馮佳怡（綜述），樂 瑩（審校）

1.上海兒童醫(yī)學中心設備科，上海 200127；2.同濟大學附屬同濟醫(yī)院設備物資處，上海 200065

綜合醫(yī)院“云”數(shù)據(jù)系統(tǒng)的設計及其在數(shù)字化手術室的應用

馮佳怡1（綜述），樂 瑩2（審校）

1.上海兒童醫(yī)學中心設備科，上海 200127；2.同濟大學附屬同濟醫(yī)院設備物資處，上海 200065

隨著計算機技術的不斷進步，“云”計算這種以數(shù)據(jù)為核心的信息系統(tǒng)理念以其更為科學的架構特點和運作規(guī)則被應用到了醫(yī)院數(shù)據(jù)系統(tǒng)中。文章旨在通過對醫(yī)院常用“云”數(shù)據(jù)系統(tǒng)的各種類型進行分析，研究“云”數(shù)據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)使用效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。在此基礎上以其在數(shù)字化手術室中的應用，特別是在虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）遠程教學上的應用為例，進行說明和展望。希望藉此能夠給予廣大從業(yè)者一定的參考與幫助。

內(nèi)窺鏡；“云”數(shù)據(jù)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)管理；虛擬現(xiàn)實

隨著計算機技術的不斷進步，“云”計算這種以數(shù)據(jù)為核心的信息系統(tǒng)理念以其更為科學的架構特點和運作規(guī)則被應用到了醫(yī)院數(shù)據(jù)系統(tǒng)中?，F(xiàn)代醫(yī)療機構中，醫(yī)療設備的用途越來越廣泛。為實現(xiàn)醫(yī)院HIS系統(tǒng)更快捷方便的數(shù)據(jù)共享，因此須對醫(yī)療設備的運行數(shù)據(jù)進行有效的管理和篩選[1]。結合“云”計算的醫(yī)院HIS系統(tǒng)可以更快、更準確的進行數(shù)據(jù)截取進行轉播、教學等，要設計一個相對完善的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)必須清楚系統(tǒng)軟件的架構特點和運作的意義，這樣才能設計出更符合要求的系統(tǒng)[2]。

1 醫(yī)療設備“云”數(shù)據(jù)系統(tǒng)

“云”數(shù)據(jù)系統(tǒng)大致可以分為云監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和主動警報系統(tǒng)。云監(jiān)測系統(tǒng)負責監(jiān)測和采集所有環(huán)境變動的信號，將信號通過網(wǎng)絡系統(tǒng)傳輸至數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)；數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)負責將數(shù)據(jù)清洗歸總形成規(guī)范化的數(shù)據(jù)庫形式；同時，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)受到主動警報系統(tǒng)的監(jiān)控；主動警報系統(tǒng)當數(shù)據(jù)觸發(fā)警報條件時，警報系統(tǒng)會主動反饋警報信號，調(diào)節(jié)整體“云”系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

1.1“云”監(jiān)測系統(tǒng)的分類與介紹

云監(jiān)測系統(tǒng)主要包括傳感器、信號處理系統(tǒng)（報警、顯示和記錄裝置）和控制系統(tǒng)等，系統(tǒng)運行邏輯見圖1。目前，在醫(yī)療監(jiān)測領域中發(fā)展比較成熟的技術方案如下。

1.1.1 基于非標準協(xié)議無線收發(fā)芯片的醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要是通過獨立射頻電路來實現(xiàn)系統(tǒng)的運作，這樣的系統(tǒng)成本廉價，方便集成，對無線收發(fā)的部分控制比較靈活。系統(tǒng)雖然功能簡單，但是各個子系統(tǒng)的兼容性比較低[3]。

1.1.2 植入式無線通信系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要分為體內(nèi)、體外兩部分。體內(nèi)部分是植入式系統(tǒng)的核心，由于該系統(tǒng)既要在體內(nèi)長期運作，又需要與體外系統(tǒng)進行通信，所以，對無線通信系統(tǒng)的功率、體積和安全性等方面的要求很苛刻。美國已經(jīng)制定了該系統(tǒng)的通信標準和通信頻段，很可能成為全球標準[4]。

