ICU醫療設備物聯網解決方案研究

楊策源，康季槐

南部戰區海軍第一醫院 a. 醫工科；b. 信息科，廣東 湛江 524005

引言

重癥監護室（Intensive Care Unit，ICU）是專門收治危重病癥并給予精心監測和精確治療的醫療單元。為最大限度地確保病人的生存及隨后的生命質量，在ICU 中會運用各種先進的醫療技術（現代化的監護和搶救設備），對收治的各類危重病患者實施集中的加強治療和護理。隨著現代科學技術的發展，越來越多的先進技術和設備應用于ICU，極大提高了救治的時效性和成功率，但由于設備種類多、廠商多，ICU 各個設備獨立工作，缺乏系統集成，不具備互操作性[1]。這一問題導致設備之間形成信息孤島，而設備產生的大量信息需要醫護人員去綜合和判斷，信息過載給ICU 醫護人員造成很大負擔[2]。同時，各個設備基于廠商開發的報警算法對患者進行監護或者異常事件報警，然而，這些報警算法多是基于閾值或者基于單一參數的，多源參數或者來自不同設備的數據無法被深度利用[3]，導致ICU 中的設備誤報警率高，醫護人員對報警疲勞，報警算法成為“十大醫療技術危害”之一[4]。

未來ICU 的發展方向是個體化和集成化[1]，即減少來自不同設備的監護屏幕，將各個設備來源的信息集成在一個屏幕上分析和顯示，并且將來自不同設備的數據進行深度的融合分析，發展智能化、個體化的疾病狀態分析和預測預警算法。因此，將ICU 內的各類設備聯網，實現信息集成和綜合利用是未來ICU 設備配置和信息系統建設的發展方向。尤其是在醫療大數據時代，ICU 患者在住院期間產生大量、高密度的監測和救治數據，相比于門診或者普通病房患者數據，這是一類高顆粒度的醫療大數據，支持復雜的臨床問題研究，可以為降低誤報警、智能化決策支持、個體化醫療等研究提供數據資源集[5]。

物聯網將各種信息傳感設備與互聯網結合起來形成網絡，是互聯網的延伸和擴展，即“萬物相連的互聯網”。通過物聯網技術，實現醫療設備間的聯網和互操作，其所屬的大的應用領域稱為醫療物聯網，針對醫療設備互聯的細分領域稱為醫療設備物聯網[6]。醫療設備物聯網可以更加高效地獲取患者以及醫療環境（設備狀況、參數設置、醫護操作等）數據，加速醫院內信息的流通和整合，通過設備的預防性維護降低臨床風險和不良事件，通過數據的深度分析利用為臨床提供診療決策支持。對于ICU 醫療設備物聯網建設，其挑戰主要在于設備種類多、接口形式多、數據協議不統一、不開放，以及數據的深度分析利用。國外由于醫院信息化建設起步較早，無論是出于醫療法規對患者醫療信息采集和存檔的要求，還是出于對醫療數據二次分析利用的目的，ICU 中都配有專科電子病歷系統，負責將ICU 內醫療設備信息連接起來，并在電子病例中存儲患者生命體征和關鍵的一些設備治療參數（如呼吸機使用時間、參數設置等）[7]。國內由于信息化起步相對較晚，ICU 內醫療設備互聯相對滯后，最近幾年才有專門針對ICU 設計開發的專科電子病歷系統進行整合和記錄來自醫療設備的數據。隨著發展，醫療設備物聯網建設也成為國內的研究熱點，在ICU 領域，很多研究集中在通過物聯網技術對設備報警信息進行管理，以此降低誤報警[8-12]。

本文首先分析了ICU 醫療設備物聯網建設的價值和技術難點，在此基礎上，基于先期的預實驗，探討了ICU 醫療設備物聯網建設方案，最后展望了該領域的發展方向。

1 ICU醫療設備物聯網建設價值分析

國內很早就有研究探索如何利用醫療設備物聯網技術促進醫療設備的運營管理[13]，在ICU 領域的應用，多聚焦在報警信息的管理和如何降低誤報警[8-11]，相關成果的研究團隊多是醫院的醫學工程部門和信息部門，有研究嘗試了多學科團隊模式來降低誤報警率[12]。綜合看來，整個行業對醫療設備物聯網的價值認識尚不深入，要推動ICU 醫療設備物聯網的發展，首先要聚焦其應用價值，因此，本文先簡單分析其應用價值。

