基于YOLO医院病房监控管理系统设计与实现

第1章　绪 论
1.1 课题背景
就我国现医疗卫生机构病房数情况而言，受整体医疗需求持续增长影响，我国病房数逐年增长。2023年，全国医疗卫生机构总诊疗人次45.2亿人次（不包含诊所、医务室、村卫生室数据），同比增长5.3%。2023年，医院病床使用率为80.8%，同比提高6.7个百分点。在中国，约30000个医院中只有30%的医院有属于自己的信息管理系统。
在这一背景下，将深度学习技术应用于医院病床监测系统，不仅是医疗技术发展的必然趋势，更是提高医疗服务效率和质量的关键。通过实时分析医院监控视频，YOLO V5不仅能够监控病床使用状况，还能辅助识别紧急医疗情况，比如患者跌倒，从而提升医院的应急响应速度和治疗效率。此外，为了提高数据处理效率并减轻客户端的负担，可以考虑将计算任务转移到配备强大服务器的云平台，通过Web技术动态展示患者的就诊流程、状态和结果[5][9]。
1.2 目的与意义
现如今病房检测系统装置从应用层向上说已然进入到商业画经营阶段。这既是市场的需求，也是技术发展的必然结果。信息时代的病房管理形式已经从传统的人管形式，向智能化，网络画的高科技管理形式过度。基于YOLO医院病房监控管理系统实现了对病房的实时状况进行检测与报警，为病患和患告都带来了便捷。该项目的意义在于，通过医院病房监控管理系统可以大大提高医院的信息化建设，实现医学大数据整合和应用，为医疗决策提供更加科学、精准的依据，同时大大提高了医生的工作效率。在当今网络化和数字化的时代背景下，远程智能视频监控为人们的生活安全提供了重要支持，同样地，该病床监测系统也将为医院环境的安全管理和服务水平提供创新的技术支撑[7]。
1.3 论文研究主要内容
本题使用YOLO、Python、Django框架、结合MySQL数据库、阿里云对象存储平台，设计并实现了医院病房监控管理，为病床数据的可视化管理和实时监控提供便利。设计并开发一个完整的病床监测系统。系统的设计将包括以下几个关键组件：首先是图像采集模块，该模块将使用医院内的摄像头实时捕获病房内的视频流。本系统主要角色包括管理员、用户。监控部分主要由硬件摄像头进行实现，软件平台包括管理端和用户端，后端通过Django框架与MySQL数据库实现接口开发，前端通过HTML进行页面显示。软件部分还将结合视频分析技术，采用YOLO训练分析模型，对视频流中每一帧图片进行实时分析，将异常状态进行标记、并作出警报，反馈给用户和管理员。
1.4 国内外研究现状
在国际上，医院自动化监控系统的研究和应用已取得显著进展，尤其是在患者监护和医疗资源管理等领域。先进国家的研究机构和医疗机构已经开始利用深度学习技术来提高医院服务的效率和安全性。在欧美等地，已有多项研究聚焦于利用人工智能进行病情监测和病床管理，例如通过分析患者的体态和活动模式来预测其健康状况和治疗需求（参见Smith等人在《医疗人工智能》杂志上的论文 [1]）。
在中国，尽管此类研究起步较晚，但近年来已经取得了显著的进展。随着深度学习和人工智能技术在国内的快速发展，越来越多的研究机构和医疗单位开始关注并应用这些技术于医疗监控和管理中。例如，有研究聚焦于开发基于深度学习的图像识别系统，用以监控病房中的患者活动，实时检测并预防跌倒等事故的发生。同时，国内的一些研究也在探索如何利用大数据和智能算法来改善病床管理效率，例如通过分析历史数据来预测病床需求，从而帮助医院做出更为科学的决策。

第2章　关键技术介绍
CNN是深度学习中用于图像处理的主要神经网络类型，特别适用于图像识别和分类任务。在YOLO中，CNN用于提取图像特征并识别图像中的对象。通过层层卷积和池化操作，网络能够从基本的像素信息中学习到复杂的特征表示。通过技术如旋转、缩放、剪切等修改训练图像，可以增加模型的泛化能力。使用在大型数据集上预训练的模型，并在特定任务（如病房监控）上进行微调。这有助于在较小的数据集[6]得出来的结果，再通过研发平台为pycharm，语言选择python，框架选择django[2]对整个系统进行页面的开发。
2.1 MySQL
MySQL是一个真正的多用户、多线程SQL数据库服务器。SQL是世界上最流行的和标准化的数据库语言，它使得存储、更新和存取信息更加容易。mysql数据库以其快速的运行，小的设备，低的维护费用，以及开源的优点，在世界范围内得到了越来越多的中小规模的站点使用[1]。
本系统考虑到实用性与便捷性采用MySQL数据库，本系统主要创建医生表、护士表、病人表、病房表等数据表，并在表中创建医生id、护士id、病房id等字段建立相关表格的关联关系。
2.2 Django
Django是应用于Web开发的高级动态语言框架，基于python的web框架开发，采用前后端分离的开发模式[4]。Django拥有完善的模板机制、对象关系映射机制以及用于动态创建后台管理界面的功能，利用Django，可以快速设计和开发具有MVC层次的Web应用。在实体映射方面，Django的对象相关映射机制帮助开发者在Python类中灵活定义数据模型，并且Django具有功能丰富的动态数据库访问 API，可以大幅度简化书写SQL语句的繁杂工作。同时Django支持包括Postgresql，MySQL，Sqlite，Oracle在内的多种后台数据库。
2.3 YOLO
YOLO是 "You only look once "的首字母缩写，是一个开源软件工具，它具有实时检测特定图像中物体的高效能力。YOLO算法使用卷积神经网络（CNN）模型来检测图像中的物体。该算法只需要通过给定的神经网络进行一次前向传播就能检测到图像中的所有物体。这使YOLO算法在速度上比其他算法更有优势，使其成为迄今为止最著名的检测算法之一。YOLO系列的端到端学习算法现在已经到了第五代[3]。
YOLO算法不仅通过其单前向传播能力提供了较高的检测速度和性能，而且还能非常准确和精确地检测它们。在本教程中，我们将重点介绍YOLO V5，它是YOLO软件的第五个也是最新的版本。我们将使用YOLO与著名的PyTorch库。PyTorch是一个深度学习开源包，它是基于著名的Torch库。它也是一个基于Python的库，更常用于自然语言处理和计算机视觉。

