基于HL7標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的區(qū)域醫(yī)療設(shè)備信息整合平臺研究

嚴(yán)紅嶺 孔 晗 劉 京 杜曉敏 王 麗

物聯(lián)網(wǎng)(internet of things，IoT)是通過射頻識別(radio frequency identification，RFID)技術(shù)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)及激光掃描器等信息傳感設(shè)備按約定的協(xié)議，將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1-4]。物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是信息化時(shí)代發(fā)展的重要階段。近年來，集中化和移動(dòng)式管理方式成為醫(yī)療設(shè)備管理的熱點(diǎn)[5-6]。健康等級7(health level 7，HL7)標(biāo)準(zhǔn)化的衛(wèi)生信息傳輸協(xié)議的出現(xiàn)，為醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)的傳輸提供標(biāo)準(zhǔn)化的參考依據(jù)，同時(shí)也為醫(yī)療數(shù)據(jù)集中采集和遠(yuǎn)程管理提供了先決條件[7]。但不同設(shè)備之間難以做到一體化和信息化的管理，如Tele Trek遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)和中央監(jiān)護(hù)系統(tǒng)等難以兼顧其他設(shè)備的管理；醫(yī)療機(jī)構(gòu)的傳輸環(huán)境中缺乏處理的一致性；不同功能醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)生的結(jié)果需要在用戶和廠商間進(jìn)行協(xié)商[8-9]。在此背景下，HL7難以提供“即插即用”式解決方案。基于此，以實(shí)用智能硬件BeagleBone Black(BB-Black)為核心，掛接無線模塊ZigBee組網(wǎng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，接收并解析HL7比特流數(shù)據(jù)，為區(qū)域醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)整合提供基礎(chǔ)研究方案。

1 HL7標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議及解析

1.1 HL7標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議

HL7標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(international organization for standardization，ISO)制定的OSI模型的最高層的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)化的衛(wèi)生信息傳輸協(xié)議HL7是醫(yī)療領(lǐng)域不同應(yīng)用之間信息的協(xié)議。HL7匯集不同廠商設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件之間接口的標(biāo)準(zhǔn)格式，將允許各醫(yī)療機(jī)構(gòu)在傳輸異構(gòu)系統(tǒng)間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[10-13]。

HL7標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議包含256個(gè)事件、116個(gè)消息類型、139個(gè)段、55種數(shù)據(jù)類型和408個(gè)數(shù)據(jù)字典，涉及79種編碼系統(tǒng)及4種基本術(shù)語。①觸發(fā)事件(trigger events)：各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸和流動(dòng)的需求；②消息(message)：系統(tǒng)間傳輸數(shù)據(jù)的最小單位；③段(segment)：數(shù)據(jù)字段的一個(gè)邏輯組合；④字段(field)：一個(gè)獨(dú)立的字符串。在HL7通訊協(xié)議中，消息(Message)是數(shù)據(jù)在系統(tǒng)之間交換的最小單元，每條消息都有各自的消息類型，信息類型用于定義消息觸發(fā)事件，即消息所指向的目標(biāo)數(shù)據(jù)[14]。觸發(fā)事件組成結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 觸發(fā)事件組成結(jié)構(gòu)圖

1.2 HL7標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議解析

醫(yī)療設(shè)備端口傳遞數(shù)據(jù)為一串連續(xù)的比特流，而HL7的封裝協(xié)議要求通訊代碼能識別每條“message”信息的開始和接受，按照HL7最少的較低層協(xié)議(minimal lower layer protocol，MLLP)規(guī)定，設(shè)備端口在發(fā)送每個(gè)HL7封裝信息時(shí)需加一個(gè)字節(jié)的信息頭(0x0B)和兩個(gè)字節(jié)的信息尾(0x1C和0x0D)進(jìn)行封裝處理，然后通過Socket接口發(fā)送[15-16]。接收端(PC上位機(jī))通過解析HL7封裝的比特流從而獲得每一條“message”信息。經(jīng)過MLLP封裝后的消息結(jié)構(gòu)為：＜0x0B＞HL7比特流消息字節(jié)塊＜0x1C＞＜0x0D＞。部分呼吸機(jī)Rosetta軟件信息流映射表見表1。

