一種適用于內部信息統(tǒng)籌與服務對像信息快速檢索仿真設計

王 丹，王 玫

(華中科技大學同濟醫(yī)學院 附屬同濟醫(yī)院，湖北 武漢 430030)

在我國醫(yī)療事業(yè)不斷發(fā)展的過程中，醫(yī)療信息化建設也在不斷發(fā)展。醫(yī)院經營管路模式轉變?yōu)榻洜I型、福利型，從經驗管理轉變?yōu)橐?guī)范化、科學化管理。醫(yī)院信息化重要性備受重視，為了對醫(yī)院檢驗設備、患者信息進行管理，使用各種規(guī)范表達方式使對醫(yī)院患者信息需求理解統(tǒng)一，設計更加合適的體系結構，使用最小的代價修改系統(tǒng)設計，對醫(yī)院日常工作需求、流程進行觀察。

1 信息管理的問題

醫(yī)院信息管理主要包括：(1)面向患者。主要包括患者就診信息和個人信息；(2)面向醫(yī)院內部。包括醫(yī)護人員績效、病房、藥物等內部信息統(tǒng)籌信息。目前，大部分醫(yī)院的信息統(tǒng)計管理都已經構成了完整的系統(tǒng)。

1.1 信息化建設問題

在大數據時代，各行業(yè)都實現(xiàn)了信息化建設；但醫(yī)院信息化建設對比其他行業(yè)還存在問題。(1)醫(yī)院管理層忽視信息化認知，無法在醫(yī)院開展信息化；(2)在信息化建設過程中需要硬件基礎，要投入大量的資金；但醫(yī)院經費應用到醫(yī)療設備改造與提高醫(yī)療水平，信息化硬件投入不足，在缺失的硬件基礎上使醫(yī)院統(tǒng)計信息無法達到正常水平。

1.2 信息系統(tǒng)安全隱患

在科技不斷發(fā)展的過程中，醫(yī)院統(tǒng)計信息管理過于依賴計算機網絡，方便了信息統(tǒng)計與管理，使醫(yī)院工作效率得到提高。但是，計算機網絡也存在問題，漏洞、病毒等安全隱患也同步發(fā)展。在醫(yī)院專業(yè)水平不足、信息化建設不足等前提下，醫(yī)院信息系統(tǒng)防護存在問題，醫(yī)院內部信息和患者信息都在信息系統(tǒng)中保存，假如信息系統(tǒng)存在安全隱患，會導致醫(yī)院無法開展工作，還會導致患者隱私泄露出現(xiàn)診斷錯誤等情況，對醫(yī)院發(fā)展造成影響。

1.3 缺乏專業(yè)水平

醫(yī)院統(tǒng)計信息管理都是通過醫(yī)護人員負責，統(tǒng)計信息管理所涉及的信息量比較大，醫(yī)護人員在做好本職工作外還需要大量的時間對信息管理進行統(tǒng)計，提高了醫(yī)護人員工作難度。醫(yī)護人員本職工作是服務于患者，并不是統(tǒng)計信息管理專業(yè)人員。這降低了醫(yī)院統(tǒng)計信息管理專業(yè)水平，導致統(tǒng)計信息出現(xiàn)誤差。

2 信息的快速檢索原理

針對以上問題，優(yōu)化醫(yī)院特定患者信息資源向量空間模型，創(chuàng)建特定患者信息資源檢索模型，使特定患者的信息索引詞重要程度作為聚類問題，對患者信息索引詞和用戶查詢近似度進行計算，預先設置閾值；在近似度值比閾值大的時候，檢索和特定患者信息有關，否則無關。

假如D={d1,d2,…,dN}為特定患者信息文檔；Q為醫(yī)院特定患者查詢；N為特定患者信息文檔集合文檔總數；SIM為文檔近似度系數，醫(yī)院患者信息資源檢索模型表示：

