基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多功能交互式住院患者電子床頭卡片系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

【作 者】王正源 ，王奕 ，黃宗浩 ，王駿杰

1 復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院信息中心，復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院腫瘤學(xué)系，上海市，200032

2 上海腫瘤疾病人工智能工程技術(shù)研究中心，上海市，200032

0 引言

隨著醫(yī)院信息化建設(shè)的高速發(fā)展，臨床信息系統(tǒng)（CIS）與醫(yī)院自身的發(fā)展已高度契合，病房日常管理工作對(duì)信息化也提出了新的要求[1-2]。傳統(tǒng)意義上的手寫(xiě)或者打印的紙片式床頭卡片其不足日益明顯，由于其所能承載的信息量過(guò)小、文檔完成后不能再做修改、顯示信息不能實(shí)時(shí)與醫(yī)院信息系統(tǒng)（HIS）同步、對(duì)病區(qū)護(hù)士進(jìn)行病人的日常護(hù)理工作無(wú)較大指導(dǎo)作用，甚至?xí)a(chǎn)生負(fù)面影響、造成醫(yī)療事故，多次就此進(jìn)行改進(jìn)，仍不能滿(mǎn)足臨床工作的實(shí)際需要[3-4]，病區(qū)病房管理上亟需一款多功能、智能化、個(gè)性化及交互式的住院患者電子床頭卡片系統(tǒng)，且要求其性能穩(wěn)定、工作可靠、數(shù)據(jù)真實(shí)、響應(yīng)實(shí)時(shí)[5]。

本研究基于HIS、EMR、LIS等臨床信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，在傳統(tǒng)紙片式床頭卡片的功能基礎(chǔ)上，以有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托，下位機(jī)搭載的液晶顯示器為顯示終端，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多功能智能化交互式住院患者電子床頭卡片系統(tǒng)，充分滿(mǎn)足了臨床一線病房管理工作的需求，并極大地?cái)U(kuò)展了傳統(tǒng)紙質(zhì)床頭卡片的功能內(nèi)容。同時(shí)，使其向智能化、個(gè)性化的方向發(fā)展，對(duì)病房工作及醫(yī)院信息化建設(shè)的發(fā)展具有重要意義[6]。

1 系統(tǒng)功能特點(diǎn)及功能框架

床頭卡片是住院患者必須具有的個(gè)人信息資料卡片，也是住院患者最直接、最醒目的管理卡片，是臨床進(jìn)行病房日常管理及護(hù)理工作中獲取病人信息的重要信息來(lái)源之一[7]。在醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行醫(yī)療和護(hù)理操作過(guò)程中及時(shí)獲取真實(shí)的病人信息，能有效地減少因?yàn)樾畔⒘咳笔Щ蝻@示不明而帶來(lái)的醫(yī)療差錯(cuò)或事故發(fā)生[8]。本研究開(kāi)發(fā)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多功能智能化交互式住院患者電子床頭卡片系統(tǒng)，在繼承傳統(tǒng)紙質(zhì)卡片式床頭卡基本功能的基礎(chǔ)上，利用與篩選臨床信息系統(tǒng)（HIS、EMR、LIS等）記錄的患者相關(guān)醫(yī)療信息及報(bào)告結(jié)果，根據(jù)衛(wèi)生部門(mén)相關(guān)規(guī)定及醫(yī)院自身需要，在保障患者隱私前提下，選擇性顯示患者個(gè)人信息資料[9]。實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地更新患者個(gè)人信息，并且提供通知、科普等功能服務(wù)，加強(qiáng)了與患者間的有效溝通，極大程度上擴(kuò)展床頭卡片的功能，同時(shí)可以對(duì)病房的高效、規(guī)范化管理產(chǎn)生積極影響[10]。最終，加強(qiáng)了醫(yī)護(hù)人員責(zé)任感，提高了管理和護(hù)理工作效率，改善了病人就診體驗(yàn)，病人滿(mǎn)意度整體上升[11-12]。