表1 呼吸機(jī)Rosetta信息流映射表

2 實(shí)驗(yàn)平臺搭建

2.1 硬件搭建

以BB-Black為核心，掛接無線模塊ZigBee組網(wǎng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，建立web服務(wù)器，接收、解析和存儲ZigBee無線傳感節(jié)點(diǎn)采集的HL7比特流數(shù)據(jù)，將解析的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)匯總到上位機(jī)，并通過遠(yuǎn)程登陸將區(qū)域設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)在電腦和手機(jī)終端顯示。BBBlack是一款基于AM335x處理器的開發(fā)套件。處理器集成了ARM Cortex-A8處理器內(nèi)核，并提供豐富的外設(shè)接口，包括網(wǎng)口、USB Host和串行接口等，可編程實(shí)時(shí)單元和工業(yè)通訊子系統(tǒng)(PRU-ICSS)包含兩個(gè)32位RISC內(nèi)核存儲器、終端控制器及可支持更多周邊接口和協(xié)議的內(nèi)部外設(shè)[17]。實(shí)驗(yàn)平臺搭建見圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺搭建示圖

2.2 信息流處理過程

圖2的實(shí)驗(yàn)平臺搭建顯示，醫(yī)療設(shè)備信息整合功能主要由數(shù)據(jù)采集模塊、報(bào)警模塊、管理模塊及BBBlack模塊組成，BB-Black通過直掛的ZigBee無線傳感節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集醫(yī)療設(shè)備串口HL7標(biāo)準(zhǔn)比特流數(shù)據(jù)，通過解析程序解析比特流數(shù)據(jù)，并獲取設(shè)備運(yùn)行關(guān)鍵參量，以堆棧形式將獲取的參量匯入SQlite數(shù)據(jù)庫，最終通過BoA服務(wù)器以超文本標(biāo)記語言HTML或數(shù)據(jù)包形式發(fā)送至電腦或手機(jī)終端。

2.3 基于HL7標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的醫(yī)療信息整合實(shí)驗(yàn)

2.3.1 單機(jī)HL7標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議解析及應(yīng)用

通過解析單機(jī)HL7標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議獲取單一設(shè)備比特流數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析可獲取醫(yī)療設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，生命支持類設(shè)備質(zhì)量控制是醫(yī)學(xué)工程人員的一項(xiàng)重要工作，但現(xiàn)行質(zhì)量控制工作多使用手動(dòng)記錄和紙質(zhì)填寫形式，該手段存在字跡模糊者不易辨認(rèn)、原始單據(jù)無法快速查詢和難以匯總等弊端。通過對呼吸機(jī)串行接口HL7信息傳輸協(xié)議，可獲取呼吸機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并可通過簡單的字符分析，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化呼吸機(jī)質(zhì)量控制工作。呼吸機(jī)質(zhì)量控制界面見圖3。

圖3 呼吸機(jī)質(zhì)量控制界面圖

檢測潮氣量時(shí)，呼吸機(jī)參數(shù)設(shè)定為：吸入氧濃度(FiO2)設(shè)置為40%；呼吸頻率設(shè)置為15次/min；呼氣末正壓(positive end expiratory pressure，PEEP)設(shè)置為5 cmH2O；吸呼比設(shè)置為1∶2；測定潮氣量(VT)分別取200 ml、400 ml、500 ml、600 ml和800 ml。檢測呼吸頻率時(shí)，呼吸機(jī)參數(shù)設(shè)定為：FiO2設(shè)置為40%；PEEP設(shè)置為5 cmH2O；吸呼比設(shè)置為1∶2；潮氣量設(shè)置為400 ml，將呼吸頻率分別取10次/min、15次/min、20次/min、30次/min和40次/min。檢測氧濃度進(jìn)行時(shí)，呼吸機(jī)參數(shù)設(shè)定為：潮氣量設(shè)置為400 ml；呼吸頻率設(shè)置為15次/min，呼吸比設(shè)置為1∶2，PEEP設(shè)置為5 cmH2O，將FiO2分別取21%、40%、60%、80%和100%；檢測PEEP時(shí)，呼吸機(jī)參數(shù)設(shè)定為：潮氣量設(shè)置為400 ml；FiO2為40%，呼吸頻率15次/min，呼吸比設(shè)置為1∶2，PEEP設(shè)置為0 cmH2O、5 cmH2O、10 cmH2O、20 cmH2O和30 cmH2O。

