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    基于物聯(lián)網(wǎng)技術的電子病歷系統(tǒng)研究進展

    2013-04-01 04:28:44呂曉榮王福勝
    傳感器與微系統(tǒng) 2013年1期
    關鍵詞:病歷聯(lián)網(wǎng)傳感器

    呂曉榮,王福勝

    (哈爾濱工業(yè)大學 管理學院,黑龍江 哈爾濱150001)

    0 引 言

    日新月異的物聯(lián)網(wǎng)技術及其相關傳感技術,為健康信息采集、人員藥品識別、精確定位奠定基礎,使“無邊界”感知醫(yī)院和數(shù)字化智能醫(yī)院成為可能[1]。醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的核心在于醫(yī)療移動化和無線化,將互聯(lián)網(wǎng)平臺下的傳統(tǒng)電子病歷系統(tǒng)移植到物聯(lián)網(wǎng)平臺上。建立基于射頻識別(radio frequency identification,RFID)和傳感器、運行在手持無線終端設備(如iPad 和PDA)的嵌入式電子病歷系統(tǒng)是醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的關鍵。

    電子病歷(electronic medical record,EMR)在醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)中的角色舉足輕重。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下,電子病歷不同于傳統(tǒng)醫(yī)院信息系統(tǒng)下的電子病歷,被稱為“移動病歷”,又叫做“RFID 醫(yī)療卡”[2]。主要包括患者基本信息和醫(yī)療信息(如糖尿病和高血壓病史、藥物過敏)的存儲、掛號和就診編號、醫(yī)囑存儲(iPad 移動查房)、護理病歷(PDA)、患者治療用藥記錄及定位跟蹤等。因此,移動電子病歷系統(tǒng)是醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的基礎。

    醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)是利用傳感技術,將一枚大至手機小至指甲片大小的傳感器貼到患者身上,傳感器終端嵌入和裝備到醫(yī)療檢測設備中,醫(yī)生通過手機和電腦連接到另一端后,結合醫(yī)院電子病歷系統(tǒng),可隨時隨地實現(xiàn)對病人的檢查和治療。通過無線傳感技術,即使相隔萬里,醫(yī)生也會對患者實時診斷。物聯(lián)網(wǎng)技術的遠程監(jiān)護項目有嬰兒監(jiān)控[3]、術后病人恢復監(jiān)控[4]、老人生命體征家庭監(jiān)控[5]、移動健康監(jiān)測系統(tǒng)[6]等。

    1 國內外物聯(lián)網(wǎng)技術在醫(yī)療系統(tǒng)的應用

    1.1 各國醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)技術的應用現(xiàn)狀

    美國軍方研制了一種供野戰(zhàn)使用的個人生理狀態(tài)監(jiān)護儀,這種衛(wèi)星儀器由士兵佩戴,用于監(jiān)護士兵的呼吸、體溫等生理參數(shù)。美國馬薩諸薩大學開發(fā)了一種3G 移動通信技術的遠程監(jiān)護系統(tǒng)[7],患者端由 PC 機、生理參數(shù)監(jiān)護儀、便攜式超聲儀和視頻攝像頭組成?;颊咝畔⒔?jīng)由CDMA 無線上網(wǎng)傳送到醫(yī)院,通過醫(yī)院端軟件的解壓與回放,醫(yī)護人員就可以觀察到心電圖等圖像和視頻。

    希臘研制了一種安裝于救護車中的心電監(jiān)護系統(tǒng)[8],通過傳感器采集患者生理參數(shù)后,發(fā)送到患者的PC 或PDA 中,DAM 與 PC 之間使用 RS-232 串口進行通信,然后由PC 使用TCP/正協(xié)議通過Internet 將數(shù)據(jù)傳送到服務器端,存儲到電子病歷系統(tǒng),通過GSM 網(wǎng)絡與醫(yī)院監(jiān)護中心建立聯(lián)系,隨時監(jiān)測以爭取搶救時間。該系統(tǒng)已在希臘、意大利等國家投入使用。

