物聯(lián)網(wǎng)下大型醫(yī)學(xué)裝備運行數(shù)據(jù)的探索與挖掘

張堅，金忠新，沈懿明

1 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟醫(yī)院，上海市，200126 2 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院，上海市，200010

1 物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發(fā)展階段。其英文名稱是：“Internet of Things（IoT）”。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。這有兩層意思：其一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò)；其二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信，也就是物物相息。物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術(shù)與計算技術(shù)等通信感知技術(shù)，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的融合中，也因此被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。

在技術(shù)上，物聯(lián)網(wǎng)通過各種信息傳感設(shè)備，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程等各種需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成一個巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是實現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識別、管理和控制。因此物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用拓展，與其說物聯(lián)網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)，不如說物聯(lián)網(wǎng)是業(yè)務(wù)和應(yīng)用。

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中有三項關(guān)鍵技術(shù)：

（1）傳感器技術(shù)：這也是計算機應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)。大家都知道，到目前為止絕大部分計算機處理的都是數(shù)字信號。自從有計算機以來就需要傳感器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，計算機才能處理。

（2）RFID等標(biāo)簽：也是一種傳感器技術(shù)，RFID技術(shù)是融合了無線射頻技術(shù)和嵌入式技術(shù)為一體的綜合技術(shù)，RFID在自動識別、物品物流管理方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

（3）嵌入式系統(tǒng)技術(shù)：是綜合了計算機軟硬件、傳感器技術(shù)、集成電路技術(shù)、電子應(yīng)用技術(shù)為一體的復(fù)雜技術(shù)。經(jīng)過幾十年的演變，以嵌入式系統(tǒng)為特征的智能終端產(chǎn)品隨處可見；小到人們身邊的MP3，大到航天航空的衛(wèi)星系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)正在改變著人們的生活，推動著工業(yè)生產(chǎn)以及國防工業(yè)的發(fā)展。如果把物聯(lián)網(wǎng)用人體做一個簡單比喻，傳感器相當(dāng)于人的眼睛、鼻子、皮膚等感官，網(wǎng)絡(luò)就是用來傳遞信息的神經(jīng)系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)則是人的大腦，在接收到信息后要進行分類處理。這個例子很形象地描述了傳感器、嵌入式系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中的位置與作用。

2 大型醫(yī)學(xué)裝備的特點及其管理現(xiàn)狀

對于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)而言，大型醫(yī)學(xué)裝備是醫(yī)院現(xiàn)代化的一個非常重要的標(biāo)志，并且在很大程度上決定著醫(yī)院的診療水平和醫(yī)療技術(shù)發(fā)展。經(jīng)過改革開放近四十年的發(fā)展，大量尖端、先進的醫(yī)學(xué)裝備不斷引進，成為醫(yī)療診治過程中必不可少的重要工具，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)前對于我國絕大多數(shù)醫(yī)院而言，在醫(yī)療設(shè)備中，大型醫(yī)學(xué)裝備資產(chǎn)的比率占據(jù)了醫(yī)院總固定資產(chǎn)的大部分。依照統(tǒng)計，一些大型醫(yī)院的占比率已經(jīng)高達50%到70%。如何保證大型醫(yī)學(xué)裝備的完好率，保證其在診斷和臨床使用過程的安全和正常運行，提高在用大型醫(yī)學(xué)裝備的開機率和使用率，減少設(shè)備故障，最大限度地控制維修費用，降低維修成本，增加醫(yī)院的經(jīng)濟效益和社會效益，成為新時代醫(yī)療設(shè)備科學(xué)化管理面臨的重要問題。

但是，大型醫(yī)學(xué)裝備往往是高科技產(chǎn)品，任何一類設(shè)備都涉及到很多學(xué)科，包含很多最新的技術(shù)成果，可以說是一系列高新技術(shù)的綜合體。例如：醫(yī)院中常配置的電子計算機斷層掃描設(shè)備（CT）就集合了電子技術(shù)、計算機技術(shù)、X射線技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)、新材料技術(shù)和傳感器技術(shù)等一系列高新科技。如何管好用好這類大型醫(yī)學(xué)裝備，一直以來都是醫(yī)院設(shè)備管理當(dāng)中不斷探索的課題。

