李 桃，鄭西川，蔣伏松

（1.上海健康醫(yī)學(xué)院附屬第六人民醫(yī)院東院計(jì)算機(jī)中心，上海 201306；2.上海健康醫(yī)學(xué)院附屬第六人民醫(yī)院東院內(nèi)分泌代謝科，上海 201306）

0 引言

在國(guó)家政策支持背景下，由人口老齡化及慢性疾病發(fā)生率的上升引起的醫(yī)療需求量的增大，促進(jìn)了醫(yī)療信息化領(lǐng)域，特別是自動(dòng)化和智能醫(yī)療細(xì)分領(lǐng)域的發(fā)展，很多醫(yī)療機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用臨床決策支持系統(tǒng)（clinical decision support system，CDSS）。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能的發(fā)展，大型數(shù)據(jù)庫(kù)、大數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算技術(shù)逐步被引入醫(yī)療領(lǐng)域，CDSS的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用得到了更為有效的推動(dòng)。

我院主體臨床各業(yè)務(wù)系統(tǒng)處于穩(wěn)定期，臨床數(shù)據(jù)中心（clinical data repository，CDR）也已建立，在此基礎(chǔ)上建立健全的CDSS顯得尤為重要。CDSS能高效地將機(jī)器的一系列特征與醫(yī)生的專業(yè)性知識(shí)結(jié)合起來(lái)并相互補(bǔ)充，輔助臨床進(jìn)行更高質(zhì)量的診斷與治療，在很大程度上能提升診療水平，提高醫(yī)療質(zhì)量，減少醫(yī)療差錯(cuò)，改善臨床結(jié)果，控制醫(yī)療費(fèi)用的支出[1-2]。

1 CDSS設(shè)計(jì)

系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境：（1）數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器：CPU 2.5 Hz×8核×2，內(nèi)存 16 GB，磁盤 500 GB；（2）應(yīng)用服務(wù)器：CPU 2.0 Hz×4 核×4，內(nèi)存 24 GB，磁盤 400 GB；（3）操作系統(tǒng)：Windows Server 2008。開(kāi)發(fā)語(yǔ)言采用Java和C#。其中CDSS的主體開(kāi)發(fā)語(yǔ)言是Java，整體架構(gòu)是瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）模式結(jié)構(gòu)，所有功能及服務(wù)均基于Web實(shí)現(xiàn)；系統(tǒng)功能的前臺(tái)框架是EasyUI，該框架承擔(dān)著系統(tǒng)客戶端的整體展示；使用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)臨床業(yè)務(wù)系統(tǒng)與CDSS的交互接口。開(kāi)發(fā)工具選用IntelliJ IDEA，通過(guò)中間件Tomcat、Nginx提供負(fù)載均衡功能。該模式下設(shè)計(jì)的系統(tǒng)穩(wěn)定性高、靈活性強(qiáng)且易于維護(hù)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為架構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、流程設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)4個(gè)方面。

1.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

我院CDSS總體架構(gòu)包括臨床子系統(tǒng)、CDR、服務(wù)和應(yīng)用4個(gè)部分。具體設(shè)計(jì)流程：（1）結(jié)合醫(yī)療領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，在現(xiàn)有信息系統(tǒng)和醫(yī)療數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)院內(nèi)正在運(yùn)行的各信息系統(tǒng)中產(chǎn)生的臨床數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、清洗、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、索引和集中管理[3]；（2）通過(guò)建設(shè)數(shù)據(jù)平臺(tái)，以患者為中心將不同系統(tǒng)的異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行高度整合，建立結(jié)構(gòu)化的患者臨床信息數(shù)據(jù)模型，再加載到CDR中，為臨床決策提供數(shù)據(jù)支持；（3）使用患者主索引和主數(shù)據(jù)管理2項(xiàng)服務(wù)，將不同系統(tǒng)的患者信息串聯(lián)，增加數(shù)據(jù)的規(guī)范性和準(zhǔn)確性；（4）以臨床知識(shí)庫(kù)為基礎(chǔ)，通過(guò)接口調(diào)用方式，針對(duì)用戶的需求提供決策信息，實(shí)現(xiàn)臨床決策支持[4]。CDSS總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 CDSS總體架構(gòu)圖

