基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

賀昕路

杭州市婦產(chǎn)科醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程部，浙江 杭州 310000

引言

隨著國家醫(yī)改建設(shè)的不斷推進(jìn)，醫(yī)院的信息化程度已經(jīng)大大提高，基本建立了比較完善的臨床業(yè)務(wù)系統(tǒng)，提高了醫(yī)院的醫(yī)療服務(wù)水平。醫(yī)療設(shè)備管理已成為現(xiàn)代醫(yī)療的一個(gè)重要領(lǐng)域。但是由于醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用場景多樣且復(fù)雜，使得醫(yī)療設(shè)備管理困難重重。設(shè)備采購?fù)瓿珊螅芾聿块T無法了解設(shè)備真實(shí)使用情況，設(shè)備是否閑置，運(yùn)行是否飽和，采購設(shè)備后經(jīng)濟(jì)效益如何，往往一問三不知。當(dāng)下一次科室再次申請采購時(shí)，管理部門的采購決策也會(huì)非常模糊[1-7]。本文提出的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集目標(biāo)設(shè)備運(yùn)行電功率數(shù)據(jù)，得到設(shè)備實(shí)際使用情況，為設(shè)備效益分析提供數(shù)據(jù)，為采購決策提供數(shù)據(jù)支持。

1 軟/硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IOT）是利用各種傳感器，例如：紅外線傳感器、RFID、全球定位等等，將設(shè)備連接起來，并進(jìn)行數(shù)據(jù)交互來實(shí)現(xiàn)對設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)測、控制和維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)。IOT模塊主要部件為單相多功能計(jì)量芯片，其提供高頻脈沖CF用于電能計(jì)量和高頻CF1用于指示電流有效值或者電壓有效值[8-10]，芯片功能框圖如圖1所示。

圖1 芯片功能圖

被測脈沖周期≥100 ms，采用測量單個(gè)周期的方法，測量誤差=1 ms/T，因?yàn)門>100 ms，所以測量誤差小于1%；被測脈沖周期小于100 ms時(shí)，我們采用計(jì)數(shù)脈沖的測量方法，在t≥1 s的時(shí)間內(nèi)，測量N個(gè)完整的脈沖周期，計(jì)算公式如下：t=N×T（N:t時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的脈沖個(gè)數(shù)；T：被測信號(hào)脈沖周期；t：第一個(gè)脈沖到第N個(gè)脈沖的時(shí)間）。

在芯片的電源端，并聯(lián)兩個(gè)小電容，以濾除來自電網(wǎng)高頻及低頻噪聲。電流信號(hào)通過錳銅電阻采樣后接入HLW8012，電壓信號(hào)則通過電阻網(wǎng)絡(luò)后輸入到 HLW8012。CF、CF1、SEL直接接入到CPU的輸入端，通過計(jì)算CF、CF1的脈沖周期來計(jì)算功率值、電流有效值和電壓有效值的大小，見圖2。

圖2 芯片電路設(shè)計(jì)圖

由于IOT模塊實(shí)時(shí)采集功率數(shù)據(jù)，因此需要解決功耗和體積的問題。續(xù)航問題，使用電池供電，勢必增加人力成本；體積問題，體積太大既不方便臨床使用，也容易在使用中發(fā)生故障。為了解決以上兩個(gè)問題，首先選擇藍(lán)牙作為傳輸模式，相比無線Wi-Fi，藍(lán)牙具有功耗更小，短距離穩(wěn)定性更好的特點(diǎn)，非常適合醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用場景。其次，將IOT模塊和設(shè)備電源線整合在一起成為智能電源，當(dāng)設(shè)備使用時(shí)，智能電源就獲得了設(shè)備的電壓、電流和功率等數(shù)據(jù)，同時(shí)通過電源線給IOT模塊供電，解決續(xù)航問題。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

藍(lán)牙傳輸軟件設(shè)計(jì)包括計(jì)量模塊SPI接口的數(shù)據(jù)寫入和輸出、HLW8012模塊數(shù)據(jù)接收和發(fā)送、藍(lán)牙與后臺(tái)通信。軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 SPI軟件設(shè)計(jì)流程圖

