阅读说明：本技术 医疗推车防碰撞检测方法、装置和系统 (Medical cart anti-collision detection method, device and system ) 是由 郭永安 韩镇宇 刘云 朱洪波 杨龙祥 于 2019-10-21 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种医疗推车防碰撞检测方法、装置和系统。方法包括：S1、采集医疗推车四周的障碍物信息,根据PCA算法将三维障碍物坐标信息降维成低维坐标信息；S2、利用OBB有向包围盒目标检测方法生成障碍物的边界框；S3、计算障碍物边界框与医疗推车的边界框之间的距离,并根据距离进行碰撞预警和告警；S4、通过TCP/IP协议将碰撞预警、碰撞告警信息上传至行车记录管理平台。本方法通过物联网、云计算、机器学习等信息技术,开发医疗推车的行车记录管理平台,利用OBB有向包围盒碰撞检测技术,做到提前预警、碰撞记录等,实现医疗推车安全行进与统一管理。(The invention provides an anti-collision detection method, device and system for a medical cart. The method comprises the following steps: s1, acquiring barrier information around the medical cart, and reducing the three-dimensional barrier coordinate information into low-dimensional coordinate information according to a PCA algorithm; s2, generating a boundary frame of the obstacle by using an OBB directed bounding box target detection method; s3, calculating the distance between the boundary frame of the barrier and the boundary frame of the medical cart, and performing collision early warning and alarm according to the distance; and S4, uploading collision early warning and collision warning information to the driving record management platform through a TCP/IP protocol. According to the method, a driving record management platform of the medical cart is developed through information technologies such as Internet of things, cloud computing and machine learning, early warning, collision record and the like are achieved by utilizing an OBB directed bounding box collision detection technology, and safe advancing and unified management of the medical cart is achieved.)

医疗推车防碰撞检测方法、装置和系统

技术领域

本发明属于智慧医疗技术领域，具体涉及一种医疗推车防碰撞检测方法、装置和系统。

背景技术

智慧医疗正在走向寻常百姓的生活，智慧医疗通过打造区域医疗信息平台，利用先进的物联网技术，实现患者与医护人员、医疗单位、医疗设备之间的互动，逐步达到信息化。在医疗工作者日常工作中，医疗推车在整个医疗工作环节中的使用频率是非常高的。医疗推车是医院常用的医疗辅助用具，包括多种类型，有：转运车(担架车、急救车)：把病人从急救车推送至手术室，或从病床推送至手术室；医疗车；麻醉车；输液车；污物车(适用范围有医院供应室、病房、手术室、洗衣房)；送药车等。而由于医院工作的紧迫性，面对病患必须要迅速及时地进行处理，往往容易发生医疗推车的碰撞事件。在医疗推车发生碰撞时，往往会对电梯等公共设施造成损坏。如转运车在从急救车到手术室转移过程中如发生碰撞产生振动会导致病人二次伤害；医疗车在医院过道或电梯口与行人或其他转运车等物品碰撞会导致医疗仪器损坏等。若出现这种情况，传统处理方法中，医院保卫部门通过视频监控查找医疗推车发生的碰撞，工作量大且效率低。因此，研究医疗推车的防碰撞方法是智慧医疗领域一个迫切的问题。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术的问题，本发明提出一种医疗推车防碰撞检测方法、装置和系统，能够有效实现医疗推车安全行进与统一管理。