1.1.3 基于藍牙技術的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)

藍牙特點是傳輸速度快，但是功耗較大，工作時間短，僅僅是幾周。該系統(tǒng)的通信節(jié)點不是自動的，需人工設置和維護系統(tǒng)的無線傳輸網(wǎng)絡，導致醫(yī)療監(jiān)護設備不可隨意移動[5]。一般情況下，基于藍牙協(xié)議的系統(tǒng)雖然可以有效處理包括1個主設備和7個從設備在內(nèi)的系統(tǒng)，但是，隨著網(wǎng)絡節(jié)點越來越多，系統(tǒng)的各項功能就會大打折扣，最明顯的就是傳輸速度會急速的下降。此外，藍牙系統(tǒng)不具有路由器那樣的功能，在復雜、障礙物多的環(huán)境中工作效率低，不能滿足醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)在復雜的室內(nèi)環(huán)境中工作的需要。所以，該技術在醫(yī)療監(jiān)測領域有一定的限制[6]。

1.1.4 基于ZigBee技術的醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)

和傳統(tǒng)的信息技術相比，ZigBee技術在醫(yī)療監(jiān)測領域中具有的優(yōu)點很多，如簡單、功耗低和成本低等。但其帶寬低，難以滿足像12導心電儀這種對帶寬要求較高的醫(yī)療設備的數(shù)據(jù)傳輸要求。最初是美國學者設計出了基于ZigBee的集成多種傳感器的無線體域網(wǎng)，使用這種監(jiān)測系統(tǒng)可以對各種所需要的生理數(shù)據(jù)進行隨時采集并作出分析，然后將這些采集到的數(shù)據(jù)以電子病歷的形式儲存在數(shù)據(jù)庫中，這些都是通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的，數(shù)據(jù)便于術后監(jiān)護或急救。國內(nèi)一些學者也做了一些相關的實驗，對基于ZigBee的傳感器節(jié)點和監(jiān)護基站的設備進行了一些設計，開發(fā)出來的功能包括使用無線呼叫來對家庭中老年人進行監(jiān)護等[7]。

1.2 云數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的架構及特點

簡單來說，根據(jù)系統(tǒng)的整體設計功能和以數(shù)據(jù)為中心的軟件開發(fā)戰(zhàn)略，將軟件系統(tǒng)可以分為數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、監(jiān)測管理中心子系統(tǒng)、現(xiàn)場檢測子系統(tǒng)、設備故障預測子系統(tǒng)、遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控子系統(tǒng)及Web信息系統(tǒng)等。醫(yī)療設備數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的架構是以數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)為中心的，每個子系統(tǒng)獨立運行。

各個子系統(tǒng)內(nèi)部采取分層的架構，本層不僅是對上層的服務對象，也是下層的服務對象。分層系統(tǒng)體系結構的優(yōu)勢包括：①支持基于抽象程度遞增的系統(tǒng)設計；②支持擴展；③支持組件重用。

類似于抽象數(shù)據(jù)，對相鄰層之間提供給同樣的接口，每層之間的實現(xiàn)方法可以很靈活，可以相互替代[7]。

1.2.1 監(jiān)測管理中心子系統(tǒng)分層架構設計

監(jiān)測管理中心的子系統(tǒng)設計的特點是三層架構，包括表示層、業(yè)務邏輯及通信處理層和數(shù)據(jù)訪問層，這些是常用的軟件架構的方法，將架構細化時可以將業(yè)務邏輯及通信處理層根據(jù)需要再繼續(xù)拆分成的不同的功能層次。子系統(tǒng)是由MFC技術框架提供開發(fā)支持的[8]，見圖2。

圖2 監(jiān)測管理子系統(tǒng)的分層架構與技術框架Fig.2 Substructure and technical framework of monitor management subsystem

