插件式智能麻醉系統(tǒng)

王燦燦，趙逢禹，王 勇

(1.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093;2.北京康瑞德醫(yī)療器械有限公司，北京 100102)

0 引言

隨著外科手術(shù)及麻醉學(xué)的不斷發(fā)展，麻醉的范疇已經(jīng)從單純的手術(shù)止痛發(fā)展成麻醉前后整個(gè)手術(shù)期的準(zhǔn)備與治療、麻醉過程中患者生理功能的變化監(jiān)測、患者機(jī)體內(nèi)環(huán)境的調(diào)控和穩(wěn)定，以保障患者安全度過手術(shù)。

麻醉失誤的種類分為:1)麻醉醫(yī)生人為因素，如技術(shù)操作失誤或者失敗，麻醉方案選擇不當(dāng);2)麻醉器械的因素;3)病人相關(guān)因素;4)現(xiàn)階段麻醉理論與技術(shù)的局限及其它等因素[1]。澳大利亞的一項(xiàng)麻醉事故監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了2000例麻醉事故中的12種常見原因，其中80%與人為失誤有關(guān)，各種研究資料基本一致認(rèn)為人為失誤占麻醉事故原因的70%～80%[2]。

計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步，手術(shù)麻醉管理信息系統(tǒng)也逐漸多樣化:基于Web技術(shù)[3]、基于醫(yī)院信息系統(tǒng)[4]、基于電子病歷[5]等?；?Web技術(shù)的系統(tǒng)主要采用了Web Service技術(shù)對手術(shù)過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，保存到醫(yī)院的服務(wù)器上，同時(shí)使用XML技術(shù)。這種形式的系統(tǒng)降低了客戶端的系統(tǒng)開銷，但是它的缺點(diǎn)很明顯，如果在手術(shù)過程中，醫(yī)院的局域網(wǎng)出現(xiàn)故障，不能及時(shí)解決時(shí)，將會影響術(shù)中信息的保存。基于醫(yī)院信息系統(tǒng)和電子病歷的手術(shù)麻醉管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)院各系統(tǒng)之間信息交互，使醫(yī)院各系統(tǒng)組成一個(gè)大型的局域網(wǎng)絡(luò)，方便各科室使用，但是它沒有從根本上保證麻醉的安全，僅僅是通過交換信息，減少了工作人員的工作量。

因此，本文提出增加智能麻醉系統(tǒng)，根據(jù)麻醉專家知識庫的知識和規(guī)則，對麻醉醫(yī)生制定的麻醉方案進(jìn)行檢查，并做出相應(yīng)的提示，避免產(chǎn)生錯誤的麻醉方案。同時(shí)從病人角度出發(fā)，依據(jù)最優(yōu)麻醉案例知識庫，對麻醉醫(yī)生的麻醉方案做出優(yōu)化，提供最佳麻醉方案。擴(kuò)展系統(tǒng)功能時(shí)，根據(jù)插件技術(shù)的原理，不必重新開發(fā)系統(tǒng)，只需在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)插件，以一定的規(guī)范和機(jī)制加載使用插件即可，有效地降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期，提高了系統(tǒng)的利用率[6]。

1 手術(shù)麻醉管理信息系統(tǒng)

手術(shù)麻醉管理信息系統(tǒng)(簡稱手麻系統(tǒng))主要在手術(shù)間用于記錄病人手術(shù)的相關(guān)信息，形成電子文檔，展示給病人及其家屬，同時(shí)存入醫(yī)院的醫(yī)療檔案中，作為醫(yī)學(xué)研究的重要依據(jù)。該系統(tǒng)將病人的基本生命體征、術(shù)前診斷結(jié)果、擬施手術(shù)等信息，通過醫(yī)療信息系統(tǒng)(Hospital Information System，HIS)提供的接口導(dǎo)入。醫(yī)院利用計(jì)算機(jī)將病人的診療信息和臨床信息收集、處理、存儲到數(shù)據(jù)庫中，形成HIS系統(tǒng)，供各科室使用。麻醉醫(yī)生根據(jù)HIS系統(tǒng)的記錄制定麻醉方案，錄入麻醉記錄單中[7]。

2 麻醉方案的制定、檢查與優(yōu)化

2.1 麻醉方案的制定

麻醉方案的制定包括麻醉方法的選擇和麻醉藥物的選擇，它受到諸多因素的影響，主要概括為以下3 個(gè)方面[8]:

