基于數據驅動模型的醫療器械信息綜合管理系統

孫國君

上海交通大學醫學院附屬上海兒童醫學中心 資產管理科，上海 200127

引言

在管理醫療器械管理過程中，需對醫療器械的使用方式、器械類別、引進時間、使用情況、維修情況以及正常檢查等信息、消耗情況等信息進行全面、綜合的管理[1]。信息綜合管理是指通過信息化手段[2]，合理利用和實時掌控相關信息的一種管理手段，能夠實現信息的統一管理[3]。數據驅動是一種數據運用技術[4]，其能夠充分利用采集的數據形成信息流，以其為依據實現不同需求，可為決策、運營以及管理中為用戶提供可靠的數據依據[5]。醫療器械信息則具備典型的動態循環和更新快的特征，需不斷的補充、更新，因此如何有效實現醫療器械信息綜合管理，成為醫療器械行業的主要工作[6-7]。

因此，本文設計基于數據驅動模型的醫療器械信息綜合管理系統，該系統以數據驅動模型為基礎，獲取醫療器械的全面信息，并且在系統中引入一致性機制，實現信息的分布式永久保存，極大程度地提升系統的綜合管理效果。

1 醫療器械信息綜合管理系統

1.1 系統架構

本文設計基于數據驅動模型的醫療器械信息綜合管理系統，該系統整體分為3個層次，分別為信息采集層、數據驅動層、應用層，因此利用數據模型所設計的系統具有具備良好的信息聚類效果、遠程寫入性能以及更新、修改、調用等操作功能的技術特點，可以實現醫療器械信息的靜態管理和動態管理，其總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構

（1）信息采集層。該層的核心為AXIe高速數據采集傳輸接口，該接口連接移動無線技術和物聯網技術，實現醫療器械信息的采集和傳輸。

（2）數據驅動層。該層主要以數據挖掘引擎、數據分析接口、數據驅動引擎為核心，結合相關處理方法完成數據的聚類、轉換、集成、加載以及清洗等，將處理后的信息存儲至數據倉庫中[8]。并且在該層中引入分布式持久性一致性機制，該機制可保證在系統發生癱瘓時，能夠通過持久化操作，完成信息恢復，實現信息同步和異步的持久化。

（3）應用管理層。該層包含3個模塊，即應用服務模塊、功能服務以及管理控制模塊[9]，能夠實現醫療器械信息查詢、輸入、調整、更新等。

信息采集層通過網絡技術和傳感設備完成醫療器械信息的綜合采集，并通過分布式文件完成信息存儲后，將采集的信息傳送至數據驅動層；數據驅動層采用驅動引擎、挖掘引擎和基于誤差反饋的數據清洗方法完成醫療器械信息的處理和存儲，應用管理層則可依據用戶的需求，通過相應的接口獲取所需的相關服務，可對醫療器械信息實行查詢[10]、調整以及更新等，以此實現醫療器械信息的靜態和動態綜合管理。

1.2 AXIe高速醫療器械數據采集傳輸接口

系統在運行過程中，為實現醫療器械信息的高效采集和傳輸，在信息采集層部署AXIe高速數據采集傳輸接口，該接口具備良好的數據吞吐率以及可兼容性，滿足數據的高效采集需求。

該接口是星型拓撲結構，支持高速串行計算機擴展總線 標 準（Peripheral Component Interconnect Express，PCIExpress）接口協議、四通道端口配置，該接口包含3部分組成，其結構如圖2所示。

圖2 采集接口結構

該接口主要通過三部分實現醫療器械信息的采集，分別為采集、緩存和傳輸；其中采集模塊的實現是通過時間交織采樣技術完成，并且為保證采集質量，通過低抖動時鐘實行信息采集控制；信息的存儲采用DDR3存儲器完成，該存儲器具備存儲效率高、功耗小以及存儲容量大等特點，滿足醫療器械信息存儲要求。

1.3 分布式持久性一致性機制

在進行醫療器械信息綜合管理過程中，為避免系統發生癱瘓或者突發故障，導致信息損失，在數據驅動層引入分布式持久性一致性機制，該機制結構如圖3所示。

圖3 分布式持久性一致性機制結構

該機制在本質上是一種保證保護措施，其能夠將元信息地址和信息地址均寫入操作日志中，實現該日志的持久化，即可保證系統發生癱瘓或者突發故障時，醫療器械元信息和分布式信息的一致性。并且，該機制具備遠程寫入一致性措施，能夠實現客戶端和服務器端寫入醫療器械信息的持久化操作，該措施在執行過程中，客戶端為實現遠程寫入，采用RDMA write-with-imm原語遠程寫入服務器端完成，并且服務器端具備客戶端標識功能，能夠定位需要寫入醫療器械信息地址，并且明顯降低CPU的處理帶寬。