采集芯片的SPI接口和路由器同時(shí)打開，采集芯片采集到設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)（電壓、電流、功率等），開始寫入SPI接口。同時(shí)路由器建立網(wǎng)絡(luò)，初始化節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備開始接收數(shù)據(jù)。SPI將寫入的數(shù)據(jù)發(fā)送到路由器協(xié)調(diào)器，路由器再將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，完成整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程。

2 系統(tǒng)重點(diǎn)功能

通過藍(lán)牙傳輸獲得設(shè)備使用數(shù)據(jù)后，通過數(shù)據(jù)挖掘和分析就可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的效益分析。主要有以下幾個(gè)部分功能。

2.1 使用數(shù)據(jù)采集

2.1.1 使用率

使用率=實(shí)際使用時(shí)間/預(yù)期使用時(shí)間×100%。通過公式計(jì)算得到某臺(tái)設(shè)備的實(shí)際使用情況，這里的預(yù)期使用時(shí)間我需要解釋一下，在醫(yī)院中不同的區(qū)域同一種醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用場景也會(huì)有不同，例如在門診胎監(jiān)室的胎心監(jiān)護(hù)儀需要不停地接待不同的孕婦做胎心檢查，所以一般是工作時(shí)間8 h滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)；而在手術(shù)室或者分娩中心由于其醫(yī)療特殊性，并不是每一位待產(chǎn)的孕婦都需要不間斷的監(jiān)測胎心，所以一般工作時(shí)間不足8 h。介于這種情況，我們在實(shí)際使用中前期我們會(huì)把預(yù)期使用時(shí)間設(shè)定為24 h，這樣我們會(huì)得到一個(gè)區(qū)域同一種設(shè)備的平均工作時(shí)間，通過數(shù)據(jù)積累得到準(zhǔn)確的預(yù)期工作時(shí)間，從而比較準(zhǔn)確地得到不同區(qū)域設(shè)備的使用情況。

2.1.2 飽和度

飽和率=飽和的設(shè)備數(shù)/總設(shè)備數(shù)。當(dāng)使用率長期到達(dá)一個(gè)閾值時(shí)，我們認(rèn)為這臺(tái)設(shè)備屬于飽和設(shè)備，通過這個(gè)數(shù)據(jù)我們可以直觀地了解到某個(gè)區(qū)域的設(shè)備是否飽和還是存在大量閑置的問題[11-19]。

設(shè)備飽和度計(jì)算中飽和閾值是一個(gè)非常重要的參數(shù)，他的高低決定了設(shè)備呈現(xiàn)出的飽和度的高低。而且在實(shí)際醫(yī)療場景中飽和閾值并不一定是一個(gè)固定值。以彩超儀為例，門診B超室和生殖中心手術(shù)室兩個(gè)不同的醫(yī)療場景中彩超儀的使用頻率和使用時(shí)間會(huì)有很大差距。

門診B超室的彩超儀A一般負(fù)責(zé)門診病人的超聲檢查，所以使用時(shí)間一般為8:00～18:00。且兩次使用之間間隔很短，因?yàn)椴∪嗽陂T診時(shí)間往往絡(luò)繹不絕，彩超儀在這個(gè)10 h內(nèi)不停地工作。

而生殖中心的彩超儀B一般負(fù)責(zé)手術(shù)過程中的引導(dǎo)。一般使用時(shí)間為9:00～19:00。每臺(tái)手術(shù)中需要引導(dǎo)的時(shí)間不統(tǒng)一，而且也不是每臺(tái)手術(shù)都需要超聲引導(dǎo)，這就導(dǎo)致彩超儀在這10 h內(nèi)間歇性工作。

通過采集設(shè)備運(yùn)行時(shí)間發(fā)現(xiàn)門診B超室的彩超儀A使用時(shí)間大大超過生殖中心手術(shù)室彩超儀B使用時(shí)間，但不同的使用目的和性質(zhì)讓這組數(shù)據(jù)不能支持我們認(rèn)為彩超儀A飽和度大于彩超儀B。所以我們需要考察兩個(gè)應(yīng)用場景下彩超儀平均使用率，從而確定飽和閾值。

