基于實時狀態(tài)電流的數(shù)字診療設(shè)備運行狀況監(jiān)測系統(tǒng)及其應(yīng)用研究

廖偉光，周凌宏，陳宏文

1. 南方醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510515；2. 南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，廣東 廣州 510515

引言

新型冠狀病毒肺炎疫情暴發(fā)以來，受疫情限制，設(shè)備專業(yè)維護人員難以進行現(xiàn)場支援，特殊時期醫(yī)院診療設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)保障受到影響，給醫(yī)院醫(yī)工科室的運維工作帶來了很大的壓力與挑戰(zhàn)。環(huán)顧國內(nèi)大多數(shù)醫(yī)療機構(gòu)，醫(yī)療設(shè)備管理理念和方法仍存在不足，醫(yī)療設(shè)備管理信息化水平不高，醫(yī)療設(shè)備資源的閑置與不足現(xiàn)象往往同時出現(xiàn)[1-2]；其次，醫(yī)療設(shè)備存在“買而不用”現(xiàn)象，設(shè)備功能缺乏平衡的調(diào)配，無法實現(xiàn)同類設(shè)備的性能對比，這無形地阻礙著國產(chǎn)數(shù)字診療設(shè)備政策的推行；再者，無法保障用電安全問題一直存在于電子設(shè)備管理中，特別是醫(yī)療機構(gòu)的電子產(chǎn)品用電安全方面，存在用電不規(guī)范、產(chǎn)品老化、產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)的問題，使其電路短路產(chǎn)生火警的情況時有發(fā)生，嚴重危害醫(yī)院各方人員的生命財產(chǎn)安全[3-4]。而該領(lǐng)域的管理系統(tǒng)大都存在功能單一、監(jiān)測的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、需要投入的資金非常巨大、監(jiān)測的數(shù)據(jù)單調(diào)、不能深入挖掘數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)不準確及丟失數(shù)據(jù)等問題；無法監(jiān)測到設(shè)備的一些特殊而少用的功能，導(dǎo)致部分設(shè)備的資源嚴重浪費。本研究旨在設(shè)計一種數(shù)字化醫(yī)療設(shè)備的運行監(jiān)測系統(tǒng)，適用于各醫(yī)院各種醫(yī)療設(shè)備的運行狀態(tài)監(jiān)測，主要包括運行電流監(jiān)測、運行電壓監(jiān)測、運行時間監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測[5]等，進而判斷出設(shè)備的運行狀態(tài)，并對設(shè)備的運行時間進行統(tǒng)計，分析設(shè)備的使用率，保證用電安全，為醫(yī)務(wù)人員進行效益分析提供數(shù)據(jù)支持[6-8]，大大減輕醫(yī)務(wù)人員相關(guān)工作量。

1 監(jiān)管系統(tǒng)的原理與構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)的原理

系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)即通過傳感器或按約定的協(xié)議，將醫(yī)療設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)連接，以實現(xiàn)智能化的監(jiān)管、定位、跟蹤、分析等功能[9]，本系統(tǒng)以分析日志方式或者通過電流傳感器或者磁場傳感器監(jiān)控設(shè)備的電流大小或者磁場大小來分析電流[10]或者磁場波形。設(shè)備在待機和工作狀態(tài)所產(chǎn)生的電流或磁場均不相同，設(shè)備各個部件所產(chǎn)生的磁場也不同，系統(tǒng)以此特征來識別設(shè)備的工作狀態(tài)。所采集到的原始數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)上傳到服務(wù)器進行模型匹配分析，從而得到管理數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)的基本框架及功能

系統(tǒng)的基本框架及結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要分為硬件的數(shù)據(jù)采集模塊和軟件的數(shù)據(jù)分析模塊。為了數(shù)據(jù)安全，網(wǎng)絡(luò)采用內(nèi)網(wǎng)區(qū)域、DMZ區(qū)域及公網(wǎng)區(qū)域三層結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)框架及功能框圖

1.3 硬件的構(gòu)成

硬件部分由電流傳感器、處理模塊和通信模塊組成。該系統(tǒng)是基于霍爾傳感器監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)和定位的裝置，包括殼體和設(shè)置在殼體內(nèi)部的PCB板，所述PCB板上設(shè)有霍爾傳感器模塊、運放模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、處理器、無線傳輸/定位模塊和電源模塊。霍爾傳感器感應(yīng)到電流產(chǎn)生的磁場并將其轉(zhuǎn)化為微小電流，通過電流傳感器ACS712芯片轉(zhuǎn)化為電壓信號放大，經(jīng)過A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸進STM32處理器進行計算處理，再經(jīng)過Wi-Fi及定位模塊上傳數(shù)據(jù)至服務(wù)器[11-12]。

