5G+AI輔助決策移動(dòng)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

高 標(biāo)

（安徽醫(yī)科大學(xué)附屬安慶第一人民醫(yī)院，安徽 安慶 246000）

隨著醫(yī)療信息化水平不斷提高，信息化建設(shè)的完善對(duì)實(shí)現(xiàn)“健康中國 2030”具有重要作用。在醫(yī)院的信息化建設(shè)中，心電圖的全程數(shù)字化管理是醫(yī)院建立完整電子病歷管理的必要組成部分，從單機(jī)心電工作站打印紙質(zhì)心電報(bào)告到全院心電網(wǎng)絡(luò)的普及，目前患者已無須單獨(dú)去心電圖室即可在床邊完成心電檢查，真正踐行了“信息多跑路，患者少跑腿”的理念[1]。但現(xiàn)有無線Wi-Fi 組網(wǎng)的心電網(wǎng)絡(luò)難以克服帶寬低、延遲高且穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。由于心電圖診斷在臨床診療中非常重要且患者多、工作量大，增加了心電診斷工作壓力和診斷失誤率，因此建立一個(gè)基于穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并具備高帶寬、低時(shí)延以及人工智能輔助決策的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)十分必要。5G 不僅是4G 網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)簡(jiǎn)單延伸，還是一個(gè)真正意義上的融合網(wǎng)絡(luò)。將5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于醫(yī)院臨床信息化系統(tǒng)建設(shè)，能有效提高診斷效率、減少看病花費(fèi)的時(shí)間[2]。基于此，在“5G+人工智能+全院心電”的新模式下，一種智能化、高效化且有AI 輔助決策的全院心電網(wǎng)絡(luò)才能面向未來，滿足人民健康的發(fā)展需求。

1 需求分析

傳統(tǒng)的心電檢查需要患者單獨(dú)前往心電圖室取號(hào)、排隊(duì)、做檢查、等報(bào)告等，給特殊、行動(dòng)不便和急診患者帶來極大不便。由于傳統(tǒng)心電圖機(jī)單機(jī)無法接入醫(yī)院信息系統(tǒng)，心電信息孤島給臨床診療帶來了阻礙，增加了患者就診時(shí)間，加大了臨床診療成本，并且也無數(shù)字輸出接口，只能采用掃描的方式將心電圖波形以圖片的方式保存，無法實(shí)現(xiàn)全院調(diào)閱。因此需要更智能的數(shù)據(jù)傳輸方式來提升數(shù)據(jù)傳輸效率，以便在心電業(yè)務(wù)信息化管理平臺(tái)上進(jìn)行網(wǎng)上申請(qǐng)、預(yù)約和登記，滿足實(shí)時(shí)在線診斷、網(wǎng)上傳輸報(bào)告以及遠(yuǎn)程會(huì)診、示教等需求。同時(shí)還需要解決長期以來困擾醫(yī)院心電圖資料無法有效保存的難題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)和統(tǒng)一管理[3]。因此，面向醫(yī)院可持續(xù)發(fā)展的智能化、數(shù)字化、輕便化且可靠的全院心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是必不可少的。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 5G-Advanced 超級(jí)時(shí)頻折疊技術(shù)

醫(yī)院病房環(huán)境中的醫(yī)療器械多、物理阻斷多，會(huì)影響本文構(gòu)建的5G+心電系統(tǒng)/網(wǎng)絡(luò)承載/“5G 無線接入網(wǎng)+傳輸網(wǎng)+核心網(wǎng)”環(huán)節(jié)中的“5G 無線接入網(wǎng)”性能[4]。頻分雙工（FDD）具備超低時(shí)延和全時(shí)上、下行優(yōu)勢(shì)，時(shí)分雙工（TDD）具備超高帶寬和連續(xù)頻譜優(yōu)勢(shì)。但是FDD 帶寬相對(duì)較小，頻譜也是分離的，TDD 雖然具備超高帶寬，但時(shí)延卻達(dá)不到業(yè)務(wù)環(huán)境要求。