2.2 收費(fèi)數(shù)據(jù)計(jì)算

核對收費(fèi)數(shù)據(jù)：通過院內(nèi)HIS和收費(fèi)系統(tǒng)我們可以知道設(shè)備每次治療或者檢查的費(fèi)用和收益情況，從而得到收益率、回報(bào)率、安全邊際率等等數(shù)據(jù)，但是一般HIS里只有收費(fèi)項(xiàng)目，并沒有設(shè)備名稱，也就是說我們只能得到一類設(shè)備一段時(shí)間的收益情況，如果有多類設(shè)備使用同一個(gè)收費(fèi)項(xiàng)目，那收益情況就更加無法精確到每一臺(tái)設(shè)備。通常醫(yī)療設(shè)備待機(jī)和工作狀態(tài)的功率是不同的，利用這一點(diǎn)，IOT模塊通過監(jiān)測設(shè)備功耗就可以得到每一臺(tái)設(shè)備每天使用次數(shù)，不同設(shè)備使用次數(shù)不同，收益分?jǐn)偟谋壤匀灰簿筒煌瑢?shí)際收益數(shù)據(jù)就能夠精確到每一臺(tái)設(shè)備。

2.3 采購決策支持

醫(yī)療設(shè)備采購申請中比較常見的一項(xiàng)理由就是由于業(yè)務(wù)發(fā)展需要在采購一臺(tái)設(shè)備，因?yàn)樵瓉淼脑O(shè)備不夠用了需要采購設(shè)備，但是原先的設(shè)備是否充分使用無法知曉，做出的決策自然就有所偏差。

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)獲得的設(shè)備飽和度就能夠?yàn)椴少彌Q策提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。當(dāng)某個(gè)科室的一類設(shè)備飽和度達(dá)到一個(gè)閾值（90%或95%），及時(shí)提醒管理科室需要采購新設(shè)備，當(dāng)飽和度未達(dá)標(biāo)，那么就需要申請科室對此作出特殊說明。

3 系統(tǒng)測試

經(jīng)測試，系統(tǒng)登錄界面圖，見圖4～5；系統(tǒng)設(shè)備基本數(shù)據(jù)界面，見圖6～7；設(shè)備效益數(shù)據(jù)界面，見圖8；系統(tǒng)采購決策界面，見圖9。

圖4 登錄界面

圖5 系統(tǒng)主界面

圖6 設(shè)備一覽表

圖7 設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息

圖8 設(shè)備效益明細(xì)

圖9 胎兒監(jiān)護(hù)儀飽和度情況

4 結(jié)果

4.1 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

將彩超儀2019年每個(gè)月的使用數(shù)據(jù)與超聲科影像歸檔和通信系統(tǒng)（Picture Archiving and Communication Systems，PACS）中的數(shù)據(jù)對比，詳見表1。

表1 IOT系統(tǒng)與PACS系統(tǒng)中彩超儀服務(wù)量對比表

說明物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療設(shè)備管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)有中等一致性，具備一定的參考價(jià)值（Kappa值為0.474）。

4.2 兩組影像設(shè)備使用數(shù)據(jù)對比

2019—2020年醫(yī)院使用系統(tǒng)對放射科和部分50萬元以上的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行效益分析（采用SPSS軟件處理，數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn)，采用±s表示），2020年第二季度MRI服務(wù)量、收入、飽和度與2019年相比明顯下降（P<0.05），醫(yī)工部聯(lián)合多部門采取措施提高核磁共振服務(wù)量。第三季度核磁共振的服務(wù)量環(huán)比增長21%，提升了醫(yī)療設(shè)備使用效益。

2020年第二季度CT的服務(wù)量、收入、飽和度明顯高于2019年第二季度（P<0.05），結(jié)合設(shè)備使用情況，醫(yī)工部縮短了設(shè)備維護(hù)周期并購買了第三方CT全保服務(wù)。CT在7月份出現(xiàn)球管故障，為醫(yī)院節(jié)省了50萬元的維修費(fèi)用，見表2。

表2 2020年與2019年放射科部分設(shè)備效益情況對比表（±s）

表2 2020年與2019年放射科部分設(shè)備效益情況對比表（±s）

設(shè)備名稱 項(xiàng)目 2020年第二季度 2019年第二季度 t值 P值±23.46 -12.318<0.001 04±0.64 -1.352<0.001 68±1.18 -5.606<0.001 00±53.39 8.668 <0.001 4±0.20 28.368<0.001 96±1.92 32.869<0.001 MRI服務(wù)量 234.00±14.70 476收入/萬元 13.1±0.74 22.飽和度/% 55.47±2.57 66.CT服務(wù)量 1237.67±151.68 252.收入/萬元 21.43±0.94 2.2飽和度/% 83.68±1.83 21.