技术方案：根据本发明的第一方面，提供一种医疗推车防碰撞检测方法：

S1、采集医疗推车四周的障碍物信息，根据PCA算法将三维障碍物坐标信息降维成低维坐标信息；

S2、利用OBB有向包围盒目标检测方法生成障碍物的边界框；

S3、计算障碍物边界框与医疗推车的边界框之间的距离，并根据距离进行碰撞预警和告警；

S4、通过TCP/IP协议将碰撞预警、碰撞告警信息上传至行车记录管理平台。

根据本发明的第二方面，提供一种医疗推车防碰撞检测装置，包括：视频采集模块，振动传感器，信息显示模块，信息存储模块，告警模块以及控制模块，视频采集模块分布在医疗推车四周，采集障碍物的视频图像信息并发送至控制模块；振动传感器将感测到的振动转化为电信号，并发送至控制模块；控制模块对采集的视频图像处理得到障碍物三维坐标信息，并对三维坐标进行降维处理，获得障碍物二维坐标数据；计算障碍物边界框与医疗推车边界框的距离并结合振动传感器传递的振动信号进行碰撞的判断，以及控制信息显示模块和告警模块的显示和告警工作；信息显示模块提供与医疗推车使用者的交互界面，可显示各类信息；信息存储模块用于存储数据，包括碰撞信息、采集到的视频信息、医疗推车使用记录；告警模块在达到预警或告警条件时在控制模块的控制下触发预警或告警事件。

根据本发明的第三方面，提供一种医疗推车防碰撞检测系统，包括如本发明第二方面所述的医疗推车防碰撞检测装置和行车记录管理平台，医疗推车防碰撞检测装置通过TCP/IP协议与行车记录管理平台相连，在医疗推车进入无线局域网覆盖范围内时，可经由其信息显示模块的触屏操作将检测装置本地存储的数据上传至行车记录管理平台；所述行车记录管理平台还提供用户管理、个人中心、告警记录、健康宣教、问题咨询功能。

有益效果：

1、本发明采用OBB有向包围盒目标检测方法，生成障碍物的边界框，并与医疗推车边界框进行距离判定，将三维场景降维成为二维场景建模，简化了算法复杂度，提高了建模效率。

2、通过OBB有向包围盒目标检测算法配合使用振动传感器进行双重检测，弥补了场景降维造成的精确度下降问题，降低了误判率，提高了可靠度。

3、利用行车记录管理平台可实时记录医疗推车采集到的原始视频信息，进行数据分析、处理与记录。设置管理员功能，方便对医疗推车行车信息、预警信息、告警信息的统一管理。

4、医疗推车移动过程中产生的数据可通过两种存储方式(SD卡本地存储/行车记录管理平台远程存储)。数据存储安全可靠，方便查看和统一管理。本发明可做到提前预警、碰撞记录等，实现医疗推车安全行进与统一管理。

附图说明

图1为本发明的医疗推车防碰撞检测方法流程图；

图2为本发明使用的OBB检测模型示意图；

图3为本发明的硬件结构图；

图4为本发明的信息传输与存储逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本方法通过物联网、云计算、机器学***台，利用OBB有向包围盒碰撞检测技术，做到提前预警、碰撞记录等，实现医疗推车安全行进与统一管理。

如图1所示，在一个实施例中，本发明提出的医疗推车防碰撞检测方法包括以下步骤：

步骤S1，采集医疗推车四周的障碍物信息，根据PCA算法将三维障碍物坐标信息降维成低维坐标信息。

医疗推车四周都分布有视频采集模块，视频采集模块利用0V7670图像传感器和雷达测距传感器配合获得障碍物原始视频数据，经处理后转化为障碍物的三维坐标信息。获取医疗推车四周的障碍物三维坐标信息后，采取主成分分析法(Principal ComponentAnalysis，PCA)，利用降维的思想，把高维数据转换为低维数据，降低数据处理复杂度。

主成分分析法是一种降维的统计方法，它借助于正交变换，将其分量相关的原随机向量转化成其分量不相关的新随机向量，这在代数上表现为将原随机向量的协方差阵变换成对角形阵，在几何上表现为将原坐标系变换成新的正交坐标系，使之指向样本点散布最开的p个正交方向，然后对多维变量系统进行降维处理，使之能以一个较高的精度转换成低维变量系统。

主成分分析法的计算步骤如下：

1、原始指标数据的标准化：采集三维随机向量X＝(X₁,X₂,X₃)^T的n个样品x_i＝(X_i1,X_i2,X_i3)^T,i＝1,2,…,n,n＞3，构造样本阵，对样本阵元进行如下标准化变换：