為此，電子床頭卡片系統(tǒng)顯示終端程序必須具備以下兩個(gè)特點(diǎn)：必須建立唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系，每臺(tái)終端設(shè)備必須與病區(qū)具體床位相互綁定，確保病人信息的準(zhǔn)確性和唯一性；保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)，當(dāng)調(diào)用接口返回信息發(fā)生變化時(shí)，觸發(fā)下位機(jī)獲取最新病人信息并刷新。程序功能框架，如圖1所示。界面上以TAB頁(yè)為顯示主體，初始化頁(yè)面為病人基本信息和日常護(hù)理醫(yī)囑，當(dāng)無(wú)操作達(dá)2 min，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至該頁(yè)面，確保設(shè)備顯示主要信息為主。根據(jù)其顯示內(nèi)容，主要可分為七個(gè)部分：病人基本信息、日常護(hù)理醫(yī)囑、重點(diǎn)醫(yī)囑關(guān)注、醫(yī)護(hù)人員信息、病人費(fèi)用、宣教內(nèi)容及其他。其中宣教功能可以根據(jù)病區(qū)管理需要，在管理程序中設(shè)置宣教內(nèi)容后將顯示在設(shè)備上，增加了宣教的方式和種類(lèi)，提高了宣教的實(shí)際效果。

圖1 電子床頭卡片系統(tǒng)程序功能框架Fig.1 The functional framework of the program of the electronic bedside card system

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多功能交互式電子床頭卡片系統(tǒng)的架構(gòu)，如圖2所示。系統(tǒng)架構(gòu)包含網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)層主要完成相關(guān)醫(yī)療數(shù)據(jù)的傳輸、處理和保存。醫(yī)療數(shù)據(jù)通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)傳輸至應(yīng)用服務(wù)器。應(yīng)用服務(wù)器通過(guò)通信單元的下載器進(jìn)行數(shù)據(jù)下載，經(jīng)過(guò)沖突檢測(cè)單元后，篩選出有效數(shù)據(jù)，最后處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)連接組件保存到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中。應(yīng)用層主要由客戶(hù)端應(yīng)用程序和終端電子床卡設(shè)備程序組成。當(dāng)病區(qū)護(hù)士登錄護(hù)士站部署的客戶(hù)端應(yīng)用程序時(shí)，客戶(hù)端程序與服務(wù)器的會(huì)話(huà)啟動(dòng)。應(yīng)用服務(wù)器的通信單元更新器通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)連接組件連接數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器并獲取醫(yī)療數(shù)據(jù)，客戶(hù)端應(yīng)用程序的通信單元下載器通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)從應(yīng)用服務(wù)器載入數(shù)據(jù)，病區(qū)護(hù)士可通過(guò)客戶(hù)端應(yīng)用程序來(lái)瀏覽整個(gè)病區(qū)在區(qū)患者的相關(guān)醫(yī)療信息。當(dāng)病區(qū)護(hù)士修改維護(hù)某個(gè)床位患者相關(guān)醫(yī)療信息時(shí)，客戶(hù)端應(yīng)用程序的通信單元更新器可以確保更新的內(nèi)容被傳送至應(yīng)用服務(wù)器，并且也相應(yīng)地同步更新數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，以保證更新后的內(nèi)容后續(xù)能傳輸?shù)狡渌K端電子床卡設(shè)備。終端電子床卡設(shè)備的通信單元主要由下載器和接收器組成，其通信單元下載器通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)從應(yīng)用服務(wù)器載入數(shù)據(jù)，顯示在終端設(shè)備顯示屏。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多功能交互式電子床頭卡片系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Architecture of multifunctional interactive electronic bedside card system based on Internet of Things technology

