平行醫院:從醫院信息管理系統到智慧醫院操作系統

王擁軍 王飛躍 王 戈 王 曉 王伊龍 李 瑞

健康問題仍然是2015～2030 年聯合國可持續發展重點關注的問題之一.為了促進健康中國的建設,我國印發了《“健康中國2030” 規劃綱要》 來指導與規范健康事業的發展與建設[1].醫療健康是建設健康中國必不可少的重要一環,醫療基礎設施的完善又是醫療健康的主要保證.但目前我國的現狀卻是基礎設施的分布不均與醫護人員的分布不均,偏遠城市的快速就醫面臨巨大挑戰.在我國大型城市中,越來越多的患者開始涌向更大的醫院,期望接受更權威的專家診斷,這使得大多數大中型醫院甚至該城市人口規模、交通運輸等都面臨著巨大的壓力.近年來,隨著人口老齡化的加重、城鎮醫療資源比例的嚴重失衡,“看病難” 的問題越來越嚴重,我國醫療體系面臨著巨大的挑戰,醫療改革勢在必行.合理的醫療資源組織方式改革可以減少因地域差異而出現的就醫差別,盡可能合理地平均分配醫療資源、建設健康中國.醫療資源的分配和管理主要考慮醫療的社會性、人文性以及其自身的科學性.

醫療是存在于人組成的社會中,從上古時代的“巫” 到現代社會的 “醫”,無論滄海桑田,不變的是社會性.“看病難”、“看病貴”、“因疾返貧” 是醫療面臨的巨大問題.針對存在的問題,我國在不同層面作出了努力來進行相關的改善.我國國務院印發了《深化醫藥衛生體制改革2021 年重點工作任務》來改善目前存在的問題,地方上如湖北、寧夏等省都出具了不同的政策來改變這一現狀.總體而言,“看病難”、“看病貴” 的問題是在社會層面出現的普遍問題,體現了醫療健康的社會復雜性.

隨著時代的發展以及敘事醫學的蓬勃興起[2],針對醫療健康的人文復雜性提出使用人文關懷的方式加快患者的康復進程.敘事醫學是醫學發展的美好愿景,可以使得醫學治療過程更有溫度.但是,以增加一線醫護工作人員的負擔來實現這一目的是不合理的.物聯網技術的發展為敘事醫學帶來了可能,可以使得醫患關系重新回到救死扶傷,使得醫學更有溫度[3].將醫生與患者之間 “人情味” 的交流內容進行快速收集和信息化是實現敘事醫學的基礎.利用已有的物聯網技術結合語音識別和自然語言處理技術[4],可以提高醫護人員的工作效率,減輕醫護人員的負擔.另外,隨著民眾知識水平的提高,人們的健康意識也逐漸增強,除了 “看病難” 與 “看病貴”之外,患者對醫療健康的要求也在逐漸提高,越來越渴望 “個性化” 的治療方案.同時,受醫療健康社會復雜性的長期影響,醫患關系不斷地物化,救死扶傷逐漸消費化、合約化.醫患關系的緊張,必然出現不負責任的醫生與不尊重醫生的患者.人們對 “個性化” 醫療的需求以及醫患關系緊張的問題使得醫療健康同時具有了人文的復雜性.

醫療健康在社會性與人文性方面所具有的復雜性外,其本身的科學性也面臨著巨大的挑戰.從深度學習到深度醫療,人工智能相關技術在醫療領域得以實踐,基于智能科技的醫療智能化成為當前發展的主流.醫療工作者與患者共同期待人工智能技術能夠在醫療系統發揮巨大的作用.人們寄希望于人工智能在解決醫療的社會復雜性與人文復雜性問題之外,還能夠解決醫學本身科學性的復雜問題.如何面對并盡可能解決或者是改善這些問題? 物聯網、大數據、云計算、機器人、區塊鏈、人工智能,這些引人注目的新技術為相關問題的解決帶來了無限的遐想.但隨之而來的還有另外一個問題,如何將目前已有的技術有效組合起來解決相關的問題呢?

目前,不同的醫療系統都在開始嘗試將人工智能技術引入醫院運行的不同階段,不僅僅是對患者的診斷,還包括醫院運營的各個部分,如市場預測等.人工智能+健康醫療還處在起步階段,要保證人工智能在醫療健康領域良好、健康地應用與發展,仍有許多亟待解決的問題和挑戰[5].

針對醫學治療存在的社會性、人文性與科學性的問題,王飛躍教授提出使用ACP 方法[6?7]+CPSS(Cyber-physical-social systems)[8]的新基建的平行醫學和平行醫療的概念[9?10].在智能時代將人工智能系統與已有的醫療系統進行有機的融合,形成人機融合的新型醫療哲學體系,并希望借此解決當前醫學領域存在的復雜問題.新的醫學范式的提出必將引起醫療機構的運營模式與管理模式的變革,以適應新時代的醫療模式發展的需要.

互聯網技術的發展為醫療改革帶來了新的解決方案,為此,2018 年國務院提出促進 “互聯網+醫療健康” 發展.隨著新一代信息通信技術的發展,醫院的基礎設施與數字化建設已經取得了長足的發展.遠程診療、醫患網絡社區等的發展,使得患者與醫生的交互方式突破了傳統的固定場所就醫模式,向著跨越時空的互聯網醫療方向發展.互聯網與醫療的有機結合通過使用非傳統方式合理分配醫療資源來緩解 “看病難” 的問題,同時也大幅度降低了醫療的成本.這些都得益于互聯網發展所帶來的時空距離的大尺度縮短,是在互聯網背景下,對醫療資源進行合理組織與分配的有益嘗試.

