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人工智能护理极早产儿系统设计

2019/05/22 阅读:

[摘要]目的:设计人工智能(AI)延续性护理极早产儿系统,对出院后仍需心电监护的极早产儿进行远程监护,实现极早产儿生命体征数据AI分析。方法:将远程模块安装于家庭式心电监护仪上,极早产儿生命体征数据传输至医院监护中心后经AI分析和处理,以远程模块报警系统早期识别和抓取的各种风险事件信息为依据,制定相应的随访指导建议。结果:该系统可根据极早产儿的生命体征数据进行AI分析,对于影响极早产儿生命安危的突发情况,通过微信平台、电话等实时指导其家人进行科学和规范的延续性护理,并提供个性化延续性护理方案,以及突发事件处理方案。结论:AI延续性护理极早产儿系统可延续极早产儿住院期间的生命体征监护,指导家属进行个性化护理,提升家庭照护能力,提高极早产儿的远期生命质量。

[关键词]人工智能;极早产儿;延续性护理;远程监护

极早产儿指胎龄<32周的新生儿,这类早产儿体重大多在1500g以下,由于体重低、胎龄小,各器官发育不完善等因素,对护理提出了更高的要求[1]。近年来,随着围生期管理技术和新生儿重症监护病房(neonatalintensivecareunit,NICU)监护技术的提高,产科病房的建立和新生儿科早期发展干预项目的开展,极低出生体重早产儿的存活率明显提高。延续性护理是通过连续的行动设计,以确保患者在医院、家庭不同的健康照护场所及医院不同科室的同一健康照护场所受到不同水平的连续性与协作性护理[2]。传统的极早产儿延续性护理主要以门诊随访、家访及电话为主要形式,不利于对突发事件(呛奶、窒息等)的实时指导。虽然出院前针对一系列护理问题做了详细的出院指导,但患儿父母对于出院后的家庭护理存在焦虑心理,这在一定程度上影响对突发事件的应急处理[3]。因此,建立科学的延续性护理方案,形成动态的延续性护理,整合出一套适合我国现阶段医疗条件的早产儿延续性护理模式势在必行。为此,本研究设计人工智能(artificialintelligence,AI)延续性护理极早产儿系统,通过远程监控,辅以微信平台可以实现实时监护和有效沟通,帮助极早产儿家庭解决紧急突发事件。极早产儿因为个体差异不同,所需要的个性化护理也不同,设计赋予AI功能,通过远程监护的生命体征数据和生长曲线图,给予相应的个性化指导,使传统的延续性护理得到优化,AI技术结合微信平台可试行优化极早产儿的延续性护理。

1AI延续性护理极早产儿系统设计方案

极早产儿AI延续性护理系统由家庭用户终端、远程无线网络传输以及医院服务器终端三大部分组成,其原理结构框架如图1所示。

1.1家庭用户端

家庭用户端由中央控制器系统模块(STM32F4)、生理参数采集、通信、LCD显示等组成。智能移动监护终端主要负责完成对人体生理信号采集、分析、处理和数据传输等功能,是本系统中不可或缺的核心组成部分。中央控制器主要负责对各功能模块进行综合控制来实现多生理参数监护功能;通信模块按照本设计拟定的通信协议负责与服务器端进行数据交互,生理参数采集模块采用集成芯片来设计,可以减小分立元件设计带来的设计难度,同时也可避免引进干扰信号;LCD显示模块与终端相连接,用于显示监护结果和人机交互;报警模块主要通过报警设置来实现报警功能,智能移动监护终端的总体功能如图2所示。

