基于物聯網技術的多功能交互式住院患者電子床頭卡片系統的設計與實現

【作 者】王正源 ，王奕 ，黃宗浩 ，王駿杰

1 復旦大學附屬腫瘤醫院信息中心，復旦大學上海醫學院腫瘤學系，上海市，200032

2 上海腫瘤疾病人工智能工程技術研究中心，上海市，200032

0 引言

隨著醫院信息化建設的高速發展，臨床信息系統（CIS）與醫院自身的發展已高度契合，病房日常管理工作對信息化也提出了新的要求[1-2]。傳統意義上的手寫或者打印的紙片式床頭卡片其不足日益明顯，由于其所能承載的信息量過小、文檔完成后不能再做修改、顯示信息不能實時與醫院信息系統（HIS）同步、對病區護士進行病人的日常護理工作無較大指導作用，甚至會產生負面影響、造成醫療事故，多次就此進行改進，仍不能滿足臨床工作的實際需要[3-4]，病區病房管理上亟需一款多功能、智能化、個性化及交互式的住院患者電子床頭卡片系統，且要求其性能穩定、工作可靠、數據真實、響應實時[5]。

本研究基于HIS、EMR、LIS等臨床信息系統的數據，在傳統紙片式床頭卡片的功能基礎上，以有線網絡技術為依托，下位機搭載的液晶顯示器為顯示終端，設計開發了一款基于物聯網技術的多功能智能化交互式住院患者電子床頭卡片系統，充分滿足了臨床一線病房管理工作的需求，并極大地擴展了傳統紙質床頭卡片的功能內容。同時，使其向智能化、個性化的方向發展，對病房工作及醫院信息化建設的發展具有重要意義[6]。

1 系統功能特點及功能框架

床頭卡片是住院患者必須具有的個人信息資料卡片，也是住院患者最直接、最醒目的管理卡片，是臨床進行病房日常管理及護理工作中獲取病人信息的重要信息來源之一[7]。在醫護人員進行醫療和護理操作過程中及時獲取真實的病人信息，能有效地減少因為信息量缺失或顯示不明而帶來的醫療差錯或事故發生[8]。本研究開發的基于物聯網技術的多功能智能化交互式住院患者電子床頭卡片系統，在繼承傳統紙質卡片式床頭卡基本功能的基礎上，利用與篩選臨床信息系統（HIS、EMR、LIS等）記錄的患者相關醫療信息及報告結果，根據衛生部門相關規定及醫院自身需要，在保障患者隱私前提下，選擇性顯示患者個人信息資料[9]。實時準確地更新患者個人信息，并且提供通知、科普等功能服務，加強了與患者間的有效溝通，極大程度上擴展床頭卡片的功能，同時可以對病房的高效、規范化管理產生積極影響[10]。最終，加強了醫護人員責任感，提高了管理和護理工作效率，改善了病人就診體驗，病人滿意度整體上升[11-12]。

為此，電子床頭卡片系統顯示終端程序必須具備以下兩個特點：必須建立唯一對應關系，每臺終端設備必須與病區具體床位相互綁定，確保病人信息的準確性和唯一性；保證數據實時，當調用接口返回信息發生變化時，觸發下位機獲取最新病人信息并刷新。程序功能框架，如圖1所示。界面上以TAB頁為顯示主體，初始化頁面為病人基本信息和日常護理醫囑，當無操作達2 min，系統將會自動跳轉至該頁面，確保設備顯示主要信息為主。根據其顯示內容，主要可分為七個部分：病人基本信息、日常護理醫囑、重點醫囑關注、醫護人員信息、病人費用、宣教內容及其他。其中宣教功能可以根據病區管理需要，在管理程序中設置宣教內容后將顯示在設備上，增加了宣教的方式和種類，提高了宣教的實際效果。

圖1 電子床頭卡片系統程序功能框架Fig.1 The functional framework of the program of the electronic bedside card system

2 系統架構設計

基于物聯網技術的多功能交互式電子床頭卡片系統的架構，如圖2所示。系統架構包含網絡層和應用層。網絡層主要完成相關醫療數據的傳輸、處理和保存。醫療數據通過有線網絡傳輸至應用服務器。應用服務器通過通信單元的下載器進行數據下載，經過沖突檢測單元后，篩選出有效數據，最后處理好的數據通過數據庫連接組件保存到數據庫服務器中。應用層主要由客戶端應用程序和終端電子床卡設備程序組成。當病區護士登錄護士站部署的客戶端應用程序時，客戶端程序與服務器的會話啟動。應用服務器的通信單元更新器通過數據庫連接組件連接數據庫服務器并獲取醫療數據，客戶端應用程序的通信單元下載器通過有線網絡從應用服務器載入數據，病區護士可通過客戶端應用程序來瀏覽整個病區在區患者的相關醫療信息。當病區護士修改維護某個床位患者相關醫療信息時，客戶端應用程序的通信單元更新器可以確保更新的內容被傳送至應用服務器，并且也相應地同步更新數據庫存儲，以保證更新后的內容后續能傳輸到其他終端電子床卡設備。終端電子床卡設備的通信單元主要由下載器和接收器組成，其通信單元下載器通過有線網絡從應用服務器載入數據，顯示在終端設備顯示屏。

