基于數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的醫(yī)療器械信息綜合管理系統(tǒng)

孫國君

上海交通大學醫(yī)學院附屬上海兒童醫(yī)學中心 資產(chǎn)管理科，上海 200127

引言

在管理醫(yī)療器械管理過程中，需對醫(yī)療器械的使用方式、器械類別、引進時間、使用情況、維修情況以及正常檢查等信息、消耗情況等信息進行全面、綜合的管理[1]。信息綜合管理是指通過信息化手段[2]，合理利用和實時掌控相關(guān)信息的一種管理手段，能夠?qū)崿F(xiàn)信息的統(tǒng)一管理[3]。數(shù)據(jù)驅(qū)動是一種數(shù)據(jù)運用技術(shù)[4]，其能夠充分利用采集的數(shù)據(jù)形成信息流，以其為依據(jù)實現(xiàn)不同需求，可為決策、運營以及管理中為用戶提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)[5]。醫(yī)療器械信息則具備典型的動態(tài)循環(huán)和更新快的特征，需不斷的補充、更新，因此如何有效實現(xiàn)醫(yī)療器械信息綜合管理，成為醫(yī)療器械行業(yè)的主要工作[6-7]。

因此，本文設(shè)計基于數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的醫(yī)療器械信息綜合管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)以數(shù)據(jù)驅(qū)動模型為基礎(chǔ)，獲取醫(yī)療器械的全面信息，并且在系統(tǒng)中引入一致性機制，實現(xiàn)信息的分布式永久保存，極大程度地提升系統(tǒng)的綜合管理效果。

1 醫(yī)療器械信息綜合管理系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計基于數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的醫(yī)療器械信息綜合管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)整體分為3個層次，分別為信息采集層、數(shù)據(jù)驅(qū)動層、應用層，因此利用數(shù)據(jù)模型所設(shè)計的系統(tǒng)具有具備良好的信息聚類效果、遠程寫入性能以及更新、修改、調(diào)用等操作功能的技術(shù)特點，可以實現(xiàn)醫(yī)療器械信息的靜態(tài)管理和動態(tài)管理，其總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

（1）信息采集層。該層的核心為AXIe高速數(shù)據(jù)采集傳輸接口，該接口連接移動無線技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)醫(yī)療器械信息的采集和傳輸。

（2）數(shù)據(jù)驅(qū)動層。該層主要以數(shù)據(jù)挖掘引擎、數(shù)據(jù)分析接口、數(shù)據(jù)驅(qū)動引擎為核心，結(jié)合相關(guān)處理方法完成數(shù)據(jù)的聚類、轉(zhuǎn)換、集成、加載以及清洗等，將處理后的信息存儲至數(shù)據(jù)倉庫中[8]。并且在該層中引入分布式持久性一致性機制，該機制可保證在系統(tǒng)發(fā)生癱瘓時，能夠通過持久化操作，完成信息恢復，實現(xiàn)信息同步和異步的持久化。

（3）應用管理層。該層包含3個模塊，即應用服務(wù)模塊、功能服務(wù)以及管理控制模塊[9]，能夠?qū)崿F(xiàn)醫(yī)療器械信息查詢、輸入、調(diào)整、更新等。

信息采集層通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感設(shè)備完成醫(yī)療器械信息的綜合采集，并通過分布式文件完成信息存儲后，將采集的信息傳送至數(shù)據(jù)驅(qū)動層；數(shù)據(jù)驅(qū)動層采用驅(qū)動引擎、挖掘引擎和基于誤差反饋的數(shù)據(jù)清洗方法完成醫(yī)療器械信息的處理和存儲，應用管理層則可依據(jù)用戶的需求，通過相應的接口獲取所需的相關(guān)服務(wù)，可對醫(yī)療器械信息實行查詢[10]、調(diào)整以及更新等，以此實現(xiàn)醫(yī)療器械信息的靜態(tài)和動態(tài)綜合管理。

1.2 AXIe高速醫(yī)療器械數(shù)據(jù)采集傳輸接口

系統(tǒng)在運行過程中，為實現(xiàn)醫(yī)療器械信息的高效采集和傳輸，在信息采集層部署AXIe高速數(shù)據(jù)采集傳輸接口，該接口具備良好的數(shù)據(jù)吞吐率以及可兼容性，滿足數(shù)據(jù)的高效采集需求。

該接口是星型拓撲結(jié)構(gòu)，支持高速串行計算機擴展總線 標 準（Peripheral Component Interconnect Express，PCIExpress）接口協(xié)議、四通道端口配置，該接口包含3部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 采集接口結(jié)構(gòu)