    香港中文大學設計的電子織物“保健衫”是遠程監(jiān)護系統(tǒng)產品[9],可以實現(xiàn)心電圖波形瀏覽、心率計算、血壓測量、患者記錄和醫(yī)生預約查房。通過傳感器采集信息傳遞給EMR,將病人血壓和膽固醇水平等數(shù)據(jù)與健康指標相比較,并提供預警。香港計劃到2020 年全民擁有EMR,記錄過去的注射、藥物過敏、病理及數(shù)碼X 光檢驗結果等[11]。

    我國無錫物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)研究院成功研發(fā)了常規(guī)生理指標(如血糖、血壓、脈搏等)的傳感器節(jié)點設備[10]。生物傳感器也應用在病理疾病的指標檢測方面,為遠程會診、遠程監(jiān)護等提供技術。我國學者還提出了“無邊界”感知醫(yī)院模型[11]和數(shù)字化智能醫(yī)院模型[12],利用物聯(lián)網(wǎng)和通信技術提供完整準確的電子病歷數(shù)據(jù),存儲傳輸醫(yī)療影像記錄等。

    1.2 各國財政支持醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展

    歐美政府大力推廣醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)以提高醫(yī)療效率和質量。2010 年,美國總統(tǒng)奧巴馬簽署了醫(yī)療保障體系改革補充法案《預算協(xié)調法案》,標志著美國醫(yī)改立法程序的最終完成[13]。政府投資500 億美元發(fā)展電子醫(yī)療信息系統(tǒng),其中,172 億美元刺激醫(yī)生和醫(yī)院使用電子病歷。2011 年,國防部用于改進醫(yī)療IT 技術的預算為309 億美元,與退伍軍人事務部和私營企業(yè)合作創(chuàng)建虛擬生命電子記錄,改進退伍軍人的看護狀況[14]。美國衛(wèi)生部2010 年度報告顯示,全年醫(yī)療系統(tǒng)總開支為2.6 萬億美元,相當于平均每人8402 美元。同時,學術界參與的電子病歷取得較大進步:波士頓研究通過Internet 傳輸急救病人的電子病歷問題;印第安那大學開發(fā)的基于邏輯處理的健康評估(HELP)系統(tǒng),利用EMR 預測早期癌癥病人的死亡;匹茲堡大學用EMR 系統(tǒng)研究醫(yī)囑和處方的準確性[15]。另外,馬里蘭大學研制的電子病歷記錄系統(tǒng)(CPRS)、猶他州LDS 醫(yī)院的HELP 系統(tǒng)、杜克大學的TMR 系統(tǒng)、在馬薩諸塞州總醫(yī)院的COSTAR 系統(tǒng)都被視為電子病歷的模板和典范[16]。

    英國全面引入物聯(lián)網(wǎng)技術提高醫(yī)院服務質量,政府撥款60 億英鎊建立全國統(tǒng)一的電子病歷網(wǎng)絡系統(tǒng),實現(xiàn)了EMR 卡。目前,對心臟病患者的遠程傳送監(jiān)測數(shù)據(jù)時間只需1~2 s,診斷處理只需5 min,社區(qū)門診量減少40%,改變了病發(fā)后到醫(yī)院的被動模式,開創(chuàng)在家預警和主動治療的現(xiàn)代醫(yī)學模式。同時,實現(xiàn)了利用傳感器終端采集記錄孕婦孕期信息和產程觀察[17]。2011 年,加拿大財政預算明確提出數(shù)字經(jīng)濟戰(zhàn)略,3 年內新增6 000 萬加元支持與數(shù)字經(jīng)濟相關的重點學科招生人數(shù)[18]。投資8 億美元利用RFID技術建立了全國性的標準藥品系統(tǒng),已為60%的加拿大人建立電子健康檔案,包括影像系統(tǒng)和遠程醫(yī)療系統(tǒng),2020 年將覆蓋到全國。