1.4 醫療器械數據清洗

醫療器械數據清洗是系統數據驅動層的重要方法，其能夠對采集的醫療器械信息實行異常信息插補，采用K-Means聚類算法完成醫療器械信息的聚類后，本文采用基于誤差反饋的異常信息組合插補方法完成數據清洗[11]。

信息樣本由醫療器械綜合信息組成[12]，將樣本集中缺失的信息部分對應的原始值定義為參考序列，用Y0表示，且Y0={Y0(1),Y0(2),…,Y0(m)}，其中m表示數量。對該缺失的信息實行插分處理，其通過EM插補方法完成，以此可得插補序列Y1={Y1(1),Y1(2),…,Y1(m)}、Y2={Y2(1),Y2(2),…,Y2(m)}，其中，Y1、Y2均表示插補序列。

采用平均相對誤差對插補結果實行評價，并計算該誤差結果，計算方法如公式(1)所示。

在公式(1)的基礎上，求解相應的插補權重，其計算公式如式(2)所示。

式中：Xj表示平均相對誤差值，n表示插補數量。

確定插補權重后，采用插補方法對信息實行處理，且該信息為與Y0特征相似的醫療器械信息，獲取其插補序列，其公式如式(3)所示。

序列中的第i個信息的求解公式，見式(4)。

式中：Yj(i)表示第i個插補序列，其對應權重用ωj表示，且i=1,2,…,t，其中，樣本集中缺失信息的數量用t表示。

通過上述步驟即可完成醫療器械信息清洗，實現缺失信息的插補。

1.5 醫療器械信息綜合管理

應用管理層將數據清洗后的醫療器械信息實行整合，假設采集到的醫療器械信息用(a,b,…,n)表示，則在信息整合過程中，以醫療器械信息的屬性和類別的差異維護整合標準[13]，依據時間序列實現信息整合。假設醫療器械信息集合R，且R={N(aλ,bλ,…,nλ)}，其中，整合系數用N表示 ；λ表示矩陣系數，屬于第a,b,…,n個醫療器械信息。

對整合后的醫療器械信息實行過濾處理，去除冗余信息[14]，如果C0表示冗余信息集合，則有效的醫療器械信息計算公式如式(5)所示。

式中：B表示調整或者更新后的醫療器械信息；Bi表示信息訪問峰值。

對管理參數實行設定，其前提條件為Inf0(C)已知；為獲取醫療器械信息綜合管理目標函數V，對C實行管理，且結合模糊度指標完成，則V的計算公式如式(7)所示。

式中：V表示醫療器械信息管理目標；管理參數初始值用L表示。

通過上述過程即可完成醫療器械信息的靜態綜合管理，在此基礎上，實現其動態管理。設醫療器械動態信息綜合調度響應函數計算公式如式(8)所示。

式中：調度響應用H(t)表示；t時刻醫療器械信息數量用P(t)和P(-t)表示，前者對應輸入醫療器械信息，后者

以4階矩陣原理為依據，為獲取C的關聯特征，通過對C實行處理完成，則該特征的公式如式(6)所示。對應調整或者更新的醫療器械信息。

采用逐層挖掘的方式對醫療器械信息集合內的頻繁模式集實行挖掘[15]，獲取醫療器械動態信息集合的特征，同時完成卷積函數的設定。設調度干擾項用h(p)表示，則可調度的而最佳醫療器械動態信息集[16]的計算公式如式(9)所示。

式中：h表示醫療器械動態信息子集。

將公式(9)定義為醫療器械動態信息管理的控制量，則信息快速管理Ji的函數表達公式如式(10)所示。

式中：密度特征用xk表示，屬于醫療器械動態信息；干預項用DL表示。在保證其他干預項均為最小的情況下，可高效實現醫療器械信息綜合管理。

通過上述內容即可實現醫療器械信息的靜態和動態管理，即為高效實現醫療器械信息綜合管理。

2 結果

為測試本文系統的綜合管理性能和效果，將文本系統用于上海兒童醫學中心，上海兒童醫學中心是上海市人民政府與美國世界健康基金會（Project HOPE）的合作建設項目，是一所集醫療、科研、教學于一體的三級甲等兒童?？漆t院，占地100畝，總建筑面積6萬多平方米，核定病床500張，擁有一流的樓宇自動化設備和完備的醫療保障設施，擔負著上海和全國各地患病兒童以及來華外籍人士子女的醫療工作，因此本文對該上海兒童醫學中心的醫療器械信息實行綜合管理，將本文系統部署在總部服務器上，展開相關測試分析。