該接口主要通過三部分實現(xiàn)醫(yī)療器械信息的采集，分別為采集、緩存和傳輸；其中采集模塊的實現(xiàn)是通過時間交織采樣技術(shù)完成，并且為保證采集質(zhì)量，通過低抖動時鐘實行信息采集控制；信息的存儲采用DDR3存儲器完成，該存儲器具備存儲效率高、功耗小以及存儲容量大等特點，滿足醫(yī)療器械信息存儲要求。

1.3 分布式持久性一致性機制

在進行醫(yī)療器械信息綜合管理過程中，為避免系統(tǒng)發(fā)生癱瘓或者突發(fā)故障，導致信息損失，在數(shù)據(jù)驅(qū)動層引入分布式持久性一致性機制，該機制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 分布式持久性一致性機制結(jié)構(gòu)

該機制在本質(zhì)上是一種保證保護措施，其能夠?qū)⒃畔⒌刂泛托畔⒌刂肪鶎懭氩僮魅罩局校瑢崿F(xiàn)該日志的持久化，即可保證系統(tǒng)發(fā)生癱瘓或者突發(fā)故障時，醫(yī)療器械元信息和分布式信息的一致性。并且，該機制具備遠程寫入一致性措施，能夠?qū)崿F(xiàn)客戶端和服務(wù)器端寫入醫(yī)療器械信息的持久化操作，該措施在執(zhí)行過程中，客戶端為實現(xiàn)遠程寫入，采用RDMA write-with-imm原語遠程寫入服務(wù)器端完成，并且服務(wù)器端具備客戶端標識功能，能夠定位需要寫入醫(yī)療器械信息地址，并且明顯降低CPU的處理帶寬。

1.4 醫(yī)療器械數(shù)據(jù)清洗

醫(yī)療器械數(shù)據(jù)清洗是系統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動層的重要方法，其能夠?qū)Σ杉尼t(yī)療器械信息實行異常信息插補，采用K-Means聚類算法完成醫(yī)療器械信息的聚類后，本文采用基于誤差反饋的異常信息組合插補方法完成數(shù)據(jù)清洗[11]。

信息樣本由醫(yī)療器械綜合信息組成[12]，將樣本集中缺失的信息部分對應的原始值定義為參考序列，用Y0表示，且Y0={Y0(1),Y0(2),…,Y0(m)}，其中m表示數(shù)量。對該缺失的信息實行插分處理，其通過EM插補方法完成，以此可得插補序列Y1={Y1(1),Y1(2),…,Y1(m)}、Y2={Y2(1),Y2(2),…,Y2(m)}，其中，Y1、Y2均表示插補序列。

采用平均相對誤差對插補結(jié)果實行評價，并計算該誤差結(jié)果，計算方法如公式(1)所示。

在公式(1)的基礎(chǔ)上，求解相應的插補權(quán)重，其計算公式如式(2)所示。

式中：Xj表示平均相對誤差值，n表示插補數(shù)量。

確定插補權(quán)重后，采用插補方法對信息實行處理，且該信息為與Y0特征相似的醫(yī)療器械信息，獲取其插補序列，其公式如式(3)所示。

序列中的第i個信息的求解公式，見式(4)。

式中：Yj(i)表示第i個插補序列，其對應權(quán)重用ωj表示，且i=1,2,…,t，其中，樣本集中缺失信息的數(shù)量用t表示。

通過上述步驟即可完成醫(yī)療器械信息清洗，實現(xiàn)缺失信息的插補。

1.5 醫(yī)療器械信息綜合管理

應用管理層將數(shù)據(jù)清洗后的醫(yī)療器械信息實行整合，假設(shè)采集到的醫(yī)療器械信息用(a,b,…,n)表示，則在信息整合過程中，以醫(yī)療器械信息的屬性和類別的差異維護整合標準[13]，依據(jù)時間序列實現(xiàn)信息整合。假設(shè)醫(yī)療器械信息集合R，且R={N(aλ,bλ,…,nλ)}，其中，整合系數(shù)用N表示 ；λ表示矩陣系數(shù)，屬于第a,b,…,n個醫(yī)療器械信息。

對整合后的醫(yī)療器械信息實行過濾處理，去除冗余信息[14]，如果C0表示冗余信息集合，則有效的醫(yī)療器械信息計算公式如式(5)所示。

式中：B表示調(diào)整或者更新后的醫(yī)療器械信息；Bi表示信息訪問峰值。

對管理參數(shù)實行設(shè)定，其前提條件為Inf0(C)已知；為獲取醫(yī)療器械信息綜合管理目標函數(shù)V，對C實行管理，且結(jié)合模糊度指標完成，則V的計算公式如式(7)所示。