    中國工信部發(fā)布《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》,預計到2015 年物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)將實現(xiàn)5000 多億元的規(guī)模,醫(yī)療是物聯(lián)網(wǎng)重點支持的領域之一。2012 年,哈爾濱、杭州和廈門率先在社區(qū)醫(yī)療服務中心為居民建立健康檔案,通過物聯(lián)網(wǎng)技術將居民健康數(shù)據(jù)整合到市級醫(yī)院電子病歷系統(tǒng)中,可以實現(xiàn)醫(yī)院與社區(qū)醫(yī)療服務中心的雙向轉診。居民憑借二代身份證[19],可以建立伴隨終身的電子健康病歷檔案。未來通過“云計算”中心,各個醫(yī)院的醫(yī)生在患者允許下均能調閱電子病歷檔案。

    2 電子病歷系統(tǒng)面臨的問題

    2.1 電子病歷系統(tǒng)的存儲效率問題

    各國在電子病歷應用過程中,都面臨著病歷信息的存儲效率問題。護士在手工記錄呼吸、體溫、心率和其他生理參數(shù)時工作量龐大,任務繁重,借助傳感器自動采集信息來減輕工作負荷勢在必行。但是,傳感器采集的信息格式與傳統(tǒng)信息格式又有較大差別,需要物聯(lián)網(wǎng)的標識語言來記錄和存儲到電子病歷系統(tǒng)中。同時,為了符合循證醫(yī)學的需要,只有通過結構化的電子病歷,才能將病史、查體、化驗檢查結果及治療方法聯(lián)系在一起,并分析出最科學的臨床路徑。但是,醫(yī)生對病人的診斷意見、病程的記錄等又是非結構化的,如何在電子病歷系統(tǒng)中對其進行統(tǒng)一描述是十分困難的。各國醫(yī)療技術界都在尋求更好的處理工具,即如何滿足靈活存儲,又要提高輸入效率[20]。

    2.2 電子病歷系統(tǒng)的“數(shù)據(jù)孤島”問題

    目前,各個醫(yī)院電子病歷系統(tǒng)的風格各異,無法實現(xiàn)相互操作和資源共享,從而形成一個個信息“孤島”。醫(yī)學分科非常細,不同病種的病情數(shù)據(jù)和病理知識都千差萬別,需要電子病歷系統(tǒng)覆蓋幾乎所有的數(shù)據(jù)類型,包括靜態(tài)的文本、細胞和病理學影像、CT 及核磁,還包括超聲、胃鏡及腔鏡等多維動態(tài)影像,還有心電、腦電等電生理圖形。現(xiàn)實工作需要電子病歷系統(tǒng)系統(tǒng)能夠在物聯(lián)網(wǎng)平臺上靈活處理和傳遞醫(yī)療信息,與PACS/RIS,LIS,CIS 系統(tǒng)集成,實現(xiàn)同步傳輸與共享,而傳統(tǒng)的關系型數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)結構僵化,根本無法滿足靈活性要求。

    3 基于物聯(lián)網(wǎng)的電子病歷系統(tǒng)技術進展

    物聯(lián)網(wǎng)技術在移動醫(yī)療領域的具體應用,更多的是采用感知層、網(wǎng)絡傳輸層和應用層3 層通用架構。

    3.1 感知層

    感知層是利用傳感器采集生理數(shù)據(jù)。生理數(shù)據(jù)采集子層所用到的設備有RFID 標簽、讀寫器、各種傳感器和攝像頭等,目的是把網(wǎng)內的所有人員和物品改造成信息物理系統(tǒng)(CPS)節(jié)點,便于標識[21]。

    1)傳感器

    人體的基本生理參數(shù)主要包括脈搏、心電、血壓、呼吸、血氧飽和濃度和體溫等,不同的生理信號采用不同的傳感器和信號采集方式。利用各類傳感器采集生理數(shù)據(jù),大大提高了電子病歷信息采集錄入效率和質量。