IR={D,IDF,TF,Q,SIM}

醫(yī)患信息文檔各索引詞對于內容貢獻不同，能夠使醫(yī)患信息索引詞重要程度作為聚類問題。醫(yī)患信息文檔的類間近似度IDF作為索引詞在文檔集合中導頻率，IDFi=lg(N/ni)為文檔集dj中醫(yī)患信息索引詞ki的導頻率；ni為ki出現(xiàn)的文檔數。類間近似度為醫(yī)患索引詞ki在文檔集合中di出現(xiàn)頻率；TF越大，表示此索引詞能夠將醫(yī)患信息文檔內容描述出來；TF頻率統(tǒng)一化的處理結果表示：

TFij=TFij/max{TFij，…，TFNj}IR

式中：TFij為ki出現(xiàn)在信息文檔中的頻率；使用索引詞對醫(yī)患查詢語句Q進行描述；t為醫(yī)患信息索引詞i數量，通過權重描述各索引詞，wij=TFij×IDFi為dj中ki的權重。通過以下公式對索引詞近似度進行計算：

式中：sim(q，dj)為醫(yī)患查詢q和信息文檔dj的近似度，能夠預先設置閾值φ；在sim(q，dj)≥φ的時候，醫(yī)患信息查詢和目標信息文檔相關；否則無關，得出醫(yī)患搜索主題相關文檔集。

以此表示能夠得到醫(yī)患信息資源系統(tǒng)的原理，通過上述原理檢索醫(yī)患的信息資源。

3 信息快速檢索仿真

3.1 智慧系統(tǒng)的架構

目前，我國已經進入到信息化時代，物聯(lián)網屬于促進大數據的超大規(guī)模網絡，在智能家居、生態(tài)保護、節(jié)能減排、食品安全等現(xiàn)代智能服務領域中使用。在基礎設施不斷發(fā)展的過程中，根據RFID等物聯(lián)網技術創(chuàng)建智慧醫(yī)療信息系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括信息感知層、網絡認知層和智能應用層；圖1為系統(tǒng)的架構?；?層物理體系結構，節(jié)點感知事件之后通過本地實現(xiàn)數據處理，信息利用網關在云系統(tǒng)服務器中發(fā)送。

圖1 系統(tǒng)的架構Fig.1 System architecture

(1)信息感知層：其屬于物理層，主要包括數據收集器、傳感器網絡等，使對象事件中標識符、參數等進行存儲，獲取數據并且實現(xiàn)協(xié)調、通信；

(2)網絡認知層：實現(xiàn)網絡設備、對象、云系統(tǒng)、無線、有線的連接與傳輸，將本地數據發(fā)送并且處理。另外，還能夠接收通過感知層發(fā)送的數據網關組件。通過信息感知層得到大量異構感知信息，利用網絡互連機制對感知信息進行共享和分發(fā)；

(3)智慧應用層：對非人類、人類用戶提供應用服務和程序，指定物聯(lián)網各應用過程和程序。

本文通過廣泛使用R樹索引方法快速查詢訪問數據，通過關系數據庫設計指揮醫(yī)院信息系統(tǒng)數據庫。比如空間數據集，利用數據表對空間幾何數據和相應屬性信息進行存儲，利用R樹實現(xiàn)重要屬性信息與數據的索引，以集合類型將空間對象劃分為點、線、面3種簡單實體，針對相同集合類型劃分次要主體。

設計分層劃分幾何對象集的屬性數據表與幾何數據表，幾何數據表通過集合對象唯一標志符、二進制坐標字段構成。通過屬性數據表實現(xiàn)對象唯一標識符和屬性字段的設計，利用唯一標識符連接屬性數據表和幾何數據表。

3.2 主要模塊的設計

3.2.1條碼模塊

此模塊能夠提供給標本采集人員執(zhí)行門診醫(yī)患已經付費檢驗醫(yī)囑，并且產生條碼，對條碼標簽與醫(yī)患回執(zhí)單進行打??；醫(yī)患回執(zhí)單中信息包括其基本信息、拿報告單地點與時間、檢驗項目信息等。系統(tǒng)還能夠收集醫(yī)患拍攝頭像，保存其標本信息和頭像資料；醫(yī)患作假無法查對，保證醫(yī)患利益。

