全自动采血管理系统的设计

四川大学 机械工程学院，四川 成都 610065

引言

20世纪90年代开始，随着数字化和信息化的提出和推进，各大医院纷纷开始了自身的数字化和信息化建设。信息化、数字化可以帮助医院发展得更快更好[1]。在科学技术不断发展的今天，针对医院数字化、信息化建设的研究也一直都在进行[2]。杨欢将云计算技术与医疗服务管理相结合，开发了一套医疗服务云平台，带来了一种新兴的医疗服务模式，将优质的医疗服务搬上云端来共享，使得人们可以不受地域等限制来获取优质的医疗服务[3]。李立功将信息化技术和医疗设备管理结合，开发了医院医疗设备信息化管理系统，该系统主要对各种医疗设备进行科学有效的管理，针对医疗设备诊断过程中的各种情况及时帮助作出决策，充分发挥医疗设备的作用[4]。

在医院数字化、信息化建设进程中，部分医院在标本采集流程中引入了全自动智能采血管理系统。全自动智能采血管理系统主要涉及信息系统与数据库、机电一体化、计算机控制系统等核心技术。根据仪器不同的样本处理能力和设计理念，该系统可以满足门诊采血室的大样本量血液采集和临床实验室、床旁检测、急诊室、血库及病房的小样本量血液采集工作。其使用将成为医院信息化建设、临床实验室自动化建设的重要环节，为临床实验室标准化管理提供良好保障[5-9]。同时，信息化的管理系统也将优化设备使用预约流程，实现了实验室设备使用和管理的良性循环，提高了人员和设备的利用率[10]。但是目前市场上的全自动智能采血管理系统主要为国外厂家的产品，国内也慢慢开始了全自动智能采血管理系统的研发[11]。为了更好地推进我国医院的信息化、智能化、数字化建设，本研究针对该系统进行了研究与设计。该系统的实现不仅有效控制实验前因素对检验结果的影响，同时也全面提升了临床自动化、医院信息化、数字化水平，方便患者，减少医务人员的劳动强度，减少人工出错率，提高工作效率，实现智能、高效、安全、可靠。同时，该系统的智能化、自动化程度也跟医院的智能化水平、临床实验室自动化水平息息相关。

1 采血流程概述

采血流程规划设计流程如图1所示，医生在HIS上提交检验申请单，患者或家属交费后，凭就诊卡在排号机刷卡预约登记采血，患者在等候区坐等叫号；候诊区大屏幕显示相应号码、患者姓名和相应采血窗口，人工语音呼叫相应号码、患者姓名到相应采血窗口。患者到相应采血窗口，刷就诊卡，信息确认程序自动确认核对患者信息和采血项目，同时电脑将信息传输至自动贴标机，机器依据相应信息自动选取相应项目所需要的试管，自动打印检验项目条形码，并自动粘贴到试管上，机器再将粘贴好条形码的所有试管和叫号条码一起装入小采血盒内。护士拿相应的试管进行采血，采血完毕后，将试管放入分拣盒，试管分拣装置将试管分拣后送往相应的检验科室[12]。

图1 采血流程图

2 系统总体设计

2.1 系统功能设计

通过对采血流程的深入分析与调研，其主要的功能需求为：

将患者信息、HIS/LIS、机械设备、打印、排号叫号等多个功能相互关联和协同，完成医患信息的接收、传递、核对、处理。

患者使用就诊卡选取就诊时间在系统里排号。到号后，系统对其进行滚动播报。系统需要将患者智能地分配到多个采血窗口，以提高采血效率，提高患者就诊体验。

患者到达采血窗口时，通过刷卡，系统获取到患者信息，经系统对患者就诊信息进行核验、传输、处理等后，快速地获取到患者的采血试管类型和相应的标签信息，系统从试管架里取相应的试管，再自动地完成打印和粘贴。

根据系统功能，将系统功能主要分为四个子系统，如图2所示，主要包括：① 排号叫号系统。患者刷就诊卡，经过信息流系统对信息进行采集、核验后，确认患者就诊项目和采血窗口现有排号信息后，提供采血时间预约。预约完成后，系统进行排号，在大屏幕滚动播报相应号码、患者姓名和相应采血窗口；② 信息流系统。信息流系统主要完成对患者的信息进行采集、核验并进行一定的计算处理；③ 机电系统。机电系统是储存试管的“仓库”和运送试管的“小车”，智能地选取、抓取和运送试管到打印系统。④ 打印系统。接收信息流系统传递的信息后，打印相应的标签，自动粘贴在试管上。系统的空间布局如图3所示。

