基于XGBoost 算法的醫(yī)院檔案管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝 蕊，王 猛，李 娜

（首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院，北京 100070）

醫(yī)院檔案管理控制系統(tǒng)是一個(gè)可以記錄患者病情、醫(yī)生對(duì)于患者治療方案的一系列醫(yī)囑信息，具有較強(qiáng)綜合性的管控平臺(tái)。醫(yī)院的檔案管控系統(tǒng)最大程度上保證了患者與醫(yī)生之間交流的規(guī)范性，一旦出現(xiàn)醫(yī)療事故，可以在檔案管控系統(tǒng)中調(diào)用病人病情的相關(guān)信息以及醫(yī)生采用的治療方案，合理地解決兩者之間的矛盾[1]。

目前，設(shè)計(jì)的醫(yī)院檔案管控系統(tǒng)雖然具備一定的管理能力，但是系統(tǒng)的安全性不高[2]。為了提高系統(tǒng)的可靠性與安全性，文中設(shè)計(jì)了基于XGBoost 算法的醫(yī)院檔案管控系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 醫(yī)院檔案管控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)醫(yī)院檔案管控系統(tǒng)硬件區(qū)域的最終目的是保證檔案管控系統(tǒng)安全性的同時(shí)提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，因此，為了達(dá)到設(shè)計(jì)目的，使用XGBoost 算法來協(xié)助系統(tǒng)管控功能的運(yùn)行[3]。

設(shè)計(jì)的基于XGBoost 算法的醫(yī)院檔案管控系統(tǒng)硬件區(qū)域由病歷文件管理模塊、個(gè)人病歷管理模塊、病歷統(tǒng)計(jì)管理模塊組成，每個(gè)模塊都還包括若干子模塊，各個(gè)子模塊具有獨(dú)特的特性和功能，具體硬件區(qū)域的框架結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 檔案管控系統(tǒng)硬件區(qū)域框架

病歷文件管理模塊用于記錄患者在醫(yī)院所做檢查的結(jié)果，為了方便系統(tǒng)對(duì)患者病歷信息的調(diào)用與查看，病歷檔案文件管理模塊設(shè)置了3 個(gè)子模塊，分別為病歷接收發(fā)送模塊、病歷簽報(bào)模塊、病歷轉(zhuǎn)發(fā)督辦模塊[4-5]。病歷接收發(fā)送模塊用于傳遞患者在醫(yī)院內(nèi)部掛號(hào)與各項(xiàng)檢查的結(jié)果信息，醫(yī)院檔案管理控制系統(tǒng)要和每個(gè)醫(yī)生的辦公電腦相連接，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)共享。病歷簽報(bào)模塊方便醫(yī)生查詢患者的過往病歷，有利于醫(yī)生對(duì)患者的病情進(jìn)行方案制定[6-7]。病歷轉(zhuǎn)發(fā)督辦模塊用于患者在看病過程中如果需要經(jīng)過多個(gè)部門的檢查，則上一部門需要在該模塊對(duì)下一部門進(jìn)行督辦提醒，加快醫(yī)院管控流程的進(jìn)行[8]。

個(gè)人病歷管理模塊是醫(yī)院檔案管控系統(tǒng)硬件部分中面向患者的頁面，主要包括患者通訊信息、病歷信息、個(gè)人信息、病歷日志及我的設(shè)置等多個(gè)子模塊?；颊咄ㄓ嵭畔⒛K是根據(jù)患者掛號(hào)時(shí)預(yù)留的電話號(hào)碼綁定查找的通信錄信息，這個(gè)區(qū)域是在醫(yī)院對(duì)患者的病情有進(jìn)一步發(fā)展時(shí)，最快聯(lián)系患者的途徑[9]。病歷信息子模塊的獨(dú)特功能是不僅可以更新患者在本醫(yī)院的就診情況，還可以更新患者在其他醫(yī)院就診的信息。個(gè)人信息子模塊主要通過患者填入的信息進(jìn)行信息檔案的錄入，保證病歷信息子模塊數(shù)據(jù)的完整性，也有利于就診醫(yī)生的治療。病歷日志子模塊主要記錄患者在生病前的預(yù)兆和患者治療的實(shí)時(shí)信息，并將其存入檔案管控系統(tǒng)中。我的設(shè)置模塊在患者的信息出現(xiàn)變更時(shí)，可以進(jìn)行更改，更改的同時(shí)醫(yī)院檔案管控系統(tǒng)的信息也會(huì)實(shí)時(shí)更新[10]。

醫(yī)院檔案管理系統(tǒng)硬件區(qū)域的病歷統(tǒng)計(jì)管理模塊包含病歷電子化存檔、病情分析、病情種類統(tǒng)計(jì)子模塊，主要負(fù)責(zé)定期對(duì)醫(yī)院患者的就診信息進(jìn)行歸總統(tǒng)計(jì)，對(duì)一些就診出院效果好的檔案信息進(jìn)行整合，并提供給醫(yī)生進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高就診效率。病歷統(tǒng)計(jì)管理模塊也會(huì)把再次調(diào)用的信息做成電子檔案，既減少占用系統(tǒng)的空間，也將信息永久保存[11-12]。

