基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的醫(yī)學(xué)裝備質(zhì)控管理平臺設(shè)計

張 磊，袁鑒辭，李 靜

（南京市江寧醫(yī)院，江蘇南京 211100）

國務(wù)院辦公廳2019 年發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)三級公立醫(yī)院績效考核工作的意見》明確指出，各大公立醫(yī)院需積極開展系統(tǒng)化醫(yī)學(xué)裝備巡檢、保養(yǎng)、維護(hù)等工作，提升醫(yī)院的績效與醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量[1]。醫(yī)學(xué)裝備包含諸多重型醫(yī)療儀器，技術(shù)復(fù)雜、價格高昂，需要專門人員進(jìn)行專業(yè)化精細(xì)管理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)代信息技術(shù)日新月異，為醫(yī)學(xué)裝備的信息化管理帶來了新的設(shè)計靈感[2]，各等級醫(yī)療機(jī)構(gòu)紛紛借助信息技術(shù)提高醫(yī)學(xué)裝備質(zhì)控管理的系統(tǒng)化與精細(xì)化水平[3]。該研究以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與現(xiàn)代信息技術(shù)為手段，綜合運(yùn)用頻繁項集挖掘技術(shù)、粒子群算法、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)裝備質(zhì)控管理平臺設(shè)計，加強(qiáng)醫(yī)療設(shè)備維修效率、提高現(xiàn)代醫(yī)院的信息化管理水平。

1 醫(yī)學(xué)裝備質(zhì)控管理物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計

1.1 醫(yī)學(xué)裝備質(zhì)控管理平臺總體架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)能夠讓獨(dú)立的普通物理對象形成一個互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)，方便事物的信息共享與統(tǒng)一管理。為此基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計醫(yī)學(xué)裝備質(zhì)控管理平臺，基于B/S 模式布局網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架[4-5]，以隨時獲悉醫(yī)學(xué)裝備的實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提高醫(yī)學(xué)裝備管理與維修的智能化水平，及時把控醫(yī)學(xué)裝備的質(zhì)量應(yīng)用情況。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計的醫(yī)學(xué)裝備質(zhì)控管理平臺架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的醫(yī)學(xué)裝備質(zhì)控管理平臺架構(gòu)

該架構(gòu)中，感知層負(fù)責(zé)采集醫(yī)學(xué)裝備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)并上傳至網(wǎng)絡(luò)層，大量傳感器采集設(shè)備的基礎(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)，由于醫(yī)學(xué)裝備應(yīng)用具有分散性，為集中獲取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，在采集層集成了一體化數(shù)據(jù)采集模組，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中處理與高效率擴(kuò)展[6]；網(wǎng)絡(luò)層配備以太網(wǎng)、通信協(xié)議以及專有網(wǎng)絡(luò)，完成醫(yī)療設(shè)備使用信息的傳輸；在傳輸層進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、轉(zhuǎn)化、清洗操作，再上傳到平臺層進(jìn)行存儲和分析[7]，最后在應(yīng)用層顯示數(shù)據(jù)，方便遠(yuǎn)程醫(yī)療、維修管理、質(zhì)量監(jiān)控、預(yù)警監(jiān)測等操作進(jìn)行應(yīng)用。此外，如有新的醫(yī)學(xué)裝備添加至物聯(lián)網(wǎng)平臺時，將新設(shè)備IP地址、編號等信息輸入系統(tǒng)，并選擇對應(yīng)的型號參數(shù)配置模板[8]；平臺配備標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口與數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)了外部設(shè)備同物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)裝備平臺內(nèi)部數(shù)據(jù)的相互傳輸。

1.2 醫(yī)學(xué)裝備精細(xì)化運(yùn)營技術(shù)

在醫(yī)學(xué)裝備數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，基于頻繁事項集對醫(yī)學(xué)裝備運(yùn)營數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，獲悉醫(yī)學(xué)裝備運(yùn)行過程中的高頻狀況，為設(shè)備維修、質(zhì)量控制提供科學(xué)依據(jù)，掌控醫(yī)學(xué)裝備運(yùn)營質(zhì)量。