1.1 醫療設備運行管理的需要

通過醫療設備物聯網技術，可以獲取設備從安裝使用到報廢退役的全流程的設備運行、故障、維修等信息，并可能獲得患者相關的數據（如監護儀獲得患者連續監護數據），這些數據對于醫工部門的設備運行管理至關重要。

1.2 提高醫療安全和質量的需要

基于醫療設備物聯網獲取的設備運行狀態數據，醫工部門基于數據分析，可以對設備進行預防性維護，從而降低設備給患者帶來的安全風險，降低不良事件發生率?；卺t療設備物聯網獲取的患者數據，醫護人員可以實時查看患者病情，對患者病情惡化及時作出預判。由于設備和患者數據能夠采集和存儲，醫護人員可以對感興趣的臨床研究題目開展深入研究，促進研究成果的產出和轉化。醫療設備物聯網獲取的設備數據和患者數據也是進行醫療設備臨床應用評價和上市后再評價的重要數據來源[14]。

1.3 醫院運營管理的需要

基于醫療設備物聯網獲取的綜合數據，醫院可以對設備使用頻次、故障數量、故障分布、效率效益等開展更加深入和細致的分析，從而為采購決策、醫院設備配置等提供精細化的決策支持信息。

1.4 面向未來醫療大數據利用的需要

目前ICU 設備使用的現狀是設備產生的患者信息不開放，不支持二次分析利用。利用醫療設備物聯網技術，可獲取與患者相關的設備數據（如監護儀的生理波形數據，呼吸機的壓力和流量波形數據），這些數據與患者臨床數據匹配后，會產生巨大的臨床應用和科研價值。醫療設備物聯網獲取的設備數據和患者數據也可用于降低誤報警率相關研究。

2 ICU醫療設備物聯網建設難點分析

2.1 設備互聯互操作缺少標準

ICU 內的醫療設備大體可分為生理監護類（如監護儀）和生命支持類（如呼吸機、輸注泵、血濾機），設備種類多，廠商多，各廠商通訊協議不開放，國際上尚未形成統一的設備聯網和互操作標準。目前可參考的工作是麻省總醫院“醫療設備即插即用”實驗室（Medical Device Plugand-Play Lab，MD PnP Lab）開展的探索性研究，探索建立一種基于OpenICE 的醫療設備互聯和互操作標準。生理監護和生命支持類設備聯網可以參考的標準包括IEEE-11037以及HL7 標準[15]。

2.2 設備聯網涉及大量底層工作

由于ICU 設備類型多、接口形式多、廠商多，加上數據通訊協議不開放，給ICU 醫療設備物聯網建設帶來很大挑戰[16]，從設備接口到通訊協議，再到設備信息集成以及確保應用中設備信息與患者信息的準確匹配，都需要開展大量工作，需要工程人員與臨床醫護人員、醫院管理部門的高度配合。

2.3 數據的深度分析利用

ICU 醫療設備物聯網建設的另一個挑戰是對于采集到的數據，如何深度的挖掘和分析利用。醫工和信息部門除了設備的日常運行狀態監測，還要發展基于數據驅動的設備健康狀態監測與預測性分析；衛生經濟部門需要基于運營管理，對數據開展深度的分析利用；醫護人員可基于醫療設備物聯網產生的海量數據，開展臨床研究，發展基于醫療大數據和人工智能的輔助決策支持系統。開展這類工作，既需要深厚的數據分析利用能力以及工程實現能力，又需要具備工程與臨床的跨學科能力，目前這類人才普遍缺乏。

3 ICU醫療設備物聯網建設解決方案

3.1 基于私有協議的設備互聯

針對ICU 設備接口形式多、數據通訊協議不開放的問題，有些廠商（包括專門從事醫療設備物聯網建設的公司以及從事ICU 信息化建設的公司）通過一定渠道，獲得了ICU 中使用的大部分生理監測和生命支持類設備的接口協議，從而能夠讀取設備數據（包括工作狀態、運行參數、波形數據和報警信息等），構建出一套基于廠商私有協議的數據采集和通訊方案，實現ICU 設備聯網。如北京惠澤智信科技有限公司的醫療設備物聯網解決方案，就是通過自身研制的數據采集盒獲取每一個醫療設備的數據，轉換成其私有協議后實現設備聯網，如圖1 所示。

