基于日志分析的大型醫療設備遠程實時監測系統的設計與實現

朱偉，嚴郁，方舸，劉健，于寧，李永剛

1.南京中醫藥大學附屬醫院（江蘇省中醫院）a.設備處；b.招標辦公室；c.重點項目辦公室，江蘇 南京 210029；2.北京緒水互聯科技有限公司 技術部，北京 100000

引言

引進大型醫療設備是醫院發展的重要標志，不僅可提高醫院知名度，增強核心競爭力，還會帶來巨大的經濟及社會效益[1]。然而，與其他醫療設備不同，大型醫療設備由于配置審批復雜及單價高等原因，很難有備用設備[2]。以我院放射科為例，10臺CT/MR承擔著全院影像檢查及相關科研教學任務。因此，有效保障這些設備正常運行，對醫院具有重要意義。

當前設備管理部門對于大型醫療設備的維修管理多采用人工值守的方式[3]，然而在大型設備數量不斷增長的現狀下，工程師常處于流動維修狀態，很難同時兼顧多個報修[4]，導致設備停機，從而降低了設備使用率。尤其是因小故障導致的停機，工程師如提前知道設備情況，則可電話指導技師操作快速修復設備。此外，節假日期間大部分設備處于待機狀態，而磁共振冷卻系統24 h不間斷工作，一旦水冷機故障導致氦氣壓縮機停機，輕則液氦揮發，重則失超，醫院損失巨大。因此，通過智能化手段實時監測大型醫療設備勢在必行。目前部分醫院是通過電流傳感器監測電流大小判斷設備運行狀態[4]，還有醫院通過監測液位、壓力、通斷、溫度、濕度等數據實現實時監測設備運行[5-8]。上述方法雖然有一定的實用價值，但大型醫療設備非常復雜，任何模塊異常都可能導致設備故障，想全方位監測需要部署大量傳感器，不僅成本高還實施困難，不利于廣泛推廣。醫療設備日志包含設備狀態及故障等所有信息[9]，工程師便是通過閱讀日志快速判斷故障所在，因此實時分析設備日志則意味著可實現設備狀態實時監測[10]。基于此，本研究以設備原理為指導，基于日志分析技術[11-12]建立大型醫療設備實時監測系統，全面監測設備運行狀態，并對于異常情況實時提醒。

1 大型醫療設備日志分析系統原理

日志分析是收集海量日志，將其根據字段（關鍵詞）分割，并進行統計分析，快速查看重要指標趨勢及定位故障，從而指導工程師及時采取措施糾正問題[13]。大型醫療設備日志分析系統是參考設備原理并基于日志分析技術建立的，包括采集、傳輸、存儲、分析和展示（可視化、報表和監控）等5個部分，具體分析流程如圖1所示。

圖1 日志分析系統流程

1.1 采集日志

一般日志采集是通過文件傳輸協議（File Transfer Protocol，FTP）方式從設備根目錄抓取并存儲日志（log）[14-15]。考慮到需要24 h實時監測，因此必須連續且完整采集當天日志。設備日志的生成規則是實時產生日志并存儲在文本文檔里，一旦文件大小超過一定容量（如30 Mb），則創建新文檔繼續存儲日志。為提高采集及解析效率，采用定時采集和檢測文件標志位的方法[16-17]：第一次采集日志時，創建日志文件log001并上傳至云端解析。15 s后再次采集，檢測日志文件變化標志位，創建log002存儲最新日志，依此類推。

1.2 基于設備原理劃分模塊

大型設備通常具有完善的診斷系統，當設備發生異常時，診斷系統會提示故障代碼。以磁共振為例，圖2是西門子磁共振報錯信息，包括時間、故障位置、詳情等。設備模塊劃分便以此為基礎，如MRI_RFP、MRI_GAP、MRI_ICS分別代表射頻放大器、梯度放大器及內部冷卻系統。模塊劃分有利于在關鍵詞匹配時提高遍歷效率，對于實時監測日志有重要意義。

