基于二進制排班算法的血液透析中心管理系統的設計與實施*

許 源，張俊杰，楊 藝，胡 珊，劉 燕

(中山大學中山醫學院生物醫學工程系，廣東 廣州 510080)

隨著飲食生活習慣和生活環境的變化，我國腎功能損害的患者正逐年增加，有報道稱“我國成年人中每10人就有1人患有慢性腎臟病，全國有超過300 萬青少年患有慢性腎臟病，每年以13％的速度增長”[1]。在腎功能障礙的治療中血液透析是一種最為普遍的治療方式，但由于需要透析的人數多，透析機器種類繁雜，數據統計收集量大，大大地增加了血液透析中心醫務工作者的工作強度。依托廣州市紅十字會醫院血液透析中心的醫療環境和合作需求，本文開發出一套能夠改善透析中心工作效率，減少醫生工作量的網絡化前端應用系統。

1 系統設計

1.1 系統需求分析與功能模塊規劃

廣州市紅十字會醫院血液透析中心固定患者人數約為200余名，該中心每周需進行一次周透析機排班與病人數據統計等事務性工作。由于以往排班均為人工操作，數據均為人工記錄，工作量繁重，同時很多臨床數據因不便于收集而無法二次利用。因此，新建系統要求包括以下幾方面的主要業務需求：

1)可方便地收集病人基本信息以及各類臨床透析數據；

2)可錄入病人每周的評估信息；

3)對系統管理的所有病人信息可進行查詢與統計；

4)根據病人以及透析機的實際情況進行智能排班，并提供打印本周排班情況表；

5)軟件可布設于醫生工作站以及透析室的管理工作站。

根據血液透析中心信息系統的業務需求，該系統功能模塊結構圖設計如圖1所示，共分為6個功能模塊。

圖1 血液透析系統功能模塊圖

1)病人基本信息管理。包括病人基本信息的錄入，病人臨床信息的錄入，病人排班信息錄入以及病人信息的增刪改查。

2)病人評估信息管理。可以按批次添加病人的評估信息。并在數據圖表中進行數據的統計。其中nPcr、Kt/v等數據均由后臺算法自動產生。

3)病人透析信息管理。該功能可為病人添加透析記錄，醫生可在數據字典中調整透析信息錄入中的用藥信息以及病人狀態，如透析液、抗凝劑等，以滿足不同醫院的需求。同時在管理每次透析記錄時能為每次透析記錄添加多次監測記錄，方便醫生護士記錄下詳細的透析過程。

4)病人數據統計管理。該功能主要是根據各類不同條件搜尋相應的數據后生成統計圖表。可根據病人基本信息，病人評估信息，病人透析信息這三類數據的相應字段進行查詢，最后以點線圖，柱狀圖或餅圖的形式展現出來。該功能模塊的目的是輔助醫生進行決策，同時通過統計數據的展示幫助病人對自己的病情數據有直觀的了解。

5)智能排班管理。該功能模塊旨在減少血液透析中心醫務工作者大量的手動排班工作，減少不必要的事務性工作，提高工作效率的同時也提高了透析機的利用率與排班準確性。

6)數據字典管理。醫生能夠自行管理下拉菜單中的提示選項，包括傳染疾病、疾病診斷、透析機類型、治療模式、抗凝模式以及評估批次等。醫生可根據科室的實際情況以及需求對這些數據字典進行增刪改查，使系統的可重用性更高。

1.2 系統架構設計

綜合考慮上述項目背景、系統各項功能需求以及該透析中心的信息化現狀，血液透析中心信息系統項目決定搭建一個基于B/S框架的平臺，平臺的開發技術框架為SSH集成框架，同時整個系統的設計采用基于MVC模式進行設計，其中Struts作為系統的整體基礎架構，負責MVC的分離，控制業務跳轉，利用Hibernate框架對持久層提供支持，而Spring則作為容器對javaBean進行管理[2]。具體系統架構設計如下：

