四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610065

引言

20世紀(jì)90年代開(kāi)始，隨著數(shù)字化和信息化的提出和推進(jìn)，各大醫(yī)院紛紛開(kāi)始了自身的數(shù)字化和信息化建設(shè)。信息化、數(shù)字化可以幫助醫(yī)院發(fā)展得更快更好[1]。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，針對(duì)醫(yī)院數(shù)字化、信息化建設(shè)的研究也一直都在進(jìn)行[2]。楊歡將云計(jì)算技術(shù)與醫(yī)療服務(wù)管理相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了一套醫(yī)療服務(wù)云平臺(tái)，帶來(lái)了一種新興的醫(yī)療服務(wù)模式，將優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療服務(wù)搬上云端來(lái)共享，使得人們可以不受地域等限制來(lái)獲取優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療服務(wù)[3]。李立功將信息化技術(shù)和醫(yī)療設(shè)備管理結(jié)合，開(kāi)發(fā)了醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備信息化管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要對(duì)各種醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行科學(xué)有效的管理，針對(duì)醫(yī)療設(shè)備診斷過(guò)程中的各種情況及時(shí)幫助作出決策，充分發(fā)揮醫(yī)療設(shè)備的作用[4]。

在醫(yī)院數(shù)字化、信息化建設(shè)進(jìn)程中，部分醫(yī)院在標(biāo)本采集流程中引入了全自動(dòng)智能采血管理系統(tǒng)。全自動(dòng)智能采血管理系統(tǒng)主要涉及信息系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)、機(jī)電一體化、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等核心技術(shù)。根據(jù)儀器不同的樣本處理能力和設(shè)計(jì)理念，該系統(tǒng)可以滿足門診采血室的大樣本量血液采集和臨床實(shí)驗(yàn)室、床旁檢測(cè)、急診室、血庫(kù)及病房的小樣本量血液采集工作。其使用將成為醫(yī)院信息化建設(shè)、臨床實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，為臨床實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)化管理提供良好保障[5-9]。同時(shí)，信息化的管理系統(tǒng)也將優(yōu)化設(shè)備使用預(yù)約流程，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備使用和管理的良性循環(huán)，提高了人員和設(shè)備的利用率[10]。但是目前市場(chǎng)上的全自動(dòng)智能采血管理系統(tǒng)主要為國(guó)外廠家的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)也慢慢開(kāi)始了全自動(dòng)智能采血管理系統(tǒng)的研發(fā)[11]。為了更好地推進(jìn)我國(guó)醫(yī)院的信息化、智能化、數(shù)字化建設(shè)，本研究針對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)不僅有效控制實(shí)驗(yàn)前因素對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果的影響，同時(shí)也全面提升了臨床自動(dòng)化、醫(yī)院信息化、數(shù)字化水平，方便患者，減少醫(yī)務(wù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人工出錯(cuò)率，提高工作效率，實(shí)現(xiàn)智能、高效、安全、可靠。同時(shí)，該系統(tǒng)的智能化、自動(dòng)化程度也跟醫(yī)院的智能化水平、臨床實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化水平息息相關(guān)。

1 采血流程概述

采血流程規(guī)劃設(shè)計(jì)流程如圖1所示，醫(yī)生在HIS上提交檢驗(yàn)申請(qǐng)單，患者或家屬交費(fèi)后，憑就診卡在排號(hào)機(jī)刷卡預(yù)約登記采血，患者在等候區(qū)坐等叫號(hào)；候診區(qū)大屏幕顯示相應(yīng)號(hào)碼、患者姓名和相應(yīng)采血窗口，人工語(yǔ)音呼叫相應(yīng)號(hào)碼、患者姓名到相應(yīng)采血窗口?；颊叩较鄳?yīng)采血窗口，刷就診卡，信息確認(rèn)程序自動(dòng)確認(rèn)核對(duì)患者信息和采血項(xiàng)目，同時(shí)電腦將信息傳輸至自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)，機(jī)器依據(jù)相應(yīng)信息自動(dòng)選取相應(yīng)項(xiàng)目所需要的試管，自動(dòng)打印檢驗(yàn)項(xiàng)目條形碼，并自動(dòng)粘貼到試管上，機(jī)器再將粘貼好條形碼的所有試管和叫號(hào)條碼一起裝入小采血盒內(nèi)。護(hù)士拿相應(yīng)的試管進(jìn)行采血，采血完畢后，將試管放入分揀盒，試管分揀裝置將試管分揀后送往相應(yīng)的檢驗(yàn)科室[12]。

