基于復(fù)合云模型的急救綠色通道評估系統(tǒng)設(shè)計

黃青

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院，湖北 武漢 430000)

0 引言

急救綠色通道將時間作為第一概念，目的是在最短、最快的時間內(nèi)讓患者得到有效救治?？茖W(xué)、規(guī)范的急救應(yīng)急綠色通道可充分展現(xiàn)快速、高效的醫(yī)療內(nèi)涵，對挽救突發(fā)性創(chuàng)傷急診患者的生命具有重要意義[1-3]。急救綠色通道在醫(yī)療體制中具有重要作用，其質(zhì)量的評估一直是社會與政府關(guān)注的重點。1995年李德毅提出了一種云模型，并對該模型進行了實驗驗證。當(dāng)前該正態(tài)云模型已逐漸演變?yōu)橐环N理論健全的認知模型，并具有較強普遍性。因此為有效保障急救綠色通道暢通無阻，本文有效耦合Shannon熵權(quán)和云模型評估急救綠色通道質(zhì)量，提升急救綠色通道的質(zhì)量評估準確性，體現(xiàn)急救綠色通道在醫(yī)學(xué)中應(yīng)用價值[4]。

1 急救綠色通道質(zhì)量評估系統(tǒng)設(shè)計

1.1 云模型簡介

上個世紀末，中國工程院院士李德毅提出了處理定性概念與定量描述的云模型的概念，云是一種可以描述某個定性概念與定量表述之間不確定性轉(zhuǎn)換的模型。至今，云模型已經(jīng)應(yīng)用到智能控制領(lǐng)域、數(shù)據(jù)挖掘中的預(yù)測領(lǐng)域、系統(tǒng)綜合評估領(lǐng)域等眾多領(lǐng)域，其種類包括半云模型、組合云模型、多維云模型等，本文運用的是復(fù)合云模型。將一個空間上任意的定量論域設(shè)為U，D為U上的空間模糊性概念，x為U中的元素，x∈U。為描述U中元素x的定性程度，將x映射至[0,1]區(qū)間，獲取隸屬度μ(x)∈[0,1]。將上述過程中定性概念D從論域U到隸屬度區(qū)間的映射分布過程稱為云(Cloud)的定義,其中每個(x,u)均表示一個云滴(Drop)，每個云滴中均含有現(xiàn)狀值x和x相對于定性概念D的隸屬度u，便于采用具體的數(shù)值衡量相對模糊的概念。

采用MATLAB軟件生成云滴，形成云。利用云的厚度和邊界等形態(tài)特征值側(cè)面展現(xiàn)定性概念D的重要程度[5]。一個云包含期望Px、熵Pn和超熵He3個特征值，分別如下。

期望Px表示最典型的量化定性概念，表示云滴形成后，定性化概念D與空間U的中心值。

熵Pn用于度量模糊概念D的隨機性，是通過不確定性和模糊性共同確定的特征值，其中論域隨著熵值的增大而增大，熵越大表示云滴離散程度越強。云滴分布符合正態(tài)分布特征，通常情況下，云滴的取值區(qū)間為[-3Pn,3Pn]。

超熵He用于度量熵的不確定性，是通過熵的隨機性和模糊性共同確定。論域U上概念云滴凝聚性(云的厚度)可用超熵衡量。熵越大表明云厚度越大，其隸屬度的可取值區(qū)間就越大[6]。

云隸屬度的計算可通過式(1)實現(xiàn)。

(1)

云滴每形成一次，就完成一次定性到定量的隨機映射，云滴形成次數(shù)不斷增加，云特征就會增加，模糊概念D所表達的定性概念代表性就會增強[7]。生成云的算法可用云發(fā)生器表示，按照云的產(chǎn)生機理和方向可將云發(fā)生器分成4類，如圖1所示。

