。每一台仪器的功能都是独立的，因为每个医院、每个病房的环境都各不相同，我们无法要求可以有一个完全统一的平台去处理各种纷杂的数据——因此有很大一部分的数据不会被检测保留下来，因为医院对于每个病人的照顾是有限的，医护人员的精力也是有限的，没有办法也不可能随时守候在一个病人的身旁。但是人工智能系统却能够做到这一点。此外，其还可以根据数据采取措施，例如调整关键病房任务中涉及的仪器。人工智能应用于病房中尚处于起步阶段，上升空间巨大。当下，将人工智能应用于诊室中的例子并不多见。李晓萌等在《全机器人TECAB 术后患者在ICU 的早期观察与护理》中侧重对于在应用机器人前后的监护项目、护理及监护指标等作详细数据相比较，数据显示出应用机器人后比较项有明显的效益上的提升；这也映证了机器人应用于病房中的可行性；王咪咪在《自动化智能药柜在ICU病房的应用》一文中，通过智能药柜的“药品取出、药品补充、退药及药品盘点”功能应用人工智能，在工作效率上同样也有显著的提升。但是从对于病房中数据的采集与统合分析的角度出发以降低医护资源紧张的问题仍亟需解决。而本文提出的信息采集机器人设计，主要目的就是可以推动机器人在医疗中的应用，从而提供更加细致而且敏锐的护理服务，就如同有专家长期守护在病人床边仔细分析病情一般。机器人和人工智能在病房当中的应用有望帮助患者更快离开病房环境，从而降低医疗保健成本。

2 系统方案设计

病床信息采集机器人的系统整体将由硬件设备和软件系统组成。硬件设备即为采集机器人的实物搭建和相关性能的配置，其中关键性的硬件布置在于病房的射频识别标签的布设以及机器人行走路线带的设计和布置，软件系统包括了射频识别标签信息的传递处理、对红外装置信息的采集处理以及对仪表数据的拍摄、采集、处理和显示等功能模块。病床信息采集机器人整体系统通过硬件和软件的配合采集并分析相关的数据从而完成对监护病人仪器数据的采集与分析，进行正常工作，从而达到缓解医疗资源紧张等问题的目的。

2.1 机器人功能概述

本文提出设计的用于采集病床信息的智能机器人，它的特征在于它包括了机器人的本体、房门敲击的结构和病床信息采集的机制架构。其中，房门敲击机构包括曲柄驱动电机、曲柄、连杆、弹簧和敲击球；曲柄驱动电机安装在机器人本体顶部，用于驱动曲柄转动；连杆底端与曲柄顶端相铰接，连杆顶端与弹簧底端相连接，弹簧顶端安装所述敲击球；而病床信息采集机制的构成则应由几部分协同构成，主要采用RFID 等射频识别技术；病房号RFID 标签应设置在病床对应的病房房门外侧，内置有对应病房房号等信息；床位RFID 标签设置在对应病房对应床位外侧，内置有对应病房房号和床位号信息，病床信息记录单悬挂在对应床位的床尾中部，且与对应床位RFID 标签位置相对应；RFID 读卡器设置在机器人本体上，能够自动读取病房号RFID 标签和床位RFID 标签；摄像头设置在机器人本体上，用于扫描悬挂在床位处的病床信息记录单。而为了准确实现采集病床信息的智能机器人的正常工作和行进，在病区布应设有机器人行走线路带，机器人行走线路带包括主干路带和若干个杈枝路带；主干路带布设在病房房门外侧的走廊中间；杈枝路带布设在每个病房房间内的公共过道处，且均与主干路带相连接；病房号RFID 标签并内置在主干路带中，且与对应病房房门位置相对应；机器人的RFID 读卡器设置在机器人本体底部，这样机器人通过既定的训练路线识别标签即可在固定时间内进入每个房间进行信息的收集与分析、反馈。反馈的方式是将智能终端集成于采集病床信息的智能机器人系统中，机器人本体内置有无线传输系统，机器人本体通过无线传输系统将读取的病房房号、床位号以及扫描的病床信息记录单传送至智能终端。另外，机器人本体中内置有红外感应装置，从而可以通过模型训练后准确识别病人方位，进行拍摄等具体操作。

2.2 系统总体方案

机器人本体包括机箱、设置在机箱底部的万向轮、内置在机箱中的行走电机和控制器。控制器为机器人本体的核心控制部件，为现有技术，优选型号为MIO-5373。行走电机的驱动轴与万向轮相连接，用于驱动万向轮的转动与行走。行走电机与控制器电连接，用于接收控制器的行走控制信号。

3 软件设计

软件系统主要由应用层、数据层和感知层组成，其中数据层分为数据管理层和数据分析层两部分。软件系统主要核心的功能是数据分析，实现识别功能。需要实现目标的定位、检测与度数、对环境的评估（行走运动过程中）等。