其中

得标准化阵W。

2、对标准化阵W求相关系数矩阵：

其中

3、解样本相关矩阵R的特征方程|R-λI₃|＝0得3个特征根，确定主成分。

按

确定m值，使信息的利用率达到t(预先通过深度学习得到的阈值)以上，对每个特征根λ_j,j＝1,2,…,m解方程组Rb＝λ_jb得单位特征向量

4、将标准化后的指标变量转换为主成分：

U1称为第一主成分,U2称为第二主成分,…,Up称为第p主成分。

5、对m个主成分进行综合评价：

对m个主成分进行加权求和，即得最终评价值，权数为每个主成分的方差贡献率。加权求和是为了减少数据集的维数，同时保持数据集的对方差贡献最大的特征。最终评价值是投影矩阵U^*＝(U₁,…,U_m)。

该方法可表示为：

输入：

样本集X＝(X₁,X₂,X₃)^T；低维空间维数m(1或2)

过程：

对样本进行标准化变换；

计算样本的协方差矩阵W^TW，并求相关系数矩阵；

对协方差矩阵W^TW做特征值分解；

取最大的m个特征值对应的特征向量U₁,…,U_m；

输出：

投影矩阵U^*＝(U₁,…,U_m)

本发明中m值一般取2。投影矩阵U^*可以看成降维后的二维坐标。

步骤S2，利用OBB有向包围盒目标检测方法生成障碍物的边界框。

OBB(Oriented Bounding Box，有向包围盒)：也被称作定向包围盒，它会随着物体的变化而移动、缩放、旋转。本质上是一个最贴近物体的长方形，只不过该长方形可以根据物体的一阶矩任意旋转。OBB比其他碰撞检测算法(如包围球和AABB)更加逼近物体外形，能显著减少包围体的个数。当有大量物体需要碰撞/相交检测时，通常分两个回合进行：用包围球做第一回合的快速测试，用OBB进行第二回合的测试。第一回合的测试可以剔除大多数不可见或不必裁剪的物体，这样会大大减少进行第二回合测试的几率，提高检测效率。同时，OBB包围盒测试所得的结果更精确，最终要绘制的物体会更少。这种混合式的包围盒常用于碰撞检测、物理/力学等领域。OBB包围盒的特点：在包含所有给定点的前提下，能够使得包围盒面积最小；所生成的包围盒带有方向。

OBB有向包围盒碰撞检测算法步骤如下：

①在检测对象边界随机选取n个二维坐标点{(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)}作为已知点。检测对象是障碍物，障碍物的三维坐标信息经过步骤S1降维后，可在二维坐标系内表示。

②按坐标类型对数据进行组合：x＝{x1,x2,…,xn}，y＝{y1,y2,…,yn}。

③分别求出集合x和集合y的平均值averX和averY，构建协方差矩阵：

④根据协方差矩阵和雅克比算法求解其特征值和特征向量。选取最大的特征值为OBB包围盒的方向。特征值和特征向量可根据协方差矩阵，分别使用Numpy库的np.linalg.eigvals()函数和np.linalg.eig()函数求得。根据OBB包围盒的方向得到新坐标系(X,O,Y,)相对于参考坐标系(XOY)旋转的角度。

⑤根据得到的特征向量建立新的坐标系，将原始数据回放到新坐标系下，求OBB包围盒的长、宽及中心点。长、宽、中心点、OBB包围盒的方向构成障碍物的边界框。如图2所示，新坐标系(X,O,Y,)是x轴不水平的那个坐标系，x轴水平的边界框是医疗推车的边界框。图2中B为医疗推车边界框，A为障碍物边界框。

步骤S3，计算障碍物边界框与医疗推车的边界框之间的距离，并根据距离进行碰撞预警和告警。

根据求得的检测对象OBB包围盒坐标轴与医疗推车的包围盒坐标轴建立模型，判断是否发生碰撞：若两个包围盒在所有轴上的投影都发生重叠，则判定为碰撞；否则，判定为没有发生碰撞。医疗推车的包围盒坐标轴是默认的参照坐标轴(x轴是水平方向不变的)，OBB算法得到的包围盒只是障碍物的边框。通过二个坐标轴建立的模型就是图2所示模型。

