基于物聯網技術的醫學裝備質控管理平臺設計

張 磊，袁鑒辭，李 靜

（南京市江寧醫院，江蘇南京 211100）

國務院辦公廳2019 年發布的《關于加強三級公立醫院績效考核工作的意見》明確指出，各大公立醫院需積極開展系統化醫學裝備巡檢、保養、維護等工作，提升醫院的績效與醫療服務質量[1]。醫學裝備包含諸多重型醫療儀器，技術復雜、價格高昂，需要專門人員進行專業化精細管理。物聯網技術、現代信息技術日新月異，為醫學裝備的信息化管理帶來了新的設計靈感[2]，各等級醫療機構紛紛借助信息技術提高醫學裝備質控管理的系統化與精細化水平[3]。該研究以物聯網技術與現代信息技術為手段，綜合運用頻繁項集挖掘技術、粒子群算法、卷積神經網絡模型實現醫學裝備質控管理平臺設計，加強醫療設備維修效率、提高現代醫院的信息化管理水平。

1 醫學裝備質控管理物聯網平臺設計

1.1 醫學裝備質控管理平臺總體架構

物聯網能夠讓獨立的普通物理對象形成一個互聯互通的網絡，方便事物的信息共享與統一管理。為此基于物聯網技術設計醫學裝備質控管理平臺，基于B/S 模式布局網絡構架[4-5]，以隨時獲悉醫學裝備的實時運行數據監測設備的運行狀態，提高醫學裝備管理與維修的智能化水平，及時把控醫學裝備的質量應用情況。基于物聯網技術設計的醫學裝備質控管理平臺架構如圖1 所示。

圖1 基于物聯網技術的醫學裝備質控管理平臺架構

該架構中，感知層負責采集醫學裝備的運行狀態數據并上傳至網絡層，大量傳感器采集設備的基礎運行數據，由于醫學裝備應用具有分散性，為集中獲取設備狀態數據，在采集層集成了一體化數據采集模組，實現數據的集中處理與高效率擴展[6]；網絡層配備以太網、通信協議以及專有網絡，完成醫療設備使用信息的傳輸；在傳輸層進行數據解析、轉化、清洗操作，再上傳到平臺層進行存儲和分析[7]，最后在應用層顯示數據，方便遠程醫療、維修管理、質量監控、預警監測等操作進行應用。此外，如有新的醫學裝備添加至物聯網平臺時，將新設備IP地址、編號等信息輸入系統，并選擇對應的型號參數配置模板[8]；平臺配備標準的數據接口與數據模型，實現了外部設備同物聯網醫學裝備平臺內部數據的相互傳輸。

1.2 醫學裝備精細化運營技術

在醫學裝備數據處理環節，基于頻繁事項集對醫學裝備運營數據進行挖掘，獲悉醫學裝備運行過程中的高頻狀況，為設備維修、質量控制提供科學依據，掌控醫學裝備運營質量。

1）借助物聯網平臺采集醫學裝備的運行數據，構建醫學裝備運營管理事項集合X，X={Mij，1≤i≤3,j≥1}={醫學裝備型號，運營事項，有效（無效）}[9]。其中，事項元素與事項的類別分別用i、j表示。當醫學裝備運營過程符合規定與常理，且有效解決了醫療問題，認定其為“有效運營”，反之認定為“無效運營”。

2）基于期望加權支持度挖掘醫學裝備運營的頻繁項集。定義項集X在數據庫D內的期望加權支持度為exp wSup(X)[10]，即為項集X期望支持度與其權重值的成績，如式（1）所示：

式中，k為項集X內的項目總數；事務Tq中項集X出現的概率用p(X,Tq)表示；項目Ij的權重值用w(Ij)表示，w(Ij)∈(0,1]，w(X)為各項目權重的平均值。求取事項的支持度后，頻繁項集即為不小于支持度的事項，利用支持度最小值約束獲取醫學裝備運營項目的頻繁項集，將挖掘出的頻繁項集作為醫學裝備精細化運營的管理依據。

1.3 醫療裝備定位與監測技術

物聯網醫學裝備質控管理平臺集成RFID 定位設備，負責實時采集醫療設備的定位信息、監測使用狀態，醫療裝備定位與監測模塊的實現。硬件介質為固定的RFID 讀取器、手持RFID 信息分析器、RIFD桌面發卡終端。RFID 定位模塊以STM32 硬件為核心，由室內外定位硬件、通信單元、顯示單元有機組成。醫療裝備定位與監測功能的實現需要進行以下設計：首先在醫療設備端安裝RFID 標簽與RFID 遠程讀寫器，射頻模塊自動識別RFID 芯片位置，RFID標簽可發送高頻射頻信號[11]；其次，由讀寫器實時采集到位置信息及使用狀態，通過局域網將信息傳輸到物聯網平臺。