圖1 基于私有協議的設備互聯解決方案

3.2 基于OpenICE標準的設備互聯

OpenICE 是麻省總醫院醫療MD PnP Lab 提出的一種醫療設備物聯網解決方案，為解決醫療設備互聯和互操作問題，從2004 年開始，該院在各類經費的持續資助下開展了互聯領域的研究工作，目的是建立一種通用的醫療設備通訊和互操作標準，實現醫療設備聯網的“即插即用”[15-16]。基本理念為不同的醫療設備廠商以及各類醫療設備，都按照統一的標準協議輸出數據，在中央站/服務器端就可以按照統一格式讀取設備數據，實現采集和存儲。核心的標準是集成臨床應用環境和數據通訊標準（IEEE-11073），如圖2 所示。

圖2 基于OpenICE的醫療設備物聯網解決方案

3.3 基于邁瑞Benelink模塊的設備互聯

邁瑞醫療為解決ICU 內醫療設備互聯和互操作問題，也提出了基于其Benelink 模塊和eGateway 的設備物聯網解決方案。其中Benelink 模塊可以連接不同廠商不同類型的醫療設備，數據通過其N 系列監護儀匯總到中央監護站，中央監護站再通過eGateway 進一步將數據傳輸到后臺服務器，其示意圖如圖3 所示。

4 實施效果和方案比較

4.1 實施效果

目前在醫院心內科監護室試點了上述幾種設備聯網解決方案，聯網的設備包括呼吸機、監護儀和輸注泵三類設備。基于惠澤醫信的解決方案，目前已經實現了心內監護室大部分設備的聯網，采集參數包括生命體征參數、設備實時報警參數和設備實時工作狀態。醫護人員可在病房內或病房外實時查看每臺設備的參數設置、報警信息和設備工作狀態。以設備實時參數/趨勢數據查看為例，系統支持按照床單元對設備進行管理，通過床單元關聯病人使用的設備，實時查看設備參數數據。以呼吸機為例，實時參數/趨勢數據包括但不限于呼氣潮氣量、分鐘呼氣量、吸入氧氣濃度、吸呼時比、峰壓等參數。呼吸機參數/趨勢信息的獲取和顯示，如圖4 所示。

圖3 基于Benelink模塊的醫療設備物聯網解決方案

圖4 呼吸機參數/趨勢信息的獲取和顯示

基于該方案，還可以實時查看設備的報警信息，當設備出現報警時，系統支持PC 端實時查看設備報警信息。以呼吸機為例，報警信息包括但不限于：呼氣末正壓過高過低報警、呼吸頻率過高過低報警、氧濃度過高過低報警、每分呼氣量過高過低報警等報警信息。設備使用狀態也可以做到實時查看、自動生成操作記錄。工作狀態的種類可以細分為以下3 種：關機，沒有接通電源；待機，開機但沒有使用；使用中，開機狀態下正在使用。通過對上述設備狀態具體時間的記錄，可以自動生成每一臺設備的使用及操作記錄且自動上傳至設備科的管理終端，臨床科室不再需要派專人進行紙質記錄。

基于OpenICE 標準的設備聯網解決方案，我們試點了飛利浦的MP50 監護儀，通過設備適配器將MP50 的通訊協議轉換成OpenICE 標準的數據協議，上傳到上位機系統?；贠penICE 標準，從MP50 監護儀上獲得的數據類型包括波形數據、生命體征數據、報警和設置信息。

基于邁瑞的聯網解決方案，我們試點了邁瑞的N 系列監護儀（N15），通過Benelink 模塊可以將監護儀的數據傳送到中央監護站，在中央監護站，通過eGateway 進一步上傳，基于HL7 的通訊協議將數據發送到后臺的數據服務中心。通過Benelink 模塊，可以連接其他的外圍設備，如呼吸機（德爾格Evita）?；贐enelink 和eGateway 解決方案，除了能夠與OpenICE 標準一樣實時獲得波形數據、生命體征數據、報警和設置信息，由于邁瑞是原始設備制造商，還能夠提供高保真、高分辨率的監護數據，便于后續的醫學研究和深度分析利用。