1）借助物聯(lián)網(wǎng)平臺采集醫(yī)學(xué)裝備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，構(gòu)建醫(yī)學(xué)裝備運(yùn)營管理事項集合X，X={Mij，1≤i≤3,j≥1}={醫(yī)學(xué)裝備型號，運(yùn)營事項，有效（無效）}[9]。其中，事項元素與事項的類別分別用i、j表示。當(dāng)醫(yī)學(xué)裝備運(yùn)營過程符合規(guī)定與常理，且有效解決了醫(yī)療問題，認(rèn)定其為“有效運(yùn)營”，反之認(rèn)定為“無效運(yùn)營”。

2）基于期望加權(quán)支持度挖掘醫(yī)學(xué)裝備運(yùn)營的頻繁項集。定義項集X在數(shù)據(jù)庫D內(nèi)的期望加權(quán)支持度為exp wSup(X)[10]，即為項集X期望支持度與其權(quán)重值的成績，如式（1）所示：

式中，k為項集X內(nèi)的項目總數(shù)；事務(wù)Tq中項集X出現(xiàn)的概率用p(X,Tq)表示；項目Ij的權(quán)重值用w(Ij)表示，w(Ij)∈(0,1]，w(X)為各項目權(quán)重的平均值。求取事項的支持度后，頻繁項集即為不小于支持度的事項，利用支持度最小值約束獲取醫(yī)學(xué)裝備運(yùn)營項目的頻繁項集，將挖掘出的頻繁項集作為醫(yī)學(xué)裝備精細(xì)化運(yùn)營的管理依據(jù)。

1.3 醫(yī)療裝備定位與監(jiān)測技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)裝備質(zhì)控管理平臺集成RFID 定位設(shè)備，負(fù)責(zé)實(shí)時采集醫(yī)療設(shè)備的定位信息、監(jiān)測使用狀態(tài)，醫(yī)療裝備定位與監(jiān)測模塊的實(shí)現(xiàn)。硬件介質(zhì)為固定的RFID 讀取器、手持RFID 信息分析器、RIFD桌面發(fā)卡終端。RFID 定位模塊以STM32 硬件為核心，由室內(nèi)外定位硬件、通信單元、顯示單元有機(jī)組成。醫(yī)療裝備定位與監(jiān)測功能的實(shí)現(xiàn)需要進(jìn)行以下設(shè)計：首先在醫(yī)療設(shè)備端安裝RFID 標(biāo)簽與RFID 遠(yuǎn)程讀寫器，射頻模塊自動識別RFID 芯片位置，RFID標(biāo)簽可發(fā)送高頻射頻信號[11]；其次，由讀寫器實(shí)時采集到位置信息及使用狀態(tài)，通過局域網(wǎng)將信息傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺。

RFID 定位設(shè)備基于粒子優(yōu)化濾波算法實(shí)現(xiàn)醫(yī)療裝備定位，具有較強(qiáng)的環(huán)境自適應(yīng)性，能準(zhǔn)確獲得醫(yī)療裝備的位置信息。RFID 定位設(shè)備通過估算待測標(biāo)簽位置來確定醫(yī)學(xué)裝備的位置信息，基于鄰近標(biāo)簽坐標(biāo)描述待測標(biāo)簽坐標(biāo)值，表達(dá)式如下：

其中，wi表示鄰近標(biāo)簽對待測標(biāo)簽坐標(biāo)定位的權(quán)值，待測標(biāo)簽坐標(biāo)與鄰近標(biāo)簽坐標(biāo)分別采用(x,y,z)、(xi,yi,zi) 表示。為了精準(zhǔn)定位故障醫(yī)療裝備所在位置，高精度估算待測標(biāo)簽的坐標(biāo)值，將RFID定位問題視為求取“待測標(biāo)簽同鄰近參考標(biāo)簽之間距離誤差最小值”的問題[12-13]，基于式（3）最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，表達(dá)式如下：