1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

CDSS使用了SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)和Redis數(shù)據(jù)庫(kù)。SQL Server為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，建立了CDR和知識(shí)庫(kù)2個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，用以存儲(chǔ)CDSS中靜態(tài)知識(shí)、規(guī)則、本體元、文檔列表等數(shù)據(jù)。Redis為非關(guān)系型的數(shù)據(jù)庫(kù)，主要用于建立高性能的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)，其高速的存取速度適用于CDSS這種需要大量事實(shí)補(bǔ)充和大量計(jì)算的應(yīng)用系統(tǒng)。將患者臨床信息和規(guī)則先轉(zhuǎn)存入Redis數(shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)發(fā)起決策請(qǐng)求時(shí)直接從Redis數(shù)據(jù)庫(kù)查數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在幾毫秒內(nèi)獲取所有臨床數(shù)據(jù)并交予規(guī)則引擎推理功能。

1.3 流程設(shè)計(jì)

醫(yī)生在操作臨床系統(tǒng)過(guò)程中通過(guò)業(yè)務(wù)觸發(fā)決策點(diǎn)，調(diào)用知識(shí)庫(kù)提供的服務(wù)接口為醫(yī)療活動(dòng)提供決策支持。CDSS調(diào)用流程如圖2所示。

圖2 CDSS調(diào)用流程圖

在調(diào)用過(guò)程中，應(yīng)先判斷是否存在知識(shí)，若不存在，則直接調(diào)用結(jié)束；若存在，則通過(guò)知識(shí)庫(kù)獲取相關(guān)知識(shí)數(shù)據(jù)，其中知識(shí)庫(kù)所利用的患者數(shù)據(jù)必須以標(biāo)準(zhǔn)形式傳入，在調(diào)用規(guī)則引擎前將患者數(shù)據(jù)通過(guò)患者主索引和主數(shù)據(jù)管理服務(wù)轉(zhuǎn)換組成標(biāo)準(zhǔn)的虛擬病例（virtual medical record，VMR）數(shù)據(jù)模型[5]，再將知識(shí)與模型一同傳遞給規(guī)則引擎，根據(jù)引擎推理返回決策結(jié)果，并結(jié)束調(diào)用流程。

1.4 功能設(shè)計(jì)

CDSS的功能實(shí)現(xiàn)分為主動(dòng)和被動(dòng)2種模式，其核心功能如圖3所示。

主動(dòng)模式包含診前決策、診中支持和診后評(píng)價(jià)3個(gè)功能。其中診前決策功能包括臨床醫(yī)生在診斷、用藥過(guò)程中，系統(tǒng)根據(jù)臨床知識(shí)庫(kù)規(guī)則，提醒所需檢查及檢驗(yàn)項(xiàng)目，并在確診時(shí)提示診斷要求、鑒別要點(diǎn)、相關(guān)診療方案等信息。診中支持功能包括智能提示藥品的適應(yīng)證、藥理、藥效等信息。診后評(píng)價(jià)功能是挖掘患者與其既往醫(yī)療信息、臨床研究之間聯(lián)系的資料，可存儲(chǔ)并分析不符合規(guī)范的治療方案，為醫(yī)療質(zhì)量評(píng)估提供依據(jù)，同時(shí)也為循證醫(yī)學(xué)提供科學(xué)的證據(jù)[2]。

圖3 CDSS功能模塊結(jié)構(gòu)圖

被動(dòng)模式是用戶主動(dòng)詢問(wèn)系統(tǒng)時(shí)才給出的決策和建議，CDSS提供的癥狀、診斷查詢等服務(wù)均屬于被動(dòng)模式。該模式主要包含指南推導(dǎo)、癥狀推導(dǎo)、指南搜索、知識(shí)挖掘和醫(yī)學(xué)工具5個(gè)功能。

實(shí)現(xiàn)上述功能最關(guān)鍵的技術(shù)是構(gòu)建規(guī)則引擎。規(guī)則引擎是在臨床醫(yī)生進(jìn)行診療過(guò)程中，動(dòng)態(tài)加載決策模型庫(kù)中的診療規(guī)則和決策模型并得到臨床事實(shí)，模擬臨床醫(yī)生的決策過(guò)程，完成對(duì)診前和診中的決策推理。規(guī)則引擎能以最快的速度實(shí)現(xiàn)模式匹配，不僅可以把可視化規(guī)則編譯成ReteNet，還可以根據(jù)傳入的事實(shí)對(duì)ReteNet進(jìn)行匹配[6]。其具體原理及算法如下：

（1）規(guī)則引擎架構(gòu)原理。

規(guī)則引擎是一種基于規(guī)則的專家系統(tǒng)，包括模式匹配器、議程和執(zhí)行引擎。模式匹配器決定何時(shí)執(zhí)行何種規(guī)則，議程管理模式匹配器挑選出來(lái)規(guī)則的執(zhí)行順序，執(zhí)行引擎負(fù)責(zé)執(zhí)行規(guī)則和其他動(dòng)作[5]。規(guī)則引擎的使用步驟如下：