醫院信息化建設是物聯網與相關的人工智能技術設備走進醫院運行的不同環節的必要保證.醫院信息系統利用計算機與通訊設備,為醫院所屬部門提供病人診療信息和行政管理信息采集與存儲的能力,同時也為醫院所屬各部門提供其他的信息服務,并滿足所有授權用戶的功能需求.隨著信息技術的發展,醫院信息系統(Hospital information systems,HIS)的普及,推動了我國醫療水平的發展.但是面對新人工智能的技術和不管增加的基礎設備,基于CPS (Cyber-physical systems,CPS)的醫院信息系統已經不能滿足于新的管理需求.人工智能技術在醫療健康領域的應用離不開數據的支撐.大數據的采集、傳輸、管理與共享是人工智能得以實現的前提.人工智能的引入對當前的醫院信息管理系統帶來了極大的挑戰.因而,統一的設備管理與資源調度是智能設備發展到一定階段的必然選擇,即智慧醫院操作系統.

同時,人,不管是患者還是醫生,包括人類醫生與機器人醫生,在醫院的管理運營中,都是主要角色.以人為本的管理也逐漸得到不同程度的重視,但是,當前的醫院信息系統卻缺乏對人的建模,將人排除在了醫院決策管理的閉環之外.基于CPSS理論的智能系統不僅考慮了基本的物理因素,同時,還將人考慮到了閉環之內.因而,基于CPSS 構建醫院新型智慧操作系統是大勢所趨.

作為平行醫學模式的具體實踐,本文提出依據CPSS+ACP 理論進行未來發展需要的智慧化醫院的建設,即平行醫院.實現從醫院信息化系統到智慧化操作系統的跨越,滿足未來的新的醫療發展對于社會性、人文性與科學性的發展的需要.

所謂的平行醫院,就是以操作系統的統一管理模式,結合ACP 理論與CPSS 理論,將醫院以及醫院運營管理者以及醫療活動的參與者全部進行數字化建模,從而達到統一化管理與運營.在操作系統的統一管理與訪問的理念下,對醫院一切硬件以及人員進行建模數字化,構建人工醫院(Artificial hospital).與現實的醫院對應,人工醫院由不同的科室組成,在不同科室部署依據不同的虛擬醫生與虛擬患者構成不同的虛擬診療系統.該過程主要實現對現實醫院的描述,實現描述智能.在人工醫院中,依據從現實醫院中采集的小數據進行人工大數據的構造,實現對現實醫院未來發展走向的預測智能,即計算實驗(Computational experiments).針對具體的實際問題,依照計算實驗的預測智能,選擇最優的執行方案,平行執行(Parallel execution)同時作用于人工醫院與現實醫院,引導相關的工作人員實施最優化的解決方案,即引導智能.

1 基本概念與基礎理論

1.1 醫院信息系統

圖1 所示的醫院信息系統(Hospital information systems,HIS)利用計算機與通訊設備,為醫院所屬部門提供病人診療信息和行政管理信息的收集、存儲、處理、提取和數據交換的能力,為醫院所屬各部門提供信息服務,并滿足所有授權用戶的功能需求[11?12].HIS 是醫療數字信息化的主要元素,廣義的HIS 是指醫院使用的所有用于支撐診療、管理、后勤等業務的信息化工具、信息系統等.HIS 根據不同科室的需要,將不同的信息、服務流程等進行了信息化管理,同時,相關的物聯網設備如智能終端會被集成到系統中,提高系統的智能化.這是不同標準的、不同醫療專長的設備場景的信息系統的集合.同時,不同的信息子系統被逐漸實現,如醫學實驗室系統(Laboratory information systems,LIS)、策略過程管理系統(Policy and procedure management systems,PPMS)、放射科信息管理系統(Radiological information systems,RIS)、圖像歸檔傳輸系統(Picture archiving and communication systems,PACS)等[13].

圖1 醫院信息系統Fig.1 Hospital information system

目前的醫院信息系統主要是基于CPS 進行開發的,充分考慮了當前醫院運行信息化的需要,將不同的診療流程極大自動化,同時,電子病歷系統的引入使得患者的狀態方便追蹤,這些都極大提高了醫療系統的發展與收益[14].

醫院針對不同科室的情況,構建了不同的信息系統來滿足醫院診療與運行的目標,已經為醫院的發展與醫生患者的方便診療與就醫帶來巨大提升.但是不同科室與科室的差異性,使得不同科室之間的信息共享變得困難,知識的存儲也是碎片化的.同時,為了滿足各自的需求,不同科室往往單獨構建自己的信息系統,使得大量設備出現冗余的情況.隨著物聯網在醫院信息系統的數據采集的重要性逐漸凸顯,大量的物聯網設備被引入醫院信息系統中,系統擴展變得困難重重.因此,HIS 的智能化成為提升其效率的有效手段.