图2 全自动采血系统功能结构图

图3 系统空间布局示意图

2.2 系统网络拓扑设计

医院网络信息系统从一定程度上改变了医院的管理模式，优化了医院的管理效率和工作效率，解决了大量的医患信息纠纷问题，也使得医院可通过收集医院信息对医院工作开展情况分析不足之处，逐步提高医院的服务水平[6]。全自动采血管理系统内部各系统之间根据功能需求，建立起局域网，再通过信息流系统接入以太网，和HIS、LIS进行信息交互和传输，通过图4的网络方案将排号叫号系统、打印系统、机电系统、信息流系统与医院的HIS、LIS相关联如图4所示。

图4 系统网络拓扑设计图

2.3 系统核心控制器

根据功能和实际需要，分别采用了工控机、Raspberry 3B+、Arduino Mega 2560单片机作为排号叫号系统、信息流系统、机电系统的核心控制器。同时在本系统中，患者的信息获取和传递也是非常重要的一部分，该功能主要通过读卡器读取患者IC卡信息实现。系统的传感器层主要包括用于信息读写的读卡器模块、用于机电系统位置传感的限位开关、用于识别试管标签边缘的光电传感器、光线放大器等，以及工控机、Arduino Mega 2560单片机、Raspberry 3B+等组成。网络层主要由Ethernet、串口通信等组成。应用层由数据库SQLlite、医院的HIS/LIS接口、工控机C#界面程序、Raspberry 3B+ python程序和Arduino程序等组成[13]。

3 核心子系统设计

本部分对全自动采血管理系统几个核心子系统的开发过程做系统性的介绍。核心子系统主要包括排号叫号系统、信息流系统、机电系统和打印系统。

3.1 排号叫号系统

排号叫号系统是一种综合运用计算机、网络、多媒体、通讯控制的高新技术产品，取代了各类服务性窗口传统的由顾客站立排队的方式，改由计算机系统代替客户进行排队[14]。本研究所运用的排号叫号系统，需要完成如下功能：① 利用读卡器读取患者信息。② 与信息流系统进行信息传递，对患者信息、系统信息进行获取、核验、处理。③ 统计分析已预约号和待预约号，通过显示屏向患者提供选取采血时间段。④ 患者通过触摸屏、鼠标、键盘选取采血时间段。⑤ 连接显示屏和音响，向患者播报叫号信息，系统投射在大屏幕上显示队列序号、姓名、项目、窗口、预计等待时间等，系统连接上音响播报等待的患者[15]。

在医院的管理系统里，医院排队系统的调度分配策略和医院效率紧密相关[16]。如果不予以重视，可能会出现采血现场混乱、部分窗口采血堵塞等问题。此外，医院的排队系统还要求其具有高性能、高速度、高稳定性等特点。

为了进一步提高系统的工作效率，本研究使用启发式选择算法进行排号。在每次排号前都检查采血窗口的可用型，检查采血窗口工作状态，计算出各个采血窗口的最快完工时间，选择完成时间最短的时间来派发采血任务[17]。假设有i个采血窗口，采血工作的处理时间遵从正态分布，其为（μ=t，σ2=3的Pt），成本计算步骤如下：

（1）检查各个窗口的当前采血进度，计算出等待下一位患者所需的时间T1i。

（2）统计各窗口目前排队人数Ni。

（3）患者等待时间T2i=T1i+Ni*Pt。

（4）任务完成时间Ti=T2i+Pt=T1i+Ni*Pt+Pt。

（5）对i个窗口的等待时间Ti进行从小到大进行排序Order Number =rank（Ti）。

（6） 将第Ni+1个患者推荐到Order Number 最小的窗口。

3.2 信息流系统

信息对于全自动采血系统是至关重要的，很多医院在采血前后都要反复核验病人信息。一旦出现事故，对于患者而言，可能会造成误查、误诊等严重后果。这在医院的管理和运营中，是不允许出现的[18]。

