基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的醫(yī)療設(shè)備在線監(jiān)測與生命周期預(yù)測研究*

萬莉,王大珅,郭建民

(1.天津醫(yī)科大學(xué)教務(wù)處，天津市 300070； 2.天津醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，天津市 300070；3.天津工業(yè)大學(xué)信息化中心，天津市 300387)

隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的不斷進步，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的信息化管理發(fā)展到了嶄新時代?，F(xiàn)代化醫(yī)療設(shè)備在臨床中是不可缺少的醫(yī)療與教學(xué)設(shè)備，現(xiàn)代化醫(yī)療設(shè)備的先進度與數(shù)量是評價醫(yī)院和醫(yī)學(xué)院校水平高低的重要因素之一。先進醫(yī)療設(shè)備已成為醫(yī)學(xué)院校教學(xué)和研究的基本條件[1]，因此對醫(yī)學(xué)設(shè)備的科學(xué)管理、計量、維修以及生命周期的預(yù)測顯得至關(guān)重要。目前，傳統(tǒng)的大型醫(yī)學(xué)設(shè)備管理是靜態(tài)的、滯后的，使用情況只能根據(jù)人工記錄進行統(tǒng)計，無法實現(xiàn)實時監(jiān)控，漏記少記的情況頻繁發(fā)生，使用時間數(shù)據(jù)無法保證精確無誤[2]。

大型醫(yī)療設(shè)備的管理部門無法獲得真實的大型醫(yī)學(xué)設(shè)備使用數(shù)據(jù)，設(shè)備動態(tài)缺乏實時的動態(tài)監(jiān)控，無法準確得知儀器的使用情況，給其他使用者帶來種種不便。傳統(tǒng)的管理和維護方法已不適應(yīng)目前人們對醫(yī)療設(shè)備的管理要求，研究先進科學(xué)的大型醫(yī)療設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)勢在必行。針對目前我國醫(yī)院大型醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用情況，利用信息化技術(shù)建立設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫、設(shè)備運行實時監(jiān)控系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析與管理系統(tǒng)等平臺對于提高我國目前大型醫(yī)療設(shè)備管理具有重要意義，為大型醫(yī)療設(shè)備共享、使用效率監(jiān)管提供理論依據(jù)。為了實時監(jiān)測醫(yī)療設(shè)備在線應(yīng)用狀態(tài)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對醫(yī)療設(shè)備實時監(jiān)控是非常必要的。論文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將大型醫(yī)學(xué)設(shè)備應(yīng)用數(shù)據(jù)實時采集到應(yīng)用層的監(jiān)管系統(tǒng)中，實現(xiàn)了對大型醫(yī)學(xué)設(shè)備實時數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計，實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的顯示與分析以及基于Web的遠程監(jiān)控[3]。

1 基于ESB的大型醫(yī)療設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)分析平臺

該系統(tǒng)的主要功能為采集大型醫(yī)療設(shè)備的相關(guān)的數(shù)據(jù)，采集之后傳輸存儲到數(shù)據(jù)庫中，利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù),結(jié)合Java體系架構(gòu)進行系統(tǒng)開發(fā)。采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過分析、轉(zhuǎn)換處理后，選取需要的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換至相應(yīng)的數(shù)據(jù)集上存儲至基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中，這些數(shù)據(jù)為上層應(yīng)用的提供數(shù)據(jù)分析服務(wù)服務(wù)。大型醫(yī)療設(shè)備檢測平臺內(nèi)部分為采集層、處理層、應(yīng)用層、配置層4個邏輯層次。本文采用分布式企業(yè)總線(ESB)結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，如圖1所示[4-5]。

圖1 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)技術(shù)體系架構(gòu)

采集層是利用AT89C2051和電流傳感器采集醫(yī)療設(shè)備的運行電流，采集的信息主要包括：設(shè)備編號、當(dāng)?shù)貢r間、設(shè)備的運行電流等。

處理層是對采集的信號進行編碼，利用ZTE MC8618 GPRS標準要求，轉(zhuǎn)化UDP和TCP方式進行數(shù)據(jù)傳輸。

應(yīng)用層是對傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換與分析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計與管理等。

配置層是對系統(tǒng)的管理與配置，實現(xiàn)服務(wù)器的本地和遠程的管理配置以及不同管理角色的配置等，實現(xiàn)服務(wù)端與平臺管理員的不同接口功能，管理員可對各個GPRS設(shè)備或GPRS群進行數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)流監(jiān)控。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的大型醫(yī)療設(shè)備運行監(jiān)測

大型醫(yī)療設(shè)備運行監(jiān)測系統(tǒng)由前端醫(yī)療設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測、傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分析中心三個部分組成，如圖2所示[6]。

圖2 大型醫(yī)療設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測圖

2.1 信號采集系統(tǒng)

系統(tǒng)中所監(jiān)測的設(shè)備為大型的醫(yī)療設(shè)備，工作電流范圍為0～50 A。醫(yī)院中的CT、DR系統(tǒng)、核磁共振、X光機高壓氧艙、直線加速器等醫(yī)療設(shè)備均能實現(xiàn)監(jiān)管。由于這些設(shè)備運行時均有一定的電流，可通過監(jiān)測醫(yī)療設(shè)備電流的值的大小判斷設(shè)備運行狀態(tài)，通過AT89C2051單片機和ACS712電流傳感器監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)，電路如圖3所示。