式中：V表示醫(yī)療器械信息管理目標；管理參數(shù)初始值用L表示。

通過上述過程即可完成醫(yī)療器械信息的靜態(tài)綜合管理，在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)其動態(tài)管理。設(shè)醫(yī)療器械動態(tài)信息綜合調(diào)度響應函數(shù)計算公式如式(8)所示。

式中：調(diào)度響應用H(t)表示；t時刻醫(yī)療器械信息數(shù)量用P(t)和P(-t)表示，前者對應輸入醫(yī)療器械信息，后者

以4階矩陣原理為依據(jù)，為獲取C的關(guān)聯(lián)特征，通過對C實行處理完成，則該特征的公式如式(6)所示。對應調(diào)整或者更新的醫(yī)療器械信息。

采用逐層挖掘的方式對醫(yī)療器械信息集合內(nèi)的頻繁模式集實行挖掘[15]，獲取醫(yī)療器械動態(tài)信息集合的特征，同時完成卷積函數(shù)的設(shè)定。設(shè)調(diào)度干擾項用h(p)表示，則可調(diào)度的而最佳醫(yī)療器械動態(tài)信息集[16]的計算公式如式(9)所示。

式中：h表示醫(yī)療器械動態(tài)信息子集。

將公式(9)定義為醫(yī)療器械動態(tài)信息管理的控制量，則信息快速管理Ji的函數(shù)表達公式如式(10)所示。

式中：密度特征用xk表示，屬于醫(yī)療器械動態(tài)信息；干預項用DL表示。在保證其他干預項均為最小的情況下，可高效實現(xiàn)醫(yī)療器械信息綜合管理。

通過上述內(nèi)容即可實現(xiàn)醫(yī)療器械信息的靜態(tài)和動態(tài)管理，即為高效實現(xiàn)醫(yī)療器械信息綜合管理。

2 結(jié)果

為測試本文系統(tǒng)的綜合管理性能和效果，將文本系統(tǒng)用于上海兒童醫(yī)學中心，上海兒童醫(yī)學中心是上海市人民政府與美國世界健康基金會（Project HOPE）的合作建設(shè)項目，是一所集醫(yī)療、科研、教學于一體的三級甲等兒童專科醫(yī)院，占地100畝，總建筑面積6萬多平方米，核定病床500張，擁有一流的樓宇自動化設(shè)備和完備的醫(yī)療保障設(shè)施，擔負著上海和全國各地患病兒童以及來華外籍人士子女的醫(yī)療工作，因此本文對該上海兒童醫(yī)學中心的醫(yī)療器械信息實行綜合管理，將本文系統(tǒng)部署在總部服務(wù)器上，展開相關(guān)測試分析。

為了直觀體現(xiàn)系統(tǒng)在醫(yī)療器械信息綜合管理方面的應用性，登錄系統(tǒng)后，對醫(yī)療器械信息實行相關(guān)管理選項操作，測試本文系統(tǒng)的應用效果，見圖4。

圖4 醫(yī)療器械信息綜合管理的應用效果

由圖4可知，本文系統(tǒng)的應用性能良好，能夠通過不同的操作選項對醫(yī)療器械信息實行相關(guān)的管理操作，能夠查看不同管理類別的醫(yī)療器械信息，同時具備醫(yī)療器械信息的更新、修改以及調(diào)用等操作功能，可實現(xiàn)醫(yī)療器械信息的綜合管理。

醫(yī)療器械信息聚類是系統(tǒng)實現(xiàn)綜合管理的基礎(chǔ)，因此，需保證系統(tǒng)具備良好的醫(yī)療器械信息聚類性能，采用DB指數(shù)作為本文系統(tǒng)信息聚類效果的評價指標，該指標值越小，表示聚類效果越佳，其取值范圍為0～1，計算公式如式(11)所示。

式中：k表示聚類數(shù)量；Wi、Wj均表示平均距離，前者對應類Ci與聚類中心之間，后者對應Ci和類Cj中心。

依據(jù)公式(11)獲取本文系統(tǒng)在不同維數(shù)的醫(yī)療器械信息聚類的DB指數(shù)結(jié)果，見圖5。

由圖5可知，在不同的維度信息下，隨著聚類數(shù)量的逐漸增加，本文系統(tǒng)的DB指數(shù)測試結(jié)果均在0.35以下，即使信息的維度較高，DB指數(shù)的測試結(jié)果也沒有顯著增加。因此，表明本文系統(tǒng)能夠完成不同維度信息的聚類，且聚類效果良好。