    例如:心電監(jiān)護傳感器,心電信號是人體的重要信號,是心臟電活動在體表的綜合反映,對于老年人來說心電信號的檢測非常重要。心電信號的形成原理簡單來說,是人體心臟在機械收縮之前,首先產生電激動,產生生物電流,并經(jīng)組織和體液傳導至體表,然后在身體的不同部位產生不同的電位變化。人體心電信號的主要頻率范圍為0.05~100 Hz,幅度約為0~4 mV,信號十分微弱[22]。因此,常采用由前端導聯(lián)傳感器、信號濾波放大調理電路和A/D 采樣電路組成心電信號采集模塊。另外,呼吸傳感器則是采用胸阻抗法原理測量呼吸波,觀察到清晰穩(wěn)定的呼吸阻抗曲線,把呼吸信號的測量誤差控制在10%以內,就能夠滿足醫(yī)院臨床的監(jiān)護需求。

    2)RFID 技術

    RFID 技術是一種通信技術,可通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數(shù)據(jù),與特定目標之間建立機械或光學接觸。RFID 俗稱電子標簽,可對單個藥品進行標志,在各個流通環(huán)節(jié)對藥品進行定位和追蹤[23]。護士可將藥品的RFID 標簽與患者的RFID 腕帶信息進行比對,在線調出處方和藥品圖片核實,如有信息不匹配,則發(fā)出警告,有效避免臨床上用藥錯誤。

    醫(yī)生可通過患者手腕上的RFID,在與PC 連接的RFID讀卡器上查詢該患者的電子病歷記錄,如檢查進度、病情變化及會診治療方案等。護士使用手持PDA 設備來讀取患者的RFID 腕帶信息,自動調出需要執(zhí)行的醫(yī)囑信息、患者生命體征信息和治療信息等,實現(xiàn)動態(tài)實時護理服務,優(yōu)化臨床護理流程。

    3.2 網(wǎng)絡傳輸層

    傳輸層可以是短距離網(wǎng)絡,如 Zig Bee,Wi-Fi,Bluetooth及超寬頻技術傳輸?shù)龋部梢允沁h程網(wǎng)絡GSM,GPRS 或3G。傳輸層負責與外部網(wǎng)絡進行通信,并臨時存儲從感知層收集的數(shù)據(jù),接收和分析這些感知數(shù)據(jù),并執(zhí)行規(guī)定的用戶程序。

    遠程醫(yī)療監(jiān)護的傳輸一般通過 Zig Bee 協(xié)議來實現(xiàn)[24]。Zig Bee 一詞源自于蜂群使用的通信方式,蜜蜂通過跳Zigzag 形狀的舞蹈將新發(fā)現(xiàn)的蜂蜜源方向和距離信息傳遞給同伴。Zig Bee 技術是一種短距離、低速率、功能強大的無線網(wǎng)絡通信技術。Zig Bee 協(xié)議棧主要由物理層PHY、媒體接入層MAC、網(wǎng)絡層以及應用框架層組成。網(wǎng)絡層主要用于無線個人區(qū)域網(wǎng)的組網(wǎng)連接,數(shù)據(jù)管理以及網(wǎng)絡安全等,應用層主要是提供應用框架模型。棧是基于OSI 標準的,其底層技術基于 IEEE 802.15.4,物理層和MAC 層直接引用了IEEE 802.15.4 協(xié)議。Zig Bee 協(xié)議棧的微處理器需要采用高性能單片機,自帶一定容量的可編程Flash 存儲器。無線通信模塊的硬件系統(tǒng)還包括電源模塊、無線收發(fā)模塊、接口電路及串口模塊等[25]。