在圖2中，表示層主要處理用戶和軟件的交互；業(yè)務邏輯及通信層負責驗證表示層送來的數(shù)據(jù)，響應事件的消息，向下層請求數(shù)據(jù)并進行處理，發(fā)送數(shù)據(jù)存儲命令，通過通信層監(jiān)測與控制現(xiàn)場檢測子系統(tǒng)的狀態(tài)，現(xiàn)場檢測子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換等等；數(shù)據(jù)訪問層是實際的數(shù)據(jù)存儲。

1.2.2 現(xiàn)場檢測子系統(tǒng)架構特點

現(xiàn)場檢測子系統(tǒng)的架構基礎是嵌入式體系結構，在架構上分為應用層、數(shù)據(jù)采集與通信層和庫函數(shù)支持層。該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行快速、穩(wěn)定地采集與處理。層次結構對于實時系統(tǒng)來說，會造成工作效率下降[9]，見圖3。

在圖3中，應用層按照設定的數(shù)據(jù)處理工作流程執(zhí)行并監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，當發(fā)生中斷或異常情況時，自動進入異常處理的模式；數(shù)據(jù)采集與通信層對來自各種傳感器的數(shù)據(jù)進行采樣與處理任務，同時還通過串行接口連接無線網(wǎng)絡模塊進行通信，實現(xiàn)管理中心子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和監(jiān)控；庫函數(shù)支持層提供不同類型的設備驅動與編程接口；實現(xiàn)對底層硬件邏輯的封裝，從而隔離了硬件的復雜性。

1.3 主動警報系統(tǒng)

應用于醫(yī)療設備的“云”數(shù)據(jù)系統(tǒng)的最大特點是其數(shù)據(jù)必須有準確性與可溯性的保證，所以，醫(yī)療設備“云”數(shù)據(jù)系統(tǒng)必須要設計有一個針對醫(yī)療設備本身使用狀況的主動警報系統(tǒng)，包括設備自檢故障報警、人工發(fā)現(xiàn)故障報警和強制檢定設備的時限報警[9]。

當監(jiān)測到系統(tǒng)發(fā)生故障，需要系統(tǒng)及時報警，需要達到醫(yī)療設備對安全性和穩(wěn)定性的特殊要求，因此，對設備歷史記錄的統(tǒng)計性分析對設備的工作狀態(tài)做出預測，這些方案是以數(shù)據(jù)挖掘技術為基礎的，達到預警的目標。對于一個設備點來說，假設每秒采集1次信息，24 h就會產(chǎn)生86 400條信息記錄，因此需要設計獨立的設備故障預測子系統(tǒng)來分析如此繁多的數(shù)據(jù)。

此外，在設備未發(fā)生報警的情況下，其被讀取的數(shù)據(jù)也應帶有設備本身的相關信息，保障相關醫(yī)療數(shù)據(jù)的可追溯性。

2 “云”數(shù)據(jù)系統(tǒng)在數(shù)字化手術室的應用

數(shù)字化手術室是在層流潔凈手術室的基礎上，綜合運用計算機、網(wǎng)絡、通訊、自動控制、圖像信號處理、多媒體及綜合布線等技術與手術過程有關的各個系統(tǒng)，如醫(yī)療設備、環(huán)境控制、HIS和影像數(shù)據(jù)傳輸及儲存系統(tǒng)（picture archiving and communication systems，PACS）遠程醫(yī)學等進行有機整合，采用智能化綜合控制系統(tǒng)進行集中管理，為醫(yī)院外科手術提供更加高效、舒適、安全和便利的操作環(huán)境的一套完整的解決方案[11]。

除了現(xiàn)有數(shù)字化新技術的整合，“云”數(shù)字化手術室中最重要的部分是數(shù)據(jù)系統(tǒng)結構的前瞻性設計，可以將未來一段時間內(nèi)出現(xiàn)的新技術迅速整合入現(xiàn)有手術室中，實現(xiàn)手術室的迭代升級。如將手術室網(wǎng)絡熱點設計為多模塊通訊基站，不僅可以進行w ifi信號通訊，還可進行藍牙、RFID甚至RTLS信號通訊，未來手術室引入物聯(lián)網(wǎng)技術時，可以實現(xiàn)無縫銜接。