圖5 信息聚類效果測試

為測試本文系統(tǒng)對于信息管理的一致性，以遠程寫入一致性作為衡量指標，該指標通過遠程寫帶寬的性能實行描述。測試客戶端和服務(wù)端同時在信息寫入時，隨著寫入信息量的逐漸增加，一致性的測試結(jié)果，見圖6。

圖6 一致性測試結(jié)果

由圖6可知，在寫入相同大小信息時，客戶端和服務(wù)端的遠程寫帶寬結(jié)果幾乎完全吻合，該結(jié)果表示本文系統(tǒng)具備一致性功能，能夠保證元信息和分布式信息的一致性。

為進一步衡量本文系統(tǒng)的綜合管理效果，測試本文系統(tǒng)在實行同步信息、異步信息以及批量異步信息實行管理過程中寫入帶寬的變化情況，見圖7。期望的寫入帶寬標準為低于0.004 Mbps。

由圖7可知，本文系統(tǒng)在實行同步信息、異步信息以及批量異步信息寫入時，隨著寫入信息量的逐漸增加，寫帶寬發(fā)生差異性的變化，在三種情況下雖然寫帶寬均呈現(xiàn)上升趨勢，但是同步信息的寫入帶寬增加幅度較小，批量異步信息的寫入帶寬增加趨勢顯著，但是均在期望的標準之內(nèi)。因此本文系統(tǒng)具備良好的一致性，間接表明本文系統(tǒng)的信息綜合管理效果良好，能夠提升醫(yī)療器械信息的寫入性能，保證信息的高效統(tǒng)計。

圖7 同步和異步信息的寫入帶寬測試結(jié)果

為衡量本文系統(tǒng)的醫(yī)療器械信息清洗效果，采用公式(1)的計算結(jié)果作為衡量標準，測試本文系統(tǒng)在對不同序列實行插補后的結(jié)果，見圖8。本文中的插補平均相對誤差結(jié)果低于0.5。

由圖8可知，本文系統(tǒng)的清洗效果良好，在不同序列數(shù)量下，對兩種序列插補后的平均相對誤差均在0.4以下。因此，本文系統(tǒng)具備良好的信息清洗效果，為信息綜合管理提供可靠基礎(chǔ)。

圖8 插補效果測試結(jié)果

3 討論與結(jié)論

為了提升醫(yī)療器械信息的管理效率以及質(zhì)量，實現(xiàn)醫(yī)療器械信息的靜態(tài)和動態(tài)的雙重管理，本文設(shè)計一種新的醫(yī)療器械信息綜合管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要以數(shù)據(jù)驅(qū)動層中的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型作為核心，采用驅(qū)動引擎、挖掘引擎和基于誤差反饋的數(shù)據(jù)清洗方法，清洗接收到的信息并將其存儲至數(shù)據(jù)倉庫中，為后續(xù)的信息綜合管理奠定堅實的基礎(chǔ)。因此在實際測試中該系統(tǒng)能夠查看不同管理類別的醫(yī)療器械信息，同時具備醫(yī)療器械信息的更新、修改以及調(diào)用等操作功能，與此同時可以完成不同維度信息的聚類，聚類效果良好，能夠保證元信息和分布式信息具有一致性，提升醫(yī)療器械信息的寫入性能，保證信息的高效統(tǒng)計，且具備良好的信息清洗效果，為信息綜合管理提供可靠基礎(chǔ)，這些充分證明了所設(shè)計系統(tǒng)的有效性與創(chuàng)新性。

本文設(shè)計基于數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的醫(yī)療器械信息綜合管理系統(tǒng)。將該系統(tǒng)用于上海兒童醫(yī)學中心實行相關(guān)測試，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠較好地完成不同維度信息的聚類，且一致性較好，能夠在較小的帶寬下完成同步、異步以及批量異步信息的寫入，能夠全面綜合地管理醫(yī)療器械信息。本文系統(tǒng)在醫(yī)療器械的綜合管理方面具備較好的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)醫(yī)療器械靜態(tài)和動態(tài)的綜合管理，可以為醫(yī)療器械管理提供重要參考，對于推動醫(yī)療器械綜合管理領(lǐng)域的進一步發(fā)展具有重要意義。但是由于在測試過程中，僅對上海兒童醫(yī)學中心的醫(yī)療器械信息綜合管理實行相關(guān)測試，對于其他類型醫(yī)院的管理效果仍需進一步進行相關(guān)測試，以獲取更全面的應用測試結(jié)果。