1.2 醫院智慧操作系統

操作系統(Operating system,OS)[15]指的是對計算系統的硬件和軟件資源進行統一的管理和控制,并合理地組織和調度計算系統的資源,以提供給用戶和其他系統方便的接口和環境的程序集合.操作系統實現了對系統資源的統一管理,為用戶提供統一的接口,使得用戶專心于自己的業務而忽略底層資源的管理,方便不同系統之間的交互.智能設備發展到一定階段都需要專門的操作系統進行系統資源的統一管理與調度.當前,隨著新的通信技術的發展,物聯網設備已經應用于生活的方方面面.繁多的智能設備在為不同的需要提供了豐富的數據的同時也給原始的信息管理系統帶來了挑戰.已有的信息管理系統已經不足以應付逐漸增多的不同廠家的物聯網設備,因而急需對應的系統軟件對逐漸增多的設備進行統一的管理.

操作系統的概念不再局限于傳統的計算機系統.針對不同的應用環境,不同的智慧操作系統也逐漸被提出了,如面向人類的編程(Hop)及操作系統(Hoos)[16?17]、智慧城市操作系統[18]、智慧社區操作系統[19].不同的智慧操作系統結合實際場景與其關聯的物聯網設備,對不同的設備單元進行抽象化管理,為上層的用戶與軟件提供統一的接口,方便調用與管理.

近年來,隨著新的物聯網設備的發展,不同的設備逐漸在醫院被應用.將醫院整體看作一個巨大的系統,為了更好實現不同系統之間的交互,以及對不同的設備的統一管理,本文提出醫院智慧操作系統的概念.醫院智慧操作系統首要的任務是對資源的統一管理,為更上層的應用提供必要數據與功能支持.

隨著云計算技術的發展,操作系統的作用越來越弱.與傳統的服務器相比,云計算直接對底層進行了統一化虛擬管理,為用戶直接提供不同的服務,出現了以虛擬化的硬件直接為服務的虛擬設施醫療云服務(Virtual facility healthcare cloud services,VF-HCS)、服務于大數據智能化時代的虛擬數據醫療云服務(Virtual data healthcare cloud services,VD-HCS)、以平臺為服務的虛擬平臺醫療云服務(Virtual platform healthcare cloud services,VPHCS)以及軟件層面的虛擬軟件醫療云服務(Virtual software healthcare cloud services,VS-HCS)等不同粒度的云計算服務.智慧醫院是一個巨大的生態系統,為了方便不同科室及單位統一地訪問與應用,我們基于云計算的服務模式給出了智慧醫院操作系統的整體框架圖.

圖2 展示了基本的醫院智慧操作系統的整體結構,類似于傳統的操作系統,醫院智慧操作系統對醫院的資源進行了統一的管理與調度,為上層的基礎建設提供基本底層支撐,使得上層建設專注于醫院本身發展邏輯.本文關注利用平行思想[6]對醫院管理進行數字化建設來實現醫院的智能化管理與運營.為了下文對平行醫院的更好闡述,這里先對基于平行思想的平行系統做簡單的闡述.

圖2 醫院操作系統Fig.2 Hospital operating system

1.3 平行系統

平行系統[6]是由王飛躍教授在2004 年首次提出的.平行系統理論是用于管理與控制復雜系統的體系化框架,同時隨著系統復雜度的增加和計算機技術的進步,也是控制系統進一步發展的必然選擇.平行系統是由現實中某個實際系統與對應的一個或者多個人工系統組成的共同系統,可以通過人工系統(Artificial systems)對實際系統進行模擬與描述.結合人工系統進行相關的計算實驗(Computational experiments)可以對實際系統中對應任務進行預測與驗證,通過虛實交互的平行執行過程(Parallel executation)進行虛實交互實現對實際系統的引導與管理.該方法整體上又被稱為ACP 方法,匯集描述智能、預測智能與引導智能于一體.基于ACP 方法的復雜系統的管理與控制已經在很多方面取得了成功,如乙烯生產管理[20]、礦山無人化運輸管理[21]、農業生產智慧化[22]、企業資源計劃[23]等.ACP 方法于2015 年被引入醫療系統相關的研究與應用,構建了一系列平行醫學的應用,如平行眼[24]、平行高特[25]、平行腸胃[26]、平行手術[27]、平行皮膚[28]、平行醫學圖像[29]等.圖3 展示了平行系統的不同模塊及其之間的關系,下面就ACP 理論的各個模塊人工系統、計算實驗與平行執行進行詳細的說明.

圖3 平行系統的基本框架Fig.3 Basic structure of parallel system

1.3.1 人工系統

人工系統是實際系統在虛擬空間的數字化.人工系統與實際系統并不是一一對應的,一個真實系統可以有若干個相關聯的人工系統.針對實際空間中各個實體不同的作用與屬性,在虛擬空間中,使用不同的建模技術進行數字化建模.不同于數字孿生技術,平行系統的人工系統并不是機械化的真實系統的數字化[30].人工系統利用知識表示等手段實現對實際目標的不同表示.然后在虛擬空間構建不同的虛擬實體,每一個虛擬實體都是由原實體按照不同的優化目標抽象拓展而來的.每一個虛擬實體都對應著真實系統中一種可能的解決方案.總體而言,人工系統是基于描述智能,根據實際系統構建一個或者是多個可能出現的多重人工系統,是進一步應用預測智能與引導智能的基礎.