二维场景中OBB碰撞检测原理：分别做物体A与物体B在X,Y轴方向的投影，物体A的Y轴方向最大点坐标为Y1，最小点坐标Y2，X轴方向最小点坐标X2，最大点坐标X4，物体B的Y轴方向最大点坐标为Y3，最小点坐标Y4，X轴方向最小点坐标X1，最大点坐标X3。二维场景中OBB碰撞检测具有如下规则：物体A与物体B分别沿两个坐标轴做投影，只有在两个坐标轴都发生重叠的情况下，两个物体才意味着发生了碰撞。图2中X轴的线段X2X3为物体A与物体B在X轴的投影重叠部分。Y轴无重叠。所以，OBB碰撞检测算法逻辑如下：

(1)物体A的Y轴方向最小值大于物体B的Y轴方向最大值；

(2)物体A的X轴方向最小值大于物体B的X轴方向最大值；

(3)物体B的Y轴方向最小值大于物体A的Y轴方向最大值；

(4)物体B的X轴方向最小值大于物体A的X轴方向最大值；

若同时满足上述4个条件，则证明物体A与物体B并未发生重合，反之，只要上面四个条件中有任一个不满足，则证明物体A与物体B重合。即，若Y轴方向上(Y1-Y4)(Y3-Y2)>0且X轴方向上(X4-X1)(X3-X2)>0，证明物体A与物体B发生重合，否则证明物体A和B并未发生重合。

本发明根据OBB碰撞检测原理进行碰撞风险提示：当医疗推车边界框与障碍物边界框之间的最小直线距离小于一定阈值，如0.2米时，判定为危险状况，存在潜在碰撞危险，此时触发预警提示，如通过LED灯闪烁预警。

上述方法将三维场景降维成为二维场景建模，简化了算法复杂度，但是精确度有所下降。为了避免误判，可以配合使用振动传感器进行双重检测，当医疗推车边界框与周边车辆的边界框发生重叠，同时振动传感器检测到振动，则判定为发生碰撞，此时触发蜂鸣器发出声音告警。

在医院这种特殊场景下，可以使用电子式振动传感器。通过专门的处理芯片将传感器获取到的信息传到云平台进行数据分析，与深度学习训练得来的阈值进行比较，判断是否碰撞，对处理结果发出信号告警提示。阈值指的是上述主成分分析法计算步骤第3步中的利用率t。针对不同障碍物及障碍物的运动状态设置为不同的值，以获得最佳的障碍物边框识别效率。

根据本发明的另一实施例，提供一种医疗推车防碰撞检测系统，由硬件设备和行车记录管理平台两部分构成。参照图3，硬件设备部分包括视频采集模块，振动传感器，信息显示模块，信息存储模块，告警模块等。视频采集模块分布在医疗推车四周，本发明采用0V7670图像传感器配合雷达测距传感器模块采集障碍物的三维坐标信息。现有技术中已有较多利用摄像头和雷达测距来获得物体三维坐标的方法，本发明不加以赘述。视频采集模块通过USB与STM32单片机连接，为医疗推车防碰撞系统提供原始障碍物坐标数据。振动传感器通过串口线与STM32单片机连接，将感测到的振动转化为电信号发送至单片机，提高碰撞判断的准确度。信息显示模块通过串口线与STM32单片机连接，可显示0V7670图像传感器采集到的视频、历史告警、行车记录等信息，提供与医疗推车使用者的交互界面。信息存储模块用于本地存储数据，在医疗推车进入无线局域网覆盖范围内时，可在信息显示模块中进行触屏操作，将本地存储数据上传至行车记录管理平台，方便后期维护与管理。告警模块通过串口线与STM32单片机连接，在达到告警条件时触发，达到警示作用。