1)病人情況。主要包括年齡、擬手術(shù)治療的疾病及其嚴(yán)重程度、重要臟器功能、情緒與合作程度、肥胖程度、病人意愿等。

2)手術(shù)方面。主要包括手術(shù)部位、手術(shù)方式、術(shù)者的特殊要求與技術(shù)水平等。

3)麻醉方面。主要包括麻醉醫(yī)生的業(yè)務(wù)水平、經(jīng)驗(yàn)或習(xí)慣，麻醉設(shè)備和藥品等。

麻醉方案是由麻醉醫(yī)生制定的，然后麻醉醫(yī)生使用智能麻醉系統(tǒng)，將制定的麻醉方案輸入系統(tǒng)中，系統(tǒng)給出相應(yīng)的結(jié)論，供醫(yī)生參考。

2.2 麻醉方案的檢查

大型醫(yī)院的手術(shù)量很大，麻醉醫(yī)生工作壓力很大，責(zé)任心強(qiáng)的醫(yī)生更難免超負(fù)荷工作，長期處于疲憊不堪的狀態(tài)，增加麻醉的安全隱患。因此，對麻醉方案進(jìn)行檢查是十分重要的環(huán)節(jié)。智能麻醉系統(tǒng)可以根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)知識結(jié)合麻醉規(guī)則，對麻醉醫(yī)生制定的方案進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)錯誤，提示麻醉醫(yī)生修改麻醉方案;對于符合規(guī)則的麻醉方案，系統(tǒng)做出相應(yīng)的提示。

根據(jù)臨床麻醉學(xué)的理論知識與麻醉醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出手術(shù)麻醉的常用規(guī)則。部分規(guī)則描述見表1。

表1 部分麻醉規(guī)則[9]

2.3 麻醉方案的優(yōu)化

手麻系統(tǒng)已經(jīng)在醫(yī)院正常運(yùn)行，記錄了大量的病例，為系統(tǒng)提供豐富的實(shí)際數(shù)據(jù)。通過分析、處理、優(yōu)化，將這些有價(jià)值的數(shù)據(jù)整理成最優(yōu)麻醉案例，智能麻醉系統(tǒng)將麻醉醫(yī)生的方案與最佳麻醉案例對比，提出優(yōu)化建議[10]。HIS系統(tǒng)記錄的部分麻醉病例如圖1所示。

圖1 部分麻醉案例

HIS系統(tǒng)長期不間斷地運(yùn)行，記錄了大量的病例，為挖掘最優(yōu)麻醉案例知識完成了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作，接下就是對這些案例采用合適的算法進(jìn)行挖掘，最后將結(jié)果以正確的方式進(jìn)行表達(dá)。

挖掘算法如下:

1)將收集的成功案例按照病種進(jìn)行分類:IN1，IN2，…，INm;

2)對同類病種的病人，根據(jù)不同的癥狀進(jìn)行分類:S1，S2，…，Sn;

3)對某病種中出現(xiàn)的各種癥狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出每個(gè)癥狀出現(xiàn)的頻率fi(f1+f2+…+fn=1);

4)把各個(gè)癥狀按照頻率大小從高到低進(jìn)行排序;

5)設(shè)定癥狀出現(xiàn)頻率的一個(gè)臨界值f;

6)對步驟4)中已排好序的頻率進(jìn)行劃分，將大于臨界值的癥狀看作是經(jīng)常出現(xiàn)的癥狀，此類癥狀所對應(yīng)的麻醉方案當(dāng)作基本麻醉案例B1，B2，…，Bk;將小于或等于臨界值的癥狀看作是特殊麻醉案例D1，D2，…，Dl(k+l=n);

7)對每種病種重復(fù)步驟2)到步驟6)的操作;

8)對失敗的案例重復(fù)步驟1)到步驟7)的操作，得出每個(gè)病種的每種癥狀不宜采用的麻醉方案，得到失敗麻醉案例Ex(0≤x≤總的失敗案例數(shù))。

將挖掘的結(jié)果進(jìn)行表示，采用(病種，(癥狀)，(基本麻醉，特殊麻醉，失敗麻醉))的表示方式進(jìn)行表達(dá)。

2.4 知識庫

1)麻醉專家知識庫。

此知識庫僅僅是麻醉專家的經(jīng)驗(yàn)知識和常用麻醉規(guī)則的集合，這些知識都已經(jīng)過麻醉專家分析處理，是他們多年實(shí)際工作中積累得到的，不需要挖掘，只需直接添加到知識庫中即可。該知識庫只需使用一張數(shù)據(jù)表AnesthesiologistBase來存儲即可。表中字段有:

ID:經(jīng)驗(yàn)規(guī)則知識的編號;

CONDITION:病種名稱及特征;

CONCLUSION:麻醉方案;