1.3.2 計算實驗

基于描述智能,可以獲得若干個與真實系統關聯的人工系統.在這眾多的人工系統中,進行不同的計算實驗便可以實現對實際系統的預測.這就是計算實驗的預測智能.具體地,計算實驗是通過豐富的計算技術,以及大量人工數據的生成[31],利用機器學習等技術[32]在眾多人工系統中,依據當前人工系統所設定的優化目標不斷地進行迭代推演.隨著計算機技術的不斷發展,計算實驗在借助計算機的情況下,可以在人工系統中實現對真實系統快速準確地預測.在得到每個人工系統中具有附加條件限定下的較優結果后,通過對比來自各個人工系統的結果,選擇出在當前條件下的最優結果,進一步通過平行執行實現引導智能.

1.3.3 平行執行

基于描述智能和預測智能,已經可以快速地得到真實系統在施加不同附加條件下的預測結果.那么,如何通過預測的結果控制實際系統,或者對實際系統的運行產生積極的影響,便是平行執行[33]需要解決的問題.平行執行可以將計算實驗中得到的最優解決方案同時作用于虛擬系統與實際系統,在實際的系統運行過程中對實際的系統進行引導.同時,實際系統在運行的過程中也會不斷地產生反饋信息,又可以作為初始條件引導人工系統的構建.在此時的實際系統的基礎上衍生出的若干個關聯的人工系統,通過計算實驗的預測學習方法,再次獲得接下來實際系統的最優控制策略.這樣循環向前推進,就可以實現針對復雜系統的、具有虛實互動、迭代優化特點的在線閉環控制方法——平行系統.

2 基本技術與基礎框架

所謂平行醫院,就是利用平行系統與平行智能的理念在醫院的基礎設施的基礎上構建數字化、智能化、協作化、云端化的面向未來的醫院.醫院所有的設備與參與人員的數字化,統一的數據流是構建平行醫院的基礎.平行智能理論的應用基礎是ACP理論的具體化實現,即平行系統.如上文所述,人工系統是實際系統的描述智能,計算實驗是人工系統對實際系統的預測智能,平行執行是人工系統對實際系統的引導智能[24?25,34].從實際系統出發,對實際系統虛擬化,借助計算實驗與平行執行,通過虛擬系統與實際系統的交互來實現對實際系統的預測與引導智能.

平行醫院的構建緊扣ACP 方法理論.整體來看,虛擬醫院與實際醫院以及兩者之間的交互滿足大的ACP 循環.在不同的子系統之間,通過虛擬子系統與實際子系統的虛擬交互對不同的問題進行智能化預測與引導,同樣滿足ACP 理論的邏輯.

2.1 整體架構

平行醫院是在對實際醫院數字化的基礎上構建的,通過虛實交互的方式實現具體的智能化醫療流程.整體的構建離不開對醫院資源的整體訪問與管理,因而離不開醫院智慧操作系統的支撐.下面對平行醫院的基礎平臺及平行醫院的整體結構框架進行說明.

圖4 展示了基于智慧操作系統的平行醫院的整體架構.實際醫院與虛擬醫院構成了平行系統的兩大核心部件.現實醫院是基本硬件的載體,虛擬醫院依賴于醫院智慧操作系統對實際醫院進行抽象化.以人為本始終是醫院管理運營的核心.醫院人員的主要組成部分為醫療工作者與患者.超越于一般的智慧操作系統,平行醫院對其中的主要角色進行了虛擬化,構建了完全與實際醫院對等的數字化醫院,即數字孿生醫院.

圖4 平行醫院整體架構Fig.4 Basic structure of parallel hospital

從全局著眼,基于ACP 理論知識,利用操作系統的概念作為具體的實現,構成了包含實際醫院與虛擬醫院的平行醫院.從局部來看,不同的系統與具體的實際系統構成了不同的子平行系統.下面就對醫院及相關設備、參與人員的虛擬化技術以及不同的基于平行理論的平行子系統進行詳細的說明.

2.2 智慧醫院基礎平臺

智慧醫院操作系統對醫院的資源已經進行了統一化的管理,對不同的設施以及資源的管理進行了平臺化,為未來的智能化醫院構建提供了基本的保障.結合已有的物聯網技術、大數據分析技術與人工智能技術,醫院操作系統可以提供人工智能平臺、大數據平臺以及物聯網平臺來滿足從數據收集、存儲到分析.基于數據實現最終智能化的醫療服務的全?；A平臺的支持.

物聯網平臺.除了醫院自身的管理與信息化管理,醫院的主體服務對象為患者.為了采集醫院自身的信息以及患者的相關信息,需要引入大量的物聯網設備.物聯網平臺可以實現對相關的物聯網設備進行統一的管理與維護,通過統一的數據接口對不同患者以及其他的數據進行采集與管理.近年來,不同的物聯網平臺如雨后春筍一樣,為物理空間與信息空間交互與聯系以及對物理空間的全面數字化提供了技術保障.

大數據平臺.事物發展的規律與原理都蘊含在數據中,對歷史數據的存儲與分析具有很大的現實指導意義.醫院在日常的運營中會產生大量的歷史數據:運營數據與患者數據.通過對歷史運營數據的分析可以優化醫院的資源配置,為患者與醫療工作者提供更好的服務.對患者大數據的分析,對于單個患者來說,可以優化患者的行為以達到對自身健康的提升;對于整個人類的發展來說,可以對人類的發展進行科學指導.大數據平臺為醫院的大數據存儲與分析提供了一套科學整體的管理與分析方案.