根據(jù)我們的調(diào)查和統(tǒng)計，在大型醫(yī)學(xué)裝備管理中， 100%的醫(yī)院都在做數(shù)據(jù)監(jiān)控，但是數(shù)據(jù)來源標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的只有4%，95%以上以手工統(tǒng)計為主。相關(guān)數(shù)據(jù)通過手工方式記錄到電子表格中，記錄的內(nèi)容只能是簡單的幾個“傳統(tǒng)”項目。這些傳統(tǒng)手段無法實現(xiàn)對高新科技產(chǎn)品的監(jiān)控，無法實時獲取設(shè)備的各項關(guān)鍵參數(shù)，不但耗費較大的工作量，也拖延了信息的反饋速度，而且不能充分利用設(shè)備。

另外，我們的調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，相當(dāng)多的醫(yī)院大型醫(yī)學(xué)裝備的功能使用很不充分。以CT為例，目前高端CT的功能有近50種，但是有95%的CT設(shè)備，日常使用到的功能不超過10種。常用的檢查功能中前五種的使用次數(shù)占了總使用量的90%以上。這在一定程度上造成了醫(yī)療資源的浪費（見圖1）。

圖1 有關(guān)“CT常用功能”的調(diào)研結(jié)果Fig.1 The survey result of ‘most useful features of CT’

3 利用物聯(lián)網(wǎng)獲取大型醫(yī)學(xué)裝備運行數(shù)據(jù)的探索

隨著近年來物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)在大型醫(yī)學(xué)裝備行業(yè)的逐步普及，主要設(shè)備廠商對醫(yī)用大型設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的運用迅速發(fā)展，借助物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)，實現(xiàn)大型醫(yī)學(xué)裝備底層數(shù)據(jù)的實時采集，通過進一步的算法分析以及數(shù)據(jù)挖掘，可以實現(xiàn)對裝備的即時狀態(tài)監(jiān)測，獲得使用效率、故障情況等數(shù)據(jù)。但是，對于物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)而言，如何保證數(shù)據(jù)安全是我們必須考慮的問題。在項目的研究過程中，我們做了兩輪專家訪談，其中80%的專家認為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)學(xué)裝備領(lǐng)域的應(yīng)用是發(fā)展趨勢，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將給醫(yī)學(xué)裝備的管理帶來有效手段，但是有13%的專家持謹(jǐn)慎態(tài)度，數(shù)據(jù)安全成為大家顧慮的重點，值得深入探討（見圖2）。

圖2 有關(guān)“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)學(xué)裝備領(lǐng)域的應(yīng)用”的調(diào)研結(jié)果Fig.2 The survey result of ‘IoT technology application on medical equipment’

因此，為了盡可能降低數(shù)據(jù)安全的風(fēng)險，在探索利用物聯(lián)網(wǎng)獲取大型醫(yī)學(xué)裝備運行數(shù)據(jù)時我們采取了以下的措施：①與國際一流設(shè)備廠商及其資深系統(tǒng)開發(fā)商合作。如前面所述，大型醫(yī)學(xué)裝備是高新科技的集合體，需要相當(dāng)長時間的技術(shù)積累和研發(fā)投入。國際大型設(shè)備廠商的產(chǎn)品具備一定的技術(shù)優(yōu)勢，尤其是在設(shè)備自身的智能化方面更是引領(lǐng)著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向。同時他們的設(shè)備面向全球各地的客戶，經(jīng)過了各國的安全標(biāo)準(zhǔn)考驗。②在物聯(lián)網(wǎng)連接和數(shù)據(jù)存儲上，采用院內(nèi)私有云的方案與國際大型設(shè)備廠商的安全連接方案相結(jié)合的方式，避免將重要數(shù)據(jù)傳輸給第三方服務(wù)提供商。

具體而言，從研究內(nèi)容上，我們從四個方面對利用物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)獲取大型醫(yī)學(xué)裝備相關(guān)數(shù)據(jù)進行了探索：

（1）對大型醫(yī)學(xué)裝備的運營數(shù)據(jù)的研究。通過基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對醫(yī)用大型設(shè)備的運行數(shù)據(jù)進行采集，結(jié)合具體使用場景，對采集的數(shù)據(jù)進行量化分析，得到包括使用時長、掃描次數(shù)、平均使用率等評價指標(biāo)，實現(xiàn)對設(shè)備的運營精細化管理。

（2）對醫(yī)用大型設(shè)備運行質(zhì)量的監(jiān)測。通過基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能傳感器等采集醫(yī)用大型設(shè)備關(guān)鍵部件的運行參數(shù)，進而對設(shè)備質(zhì)量和安全控制提供直接的數(shù)據(jù)支持。