為了實現(xiàn)這一目標，需要實現(xiàn)視頻傳輸和存儲的整個過程的真正全高清，利用配備專業(yè)采集卡計算機采集所有的影像源，設備的數(shù)據(jù)輸出接口有AV端子、S端子、RGB分量視頻接口、VGA接口、高清端口DVI和高清工業(yè)級端口HD-SDI等。胸腔鏡、腹腔鏡、顯微鏡和關節(jié)鏡等各種內(nèi)窺鏡類設備通常采用AV端子、S端子、VGA接口和DVI等接口。在保證了數(shù)據(jù)傳輸通道和儲存介質(zhì)允許的情況下，“云”數(shù)據(jù)系統(tǒng)能夠實現(xiàn)任意視頻源的實時全高清傳輸和儲存。對各主流品牌的腔鏡設備及其他設備進行集中控制，實現(xiàn)手術無影燈、手術床及電刀等高能設備輔助控制。因各主流廠商還未達成公共標準，品牌選擇會受到重重限制。“云”數(shù)據(jù)系統(tǒng)能有效整合各個方面的資源。醫(yī)生能夠實時便捷地調(diào)閱患者的相關信息?！霸啤睌?shù)據(jù)系統(tǒng)方便隨時隨地的采集及調(diào)閱查看。遠程遙控及手術設備、器械和耗材管理，因為各類主流視頻編碼器大都具備相關的開發(fā)接口，所以采集并不是一件很復雜的工作?！霸啤睌?shù)據(jù)系統(tǒng)有效監(jiān)控了整套系統(tǒng)的穩(wěn)定性[12-14]。數(shù)字化一體化手術室實現(xiàn)了外科多功能手術室，將全院信息的開放與流通與手術室接駁，并有效整合各個設備及數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)，“云”數(shù)據(jù)系統(tǒng)開放了共有的端口平臺。完善的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可為內(nèi)窺鏡等常用遠程教學的設備提供高穩(wěn)定性、完整性的數(shù)據(jù)截取平臺。

目前技術領域新興的一些信息交互技術，雖然仍在研究實驗階段，但有很大可能成為未來硬件技術的主流，可以在手術室建設中予以考慮，如虛擬現(xiàn)實技術（virtual reality，簡稱VR），VR技術的誕生從技術層面滿足了醫(yī)生培養(yǎng)在觀摩手術方面的巨大需求。通過VR眼鏡和高清晰的VR視頻錄制直播，醫(yī)生可以在第一時間用現(xiàn)場視角觀摩手術過程。在過去，學習1臺腹腔鏡手術至少需要花1年的時間在醫(yī)院進修才可以，有時候即便來了，也不見得學得很多，手術室容量有限，站在后面的醫(yī)生其實根本看不清。借助VR技術，觀摩者即使身在千里之外，也如同身處一間手術室，站在主刀醫(yī)生的位置，與主刀醫(yī)生完全一致的視角，清晰地看到手術全過程。對于VR技術來說利用計算機模型產(chǎn)生圖形圖像并不是太難的事情，如果有足夠準確的模型，又有足夠的時間就可以生成不同光照條件下各種物體的精確圖像。

對VR技術展望讓大家看到了豐富的應用可能，但真正將VR實現(xiàn)仍需要克服諸多技術瓶頸：①信號的實時性獲取，關鍵在于需提取的數(shù)據(jù)在一個通道內(nèi)以最短的距離可以到達指定位置，完善的“云”數(shù)據(jù)系統(tǒng)可以有效進行數(shù)據(jù)分層管理，當設備截取所需數(shù)據(jù)時，該數(shù)據(jù)已在數(shù)據(jù)采集與通信層被處理完畢，可以被設備“實時”截取，其數(shù)據(jù)完整性也不會遭到破壞，基于這樣一個分層處理后的數(shù)據(jù)管理架可以為VR技術實時提供高清晰度的圖像達到虛擬現(xiàn)實的效果；②同樣，3D腹腔鏡技術也是基于相同原理，越來越多的醫(yī)療設備進入了實時三維甚至實時四維的應用領域，這不僅對于生產(chǎn)廠家的數(shù)據(jù)管理平臺提出高的要求，同時對于醫(yī)院數(shù)據(jù)管理平臺也提出了高的要求，因此，完善的“云”數(shù)據(jù)系統(tǒng)是外科內(nèi)窺鏡等設備開展虛擬現(xiàn)實等技術的必要保障手段，對于內(nèi)窺鏡的臨床和教學有著重要的意義[15]。