圖1 云發(fā)生器種類

在這些云發(fā)生器里邊，應(yīng)用最為廣泛的是正向云發(fā)生器以及逆向云發(fā)生器。正向云發(fā)生器由云的數(shù)字特征(Px,Pn,He)產(chǎn)生云滴，是一種可實現(xiàn)定性概念到定量值的轉(zhuǎn)換模型；逆向云發(fā)生器可將一定數(shù)量的精確數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以數(shù)字特征(Px,Pn,He)表示的定性概念，是一種可實現(xiàn)定量值到定性概念的轉(zhuǎn)換模型。盡管正向云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器兩者的發(fā)生方式完全相反，但作用都不可忽視。

1.2 急救綠色通道質(zhì)量評估流程

基于復(fù)合云模型的急救綠色通道評估系統(tǒng)評估流程如圖2所示。首先構(gòu)建急救綠色通道質(zhì)量評估指標體系，在此基礎(chǔ)上建立急救綠色通道質(zhì)量評估標準和評語云模型，通過評語云模型可按照急救綠色通道質(zhì)量評估標準判斷其急救能力符合要求的程度,然后計算急救綠色通道質(zhì)量評估指標的評估云和質(zhì)量評估指標權(quán)重，最后利用復(fù)合云模型綜合評估獲取急救綠色通道質(zhì)量評估云，將其與評語云模型對比得到最終急救綠色通道質(zhì)量評估結(jié)果。

圖2 基于復(fù)合云模型的急救綠色通道質(zhì)量評估流程

1.3 建立評估指標體系

基于急救綠色通道醫(yī)療特點，根據(jù)系統(tǒng)性、科學(xué)性以及可比性理念，選取急救預(yù)備能力、急救準備能力、急救響應(yīng)能力和急救恢復(fù)能力這4項一級指標建立急救綠色通道的質(zhì)量評估體系[8-9]，該4項一級指標下共有二級指標15項。急救綠色通道的評估指標體系如圖3所示。

圖3 急救綠色通道質(zhì)量評估指標體系

2 硬件設(shè)計

硬件是本文基于復(fù)合云模型的急救綠色通道評估系統(tǒng)的重要組成部分，從急救能力的指標來看，急救綠色通道質(zhì)量評估系統(tǒng)的急救能力值穩(wěn)定，因此可用普通PC服務(wù)器來完成系統(tǒng)承載，在保證急救能力數(shù)據(jù)準確的同時，還需要提高急救能力數(shù)據(jù)的處理效率。綜合考慮，系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 硬件組成結(jié)構(gòu)

硬件的組成部分包括操作終端、WWW服務(wù)器、功能服務(wù)器和虛擬化軟件層虛擬機。操作終端主要是提供可視化界面，與WWW服務(wù)器之間采用安全套接字通信。WWW服務(wù)器包括2臺普通PC服務(wù)器，為質(zhì)量評估系統(tǒng)的前端模塊，使用Java語言編寫，為用戶提供質(zhì)量評估系統(tǒng)的Web界面。功能服務(wù)器亦采用主備方式，處理數(shù)據(jù)請求。其中的VMM通過分割時間、空間和模擬，能夠?qū)⒎?wù)器虛擬化，抽象成一個服務(wù)器硬件環(huán)境虛擬機，使物理資源轉(zhuǎn)變?yōu)榭蛇壿嫻芾淼馁Y源，打破物理結(jié)構(gòu)壁壘，使上層操作系統(tǒng)直接運行在虛擬環(huán)境中，加速頁面響應(yīng)時間。通過將服務(wù)器虛擬化，能夠提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合，確保系統(tǒng)運行的連續(xù)性。

3 軟件設(shè)計

軟件的設(shè)計主要是為了更好地控制硬件并完成需要，硬件、內(nèi)核子系統(tǒng)和應(yīng)用程序之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 軟件與硬件關(guān)系

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件的設(shè)計主要是實現(xiàn)芯片對系統(tǒng)外圍電路的控制，完成對數(shù)據(jù)進行存儲和處理的工作。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件的設(shè)計是整個系統(tǒng)的核心部分，軟件設(shè)計后芯片將成為整個系統(tǒng)的控制和處理中樞。結(jié)合上文系統(tǒng)設(shè)計的硬件部分，本系統(tǒng)通過完成控制的外圍電路有模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、人機交互模塊中的液晶顯示電路和按鍵控制電路、與計算機串行通信電路。本系統(tǒng)在軟件設(shè)計時采用了自頂向下的設(shè)計方法，利用硬件描述語言，在軟件上實現(xiàn)了內(nèi)部模塊中的各個功能子模塊的設(shè)計，完成了對應(yīng)功能的實現(xiàn)。本系統(tǒng)軟件設(shè)計的各功能子模塊及它們之間的連接示意圖如圖6所示。