RFID 定位設備基于粒子優化濾波算法實現醫療裝備定位，具有較強的環境自適應性，能準確獲得醫療裝備的位置信息。RFID 定位設備通過估算待測標簽位置來確定醫學裝備的位置信息，基于鄰近標簽坐標描述待測標簽坐標值，表達式如下：

其中，wi表示鄰近標簽對待測標簽坐標定位的權值，待測標簽坐標與鄰近標簽坐標分別采用(x,y,z)、(xi,yi,zi) 表示。為了精準定位故障醫療裝備所在位置，高精度估算待測標簽的坐標值，將RFID定位問題視為求取“待測標簽同鄰近參考標簽之間距離誤差最小值”的問題[12-13]，基于式（3）最優化目標函數來實現，表達式如下：

式中，Pi是待測標簽與參考標簽之間的歐氏距離。應用粒子群優化算法實現目標函數的求解，將粒子視為RFID 待測標簽，粒子的位置則對應待測標簽的位置，求解目標函數后即可得到待測標簽同鄰近參考標簽之間的最小距離誤差，獲得最佳的RFID位置信息并估算結果，進而準確定位醫學裝備所在位置。

醫療裝備定位與監測模塊應用流程如下：1）醫療裝備進入工作區域前需經過RFID 讀寫器讀取設備信息，同時記錄其所在位置信息；2）設備進入工作狀態后，定位模塊自動采集設備開機與關機信號，分別將醫療設備的狀態定義為“使用中”、“空閑”；當醫療裝備處于需維修、保養等待處理狀態時，定位模塊將采集相應的狀態信息發送至后臺，以上狀態信息可在物聯網醫學裝備質控管理平臺后清晰查看。

1.4 醫療裝備自動巡檢技術

物聯網技術支持下的醫學裝備質控管理平臺具備工程自動巡檢功能，預設醫學裝備巡檢的時間、人員信息，平臺將自動向對應醫學裝備工程師發送巡檢提醒，醫療裝備定位與監測模塊采集的設備位置信息與狀態信息為自動巡檢提供了參考依據；同時工程師巡檢信息將安全存儲在物聯網平臺中，作為醫學裝備后期維修與保養的根據。自動化巡檢包含如下幾項功能：

1）故障自動診斷及預警。平臺基于卷積神經網絡算法識別醫療裝備的故障信號，及時發現設備問題并進行預警。利用高精度傳感器采集醫療裝備的電壓信號，標簽處理后作為卷積神經網絡算法診斷的樣本數據。卷積神經網絡診斷模型包含卷積層、批歸一化層、降采樣層、全連接層，模型需要學習醫療裝備故障特征后才能對當前數據進行故障識別[14]，定義醫療裝備故障診斷訓練集包含m個樣本、c個故障類型，{(xi,yi),…,(xm,ym)}則為訓練集的輸入形式，對應歸屬類別的標簽定義為yi、xi，故障診斷樣本目標函數如下：

卷積神經網絡故障診斷模型的卷積層和降采樣層負責提取醫學裝備的故障特征，全連接層負責將提取的故障特征進行映射分類，輸出醫學裝備的故障診斷結果。

2）自動報修功能。平臺的自動報修功能可一鍵實現，不局限于手機短信文本報修，還包括手機語音、手機圖片、微信等提醒方式。維修指令直接下達到維修團隊負責人手中，可以自主維修的內容內部解決，無法自主完成的維修工作需繼續向維修商報備，并且自動生成線上信息化的維修報表、維修記錄、分析報告等內容。

3）醫院信息共享功能。物聯網醫學裝備質控管理平臺內置標準數據接口，實現各種醫學裝備之間的數據傳輸與共享，醫院信息管理系統、放射學信息系統、影像信息系統、檢驗信息系統之間互相聯動，實時共享各科室的醫學裝備數據；例如監護儀、呼吸機配備醫療數據傳感器，由數據采集模組獲取設備的原始狀態數據，通過通信模組上傳到物聯網網關，經過數據格式轉換、數據清洗等預處理操作[15]，并更新為當前最新的醫療裝備信息；共享數據存儲在平臺中，自動巡檢工程師可按需提取數據，指導醫療裝備的維修工作。

4）巡檢數據分析功能。物聯網醫學裝備質控管理平臺集成了移動互聯網、物聯網、云計算、大數據、RFID 射頻等技術，網絡數據傳輸協議為HTTP 協議，實時采集的醫學裝備信息經過預處理與安全認證[16]，數據真實可靠，物聯網互聯網技術集中整合各個分散的硬件設備信息，動態連接數據庫；云計算提供并行化、分布式大數據計算模型，加速醫學裝備的質控效率；RFID 射頻技術實時定位精準醫學裝備的位置信息，為臨床救治爭取大量時間。