YESORNO:是否采用該種麻醉方案。

由于麻醉專家給出的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則中可能存在某種病種或癥狀，不適宜采用某種麻醉方案時(shí)，字段YESORNO實(shí)現(xiàn)了這種標(biāo)記的功能。系統(tǒng)根據(jù)麻醉專家知識庫的知識對麻醉醫(yī)生制定的麻醉方案進(jìn)行初步的檢查，如不符合，及時(shí)提醒麻醉醫(yī)生;如符合，則繼續(xù)使用最優(yōu)麻醉案例知識庫對麻醉方案進(jìn)行優(yōu)化。

2)最優(yōu)麻醉案例知識庫。

該知識庫的組織結(jié)構(gòu)是針對每一類病種建立一個(gè)知識庫，用一張數(shù)據(jù)庫表來存儲。其內(nèi)容是該類病種可能出現(xiàn)的所有癥狀和采用的麻醉方案。表名為病種名稱，表中主要字段有:

SYMPTOM_ID:癥狀的編號;

SYMPTOM_NAME:癥狀的名稱;

ANESTHESIAMETHOD:對應(yīng)癥狀采用的麻醉方案;

TYPE:該癥狀屬于基礎(chǔ)麻醉案例、特殊麻醉案例和失敗麻醉案例中的哪一個(gè);

YESORNO:標(biāo)記該麻醉方案是被采用，還是被放棄。

2.5 知識庫的查詢

麻醉醫(yī)生使用智能麻醉系統(tǒng)時(shí)，需要輸入病種名稱、癥狀和自己制定的麻醉方案，系統(tǒng)將根據(jù)病種名稱找到該病種所屬的知識庫，然后根據(jù)病人的具體癥狀查找對應(yīng)的麻醉方案，系統(tǒng)將此麻醉方案同麻醉醫(yī)生的麻醉方案進(jìn)行比對，如存在差異，系統(tǒng)及時(shí)提醒麻醉醫(yī)生;如與失敗的麻醉方案相同，系統(tǒng)提示麻醉醫(yī)生重新制定麻醉方案。

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 開發(fā)環(huán)境的選擇依據(jù)

1)宿主程序是手麻系統(tǒng)，它是利用C#語言在Visual Studio 2010中開發(fā)的，所以智能麻醉系統(tǒng)采用相同的開發(fā)環(huán)境。

2)醫(yī)院需要長期保存病人的電子病歷，病例數(shù)量較多，手術(shù)過程中需要采集病人的生命體征信息，間隔設(shè)置為5 s，數(shù)據(jù)量龐大，因此采用Oracle 11g數(shù)據(jù)庫，方便存儲和管理數(shù)據(jù)[11]。

3)在軟件的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中，為了便于后期維護(hù)和功能擴(kuò)展，將整個(gè)應(yīng)用程序劃分為宿主程序和插件對象2部分[12]。宿主程序使用插件式應(yīng)用框架，能夠識別并調(diào)用插件對象，使插件對象能夠在宿主程序上實(shí)現(xiàn)自己的邏輯，接口是宿主程序和插件對象互相識別的通信機(jī)制[13]。插件的實(shí)現(xiàn)一般有3種技術(shù):基于動態(tài)鏈接庫DLL的插件;基于組件對象模型COM的插件;基于.NET反射技術(shù)的插件[14]。本文采用動態(tài)鏈接庫DLL。

3.2 智能麻醉系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

如圖2所示，該系統(tǒng)的核心部分是2個(gè)知識庫:麻醉專家知識庫和最優(yōu)麻醉案例知識庫。其中麻醉專家知識庫是由麻醉專家的經(jīng)驗(yàn)知識，經(jīng)過處理、統(tǒng)計(jì)、分析后整理出的專家知識，主要用于檢查麻醉醫(yī)生的麻醉方案;最優(yōu)麻醉案例知識庫是由HIS系統(tǒng)記錄的大量成功病例，經(jīng)過挖掘建成的知識庫，主要用于優(yōu)化麻醉方案。

圖2 智能麻醉系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

3.3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖3 系統(tǒng)的類圖

由圖3可知，根據(jù)插件技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理，本系統(tǒng)為了在SAMIS中使用，需要實(shí)現(xiàn)SAMIS.PluginEngine中的IMenu接口，重寫接口中的方法，實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)與手麻系統(tǒng)的通信。SAMIS.PluginEngine是手麻系統(tǒng)的插件引擎模塊，它負(fù)責(zé)解析插件程序集，提取插件類型并生成相應(yīng)的插件對象，轉(zhuǎn)交手麻系統(tǒng)的界面程序處理。它提供了手麻系統(tǒng)與其插件互相認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)，主要以接口的形式存在，這些接口涉及手麻系統(tǒng)的各個(gè)主要模塊。