3 問題和展望

使用云設備可以大大減少時間成本和實現(xiàn)信息共享。對于醫(yī)師而言，通過PC或平板等終端來對患者的實時情況進行掌握，可以由電子病歷信息的共享、遠程醫(yī)療等云計算快速、準確地診斷患者的疾病。然而醫(yī)療設備“云”數(shù)據(jù)系統(tǒng)的實現(xiàn)與推廣卻存在一定的阻礙[16]。

首先，醫(yī)院內(nèi)部各個子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享和讀取存在接口障礙。醫(yī)院原有的信息系統(tǒng)如HIS、LIS和PACS等各自具備相對獨立的數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)管理規(guī)則，這給建設一個覆蓋全院各個設備、系統(tǒng)的“云”數(shù)據(jù)平臺造成了阻力，如何有針對性的根據(jù)不同醫(yī)院醫(yī)療數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)接口的個體差異和特點來建立高效、準確的“云”數(shù)據(jù)平臺管理規(guī)則成為擺在我們面前的首要問題。其次，醫(yī)療設備“云”數(shù)據(jù)平臺還具有數(shù)據(jù)的可追溯性需求。醫(yī)學診斷報告有其專業(yè)性和特殊性。根據(jù)相關法規(guī)和質(zhì)控要求，一部分醫(yī)療設備的直接檢查數(shù)據(jù)往往必須要經(jīng)過有資質(zhì)的操作人員或讀片人員的解讀與分析才能成為有效力的報告。這就需要“云”數(shù)據(jù)庫內(nèi)部對醫(yī)療數(shù)據(jù)具備識別和分類儲存的能力與機制?？陀^上增加了“云”數(shù)據(jù)平臺管理系統(tǒng)的設計難度與生產(chǎn)成本[17-18]。

醫(yī)療設備“云”數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的建立，綜合運用計算機、網(wǎng)絡、通訊、自動控制、圖像信號處理、多媒體及綜合布線等技術與手術過程有關的各個系統(tǒng)，如醫(yī)療設備、環(huán)境控制、HIS和PACS遠程醫(yī)學等進行有機整合，采用智能化綜合控制系統(tǒng)進行集中管理，為臨床診斷、治療活動提供更加高效、舒適、安全和便利的操作環(huán)境的一套完整的解決方案。同時，結合VR技術的應用，為內(nèi)窺鏡檢查、治療與外科手術等領域的遠程教學提供了更穩(wěn)定、更完整的數(shù)據(jù)截取和傳輸平臺。

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Design of“cloud”data system of general hospital and its application in digital operating room

FENG Jiayi1，LE Ying2
1.Department of Equipment，Shanghai Children’s Medical Center，Shanghai 200127，China；2.Department of Equipment，Tongji Hospital，Tongji University School of Medicine，Shanghai 200065，China

With advances in computer technology，“cloud”computing，which is a data-centric information system concept with more scientific architectural features and operating rules，has been applied to hospital data systems.This article explores various types of“cloud”data systems commonly used in hospitals，and analyzes the efficiency of data utilization and system stability of“cloud”data system.Besides，its application in digital operating room，particularly in the utilization of virtual reality（VR）distance learning is introduced.It is hoped to provide references for the corresponding practitioners.

Endoscope；“Cloud”data system；Datemanagement；Virtual reality

R318

A

2095-378X（2016）03-0220-05

10.3969/j.issn.2095-378X.2016.03.021

2016-07-11）

馮佳怡（1983—），女，碩士，中級工程師，研究信息與設備結合發(fā)展趨勢及應用；電子信箱：yogaxx@126.com