人工智能平臺.人工智能為醫學發展以及醫院的革新帶來了新的契機.信息與知識是兩個不同的概念,信息指的是客觀存在的事實,而知識指的是對客觀規律的歸納總結.大數據以及機器學習,尤其是深度學習的發展,為人類信息自動化提供了很大的便利.就醫學領域來說,基于機器學習的相關人工智能方法極大減輕了醫生的工作量,如醫學圖像分析處理技術.然而,僅僅是信息獲取自動化的智能化只能作為醫療系統的輔助存在,距離真正的醫療智能化還有很大距離,這也是目前醫療智能化發展的困頓之一.為了實現人工智能的真正智能化,則需要從信息化自動化走向知識化自動化[35].

知識圖譜[36]是通過圖的方式將實體之間進行關聯,實現知識推理的目的,其示意圖如圖5 所示.在醫學領域,可以通過知識圖譜來建模不同實體之間的關系來進行醫學知識的推理,實現醫療方案推理以及醫療知識問答等.人工智能平臺除了提供信息獲取的模型訓練與評估支持外,還需提供知識推理如知識圖譜的知識抽取、知識表示、知識融合以及知識推理的技術支持.基于以上不同平臺的支撐,下面就平行醫院的基本構建作出具體的說明.

圖5 知識圖譜示意圖Fig.5 The diagram of knowledge graph

2.3 物理層數字虛擬化

為了實現對醫院的智慧化管理與運營,對醫院的一切進行數字化表示是必要的.基于CPSS 的建模理論,智慧化的醫院不僅僅包括醫院的諸多硬件部分,還包括醫療過程的參與者如患者、醫生、護士、管理人員等.

2.3.1 醫院設施虛擬數字化

醫院的硬件設施包括基本的建筑,利用三維建模技術可以實現對實際的建筑進行數字化建設.除了醫院的基本建筑,對不同的醫療設備進行數字化建模對以后的數字化管理是必要的.

目前,已有很多的開源的[37]或者是商業的游戲引擎與三維建模軟件,如Unity、3DS Max、Google 3D Warehouse 等,來實現數字化醫院的建模,結合計算機視覺對實際場景的屬性進行提取,實現快速高效對醫院以及其中的醫療設備進行建模.在數字空間,一切的數字模型以實際醫院的方式進行組織展示,實現對現實世界的全方位建模[38].利用統一的智能化管理軟件對數字化的醫院進行建模,為醫院資源的統一管理與調度提供了統一的訪問的接口.利用數字化定義的醫院,用戶可以通過虛擬現實的方式與醫院的相關設備進行交互,即虛擬現實(Virtual reality,VR)醫院.

2.3.2 醫療參與人員虛擬化定義

以人為本的醫院管理理念使得醫療工作者更有歸屬感,患者有一種家的溫馨感.平行醫院理念是完全在虛擬空間將患者與醫療工作者進行數字化,每一位醫療活動的參與者都是一個獨立的個體.

1) 虛擬醫生

虛擬醫生是醫院中各科醫生與實體機器人醫生在虛擬空間的映射.以人為本,根據現有醫生的專業知識、臨床經驗、推理與思維方式、實際案例等大數據,通過ACP 理論與方法和人工智能技術手段,對每個虛擬患者就相關的癥狀作出診療方案的數字醫生[25],即虛擬醫生.實際醫生的數字化過程中保留了不同醫生的個性化特質,使其具有不同的知識水平與領域知識,為激發不同的個體的知識大融合與交流提供了潛在的條件.實體機器人醫生本身是基于已有的實際醫生而創造出來的有別于人類的實體醫生,因而在具體的數字化過程中可以對其進行直接的映射.換句話說,實體機器人可以看作是虛擬機器人醫生代理.

虛擬醫生有三種形態,分別為描述醫生、預測醫生與引導醫生[25].1)描述醫生是對實際醫生的醫療知識、臨床經驗、思維推理、性格特點等特征的虛擬抽象;2)預測醫生是針對每個虛擬患者做出診斷和治療方案,對通過計算實驗得到治療效果進行實時觀察與評估的過程;3)引導醫生是根據治療效果,通過實驗試錯和搜索尋優后獲得的一組最優狀態的虛擬醫生.虛擬醫生是實體醫生的抽象化.在實際診療過程中,不同病例需要不同的知識表示來應對不同的病例治療,在實際的虛擬化過程中需要靈活針對不同的需要進行不同的虛擬化醫生的虛擬化表示.平行高特[25]針對痛風治療的特點,提出使用知識圖譜對實際醫生進行虛擬數字化.在實際的應用中,可以通過不同病癥的不同特點,對醫生的知識技能進行合理的模型化以實現醫生的數字化.

2) 虛擬患者

健康問題是一個復雜的問題,為了更好地對患者的狀況作出評估,需要對患者進行全面的建模,即虛擬化患者的各項數據指標的建模而產生的.虛擬患者是通過仿真手段構建與實際患者保持一致的、一個或者多個歷史出現過或未來可能產生的患者的模型.與虛擬醫生類似,虛擬患者也有三種狀態來應對患者的康復過程,使得患者的康復過程是最優的.描述患者是當前患者身體狀態的具體描述,結合患者的發病原因、當前的身體生理狀況、當前治療的狀態等因素實現對患者的描述虛擬化.預測患者指的是針對特定的描述患者,根據其各項數據與參數,結合虛擬醫生給出的多種不同的實驗診療方案,將方案分別應用于同一描述患者,進行計算實驗,從而得到不同當前的描述患者的將來可能出現的狀態[25].預測患者給出了不同的診療方案對應的不同的結果,為了更好幫助患者進行康復,需要選擇最優的治療方案對患者進行診療.引導患者指的是針對描述患者期望的治療目標,通過對計算實驗結果進行評估得到的最優的治療方案,應用于描述患者,通過平行執行的方式同時作用于實際患者,引導實際患者走向最終的康復.