第3章　需求分析
3.1 功能性需求分析
系统主要功能模块分为管理端和用户端两个角色，具体功能如图3.1。

图 3.1系统功能图
本项目要实现一个针对医院病房监控管理系统的数据采集平台，主要包括管理端和用户端两个部分。监控部分主要由硬件摄像头进行实现，软件平台包括管理端和用户端，后端通过Django框架与MySQL数据库实现接口开发，前端通过HTML进行页面显示。软件部分还将结合视频分析技术，采用YOLO训练分析模型，对视频流中每一帧图片进行实时分析，将异常状态进行标记、并作出警报，反馈给用户和管理员。
系统主要功能模块分为管理端（图3.2）和用户端（图3.3）两个角色，具体功能如用例图如下图。

图3.2管理端用例图

图3.3用户端用例图

表3.1 目标检测用例描述
用例名称 目标检测
参与者 管理员
用例概述 管理员使用该用例完成目标检测的功能
前置条件 管理员已经登录，并且进入系统主页
后置条件 系统中上传一张图片
基本事件流 参与者动作 系统响应
1.管理员在系统主页面上点击“上传图片”。

3.管理选择一张图片。

6.显示分析后的数据

2.系统弹窗获取磁盘图片信息。

4.系统分析图片中病人的各种行为动作并形成数据。
5.将分析数据存入数据库。

备选事件流 2a.前端控制只能上传后缀名为图片的文件。
6a.分析后的数据若病人存在离床、占床等行为则弹窗警报。
表3.2 添加病房用例描述
用例名称 添加病房
参与者 管理员
用例概述 管理员使用该用例完成添加病房的功能
前置条件 管理员已经登录，并且进入管理病房页面
后置条件 系统中添加一条病房记录
基本事件流 参与者动作 系统响应
1.管理员在管理主页面上选择“病房管理”。

4.管理员在病房管理主页面上点击“增加”按钮。

6.管理员填写病房信息

8.点击“保存”按钮。

2.系统从数据库中获取病房信息列表。
3.系统打开病房信息页面。

5.系统跳转到新增病房界面

7.系统检查管理员输入的信息是正确有效的。

9.系统将病房添加到数据库中。
10.保存成功后系统自动跳转到病房列表
备选事件流 2a.系统数据库病房信息为空，界面显示为“没有数据”。
7a.系统验证管理员输入的病房编号是否已经存在，如果存在，则提示“病房编号已存在，请重新输入”。
7b.系统验证管理员输入的病房名称是否已经存在，如果存在，则提示“病房名称已存在，请重新输入”。
9a.系统录入过程发生错误，未完成操作，则提示“添加病房失败”。
表3.3 更新病房用例描述
用例名称 更新病房
参与者 管理员
用例概述 管理员使用该用例完成更新病房的功能
前置条件 管理员已经登录，并且进入管理病房页面
后置条件 系统中更新一条病房记录
基本事件流 参与者动作 系统响应
1.管理员在病房管理主页面上点击“病房名称”。
2.系统跳转到病房详细信息界面

4.管理员填写病房更新信息

6.点击“保存”按钮。

3.系统从数据库中获取病房信息。

5.系统检查管理员输入的信息是正确有效的。

7.系统将病房添加到数据库中。
8.保存成功后系统自动跳转到病房列表
备选事件流 5a.系统验证管理员输入的病房编号是否已经存在，如果存在，则提示“病房编号已存在，请重新输入”。
5b.系统验证管理员输入的病房名称是否已经存在，如果存在，则提示“病房名称已存在，请重新输入”。
7a.系统录入过程发生错误，未完成操作，则提示“添加病房失败”。
表3.4 添加医生用例描述
用例名称 添加医生
参与者 管理员
用例概述 管理员使用该用例完成添加医生的功能
前置条件 管理员已经登录，并且进入管理病房页面
后置条件 系统中添加一条病房记录
基本事件流 参与者动作 系统响应
1.管理员在管理主页面上选择“医生管理”。

4.管理员在医生管理主页面上点击“增加”按钮。

6.填写医生名称

8.管理员填写医生信息，点击“保存”按钮。

2.系统从数据库中获取医生信息列表。
3.系统打开医生信息页面。

5.系统跳转到新增医生界面

7.系统检查管理员输入的信息是正确有效的。

9.系统将医生信息添加到数据库中。