4.2 方案比較

上述三種物聯網建設方案，在心內監護室都做了試點運行，相比較而言，基于私有協議的這類醫療設備物聯網解決方案，并不解決醫療設備物聯網建設的標準和規范問題，不在數據通訊接口和協議層面對醫療設備生產商進行規范，而是基于現狀采取的一種比較現實的解決方案，側重點在于醫療設備數據的獲取、采集和分析利用?；贠penICE 標準的設備互聯解決方案，與方案一相比，在于OpenICE 提供了一套設備互聯和互操作的系統解決方案，包括底層的設備通訊協議以及網絡架構和頂層應用，其集成臨床應用環境也考慮了醫療設備數據與患者電子病歷信息的匹配，代表了未來醫療設備物聯網建設的發展方向。目前已經有很多醫療設備廠商支持OpenICE標 準，如Philips MPxx Intellivue、Masimo Radical 7、Dr?ger Evita 4、Dr?ger Apollo、Nonin、Nellcor N595 等，其設備接口和通訊協議遵循OpenICE 標準。對于尚沒有采用/使用OpenICE 標準的醫療設備，MD PnP Lab 提供了設備適配器解決方案，以驗證其方案可行性?；贐enelink 模塊和eGateway 的設備物聯網解決方案，邁瑞醫療為滿足ICU 內醫療設備互聯提出的解決方案，目前已經支持很多設備廠商，1 個Benelink 模塊可以接入4 臺設備，與方案1 相比，其數據傳出是基于HL7 通用協議，具有較好的設備接入和數據共享使用特性。其不足之處在于該解決方案是與配套監護儀一起使用的，而且，Benelink 模塊要先將數據傳送到監護儀，由監護儀中轉，Benelink 模塊不能單獨工作。

4.3 數據平臺建設

前面介紹的是不同的設備聯網解決方案，主要解決的是數據獲取問題，由于醫療設備物聯網最終目的在于數據的深度分析利用，因此在醫療設備物聯網建設中還需要重點考慮數據平臺建設情況。醫療設備物聯網產生的設備/患者數據，多是時間序列信息，甚至還有高密度的波形數據，需要高性能的數據平臺支撐其采集、存儲、可視化呈現、實時分析利用等功能，尤其是應對全院多個ICU 設備數據同時上線實時運行的情況。目前，在心內監護室，我們試點了ICU 設備物聯網解決方案，有效獲取了設備相關的各類數據，后續將進一步探索多源數據的匯聚和分析利用，為此我們也提出了醫療設備物聯網數據平臺建設初步方案（圖5）。國內在醫療設備物聯網建設過程中對數據平臺的設計考慮的還比較少，目前功能多定位于能夠存儲數據，尚未開展深度的分析利用、實時在線分析等功能；另一方面，對數據安全的重視程度普遍不足。我們后續工作中會基于該方案建設醫療設備物聯網數據平臺。

5 前景與展望

本文針對ICU 內醫療設備互聯和互操作問題開展了初步的探索研究，分析了ICU 醫療設備物聯網建設的價值以及目前遇到的難點問題，基于先期的工作基礎，探討了三類設備聯網解決方案，以及數據平臺建設方案。目前這三類設備聯網解決方案在我院ICU 都有嘗試，各有其優缺點。其中方案一的優點在于依托第三方公司實施，其常年探索積累了豐富經驗，具有較強的工程實現能力，不足之處在于沒有建立一套公共的設備聯網解決方案。方案二的優點在于提供了一套公共的解決方案，并提供了系統的原型設計，有研發實力的團隊可以在此基礎上進一步開展應用研究，代表了未來醫療設備物聯網建設的解決方案。方案三的優點在于與邁瑞的監護系統集成，其便于支持設備接入，同時其監護系統可以提供高分辨率的波形數據，不足之處在于數據的分析利用和平臺建設需要院方研發團隊的支持。

圖5 醫療設備物聯網數據平臺建設方案

ICU 內使用的醫療設備（主要包括生理監護和生命支持類兩大類）對于醫療質量和安全具有重要作用，因此ICU 醫療設備物聯網建設是醫院信息化建設的一部分，也是未來數據集成和醫療大數據應用的重要陣地，因此這項工作具有重要價值。要深入開展這項工作，獲得真正有價值的數據，并能夠對數據深度分析，發揮數據的價值，一方面技術上面臨巨大挑戰，另一方面，跨學科協作也是很大的挑戰，如同醫療大數據的分析利用需要跨學科協作一樣[17-18]，醫療設備物聯網的建設和數據分析利用同樣需要跨學科、跨部門的深度合作，需要醫院管理部門的大力支持。

本文僅探討了ICU 設備物聯網建設，醫院內還包括其他類型的醫療設備，尤其是大型影像類設備，也是醫院醫療設備物聯網建設的重要內容，醫療設備物聯網的建設應該嘗試整合醫院內多種類型的設備數據，為不同部門，不同層次的需求提供數據資源。從數據量和價值密度而言，醫療設備物聯網產生的設備和患者數據并不亞于醫院信息系統產生的數據。因而，醫療設備物聯網數據平臺建設上面臨巨大的挑戰，傳統的關系型數據庫和業務模型可能不能滿足未來大量數據存儲和分析利用的需求，需要建立面向大數據和集群的數據平臺解決方案。