基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的呼吸機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)建設(shè)與實(shí)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(diào)整，感染新冠病毒后轉(zhuǎn)為急危重癥病例的數(shù)量激增，各醫(yī)院的首要任務(wù)是對(duì)急危重癥患者進(jìn)行救治[1]。在救治工作初期，醫(yī)療資源短缺是導(dǎo)致醫(yī)護(hù)人員在搶救患者時(shí)陷入較被動(dòng)的重要因素之一，特別是救治過程中對(duì)呼吸機(jī)的需求尤為明顯[2]。由于各呼吸亞重癥病房對(duì)于呼吸機(jī)的使用管理大多采取自管自用的模式，形成了不同病房對(duì)呼吸機(jī)數(shù)量的需求隨患者出入院的人次變化而變化，導(dǎo)致不同時(shí)間段內(nèi)某些病房的呼吸機(jī)緊缺，而另外一些病房的呼吸機(jī)出現(xiàn)空置。院內(nèi)醫(yī)療設(shè)備管理部門因無法獲取呼吸機(jī)的實(shí)時(shí)位置及使用狀態(tài)等相關(guān)信息，導(dǎo)致不能及時(shí)調(diào)撥空置呼吸機(jī)至有需求的病房。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)呼吸機(jī)的物理位置和運(yùn)行狀態(tài)，掌握呼吸機(jī)的使用情況，實(shí)現(xiàn)院內(nèi)不同呼吸亞重癥病房間呼吸機(jī)的快速共享調(diào)配，是醫(yī)療設(shè)備管理部門亟需解決的問題。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)從1999年被提出至今，已應(yīng)用于眾多領(lǐng)域[3]。物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)質(zhì)為物品按照約定的通信協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物品信息的智能化管理[4]。其體系架構(gòu)主要分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層四個(gè)層面[5]。感知層的作用為識(shí)別物體，采集數(shù)據(jù)信息；網(wǎng)絡(luò)層的作用為利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息傳遞；平臺(tái)層的作用為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯總、處理、存儲(chǔ)、分發(fā)等；應(yīng)用層的作用為將收集的數(shù)據(jù)做應(yīng)用場(chǎng)景展示。目前在醫(yī)療領(lǐng)域中，眾多學(xué)者將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與醫(yī)療設(shè)備相結(jié)合，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)療設(shè)備的電氣安全監(jiān)測(cè)[6]、質(zhì)量溯源[7]、耗材管理[8]以及可穿戴醫(yī)療設(shè)備的生理參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[9]等。不僅如此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧醫(yī)療的建設(shè)中也起到重要支撐作用，推動(dòng)智慧醫(yī)療不斷向前發(fā)展。國家工信部在 2017 年根據(jù)國務(wù)院《關(guān)于推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》編制了《物聯(lián)網(wǎng)的十三五規(guī)劃(2016-2020)》，提出加快物聯(lián)網(wǎng)與行業(yè)領(lǐng)域的深度融合，在醫(yī)療領(lǐng)域，推廣物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在藥品、耗材流通、患者看護(hù)、醫(yī)護(hù)電子病歷管理、遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程手術(shù)等方面的應(yīng)用[10]。

本研究把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與呼吸機(jī)的使用相結(jié)合，將遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用于新冠病毒急危重癥患者的救治中，使醫(yī)療設(shè)備管理部門可實(shí)時(shí)掌握呼吸機(jī)的使用情況，幫助工程師快速查找、定位空置呼吸機(jī)并調(diào)配至有需求的呼吸亞重癥病房。在實(shí)現(xiàn)院內(nèi)呼吸機(jī)共享調(diào)配的同時(shí)，系統(tǒng)平臺(tái)還可以對(duì)呼吸機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，開展呼吸機(jī)線上巡檢及使用安全預(yù)警等工作，保障臨床診療工作的順利開展。