持久化層：建立數據庫、關系表以及視圖，然后創建Hibernate配置文件hibernate.cfg.xml，配置連接數據庫和所操作實體類對應配置文件信息的參數，利用Myeclipse開發工具集成的Hibernate功能，對數據庫進行“反轉工程”，生成實體類和實體映射文件*.hbm.xml，使實體類與數據庫關系表一一對應。

業務邏輯層：通過JSP頁面實現交互界面，負責傳送請求(Request)和接收響應(Response)，根據Struts配置文件(struts-config.xml)，將ActionServlet接收到的Request委派給相應的Action處理。在業務層中，管理服務組件的Spring IoC容器負責向Action提供業務模型(Model)組件以及數據處理(DAO)組件來完成業務邏輯，并提供事務處理、緩沖池等容器組件以提升系統性能和保證數據的完整性。Action處理后返回給Struts配置文件，并由Struts來返回處理結果。

表現層:表現層主要由html頁面以及JSP頁面組成，html頁面主要實現靜態展示，JSP頁面用于輸入數據以及展示由后臺返回的數據。同時運用JavaScript，Ajax，以及JQUERY等技術實現一些較為復雜的動態交互功能[3-4]。

2 系統關鍵技術和實現

本系統采用B/S架構以及MVC的設計模式，使系統的所有業務集中在服務器上運行，以便于開發者的管理和維護，并使系統具有更好的可擴展性和重用性。同時考慮到數據庫的安全可靠性，采用SQL Server 2005作為系統后臺數據庫，java做為后臺業務邏輯以及數據處理語言，Jsp頁面作為前臺顯示。開發環境為Myeclipse 9，運行環境為JRE 7，服務器為Apache Tomcat 7，操作系統為Windows 7。

2.1 系統數據庫設計

2.1.1 整體數據庫結構設計 本系統主要由8張數據表以及8張字典表組成。其中病人信息表(patient)保存病人基本標志性信息，透析表(dialysis)保存病人的透析記錄、監測信息表(monitoring)保存病人透析過程中的監測信息、評估表(assess)保存病人治療狀態評估記錄等。由于一些數據項的不確定性，例如病人信息表中的診斷(diagnosis)可包含各種類型的診斷，因此設計了8張字典表，可供醫生根據實際情況對數據字典進行錄入刪除，最大程度地保證系統的可重用性。為了保證系統數據庫的正常運行，防止垃圾數據生成，本系統設計了一系列觸發器以及事務。例如當對病人信息進行刪除時，病人刪除觸發器會刪除與該病人相關的評估信息記錄、監測信息記錄以及透析信息記錄等。系統各數據表結構和關系圖如圖2所示。

圖2 系統數據表關系圖

2.1.2 排班模塊數據表設計 本系統用五張數據表來準確記錄所有透析機以及病人的排班工作情況，分別是病人表(patient)、透析機表(dialyser)、病人排班表(patientschedule)、透析機類型表(dialysertype)以及透析機疾病表(dialyserdisease)。病人表中的infection表示該病人攜帶的傳染性疾病，frequence表示該病人周透析頻率。透析機表中的disease表示該透析機對應的傳染性疾病的類型，schedule表示該透析機當前的排班情況的二進制數，status表示透析機是否排滿，若排滿則設置為1，有空閑位置則為0。病人排班表中patientid對應病人表中的id，dialyserid對應透析機表中的id，schedule表示某一條透析記錄的二進制數。透析機類型表以及透析機疾病表中的type則分別對應透析機表中的機器類型和傳染病類型。5張數據表的結構和關系圖如圖3所示。

圖3 排班模塊數據表關系圖示

2.2 智能排班算法設計

目前主要的排班算法有模擬退火算法、遺傳算法等。遺傳算法(genetic algorithm)基于達爾文適者生存、優勝劣汰的進化原則，對包含可能解的群體反復使用遺傳學的基本操作，并使用全局并行搜索技術搜索群體中滿足要求的最優個體，與其它優化方法相比，遺傳算法的主要優點在于它的魯棒性、全局最優性和廣泛適用性。但在實際的使用中，退火算法每次迭代必須進行多次目標函數計算，因而在處理實際資料時計算效率不高[5]。而遺傳算法易發生成熟前收斂，對優良個體的選擇也不能滿足多目標優化的要求[6]。