视频采集模块采用0V7670图像传感器，体积小，工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能，将采集到的信息通过USB传输到STM32单片机中。具有灵敏度高、自动曝光控制、自动增益控制、自动白平衡、自动消除灯光条纹等优点。0V7670图像传感器配合雷达测距传感器模块采集障碍物的三维坐标信息。可以将采集到的具有30万像素的影像信息直接显示在TFT-LCD薄膜晶体管液晶显示器上面。在触发预警与告警信息时将实时采集到的图像信息存储到SD卡中，同时上传到行车记录管理平台。

振动传感器将碰撞时产生的振动参量转换成电信号，经电子线路放大后显示和记录。要点在于先将碰撞时产生的机械振动量转换为电量(电动势、电荷、及其它电量)，然后再对电量进行测量，从而判断碰撞是否发生。

信息显示模块采用TFT-LCD即薄膜晶体管液晶显示器，它在液晶显示屏的每一个像素上都设置有一个薄膜晶体管(TFT)，可有效克服非选通时的串扰，使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，因此大大提高了图像质量。

信息存储模块：0V7670图像传感器采集以及振动传感器收集到的数据可通过两种存储方式，分别为SD卡本地存储和行车记录管理平台远程存储。

告警模块：具有LED预警和蜂鸣器告警两种功能。触发危险预警信息时LED灯闪烁进行预警，触发碰撞告警信息时蜂鸣器响起进行告警。

行车记录管理平台：实时记录医疗推车采集到的原始视频信息，进行数据分析、处理与记录。设置管理员功能，方便后台对医疗推车行车信息、预警信息、告警信息的统一管理。

STM32单片机：用于对0V7670图像传感器采集的图像进行计算处理，获得障碍物坐标数据，并结合振动传感器传递的振动信号进行碰撞的判断，以及控制信息显示模块和告警模块的显示和告警工作。本发明选择具有高性能、低功耗，为嵌入式应用专门设计的RMCortex-M3内核的STM32F107VCT6作为医疗推车碰撞检测系统的中央处理单元。

图4示出了本发明的信息传输与存储逻辑图，其中计算指的是医疗推车硬件结构部分的STM32单片机，负责对采集到的信息进行处理。网络指的是使用TCP/IP协议的互联网，在医疗推车处于无线网覆盖环境下时，通过互联网将碰撞信息、采集到的视频信息、医疗推车使用记录等上传至行车记录管理平台，方便后期维护与管理。存储指的是医疗推车硬件结构部分的信息存储模块。

在行车记录管理平台设置有用户管理、个人中心、告警记录、健康宣教、问题咨询等功能。用户管理功能可对不同角色如医生、护士、管理人员、病患者、随访人员等分配不同的登录权限，方便进行规范化的运营。个人中心功能可查看个人信息、绑定个人信息、更改密码、查看登录记录、查看操作权限、查看操作提示等。告警记录功能中可分日、月、季、年查看预警、告警记录，并将医疗推车采集到的视频数据存储在云端并进行查看。健康宣教功能提供给使用者适当的宣教信息，使用者在空闲之余在管理平台即可获取实用知识。问题咨询功能可为使用者答疑解惑，提供个性化的解决方案。

该系统可以对潜在碰撞进行预警与记录，也可以对已经发生的碰撞刮擦进行告警与记录，实现高精度、实时性碰撞检测与预警、告警。当医疗推车边界框与障碍物边界框小于一定阈值时，判定为危险状况(存在潜在碰撞危险)，触发告警模块中的LED灯闪烁预警，将0V7670图像传感器采集到的视频信息存储到SD卡中同时上传到行车记录管理平台，行车记录管理平台对预警信息进行记录。当医疗推车边界框与障碍物边界框发生重叠，同时振动传感器接收到振动信息，判定为发生碰撞。发生碰撞后触发告警模块中蜂鸣器发出声音告警，将0V7670图像传感器采集到的视频信息存储到SD卡中同时上传到行车记录管理平台，行车记录管理平台对告警信息进行记录。