1.3.1 霍爾傳感器與放大電路

霍爾器件是一種磁傳感器，可以檢測磁場及其變化，可用在各種與磁場有關(guān)的場合。電流芯片采用ACS712，經(jīng)2701放大輸出，部分電路如圖2所示。

圖2 電流采集電路

1.3.2 單片機及傳輸模塊

系統(tǒng)采用ARM最先進的基于cortex-M3內(nèi)核的處理器sTM32F103zET6芯片作為整體控制核心[13]，Wi-Fi傳輸模塊使用RFX2401C解決方案，RFX2401C是集成電路RF單片機（射頻前端集成電路），包含所有內(nèi)部IEEE 802.15.4/ZIGBEE，提供服務(wù)所需的射頻功能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和其他無線系統(tǒng)在2.4 GHz的ISM波段。RFX2401C架構(gòu)集PA、LNA和收發(fā)開關(guān)電路，相關(guān)的匹配網(wǎng)絡(luò)，以及諧波濾波器裝置在CMOS單片機。典型的高功率應(yīng)用包括住宅和工業(yè)自動化、智能電力和RF4CE等。RFX2401C具有性能優(yōu)越、靈敏度與效率高、噪音低、外形小和成本低的優(yōu)點，應(yīng)用程序需要擴展范圍和帶寬。RFX2401C簡單和低電壓CMOS控制邏輯，需要最低限度的外部組件系統(tǒng)的實現(xiàn)，其部分電路如圖3所示。

圖3 RFX2401C傳輸模塊電路

1.3.3 數(shù)據(jù)融合及異常數(shù)據(jù)檢測

本研究加入的創(chuàng)新性的多傳感數(shù)據(jù)融合和異常數(shù)據(jù)檢測算法，通過數(shù)據(jù)特征信息融合功能可以識別出設(shè)備的功能利用情況，計算設(shè)備功率利用率；通過異常數(shù)據(jù)檢測功能識別監(jiān)測數(shù)據(jù)的異常以給出警示。首先數(shù)據(jù)特征信息融合，即對來自傳感器的原始數(shù)據(jù)信息進行特征提取，然后對提取信息進行綜合分析和處理。為滿足實際需求，建立“樣本均值隨機加權(quán)估計與智能特征提取模塊”將特征信息對多傳感器數(shù)據(jù)（如操作振動、溫度、母線電壓、開斷電流、功率、振動噪聲）與生產(chǎn)數(shù)據(jù)、環(huán)境溫度、濕度數(shù)據(jù)進行分類、匯集和綜合[14]，以建立該設(shè)備正常狀態(tài)下的基本數(shù)據(jù)模型，然后根據(jù)異常數(shù)據(jù)檢測算法檢測出異常情況并智能報警。基于主成分的異常數(shù)據(jù)檢測算法是通過檢查一組對象的主要特征來識別異常數(shù)據(jù)的[15]，執(zhí)行前必須先確定數(shù)據(jù)的主要特征，該特征可以在數(shù)據(jù)特征信息融合后獲取。

2 結(jié)果

2.1 設(shè)備的運行信息

表1顯示了我院1.5 T的核磁共振自2020年1月1日至2020年2月10日共40 d的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)。其開機率100%（開機率=累積開機天數(shù)/工作日天數(shù)×100%）；使用率高達83.87%（使用率=累積使用天數(shù)/工作日×100%，檢查了1056項目，499人次，平均每人次2.1項目，人均掃描時間1.78 h；最后監(jiān)控的液氦水平為83.56%，損耗0.03%，處于正常水平，提示當前液氦壓力正常。設(shè)備的風(fēng)險評估：設(shè)備故障的風(fēng)險預(yù)警依據(jù)嚴重性分為三類[提示（Info）/風(fēng)險（Risk）/故障（Error）]共5檔，故障信息根據(jù)表2所示標準來劃分，并根據(jù)響應(yīng)情況進行累計。此劃分標準是依據(jù)每個品類的品牌綜合資深維修工程師的經(jīng)驗總結(jié)歸納所得。設(shè)備風(fēng)險異常次數(shù)41次，磁體風(fēng)險異常次數(shù)30次，射頻系統(tǒng)風(fēng)險異常次數(shù)4次，梯度系統(tǒng)風(fēng)險異常次數(shù)0，設(shè)備綜合評估的健康指數(shù)為85分（通過平臺數(shù)據(jù)運算得到設(shè)備指標值，然后根據(jù)不同等級的風(fēng)險故障預(yù)警、保養(yǎng)來加減分得出健康指數(shù)。將設(shè)備的健康狀況量化，以衡量設(shè)備的健康度）。

