基于超聲病歷的數(shù)據(jù)庫管理與分析系統(tǒng)

張勇，魯曉，羅燕

四川大學(xué)華西醫(yī)院超聲醫(yī)學(xué)科，四川成都610041

前言

目前國內(nèi)外主流的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)大體包括超聲成像、CT成像、MRI成像和X光射線成像。超聲在醫(yī)學(xué)中的重要作用在于它不但可以穿透人體，而且可以與身體組織相互作用。X 射線通過人體時(shí)只發(fā)生衰減，而超聲波穿過人體則還可以經(jīng)過折射和反射作用。這可發(fā)生在超聲波經(jīng)過的任何界面上，就如同光束經(jīng)過一個(gè)非均勻物質(zhì)一樣。在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的超聲波是一種縱波，它的傳播速度比X 光要慢很多，從而使傳播時(shí)間容易測量，如脈沖回波法的應(yīng)用。超聲波的波長很短，非常有利于窄脈沖波束的實(shí)現(xiàn)，因此聲源可以做得小而緊湊。超聲波的這些特性，以及現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，使得超聲成為最常用的醫(yī)學(xué)診斷設(shè)備之一。與其他成像技術(shù)相比，超聲成像具有無創(chuàng)、無痛、無放射線損傷、快速、準(zhǔn)確、便捷、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，是臨床最常用的檢查方式之一，是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的主要組成部分之一，為臨床診斷提供重要依據(jù)。隨著超聲就診量的增加，超聲病歷數(shù)據(jù)的有效管理顯得尤為重要［1‐4］。同時(shí)，單純的超聲診斷結(jié)果還不能全面地反映病人情況，還需與電子病歷、實(shí)驗(yàn)室檢查結(jié)果、其他影像診斷、病理檢查結(jié)果等相關(guān)信息結(jié)合起來整體評(píng)估，這對(duì)于超聲科醫(yī)生的臨床工作和科研工作具有重大意義，也增加了超聲病歷數(shù)據(jù)管理的難度［5‐6］。部分超聲病歷管理系統(tǒng)沒有提供數(shù)據(jù)分析功能，還需借助其他數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析［7‐8］。目前大多數(shù)醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)多采用專業(yè)化的SPSS、SAS軟件，應(yīng)用時(shí)需要把相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，且這些專業(yè)化軟件很難掌握，操作流程復(fù)雜，而實(shí)際超聲常用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法并不多，因此，一套適用于超聲病歷數(shù)據(jù)庫管理和分析的綜合系統(tǒng)能滿足超聲科醫(yī)生的實(shí)際工作需要。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

超聲病歷數(shù)據(jù)庫管理與分析系統(tǒng)主要由安裝有病歷管理系統(tǒng)與分析軟件的計(jì)算機(jī)、醫(yī)生和各個(gè)學(xué)生組構(gòu)成。配備科室服務(wù)器，則可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源共享，能實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶終端的病歷數(shù)據(jù)共享［9‐10］。同時(shí)，目前醫(yī)院的HIS系統(tǒng)通常配備有各類數(shù)據(jù)的檢索及調(diào)用接口，可以設(shè)計(jì)相應(yīng)數(shù)據(jù)調(diào)用接口，從醫(yī)院HIS 系統(tǒng)中直接調(diào)取病人的相關(guān)就診信息及各類檢查結(jié)果信息并導(dǎo)入超聲病歷管理系統(tǒng)［11‐13］。這樣就能實(shí)現(xiàn)從多個(gè)方面評(píng)估病人。通常能導(dǎo)出的相關(guān)數(shù)據(jù)包括基本信息、實(shí)驗(yàn)室檢查結(jié)果、其他影像數(shù)據(jù)、手術(shù)信息、病理檢查結(jié)果等。超聲病歷管理及分析系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 超聲病歷管理與分析系統(tǒng)框圖Fig.1 Ultrasonic medical record management and analysis system block diagram

醫(yī)生及各學(xué)生組把日常工作中所感興趣的病歷信息提取下來，錄入超聲病歷數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，通過系統(tǒng)管理軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史存入病歷信息的查詢、統(tǒng)計(jì)分析等相關(guān)操作，充分利用數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢，極大地提高病歷研究及科研的效率。

