万 振，许 华，刘 勇，温利军

（天津大学海河医院，天津300350）

0 引言

天津大学海河医院是天津市卫生健康委员会所属的一家以治疗呼吸系统疾病为主的大型三级甲等综合医院，曾在严重急性呼吸综合征、高致病性禽流感、中东呼吸综合征等疫情中作为第一定点医院并承担重要任务，也是此次新型冠状病毒肺炎（以下简称“新冠肺炎”）疫情暴发后天津地区新冠肺炎患者第一定点收治医院。针对新冠肺炎疫情，我院紧急启动战时模式，结合现场实际救治情况，进行了大量优化改进工作，其中紧急研发了一种面向传染病重症隔离病房的轻量化多功能床旁医学观察终端，并全程应用于7 例危重症患者的全程监管、远程会诊等，在此次危重症患者收治过程中起到了非常重要的作用，得到了天津市新冠肺炎医疗救治专家组的高度评价。

1 需求分析

鉴于新冠肺炎的高传染性，隔离病房严格控制人员进出，故隔离病房内无法实现多个临床专业医护人员全程在重症患者床旁进行实时监管[1]。而重症患者通常病情紧急，不仅需要实时监管患者的各项生命体征、各类医疗设备的状态及指标，还存在需要实时观察病房内医护人员的操作流程与规范等需求[2]。如何实现仅常规、必要的医护人员进行床旁监管及多学科专家团队远程同时进行多个重症病房的高效观察并指导工作，成为目前亟待解决的关键问题[3]。

2 研发难点

针对医疗救治专家组提出的各项实际需求，经过多种方案的讨论，本终端的设计存在以下难点：（1）现有隔离病房内吊顶安装的摄像头难以查看患者的局部细节，例如患者表情及肺部起伏情况、液体颜色及黏稠度、体外膜肺氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）及呼吸机等重点医疗设备的界面等，且监控视线极易被遮挡。拟在所有隔离病房的吊顶或贴墙重新安装多只高清摄像头联网进行多角度观察，但因传染病重症隔离病房内已经收治确诊患者，属于污染区，施工难度非常大，且视线依旧容易被遮挡。若安装三维可调支架式摄像头，虽然可以调节观察角度，但因病房内存在吊式输液杆及滑轨、隔帘等设施，其活动空间受限，造成调节不便。同时，高清数字摄像头部署在隔离病房的什么位置、以何种方式部署最利于专家组多方位观察是最大难点。（2）传染病重症隔离病房内医疗设备种类、数量繁多，整体功耗大、散热量大，故床旁医学观察终端以占用较小空间、散热量小为宜，以便为医护工作人员提供更多的救治空间[4]。（3）传染病重症隔离病房内医护人员穿戴隔离衣、防护服、手套等防护用品进行复杂操作多有不便，故床旁医学观察终端操作方法越简单越好[5]。（4）由于时间非常紧急，市面上缺乏现成的、可满足我院需求的成套可用设备，故只能基于现有设备及环境进行组合式应用创新。（5）传染病重症隔离病房内虽已覆盖无线信号，但通信对讲机对无线信号的干扰非常严重，因此必须采用有线传输。（6）此次收治的新冠肺炎患者数量较多，需要为所有传染病重症隔离病房批量配备床旁医学观察终端，需求量大，单台终端制作成本不宜过高。

3 设计与实现

综合考虑传染病重症隔离病房的特殊环境，经我院反复论证，最终决定在原输液架基础上进行改造，在不影响输液架功能的前提下，将摄像头部署于输液架上，实现高度可调，最终满足新冠肺炎患者救治医学观察的多样化需求。

3.1 设计思路

为满足专家观察视角及不同救治阶段观察不同指标的需求，我院设计了可搭载双高清摄像头的电动升降杆，并配备了万向轮底座。可根据观察目标的需求，调整终端设备到达最佳观察位置，进而通过电动机控制升降杆上升或下降到达最佳高度，通过调整第一摄像头、第二摄像头以实现摄像头的固定点高度，然后再通过云台软件远程控制、调节摄像头角度，实现全方位调控，以便在床旁近距离、更精准地模拟专家视角，从而捕获被观察目标的实时动态。