圖1 采血流程圖

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)采血流程的深入分析與調(diào)研，其主要的功能需求為：

將患者信息、HIS/LIS、機(jī)械設(shè)備、打印、排號(hào)叫號(hào)等多個(gè)功能相互關(guān)聯(lián)和協(xié)同，完成醫(yī)患信息的接收、傳遞、核對(duì)、處理。

患者使用就診卡選取就診時(shí)間在系統(tǒng)里排號(hào)。到號(hào)后，系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行滾動(dòng)播報(bào)。系統(tǒng)需要將患者智能地分配到多個(gè)采血窗口，以提高采血效率，提高患者就診體驗(yàn)。

患者到達(dá)采血窗口時(shí)，通過(guò)刷卡，系統(tǒng)獲取到患者信息，經(jīng)系統(tǒng)對(duì)患者就診信息進(jìn)行核驗(yàn)、傳輸、處理等后，快速地獲取到患者的采血試管類型和相應(yīng)的標(biāo)簽信息，系統(tǒng)從試管架里取相應(yīng)的試管，再自動(dòng)地完成打印和粘貼。

根據(jù)系統(tǒng)功能，將系統(tǒng)功能主要分為四個(gè)子系統(tǒng)，如圖2所示，主要包括：① 排號(hào)叫號(hào)系統(tǒng)?；颊咚⒕驮\卡，經(jīng)過(guò)信息流系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行采集、核驗(yàn)后，確認(rèn)患者就診項(xiàng)目和采血窗口現(xiàn)有排號(hào)信息后，提供采血時(shí)間預(yù)約。預(yù)約完成后，系統(tǒng)進(jìn)行排號(hào)，在大屏幕滾動(dòng)播報(bào)相應(yīng)號(hào)碼、患者姓名和相應(yīng)采血窗口；② 信息流系統(tǒng)。信息流系統(tǒng)主要完成對(duì)患者的信息進(jìn)行采集、核驗(yàn)并進(jìn)行一定的計(jì)算處理；③ 機(jī)電系統(tǒng)。機(jī)電系統(tǒng)是儲(chǔ)存試管的“倉(cāng)庫(kù)”和運(yùn)送試管的“小車”，智能地選取、抓取和運(yùn)送試管到打印系統(tǒng)。④ 打印系統(tǒng)。接收信息流系統(tǒng)傳遞的信息后，打印相應(yīng)的標(biāo)簽，自動(dòng)粘貼在試管上。系統(tǒng)的空間布局如圖3所示。

圖2 全自動(dòng)采血系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

圖3 系統(tǒng)空間布局示意圖

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)從一定程度上改變了醫(yī)院的管理模式，優(yōu)化了醫(yī)院的管理效率和工作效率，解決了大量的醫(yī)患信息糾紛問(wèn)題，也使得醫(yī)院可通過(guò)收集醫(yī)院信息對(duì)醫(yī)院工作開(kāi)展情況分析不足之處，逐步提高醫(yī)院的服務(wù)水平[6]。全自動(dòng)采血管理系統(tǒng)內(nèi)部各系統(tǒng)之間根據(jù)功能需求，建立起局域網(wǎng)，再通過(guò)信息流系統(tǒng)接入以太網(wǎng)，和HIS、LIS進(jìn)行信息交互和傳輸，通過(guò)圖4的網(wǎng)絡(luò)方案將排號(hào)叫號(hào)系統(tǒng)、打印系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、信息流系統(tǒng)與醫(yī)院的HIS、LIS相關(guān)聯(lián)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)圖