圖2 基于物聯網技術的多功能交互式電子床頭卡片系統架構Fig.2 Architecture of multifunctional interactive electronic bedside card system based on Internet of Things technology

同時，本系統在設計上采用了網絡感知技術，使護士臺客戶端和各終端電子床卡設備能被網絡感知，以滿足客戶端無法聯網時，護士修改維護的相關醫療數據均能緩存至本地，直到網絡再次連接；或者客戶端及終端電子床卡設備請求應用服務器被動更新信息。應用服務器發送器定時向網絡發送單向消息，消息在護士臺客戶端或終端電子床卡設備的接收器上被接收。當消息能被接收到，則認為當前設備連接到網絡。消息傳送至通信單元的更新器后，便作為判斷是否緩存數據、將其發送到服務器或請求應用服務器被動更新信息的標志。

為保證該系統數據的準確性，每個護士臺客戶端設備及終端電子床卡設備都有一個唯一的地址，用于服務器篩選出有效用戶來更新其內容。本方法有效阻止客戶端和終端傳輸數據時被干擾，有效提高數據的準確性。當客戶端或終端設備處于非工作狀態時，網絡層將停止數據傳輸，直至有新的設備連接到網絡中。

3 系統網絡架構設計

本研究開發的住院患者使用的基于物聯網技術的多功能交互式電子床頭卡片系統網絡架構，如圖3所示。

圖3 基于物聯網技術的多功能交互式電子床頭卡片系統的網絡架構Fig.3 Network architecture of multifunctional interactive electronic bedside card system based on Internet of Things technology

以交換機為單元設計的有線網絡通信技術，確保了數據傳輸的實時性、穩定性與準確性。本系統作為一種全新的解決方案，其功能上要求必須與醫院信息系統實時交互數據，本院浦東新院區在病房弱電設計中實現的一床一網點，支持有線網絡技術通信，極大促進了系統的實施。護士站客戶端及各病房床位對應的終端電子床卡設備均通過有線局域網絡連接至當前樓層的接入交換機，不同樓層的接入交換機連接至住院樓的匯聚交換機，匯聚交換機連接至核心交換機上，進一步經過防火墻防護，連接至與服務器連接的匯聚交換機。核心交換機設計上采用了虛擬交換系統（VSS）技術，雙機熱備的工作環境從網絡架構層面保證了系統的穩定性。

4 系統軟件架構與數據流向

本研究開發的住院患者使用的基于物聯網技術的多功能交互式電子床頭卡系統軟件架構及數據流向，如圖4所示。其主要由信息采集部分、信息傳輸部分及信息使用部分三部分組成。

圖4 基于物聯網技術的多功能交互式電子床頭卡片系統的軟件架構及數據流向Fig.4 Software architecture and data flow of multifunctional interactive electronic bedside card system based on Internet of Things technology

4.1 信息采集部分

患者在醫院就診過程中，醫院臨床信息系統會產生大量臨床信息，其中包含了用于電子床頭卡片系統的病人個人基本信息、診療信息等可用信息。該系統信息采集部分主要包括醫院HIS產生的病人基本信息、住院醫生工作站及護士工作站等系統產生的醫囑及護理信息、LIS等系統產生的檢查報告信息，其均記錄存儲在臨床信息系統相應的數據庫中，供自身業務流程使用，及通過視圖、存儲過程等方式開發接口提供服務供外部系統調用。

4.2 信息傳輸部分

存儲過程數據交換模式是目前不同系統之間開發接口的常用方法之一。由于醫院臨床信息系統可提供眾多信息，涉及的數據表繁多復雜，在定義存儲過程時，其將海量原始數據經過二次加工后的結果集作為輸出內容，在電子床頭卡片系統應用端程序調用存儲過程時，只需對存儲過程輸出數據進行調用或三次加工，此模式極大提高程序運行效率，調用雙方交互性良好。另一方面，通過調用存儲過程獲得的輸出數據，調用方只能先轉儲到本地臨時表或業務表，再進行修改或直接使用，而不能直接操作醫院臨床信息系統原始數據，對于電子床頭卡片此類大范圍使用的應用程序而言，規避了終端用戶直接訪問數據庫或表的風險，提高了程序的使用安全。在電子床頭卡片系統的開發中，仔細比較各種方法后，最終選用存儲過程模式，在使業務流程操作簡化的同時，保證了雙向數據的安全性。