3.2.2系統(tǒng)標本信息管理

此模塊能夠實現(xiàn)標本接受中心為各檢驗部門標本分發(fā)標號，對標本通過處理之后不合格標本退回與退費。

3.2.3申請檢驗單

為醫(yī)生提供根據用例圖設計的標準組合項目、單項目選擇開單與自定義組合項目，以新政策與醫(yī)院使用習慣維護各自定義組合、標準組合。在醫(yī)院為醫(yī)患開具電子申請單之后，醫(yī)生直接通過系統(tǒng)對醫(yī)患電子申請單執(zhí)行情況進行查看，還能夠查看報告單結果。針對新開展項目，醫(yī)生利用系統(tǒng)對測試項目臨床意義等信息進行查看。

3.2.4實驗室系統(tǒng)

此模塊為醫(yī)院檢驗系統(tǒng)核心部分，在用例圖中定義檢驗科操作人員處理標本接收、室內質控管理、輸入結果、打印報告單、結果審核、儀器管理、查詢統(tǒng)計、儀器保養(yǎng)記錄、儀器維修記錄等，根據類圖設計規(guī)范，系統(tǒng)各質控圖在系統(tǒng)圖中整合，以質控圖失控規(guī)則對項目是否失控進行判斷。

3.2.5條碼管理模塊

通過此模塊為護士提供醫(yī)生開具檢驗醫(yī)囑，并且產生條碼與標簽。護士以標簽中信息提示貼上試管，從而打印標本采集清單和運送清單，對標本采集時間與標本人進行確定，提示檢驗科退回的標本系統(tǒng)，護士重新打印條碼標簽，對標本直接采集。

3.3 信息檢索方法

3.3.1信息特征提取

為了提高醫(yī)患信息檢索精度，使檢索結果用戶滿意度得到提高，降低檢索時延，使用小波算法提取重癥患者信息。給定小波系數，通過模極大值在醫(yī)患信息中搜索相關系數，針對各層系數利用Barnard算法創(chuàng)建信息特征提取函數，提取醫(yī)患信息潛在和顯性的特征點，醫(yī)患信息特征提取過程為：

假設2j尺度中各個小波系數W2jf(n)是通過2j+1尺度中2p個近似信息點計算得到，能夠將原始信息中數據點變化的情況反映出來。2p指的是濾波器長度，設置2j+1尺度中與2p個近似信息數據點位置相應小波系數子系數，小波系數與子系數的關系為：

C(W2jf(n))={W2jf(n),2n≤k≤ 2n+2p-1}

式中：n為醫(yī)患信息長度；子系數將原始信息數據點變化情況充分展現(xiàn)出來，最大絕對值和原始信息變化顯著點對應。實現(xiàn)以上過程迭代，一直到2-1尺度中搜索小波系數W2-1f(n)，直接對應2p個信息數據點。在2p個信息數據點中利用Barnard算法提取醫(yī)患信息顯性特征點，提取醫(yī)院重患信息潛在特征點。

3.3.2檢索方法

根據提取的醫(yī)患信息特征，通過螢火蟲算法檢索醫(yī)患信息。在此過程中通過左深樹對螢火蟲進行編碼，在醫(yī)院重患信息庫中對最優(yōu)結果進行檢索。設置螢火蟲初始化參數，對螢火蟲各子群進行初始化。假設沒有信息檢索最優(yōu)結果，計算各子群螢火蟲適應度值，對螢火蟲進化方向進行確定。更新螢火蟲空間位置，通過域約束操作約束螢火蟲個體飛行尋優(yōu)，對子群中是否具有用戶滿意度最高螢火蟲位置進行判斷。假如存在，輸出最優(yōu)檢索結果；假如沒有，繼續(xù)尋優(yōu)。實現(xiàn)左深樹創(chuàng)建醫(yī)患信息庫空間連接操作的編碼操作，遍歷連接數，得到編碼序列。

假如螢火蟲數量為m；n為螢火蟲子群數量；各子群光強吸收系數為λ；最大吸引度因子為η；步長因子為τ，檢索空間隨機生成的螢火蟲初始位置表示為：

xij(i=1,2,...,n；j=1,2,...,m/n)

假設螢火蟲群體初始化之后具有用戶滿意度最高信息檢索結果，使其作為輸出；如果沒有，進行下一步。以上述設置的參數，通過以下公式計算各子群螢火蟲適應度值，使其作為最大熒光強度，使各子群最優(yōu)適應度值作為fbest。