呼吸機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)搭建

呼吸機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)總體框架如圖1 所示。該平臺(tái)由呼吸機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、手機(jī)與電腦應(yīng)用終端組成。呼吸機(jī)為數(shù)據(jù)來源端，在患者治療中的數(shù)據(jù)信息(報(bào)警數(shù)據(jù)、醫(yī)療數(shù)據(jù)、使用狀態(tài)等參數(shù)信息)被采集上傳。數(shù)據(jù)采集器為數(shù)據(jù)采集端，其作用為采集、解析并上傳呼吸機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，即物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的感知層。Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)為傳輸端，用來傳輸呼吸機(jī)數(shù)據(jù)至服務(wù)器，即物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)層。服務(wù)器為數(shù)據(jù)整合終端，其作用為接收、處理、存儲(chǔ)、分發(fā)數(shù)據(jù)采集器所采集的數(shù)據(jù)信息，即物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的平臺(tái)層。手機(jī)與電腦應(yīng)用終端為用戶展示端，顯示服務(wù)器所處理的呼吸機(jī)的數(shù)據(jù)信息，即物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的應(yīng)用層。本研究中分為以下三個(gè)步驟進(jìn)行平臺(tái)搭建，包括在用呼吸機(jī)品牌型號(hào)及數(shù)量統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)采集器的配置與調(diào)試，WEB 客戶端與移動(dòng)端APP 的應(yīng)用展示。

圖1 呼吸機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)總體搭建框架圖

1．在用呼吸機(jī)品牌型號(hào)及數(shù)量統(tǒng)計(jì)。為了便于后續(xù)數(shù)據(jù)采集以及對(duì)每臺(tái)采集器與呼吸機(jī)特有的固定資產(chǎn)序號(hào)和機(jī)身序列號(hào)(serial number，SN 號(hào))一對(duì)一綁定，工程師前期對(duì)醫(yī)院本部及三個(gè)分院區(qū)涵蓋急診、危重癥醫(yī)學(xué)科病房、呼吸重癥病房、21 個(gè)亞重癥呼吸病房共計(jì)136 臺(tái)在用呼吸機(jī)的品牌型號(hào)及數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)盤點(diǎn)。記錄每臺(tái)呼吸機(jī)的固定資產(chǎn)序號(hào)、機(jī)身序列號(hào)以及實(shí)際存放位置。

2．?dāng)?shù)據(jù)采集器的配置與調(diào)試。數(shù)據(jù)采集器由第三方公司提供，其作用是獲取不同品牌呼吸機(jī)的通訊協(xié)議，采集呼吸機(jī)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后通過Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)上傳。由于不同品牌呼吸機(jī)的采集接口與采集通訊協(xié)議有所不同，因此在安裝數(shù)據(jù)采集器前，需提前配置采集器的呼吸機(jī)采集協(xié)議(包括品牌、型號(hào))并進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。數(shù)據(jù)采集器由5v 直流電源供電，將USB 電纜與呼吸機(jī)相連得到直流供電電源。通過與呼吸機(jī)的串口(RS-232)連接，數(shù)據(jù)采集器可對(duì)呼吸機(jī)開關(guān)機(jī)時(shí)間、開機(jī)時(shí)長、使用時(shí)長、運(yùn)行狀況、實(shí)時(shí)參數(shù)、實(shí)時(shí)報(bào)警等信息進(jìn)行采集、記錄。此外，數(shù)據(jù)采集器上設(shè)有報(bào)修按鍵，當(dāng)呼吸機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，醫(yī)護(hù)人員可直接按鍵報(bào)修，采集器將呼吸機(jī)的故障狀態(tài)傳輸?shù)椒?wù)器，由服務(wù)器推送到工程師手機(jī)終端的APP 上，工程師可及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)故障進(jìn)行排查，完成維修后可復(fù)位報(bào)警信息。數(shù)據(jù)采集器通過解析網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，獲取病房內(nèi)無線接入點(diǎn)(Access Point，AP)的MAC 地址回傳至服務(wù)器，將MAC 地址與實(shí)際病房所處的物理地址一一對(duì)應(yīng)，工程師便可通過采集器所連接的AP 定位其位置，實(shí)現(xiàn)呼吸機(jī)的實(shí)時(shí)定位。