由于上述算法應用復雜且不易調整，針對所開發系統的復雜度和可靈活調控性的需求，本文設計了一種基于二進制的排班算法，采用此方法可以自動選出最優的排班位置并最大限度地節約透析機的使用。同時該方法相比于采用數組對排班信息進行存儲的方式省去了循環判斷該透析機排班情況等步驟，因此提高了運算效率以及穩定性[7-10]。

2.2.1 排班二進制數定義 由于各透析中心接收的患者以及各自實際工作情況不同，因此透析排班有以下數種情況：

1)透析中心工作時間分為一周七個工作日或六個工作日的兩種形式，每天的透析班次也分為兩班或者三班的兩種形式，要求允許用戶選擇。

2)透析患者分為一周透析一次，一周透析兩次，以及一周透析三次的三類患者。

3)導致腎功能障礙的疾病有可能存在傳染性，因此某類傳染病的患者只能排入相對應傳染病的機器。

基于上述分析，一臺透析機對某類病種患者的最大飽和工作排班是一周7天3班次的滿負荷運轉[10]。

用一個二進制位表示排班中的一個班次，一臺透析機的排班二進制數定義如下：

其中，&符號代表串接二進制位運算符號，bi=1表示已排班，bi=0表示空閑，i=0,1,…,20表示7天工作日3個班次共21位二進制位，則二進制排班算法將一個排班周期中的班次轉換為二進制數b20b19…b1b0中相應的位置，例如周一早班的二進制位為b0，周一下午班則為b1，周一晚午班則為b2，依次類推。當一臺透析機按一周7天，每天3個班次的頻率排班，若該透析機排班二進制數等于221-1221-1，則說明該透析機已經排滿；若該透析機排班二進制數為0，則該透析機排班情況為空。

2.2.2 排班算法流程設計 由于周工作時間存在兩種形式，日排班存在2班和3班的排班間隔形式，所以透析機進入自動排班前必須根據用戶使用需求初始化排班二進制數。該算法約定透析機排班二進制數的初態值按以下規則設置：①當周工作日為7天時周日為空閑，當周工作日為6天時周日為占用；②當一天三班時晚班為空閑，當一天兩班時晚班為占用。例如，透析機若選擇一天兩班和一周六個工作日的工作情況時，其排班二進制數初態設為1984804(111100100100100100100)。

當透析機的排班工作日初始化完成后進入患者排班流程，患者的首次排班可選擇對應透析機的任意空閑位置，當患者進行第N(N>=2)次排班時則根據上一次的排班位置加上與其對應的排班間隔。例如第N次排班的位置二進制值為0000000000000000001，若排班間隔為6則第N+1次排班的位置二進制值則是00000000000001000000。對應三類透析患者，周透析頻率分為1、2、3。如果一天3班，每周7個工作日，則一共有21班次。當周透析頻率為2時，最佳透析間隔為21/2=10.5。當周透析頻率為3時最佳透析間隔為21/3=7。同時考慮到透析間隔應有一定的冗余且存在一周六個工作日、一天兩班的情況，有四個班次無法排入而導致排班循環陷入死循環的情況，因此在設置排班可用間隔時其范圍應至少為4。因此，算法約定患者透析間隔按以下規則設置，①每周透析頻率為2時，可選透析間隔為9至13；②每周透析頻率為3時，可選透析間隔為5至9。

為保證全體智能排班后能盡可能的冗余不必要的透析機，因此在排班時先對透析頻率高的患者進行排班，最后再對每周透析一次的患者進行排班，已達到最大冗余的效果。

綜上所述，二進制排班算法描述如下：

1)透析機排班二進制數初始化算法：設排班組合表為(d,n)，其中d代表每周工作天數，n代表每天排班數，故而透析機有4種排班組合：(7,3)、(7,2)、(6,3)、(6,2)，則對應4種排班組合的排班二進制數初態值設置