1.1.1CDMA技术网络通信采用码分多址(codedivisionmultipleaccess,CDMA)透传。CDMA技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求,CDMA系统是基于码分技术(扩频技术)和多址技术的通信系统,系统为每个用户分配各自特定地址码。地址码之间具有相互准正交性,从而在时间、空间和频率上都可以重叠;将需传送的具有一定信号带宽的信息数据,用一个带宽远大于信号带宽的伪随机码进行调制,使原有的数据信号的带宽被扩展,接收端进行向反回路的效应过程,进行解扩,增强了抗干扰的能力。CDMA终端是为无人值守应用环境专门设计的一款便于集成的工业数据传输终端产品,设备可嵌入到通信、电力机房等场所的重要设备中,对这些现场设备实现远程无线实时监测,可实现终端设备和网管平台的双向通信,设备按照工业级标准设计采用32位处理器和工业用CDMA模块加入了串口保护设计和EMC抗干扰设计,使CDMA终端可工作于强电磁干扰的封闭环境。CDMA基本功能是掉线自动重拨,采用心跳机制,使设备永远在线,用户自行设置掉线重拨时间间隔;休眠激活方式灵活,可采用透明传输、短消息业务(shortmessageservice,SMS)和电话唤醒模式;支持固定IP和动态数据域名服务(domainnameservice,DNS)方式连接;可用移动专网卡搭建接入点名称(accesspointname,APN)连接;数据透传,内嵌TCP/IP协议栈,支持TCP/UDP方式网络传输协议;支持AI指令集,数个简单的AI指定即可完全配置DTU,可用点对点或者点对多点的数据传输方式;波特率可调,RS232串口支持范围1200~115200波特率,485通信支持1200~19200波特率;RS232串口支持:工业级3.81mm插座,与485通信二选一,支持1200~115200波特率;通信接口:RS485(工业级3.81mm插座,与RS232串口二选一),支持1200~19200波特率,最多支持32路;中文智能卡用户识别模块(subscriberidentificationmodule,SIM)卡操作电压为3V/1.8V;微控制器单元(microcontrolunit,MCU)通过串口1和CDMA通信。

1.1.2脉搏血氧饱和度测量脉搏血氧饱和度的测量电路主要由光电流放大和去直流电路、计算电路以及探头驱动电路3部分组成。光电流放大和去直流电路的构造是两级运放,一级运放放大光电信号为电压信号,后者包含交流分量和较大的直流分量。探头驱动电路由光线对称的两组三极管构成,与计算电路的两个DA端口和两个IO端口相连,分别控制两路光线的幅值和交替开关,计算电路是两个运放的输出,实现去直流电路提供参考电压幅值和反馈探头驱动电路(如图3所示)。

1.2医院服务器终端

医院服务器终端设备硬件设计。医院服务器终端是医院医护人员与家庭用户之间沟通的桥梁,医院服务器终端是通过网口和数据通信电路连接,采用传输控制协议(transmissioncontrolprotocol,TCP)方式连接,其工作过程为:先建立可靠连接,然后就可以接收数据,将网络接收到的数据解析出来存于SQLServer数据库中以供分析处理。医院服务器终端对AI的研究。有实现功能模拟和生理结构的模拟二种方法,前者即通常所说的AI,后者即人工神经网络。人工神经网络具有自学习和自适应的能力,可以通过预先提供的一批相互对应的输入—输出数据,分析掌握两者之间潜在的规律,最终根据这些规律,用新的输入数据来推算输出结果,这种学习分析的过程被称之为“训练”。同生物神经系统类似,人工神经网络也是由人工神经元为基本单元所构成。人工神经元是模拟生物神经元的数学模型,是人工神经网络的基本材料单元,同时也是一个多输入/单输出的非线性元件。神经元的每一个输入连接都有突触连接强度,用一个连接权值来表示,即将产生的信号通过连接强度放大,每一个输入量(Pi)都相应有一个相关联的权重(Wi)。处理单元将经过权重的输入量化,然后相加求得其加权值之和,计算出唯一的输出量,这个输出量(a)是权重和的函数,一般称此函数为传递函数,其计算为公式1:式中a为此神经元采用的传递函数;Pi为得到的生理参数值。神经网络由排列成层的处理单元组成,接收输入信号的神经元层称输入层,输出信号的神经元层称输出层,不直接与输入和(或)输出发生关系的神经元层称为中间层或隐层。当神经网络的模型结构确定之后,接下来就是学习和训练。本研究采用有监督学习算法,即同时给出输入和正确的输出,网络根据当前输出与所要求的目标输出差来进行网络调整,使网络做出正确的反应。有监督学习算法需要大量的标准数据,即需建立标准样本库。极早产儿数据标准样本库目前还是空白,本研究的工作需要将得到的数据和临床表现建立标准样本库,即将得到的生理数据和临床表现检验数据等建立的关系进入网络数据库。