圖2 西門子磁共振報錯信息

1.3 建立關鍵詞數據庫

設備日志包括提示性信息（Information，包括設備概況、患者資料、檢查部位、設備操作等），警告（Warning，設備風險等）及故障（Error，設備異常等）等信息[12]。關鍵詞來源于日志，分為兩類：① 參數關鍵詞，用于設備關鍵部件參數監測，來源于提示性信息。獲取此類關鍵詞較為容易，因為對設備來說，關鍵部件參數本身就需要實時監測，一次日志采集即可獲得所需參數關鍵詞[13]。以磁共振為例，參數關鍵詞為液氦壓力（Magnet Pressure）、液氦水平（Helium Level）、冷頭溫度（Cold-Head Temperature）、冷屏溫度（Bore Temperature）、次級水溫（Supply Temperature）及次級水壓（Return Pressure）等參數；② 故障關鍵詞，用于設備故障監測，包括風險關鍵詞和異常關鍵詞兩類，分別來源于警告和故障信息。日志（圖2）經過分析后建立關鍵詞數據庫（表1），包括設備ID、設備模塊、故障類型、關鍵詞，同一模塊相同故障關鍵詞只在數據庫里存儲1次，關鍵詞是下一步日志解析的關鍵。與參數關鍵詞不同，故障關鍵詞主要用于監測設備故障，而故障是小概率事件，因此建立該關鍵詞數據庫主要來源于維修手冊以及資深工程師維修經驗。此外，為提高監測精度，需要不定期更新故障關鍵詞數據庫。

表1 磁共振關鍵詞數據庫

1.4 構建解析規則

遍歷新采集的日志，根據建立的關鍵詞數據庫采用基于正則表達式的特征匹配算法解析日志，提取所有與關鍵詞字段匹配的日志，用于統計及展示[14]。以解析圖2為例，根據表1先提取所有與“ICS Warning”匹配的日志詳情存儲在數據庫，再匹配下一個關鍵詞，直至遍歷結束。參數信息解析以表2形式存儲，故障信息解析以表3形式存儲。然后根據建立的閾值及故障優先提醒規則，實時監測設備參數及故障情況。

表2 解析的磁共振參數信息

表3 解析的磁共振故障信息

1.5 展示及優化

統計上一步獲取的數據，工程師對展示結果進行多次測試，根據反饋結果進一步優化關鍵詞及解析規則，從而建立完善的日志分析系統。

2 架構設計與功能實現

2.1 系統架構

本系統基于日志分析和物聯網技術實現設備狀態的實時監測，網絡架構如圖3所示。為保護醫院內網及醫療數據安全，系統采用三段式隔離設計，具有很高的安全性：① 內網區域：日志采集盒通過FTP方式抓取并存儲日志。日志采集盒是基于樹莓派的工控機，每個采集盒采集一臺設備，共同組成采集集群，最終通過NAT網關將數據傳輸出去[18]；② 隔離區域：內外網之間采用單向網閘，再經前置機物理隔離，保證數據只從內網流向外網。最后使用4G通訊模塊將數據傳輸到云端服務器存儲[19]；③ 公網區域：系統采用B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務器模式）架構，日志經過模塊化解析后，統計結果以數據庫形式存儲在Web服務器，用戶通過瀏覽器訪問Web服務器查看解析后可視化展示[20]。

圖3 大型醫療設備實時監測系統網絡架構

2.2 功能模塊實現

本系統是基于日志分析建立的實時監測平臺，主要功能包括參數監測和故障提醒，以實現設備狀態精確遠程監控，具體描述如圖4所示。

圖4 大型設備遠程實時監測系統功能模塊體系圖

2.2.1 參數監測模塊

參數監測模塊主要用來實時監測設備關鍵部件參數，主要包括三個功能：① 參數詳情：工程師可通過微信/PC端查詢設備參數；② 閾值設置：工程師可根據設備實際狀況自定義各參數的閾值，用于異常提醒。例如某臺磁共振當前液氦壓力為15.3 pisa，所設閾值上下限為15.7 pisa及14.9 pisa，一旦監測到該參數超出閾值，則立即提醒工程師；③ 異常提醒：系統采用雙重預警機制以保證異常提醒的精準度，即獲取當前關鍵部件參數，同時比較預設閾值上下限以及當日截至當前該參數的最大最小值，無論超出哪一個值，均代表該參數異常，設備可能出現異常。