2.3.2 區(qū)域醫(yī)療設(shè)備HL7協(xié)議解析及應(yīng)用

區(qū)域醫(yī)療設(shè)備管理是現(xiàn)行設(shè)備管理的重難點(diǎn)，設(shè)備分布不均、利用率不高和設(shè)備調(diào)配率低等現(xiàn)象長期困擾著區(qū)域設(shè)備管理工作。針對單一區(qū)域內(nèi)臨床使用的常規(guī)設(shè)備，如呼吸機(jī)、監(jiān)護(hù)儀、輸液泵和注射泵等使用情況進(jìn)行監(jiān)控具有一定實(shí)用性。使用HTTPEQUIV=Refresh，CONTENT=300定向提交medical_equipment_overview.cgi請求，通過Post自動(dòng)獲取表單信息，即設(shè)備使用總覽信息；通過點(diǎn)擊相應(yīng)醫(yī)療設(shè)備，可定向提交medical_equipment_HL7_analysis.cgi請求，通過Post獲取醫(yī)療設(shè)備使用細(xì)則表單，表單信息每2 min進(jìn)行刷新。Web調(diào)試界面見圖4。

圖4 區(qū)域設(shè)備調(diào)試界面圖

3 討論

HL7標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議是基于區(qū)域衛(wèi)生信息化建設(shè)涉及各醫(yī)療衛(wèi)生單位間的數(shù)據(jù)交換和整合要求：由于較多單位均自行開發(fā)或軟件提供商開發(fā)，且標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，導(dǎo)致醫(yī)療信息數(shù)據(jù)交換的難度加大，所提出來的世界性醫(yī)療信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)[18]。HL7標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議是美國制定和維護(hù)、用于不同的醫(yī)療系統(tǒng)間進(jìn)行醫(yī)療數(shù)據(jù)傳遞的標(biāo)準(zhǔn)，已逐漸步入世界醫(yī)療衛(wèi)生信息技術(shù)舞臺，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于各類醫(yī)療設(shè)備的信息交互中[19]。

2015年，國務(wù)院辦公廳頒布的《關(guān)于全面推開公立醫(yī)院綜合改革的實(shí)施意見》指出，社會各級要加強(qiáng)衛(wèi)生信息化建設(shè)，強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)化管理體系的建立，要建立標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)療衛(wèi)生信息系統(tǒng)，必須要推進(jìn)醫(yī)療設(shè)備，公共衛(wèi)生以及藥品等信息化建設(shè)，建立共享和標(biāo)準(zhǔn)化的衛(wèi)生信息平臺，實(shí)現(xiàn)公共衛(wèi)生(包括設(shè)備、藥品和財(cái)務(wù)等)信息平臺的高效管理已經(jīng)成為新政的首要任務(wù)[20]。近年來，“智慧醫(yī)療”的提出一定程度上推動(dòng)了醫(yī)療衛(wèi)生信息化和區(qū)域醫(yī)療設(shè)備一體化建設(shè)。當(dāng)前，我國醫(yī)藥衛(wèi)生體制已經(jīng)進(jìn)入深水區(qū)，區(qū)域醫(yī)療一體化作為醫(yī)藥衛(wèi)生體制改革的重要內(nèi)容，已全面進(jìn)入互聯(lián)共通、務(wù)實(shí)創(chuàng)新的信息化服務(wù)體系新階段，“物聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療”的理念愈發(fā)受到關(guān)注。加強(qiáng)衛(wèi)生信息化建設(shè)，深度挖掘健康“醫(yī)療+智能醫(yī)療”的應(yīng)用，已成為當(dāng)務(wù)之急[16]。

4 結(jié)論

以醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)面向智慧醫(yī)療和物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)的區(qū)域醫(yī)療設(shè)備信息化建設(shè)作為研究對象進(jìn)行研究，尋求不同醫(yī)療設(shè)備“物物共聯(lián)”的通用解決方案，旨在為區(qū)域化醫(yī)療設(shè)備線上管理提供參考依據(jù)。本研究使用BB-Black為核心硬件，使用HL7為數(shù)據(jù)傳輸和解析協(xié)議，設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)不同醫(yī)療設(shè)備間信息交互方法及信息整合方案，搭建一套區(qū)域設(shè)備信息交互管理平臺，并使用呼吸機(jī)、監(jiān)護(hù)儀、輸液泵和注射泵等對平臺進(jìn)行測試驗(yàn)證，最終完成區(qū)域醫(yī)療設(shè)備信息整合平臺雛形的研究和探討。但實(shí)際實(shí)施過程中，部分設(shè)備HL7協(xié)議無法解析，仍有少部分設(shè)備需要手動(dòng)校驗(yàn)，真正意義上的自動(dòng)化和信息化區(qū)域醫(yī)療設(shè)備信息整合平臺的開發(fā)仍需多方位、多廣度及多層次的協(xié)作研究。