1.1 數(shù)據(jù)庫選擇

由于醫(yī)院的超聲系統(tǒng)以及醫(yī)院其他臨床應(yīng)用系統(tǒng)的各類數(shù)據(jù)的類別都有精確的標(biāo)準(zhǔn)，這種類別的數(shù)據(jù)特別吻合關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的使用場景。關(guān)系數(shù)據(jù)庫，是建立在關(guān)系模型基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)庫，借助于集合代數(shù)等數(shù)學(xué)概念和方法來處理數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。現(xiàn)實(shí)世界中的各種實(shí)體之間的聯(lián)系均用關(guān)系模型來表示。關(guān)系模型就是指二維表格模型，因此一個(gè)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫就是由二維表及其之間的聯(lián)系組成的一個(gè)數(shù)據(jù)組織。當(dāng)前主流的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫有Microsoft SQL Server、MySQL、Oracle 等。超聲病歷數(shù)據(jù)庫管理與分析系統(tǒng)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫相比于非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫擁有眾多優(yōu)勢：易用性、適合分布式組織的可伸縮性、可用于決策支持的數(shù)據(jù)倉庫功能、與許多其他服務(wù)器軟件緊密關(guān)聯(lián)的集成性、保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性、可進(jìn)行復(fù)雜查詢、通用化、技術(shù)成熟、良好的性價(jià)比。系統(tǒng)同時(shí)支持Microsoft 開發(fā)的SQL Server和Oracle 旗下的MySQL 兩種典型的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫［14‐16］，充分利用兩種數(shù)據(jù)庫分別在數(shù)據(jù)管理、開源方面的優(yōu)勢。

1.2 系統(tǒng)環(huán)境

本系統(tǒng)軟件主要基于C#語言來進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。C#的身上集成了C++、Ⅴisual Basic、Delphi、Java 等語言的優(yōu)點(diǎn)［17‐18］。C#具有多個(gè)特點(diǎn)：完全面向?qū)ο笳Z言、強(qiáng)大的.NET 類庫支持、對(duì)Web 開發(fā)的支持、對(duì)泛型的支持等。C#的窗體應(yīng)用程序大量運(yùn)用在可視化應(yīng)用程序開發(fā)方面。Ⅴisual C#編譯完成后可生成可執(zhí)行文件，直接拷貝可執(zhí)行文件到其他電腦即可運(yùn)行。軟件支持常見Win7、Win10 等系統(tǒng)。同時(shí)系統(tǒng)只需要有2G 及以上的內(nèi)存，以及數(shù)據(jù)庫相關(guān)環(huán)境的配置即可實(shí)現(xiàn)軟件運(yùn)行。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測試驗(yàn)證

超聲病歷管理與分析系統(tǒng)的主要功能框圖如圖2所示。系統(tǒng)主要包含3 部分：系統(tǒng)設(shè)置、基礎(chǔ)查詢、統(tǒng)計(jì)分析。

2.1 系統(tǒng)設(shè)置

圖2 系統(tǒng)功能框圖Fig.2 System function block diagram

“系統(tǒng)設(shè)置”部分包含添加病歷、數(shù)據(jù)庫選擇、幫助文檔。“添加病歷”可以通過“單個(gè)病歷添加”和“批量導(dǎo)入病歷”兩種方式。“單個(gè)病歷添加”可實(shí)現(xiàn)對(duì)目前已有字段的數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯輸入。例如，病人的“姓名”、“性別”、“年齡”、“檢查號(hào)”、“住院號(hào)”、“超聲診斷”、“病理”的直接數(shù)據(jù)輸入。如果需要新增數(shù)據(jù)字段，則可通過“添加數(shù)據(jù)類”功能新增字段及相應(yīng)數(shù)據(jù)?！芭繉?dǎo)入病歷”則可實(shí)現(xiàn)對(duì)病歷數(shù)據(jù)通過Excel表格的方式批量導(dǎo)入，只需要保證表格的列名與數(shù)據(jù)庫的字段名一致，這樣能方便多個(gè)數(shù)據(jù)收集端的多個(gè)病歷數(shù)據(jù)一次性導(dǎo)入?！皢蝹€(gè)病歷添加”的軟件界面如圖3所示。“數(shù)據(jù)庫選擇”是計(jì)算機(jī)安裝的數(shù)據(jù)庫的選擇，包括“SQL Server”和“MySQL”兩種數(shù)據(jù)庫，可進(jìn)行靈活選擇。“幫助文檔”為系統(tǒng)的使用說明書，包含系統(tǒng)各部分的使用操作說明。

圖3 病歷導(dǎo)入界面Fig.3 Medical record import interface

2.2 基礎(chǔ)查詢

“基礎(chǔ)查詢”部分是對(duì)數(shù)據(jù)庫中的感興趣病歷的查詢及編輯。主要包括“查詢條件設(shè)置”和“病歷顯示及編輯”兩個(gè)部分。“查詢條件設(shè)置”部分會(huì)列出病歷數(shù)據(jù)庫中所有的數(shù)據(jù)字段名作為“查詢項(xiàng)目”，“查詢條件”中列出“=”、“＞”、“＞=”、“＜”、“＜=”、“l(fā)ike”、“not like”等查詢條件，能滿足所有的查詢需求。通過“邏輯與”和“邏輯或”的邏輯關(guān)系，能組成多個(gè)查詢條件的邏輯組合，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的查詢?！安v顯示及編輯”區(qū)域顯示查詢到的病例數(shù)及各自的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)庫右鍵可以查看該病歷的超聲檢查圖庫，也可以對(duì)病歷進(jìn)行更新、刪除等操作。通過“病歷導(dǎo)出”功能，可實(shí)現(xiàn)查詢結(jié)果區(qū)域的病歷導(dǎo)出到Excel，可用于其他病歷研究。右鍵菜單和“基礎(chǔ)查詢”軟件界面如圖4所示。