①將接收的輸入數(shù)據(jù)和患者臨床數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到工作緩存中；

②使用模式匹配器將規(guī)則庫(kù)中的規(guī)則與初始數(shù)據(jù)對(duì)比；

③如果同時(shí)激活多個(gè)規(guī)則，則執(zhí)行規(guī)則存在沖突，將沖突的規(guī)則緩存至沖突集合中；

④解決沖突，按照順序?qū)⒓せ畹囊?guī)則存到議程中；

⑤執(zhí)行議程中的規(guī)則，重復(fù)步驟②至步驟⑤，直到將議程中的所有規(guī)則執(zhí)行完畢。

（2）模式匹配算法。

規(guī)則引擎采用Rete模式匹配算法，將編譯結(jié)果的規(guī)則集對(duì)應(yīng)到Rete網(wǎng)絡(luò)。使用Rete網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配的過(guò)程如下：

①對(duì)于每個(gè)事實(shí)，通過(guò)select操作進(jìn)行過(guò)濾，使事實(shí)沿著Rete網(wǎng)絡(luò)到達(dá)合適的Alpha節(jié)點(diǎn)；

②對(duì)于收到的每一個(gè)事實(shí)的Alpha節(jié)點(diǎn)，用Project（投影操作）將適當(dāng)?shù)淖兞拷壎ú⒎蛛x，使各個(gè)新變量綁定集沿Rete網(wǎng)絡(luò)到達(dá)合適的beta節(jié)點(diǎn)；

③對(duì)于收到的新變量綁定的beta節(jié)點(diǎn)，使用Project產(chǎn)生新的綁定集，使這些新變量綁定集沿Rete網(wǎng)絡(luò)至下一個(gè)beta節(jié)點(diǎn)直至最后的Project；

④對(duì)于每條規(guī)則，用Project將結(jié)論實(shí)例化所需的綁定集分離出來(lái)。

實(shí)現(xiàn)Alpha節(jié)點(diǎn)匹配功能的核心代碼如下：

1.5 接口設(shè)計(jì)

CDSS通過(guò)接口為臨床業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供輔助決策，其接口方式有Restful接口和C#開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)接口。臨床業(yè)務(wù)系統(tǒng)在查詢靜態(tài)知識(shí)時(shí)，可調(diào)用Restful接口，通過(guò)接口返回結(jié)構(gòu)化靜態(tài)知識(shí)數(shù)據(jù)；需要輔助決策時(shí)可調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)接口，CDSS可在小窗中顯示輔助決策結(jié)果[2]。

2 臨床知識(shí)庫(kù)構(gòu)成

臨床知識(shí)庫(kù)是CDSS的核心組成部分，存放著各類知識(shí)規(guī)則。臨床知識(shí)庫(kù)業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 臨床知識(shí)庫(kù)業(yè)務(wù)架構(gòu)圖

圖4中，靜態(tài)知識(shí)庫(kù)包含結(jié)構(gòu)化知識(shí)和文檔庫(kù)；模型庫(kù)是基于衛(wèi)計(jì)委發(fā)布的《電子病歷基本數(shù)據(jù)集》構(gòu)建的，系統(tǒng)支持自定義臨床模型以解決臨床系統(tǒng)復(fù)雜多變的場(chǎng)景應(yīng)用；規(guī)則庫(kù)是靜態(tài)知識(shí)分類后創(chuàng)建的專題規(guī)則庫(kù)。

3 實(shí)際應(yīng)用

CDSS主要應(yīng)用于臨床業(yè)務(wù)輔助、智能患者360°視圖（臨床文檔瀏覽器）展示、各類評(píng)級(jí)支撐、醫(yī)保費(fèi)用管理、手術(shù)評(píng)估、智能護(hù)理等方面。通常采用提醒、警告、禁止等形式對(duì)醫(yī)務(wù)人員給予決策支持。下文僅對(duì)CDSS用于輔助合理用藥和輸血閉環(huán)管理進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3.1 CDSS用于輔助合理用藥

CDSS可以智能審核藥品的開(kāi)立，核對(duì)藥物之間的相互作用，通過(guò)知識(shí)庫(kù)規(guī)則的使用提高患者用藥安全[7]。例如注射用青霉素鈉和碳酸氫鈉之間存在配伍禁忌，醫(yī)生開(kāi)立該醫(yī)囑點(diǎn)擊保存后，會(huì)觸發(fā)CDSS的藥品規(guī)則，系統(tǒng)則提示2種藥品間存在配伍禁忌并禁止開(kāi)此醫(yī)囑。此外，系統(tǒng)還會(huì)關(guān)注特殊人群用藥、核對(duì)劑量信息等。例如自動(dòng)根據(jù)患者過(guò)敏史及檢驗(yàn)、檢查等數(shù)據(jù)判斷該患者能否使用該藥品，從而降低醫(yī)療差錯(cuò)及醫(yī)療事故的發(fā)生率，進(jìn)一步確保用藥安全。開(kāi)立醫(yī)囑時(shí)抗菌藥物使用提醒效果如圖5所示。