由于本系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的模塊，不隸屬于手麻系統(tǒng)中的任何一個(gè)模塊，所以只需實(shí)現(xiàn)IMenu接口，作為一個(gè)獨(dú)立的菜單項(xiàng)來使用，而不必修改手麻系統(tǒng)各主要模塊的顯示模板。IMenu主要是非業(yè)務(wù)功能模塊接口，映射在導(dǎo)航菜單項(xiàng)中。

在手麻系統(tǒng)中進(jìn)行定義的對象主要是繼承了IHost接口的Host對象，以及Host對象中的HostThing對象、插件集合對象和其他相關(guān)內(nèi)容對象。在程序運(yùn)行中，由手麻系統(tǒng)為Host對象及其中的各個(gè)對象賦值，在打開IMenu的窗體時(shí)會傳遞Host對象給插件，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的傳遞。對于插件而言，Host對象可視之為全局變量，手麻系統(tǒng)將接口引擎所獲取的插件集合保存在Host的Plugins對象集合中，然后根據(jù)權(quán)限和插件類型按需使用。

4 系統(tǒng)的應(yīng)用

使用系統(tǒng)時(shí)會出現(xiàn)以下2種情況:

1)麻醉醫(yī)生制定出正確的麻醉方案時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)如圖4的提示。

圖4 正確麻醉方案的提示

該病人的術(shù)前診斷是賁門癌、胃癌，胃腸外科醫(yī)生制定的手術(shù)方案是賁門癌、胃癌遠(yuǎn)端胃大部切除手術(shù)，麻醉醫(yī)生根據(jù)病人信息和手術(shù)方式，制定出的麻醉方案是氣管插管(單腔)全身麻醉。系統(tǒng)根據(jù)專家知識庫中的相似手術(shù)采用的方案，對麻醉方案進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)結(jié)果一致，可以作為最佳麻醉方案，及時(shí)向醫(yī)生做出相應(yīng)的提示。

2)由于疏忽、經(jīng)驗(yàn)不足等原因，麻醉醫(yī)生也可能制定出錯誤的麻醉方案，此時(shí)系統(tǒng)做出如下提示，如圖5所示。

圖5 錯誤麻醉方案的提示

該患者的術(shù)前診斷是膽囊結(jié)石，醫(yī)生決定采用的手術(shù)為開腹膽囊摘除術(shù)，但是麻醉醫(yī)生制定的麻醉方案是腰硬聯(lián)合麻醉。經(jīng)過和麻醉專家知識庫的相似手術(shù)采用的麻醉方案對比后，發(fā)現(xiàn)2者結(jié)果不一致，系統(tǒng)查找最佳麻醉案例知識庫的知識，結(jié)果是在過往的成功案例中，采用的是氣管插管(單腔)全身麻醉的方式，因此系統(tǒng)及時(shí)彈出窗口提示麻醉醫(yī)生再仔細(xì)檢查自己制定的麻醉方案。經(jīng)過麻醉醫(yī)生綜合各種因素再次考慮后，如果系統(tǒng)建議的麻醉方案不合理，醫(yī)生可以忽略系統(tǒng)的提示，繼續(xù)后續(xù)操作。為了豐富、完善知識庫，在醫(yī)生保存麻醉記錄單時(shí)，將本次手術(shù)的相關(guān)信息存到最優(yōu)麻醉案例知識庫中，作為對其的補(bǔ)充。

本系統(tǒng)的目的不是代替麻醉醫(yī)生制定麻醉方案，而是檢查并優(yōu)化麻醉方案，及時(shí)發(fā)現(xiàn)麻醉醫(yī)生的錯誤，切實(shí)保障病人的生命安全。由于知識庫中保存的都是常見的病例，在遇到罕見手術(shù)時(shí)，不能產(chǎn)生準(zhǔn)確的提示，只能建議麻醉醫(yī)生再次檢查，并提示“知識庫中無此案例”。

5 結(jié)束語

本文提出了在手麻系統(tǒng)中增加智能麻醉系統(tǒng)，對麻醉醫(yī)生制定的麻醉方案進(jìn)行檢查和優(yōu)化，確保手術(shù)順利安全地進(jìn)行，介紹通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立了2個(gè)知識庫，用于完成檢查和優(yōu)化的任務(wù)。采用2個(gè)病例對系統(tǒng)進(jìn)行使用，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠完成期望的任務(wù)。智能麻醉系統(tǒng)不能完全替代麻醉醫(yī)生的工作，但是它可以及時(shí)提醒麻醉醫(yī)生改正錯誤的麻醉方案，切實(shí)保證病人的生命安全[15-16]。插件技術(shù)的使用，便于將智能麻醉系統(tǒng)整合到現(xiàn)有的手麻系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能的擴(kuò)展[17]。

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