（3）對醫(yī)用大型設(shè)備功能利用的監(jiān)測與分析。我們對采集的數(shù)據(jù)進行量化分析，從中得到包括掃描線圈和序列以及是否增強掃描等參數(shù)，進而可分析醫(yī)用大型設(shè)備的特殊功能使用的效率效益。

（4）基于上述研究，從區(qū)域衛(wèi)生經(jīng)濟學(xué)的高度，對醫(yī)用大型設(shè)備的配置提供科學(xué)決策依據(jù)。

在研究方法上，我們主要采用了專家訪談，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段采集數(shù)據(jù)，建立模型，深入分析等方式。

通過深入學(xué)習(xí)國家新頒布的《醫(yī)療器械使用質(zhì)量監(jiān)督管理辦法》（國家食品藥品監(jiān)督管理總局令第18號）等法規(guī)，結(jié)合醫(yī)院對于大型醫(yī)用設(shè)備使用及數(shù)據(jù)采集需求，依托臨床、技術(shù)、管理專家，采用定性研究方法中的專家深度訪談及小組訪談的方法，訪談市級醫(yī)院和高等院校專家。專家覆蓋上海市范圍的各系統(tǒng)三級甲等綜合性、?？菩葬t(yī)院臨床、醫(yī)學(xué)裝備管理、醫(yī)學(xué)工程技術(shù)專家和高等院校臨床、醫(yī)工等專業(yè)的專家教授。同時，訪談醫(yī)學(xué)裝備相關(guān)行政管理人員，從區(qū)域衛(wèi)生經(jīng)濟學(xué)的高度、行政管理以及政策管理的角度征詢專家的意見。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對大型醫(yī)用設(shè)備（例如CT）進行數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計和分析并建立統(tǒng)計模型，并與院內(nèi)相應(yīng)系統(tǒng)集成，從而更全方位地獲得各項數(shù)據(jù)，實時地獲取設(shè)備的各方面信息，實現(xiàn)對大型醫(yī)學(xué)裝備動態(tài)地進行使用評估和技術(shù)評估。同時對目前基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的區(qū)域大型醫(yī)用設(shè)備使用云數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用，從區(qū)域衛(wèi)生經(jīng)濟學(xué)的高度，對醫(yī)用大型設(shè)備的配置提供科學(xué)決策依據(jù)。

4 對物聯(lián)網(wǎng)獲取大型醫(yī)學(xué)裝備運行數(shù)據(jù)的分析和挖掘

4.1 數(shù)學(xué)模型

對于大型設(shè)備的數(shù)據(jù)監(jiān)控我們主要考慮三方面因素：使用率、功能利用率、開機率。基于以上數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)挖掘分析建立數(shù)學(xué)模型：

決策系數(shù)=使用率+功能利用率+開機率=3（理論值）：

使用率=使用時長（方法×平均時長）/額定工作時長：

功能利用率=使用功能數(shù)/總功能數(shù)：

開機率=1-宕機時長/開機時長：

4.2 模型建立

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對大型醫(yī)用設(shè)備（例如：CT）進行數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計和分析并建立統(tǒng)計模型，研究目前基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大型醫(yī)用設(shè)備使用數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用。以提取的CT數(shù)據(jù)為例的模型說明如下。

4.2.1 運營監(jiān)控

從采集的數(shù)據(jù)中解析設(shè)備的使用量、使用規(guī)律等使用情況，基于使用情況的監(jiān)控提出建議。

例如：對于CT不同時段的使用情況數(shù)據(jù)(見圖3)，我們可以看出：

（1）工作日掃描次數(shù)平均每天134.2次，周末為每天81.7次。工作日比周末高61%。

（2）工作日上午使用次數(shù)占全天的近77%，下午占23%。

（3）工作日的中午12：00—12：30，下午4：30以后，CT的使用量很低。

圖3 CT不同時段的使用情況統(tǒng)計Fig.3 Statistics of CT Usage on different time slot

由此，我們可以對使用科室提出如下建議：

優(yōu)化病人掃描的時間，使上、下午安排的病人量更均衡。將非緊急的掃描盡量安排在下午，例如某些住院病人，非緊急的預(yù)約病人更多地安排在下午3點以后。這樣不但可以減少上午單位時間段的檢查量，進而減少設(shè)備的采購數(shù)量，降低成本，也可以縮短病人的現(xiàn)場等候時間，提高患者的滿意度，實現(xiàn)醫(yī)院、科室和病人的多贏。