3) 虛擬護理人員

患者康復除了需要醫生的診療,護理人員對患者的合理護理也是重要因素之一.虛擬護理人員與虛擬醫生類似,有三種不同的狀態,即描述護理人員、預測護理人員和引導護理人員.描述護理人員指的是通過對護理人員的護理經驗、以往的護理案例的描述,以一定的知識表示的與當前的實際護理人員對應的虛擬護理人員.預測護理人員指的是針對具體描述的患者護理任務,描述護理人員通過對患者信息等進行分析,通過計算實驗搜索到最優的護理模式與隨訪模式.引導護理人員根據具體的護理與隨訪方案,對描述患者與實際患者同時作出護理動作,通過計算實驗結果達到對實際患者的護理起到引導作用.

4) 其他虛擬參與者

除了以上提到的主要的參與者如患者、醫生及護理人員組成醫院的基本功能模塊外,醫院具體的運營還需要其他的管理人員與家屬的參與.管理人員針對當前醫院運行的情況與歷史數據,通過平行學習[39]的方式對醫院的后續運營作出合理的規劃與安排.依據管理人員角色的需要,以及管理人員的管理能力、歷史案例等因素定義不同形態的虛擬管理人員來實現對醫院的正常運營與管理.

針對具有重大疾病的患者,患者本身不適合被告知病情或者無能力被告知病情的時候,為了系統的完整性,需要家人作為患者的代理接受醫生的詢診與護理人員的間接護理.在這樣的情況下,根據需要對家屬進行數字化,對患者達到部分或者是全部代理的目的.

2.4 應用層智能系統

基于智能化醫院操作系統平臺,基于ACP 理論虛擬交互的智能化應用可以被開發出來,方便系統參與人員的智能化交互.這里以醫院基本的智能化系統進行說明來闡述ACP 理論在構建醫院不同智能化子系統所起到的指導性作用.下面對醫院醫療活動涉及到的相關智能化系統進行說明,主要包括與醫護有關的智能化診療系統、智能化護理系統,員工培訓的智能化培訓系統以及與醫院管理運行有關的智能化設備管理系統與智能化運營系統.

2.4.1 智能化診療系統

醫生與具體的健康問題組成一套診療流程.為了更好實現對具體疾病的診療,利用已有的虛擬醫生構成對應的虛擬診療流程,與實際的診療流程構成平行的智能化診療系統.隨著人工智能與互聯網+在醫療領域的深入,越來越多的診療過程都有了智能化輔助診斷的影子.在統一的資源調度與管理的基礎邏輯層的支撐下,結合ACP 方法理論,可以構建不同的平行智能診療系統.

如圖6 展示了在智能化系統中基于ACP 理論的虛擬交互的醫生對患者的診療過程:

圖6 基于ACP 的智能化診療流程Fig.6 Intelligent diagnosis process based on ACP theory

1) 根據患者當前的狀態,預測醫生根據患者的情況,結合已有的醫療大數據知識庫與描述醫生已有的知識儲備,推薦出對應的診療方案.

2) 根據診療方案與描述患者,利用預測患者對診療方案進行評估,反饋于虛擬醫生與實際醫生.

3) 實際醫生根據系統結合自己已有的知識對推薦治療方案進行調整反饋給系統,系統對對應的描述醫生與描述患者作出相應的狀態更新.

4) 通過虛實結合的方式確定最終的診療方案,實現虛擬醫生對實際醫生的引導診療作用.

對實際的治療過程進行實時跟蹤是對患者進行健康醫療所必需的,即ACP 的平行執行步驟.手術治療是診療環節的重要組成部分,但是不同的醫生由于臨床經驗與對患者情況的認知不同,給出的手術方案卻千差萬別[27].利用臨床醫學的循證醫學的三要素臨床經驗、患者情況與以往案例,系統可以推薦得到對應患者具體獨特的手術方案.可以使用智能化輔助來實時對手術過程進行跟蹤與微調,達到最佳的治療效果.圖7 給出了在平行醫院的基礎上的基于ACP 平行手術治療過程.

圖7 基于ACP 的平行手術流程Fig.7 Parallel operations based on ACP theory

2.4.2 智能化護理系統

患者的康復治療既離不開醫生的專業治療,也離不開護理人員的專業護理.利用ACP 技術,對患者與護理人員進行數字化建模,結合實際護理與虛擬護理過程,實現對患者最佳的護理途徑.圖8 展示了基于ACP 方法的計算實驗給出具體患者的護理方案.

圖8 基于ACP 的智能化護理系統Fig.8 Intelligent nursing process based on ACP theory

與醫生的診療過程類似,對護理過程的跟蹤是平行執行的具體體現,這里不再贅述.