圖6 軟件設(shè)計框圖

本系統(tǒng)軟件設(shè)計中內(nèi)部子模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換控制器模塊、數(shù)據(jù)處理器模塊、存儲器模塊、串行通信控制器模塊和液晶顯示控制器模塊。5個功能子模塊在系統(tǒng)時鐘信號的協(xié)調(diào)下有序地工作，從而實現(xiàn)一個完整的控制及處理系統(tǒng)。

4 評估標準

在急救綠色通道質(zhì)量評估系統(tǒng)的硬件與軟件的設(shè)計基礎(chǔ)上，需要對復(fù)合云模型進行評估，以便更好地連接評估系統(tǒng)，最終實現(xiàn)基于復(fù)合云模型的急救綠色通道評估系統(tǒng)設(shè)計。

4.1 評語云模型

遵循醫(yī)療體制急救綠色通道急救能力的符合要求程度，將急救綠色通道的質(zhì)量和二級指標在[0,10]的分值論域上劃分成5個評估等級。Ⅰ級表示完全不符合；Ⅱ級表示大部分不符合；Ⅲ表示基本符合；Ⅳ級表示大部分符合；Ⅴ表示完全符合[10]。利用分值區(qū)間衡量各個評估等級的分值，分值越大表示急救綠色通道的質(zhì)量與評估因子間的符合要求程度越高，指標的等級分值區(qū)間可視為一個雙邊約束空間[cmin,cmax]，用于全面考慮并適當(dāng)擴展約束空間的額邊界模糊性和隨機性[11-13]。各個等級的概念云模型的期望Px、熵Pn和超熵He3個特征值的計算由轉(zhuǎn)換區(qū)間函數(shù)與正態(tài)云模型的關(guān)系式實現(xiàn)，如式(2)。

(2)

其中，k表示常數(shù)，能遵循變量的穩(wěn)定性和實際情況實施隨機整改。針對單邊界線的等級取值范圍，如[cmin,+∞]或[-∞,cmax]，需要先計算其期望值或缺省邊界參數(shù)，然后采用式(2)進行計算。

各等級的評估標準以及對應(yīng)評語云模型如表1所示。

表1 評估標準以及對應(yīng)評語云模型

4.2 二級指標評估云

邀請若干名專家利用表1所示的評估標準，對圖3所示的急救綠色通道的評估指標體系中的15項二級指標進行分值評估[14]，并采用逆向云發(fā)生器獲取一級指標Wi下的第j項二級因子的評估云Pxij、Pnij、Heij。

4.3 指標權(quán)重計算方法

采用熵權(quán)法計算評估體系的指標權(quán)重?？陀^條件下，評估體系指標權(quán)重的確定采用評估值所形成的判斷矩陣實現(xiàn)，具體流程如下。

(1)選取評估對象m個以及評估因子n個，形成特征值矩陣X=(xij)n×m,i=1,2,…,n;j=1,2,…,m。

(2)為獲取相對優(yōu)屬度矩陣B=(bij)n×m，將特征值矩陣X實施處理。

評估因子數(shù)值越大越好時存在式(3)。

(3)

評估因子數(shù)值越小越好時存在式(4)。

(4)

其中,sup(xij)、inf(xij)分別用于描述處于同一評估因子下的不同評估對象指標值xij中的上確界和下確界。

(3)遵循Shannon熵定義，評估因子的熵如式(5)、式(6)。

(5)

(6)

式中，Hi表示第i個評估指標的Shannon熵值。

(4)則第i個評估因子的Shannon熵權(quán)為式(7)。

(7)