式中，Pi是待測標(biāo)簽與參考標(biāo)簽之間的歐氏距離。應(yīng)用粒子群優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)的求解，將粒子視為RFID 待測標(biāo)簽，粒子的位置則對應(yīng)待測標(biāo)簽的位置，求解目標(biāo)函數(shù)后即可得到待測標(biāo)簽同鄰近參考標(biāo)簽之間的最小距離誤差，獲得最佳的RFID位置信息并估算結(jié)果，進(jìn)而準(zhǔn)確定位醫(yī)學(xué)裝備所在位置。

醫(yī)療裝備定位與監(jiān)測模塊應(yīng)用流程如下：1）醫(yī)療裝備進(jìn)入工作區(qū)域前需經(jīng)過RFID 讀寫器讀取設(shè)備信息，同時記錄其所在位置信息；2）設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)后，定位模塊自動采集設(shè)備開機(jī)與關(guān)機(jī)信號，分別將醫(yī)療設(shè)備的狀態(tài)定義為“使用中”、“空閑”；當(dāng)醫(yī)療裝備處于需維修、保養(yǎng)等待處理狀態(tài)時，定位模塊將采集相應(yīng)的狀態(tài)信息發(fā)送至后臺，以上狀態(tài)信息可在物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)裝備質(zhì)控管理平臺后清晰查看。

1.4 醫(yī)療裝備自動巡檢技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下的醫(yī)學(xué)裝備質(zhì)控管理平臺具備工程自動巡檢功能，預(yù)設(shè)醫(yī)學(xué)裝備巡檢的時間、人員信息，平臺將自動向?qū)?yīng)醫(yī)學(xué)裝備工程師發(fā)送巡檢提醒，醫(yī)療裝備定位與監(jiān)測模塊采集的設(shè)備位置信息與狀態(tài)信息為自動巡檢提供了參考依據(jù)；同時工程師巡檢信息將安全存儲在物聯(lián)網(wǎng)平臺中，作為醫(yī)學(xué)裝備后期維修與保養(yǎng)的根據(jù)。自動化巡檢包含如下幾項功能：

1）故障自動診斷及預(yù)警。平臺基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法識別醫(yī)療裝備的故障信號，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題并進(jìn)行預(yù)警。利用高精度傳感器采集醫(yī)療裝備的電壓信號，標(biāo)簽處理后作為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法診斷的樣本數(shù)據(jù)。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷模型包含卷積層、批歸一化層、降采樣層、全連接層，模型需要學(xué)習(xí)醫(yī)療裝備故障特征后才能對當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行故障識別[14]，定義醫(yī)療裝備故障診斷訓(xùn)練集包含m個樣本、c個故障類型，{(xi,yi),…,(xm,ym)}則為訓(xùn)練集的輸入形式，對應(yīng)歸屬類別的標(biāo)簽定義為yi、xi，故障診斷樣本目標(biāo)函數(shù)如下：

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷模型的卷積層和降采樣層負(fù)責(zé)提取醫(yī)學(xué)裝備的故障特征，全連接層負(fù)責(zé)將提取的故障特征進(jìn)行映射分類，輸出醫(yī)學(xué)裝備的故障診斷結(jié)果。

2）自動報修功能。平臺的自動報修功能可一鍵實(shí)現(xiàn)，不局限于手機(jī)短信文本報修，還包括手機(jī)語音、手機(jī)圖片、微信等提醒方式。維修指令直接下達(dá)到維修團(tuán)隊負(fù)責(zé)人手中，可以自主維修的內(nèi)容內(nèi)部解決，無法自主完成的維修工作需繼續(xù)向維修商報備，并且自動生成線上信息化的維修報表、維修記錄、分析報告等內(nèi)容。