2.2.2 故障提醒模塊

故障監測模塊主要用來實時監測設備關鍵部件參數，主要包括三個功能：① 報錯查詢：系統建立基于優先級的實時報錯預警規則，詳見表4。優先級是根據工程師經驗數據和大數據分析進行定義的，1、2級屬于風險報錯，隔日匯總提醒；對于3、4級屬于異常報錯，實時提醒，以便工程師及時檢修設備；② 日志查詢：工程師接到報錯提醒后，可在微信/PC端查詢故障前后的所有日志，以便快速做出診斷；③ 預警設置：工程師可根據日常維修實際情況，對預設的報錯優先級規進行自定義修改，以便系統發出更準確的故障提醒。

表4 設備故障優先提醒規則

2.2.3 臨床運行模塊

臨床運行模塊主要用來實時監測臨床對設備的使用情況，來自設備日志的提示性信息，并以報表形式展示，主要包括三個功能：① 運行簡報：包括前1 d的所有被實時監測設備的臨床使用情況，包括掃描人數、部位數等，方便使用科室及院領導了解設備運行情況；② 設備月報：以月報形式全方位展示每臺設備當月的運營狀況，包括每天開關機時間、掃描人數（部位數）、掃描量分布、掃描時間分布、使用率及掃描部位等綜合分析。臨床可根據設備使用情況進行科學調整；③ 單機效益：根據掃描部位數及收費明細，展示設備月營收，以及扣除運營成本的月收益，其中包括運營成本水電、人員工資、維保、折舊及耗材等，上述數據根據實際情況自定義。

2.2.4 遠程終端模塊

遠程監測終端以PC為基礎，微信為主要監測手段，并實現微信及PC的信息同步。微信端用來查看設備狀態、設備異常、設備使用情況的實時推送；PC端用來更詳細查看日志、閾值設置及數據報表下載等。

3 應用效果

監測系統初期（2018年6月至2019年10月）在1臺CT和1臺磁共振試運行，經工程師和臨床的共同測試及長期運行，顯示魯棒性較強，目前已在我院10臺大型設備（5臺CT、5臺MR）上全面展開。該系統可實現設備核心部件實時監測（圖5），在故障預警方面具有極高的時效性（圖6）。一旦設備狀態異常，工程師會第一時間收到報警信息和故障代碼，避免諸如液氦揮發等不良事件發生。與傳統的科室報修后工程師到現場檢修相比，不僅簡化了報修流程，同時大大節約工程師的時間和精力，維修效率得到顯著提升，減少設備停機時間。

圖5 參數監測模塊

圖6 故障提醒模塊

此外，還給臨床科室實時推送設備運行簡報（圖7）等，方便臨床及時了解設備使用情況；給院領導和設備管理部門推送全院大型設備運行情況（圖8）和單機效益，為醫院科學配置CT/MR等設備提供數據支持。與傳統的手工統計及繁瑣計算相比，該系統通過日志分析技術，不僅使采集檢查數據等更加簡便且準確，幫助臨床實現精細化管理；而且在系統預設收費明細、水電、人員工資、維保、折舊及耗材等參數后，系統自動生成設備收益、投資回收期等數據，從而提供更為精確的單機效益分析報告。目前，單機效益模塊在如何合理預設各種成本參數方面仍在完善及優化中，近期開始聯合臨床科室共同測試。

圖7 每日運行簡報

圖8 10臺CT/MR運行情況匯總

4 討論

本文介紹了一種基于日志分析技術的大型醫療設備遠程實時監測系統，實現了設備狀態的實時監測，并將響應式維修轉變為預見式維護，保障設備的開機率和使用率，降低醫院設備使用成本，間接提升經濟效益。同時日志分析技術還可用來監測設備使用詳情，如掃描部位、掃描劑量、掃描人數、掃描等待時間等信息，幫助臨床實現精細化管理，為下一步大型醫療設備全面信息化管理做好鋪墊。此外，大型設備單機效益分析一直是醫院設備管理方面的重點與難點，該系統提供了一種新穎、方便且準確的大型設備掃描數據采集方法，通過合理預設成本參數精確計算設備凈收益和投資回收期等效益指標，為給醫院科學配置大型設備提供決策支持。