同時(shí)，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用了網(wǎng)絡(luò)感知技術(shù)，使護(hù)士臺(tái)客戶(hù)端和各終端電子床卡設(shè)備能被網(wǎng)絡(luò)感知，以滿(mǎn)足客戶(hù)端無(wú)法聯(lián)網(wǎng)時(shí)，護(hù)士修改維護(hù)的相關(guān)醫(yī)療數(shù)據(jù)均能緩存至本地，直到網(wǎng)絡(luò)再次連接；或者客戶(hù)端及終端電子床卡設(shè)備請(qǐng)求應(yīng)用服務(wù)器被動(dòng)更新信息。應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送器定時(shí)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送單向消息，消息在護(hù)士臺(tái)客戶(hù)端或終端電子床卡設(shè)備的接收器上被接收。當(dāng)消息能被接收到，則認(rèn)為當(dāng)前設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)。消息傳送至通信單元的更新器后，便作為判斷是否緩存數(shù)據(jù)、將其發(fā)送到服務(wù)器或請(qǐng)求應(yīng)用服務(wù)器被動(dòng)更新信息的標(biāo)志。

為保證該系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個(gè)護(hù)士臺(tái)客戶(hù)端設(shè)備及終端電子床卡設(shè)備都有一個(gè)唯一的地址，用于服務(wù)器篩選出有效用戶(hù)來(lái)更新其內(nèi)容。本方法有效阻止客戶(hù)端和終端傳輸數(shù)據(jù)時(shí)被干擾，有效提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。當(dāng)客戶(hù)端或終端設(shè)備處于非工作狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層將停止數(shù)據(jù)傳輸，直至有新的設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)中。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究開(kāi)發(fā)的住院患者使用的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多功能交互式電子床頭卡片系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖3所示。

圖3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多功能交互式電子床頭卡片系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.3 Network architecture of multifunctional interactive electronic bedside card system based on Internet of Things technology

以交換機(jī)為單元設(shè)計(jì)的有線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。本系統(tǒng)作為一種全新的解決方案，其功能上要求必須與醫(yī)院信息系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù)，本院浦東新院區(qū)在病房弱電設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)的一床一網(wǎng)點(diǎn)，支持有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通信，極大促進(jìn)了系統(tǒng)的實(shí)施。護(hù)士站客戶(hù)端及各病房床位對(duì)應(yīng)的終端電子床卡設(shè)備均通過(guò)有線局域網(wǎng)絡(luò)連接至當(dāng)前樓層的接入交換機(jī)，不同樓層的接入交換機(jī)連接至住院樓的匯聚交換機(jī)，匯聚交換機(jī)連接至核心交換機(jī)上，進(jìn)一步經(jīng)過(guò)防火墻防護(hù)，連接至與服務(wù)器連接的匯聚交換機(jī)。核心交換機(jī)設(shè)計(jì)上采用了虛擬交換系統(tǒng)（VSS）技術(shù)，雙機(jī)熱備的工作環(huán)境從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層面保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 系統(tǒng)軟件架構(gòu)與數(shù)據(jù)流向

本研究開(kāi)發(fā)的住院患者使用的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多功能交互式電子床頭卡系統(tǒng)軟件架構(gòu)及數(shù)據(jù)流向，如圖4所示。其主要由信息采集部分、信息傳輸部分及信息使用部分三部分組成。

圖4 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多功能交互式電子床頭卡片系統(tǒng)的軟件架構(gòu)及數(shù)據(jù)流向Fig.4 Software architecture and data flow of multifunctional interactive electronic bedside card system based on Internet of Things technology

4.1 信息采集部分

患者在醫(yī)院就診過(guò)程中，醫(yī)院臨床信息系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量臨床信息，其中包含了用于電子床頭卡片系統(tǒng)的病人個(gè)人基本信息、診療信息等可用信息。該系統(tǒng)信息采集部分主要包括醫(yī)院HIS產(chǎn)生的病人基本信息、住院醫(yī)生工作站及護(hù)士工作站等系統(tǒng)產(chǎn)生的醫(yī)囑及護(hù)理信息、LIS等系統(tǒng)產(chǎn)生的檢查報(bào)告信息，其均記錄存儲(chǔ)在臨床信息系統(tǒng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，供自身業(yè)務(wù)流程使用，及通過(guò)視圖、存儲(chǔ)過(guò)程等方式開(kāi)發(fā)接口提供服務(wù)供外部系統(tǒng)調(diào)用。