在本设计中，摄像头可以根据需要，拍摄对应病床所使用仪表的仪表盘，并将拍摄的仪表盘图片上传给智能终端。智能终端中内置有仪表盘图片识别软件，仪表盘图片识别软件为现有技术进行亮度增强和循环神经网络RNN 的机器学习方法。

循环神经网络RNN 的机器学习方法的流程为：提前对仪表盘图片进行训练，构建仪表盘图片数据数据库。智能终端将接收的仪表盘图片与构建的表盘图片数据数据库中图片进行对比，从而读取仪表盘中的仪表读数，也即实现病床仪表的自动读数。算法模型的搭建都需要数据集去训练图片数据，对于仪表等识别对象进行特征提取以生成训练数据，然后我们将对训练好的模型进行检测，用非训练数据集中的图片数据测试、匹配识别，如果置信度较高，框选出的堆积物与置信度比较可靠，就算是一次成功的测试，否则我们将把这些特殊的样本数据收集并且进行分析，重新进行训练以期得到更加准确的模型。

4 硬件设计

4.1 整体机构设计

本小节将在前文对机器人系统的设计有一个大体的描述与分析的基础上，详细地对机器人的每个部件的位置、结构、功能进行设计与分析。

如图1所示，该图展示了本文采集病床信息的智能机器人的结构示意图。详细而言，图示的标号中11、12、13 部件是机器人的移动组成单元；其中11 是万向轮、12 是机箱、13 是行走电机；部件组成中的21-25 部分是机器人的物理功能组成模块；其中21 是曲柄驱动电机、22 是受21 驱动的曲柄、23 是连杆、24 是链接敲击球的链接弹簧、25 是敲击球；31-34 是电子模块，主要用于进行短距离无线数据交互与数据采集。31、32 为RFID 标签，33 是机器人路径读取的RFID 读卡器，前文已描述过，此处不再赘述、34是摄像头。

4.2 路线布设设计

清晰了机器人的基本工作方式之后，在本节的最后，将对病房中和病房间的机器人行径路线布设方式进行说明，即如图2所示的机器人行走线路带的布设方式示意图。其中31 是病房号RFID 标签、32 是床位RFID 标签。40-42 是路线带说明，40 为机器人行走线路带、41 为主干路带、42 为杈枝路带。51-53 为医院既有的硬件设施的位置标明。51 是病房门、52 为病床，53 是病房信息记录单。

机器人本体在病区的行走为现有技术，本设计中，优选沿机器人行走线路带4 进行行走。作为替换，机器人本体也可以通过控制器中内置的其他规划行走路径进行行走。设计中的机器人行走线路，优选具有如下两种优选布设方式：

4.2.1 布设方式1

如图2所示，机器人行走线路带包括主干路带和若干个杈枝路带。其中，主干路带沿病区走廊中间的长度方向呈直线型布设，这种设置方式优选适用于病房房间均设置在走廊单侧的情况。杈枝路带布设在每个病房房间内的公共过道处，且优选均与主干路带垂直相连接。

4.2.2 布设方式2

机器人行走线路带包括主干路带和若干个杈枝路带。其中，主干路带沿病区走廊长度方向呈U 型、椭圆形或回型等布设方式，这种设置方式优选适用于病房房间均设置在走廊两侧的情况。杈枝路带布设在每个病房房间内的公共过道处，且优选均与主干路带垂直相连接。曲柄驱动电机安装在机器人本体顶部，用于驱动曲柄转动，且曲柄驱动电机与控制器电连接，能接收控制器的驱动信号。连杆底端与曲柄顶端相铰接，连杆顶端与弹簧底端相连接，弹簧顶端安装敲击球。当曲柄驱动电机接收到控制器的驱动信号时，曲柄驱动电机往复转动，带动连杆动作，敲击球连续敲击病房房门，提醒病房内的人打开病房。弹簧的设置，能减振，并适应不同厚度的病房房门或粘贴有其他物件的病房房门。

另外，机器人本体内置有无线传输系统，机器人本体通过无线传输系统将读取的病房房号、床位号以及扫描的病床信息记录单传送至智能终端，方便智能终端处的工作人员及时处理病床信息记录单。智能终端优选为手机、IPAD 或电脑或其他监视设备等。

5 结束语

就像在本文开始的时候提及的那样，在当今的现代化病房中，临床的监护仪器显示的检测数值更新的很快，可能若干秒就会刷新，遗失是完全无法避免的，虽然现在很多先进的医院病房中正在通过各种手段尝试保存或者留下这些即时的消息，但是想要真正实现保存数据流不使其丢失还是有很大的难度的。

图1：机器人部件设计分析图

图2：机器人行走线路带布设方式示意图

应用智能机器人进行数据采集能够节约大量的医护人员的时间，医护人员不用再每天多次的记录病床信息，同时减少医护人员与病人的接触次数和时间，减少交叉传染的可能性，缓解公共卫生环境紧张，和医疗资源紧缺问题。