2.3 系統(tǒng)核心控制器

根據(jù)功能和實(shí)際需要，分別采用了工控機(jī)、Raspberry 3B+、Arduino Mega 2560單片機(jī)作為排號(hào)叫號(hào)系統(tǒng)、信息流系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)的核心控制器。同時(shí)在本系統(tǒng)中，患者的信息獲取和傳遞也是非常重要的一部分，該功能主要通過(guò)讀卡器讀取患者IC卡信息實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的傳感器層主要包括用于信息讀寫的讀卡器模塊、用于機(jī)電系統(tǒng)位置傳感的限位開(kāi)關(guān)、用于識(shí)別試管標(biāo)簽邊緣的光電傳感器、光線放大器等，以及工控機(jī)、Arduino Mega 2560單片機(jī)、Raspberry 3B+等組成。網(wǎng)絡(luò)層主要由Ethernet、串口通信等組成。應(yīng)用層由數(shù)據(jù)庫(kù)SQLlite、醫(yī)院的HIS/LIS接口、工控機(jī)C#界面程序、Raspberry 3B+ python程序和Arduino程序等組成[13]。

3 核心子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本部分對(duì)全自動(dòng)采血管理系統(tǒng)幾個(gè)核心子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程做系統(tǒng)性的介紹。核心子系統(tǒng)主要包括排號(hào)叫號(hào)系統(tǒng)、信息流系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)和打印系統(tǒng)。

3.1 排號(hào)叫號(hào)系統(tǒng)

排號(hào)叫號(hào)系統(tǒng)是一種綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、多媒體、通訊控制的高新技術(shù)產(chǎn)品，取代了各類服務(wù)性窗口傳統(tǒng)的由顧客站立排隊(duì)的方式，改由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)代替客戶進(jìn)行排隊(duì)[14]。本研究所運(yùn)用的排號(hào)叫號(hào)系統(tǒng)，需要完成如下功能：① 利用讀卡器讀取患者信息。② 與信息流系統(tǒng)進(jìn)行信息傳遞，對(duì)患者信息、系統(tǒng)信息進(jìn)行獲取、核驗(yàn)、處理。③ 統(tǒng)計(jì)分析已預(yù)約號(hào)和待預(yù)約號(hào)，通過(guò)顯示屏向患者提供選取采血時(shí)間段。④ 患者通過(guò)觸摸屏、鼠標(biāo)、鍵盤選取采血時(shí)間段。⑤ 連接顯示屏和音響，向患者播報(bào)叫號(hào)信息，系統(tǒng)投射在大屏幕上顯示隊(duì)列序號(hào)、姓名、項(xiàng)目、窗口、預(yù)計(jì)等待時(shí)間等，系統(tǒng)連接上音響播報(bào)等待的患者[15]。

在醫(yī)院的管理系統(tǒng)里，醫(yī)院排隊(duì)系統(tǒng)的調(diào)度分配策略和醫(yī)院效率緊密相關(guān)[16]。如果不予以重視，可能會(huì)出現(xiàn)采血現(xiàn)場(chǎng)混亂、部分窗口采血堵塞等問(wèn)題。此外，醫(yī)院的排隊(duì)系統(tǒng)還要求其具有高性能、高速度、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的工作效率，本研究使用啟發(fā)式選擇算法進(jìn)行排號(hào)。在每次排號(hào)前都檢查采血窗口的可用型，檢查采血窗口工作狀態(tài)，計(jì)算出各個(gè)采血窗口的最快完工時(shí)間，選擇完成時(shí)間最短的時(shí)間來(lái)派發(fā)采血任務(wù)[17]。假設(shè)有i個(gè)采血窗口，采血工作的處理時(shí)間遵從正態(tài)分布，其為（μ=t，σ2=3的Pt），成本計(jì)算步驟如下：