圖4 基礎(chǔ)查詢軟件界面Fig.4 Basic query software interface

2.3 統(tǒng)計(jì)分析

“統(tǒng)計(jì)分析”部分可對(duì)數(shù)據(jù)庫中的病歷數(shù)據(jù)直接實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析，從而避免在數(shù)據(jù)庫管理軟件拷貝數(shù)據(jù)出來再使用其他數(shù)據(jù)分析軟件（如SAS、SPSS）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，同時(shí)也簡化了使用流程?！敖y(tǒng)計(jì)分析”的查詢條件編輯、查看圖庫、導(dǎo)出數(shù)據(jù)功能與“基礎(chǔ)查詢”類似?！敖y(tǒng)計(jì)分析”還包括“定性數(shù)據(jù)分析”、“定量數(shù)據(jù)分析”、“相關(guān)性分析”、“邏輯回歸分析”幾大部分［19‐20］。

“定性數(shù)據(jù)分析”主要對(duì)文字描述類數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)鍵詞統(tǒng)計(jì)分類查詢。在查詢結(jié)果界面選擇感興趣的列數(shù)據(jù)后點(diǎn)擊右鍵，選擇“定性數(shù)據(jù)分析”，可配置多個(gè)關(guān)鍵詞，配置完成后點(diǎn)擊“確定”即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該數(shù)據(jù)列包含各關(guān)鍵詞的病歷數(shù)統(tǒng)計(jì)和百分比計(jì)算，并通過餅圖的方式進(jìn)行直觀顯示。例如，選擇“肝臟背景”為待分析的列數(shù)據(jù)，總共設(shè)置“均勻”、“肝損害”、“肝硬化”、“其他”4 個(gè)關(guān)鍵詞，軟件在完成該列數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析后，列出了各個(gè)關(guān)鍵詞的病歷數(shù)，百分比、餅圖同時(shí)顯示。定性數(shù)據(jù)分析便于直觀地顯示列數(shù)據(jù)中包含各關(guān)鍵詞的病歷數(shù)情況，如圖5所示。

“定量數(shù)據(jù)分析”主要對(duì)數(shù)字類數(shù)據(jù)進(jìn)行定量計(jì)算分析。在查詢結(jié)果界面選擇感興趣的列數(shù)據(jù)后點(diǎn)擊右鍵，選擇“定量數(shù)據(jù)分析”。軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算出該列數(shù)據(jù)的定量計(jì)算結(jié)果。包括均值、中位數(shù)、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、極差、偏度、峰度以及原始數(shù)據(jù)和遞增數(shù)據(jù)的直觀顯示。均值：所有數(shù)據(jù)之和除以數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)（數(shù)學(xué)性質(zhì)優(yōu)良）；中位數(shù)：把數(shù)據(jù)按從小到大排列后處于中間位置的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)總數(shù)為奇數(shù)n，則中位數(shù)是第（n+1）/2 個(gè)觀測值，如果數(shù)據(jù)總數(shù)為偶數(shù)n，則中位數(shù)是第n/2 和第（n+2）/2 的平均值，可見均值有著不受極端值影響的優(yōu)點(diǎn)；方差：是一組數(shù)據(jù)離散程度的度量，用該組數(shù)據(jù)中各數(shù)據(jù)值與其算術(shù)平均數(shù)離差平方的平均數(shù)，反映的是各數(shù)據(jù)量與算術(shù)平均值的偏離程度；標(biāo)準(zhǔn)差：方差的平方根；變異系數(shù)（離散系數(shù)）：標(biāo)準(zhǔn)差與其相應(yīng)的均值之比；極差：數(shù)據(jù)的最大值與最小值之差；偏度：描述數(shù)據(jù)分布對(duì)稱性的統(tǒng)計(jì)量，如果偏度等于0，則其數(shù)據(jù)分布的對(duì)稱性與正態(tài)分布相同，如果偏度大于0，則其分布為正偏或右偏，即在峰的右邊有大的偏差值，使右邊出現(xiàn)一個(gè)拖得較遠(yuǎn)的尾巴，如果偏度小于0，則為負(fù)偏或左偏，即在峰的左邊有較大的偏差值，使左邊出現(xiàn)一個(gè)拖得較遠(yuǎn)的尾巴；峰度：描述某變量所有取值的分布形態(tài)陡緩程度的統(tǒng)計(jì)量，如果峰度等于0，其數(shù)據(jù)分布的陡緩程度與正態(tài)分布相同，峰度大于0，其數(shù)據(jù)分布比正態(tài)分布更陡峭，峰度小于0，其數(shù)據(jù)分布比正態(tài)分布更平坦。定量數(shù)據(jù)分析的軟件界面如圖6所示。