2)患者透析間隔設置與透析時間排班算法：設透析間隔為T，患者透析頻率為f，則患者透析時間間隔的設置是應用依次探查法在醫囑透析頻率對應的排班間隔區間內尋找可排班間隔值，在探查中同時確定透析的時間。

智能選擇患者透析時間模塊算法流程：

圖4 患者透析時間排班算法模塊流程圖

2.2.3 系統排班功能實施流程圖 用戶進入排班界面后可選擇單人排班或是自動全體排班。

單人排班：用戶可選擇手動或自動單人排班。手動單人排班中，用戶可直接選擇可排班的位置排入患者。自動單人排班將按照排班算法進行排班。

全體排班：首先進入排班參數的初始化流程，選擇工作日和班次，后臺將自動配置排班參數并刪除原記錄。初始化結束后進入病人循環，首先獲取優先級較高的病人(即設置對透析機和時段有特殊要求的病人)，根據病人初始信息中提供的透析機編號以及時段進行優先排班。再獲取優先級較低(即無透析機以及時段要求的病人)，獲取該類病人的透析頻率以及傳染病類型，根據傳染病類型選擇合適的透析機列表。接著進入透析機循環，獲取該透析機的當前排班情況(schedule)并賦值給變量tempSchedule。

排班流程如下：若該次排班為該病人第一次排班則設置排班指針(schedulepoint)歸0并開始查找該透析機中是否存在空閑位置，如果tempSchedule&1等于0則該位置為空閑，若不為0則繼續循環，每次循環將tempSchedule右移一位，即指向下一個班次。找到可排位置后用排班指針(schedulepoint)記錄下該位置后將排班次數加1并保存至病人排班表(patientschedule)，同時判斷保存后該透析機是否已經排滿，若排滿則設置透析機的狀態位(status)為1。若該次排班并非第一次排班，則獲取上一次排班的排班指針(schedulepoint)，將排班指針加上最小排班間隔后除21得到的余數作為起始排班位置，并查找該透析機是否在起始位置后三個位置之內存在空閑位置，若存在則效仿第一次排班進行保存操作，若不存在則跳出繼續查看下一個透析機內是否存在合適位置。當所有排班次數大于該病人的周透析頻率時則說明該病人已完成排班可進行下一個病人的排班。

基本排班流程如圖5所示。

圖5 排班系統流程

2.3 統計圖表與輔助決策

透析醫療業務需要對基本信息、評估信息以及透析信息的三類數據進行統計，因此，系統提供三種統計圖表功能如下[11-13]。

1)基本信息統計。提供對病人狀態、診斷、年齡、性別以及傳染疾病等信息進行分類統計，并以餅圖圖表展示統計結果，使醫生可直觀快速了解不同類型病人所占的比例。

2)評估信息統計。統計方式分為全體統計、批次統計以及個體統計三類。全體統計對指定時間段的所有病人各項評估信息進行均值統計，按批次生成各項評估指標均值的數據折線圖，展示指定時間段病人某項數據的總體趨勢。批次統計對某一批次的全部病人評估信息進行統計，并根據字典表提供的統計項的最小值和最大值范圍生成餅圖，讓醫生可通過該圖了解某一評估批次所有病人達到正常數值的比率，進而了解該批次病人的透析效果。個體統計向醫生提供自行選擇病人以及時間范圍，對篩選病人在指定段時間范圍內生成所有統計項數據折線圖，醫生可根據該折線圖對病人透析用藥進行調整。

3)透析監測信息統計。統計方式分為全體統計和個體統計。個體統計提供按選擇透析時段、查看項目以及時間范圍生成病人數據折線圖，通過該圖展示病人透析過程中詳細的生理數據變化情況。全體統計提供按選取病人群體與統計項目對每一病人進行指定項目的均值統計，并參照數據字典提供的臨床數據范圍，對同級項目均值的數據進行判斷分組，生成分組餅圖；同時對分組后的數據進行均值計算，并生成分組統計項均值柱狀圖。通過該圖表展示一定時間范圍內特定病人集合的某一生理數據過高或過低的人次以及比率，輔助醫生調整整體透析方案。