（1）檢查各個(gè)窗口的當(dāng)前采血進(jìn)度，計(jì)算出等待下一位患者所需的時(shí)間T1i。

（2）統(tǒng)計(jì)各窗口目前排隊(duì)人數(shù)Ni。

（3）患者等待時(shí)間T2i=T1i+Ni*Pt。

（4）任務(wù)完成時(shí)間Ti=T2i+Pt=T1i+Ni*Pt+Pt。

（5）對(duì)i個(gè)窗口的等待時(shí)間Ti進(jìn)行從小到大進(jìn)行排序Order Number =rank（Ti）。

（6） 將第Ni+1個(gè)患者推薦到Order Number 最小的窗口。

3.2 信息流系統(tǒng)

信息對(duì)于全自動(dòng)采血系統(tǒng)是至關(guān)重要的，很多醫(yī)院在采血前后都要反復(fù)核驗(yàn)病人信息。一旦出現(xiàn)事故，對(duì)于患者而言，可能會(huì)造成誤查、誤診等嚴(yán)重后果。這在醫(yī)院的管理和運(yùn)營(yíng)中，是不允許出現(xiàn)的[18]。

本研究中的信息流系統(tǒng)，主要功能之一是作為中間媒介和HIS/LIS、機(jī)電系統(tǒng)、打印系統(tǒng)、排號(hào)叫號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接協(xié)助其完成信息傳遞、核驗(yàn)。主要功能之二是數(shù)據(jù)的處理加工站。信息流系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程如圖5所示。在和排號(hào)叫號(hào)系統(tǒng)對(duì)接時(shí)，患者到達(dá)排號(hào)叫號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行排號(hào)叫號(hào)操作時(shí)，排號(hào)叫號(hào)系統(tǒng)向信息流系統(tǒng)發(fā)起數(shù)據(jù)請(qǐng)求，信息流系統(tǒng)和HIS、LIS對(duì)接完成信息核驗(yàn)，主要核驗(yàn)患者的主信息（姓名、就診卡號(hào)、性別、年齡等）、檢驗(yàn)信息（檢驗(yàn)項(xiàng)目、本次檢驗(yàn)時(shí)間、醫(yī)囑信息等）。在和機(jī)電系統(tǒng)和打印系統(tǒng)對(duì)接時(shí)，通過(guò)刷卡，信息流系統(tǒng)再次與HIS、LIS對(duì)接完成信息核驗(yàn)，得到當(dāng)前患者的檢驗(yàn)項(xiàng)目信息（試管、醫(yī)囑），信息流系統(tǒng)將檢驗(yàn)項(xiàng)目信息和相應(yīng)項(xiàng)目試管信息表匹配，向機(jī)電系統(tǒng)發(fā)送自動(dòng)抓取相應(yīng)項(xiàng)目試管的指令，同時(shí)生成患者獨(dú)有的標(biāo)簽信息，生成打印信息，最終發(fā)送給打印系統(tǒng)。

圖5 信息流系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

3.3 機(jī)電系統(tǒng)

由于其運(yùn)行的環(huán)境特殊，醫(yī)療設(shè)備機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工業(yè)場(chǎng)合機(jī)電系統(tǒng)不一樣，需要有高效率、高穩(wěn)定性、高安全性、低噪聲、輕量化、易操作等多種特征。本研究所述的機(jī)電系統(tǒng)接收來(lái)自信息系統(tǒng)的指令信號(hào)，執(zhí)行相應(yīng)的機(jī)械指令，利用驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)XY運(yùn)動(dòng)軸電機(jī)，電動(dòng)機(jī)械爪將試管從相應(yīng)的試管槽里取出并送至標(biāo)簽粘貼工作區(qū)域，自動(dòng)地進(jìn)行粘貼標(biāo)簽。程序流程如圖6所示。

圖6 試管取管貼標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制程序流程

機(jī)電系統(tǒng)主要由試管取管機(jī)械手、XY軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、試管夾持貼標(biāo)模塊組成。接收指令：信息流系統(tǒng)通過(guò)串口通信將指令信息發(fā)送給機(jī)電系統(tǒng)。分析指令：機(jī)電系統(tǒng)將接收到的指令進(jìn)行區(qū)分，根據(jù)收到的指令不同，發(fā)送機(jī)械信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，完成不同的機(jī)械動(dòng)作。指令與機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)作對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 指令與機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)作