3）醫(yī)院信息共享功能。物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)裝備質(zhì)控管理平臺內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)各種醫(yī)學(xué)裝備之間的數(shù)據(jù)傳輸與共享，醫(yī)院信息管理系統(tǒng)、放射學(xué)信息系統(tǒng)、影像信息系統(tǒng)、檢驗信息系統(tǒng)之間互相聯(lián)動，實(shí)時共享各科室的醫(yī)學(xué)裝備數(shù)據(jù)；例如監(jiān)護(hù)儀、呼吸機(jī)配備醫(yī)療數(shù)據(jù)傳感器，由數(shù)據(jù)采集模組獲取設(shè)備的原始狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過通信模組上傳到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，經(jīng)過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)清洗等預(yù)處理操作[15]，并更新為當(dāng)前最新的醫(yī)療裝備信息；共享數(shù)據(jù)存儲在平臺中，自動巡檢工程師可按需提取數(shù)據(jù)，指導(dǎo)醫(yī)療裝備的維修工作。

4）巡檢數(shù)據(jù)分析功能。物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)裝備質(zhì)控管理平臺集成了移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、RFID 射頻等技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為HTTP 協(xié)議，實(shí)時采集的醫(yī)學(xué)裝備信息經(jīng)過預(yù)處理與安全認(rèn)證[16]，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集中整合各個分散的硬件設(shè)備信息，動態(tài)連接數(shù)據(jù)庫；云計算提供并行化、分布式大數(shù)據(jù)計算模型，加速醫(yī)學(xué)裝備的質(zhì)控效率；RFID 射頻技術(shù)實(shí)時定位精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)裝備的位置信息，為臨床救治爭取大量時間。

2 平臺應(yīng)用效果分析

2.1 平臺可視化界面展示

將文中設(shè)計的醫(yī)學(xué)裝備質(zhì)控管理平臺用于醫(yī)學(xué)裝備管理實(shí)踐，平臺“維修管理”功能界面如圖2 所示。采用物聯(lián)網(wǎng)信息化管理平臺取代原有的半數(shù)字化信息記錄方法（人工記錄+文檔記錄），完成全部醫(yī)學(xué)裝備的歸檔工作；利用兩個月時間對使用人員進(jìn)行醫(yī)療設(shè)備管理培訓(xùn)、對工程部技術(shù)人員實(shí)施維修培訓(xùn)；最后展開多次考核，確保相關(guān)人員已經(jīng)掌握醫(yī)學(xué)裝備質(zhì)控管理方法。該文方法投入實(shí)際應(yīng)用時長已經(jīng)超過一年，取得了顯著的精細(xì)化管理成效，使該院醫(yī)療設(shè)備質(zhì)控管理水平得到明顯優(yōu)化。

圖2 平臺“維修管理”界面

2.2 醫(yī)學(xué)裝備運(yùn)營的頻繁項集挖掘分析

以5 天內(nèi)醫(yī)學(xué)裝備運(yùn)營數(shù)據(jù)為對象進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，獲得各類型設(shè)備運(yùn)營的頻繁項集，挖掘結(jié)果皆為“有效運(yùn)用”，數(shù)據(jù)內(nèi)容如表1 所示。

表1 醫(yī)學(xué)裝備運(yùn)營醫(yī)學(xué)裝備運(yùn)營挖掘結(jié)果

分析表1 數(shù)據(jù)可知，針對各類型的醫(yī)學(xué)裝備，平臺能夠挖掘出特定時間段內(nèi)與醫(yī)學(xué)裝備關(guān)聯(lián)高的頻繁事項集，如X 射線診斷設(shè)備與“輻射安全測定與校正”事項存在高關(guān)聯(lián)，說明X 射線診斷設(shè)備在測試時間段內(nèi)高頻率的進(jìn)行了輻射安全測定與校正行為；支持度為12.40%，且該挖掘結(jié)果為有效，可以作為管理人員評價X 射線診斷設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量、設(shè)備故障原因分析的關(guān)鍵依據(jù)。