2 平臺應用效果分析

2.1 平臺可視化界面展示

將文中設計的醫學裝備質控管理平臺用于醫學裝備管理實踐，平臺“維修管理”功能界面如圖2 所示。采用物聯網信息化管理平臺取代原有的半數字化信息記錄方法（人工記錄+文檔記錄），完成全部醫學裝備的歸檔工作；利用兩個月時間對使用人員進行醫療設備管理培訓、對工程部技術人員實施維修培訓；最后展開多次考核，確保相關人員已經掌握醫學裝備質控管理方法。該文方法投入實際應用時長已經超過一年，取得了顯著的精細化管理成效，使該院醫療設備質控管理水平得到明顯優化。

圖2 平臺“維修管理”界面

2.2 醫學裝備運營的頻繁項集挖掘分析

以5 天內醫學裝備運營數據為對象進行數據挖掘，獲得各類型設備運營的頻繁項集，挖掘結果皆為“有效運用”，數據內容如表1 所示。

表1 醫學裝備運營醫學裝備運營挖掘結果

分析表1 數據可知，針對各類型的醫學裝備，平臺能夠挖掘出特定時間段內與醫學裝備關聯高的頻繁事項集，如X 射線診斷設備與“輻射安全測定與校正”事項存在高關聯，說明X 射線診斷設備在測試時間段內高頻率的進行了輻射安全測定與校正行為；支持度為12.40%，且該挖掘結果為有效，可以作為管理人員評價X 射線診斷設備運行質量、設備故障原因分析的關鍵依據。

2.3 醫學裝備報修效果分析

2019 年11 月-2020 年10 月為原有方法應用階段，2020 年11 月-2021 年10 月為該文物聯網平臺應用階段。原有方法應用階段共產生報修問題562次，該文方法應用階段共產生報修問題422 次，報修次數顯著降低，并且該文方法應用階段仍有新的醫療設備購入，提高了設備報修的概率，而該文方法仍然有效降低了醫學裝備報修的次數。2019 年9 月-2020 年9 月內562 次報修中出現問題的次數如表2所 示，2020 年11 月-2021 年10 月 內422 次報修中出現問題的次數如表3 所示。

表2 原有方法報修過程中產生的問題

表3 該文方法報修過程中產生的問題

由表2 可知，使用原有方法進行的醫學裝備精細化管理，在報修過程中產生了諸多問題，例如保養工作不按期進行發生42 次，出現35 次保養記錄不完善的情況；維修記錄查找困難的比重為9%；另外，維修后無人跟進的情況時常發生，這些問題均為醫學裝備精細化管理造成了阻礙，不利于醫療設備的正常使用，甚至在很大程度上縮短了設備的使用壽命。

表3 數據顯示，使用該文方法對醫學裝備進行精細化管理與質控后，“保養不按期進行”、“保養記錄不完善”的情況也由7.46%、6.21%降低至1.18%、0.95%，報修后維修人員到場不及時、維修情況無跟進的情況僅分別出現了2 次、3 次。

綜合表2 與表3 的結果可知，該院應用醫學裝備質控管理平臺后，管理效率明顯提升、質控效果得到顯著改善。這是因為該平臺基于物聯網與現代信息技術進行設計與研發，完善了醫學裝備質控方案，設計了醫療裝備定位與監測模塊、自動巡檢模塊動態掌握最新的設備狀態與位置信息，當設備出現問題時會立即上報至平臺，維修人員獲知后能及時對報修、保養、維護等事宜進行處理，所以不按期保養、維修人員到場不及時等問題較少出現，醫學裝備質量監測與控制水平顯著提升。該醫學裝備精細化管理方案對于強化醫療設備質量控制效果、節約醫療資源大有裨益。

3 結論

該研究基于物聯網與現代信息技術研發了醫學裝備質控管理平臺，以增強設備使用的安全性能、延長設備使用壽命。物聯網技術的應用將全院的醫療設備聯系起來，實現數據共享，平臺使用了大量傳感器采集設備基礎運行數據，在數據處理環節對醫學裝備運營高頻事項進行挖掘，醫療裝備定位與監測模塊基于粒子優化濾波算法精準計算醫療裝備的定位信息，自動巡檢模塊利用卷積神經網絡診斷裝備故障，有利于管理人員第一時間了解醫學裝備的故障情況，并及時獲知各裝備詳細的定位信息。

總體而言，該文以物聯網與現代信息技術為手段完善醫學裝備的質控管理工作，提高醫學裝備質量管理與控制水平，努力延長高昂醫療設備的服役年限，有助于實現社會效益和經濟效益的最大化。