式中：cost(xm)為代價最小。

通過以下公式計算各子群螢火蟲個體相對亮度，對比隸屬子群領域螢火蟲熒光亮度大小，對螢火蟲進化方向進行計算：

Iij=I0eλrij

式中：I0為第i只螢火蟲最大亮度；rij為螢火蟲i與j的距離。

對此時螢火蟲最優(yōu)值是否滿足醫(yī)患信息檢索用戶滿意度，如果滿足，輸出最優(yōu)結果；如果不滿足，繼續(xù)迭代上述過程，最優(yōu)信息檢索結果表示為：

Z(fbest)=f(xi)·xi+1·τ

式中：Z(fbest)為基于螢火蟲群的大數據處理醫(yī)患信息最優(yōu)檢索結果。

4 實驗結果分析

4.1 實驗環(huán)境

本文設計智慧醫(yī)療管理系統(tǒng)，表1為運行環(huán)境。醫(yī)院信息化發(fā)展使電子病歷代替紙質病歷，針對特殊病歷，紙質病歷尤為重要。用戶利用個人計算機或者智能手機進行實時訪問，便于使用者查詢信息。在病案室工作人員管理紙質病歷時，利用智慧醫(yī)院系統(tǒng)對信息查詢，管理紙質病歷；圖2為部分需要管理病歷查詢結果。

表1 運行環(huán)境Tab.1 Operating environment

4.2 實驗結果和分析

利用病案管理系統(tǒng)創(chuàng)建R樹模型實驗，驗證集成R樹之后系統(tǒng)性能，對比哈希索引，實現(xiàn)系統(tǒng)性能多維分析；表2為實驗參數表。

表2 實驗參數表Tab.2 Experimental parameter table

實驗相關參數配置為：物聯(lián)網設備屬于醫(yī)院收集數據基礎設施，每組設備都設置管理服務器，比如利用醫(yī)療手環(huán)對健康數據進行收集。通過數據量決定R樹大小，W為網絡帶寬資源；T為數據量；N為查詢數據量；Q為查詢復雜度；a為可用帶寬；β為任務量。為了對網絡狀態(tài)與任務量大小對R樹索引影響，此實驗是a=0、β=0(網絡空閑，任務量小),a=1、β=0(網絡繁忙，任務量小),a=0、β=1(網絡空閑，任務量大),a=1、β=1(網絡繁忙，任務量大)4種情況實驗；實驗結果如圖2～圖4所示，縱坐標為實驗次數。

圖2 a=0，β=0系統(tǒng)性能Fig.2 a=0,β=0 system performance

圖3 a=1，β=0系統(tǒng)性能Fig.3 a=1, β=0 system performance

圖4 a=0，β=1系統(tǒng)性能Fig.4 a=0, β=1 system performance

由圖2～圖4可知，在任務量比較小的時候，R樹系統(tǒng)檢索時間開始時比哈希索引慢，之后速度明顯提高，尤其是在網絡空閑時更加明顯；在任務量比較大的時候，部署R樹時的系統(tǒng)性能比哈希要優(yōu)，在網絡繁忙時優(yōu)勢更加明顯。因為R樹查找次數比較多，數據也比較多，搜索路徑比較多，對查詢響應時間造成影響。哈希表創(chuàng)建導致計算機計算性能負擔比較大，在數據量比較大的時候，運行一段時間之后會影響到系統(tǒng)性能。

5 結語

基于常規(guī)信息特征項權重計算方法，充分考慮醫(yī)患信息某特征項在各類別分布情況，利用動態(tài)變化醫(yī)患信息資源特征項向量梯度差計算適應特征權重值，保證醫(yī)患信息資源動態(tài)變化時還能夠保證良好信息區(qū)分能力。實驗結果表明，此方法在檢索時延與用戶滿意度方面比傳統(tǒng)方法要優(yōu)。針對未來發(fā)展方向，要求針對醫(yī)院不同類型醫(yī)患信息檢索研究，對研究寬度進行拓展，為此領域未來發(fā)展提供可靠支撐。