2.4.3 智能化培訓學習系統

醫護人員是國民健康的主要保障,相比其他行業,專業的醫護人員的培養周期更長.虛擬醫院是全體醫療人員經驗與技術的集合,不同的虛擬醫生對應實際醫生的不同實體,是具體的知識圖譜與案例經驗的集合,新入職的醫生可以通過研讀相關醫生的案例與知識存儲來快速實現對自己的知識庫的建立與自己虛擬數字醫生的構建,縮短醫護人員的培養周期,快速進入相關的工作崗位.

利用虛擬現實技術,培訓人員可以直接與實際的案例與人體器官等進行交互、對相關的操作進行虛擬化驗證,直觀學習實際醫療過程的操作步驟與技巧,極大提高職工對自己工作的直觀認識,實現未正式入職卻通過人工醫療實驗室積累大量可以直接應用于臨床的醫療實踐經驗.

2.4.4 智能設備管理系統

平行醫院的智慧操作系統對醫院的相關角色納入了管理范疇.醫院的智能化管理離不開對醫院相關設施的管理.平行醫院的人工系統對醫院進行了整體的描述,通過虛擬現實的方式對醫院整體進行了管理與可視化.利用計算機視覺感知技術結合計算機三維建模技術可以實現對醫院場景進行人工建模,同時利用計算機視覺技術將實際場景的變化動態更新到系統中,實現對實際場景的動態感知與智能化管理.同時,可以結合計算實驗對相關決策進行在線評估,為決策提供依據.如對不同病區的待診人員進行分析,實現對醫院實時動態的人員流動作出統計并動態分配醫護工作者的工作崗位分布,實現快速高效服務于患者.

同時,實現在線長期化對醫院硬件建筑的追蹤規劃,在線化維護醫院建筑與相關的醫療設備.利用相關的技術對醫院的硬件設施進行數字化建模,方便設備的維修與管理,為其他系統如員工培訓、設備維護系統提供統一的調度信息.根據不同設備運行的實時數據可以展示當前不同科室的位置、手術間狀態以及對應的設備的運行狀態等.總之,利用數字建模技術,在虛擬空間實現對醫院的相關硬件的維護、追蹤、維護與調度.

2.5 智能化運營系統

平行醫院對一切設備以及參與人員進行了虛擬數字化表示,為醫院的運營帶來了便利.虛擬化的醫院可以動態立體展示當前醫院運行的不同的數據,對歷史數據的挖掘來實現對醫院歷史地分析,對各個科室的醫療歷史數據進行分析實現精確配置醫院的相關資源.基于設備及人員活動的歷史數據,結合醫院的發展目標,可以方便調度人員與設備的實際配置,達到資源的最優化、服務最優化與利益的最大化.根據對設備的歷史維護數據的挖掘實現對不同設備制定相應的預防性保養措施,提高醫院硬件整體的運行效率,使得后勤部門最終能夠高效快速服務于患者與一線的醫護人員.

3 案例分析:天壇醫院

首都醫科大學附屬北京天壇醫院為了實現對醫院的精細化管理與運營,對平行醫院的理念進行了實踐,構建了基于CPSS 的天壇醫院智慧管理中心“天壇大腦”.天壇醫院智慧運營管理平臺將臨床、醫技、醫輔、財務、人事、資產、物資等多系統數據進行整合,實現了業務數據和經濟數據等不同醫院數據的高度融合與統一化管理,實現了從業務關聯、價值管理到智能運營、智慧決策等一系列智慧管理[40].圖9 為在京舉行的天壇大腦啟動儀式暨公立醫院精細化運營管理交流活動.天壇大腦從數據的采集、數據集成到功能集成、統一化管理,初步形成了智能化與數字可視化的運營管理平臺.

圖9 天壇大腦啟動儀式暨公立醫院精細化管理交流活動[40]Fig.9 Tiantan brain launch ceremony and public hospital refined management exchanges[40]

依托 “天壇家”職工服務平臺,在智能化設備管理維護方面,對相關設備的管理、查看與維護達到了實時化、智能化,維修狀態實時追蹤閉環的管理模式.通過對設備相關歷史數據的分析挖掘,實現對設備設施的預防式維護保養.自 “天壇家” 于2019 年9 月26 日上線至2020 年8 月26 日,智能化設備管理系統工單總量達26948 單,較上年同期下降11.1 %,總掛單量較上年同期下降17.3 %[40].在新系統的促使下,平均完工較上年同期提升50 %,極大提升了后勤客戶服務的滿意度,相較上年同期提升5.5 %[40].

住院智能化管理方面,2019 年12 月與上年同期相比,醫院的月均每診位診次較同期提高了28.68 %,住院手術量較同期提高38.25 %,床位使用率同期提高10.91 %.在業務量逐漸增加的情況,患者平均住院日相比上年同期下降了1.3 天,百元醫療收入消耗衛生材料指標下降0.91 %.

在智能化系統的支撐下,醫院的核磁共振、CT(Computed tomography)、超聲與數字減影血管造影的檢查人次均呈現增長的趨勢,相較于上年同期分別提高了33.02 %、26.52 %、53.13 %及44.21 %[40].圖10 展示了天壇大腦的管理控制中心.天壇醫院以信息智能化建設為工具,全面落實了國務院關于現代化醫院管理制度和三級公立醫院績效考核的相關要求.