2.3 醫(yī)學(xué)裝備報修效果分析

2019 年11 月-2020 年10 月為原有方法應(yīng)用階段，2020 年11 月-2021 年10 月為該文物聯(lián)網(wǎng)平臺應(yīng)用階段。原有方法應(yīng)用階段共產(chǎn)生報修問題562次，該文方法應(yīng)用階段共產(chǎn)生報修問題422 次，報修次數(shù)顯著降低，并且該文方法應(yīng)用階段仍有新的醫(yī)療設(shè)備購入，提高了設(shè)備報修的概率，而該文方法仍然有效降低了醫(yī)學(xué)裝備報修的次數(shù)。2019 年9 月-2020 年9 月內(nèi)562 次報修中出現(xiàn)問題的次數(shù)如表2所 示，2020 年11 月-2021 年10 月 內(nèi)422 次報修中出現(xiàn)問題的次數(shù)如表3 所示。

表2 原有方法報修過程中產(chǎn)生的問題

表3 該文方法報修過程中產(chǎn)生的問題

由表2 可知，使用原有方法進(jìn)行的醫(yī)學(xué)裝備精細(xì)化管理，在報修過程中產(chǎn)生了諸多問題，例如保養(yǎng)工作不按期進(jìn)行發(fā)生42 次，出現(xiàn)35 次保養(yǎng)記錄不完善的情況；維修記錄查找困難的比重為9%；另外，維修后無人跟進(jìn)的情況時常發(fā)生，這些問題均為醫(yī)學(xué)裝備精細(xì)化管理造成了阻礙，不利于醫(yī)療設(shè)備的正常使用，甚至在很大程度上縮短了設(shè)備的使用壽命。

表3 數(shù)據(jù)顯示，使用該文方法對醫(yī)學(xué)裝備進(jìn)行精細(xì)化管理與質(zhì)控后，“保養(yǎng)不按期進(jìn)行”、“保養(yǎng)記錄不完善”的情況也由7.46%、6.21%降低至1.18%、0.95%，報修后維修人員到場不及時、維修情況無跟進(jìn)的情況僅分別出現(xiàn)了2 次、3 次。

綜合表2 與表3 的結(jié)果可知，該院應(yīng)用醫(yī)學(xué)裝備質(zhì)控管理平臺后，管理效率明顯提升、質(zhì)控效果得到顯著改善。這是因為該平臺基于物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行設(shè)計與研發(fā)，完善了醫(yī)學(xué)裝備質(zhì)控方案，設(shè)計了醫(yī)療裝備定位與監(jiān)測模塊、自動巡檢模塊動態(tài)掌握最新的設(shè)備狀態(tài)與位置信息，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)問題時會立即上報至平臺，維修人員獲知后能及時對報修、保養(yǎng)、維護(hù)等事宜進(jìn)行處理，所以不按期保養(yǎng)、維修人員到場不及時等問題較少出現(xiàn)，醫(yī)學(xué)裝備質(zhì)量監(jiān)測與控制水平顯著提升。該醫(yī)學(xué)裝備精細(xì)化管理方案對于強(qiáng)化醫(yī)療設(shè)備質(zhì)量控制效果、節(jié)約醫(yī)療資源大有裨益。

3 結(jié)論

該研究基于物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)代信息技術(shù)研發(fā)了醫(yī)學(xué)裝備質(zhì)控管理平臺，以增強(qiáng)設(shè)備使用的安全性能、延長設(shè)備使用壽命。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用將全院的醫(yī)療設(shè)備聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，平臺使用了大量傳感器采集設(shè)備基礎(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)對醫(yī)學(xué)裝備運(yùn)營高頻事項進(jìn)行挖掘，醫(yī)療裝備定位與監(jiān)測模塊基于粒子優(yōu)化濾波算法精準(zhǔn)計算醫(yī)療裝備的定位信息，自動巡檢模塊利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷裝備故障，有利于管理人員第一時間了解醫(yī)學(xué)裝備的故障情況，并及時獲知各裝備詳細(xì)的定位信息。

總體而言，該文以物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)代信息技術(shù)為手段完善醫(yī)學(xué)裝備的質(zhì)控管理工作，提高醫(yī)學(xué)裝備質(zhì)量管理與控制水平，努力延長高昂醫(yī)療設(shè)備的服役年限，有助于實(shí)現(xiàn)社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的最大化。