CT的掃描次數(shù)，從圖4CT總掃描次數(shù)中可見該CT在2017年9月25日到2018年4月19日期間共掃描了20 538次。

從CT設(shè)備日掃描次數(shù)中可以看出，掃描次數(shù)較少的是周六，而周日和節(jié)假日的掃描數(shù)量為0。日掃描次數(shù)在2018年1月和2月中有明顯地下降，3月后開始恢復(fù)到正常水平。

圖4 CT總掃描次數(shù)Fig.4 Total scan time of CT

從掃描次數(shù)的數(shù)據(jù)監(jiān)控中，我們可及時掌握設(shè)備關(guān)鍵部件的運行狀況，對這些部件的保養(yǎng)及更換做出準(zhǔn)確的預(yù)測。同時建議設(shè)備廠商可以將設(shè)備的維護時間主要安排在掃描次數(shù)較低的時間段。

CT使用規(guī)律，從圖5統(tǒng)計中可以看出，周三的平均掃描次數(shù)比其他四個工作日高出10%，周六的平均掃描次數(shù)是工作日的60%。

圖5 CT按周統(tǒng)計的使用規(guī)律Fig.5 Statistics of CT usage on daily base

為達到設(shè)備使用時間的均衡分配，減少每周中期的設(shè)備使用壓力，建議使用科室在確定病人預(yù)約時間時，向周初期或周末期有所傾斜。

4.2.2 功能利用

CT運行數(shù)據(jù)中Protocol表示掃描功能編號，解析設(shè)備在使用過程中不同Protocol的使用數(shù)量，每種Protocol頻次可以統(tǒng)計分析該設(shè)備在功能利用的情況（見圖6）。

圖6 CT運營數(shù)據(jù)統(tǒng)計Fig.6 CT image performance data analysis

從圖6統(tǒng)計中可以看出：

（1）該CT在統(tǒng)計時間段內(nèi)總共使用了26種掃描功能；

（2）使用頻率最高的是#5.14號功能，占總掃描次數(shù)的64%；

（3）排名前五的這五項功能占總掃描次數(shù)的97%。

由此，我們可以結(jié)合使用科室或醫(yī)院的專長，在采購時突出設(shè)備的專項功能，不需要讓每臺設(shè)備都具備全部功能，從而削減在非常用功能模塊上的支出。

另外，通過對不同Protocol的使用頻次及平均時長統(tǒng)計分析，可以幫助使用科室了解掃描的效率，分析某些掃描耗時過長的原因，從而提高技師的操作一致性。

4.2.3 運行質(zhì)量

例如通過數(shù)據(jù)解析可以看到意外宕機的情況，查找意外宕機的原因，從而分析造成該現(xiàn)象的原因是設(shè)備質(zhì)量問題還是操作不規(guī)范造成 (見圖7) 。

圖7 CT運行質(zhì)量統(tǒng)計Fig.7 CT System quality data analysis

從圖7統(tǒng)計中可以看出：

（1）在半年的時間內(nèi)，共開關(guān)機17次，其中有3次（約20%）持續(xù)設(shè)備工作超過了3周，連續(xù)長時間不關(guān)機可能對設(shè)備的壽命帶來一定的影響；

（2）在統(tǒng)計期間，有5次非正常關(guān)機（約29%），原因分別是設(shè)備斷電和服務(wù)異常終止。

因此，我們可以給出如下建議：

（1）超過一定時間不關(guān)機需要強制重啟設(shè)備以延長壽命，因此要求操作人員一周至少關(guān)機一次；

（2）針對非正常關(guān)機的原因，需要及時通知廠商進行處理，防患于未然。

通過對這些數(shù)據(jù)的采集、分析，我們可以更清晰地了解設(shè)備的各項重要參數(shù)以及使用情況，從而對大型醫(yī)學(xué)裝備進行更全面的使用評估和技術(shù)評估。這種精細化的數(shù)據(jù)采集和管理方法，將對今后我們從區(qū)域衛(wèi)生經(jīng)濟學(xué)的高度統(tǒng)籌配置大型設(shè)備提供強有力的科學(xué)決策依據(jù)。

5 前瞻與展望

在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為全球關(guān)注和技術(shù)投入的重要領(lǐng)域。隨著物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)與大型醫(yī)學(xué)裝備更具深度及廣度的結(jié)合，必然會為設(shè)備的精細化管理打下更堅實的基礎(chǔ)，從而使我們能夠更精準(zhǔn)、安全地運營設(shè)備，更科學(xué)、高效地進行醫(yī)院決策及管理，更周到、全面地為病患服務(wù)，提升醫(yī)院的社會效益與經(jīng)濟效益，達到多方共贏的良好局面。