企業服務總線（enterprise service bus，ESB）是一個實現系統間集成和互聯互通的重要技術架構，作為一種消息和服務集成的中間件平臺，ESB保證了多個應用系統的服務接入、協議轉換、提供可靠的消息傳輸、數據格式轉換及基于內容路由等功能，異步消息處理機制，實現了業務系統之間松耦合結構。隨著醫院信息化建設的發展，信息系統越來越龐大，ESB平臺的搭建，極大地解決了多個系統互聯所面臨的復雜性，減低集成和維護成本問題[13]。本系統所接入的本院ESB平臺采用面向服務架構（Service Oriented Ambiguity，SOA）的服務接入方式，Web Service作為一種目前最適合實現SOA的技術，其通過簡單對象訪問協議（Simple Object Access Protocol，SOAP）進行通訊，基于標準的XML結構化文本消息傳遞為異構系統提供通訊機制，對等地交換結構化和類型化的信息。ESB平臺為本研究系統提供的消息架構如下：

該ESB服務接口按照協定的結構化格式嵌套封裝臨床信息系統（CIS）數據庫提供的存儲過程，供電子床頭卡片系統定時調用并將其獲取到的數據存儲記錄到數據庫中，該接口的入參為請求的病區在HIS基礎表中的部門代碼。

4.3 信息使用部分

客戶端程序定時主動通過數據庫連接組件獲取數據并根據終端電子床卡設備與IP地址一一對應的關系，同步更新各終端電子床頭卡設備上顯示的信息；同時，病區護士也可通過客戶端程序手動觸發請求獲取本病區最新信息，并下發至各終端設備，以保證設備穩定、準確和實時的顯示病人相關信息。

5 數據庫及軟件系統設計

本研究開發系統時基于Microsoft SQL Server 2016進行關系型數據庫搭建設計，表結構設計上遵從三范式原則，主要表包括系統用戶表、病區網絡地址表、病區房間基礎表、病區病人信息表、HIS床位病人信息表及歷史信息記錄表等。其中病區網絡地址表主要存儲病區代碼、病區名稱、病區客戶端IP地址及該病區對應的HIS中的部門代碼；病區房間基礎表主要存儲病區代碼、病區房間代碼、房間名稱、床位代碼、床位名稱及對應終端設備的IP地址；病區病人信息表主要存儲病區代碼、房間代碼、床位代碼，住院號、床位號、姓名、性別、血型等病人基本信息，分級護理、飲食種類、藥物過敏、壓瘡及跌倒預防等日常護理醫囑信息，PICC/CVC/PORT、24 h進出量、抗血栓襪及疼痛評估等重點醫囑關注信息，醫護人員信息及其他。服務器端和客戶端軟件基于.NET和SQL Server數據庫開發，軟件在Windows操作系統下利用Visual Studio.NET 2015開發工具，以C#為開發語言采用ASP.NET技術編寫，并通過ADO.NET技術對數據庫進行增刪改查操作。系統工作時，客戶端程序根據登錄用戶對應的病區在HIS中的部門代碼，調用接口請求病區在院病人的基本信息，根據病區內終端設備IP和床位號及房間號對應關系，實時準確地同步病人信息至各終端設備。

6 結果驗證與分析

通過實驗表明，基于物聯網技術的多功能交互式住院患者電子床頭卡系統客戶端及各終端設備接收到的數據完全正確，軟件系統及基于有線網絡的網絡架構能夠保證數據傳輸的可靠性和穩定性，將相關患者醫療信息實時準確顯示在客戶端及各終端設備。通過查看分析ESB系統上該服務的調用日志，可以看出本系統性能較穩定，24 h、30 d內的調用平均耗時均在1 s內。同時，仍可通過改進程序邏輯、優化數據庫存儲過程等手段，進一步提高系統性能。

7 結論

本研究基于物聯網技術，進行了用于住院患者的多功能交互式電子床頭卡片系統的設計與實現，對系統的功能框架進行了詳細的介紹和討論，并從系統架構、網絡架構、軟件架構及數據庫軟件系統幾個方面進行了設計。通過實驗測試表明，系統性能穩定，能夠保證醫療信息的實時性和準確性。系統的實現能充分滿足臨床一線病房管理工作的需求、減輕護理人員的工作量、提高工作效率、減少醫療事故發生的可能性，同時能方便患者看到自己的健康信息，改善就診體驗和滿意度，對病房管理工作及醫院信息化建設的發展具有重要指導意義。