3．WEB 客戶端與移動(dòng)端APP 應(yīng)用展示。數(shù)據(jù)采集器采集數(shù)據(jù)后通過不同樓宇間的Wi-Fi 傳輸?shù)椒?wù)器，并在服務(wù)器中進(jìn)一步匯總、處理、展示。工程師利用WEB 客戶端或手機(jī)APP 訪問服務(wù)器后即可顯示呼吸機(jī)的使用參數(shù)、工作狀態(tài)以及單臺(tái)呼吸機(jī)使用效率等相關(guān)參數(shù)信息，如圖2 至圖4 所示。采集器獲取的呼吸機(jī)工作狀態(tài)種類可以細(xì)分為關(guān)機(jī)、待機(jī)、工作、離線、故障五種狀態(tài)。當(dāng)呼吸機(jī)工作狀態(tài)顯示為關(guān)機(jī)或者離線時(shí)，則判定呼吸機(jī)處于空置狀態(tài)。工程師接到科室借用呼吸機(jī)申請(qǐng)后，可根據(jù)就近原則調(diào)配臨近科室空置呼吸機(jī)至需求科室。

圖2 通過數(shù)據(jù)采集器采集到的呼吸機(jī)使用參數(shù)信息

圖3 通過數(shù)據(jù)采集器采集到的呼吸機(jī)工作狀態(tài)信息

圖4 呼吸機(jī)使用效率一覽圖

基于呼吸機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)的呼吸機(jī)使用率統(tǒng)計(jì)

以醫(yī)院本部呼吸機(jī)為例。截止2023 年1 月7 日，醫(yī)療設(shè)備管理部門對(duì)102 臺(tái)呼吸機(jī)安裝數(shù)據(jù)采集器，且調(diào)試成功。工程師每日可通過電腦WEB 端與手機(jī)APP 查看呼吸機(jī)的工作狀態(tài)。為更好地掌握呼吸機(jī)的使用情況，實(shí)現(xiàn)新冠病毒急危重癥救治期間對(duì)呼吸機(jī)的共享調(diào)配，工程師自2023 年1 月7 日至2023 年2 月3 日(注：2 月3 日醫(yī)院呼吸亞重癥病房全部關(guān)閉)對(duì)醫(yī)院本部呼吸機(jī)每日使用率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)醫(yī)院本部呼吸機(jī)使用科室的每日使用率以及使用時(shí)長不低于8 小時(shí)的呼吸機(jī)使用率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，以2023 年1月7 日為例進(jìn)行展示。

結(jié)果

利用呼吸機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)院本部2023 年1 月7日至2023 年2 月3 日呼吸機(jī)每日使用率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果如圖5 所示。其中2023 年1 月7 日使用率最高達(dá)到50．98%，隨著社會(huì)面疫情全面好轉(zhuǎn)，呼吸機(jī)使用率整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，2023 年2 月2 日使用率達(dá)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(jī)當(dāng)日使用率及使用時(shí)長不低于8 小時(shí)的呼吸機(jī)使用率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)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(jī)使用率均達(dá)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(jī)使用時(shí)長均不低于8 小時(shí)。

圖5 2023年1月7日—2023年2月3日院本部呼吸機(jī)每日使用率

圖6 2023年1月7日相關(guān)科室呼吸機(jī)使用率

在呼吸機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)上線使用前，醫(yī)療設(shè)備管理部門每天需派8 名工程師通過逐個(gè)病房尋找空置呼吸機(jī)、手工統(tǒng)計(jì)呼吸機(jī)使用情況的傳統(tǒng)方法，實(shí)現(xiàn)呼吸機(jī)的院內(nèi)調(diào)配，平均耗費(fèi)時(shí)長約為2-3 小時(shí)。該方法耗時(shí)耗力，也易出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)偏差，缺乏對(duì)呼吸機(jī)使用時(shí)效性的把握，無法及時(shí)對(duì)呼吸機(jī)進(jìn)行調(diào)配。呼吸機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)投入使用后，1 名工程師便可利用該平臺(tái)精確監(jiān)測(cè)呼吸機(jī)使用情況，對(duì)空置呼吸機(jī)進(jìn)行共享調(diào)配，人力成本與時(shí)間成本極大降低。