本研究中的信息流系统，主要功能之一是作为中间媒介和HIS/LIS、机电系统、打印系统、排号叫号系统进行对接协助其完成信息传递、核验。主要功能之二是数据的处理加工站。信息流系统数据流程如图5所示。在和排号叫号系统对接时，患者到达排号叫号系统进行排号叫号操作时，排号叫号系统向信息流系统发起数据请求，信息流系统和HIS、LIS对接完成信息核验，主要核验患者的主信息（姓名、就诊卡号、性别、年龄等）、检验信息（检验项目、本次检验时间、医嘱信息等）。在和机电系统和打印系统对接时，通过刷卡，信息流系统再次与HIS、LIS对接完成信息核验，得到当前患者的检验项目信息（试管、医嘱），信息流系统将检验项目信息和相应项目试管信息表匹配，向机电系统发送自动抓取相应项目试管的指令，同时生成患者独有的标签信息，生成打印信息，最终发送给打印系统。

图5 信息流系统数据流程图

3.3 机电系统

由于其运行的环境特殊，医疗设备机电系统的设计和工业场合机电系统不一样，需要有高效率、高稳定性、高安全性、低噪声、轻量化、易操作等多种特征。本研究所述的机电系统接收来自信息系统的指令信号，执行相应的机械指令，利用驱动器驱动XY运动轴电机，电动机械爪将试管从相应的试管槽里取出并送至标签粘贴工作区域，自动地进行粘贴标签。程序流程如图6所示。

图6 试管取管贴标运动控制程序流程

机电系统主要由试管取管机械手、XY轴运动机构、试管夹持贴标模块组成。接收指令：信息流系统通过串口通信将指令信息发送给机电系统。分析指令：机电系统将接收到的指令进行区分，根据收到的指令不同，发送机械信号给驱动器，驱动器驱动电机，完成不同的机械动作。指令与机电系统动作对应关系如表1所示。

表1 指令与机电系统动作

（1）系统初始化。初始化程序，需要完成将试管取管贴标装置回到设定的初始原点，包括X轴原点、Y轴原点、机械手原点、贴标模块原点。

（2）取管、送管。Y轴向下移动到指定位置后，驱动机械手夹持住试管，由XY轴运动机构把试管送往试管夹持贴标模块。最后，试管夹持贴标模块将试管夹持住。部分取管Arduino程序如图7所示。

图7 部分取管程序

（3）自动粘贴标签。标签需要沿着试管边缘粘贴，漏出缝隙便于护士观察采血量，故需检测试管原标签纸张边缘。自动粘贴标签的流程如图8所示。值得注意的是发送打印信号到打印出纸需要一定的处理时间，这段时间里试管仍在旋转，需要纳入考量和调试。另外，电机带动试管旋转的速度需要在一定范围内，否则会造成标签无法粘贴在试管上、粘贴过慢，影响整机运行效率，严重时会造成打印标签堵死等后果。

图8 自动粘贴标签流程

3.4 打印系统

打印机系统选择了嵌入式热敏打印机模组，打印机控制指令为“字符串控制模式”，通信方式为Rs232串口通讯，波特率为115200。在此系统中，本研究使用信息流系统作为上位机，通过Rs232转USB与打印机建立通讯，向打印机发送控制指令，进而驱动打印机执行相应的打印动作[19]。

PT561嵌入式打印模块打印方式为热敏打印，控制方式为基于串口通信的字符串控制方式。试管粘贴的标签信息主要由条码信息和字符信息组成。条码信息包含了患者的特有编号信息，可通过连接HIS数据库信息，获取患者医嘱信息。文字内容主要包括患者姓名、性别、年龄、采血编号、采血试管类型、医嘱等关键信息。打印机驱动编码如图9所示。

图9 打印机驱动编码

4 实验与比较

针对本研究所述的全自动采血管理系统开展了实验，并与市面上国内外几大公司的全自动采血管理系统做了比对（表2）。

表2 性能指标比较

5 结语

本研究设计了一套全自动采血管理系统。系统实现了对接HIS/LIS、智能排号叫号、嵌入式打印、机械爪自动取管粘贴标签等功能。该系统的机电系统、打印系统、信息流系统在实验室进行了反复的实验，具有较高的稳定性、可靠性。然而，该系统的智能化、自动化仍存在许多不足。全自动采血系统会继续朝着更加自动化、智能化方向发展，可以完善和改进的方面包括采血后的试管自动收集和分拣、自动将试管输送到相应的化验室化验、快速返回化验结果、采血系统数据统计分析以及运用更加智能的算法对排号叫号系统进行调度优化等，这些将进一步提高医院的信息化、智能化程度和服务质量。