2 醫(yī)院檔案管控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

文中基于XGBoost 算法的醫(yī)院檔案管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件部分主要包括軟件程序數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)登錄程序、Web 瀏覽器以及系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)模塊的使用。具體的檔案管控系統(tǒng)軟件區(qū)域流程如圖2 所示。

圖2 檔案管控系統(tǒng)軟件區(qū)域流程

軟件區(qū)域系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫是檔案管理系統(tǒng)的核心，只有數(shù)據(jù)庫安全性高、內(nèi)存空間大，才能保證醫(yī)院內(nèi)部患者信息的安全。軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫主要負(fù)責(zé)對(duì)檔案數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理以及建立檔案信息與各個(gè)部門之間的聯(lián)系。軟件程序設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)庫E-R圖，醫(yī)院的管理人員可以通過管理員的身份，對(duì)患者的信息進(jìn)行更改和校驗(yàn)。在檔案管控系統(tǒng)中，具體的軟件區(qū)域程序數(shù)據(jù)庫E-R 圖如圖3 所示。

圖3 軟件程序數(shù)據(jù)庫E-R圖

軟件區(qū)域的Web 瀏覽器經(jīng)過特殊的代碼加密，可以保證醫(yī)院檔案管控系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的安全性，Web 瀏覽器分為3 個(gè)瀏覽器通道，分別面向患者、醫(yī)生、管理人員，實(shí)現(xiàn)三方同時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)的操作[13]。檔案管控系統(tǒng)軟件部分的登錄頁面通過用戶掛號(hào)的手機(jī)號(hào)碼進(jìn)行注冊(cè)登錄，進(jìn)入患者可見的系統(tǒng)瀏覽器中，醫(yī)生也通過相同登錄頁面進(jìn)入醫(yī)生的登錄瀏覽器。通過軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫與硬件區(qū)域的各個(gè)模塊相互調(diào)節(jié)，進(jìn)而維護(hù)瀏覽器的運(yùn)轉(zhuǎn)，保證檔案管控系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和檔案數(shù)據(jù)的安全性[14]。

XGBoost 算法是一個(gè)優(yōu)化的分布式梯度計(jì)算集成算法，算法的思想來源于梯度提升迭代決策樹，在梯度提升迭代決策樹算法的基礎(chǔ)上增加了二階泰勒函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，由此提高了XGBoost 算法對(duì)數(shù)據(jù)檔案的分類速度與準(zhǔn)確度，具體借助以下公式完成：

其中，k為XGBoost 算法中數(shù)據(jù)的總數(shù)；yi是對(duì)數(shù)據(jù)樣本的預(yù)測(cè)值，xi是輸入檔案數(shù)據(jù)的特征量；fk代表算法第k周期的數(shù)據(jù)管控回歸值。

以上公式引入了二階泰勒函數(shù)，將初始輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)化處理，避免數(shù)據(jù)出現(xiàn)混亂，為了計(jì)算每個(gè)檔案數(shù)據(jù)的權(quán)重值，引用了目標(biāo)函數(shù)，如下所示：

其中，l(y,yi)為整合數(shù)據(jù)規(guī)范性的模型，O表示上個(gè)公式預(yù)測(cè)值和實(shí)際數(shù)據(jù)記錄值的差值，β表示正態(tài)化處理系數(shù)，用于計(jì)算數(shù)據(jù)權(quán)重后的正值，防止數(shù)據(jù)混亂。通過多次數(shù)據(jù)的疊加計(jì)算，融合式（1）和式（2），將數(shù)據(jù)的迭代樣本預(yù)測(cè)值代入損失函數(shù)，計(jì)算結(jié)果乘以正化系數(shù)，則XGBoost 算法的最終簡(jiǎn)化公式如下所示：

其中，N為算法集成樹的數(shù)量。對(duì)數(shù)據(jù)檔案進(jìn)行管控分類，建立一棵決策樹，根據(jù)式（1）對(duì)輸入的檔案數(shù)據(jù)與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，如果檢索到相同類型的病歷信息，就存儲(chǔ)在相同的存儲(chǔ)空間中，方便信息調(diào)用時(shí)的操作[15]。根據(jù)式（2）將決策樹多余的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分類，最后通過式（3）完成數(shù)據(jù)的最終管理分類[16]。

3 實(shí)驗(yàn)與研究

在實(shí)現(xiàn)以上系統(tǒng)設(shè)計(jì)操作后，對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并構(gòu)建系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)檢驗(yàn)測(cè)試。以傳統(tǒng)基于模塊優(yōu)化的管控系統(tǒng)及基于檔案分類的管控系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)對(duì)比對(duì)象，針對(duì)不同的系統(tǒng)性能進(jìn)行系統(tǒng)黑盒測(cè)試，將管控系統(tǒng)的性能數(shù)據(jù)全部收錄于程序測(cè)試空間中，將其看作一個(gè)封閉的黑盒子，在盒子內(nèi)部安裝管控監(jiān)視裝置，用于時(shí)刻檢驗(yàn)程序內(nèi)部的檔案管控狀態(tài)，并構(gòu)建系統(tǒng)測(cè)試表，如表1所示。