為了直觀體現系統在醫療器械信息綜合管理方面的應用性，登錄系統后，對醫療器械信息實行相關管理選項操作，測試本文系統的應用效果，見圖4。

圖4 醫療器械信息綜合管理的應用效果

由圖4可知，本文系統的應用性能良好，能夠通過不同的操作選項對醫療器械信息實行相關的管理操作，能夠查看不同管理類別的醫療器械信息，同時具備醫療器械信息的更新、修改以及調用等操作功能，可實現醫療器械信息的綜合管理。

醫療器械信息聚類是系統實現綜合管理的基礎，因此，需保證系統具備良好的醫療器械信息聚類性能，采用DB指數作為本文系統信息聚類效果的評價指標，該指標值越小，表示聚類效果越佳，其取值范圍為0～1，計算公式如式(11)所示。

式中：k表示聚類數量；Wi、Wj均表示平均距離，前者對應類Ci與聚類中心之間，后者對應Ci和類Cj中心。

依據公式(11)獲取本文系統在不同維數的醫療器械信息聚類的DB指數結果，見圖5。

由圖5可知，在不同的維度信息下，隨著聚類數量的逐漸增加，本文系統的DB指數測試結果均在0.35以下，即使信息的維度較高，DB指數的測試結果也沒有顯著增加。因此，表明本文系統能夠完成不同維度信息的聚類，且聚類效果良好。

圖5 信息聚類效果測試

為測試本文系統對于信息管理的一致性，以遠程寫入一致性作為衡量指標，該指標通過遠程寫帶寬的性能實行描述。測試客戶端和服務端同時在信息寫入時，隨著寫入信息量的逐漸增加，一致性的測試結果，見圖6。

圖6 一致性測試結果

由圖6可知，在寫入相同大小信息時，客戶端和服務端的遠程寫帶寬結果幾乎完全吻合，該結果表示本文系統具備一致性功能，能夠保證元信息和分布式信息的一致性。

為進一步衡量本文系統的綜合管理效果，測試本文系統在實行同步信息、異步信息以及批量異步信息實行管理過程中寫入帶寬的變化情況，見圖7。期望的寫入帶寬標準為低于0.004 Mbps。

由圖7可知，本文系統在實行同步信息、異步信息以及批量異步信息寫入時，隨著寫入信息量的逐漸增加，寫帶寬發生差異性的變化，在三種情況下雖然寫帶寬均呈現上升趨勢，但是同步信息的寫入帶寬增加幅度較小，批量異步信息的寫入帶寬增加趨勢顯著，但是均在期望的標準之內。因此本文系統具備良好的一致性，間接表明本文系統的信息綜合管理效果良好，能夠提升醫療器械信息的寫入性能，保證信息的高效統計。

圖7 同步和異步信息的寫入帶寬測試結果

為衡量本文系統的醫療器械信息清洗效果，采用公式(1)的計算結果作為衡量標準，測試本文系統在對不同序列實行插補后的結果，見圖8。本文中的插補平均相對誤差結果低于0.5。

由圖8可知，本文系統的清洗效果良好，在不同序列數量下，對兩種序列插補后的平均相對誤差均在0.4以下。因此，本文系統具備良好的信息清洗效果，為信息綜合管理提供可靠基礎。

圖8 插補效果測試結果

3 討論與結論

為了提升醫療器械信息的管理效率以及質量，實現醫療器械信息的靜態和動態的雙重管理，本文設計一種新的醫療器械信息綜合管理系統。該系統主要以數據驅動層中的數據驅動模型作為核心，采用驅動引擎、挖掘引擎和基于誤差反饋的數據清洗方法，清洗接收到的信息并將其存儲至數據倉庫中，為后續的信息綜合管理奠定堅實的基礎。因此在實際測試中該系統能夠查看不同管理類別的醫療器械信息，同時具備醫療器械信息的更新、修改以及調用等操作功能，與此同時可以完成不同維度信息的聚類，聚類效果良好，能夠保證元信息和分布式信息具有一致性，提升醫療器械信息的寫入性能，保證信息的高效統計，且具備良好的信息清洗效果，為信息綜合管理提供可靠基礎，這些充分證明了所設計系統的有效性與創新性。

本文設計基于數據驅動模型的醫療器械信息綜合管理系統。將該系統用于上海兒童醫學中心實行相關測試，測試結果表明該系統能夠較好地完成不同維度信息的聚類，且一致性較好，能夠在較小的帶寬下完成同步、異步以及批量異步信息的寫入，能夠全面綜合地管理醫療器械信息。本文系統在醫療器械的綜合管理方面具備較好的優勢，能夠實現醫療器械靜態和動態的綜合管理，可以為醫療器械管理提供重要參考，對于推動醫療器械綜合管理領域的進一步發展具有重要意義。但是由于在測試過程中，僅對上海兒童醫學中心的醫療器械信息綜合管理實行相關測試，對于其他類型醫院的管理效果仍需進一步進行相關測試，以獲取更全面的應用測試結果。