    3.3 應用層

    應用層包括以電子病歷為核心的醫(yī)院信息系統(tǒng)應用和醫(yī)療管理決策應用。前者包括門診、住院、醫(yī)技檢驗檢查及藥品管理等方面的信息化;后者主要是專家對病情的分析與預測,科室診費收入績效分析等。應用服務硬件包括醫(yī)療數(shù)據(jù)庫服務器、醫(yī)療事務管理服務器以及各種移動通信終端。

    1)基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的嵌入式電子病歷系統(tǒng)

    醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術是如何將傳感器和RFID 采集的信息運行在手持iPad 和PDA 終端上,形成嵌入式電子病歷系統(tǒng)系統(tǒng)。以電子病歷模塊為核心,詳細記錄病歷信息檔案,公共模塊和醫(yī)療費用以備自查。醫(yī)生使用iPad 查房和下醫(yī)囑,護士通過PDA 終端獲取醫(yī)囑、用藥等信息,實現(xiàn)無線化和無紙化醫(yī)護行為。醫(yī)院主系統(tǒng)下設置醫(yī)生工作站和護士工作站,醫(yī)護人員可以利用終端從工作站的電子病歷系統(tǒng)中讀取并更新上傳數(shù)據(jù)。

    2)基于PML 格式的電子病歷信息存儲與檢索

    物聯(lián)網(wǎng)的標識語言是物理標識語言(physical markup language,PML)格式,是對過去電子病歷信息XML 存儲格式的擴展。在物聯(lián)網(wǎng)平臺上,PML 可以提供更準確的搜索?;赑DA 和RFID 診療卡的標簽內容豐富,定義明確,標簽和內容之間的依存關系準確,容易找到搜索目標。由于PML 能夠很好地表現(xiàn)許多復雜的數(shù)據(jù)關系,使應用程序可在文件中準確高效地搜索,并能忽略其他不相關信息[26]。整個數(shù)據(jù)操作都是在客戶端完成,大大減輕了服務器負擔。因此,PML 即可以滿足靈活存儲,又能提高輸入效率。

    3)基于SOAP 協(xié)議的電子病歷信息傳輸與共享

    為了實現(xiàn)醫(yī)學圖像和動態(tài)信息的傳輸,美國、歐盟政府規(guī)定全部醫(yī)療信息系統(tǒng)必須強制執(zhí)行HL7 (health level seven)標準,包括臨床、檢驗、轉診及保險等[27]。通信協(xié)議采用簡單對象訪問協(xié)議(simple object access protocol,SOAP),被設計在Web 上用于交換結構化信息,具有很好的兼容性,匯集不同廠商應用軟件的標準接口。病歷信息以CDA 文檔為載體,封裝在HL7 消息中進行傳輸,可以實現(xiàn)信息在Web 服務平臺上的自由交換[28]。以遠程調用方式取代消息方式進行通信,能降低網(wǎng)絡頻寬的使用率而節(jié)約資源。由于傳遞時不需要轉換和確認,從而實現(xiàn)大量異構醫(yī)院信息系統(tǒng)之間的互操作性,共享電子病歷信息資源,有效解決系統(tǒng)的“數(shù)據(jù)孤島”問題[29]。

    4 結束語

    隨著物聯(lián)網(wǎng)技術在移動醫(yī)療及遠程監(jiān)護領域的廣泛應用,與物聯(lián)網(wǎng)深度融合的移動電子病歷系統(tǒng)成為發(fā)展趨勢。目前,我國GDP 中的醫(yī)療比重較低,醫(yī)療系統(tǒng)因沒有跟上科技創(chuàng)新的步伐而深陷效率低下的泥潭?!笆濉贬t(yī)療改革方案,明確了三級衛(wèi)生信息平臺、基礎數(shù)據(jù)庫和專用網(wǎng)絡的建設目標。無線傳感器,RFID,Zig Bee 協(xié)議等為醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了技術支撐。因此,基于物聯(lián)網(wǎng)技術的電子病歷系統(tǒng)建設,將開啟醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的黃金時代,對我國衛(wèi)生信息化的發(fā)展具有重要而深遠的意義。

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