4.2 信息傳輸部分

存儲(chǔ)過(guò)程數(shù)據(jù)交換模式是目前不同系統(tǒng)之間開(kāi)發(fā)接口的常用方法之一。由于醫(yī)院臨床信息系統(tǒng)可提供眾多信息，涉及的數(shù)據(jù)表繁多復(fù)雜，在定義存儲(chǔ)過(guò)程時(shí)，其將海量原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)二次加工后的結(jié)果集作為輸出內(nèi)容，在電子床頭卡片系統(tǒng)應(yīng)用端程序調(diào)用存儲(chǔ)過(guò)程時(shí)，只需對(duì)存儲(chǔ)過(guò)程輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用或三次加工，此模式極大提高程序運(yùn)行效率，調(diào)用雙方交互性良好。另一方面，通過(guò)調(diào)用存儲(chǔ)過(guò)程獲得的輸出數(shù)據(jù)，調(diào)用方只能先轉(zhuǎn)儲(chǔ)到本地臨時(shí)表或業(yè)務(wù)表，再進(jìn)行修改或直接使用，而不能直接操作醫(yī)院臨床信息系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)，對(duì)于電子床頭卡片此類(lèi)大范圍使用的應(yīng)用程序而言，規(guī)避了終端用戶(hù)直接訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)或表的風(fēng)險(xiǎn)，提高了程序的使用安全。在電子床頭卡片系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，仔細(xì)比較各種方法后，最終選用存儲(chǔ)過(guò)程模式，在使業(yè)務(wù)流程操作簡(jiǎn)化的同時(shí)，保證了雙向數(shù)據(jù)的安全性。

企業(yè)服務(wù)總線（enterprise service bus，ESB）是一個(gè)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間集成和互聯(lián)互通的重要技術(shù)架構(gòu)，作為一種消息和服務(wù)集成的中間件平臺(tái)，ESB保證了多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)接入、協(xié)議轉(zhuǎn)換、提供可靠的消息傳輸、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換及基于內(nèi)容路由等功能，異步消息處理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間松耦合結(jié)構(gòu)。隨著醫(yī)院信息化建設(shè)的發(fā)展，信息系統(tǒng)越來(lái)越龐大，ESB平臺(tái)的搭建，極大地解決了多個(gè)系統(tǒng)互聯(lián)所面臨的復(fù)雜性，減低集成和維護(hù)成本問(wèn)題[13]。本系統(tǒng)所接入的本院ESB平臺(tái)采用面向服務(wù)架構(gòu)（Service Oriented Ambiguity，SOA）的服務(wù)接入方式，Web Service作為一種目前最適合實(shí)現(xiàn)SOA的技術(shù)，其通過(guò)簡(jiǎn)單對(duì)象訪問(wèn)協(xié)議（Simple Object Access Protocol，SOAP）進(jìn)行通訊，基于標(biāo)準(zhǔn)的XML結(jié)構(gòu)化文本消息傳遞為異構(gòu)系統(tǒng)提供通訊機(jī)制，對(duì)等地交換結(jié)構(gòu)化和類(lèi)型化的信息。ESB平臺(tái)為本研究系統(tǒng)提供的消息架構(gòu)如下：

該ESB服務(wù)接口按照協(xié)定的結(jié)構(gòu)化格式嵌套封裝臨床信息系統(tǒng)（CIS）數(shù)據(jù)庫(kù)提供的存儲(chǔ)過(guò)程，供電子床頭卡片系統(tǒng)定時(shí)調(diào)用并將其獲取到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中，該接口的入?yún)檎?qǐng)求的病區(qū)在HIS基礎(chǔ)表中的部門(mén)代碼。

4.3 信息使用部分

客戶(hù)端程序定時(shí)主動(dòng)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)連接組件獲取數(shù)據(jù)并根據(jù)終端電子床卡設(shè)備與IP地址一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，同步更新各終端電子床頭卡設(shè)備上顯示的信息；同時(shí)，病區(qū)護(hù)士也可通過(guò)客戶(hù)端程序手動(dòng)觸發(fā)請(qǐng)求獲取本病區(qū)最新信息，并下發(fā)至各終端設(shè)備，以保證設(shè)備穩(wěn)定、準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)的顯示病人相關(guān)信息。