圖3 電流檢測電路圖

2.2 信號傳輸電路

信號傳輸采用中興通訊研制的 CDMA2000 1X 的MC8618工業(yè)模塊，通過RS232與單片機連接，通過AT指令，將采集的醫(yī)療設(shè)備運行的電流值按TCP協(xié)議和TCP協(xié)議傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，每隔1 min傳輸一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)利用各設(shè)備的電流值對設(shè)備運行狀態(tài)進行分析。

3 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器按TCP、UDP協(xié)議接收并存儲監(jiān)測大型醫(yī)學(xué)設(shè)備狀態(tài)運行數(shù)據(jù)后，對其管理區(qū)域內(nèi)的設(shè)備運行數(shù)據(jù)進行處理、分析、按照不同的統(tǒng)計方式進行發(fā)布，支持各類數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)布。監(jiān)測數(shù)據(jù)展示應(yīng)包括：(1)設(shè)備在線運行情況；(2)單個設(shè)備與所有設(shè)備使用的參考比較；(3)設(shè)備生命周期預(yù)測。

大型醫(yī)學(xué)設(shè)備在線運行監(jiān)測平臺用戶登錄后，可對系統(tǒng)進行各種查詢和統(tǒng)計工作。

例如，按所屬區(qū)域內(nèi)查詢的大型醫(yī)療設(shè)備運行時間長度(見圖4)。還可以預(yù)測某區(qū)域下一個時期設(shè)備的使用數(shù)量(見圖5)。

設(shè)備使用統(tǒng)計模塊要求能夠?qū)崿F(xiàn)為用戶提供各區(qū)域的大型醫(yī)學(xué)設(shè)備應(yīng)用信息的功能。用戶可根據(jù)條件查詢具體信息，并根據(jù)需要導(dǎo)出查詢結(jié)果；按年和月查詢設(shè)備的使用報表、綜合報表。按單位逐日、逐月進行比較分析。

圖4 設(shè)備使用的時間長度示意圖

圖5 各區(qū)域設(shè)備使用數(shù)量預(yù)測圖

系統(tǒng)可查詢所指定范圍內(nèi)的某一期間醫(yī)療設(shè)備的使用情況。也可實時查看指定的某一固定醫(yī)療設(shè)備在一定時間內(nèi)運行時間統(tǒng)計數(shù)據(jù)。還可以通過大型醫(yī)療設(shè)備匯總統(tǒng)計進行分析設(shè)備利用率等相關(guān)圖形化指標，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供相關(guān)依據(jù)。

4 大型醫(yī)療設(shè)備使用預(yù)警系統(tǒng)

不同的醫(yī)療設(shè)備中的易損件數(shù)量和每個易損件運行時間是不同的，對不同的設(shè)備易損件根據(jù)運行時間需要定期更換。本系統(tǒng)可實現(xiàn)具體大型醫(yī)療設(shè)備易損件運行時間預(yù)測該易損件可繼續(xù)使用的時間。醫(yī)療設(shè)備易損件使用壽命受開機次數(shù)、運行電壓、溫度等因素的影響，因此需要對每個醫(yī)療設(shè)備易損件的建立預(yù)測模型，并逐一進行量化評價。假定醫(yī)療設(shè)備健康指標HI范圍為0～10，當(dāng)HI=10時，表示醫(yī)療設(shè)備易損件處于完全健康的狀態(tài)。定義HI=5為臨界值，表示醫(yī)療設(shè)備易損件處于邊緣健康的狀態(tài)；當(dāng)HI<5時，醫(yī)療設(shè)備易損件處于不健康的狀態(tài)[7]。

在使用中，醫(yī)療設(shè)備易損件的健康指數(shù)分布函數(shù)為[8]:

HI(t)=a0+bect

(1)

其中:a0,b，c為常數(shù)。

易損件在健康狀態(tài)下可使用的最長時間為：

T=max{t|HI(t)≥HI}

(2)

即當(dāng)a0+bect≥HI時，可以得到易損件的最長健康壽命。

經(jīng)過變換

(3)

由此可得易損件的健康狀態(tài)的剩余壽命為

Th=T-t

(4)

通過易損件健康狀態(tài)剩余使用時間可以對設(shè)備的使用進行預(yù)警，達到及時更換維護易損件的目的，以防產(chǎn)生更大的損失。

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了大型醫(yī)療設(shè)備遠程監(jiān)控平臺，實現(xiàn)了對設(shè)備使用情況的實時監(jiān)測，并且通過分析易損件的健康狀態(tài)建立了大型醫(yī)療設(shè)備使用預(yù)警系統(tǒng)。證明了遠程實時監(jiān)測大型醫(yī)療設(shè)備使用情況和對設(shè)備使用預(yù)警的可行性，為大型醫(yī)療設(shè)備在使用中的正常運轉(zhuǎn)提供了保障，對于提升醫(yī)學(xué)設(shè)備管理具有現(xiàn)實意義，并可為其他行業(yè)大型設(shè)備管理提供借鑒。