1.3微信公众平台接口

建立极早产儿呵护群,创建微信平台,无线连接于医护中心服务器数据库端口,将个性化随访建议通过微信的方式呈现给极早产儿家庭用户。本系统还提供了Android移动监护软件,当Android移动监护软件在网络畅通的条件下可直接访问服务器端来获取服务;当处于网络不畅的环境时,Android移动监护软件通过篮牙与智能家庭健康终端进行数据交互,实现生理参数处理、实时监护、报警、存储、电子健康档案查看等功能。

2AI延续性护理极早产儿系统使用方法和工作流程

2.1使用方法

将远程模块安装于家庭式心电监护仪上,监测和传输极早产儿的心率、脉搏、体温等生命参数至医院中心监护,并进行AI分析,把握极早产儿生命状态总趋势。同时,把控报警信息,提醒医护人员以此为依据,通过微信平台实时指导家属做好紧急处理,使延续性护理管理实时有效。

2.2工作流程

安装于家庭监护仪上的远程模块读取、存储生命体征数据,传送至医护延续性服务中心,通过AI分析,给出个性化延续性护理方案。当传输过来的数据超过或低于设置范围10%时,系统会出现报警。医护人员给予实时评判,决定是否需要立即给予紧急处理,并通过微信、电话实时指导极早产儿家庭。当报警解除,继续远程监护,其工作流程如图4所示。

3讨论

目前,我国的早产儿延续性护理还处在未完善的时期,尚未形成完善的延续性护理团队,普通的延续性护理不能总体把握监护数值的趋势、识别异常值的报警及实时解决突发情况。国外对家庭生理参数监护系统的研发应用主要集中在美、欧、日、韩等少数国家。美国是此项技术的主导和先行国家之一,较早开展了相关技术的研究与应用,并成功地将基于互联网的无线远程医疗信息技术应用于家庭生理参数监护系统;其他国家也对家庭生理参数监护系统给予高度重视,并制定相关政策,对其发展进行扶持与帮助。但是,家庭生理参数无线网络大数据支持系统在极低、超低出生体重儿延续性护理中的应用在国内鲜有报导。有研究指出,早产儿母亲焦虑、自责的负性情绪无疑影响了家庭成员做出决定、解决困难的能力[4-5]。此外有文献报道,医务人员通过网络平台,运用网络的在线咨询服务,例如QQ、微信、Facebook等的使用,解决了早产儿从医院过渡到家庭后的专业护理服务间断的问题,并节省医疗资源和费用[6-7]。而且,微信平台通过满足母亲对早产儿相关生理、治疗、护理等知识的了解,消除母亲对早产错误的认知和及时调整消极的情绪影响,从而有效促进母婴互动,明显减轻由于信息缺乏和医护人员的支持帮助而导致的恐惧、焦虑、抑郁等负性情绪,提高早产儿母亲积极应对的能力[8-9]。此外,为了避免NICU感染的发生,采用全封闭式管理,这在一定程度上影响母亲掌握极早产儿护理相关知识与技能[10]。极早产儿家属仅在袋鼠式护理和出院前获得一定的照护技能,在出现真实问题时缺少实战经验,举手无措。本研究根据近年来医疗行业在AI应用方面的现状,认为适时创新AI应用模式是极为重要的,AI系统能分析和利用数据,人们需要存取和管理数据[11-13]。本研究设计的创新性延续性护理系统以风险事件处理为突破口,以多数极早产儿出院时会根据出院指导配置家庭监护仪为前提,围绕延续性护理核心理念,使出院后的生命体征继续得到监护,出院后的护理达到个性化和科学化。为了实现整个系统的功能,远程数据传输、AI分析、报警信息的传送、微信平台的运用等各方面都起到了一定程度的作用,是在传统延续性护理基础上的发展。此外,该系统还可以提升家庭照护能力,提高出院后门诊随访率,提高回访满意率,降低极早产儿再入院率,减轻家庭和社会负担等。

4结语

AI延续性护理极早产儿系统是传统延续性护理的优化和补充,结合微信平台,覆盖面广,实效性强,较好地满足极早产儿家属迫切的照护需求,且基本的生命体征是极早产儿神经发育等方面的基础信号,可作为提高极早产儿远期生命质量的干预依据,可试行解决困扰临床多年的极早产儿延续性护理一系列问题,具有较高的临床使用价值。

作者:韩玉珠 周慧 胡鹏 张丽芹 单位:南通大学附属妇幼保健院

人工智能护理极早产儿系统设计

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