5 數(shù)據(jù)庫(kù)及軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究開(kāi)發(fā)系統(tǒng)時(shí)基于Microsoft SQL Server 2016進(jìn)行關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)搭建設(shè)計(jì)，表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上遵從三范式原則，主要表包括系統(tǒng)用戶(hù)表、病區(qū)網(wǎng)絡(luò)地址表、病區(qū)房間基礎(chǔ)表、病區(qū)病人信息表、HIS床位病人信息表及歷史信息記錄表等。其中病區(qū)網(wǎng)絡(luò)地址表主要存儲(chǔ)病區(qū)代碼、病區(qū)名稱(chēng)、病區(qū)客戶(hù)端IP地址及該病區(qū)對(duì)應(yīng)的HIS中的部門(mén)代碼；病區(qū)房間基礎(chǔ)表主要存儲(chǔ)病區(qū)代碼、病區(qū)房間代碼、房間名稱(chēng)、床位代碼、床位名稱(chēng)及對(duì)應(yīng)終端設(shè)備的IP地址；病區(qū)病人信息表主要存儲(chǔ)病區(qū)代碼、房間代碼、床位代碼，住院號(hào)、床位號(hào)、姓名、性別、血型等病人基本信息，分級(jí)護(hù)理、飲食種類(lèi)、藥物過(guò)敏、壓瘡及跌倒預(yù)防等日常護(hù)理醫(yī)囑信息，PICC/CVC/PORT、24 h進(jìn)出量、抗血栓襪及疼痛評(píng)估等重點(diǎn)醫(yī)囑關(guān)注信息，醫(yī)護(hù)人員信息及其他。服務(wù)器端和客戶(hù)端軟件基于.NET和SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)，軟件在Windows操作系統(tǒng)下利用Visual Studio.NET 2015開(kāi)發(fā)工具，以C#為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言采用ASP.NET技術(shù)編寫(xiě)，并通過(guò)ADO.NET技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行增刪改查操作。系統(tǒng)工作時(shí)，客戶(hù)端程序根據(jù)登錄用戶(hù)對(duì)應(yīng)的病區(qū)在HIS中的部門(mén)代碼，調(diào)用接口請(qǐng)求病區(qū)在院病人的基本信息，根據(jù)病區(qū)內(nèi)終端設(shè)備IP和床位號(hào)及房間號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地同步病人信息至各終端設(shè)備。

6 結(jié)果驗(yàn)證與分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多功能交互式住院患者電子床頭卡系統(tǒng)客戶(hù)端及各終端設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)完全正確，軟件系統(tǒng)及基于有線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，將相關(guān)患者醫(yī)療信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確顯示在客戶(hù)端及各終端設(shè)備。通過(guò)查看分析ESB系統(tǒng)上該服務(wù)的調(diào)用日志，可以看出本系統(tǒng)性能較穩(wěn)定，24 h、30 d內(nèi)的調(diào)用平均耗時(shí)均在1 s內(nèi)。同時(shí)，仍可通過(guò)改進(jìn)程序邏輯、優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)過(guò)程等手段，進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。

7 結(jié)論

本研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，進(jìn)行了用于住院患者的多功能交互式電子床頭卡片系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)系統(tǒng)的功能框架進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和討論，并從系統(tǒng)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、軟件架構(gòu)及數(shù)據(jù)庫(kù)軟件系統(tǒng)幾個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能夠保證醫(yī)療信息的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)能充分滿(mǎn)足臨床一線病房管理工作的需求、減輕護(hù)理人員的工作量、提高工作效率、減少醫(yī)療事故發(fā)生的可能性，同時(shí)能方便患者看到自己的健康信息，改善就診體驗(yàn)和滿(mǎn)意度，對(duì)病房管理工作及醫(yī)院信息化建設(shè)的發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義。