圖5 開(kāi)立醫(yī)囑時(shí)抗菌藥物使用提醒效果圖

我院在CDSS使用前3個(gè)月內(nèi)藥品不良反應(yīng)事件7例，使用后3個(gè)月內(nèi)藥品不良反應(yīng)事件降至4例，總數(shù)降低了43%；人工攔截藥物接近差錯(cuò)事件10例，系統(tǒng)攔截12例，攔截率提高了17%。

3.2 CDSS用于輸血閉環(huán)管理

輸血閉環(huán)指輸血全程管理及差錯(cuò)控制，涉及輸血評(píng)估、輸血申請(qǐng)、輸血審批、標(biāo)本采集、發(fā)血、輸血等流程。未實(shí)現(xiàn)輸血閉環(huán)時(shí)整個(gè)輸血流程存在諸多隱患，例如下達(dá)輸血/備血申請(qǐng)時(shí)對(duì)血型鑒定和輸血前檢查項(xiàng)（乙肝、梅毒、HIV、篩查等）未控制，在配血與用血過(guò)程中沒(méi)有根據(jù)患者的體征、基本情況、檢驗(yàn)結(jié)果、診斷等進(jìn)行用血安全檢查，無(wú)法自動(dòng)警示。因此，實(shí)行輸血閉環(huán)管理可使臨床輸血業(yè)務(wù)更加規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，確保臨床輸血安全。而實(shí)現(xiàn)輸血閉環(huán)必須有CDSS作為支撐。我院在CDSS使用前3個(gè)月內(nèi)人工攔截輸血事件2例，使用后3個(gè)月內(nèi)系統(tǒng)攔截5例，攔截率提高了60%。

圖6是CDSS與醫(yī)生工作站系統(tǒng)、血庫(kù)系統(tǒng)間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的示意圖。提交輸血申請(qǐng)后，醫(yī)生工作站系統(tǒng)將輸血申請(qǐng)信息通知運(yùn)行在客戶端的CDSS小助手內(nèi)，并傳入患者標(biāo)識(shí)號(hào)和相關(guān)醫(yī)療數(shù)據(jù)，CDSS小助手將請(qǐng)求信息傳遞給知識(shí)庫(kù)決策引擎，如果患者未做輸血前檢查或輸血前檢查結(jié)果異常，CDSS小助手會(huì)顯示警示信息，并給出相關(guān)決策及依據(jù)供醫(yī)生參考。輸血閉環(huán)管理中其他環(huán)節(jié)質(zhì)控與此環(huán)節(jié)質(zhì)控流程相同。

圖6 CDSS與醫(yī)生工作站、血庫(kù)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

我院依托已有CDR，建立了包含靜態(tài)知識(shí)庫(kù)、模型庫(kù)和規(guī)則庫(kù)的臨床知識(shí)庫(kù)，并借助規(guī)則引擎和內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建了敏捷、高效的CDSS。通過(guò)各種場(chǎng)景的應(yīng)用，該系統(tǒng)在診療活動(dòng)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)臨床診斷、治療、合理用藥、醫(yī)院管理等方面的決策支持，達(dá)到了減少醫(yī)療差錯(cuò)、提升醫(yī)療質(zhì)量的應(yīng)用效果。

從CDSS發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，現(xiàn)有模式僅基于既有的固化知識(shí)做出指導(dǎo)和評(píng)估，無(wú)法針對(duì)個(gè)體的實(shí)際情況進(jìn)行更加深入和準(zhǔn)確的挖掘分析，在決策支持的可靠性和精準(zhǔn)度方面有所欠缺[7]。人工智能的出現(xiàn)使CDSS的功能有了更大的發(fā)展空間，可以在雜亂無(wú)章的數(shù)據(jù)海洋中找出潛在的、隱藏的聯(lián)系，挖掘出更多有價(jià)值的信息，為臨床醫(yī)生的診療活動(dòng)提供更加精準(zhǔn)、可靠的輔助支持。非基于知識(shí)庫(kù)的CDSS具有深度學(xué)習(xí)能力，對(duì)醫(yī)生使用過(guò)程中的反饋處理會(huì)更加及時(shí)，反饋速度更快，臨床決策更智能，這將成為CDSS未來(lái)的發(fā)展方向。