討論

以2023 年1 月7 日為例，通過對(duì)當(dāng)日呼吸機(jī)使用率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)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(jī)使用率達(dá)到100%，其中呼吸亞重癥5 病房、6 病房、7 病房全部呼吸機(jī)使用時(shí)長均不低于8 小時(shí)。因此，醫(yī)療設(shè)備管理部門應(yīng)加強(qiáng)對(duì)呼吸機(jī)使用率較高、使用時(shí)間較長的亞重癥病房的巡檢力度，并做好對(duì)相關(guān)科室的呼吸機(jī)調(diào)配準(zhǔn)備。利用呼吸機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)醫(yī)院本部102 臺(tái)呼吸機(jī)日常使用情況監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，自2023 年1 月7 日后呼吸機(jī)使用率呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，這與新冠疫情逐漸好轉(zhuǎn)相關(guān)。每日新增急危重癥患者的數(shù)量較爆發(fā)期減少，大部分患者無需呼吸機(jī)治療。因此臨床科室對(duì)呼吸機(jī)的需求逐漸減少。醫(yī)療設(shè)備管理部門通過對(duì)院內(nèi)呼吸機(jī)的共享調(diào)配，逐步減少了呼吸機(jī)的購置，避免了醫(yī)療資源浪費(fèi)并節(jié)約了醫(yī)院資金的投入。

呼吸機(jī)作為急救和生命支持類設(shè)備在新冠急危重癥患者的搶救過程中發(fā)揮了重要作用，但是院內(nèi)呼吸機(jī)具有數(shù)量多、分布廣、用時(shí)急、流動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，醫(yī)療設(shè)備管理部門難以實(shí)時(shí)掌握這些設(shè)備的使用情況，無法實(shí)現(xiàn)院內(nèi)不同病房間呼吸機(jī)的快速共享調(diào)配。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案解決呼吸機(jī)在使用與管理中遇到的難題已被多位學(xué)者采用。其中李天慶等人[11]利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所搭建的呼吸機(jī)報(bào)警平臺(tái)成功解決了“信息孤島”以及報(bào)警處理無法監(jiān)管等問題。黎茂林等人[12]所搭建的呼吸機(jī)健康管理云平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程控制功能，一個(gè)醫(yī)生即可對(duì)多名居家患者進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，解決醫(yī)療資源短缺等問題。李萌等人[13]的研究顯示利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的呼吸機(jī)質(zhì)控信息數(shù)據(jù)采集可減少人員投入、縮短質(zhì)控監(jiān)測(cè)時(shí)間并且降低人工錄入的誤差概率。本研究利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了呼吸機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸機(jī)使用情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并可以對(duì)空置呼吸機(jī)進(jìn)行快速共享調(diào)配，使工程師的工作效率明顯提升，臨床需求的響應(yīng)時(shí)間明顯縮短。

結(jié)論與展望

通過呼吸機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)呼吸機(jī)使用狀態(tài)、在用參數(shù)等數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析設(shè)備的使用率，實(shí)現(xiàn)對(duì)空置呼吸機(jī)的共享調(diào)配，幫助醫(yī)療設(shè)備管理部門及時(shí)了解呼吸機(jī)的使用情況，促進(jìn)科室間的協(xié)同能力，提升醫(yī)院應(yīng)對(duì)重大突發(fā)公共衛(wèi)生事件的應(yīng)急響應(yīng)能力。

隨著醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來越來越多的醫(yī)療設(shè)備將實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通[14]。雖然目前醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的建設(shè)已取得一定進(jìn)展，但是在醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)搭建方面還存在很多挑戰(zhàn)與平臺(tái)建設(shè)的難點(diǎn)[15]，這其中包括：(1)醫(yī)療設(shè)備之間通訊協(xié)議的開放與統(tǒng)一；(2)數(shù)據(jù)的隱私與安全性；(3)數(shù)據(jù)通訊的穩(wěn)定與實(shí)效性；(4)基于物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的質(zhì)量規(guī)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(yī)療行業(yè)對(duì)醫(yī)療設(shè)備通訊協(xié)議的規(guī)范統(tǒng)一，以及5G 技術(shù)的應(yīng)用和普及，這一問題會(huì)得到妥善解決。