表1 設(shè)備的基本及運行信息

表2 設(shè)備風(fēng)險類型表

2.2 運營動態(tài)的分析

每天的檢查人次-項數(shù)走勢如圖4所示，可見周六、周日的檢查人次平均為18人/d，周五的檢查人數(shù)平均為60人；春節(jié)假期間檢查次數(shù)為零；2020年1月29日以后檢查人數(shù)維持在10人/d以下，可能是受新型冠狀病毒性肺炎疫情的影響。

圖4 每天檢查人次-項數(shù)走勢

每天的掃描時間如圖5所示，可見正常的工作時間基本在7:30～22:00，星期六、星期日為7:30～18:00；春節(jié)放假期間設(shè)備沒有使用，1月29號（農(nóng)歷春節(jié)初五）以后只有上午開機掃描。正常工作日機器的使用率100%。

圖5 每天首末掃描時間分布

設(shè)備2019年7月至2020年3月半年內(nèi)的掃描人次走勢和使用率如圖6～7所示。2019年7月的最高峰位800人次，最低的是2019年10月為315人次，掃描人數(shù)比11月份低200多人次，可能是受國慶假期的影響。2020年1月受春節(jié)及疫情的影響僅有499人次。半年的數(shù)據(jù)來看，前三個月設(shè)備是滿負荷運行的，設(shè)備使用率100%；2020年1月份的使用率僅有83.09%。

圖6 設(shè)備2019年7月至2020年3月掃描人次走勢圖

圖7 設(shè)備2019年7月至2020年3月設(shè)備使用率

2.3 設(shè)備的多傳感器的數(shù)據(jù)融合及預(yù)警檢測

以本院2020年10月22日超聲監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，超聲采用多傳感器融合方式，使用時探頭下的傳感器感應(yīng)到電流，在開機傳感器的配合下，二者融合后算出超聲的使用次數(shù)。如圖8所示，藍色為開機感應(yīng)電流，在此區(qū)間出現(xiàn)腹部探頭的感應(yīng)電流，由此可以得出該日此臺超聲使用6次，其中最長時長18 min 57 s，最短的是3 s，根據(jù)時間規(guī)律可以判斷出3 s時長是誤操作引起的，最終得出該天的實際使用次數(shù)為5次。實際使用時間集中在上午，下午空閑。由此可見適當調(diào)整病人在下午檢查，可以使設(shè)備得到充分利用。

圖8 多傳感器數(shù)據(jù)融合

根據(jù)系統(tǒng)的異常數(shù)據(jù)檢測算法可以發(fā)現(xiàn)超聲刀在該天14:07時有一次斷電的異常數(shù)據(jù)（圖9），系統(tǒng)根據(jù)機制給出一次異常的報警。工程師可以根據(jù)此報警調(diào)查此次斷電的原因，避免由于斷電引起的故障或者數(shù)據(jù)丟失等情況，從而進一步降低此臺超聲刀的故障率。

圖9 預(yù)測數(shù)據(jù)分析

通過以上手段進行數(shù)據(jù)分析，可以得出設(shè)備的使用率、設(shè)備的開機時間、檢查人數(shù)、部件的實時狀況、經(jīng)濟效益、功能利用率、風(fēng)險評估等參考指標，指標效果如表3所示。