4.3 兩組胎兒監(jiān)護(hù)儀使用數(shù)據(jù)對比

醫(yī)工部對產(chǎn)科病區(qū)胎兒監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行使用飽和度對比，觀察組的胎兒監(jiān)護(hù)儀每臺(tái)使用時(shí)間和飽和度明顯少于對照組（P<0.05），將閑置設(shè)備調(diào)配到使用飽和度較高的科室，優(yōu)化了醫(yī)療設(shè)備資源配置，降低了醫(yī)院成本開支，詳見表3。

表3 2020年3月產(chǎn)科病區(qū)胎兒監(jiān)護(hù)儀使用數(shù)據(jù)（±s）

表3 2020年3月產(chǎn)科病區(qū)胎兒監(jiān)護(hù)儀使用數(shù)據(jù)（±s）

項(xiàng)目 觀察組 對照組 t值 P值每臺(tái)使用時(shí)間/h 145.60±3.72 179.20±4.46 8.567 <0.001飽和度/% 65.00±2.20 79.98.±8.64 5.498 <0.001

5 總結(jié)與展望

本系統(tǒng)通過運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將醫(yī)療設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊上傳到服務(wù)器，通過數(shù)據(jù)挖掘分析目標(biāo)設(shè)備的使用情況。讓醫(yī)院管理者更加直觀地了解醫(yī)療設(shè)備真實(shí)的運(yùn)行狀況。

醫(yī)療設(shè)備在醫(yī)院中扮演越來越重要的角色，提高設(shè)備使用效率是我們醫(yī)學(xué)工程部的重要職責(zé)。醫(yī)療設(shè)備管理和效益分析越來越受到學(xué)者們關(guān)注。焉丹等[20]提出的大型醫(yī)療設(shè)備效益監(jiān)管平臺(tái)對大型設(shè)備的收益情況進(jìn)行管理，提高了設(shè)備的收益和人員的滿意度，但是沒有對移動(dòng)類的設(shè)備的運(yùn)行情況和效益進(jìn)行監(jiān)管。陳慧等[21]提出的SWOT－CLPV分析方法，從抑制性、杠桿效應(yīng)、問題性和脆弱性對設(shè)備效益進(jìn)行分析，但是沒有涉及設(shè)備使用數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)。姜義兵[22]、閆慧芳等[23]、唐濤等[24]則側(cè)重醫(yī)療設(shè)備效益分析的數(shù)據(jù)挖掘分析方式，利用多種方式和多角度對設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，但是對于設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集和驗(yàn)證工作均沒有涉及。

綜合來看，本系統(tǒng)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，不僅能夠?qū)崟r(shí)提供醫(yī)療設(shè)備的實(shí)時(shí)使用數(shù)據(jù)，同時(shí)能夠計(jì)算出一段時(shí)間內(nèi)目標(biāo)設(shè)備的效益情況，并且通過使用飽和度反映臨床科室醫(yī)療設(shè)備使用負(fù)荷情況，為醫(yī)療設(shè)備日常使用維護(hù)和未來采購決策提供數(shù)據(jù)支持，為醫(yī)療設(shè)備管理提供了新的角度。在一定程度上解決了長久以來醫(yī)療設(shè)備管理上的幾大痛點(diǎn)，接下來，我們還將與電子病歷系統(tǒng)對接，為臨床決策提供數(shù)據(jù)，提高臨床工作效率降低差錯(cuò)率。我們希望能夠利用信息化手段，將醫(yī)療設(shè)備精細(xì)化管理持續(xù)推進(jìn)下去。