3.2 终端结构及组成

床旁医学观察终端由底座、不间断电源（uninterruptible power supply，UPS）电池盒、220 V 交流电通用插座、电量显示屏、万向滑轮、升降杆、升降电动机、承载板、承载柱、平板计算机及支架、输液挂钩、第一摄像头、第二摄像头、摄像头固定板和网络接入设备组成，如图1 所示。

图1 床旁医学观察终端结构示意图

其中，升降杆与升降电动机均为迅驰电气定制成品，电压为DC 12 V，标准行程为500 mm，速度为50 mm/s。UPS 电池盒空间容量为350 mm×300 mm×100 mm，市面上通用带逆变功能的电池模块均可直接接入。当终端接电困难或突发电源故障时，UPS 电池盒可为终端供电，以保证终端24 h 都能稳定运行。承载板采用ABS 工程塑料材质，半径为200 mm，最大承重约3 kg。承载柱采用201 不锈钢材质，长度为1 600 mm，直径为32 mm，最大承重约20 kg。平板计算机支架采用铝合金材质，最大承重约2 kg。输液挂钩采用201 不锈钢材质，最大承重约4 kg。摄像头固定板采用ABS 塑料材质，长为350 mm，宽为120 mm，最大承重约3 kg。平板计算机采用市面上通用产品即可完成固定与接入。

为保证床旁医学观察终端的稳定性，UPS 电池盒及底座的重心均位于终端最低处，承载柱的重心位于底座的中心位置，输液泵、注射泵等主要设备采用后卡扣方式挂载于承载柱上下方，使得多个设备同时挂载时可均衡施重，便于稳定重心。

考虑到传染病重症隔离病房内设备繁多，结构紧凑，剩余空间容量小，床旁医学观察终端应轻便小巧、移动灵活，还需能承载医治过程中的各类物品（如药品、液体、标本、器械等），故设计了圆形承载板，这样不仅可以增大承载面积，还便于均衡施重，提高稳定性。为便于观察患者及设备的各项指标，终端配备了双云台高清摄像头，支持多倍物理变焦及自动对焦。

鉴于无线信号易受到对讲机干扰，为保证双云台高清摄像头视频质量及传输稳定，增加了有线网络接入模块，采用传输控制协议/因特网互联协议（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP）和H.265 视频编码标准，在保障图像质量的前提下实现低带宽视频传输。

整个终端的物理线路输出为1 根超五类8 芯网线和1 根3 芯标准的220 V 电源线，均采用束线缠绕带进行处理，不存在线路缠绕问题。最终投入使用的床旁医学观察终端质量轻，不含电池的总质量小于10 kg，其实际应用展示如图2 所示。床旁医学观察终端在使用过程中全程录像，视频可追溯，可随时调阅历史视频。

图2 床旁医学观察终端实际应用展示图

4 使用方法

床旁医学观察终端的使用过程如下：（1）由隔离病房内医护人员将终端部署于最佳床旁位置，既不占用较大空间，又能保持占位无遮挡，保证良好的观察视角。（2）完成有线网络接入，确保信号通畅、无卡顿。（3）通过摄像头自带的云台控制软件控制2 只摄像头的高度、视角、放大倍数、焦点等参数，达到对目标的最佳观察效果。（4）根据患者观察体位及目标变化，及时调整视角，实现远程对患者及重要设备的各项指标进行监管。（5）通过网络传输，医疗救治专家组在计算机上查看高清图像，进行远程指导。如需进行救治，可将注射泵、输液泵、药品、器械等就近承载于终端上，节省救治时间，充分利用空间。

5 性能测试

床旁医学观察终端设计最重要的是保证传输的视频质量，从而保证对患者及重要设备的各项指标的监管效果。本文采用ElecardStreamEye Tools 视频分析工具对视频质量及其所占网络带宽进行了测试，结果如图3 所示。