表3 指標效果表

通過統(tǒng)計一個時間段內(nèi)的掃描人數(shù)或者設(shè)備使用率，得到設(shè)備在時間軸上的使用分布情況，可以有效調(diào)整設(shè)備的使用，使設(shè)備的使用保持在正常的頻率范圍內(nèi)；通過故障監(jiān)測與預(yù)警分析，評估出某些故障的風(fēng)險次數(shù)，可提前預(yù)防故障的發(fā)生；通過分析設(shè)備的使用情況，可以進一步調(diào)配設(shè)備的使用時間，使設(shè)備得到充分的利用；通過監(jiān)測設(shè)備的功能利用率可以指導(dǎo)日常設(shè)備的正常使用，延長使用壽命，例如超聲，利用融合多傳感器技術(shù)可以準確采集每個探頭的使用情況，從而分析出該機器腹部探頭的使用次數(shù)遠遠大于其他探頭，這個對比數(shù)據(jù)可以作為采購醫(yī)用超聲時的依據(jù)：可以通過適當增加腹部探頭配置數(shù)量來減少探頭的損耗，延長探頭使用壽命。總之，獲取的數(shù)據(jù)以設(shè)備運行參數(shù)為基礎(chǔ)，從運行與使用狀況、故障報錯、維修保養(yǎng)等方面來評價設(shè)備狀態(tài)，可為醫(yī)療設(shè)備提供一個更加先進的維修管理模式，如可為設(shè)備科評判設(shè)備安全性和有效性提供參考指標，為醫(yī)院應(yīng)對疫情與調(diào)整業(yè)務(wù)提供參照與數(shù)據(jù)支持，也可為醫(yī)院設(shè)備的采購提供強有力的數(shù)據(jù)支持。

3 討論

現(xiàn)階段針對醫(yī)療設(shè)備運營狀態(tài)的監(jiān)控措施和手段基本是全人工或者半軟件、半人工的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，其數(shù)據(jù)的收集過程相當煩瑣，手段滯后，以致所分析出來的數(shù)據(jù)結(jié)果缺乏參考價值。本研究的創(chuàng)新性在于采用多傳感器融合系統(tǒng)，結(jié)合多種方式采集設(shè)備數(shù)據(jù)，創(chuàng)新性引入數(shù)據(jù)融合建模技術(shù)、數(shù)據(jù)異常分析算法、數(shù)據(jù)挖掘等手段對所獲取的底層數(shù)據(jù)進行處理分析，多角度、多維度評估設(shè)備的實時風(fēng)險并分析使用效率；從數(shù)據(jù)結(jié)果來看，該系統(tǒng)可以實時監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)和設(shè)備的運行參數(shù)，其后續(xù)的數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計也對設(shè)備的運維管理有巨大的參考價值，比如故障的實時報警可以降低故障的嚴重化[16]，風(fēng)險的評估可以讓設(shè)備管理人員提前做好針對性、預(yù)防性維護，把故障消滅在萌芽狀態(tài)[17]。其自動統(tǒng)計設(shè)備顯示的功能利用率數(shù)據(jù)可為設(shè)備的采購提供決策依據(jù)，監(jiān)控設(shè)備提供的設(shè)備使用率數(shù)據(jù)和閑置時間可以有效實現(xiàn)設(shè)備的資源調(diào)配問題，從而提高設(shè)備的使用效率。綜合來看，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)評價數(shù)字診療設(shè)備狀態(tài)，能為設(shè)備科評判設(shè)備的安全性和有效性提供參考指標，提升了醫(yī)院設(shè)備監(jiān)測的信息化、智能化、自動化水平[18]，為醫(yī)院應(yīng)對突發(fā)狀況及提升設(shè)備使用效率提供有效參考與支持。

4 結(jié)論

基于實時狀態(tài)電流的數(shù)字診療設(shè)備運行狀況監(jiān)測系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)實時傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及多傳感器數(shù)據(jù)融合、異常數(shù)據(jù)智能監(jiān)測技術(shù)于一體，可實現(xiàn)基于狀態(tài)的醫(yī)療設(shè)備的監(jiān)管，提升醫(yī)院設(shè)備監(jiān)測的信息化、智能化、自動化水平，在一定程度上解決該研究領(lǐng)域數(shù)據(jù)不準確、多維數(shù)據(jù)獲取困難的問題，推動了該研究領(lǐng)域在醫(yī)療設(shè)備管理中的應(yīng)用。從管理學(xué)角度來看，系統(tǒng)所帶來的附加收益是可觀的，但系統(tǒng)的推廣存在一定局限性，鋪設(shè)的成本還比較高，即時報警方面還欠佳。展望該研究的未來發(fā)展空間，系統(tǒng)可通過擴展外部傳感器，監(jiān)測設(shè)備環(huán)境，比如輻射劑量監(jiān)測，實現(xiàn)對病人及工作人員輻射劑量的進一步管理，進而有效降低個人輻射照射量。由此可見系統(tǒng)的可擴展性及實用性的潛力巨大，可進一步挖掘并完善。