本文構(gòu)建的超低時(shí)延、超高帶寬的5G 網(wǎng)絡(luò)+移動(dòng)心電系統(tǒng)運(yùn)用超級(jí)時(shí)頻折疊技術(shù)，解決了5G無線接入網(wǎng)絡(luò)空口環(huán)境復(fù)雜、TDD/FDD 時(shí)延和帶寬各有局限等因素導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)性能不足問題。集中了TDD 和FDD 的優(yōu)勢(shì)，具有超高帶寬、超低時(shí)延、高可靠和大上行能力。在實(shí)際運(yùn)用中，與傳統(tǒng)5G 無線接入相比，本文系統(tǒng)運(yùn)用的5G-Advanced超級(jí)時(shí)頻折疊技術(shù)可將上行體驗(yàn)提高到1Gbit/s 以上，時(shí)延降至4ms 以內(nèi)，可靠性也得到了提高。

2.2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在心電監(jiān)護(hù)輔助決策方面的應(yīng)用

本文系統(tǒng)將BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Back Propagation）應(yīng)用于心電輔助診斷中。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)能力，其原理是模擬人類神經(jīng)元傳輸、存儲(chǔ)和處理信息的過程，是一種智能化、具有自主學(xué)習(xí)能力的信息處理方法。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自主學(xué)習(xí)是一個(gè)輸出誤差并反向傳播修正權(quán)值的過程。從本質(zhì)上看，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種反向傳播修正權(quán)值、多次訓(xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，可以通過訓(xùn)練和學(xué)習(xí)過程來修改網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值，使輸入和預(yù)想輸出達(dá)到收斂狀態(tài)。神經(jīng)元模型如圖1所示。

圖1 神經(jīng)元模型

當(dāng)一組標(biāo)準(zhǔn)化后的心電數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)樣本從輸入層輸入網(wǎng)絡(luò)后，神經(jīng)元的激活值開始從輸入層經(jīng)隱含層向輸出層傳遞，各神經(jīng)元在輸出層獲得輸入響應(yīng)。然后根據(jù)減少目標(biāo)，反向從輸出層經(jīng)隱含層再到輸入層，一層一層修正權(quán)值，正是這種反向誤差不停地進(jìn)行修正，使網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入模式響應(yīng)的正確率不斷提高。BP 神經(jīng)絡(luò)訓(xùn)練示意圖如圖2所示。

圖2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練示意圖

最后，實(shí)現(xiàn)向模型隨機(jī)輸入一組心電監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)后均能輸出準(zhǔn)確診斷的目標(biāo)，以輔助臨床決策。

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在輔助決策方面的優(yōu)勢(shì)如下。1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有容錯(cuò)處理能力。醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜，核醫(yī)學(xué)、加強(qiáng)CT 和鍋爐房等科室產(chǎn)生的噪聲對(duì)信息傳輸?shù)耐暾杂休^大影響，在傳輸過程中經(jīng)常出現(xiàn)信息失真、丟失不完整的情況。而BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只需部分信息特征，便可通過訓(xùn)練輸出準(zhǔn)確的心電診斷類型。2）BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)能力。經(jīng)過大量心電檢測(cè)數(shù)據(jù)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型不但可以迅速、準(zhǔn)確地做出識(shí)別并輔助臨床診斷進(jìn)行決策，而且不斷地進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)后，基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輔助決策心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)越用越智能[6]。3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有極高的執(zhí)行效率。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是統(tǒng)一的整體，各神經(jīng)元間的工作方式本質(zhì)上就是權(quán)值的傳遞過程，權(quán)值傳遞的同時(shí)即完成了信息存儲(chǔ)。

2.3 系統(tǒng)構(gòu)建

本文系統(tǒng)針對(duì)安慶某醫(yī)院一地三院區(qū)的特殊情況，在網(wǎng)絡(luò)承載部分設(shè)計(jì)了“5G 無線接入網(wǎng)+傳輸網(wǎng)+核心網(wǎng)”的模式，通過5G-Advanced 無線設(shè)備將門診、急診、病房的心電檢查移動(dòng)終端進(jìn)行5G 接入。心電檢查移動(dòng)終端輕便可移動(dòng)，不受地理因素影響，如圖3所示。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用Android 12 平臺(tái)，具備開放性好、穩(wěn)定性好及后期維護(hù)成本低的優(yōu)點(diǎn)，通過院內(nèi)5G 傳輸網(wǎng)，將3 個(gè)院區(qū)的心電監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)整合到同一平臺(tái)。門診、急診和住院心電檢查等數(shù)據(jù)傳送至院內(nèi)心電中心服務(wù)器，可通過數(shù)據(jù)接口與醫(yī)院HIS 信息系統(tǒng)、CIS 醫(yī)生站、EMR 系統(tǒng)等信息進(jìn)行雙向交互，實(shí)時(shí)獲取患者基本信息、醫(yī)囑信息以及心電報(bào)告的發(fā)布和歸檔，解決心電類檢查的信息孤島問題。同時(shí)可優(yōu)化院內(nèi)、外業(yè)務(wù)流程，與院內(nèi)心電診斷中心互聯(lián)，實(shí)時(shí)獲取、診斷并發(fā)布患者心電數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