圖5 定性數(shù)據(jù)分析Fig.5 Qualitative data analysis

圖6 定量數(shù)據(jù)分析Fig.6 Quantitative data analysis

“相關(guān)性分析”：對(duì)兩個(gè)或多個(gè)具備相關(guān)性的變量元素進(jìn)行分析，從而衡量兩個(gè)變量因素的相關(guān)密切程度。在查詢結(jié)果界面點(diǎn)擊右鍵，選擇“相關(guān)性分析”，分別配置自變量（X）與應(yīng)變量（Y）后，軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算出兩個(gè)變量之間的相關(guān)系數(shù)、列出回歸方程并繪制回歸曲線。相關(guān)系數(shù)越接近1 表示變量之間的相關(guān)性越大?！跋嚓P(guān)性分析”的軟件界面如圖7所示。

“邏輯回歸分析”：邏輯回歸常用于研究應(yīng)變量為二分類的概率型非線性回歸方法。邏輯回歸又稱logistic 回歸分析，是一種廣義的線性回歸分析模型，常用于數(shù)據(jù)挖掘、疾病自動(dòng)診斷、經(jīng)濟(jì)預(yù)測等領(lǐng)域。邏輯回歸從本質(zhì)來說屬于二分類問題。在查詢結(jié)果界面點(diǎn)擊右鍵，選擇“邏輯回歸分析”，分別配置應(yīng)變量（Y）、自變量（X1），若選擇三元邏輯回歸，則還有自變量（X2），并各自分配其0和1兩種狀態(tài)，通常0代表陰性，1 代表陽性，配置完成后，軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算出截距、回歸系數(shù)等結(jié)果，并對(duì)結(jié)果做出簡要解釋。邏輯回歸分析的軟件界面，如圖8所示。

圖7 相關(guān)性分析Fig.7 Correlation analysis

圖8 邏輯回歸分析Fig.8 Logistic regression analysis

3 結(jié)論

超聲病歷數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)種類眾多、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)分散等特點(diǎn)，病人病情的評(píng)估還需綜合醫(yī)院的電子病歷、實(shí)驗(yàn)室檢查、病理檢查等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，這使得傳統(tǒng)的病歷管理方式不太適用。通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，超聲病歷數(shù)據(jù)庫管理與分析系統(tǒng)具有幾個(gè)主要特點(diǎn)：（1）可視化：系統(tǒng)采用C#窗體應(yīng)用程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件界面操作簡單易懂，對(duì)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果采用餅圖、曲線圖等顯示方式，直觀可讀。（2）通用性：系統(tǒng)支持多種電腦系統(tǒng)，對(duì)于電腦配置要求低，同時(shí)支持SQL Server和MySQL兩種數(shù)據(jù)庫，具有通用性。（3）可編輯性：對(duì)于病歷數(shù)據(jù)的字段可增加、刪除；對(duì)于病歷數(shù)據(jù)的內(nèi)容可增加、更新、刪除；對(duì)于查詢條件可復(fù)雜組合。（4）綜合性：系統(tǒng)把數(shù)據(jù)的管理與數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)合到一起，避免了醫(yī)生在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與其他數(shù)據(jù)分析軟件來回拷貝數(shù)據(jù)，也簡化了數(shù)據(jù)分析的使用流程，是一個(gè)綜合性系統(tǒng)。

超聲病歷數(shù)據(jù)庫管理與分析系統(tǒng)基于超聲病歷數(shù)據(jù)，提供了實(shí)驗(yàn)室檢查、病理檢查等其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)的擴(kuò)展接口，運(yùn)用SQL Server、MySQL 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及Ⅴisual C#窗體應(yīng)用技術(shù)，結(jié)合了SAS 和SPSS 中的常用數(shù)據(jù)分析功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超聲病歷數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理與數(shù)據(jù)分析，使得超聲科醫(yī)生對(duì)于病歷數(shù)據(jù)庫的管理分析及相關(guān)課題研究效率提升50%以上。本系統(tǒng)有助于提升醫(yī)生在醫(yī)學(xué)、科研、教學(xué)等方面的工作效率，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。