图3 视频流及其所占网络带宽分析图

通过对床旁医学观察终端的视频录像进行分析可知，视频图像的实际分辨力为2 560×1 440，实际像素达400 万，视频帧率达到50 帧/s。其2 560×1 440像素的高清分辨力可保证患者表情、动作及监护仪等重要设备关键信息的有效获取，50 帧/s 的高帧率可保证视频观看流畅、不卡顿。在百兆网络环境下，通过视频浏览器可同时预览2 路高清视频，实际占用带宽为13～16 Mbit/s，较为稳定，实现了高清视频的低带宽传输，有效降低了网络带宽的占用率。

6 应用效果

床旁医学观察终端应用于7 例新冠肺炎危重患者，效果良好，满足了多学科专家会诊及远程观察的要求，目前已在我院全部重症病房中配备并使用。床旁医学观察终端使用效果示意图如图4 所示。

以一位典型患者为例，年龄24 岁，体质量120 kg，新冠肺炎合并急性呼吸窘迫综合征患者，行经口气管插管机械通气治疗，因患者体型较胖、病情变化较复杂，不仅需要随时观察生命体征、确定各个管路的正确位置，还需要医疗救治专家组随时观察患者状态并指导治疗，及时调整各项指标的参数。通过使用床旁医学观察终端实现了近距离观察患者情况、呼吸机以及微量注射泵等重要设备的参数，并可根据化验结果实时进行调整，达到最佳治疗效果。患者及重要设备床旁观察效果如图5 所示。该患者在治疗一周后突然出现鼻出血且出血量较大，重症医疗团队在病房开展紧急抢救，同时耳鼻喉专家进行紧急会诊，并通过床旁医学观察终端远程指导重症医疗团队进行气管镜操作，成功地找到了出血部位并进行处理，迅速稳定了病情。耳鼻喉专家远程指导场景如图6 所示。

图4 应用效果图（绘制）

图5 患者及重要设备床旁观察效果图

图6 专家远程指导场景

在紧急情况处理中，所有专家都可以通过床旁医学观察终端近距离、清晰地观察患者及临床操作的全过程，犹如亲临现场，保障了抢救现场的有序性，可实时进行多学科会诊以便给予最佳的治疗方案，大大提高了抢救质量和效率。

实践证明，床旁医学观察终端具有如下优势：（1）多功能一体化。本终端同时具备高清监控、视频对话等多项功能，尤其是具备多种挂载、承载功能，可用于放置输液泵、注射泵、药品、器械等。（2）观察方式灵活。本终端具有很强的占位功能，不易被遮挡观察视线，可近距离部署于病床四周，并可灵活移动位置。（3）节省空间。本终端仅占用原输液架大小的位置便可实现输液、医学观察、视频对话等多项功能。（4）可避免交叉感染。通过网络传输，医疗救治专家可远程查看患者各个部位、各类医疗设备的面板数据以及医护人员的操作过程，实现远程监管、医疗指导[6]，无需多名专家同时进入隔离病房进行现场操作和指导，降低了交叉感染风险，规范了病房秩序。（5）节省防护型医疗资源。通过减少医护人员的进出次数可大大减少隔离衣、手套等防护型医疗资源的消耗[7]。

7 结语

随着高清视频采集处理技术、网络传输技术以及混合现实（mixed reality，MR）技术的飞速发展，远程诊疗技术正逐步向远程真实场景重构方向转化。而传统的视频采集、传输方法已不能满足高效互动等需求[8-9]，先进的技术手段为复杂视频的快速捕捉及处理、传输奠定了坚实基础，使得在诊疗过程中医患双方、会诊双方通过良好的视听感觉达到真实的互动效果，从而实现满足新需求的远程诊疗[10-11]。

床旁医学观察终端的研发及应用在此次新冠肺炎疫情的救治过程中解决了隔离病区内外高清视频传输的问题，对患者的救治起到了良好的效果。但该设备的应用仍需根据专家的不同需求进行人工调整，且仅为多路视频的同步传输，缺乏多路视频智能融合重构的能力。未来可在患者端部署多个高清视频采集设备，实现无死角获取患者及场景的真实视频数据，利用高效算法对采集的多路视频进行智能多维重构，实现百分百真实场景还原。同时还可通过电子位置感应地毯等模拟专家立足位置进而模拟专家视角，以对患者进行无死角的医学观察分析，达到真实查房效果。