圖3 心電檢查移動(dòng)終端

圖4 基于5G 網(wǎng)絡(luò)的AI 輔助決策移動(dòng)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案示意圖

全院3 個(gè)院區(qū)心電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)依托底層服務(wù)器架構(gòu)，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)采用的SQL Server 數(shù)據(jù)庫與Windows平臺(tái)具有更好的兼容性，數(shù)據(jù)安全部分采用雙機(jī)熱備容災(zāi)處理，存儲(chǔ)部分采用NATAPP 方案。本文系統(tǒng)與院內(nèi)HIS信息系統(tǒng)、CIS 系統(tǒng)、PACS 系統(tǒng)和排隊(duì)分診叫號(hào)等系統(tǒng)對(duì)接，可實(shí)時(shí)獲取患者遺囑及門診處方信息，將心電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成HL-aECG、SCP、MFER 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行導(dǎo)聯(lián)糾錯(cuò)、阿托品試驗(yàn)和多圖重組等處理，然后通過數(shù)據(jù)接口與院內(nèi)醫(yī)療系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，使院內(nèi)心電診斷中心與中心服務(wù)器可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可實(shí)現(xiàn)發(fā)布患者心電診療診斷報(bào)告、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、調(diào)閱與共享、信息獲取、心電檢查、心電處理以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能[7]。系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 技術(shù)架構(gòu)示意圖

3 應(yīng)用效果

安慶某醫(yī)院床邊移動(dòng)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)自2022年12月上線以來，采用5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸，依托5G 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了患者基本信息/醫(yī)囑信息獲取/心電圖數(shù)據(jù)發(fā)送、信息歸檔以及報(bào)告發(fā)布功能，與傳統(tǒng)無線路由組相比，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、網(wǎng)故障率顯著減少，故障保修情況見表1。同比2022年，2023年1月—3月網(wǎng)絡(luò)問題（包括斷網(wǎng)、卡頓、信號(hào)差和網(wǎng)速慢等）報(bào)修平均減少115.4%，如圖6所示。

表1 故障保修數(shù)（件）

圖6 故障報(bào)修

與2022年同期比較，2023年1月—3月門診和體檢患者的處方開具和心電報(bào)告發(fā)布完成的數(shù)據(jù)顯示，患者心電檢查平均用時(shí)（見表2）比傳統(tǒng)心電檢查平均用時(shí)減少26.7min，如圖7所示。

表2 患者心電檢查用時(shí)（min）

圖7 患者心電檢查用時(shí)

基于AI 人工智能輔助決策算法的心電網(wǎng)絡(luò)依托神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法高效、準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，使工作人員只需審核、發(fā)布心電報(bào)告并處理異常報(bào)警心電檢查數(shù)據(jù)，平均每小時(shí)診斷人次見表3。與心電檢查人工核對(duì)信息、書寫報(bào)告、審核報(bào)告、發(fā)布報(bào)告、歸檔報(bào)告等傳統(tǒng)流程相比，工作效率同比提高67.1%，如圖8所示。

表3 醫(yī)生平均診斷人次（人/h）

圖8 診斷效率

4 結(jié)論

依托5G-Advanced 超級(jí)時(shí)頻折疊技術(shù)超低時(shí)延、超高帶寬的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)借助BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法較強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)能力、極高的執(zhí)行效率，基于5G+AI 輔助決策的移動(dòng)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)提供了高效、智能的全院心電解決方案，解決了傳統(tǒng)方案無法長期保存，只能采用掃描以圖片保存的難題，實(shí)現(xiàn)了多院區(qū)心電數(shù)據(jù)的集中儲(chǔ)存和統(tǒng)一管理，方便醫(yī)生比較歷史心電圖數(shù)據(jù)，更好地觀察病情，提升醫(yī)療水平的同時(shí)降低了心電系統(tǒng)故障報(bào)修率，減少了患者排隊(duì)等待時(shí)間，提高了診療效率。