圖10 天壇大腦Fig.10 Tiantan Brain

4 展望

醫療健康是國民經濟發展與國民幸福指數的主要保障.基于平行智能理論[41]而提出的平行醫學的醫學發展理念為智能化技術在醫療健康領域落地并發揮作用提供了一個統一有效的應用架構,必將推動智能醫學的深度發展.本文作為平行醫學理念的實踐,針對目前醫療實踐中看病難、看病貴等社會性問題以及由于缺乏人文關懷的醫患關系緊張等醫學人文性復雜問題,結合醫學自身發展的科學性復雜問題,提出新一代智慧化的醫院智慧操作系統—平行醫院.

作為平行醫學的具體實踐方案,平行醫院的提出,必將會對已有的醫療體系與健康體系造成變革性沖擊,帶來未來醫院智能化發展甚至是醫療實施與發展方式的變革.

首先,平行醫院的提出為醫院的運營與發展帶來巨大變革.平行醫院的提出對醫院進行了全面化的建模,不同部門的人員及醫療設備的運行情況實時進行管理與優化,實現對醫院資源的動態合理調度或者是預分配,提高資源的利用最大化與服務優質化.同時,平行醫院對實體醫院的數字化是醫療資源共享的第一步,接下來為遠程醫療、智慧醫療的全面發展提供了最基本的保障,為醫院的發展帶來巨大變革.

其次,平行醫院的提出為臨床醫學的發展起到積極的作用.平行醫院提出以操作系統的概念來組織統一醫院的不同資源,構建了不同的詳細的醫療記錄體系,必然可以實現大量的臨床醫療數據的積累.海量的醫療數據是循證醫學發展的基礎.量變必將引起質變,醫療大數據必將帶來醫療領域的巨大創新,極大促進醫療專業的發展,為人類的健康帶來新的機遇.

最后,平行醫院的提出帶來了醫學人才培養的巨大的變革.同理,醫療數據基礎平臺的發展必然帶來醫療案例的爆發式增長,新入職的員工可以通過案例智能化分析快速掌握本專業相關的臨床經驗,構建自己的知識體系,即描述醫生.同時,平行醫院診療等系統將虛擬現實技術作為基本的技術應用于醫療過程的方方面面,利用虛擬現實技術可以快速使得新入職的醫生快速、立體、直觀對不同的人體器官及對應的具體的醫療操作進行觀摩或在人工實驗室進行模擬操作,快速掌握相關的醫學操作.

與此同時,本文提出的平行醫院還可以進一步結合新興的區塊鏈和智能合約技術,在醫療領域實現從聯邦數據到聯邦智能的聯邦生態[42],即在分布式的聯邦平行醫院節點間,構建以基于區塊鏈的聯邦安全、聯邦共識、聯邦激勵、聯邦合約為支撐技術,以聯邦數據、聯邦控制、聯邦管理、聯邦服務為核心的面向隱私保護和數據安全、資源協同管理的統一整體.以平行醫院中的智能化診療系統為例,單個醫療機構可掌握的本地隱私醫療數據庫規模有限且不支持共享,僅使用本地病例樣本訓練得到的智能輔助診療模型的效果難以滿足臨床應用需求,則利用聯邦生態系統可在多家醫療機構間協作構建表現更好的聯邦診療模型,當接收到新患者時,可基于該聯邦診療模型融合多家醫療機構的多種診療結果,從而提高智能化診療系統的整體性能.

具體地,在文獻[43]中我們提出了一種稱為人工認證(Artificial identification)的基于區塊鏈的隱私聯邦學習框架,如圖11 所示為該框架結合本文平行醫院后的運行機制.人工認證框架整體運行在一條區塊鏈上,由隱私點對點認證和隱私聯邦學習兩個模塊組成,兩個模塊的主要功能分別由認證智能合約和協同訓練智能合約實現.分布式平行醫院節點首先在鏈下組成醫療聯盟并在聯盟內協商和共享預設聯盟信息;之后,借助隱私點對點認證模塊在鏈上進行相互識別和認證,實現鏈下醫療聯盟到鏈上醫療聯盟的轉換;最后,借助隱私聯邦學習模塊在鏈上聯盟內協同訓練聯邦診療模型,并在協作結束后實施公平的獎懲.實驗證明,人工認證框架以可接受的協作成本成功提高了聯邦學習的隱私性、安全性和去中心化程度,并具有高度的可擴展性.而進一步地,基于射頻識別技術(Radio frequency identification,RFID),人工識別框架中預設的共享聯盟信息可被存儲在電子標簽或射頻卡中.通過在可信醫療物聯網設備上粘貼電子標簽或向醫療參與人員發放射頻卡,同時在可信執行環境(Trusted execution environment,TEE)中預置標準的經審核的智能合約交互程序,人工識別框架可實現大規模平行醫院集群的自動鏈上識別和自主聯邦學習,從而為未來醫療領域聯邦生態的構建奠定基礎.

圖11 人工認證:一種基于區塊鏈的隱私聯邦學習框架[43]Fig.11 Artificial identification:A novel privacy framework for federated learning based on blockchain[43]

致謝

本文作者特別感謝博士生張文文、鄭文博、嚴嵐、王建功、歐陽麗煒為本文整理資料和錄入手稿,工程師畢臨風為本文提供案例分析資料.同時,感謝國家自然科學基金委、首都醫科大學附屬北京天壇醫院、中國科學院自動化研究所復雜系統管理與控制國家重點實驗室、中國科學院大學人工智能學院、中國澳門科技大學系統工程研究所等機構與組織對本文研究的支持.