該功能模塊的設計均采用反射機制的設計思想，通過前臺傳遞所需字段名，后臺根據規則生成方法名，通過上下文(context)在Spring容器中查找并產生對應Bean，反射機制的應用提高了代碼的可重用性的同時減少了代碼冗余，具體代碼如下：

ApplicationContext context = new ClassPathXmlApplicationContext(“applicationContext.xml”);

String itemcomment = itemInfoDAO.findById(itemid).getComment();

String itemname = itemInfoDAO.findById(itemid).getName();

String tablename = com.hdcenter.function.StringMutiply

FirstLetterUpper(tableInfoDAO.findById(tableid).getName());

Object oDAO = context.getBean(tablename + “DAO”);

PatientDAO pDAO=(PatientDAO) context.getBean(“PatientDAO”);

2.4 操作界面

登錄血液透析中心信息系統后，用戶可在頂部導航欄選擇進入需要的功能模塊。在病人管理操作界面，醫生可對病人基本信息進行增刪、改查以及變更病人的狀態，如圖6所示。若病人為死亡或出院狀態時，病人列表將不再顯示病人。病人查詢模塊按資源管理器窗格結構布局查詢和顯示病人詳細信息的操作界面，如圖7所示，醫生可對某個病人信息進行查詢，同時可對病人進行透析效果評估、透析記錄管理等操作。在圖表模塊中，用戶可選擇對基本信息、評估信息以及透析信息三類數據進行統計并生成相應的圖表，如按治療病人性別進行統計，性別比率餅圖如圖8所示。選擇透析機管理菜單后就能選擇單人排班以及全體自動排班功能，排班操作界面如圖9所示。

圖6 病人管理界面

圖7 評估信息錄入界面

圖8 數據統計界面

圖9 透析機管理以及排班界面

3 系統測試

由于該系統僅供中心內部人員使用，訪問量較小且數據存儲結構較為簡單，因此服務器部署于醫生辦公室中的一臺計算機中，通過內網可對該平臺進行訪問，無需在客戶端安裝軟件，運行良好穩定。

廣州紅會醫院血液透析中心日接診量約為120～150人，中心現有透析機33臺，平日的透析機使用率約為80％左右。以60名患者透析治療數據來測試系統效能，其中30例患者無傳染性疾病，10例HIV患者，10例肝病患者，10例梅毒患者。其中22人為一周透析三次，19人為一周透析兩次，19人一周透析一次，如表1所示。

設置測試透析機12臺，6臺無傳染性疾病透析機，2臺HIV透析，2臺肝病透析機，2臺梅毒透析。參照上述參數設置，對系統進行了多次測試，測試結果如表2所示。測試結果表明，廣州市紅十字會醫院血液透析中心信息系統的排臺模塊能順利進行智能排臺，并盡可能將患者集中排入，使透析機保持數臺富余，實現科學排班的功能。

表1 病人透析需求分布

表2 透析機排班效果

圖10 患者透析時間排班結果圖示

4 結 語

本系統采用基于二進制的排班算法實現了透析機智能排臺的功能，并結合病人錄入、查詢、圖表生成等功能構建了一個基于B/S架構的信息化血液透析中心管理平臺，使醫務工作者能在醫院任何地方使用手持設備進行操作，大大提高了工作效率。紅會醫院透析中心每月會對病人進行評估統計，但由于數據量巨大，數據難以實現直觀精確的統計，因此該系統的數據統計功能實現了臨床數據的二次利用，對過往的數據進行整合統計，同時對醫生科研工作以及臨床透析方案起到一定的輔助指導作用。該透析中心每周都需要耗費1-2個工作日進行病人的排班配置，不僅耗費了大量人力資源且不能達到資源的最佳配置，因此該系統排班功能模塊的設計能有效解決了手動排班造成的人力資源的浪費，利用該功能模塊的自動排臺算法使透析中心最大限度地減少工作透析機的臺數，關閉不必要開啟的設備，有效控制節約成本。經過多次測試，系統能良好地運行并且達到預期效果。未來在系統中增加與HIS系統的接口模塊，可直接與HIS進行數據交互。

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