（1）系統(tǒng)初始化。初始化程序，需要完成將試管取管貼標(biāo)裝置回到設(shè)定的初始原點(diǎn)，包括X軸原點(diǎn)、Y軸原點(diǎn)、機(jī)械手原點(diǎn)、貼標(biāo)模塊原點(diǎn)。

（2）取管、送管。Y軸向下移動(dòng)到指定位置后，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手夾持住試管，由XY軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)把試管送往試管夾持貼標(biāo)模塊。最后，試管夾持貼標(biāo)模塊將試管夾持住。部分取管Arduino程序如圖7所示。

圖7 部分取管程序

（3）自動(dòng)粘貼標(biāo)簽。標(biāo)簽需要沿著試管邊緣粘貼，漏出縫隙便于護(hù)士觀察采血量，故需檢測(cè)試管原標(biāo)簽紙張邊緣。自動(dòng)粘貼標(biāo)簽的流程如圖8所示。值得注意的是發(fā)送打印信號(hào)到打印出紙需要一定的處理時(shí)間，這段時(shí)間里試管仍在旋轉(zhuǎn)，需要納入考量和調(diào)試。另外，電機(jī)帶動(dòng)試管旋轉(zhuǎn)的速度需要在一定范圍內(nèi)，否則會(huì)造成標(biāo)簽無(wú)法粘貼在試管上、粘貼過(guò)慢，影響整機(jī)運(yùn)行效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成打印標(biāo)簽堵死等后果。

圖8 自動(dòng)粘貼標(biāo)簽流程

3.4 打印系統(tǒng)

打印機(jī)系統(tǒng)選擇了嵌入式熱敏打印機(jī)模組，打印機(jī)控制指令為“字符串控制模式”，通信方式為Rs232串口通訊，波特率為115200。在此系統(tǒng)中，本研究使用信息流系統(tǒng)作為上位機(jī)，通過(guò)Rs232轉(zhuǎn)USB與打印機(jī)建立通訊，向打印機(jī)發(fā)送控制指令，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)打印機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的打印動(dòng)作[19]。

PT561嵌入式打印模塊打印方式為熱敏打印，控制方式為基于串口通信的字符串控制方式。試管粘貼的標(biāo)簽信息主要由條碼信息和字符信息組成。條碼信息包含了患者的特有編號(hào)信息，可通過(guò)連接HIS數(shù)據(jù)庫(kù)信息，獲取患者醫(yī)囑信息。文字內(nèi)容主要包括患者姓名、性別、年齡、采血編號(hào)、采血試管類型、醫(yī)囑等關(guān)鍵信息。打印機(jī)驅(qū)動(dòng)編碼如圖9所示。

圖9 打印機(jī)驅(qū)動(dòng)編碼

4 實(shí)驗(yàn)與比較

針對(duì)本研究所述的全自動(dòng)采血管理系統(tǒng)開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)，并與市面上國(guó)內(nèi)外幾大公司的全自動(dòng)采血管理系統(tǒng)做了比對(duì)（表2）。

表2 性能指標(biāo)比較

5 結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)了一套全自動(dòng)采血管理系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)接HIS/LIS、智能排號(hào)叫號(hào)、嵌入式打印、機(jī)械爪自動(dòng)取管粘貼標(biāo)簽等功能。該系統(tǒng)的機(jī)電系統(tǒng)、打印系統(tǒng)、信息流系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，具有較高的穩(wěn)定性、可靠性。然而，該系統(tǒng)的智能化、自動(dòng)化仍存在許多不足。全自動(dòng)采血系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)朝著更加自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，可以完善和改進(jìn)的方面包括采血后的試管自動(dòng)收集和分揀、自動(dòng)將試管輸送到相應(yīng)的化驗(yàn)室化驗(yàn)、快速返回化驗(yàn)結(jié)果、采血系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析以及運(yùn)用更加智能的算法對(duì)排號(hào)叫號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化等，這些將進(jìn)一步提高醫(yī)院的信息化、智能化程度和服務(wù)質(zhì)量。