表1 系統(tǒng)測(cè)試表

利用管控狀態(tài)信息分辨不同空間的醫(yī)院檔案管控程度，并根據(jù)取得的管控程度結(jié)果構(gòu)建檔案管控分類精準(zhǔn)度對(duì)比圖，如圖4 所示。

圖4 檔案管控分類精準(zhǔn)度對(duì)比圖

根據(jù)圖4 可知，基于XGBoost 算法的醫(yī)院檔案管控系統(tǒng)的檔案管控分類精準(zhǔn)度高于其他兩種傳統(tǒng)管控系統(tǒng)，該結(jié)果表明，文中系統(tǒng)設(shè)計(jì)的管控效果良好，具有較強(qiáng)的操作性能。文中管控系統(tǒng)在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí)對(duì)醫(yī)院的檔案進(jìn)行初始分類處理，利用硬件的檔案?jìng)鬏斊鲗?duì)檔案進(jìn)行加密傳輸，保證了傳輸過程中的安全性。同時(shí)，該系統(tǒng)及時(shí)對(duì)外部干擾信息發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行清除操作，簡(jiǎn)化了清除流程，并加快了系統(tǒng)的內(nèi)部監(jiān)管速率，能夠及時(shí)處理與管控檔案相關(guān)度較低的無關(guān)數(shù)據(jù)，得到分類明確的檔案數(shù)據(jù)信息，提高了系統(tǒng)檔案分類能力。

為進(jìn)一步檢驗(yàn)文中管控系統(tǒng)的管控性能，設(shè)置二次系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。首先對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需求進(jìn)行分析處理，并為處理后的分析結(jié)果提供一定的數(shù)據(jù)支持，在執(zhí)行系統(tǒng)測(cè)試指令時(shí)及時(shí)安置指令信息接收器，避免因接收狀態(tài)不良而導(dǎo)致的接收失誤現(xiàn)象。構(gòu)建的系統(tǒng)指令傳輸結(jié)構(gòu)圖，如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)指令傳輸結(jié)構(gòu)圖

同時(shí)，分配此時(shí)的檔案?jìng)鬏斎蝿?wù)，按照不同的傳輸方向?qū)n案進(jìn)行集中傳輸，對(duì)比傳輸后的檔案所處安全性程度，并構(gòu)建管控安全率對(duì)比，如表2～表4所示。

表2 文中系統(tǒng)管控安全率結(jié)果表

表3 基于模塊優(yōu)化的系統(tǒng)管控安全率結(jié)果表

表4 基于檔案分類的系統(tǒng)管控安全率結(jié)果表

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果可知，文中基于XGBoost算法的醫(yī)院檔案管控系統(tǒng)的檔案管控安全率高于傳統(tǒng)系統(tǒng)，表明該系統(tǒng)的執(zhí)行力度較強(qiáng)，能夠安全地進(jìn)行檔案管控操作。造成此種差異的原因在于文中管控系統(tǒng)在進(jìn)行管控空間設(shè)計(jì)時(shí)加強(qiáng)了對(duì)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的處理力度，分配不同的處理信息，當(dāng)產(chǎn)生外界數(shù)據(jù)干擾信號(hào)時(shí)，管控系統(tǒng)將自主發(fā)射阻隔信號(hào)，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行阻隔與排除清理，保障管控的檔案的安全性。

綜上所述，文中基于XGBoost 算法的醫(yī)院檔案管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的檔案管控性能，能夠在一定程度上處理復(fù)雜的醫(yī)院檔案信息，并在龐雜的信息流中查詢精準(zhǔn)文件，能夠更好地為后續(xù)研究操作提供夯實(shí)的數(shù)據(jù)操作基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

文中首先了解醫(yī)院檔案管控系統(tǒng)的工作領(lǐng)域，借助3 個(gè)公式進(jìn)一步分析了XGBoost 算法的分類方法，然后設(shè)計(jì)構(gòu)建基于XGBoost 算法的醫(yī)院檔案管控系統(tǒng)硬件區(qū)域，分別設(shè)計(jì)了病歷文件管理模塊、個(gè)人病歷管理模塊、病歷統(tǒng)計(jì)管理模塊三大組成模塊，最后根據(jù)XGBoost 算法設(shè)計(jì)了醫(yī)院檔案管控系統(tǒng)的軟件區(qū)域。文中研究的基于XGBoost 算法的醫(yī)院檔案管控系統(tǒng)在一定程度上提高了管控系統(tǒng)的可靠性和安全性，該設(shè)計(jì)對(duì)于醫(yī)院檔案管控工作有重要意義。