其中，ωi表示權(quán)重。

4.4 基于復(fù)合云模型的綜合評估

基于急救綠色通道質(zhì)量評估指標體系中的各二級指標的相對獨立特性，采用虛擬云中的浮動云算法，獲取一級指標Wi符合云模型(Pxi、Pni、Hei)，如式(8)。

(8)

其中，Pxi，Pni，Hei分別為評估因子復(fù)合云模型的3個特征值參數(shù)；ωij，mi分別表示二級評估因子的權(quán)重值、一級指標Wi的二級評估因子數(shù)目。

采用綜合云算法將低層次概念上升至高層次概念，將多個一級指標的云模型匯集成一個具有廣義的云，得到急救綠色通道質(zhì)量云模型(Px、Pn、He)，即最高層指標的質(zhì)量評估結(jié)果W。如式(9)。

(9)

其中，ωi,n分別表示一級指標Wi的權(quán)重值、一級指標數(shù)目。

采用正向云發(fā)生器，分別仿真顯示急救綠色通道質(zhì)量評估云模型(Px、Pn、He)和表1所示的評語云模型，并進行比較，便可評估出急救綠色通道質(zhì)量所屬質(zhì)量等級[15]。

5 實例分析

為驗證本文系統(tǒng)在綠色通道質(zhì)量評估中的應(yīng)用效果，以江蘇省某大型醫(yī)院進行急救綠色通道質(zhì)量評估的應(yīng)用為例。邀請5位資深專家組成質(zhì)量評估小組，對圖3所示的急救綠色通道質(zhì)量評估指標體系的二級指標進行分值評估，并計算獲取指標評估云模型和各指標權(quán)重，結(jié)果如表2所示。

表2 二級評估指標的評估云和權(quán)重

采用本文系統(tǒng)匯集二級評估因子后獲取的評估因子虛擬云結(jié)果如表3所示。

分析表2 數(shù)據(jù)可知，急救預(yù)備能力W1、急救準備能力W2、急救響應(yīng)能立W3、急救恢復(fù)能力W4的權(quán)重值大小分別為0.276、0.277、0.390、0.072。將表3所示的一級指標評估云利用綜合云算法實施概念上升，獲取急救綠色通道質(zhì)量評估復(fù)合云模型為(7.37,0.88,0.29)。

表3 一級評估因子的評估云

將急救綠色通道質(zhì)量評估云以及表1中所示的5個評語云模型，根據(jù)正向云發(fā)生器算法進行仿真顯示。結(jié)果如圖7所示。

(a)評語云云滴分布情況

分析圖7可知，本文系統(tǒng)獲取的急救綠色通道評估結(jié)果即評估云云滴的分布情況，處于評語云Ⅲ級和Ⅳ級間更靠近Ⅳ級的位置。因此可得出，該急救綠色通道質(zhì)量評估結(jié)果大部分符合要求，體現(xiàn)出該急救綠色通道具有較高的醫(yī)學(xué)應(yīng)用價值。而且從圖中還可直觀看出質(zhì)量評估結(jié)果在評語云中的分布情況，相較于評語云，評估云的離散化程度更高，表明由專家組成的評估小組對各指標的理解存在差異性。綜上分析可知，本文評估模型的質(zhì)量評估結(jié)果較好，同時還可以分析評估因子以及評估過程存在的不確定性，可為醫(yī)療急救綠色通道管理提供切實有效的指導(dǎo)意見。

6 總結(jié)

高質(zhì)量的急救綠色通道不但可以體現(xiàn)醫(yī)療系統(tǒng)的科研以及管理水平還可為病人贏得更加寶貴的搶救時間，為此本文結(jié)合Shannon熵和云模型設(shè)計了基于復(fù)合云模型的急救綠色通道評估系統(tǒng)，以對醫(yī)療系統(tǒng)的急救綠色通道進行質(zhì)量評估，有效利用Shannon熵計算指標權(quán)重值，可降低主觀因素對質(zhì)量評估結(jié)果的影響，使急救綠色通道的質(zhì)量評估結(jié)果更加準確；利用云模型，充分考慮評估因子即評估過程中存在的隨機性和模糊性，實現(xiàn)急救綠色通道的質(zhì)量的高效率評估。