魯 月 蔣晉鵬 曹美琴 金 鈺 吳千金

(東部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院秦淮醫(yī)療區(qū) 南京 210000)

1 引言

1.1 研究背景

20世紀(jì)90年代美國(guó)一家醫(yī)院設(shè)立了對(duì)手術(shù)室影像設(shè)備進(jìn)行集成控制的數(shù)字化手術(shù)室[1]。隨著我國(guó)醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展，信息技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字化手術(shù)室中進(jìn)而開(kāi)展遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)，成為實(shí)現(xiàn)服務(wù)信息化的重要手段之一[2]。數(shù)字化手術(shù)室電子信息共享系統(tǒng)的搭建，不僅能夠增進(jìn)醫(yī)生之間的學(xué)術(shù)交流，還能夠有效記錄手術(shù)全過(guò)程，實(shí)時(shí)提供患者數(shù)據(jù)，充分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

1.2 相關(guān)研究

有學(xué)者[3]設(shè)計(jì)基于WebGIS的數(shù)字化手術(shù)室信息集成與共享系統(tǒng)，該系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)共享時(shí)耗時(shí)較長(zhǎng)。高昆侖、杜峰和王延昭[4]設(shè)計(jì)基于中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)衛(wèi)星無(wú)線電定位系統(tǒng)(Radio Determination Satellite System，RDSS)的信息共享系統(tǒng)，其運(yùn)行時(shí)中央處理器(Center Processing Unit，CPU)利用率較低。陳關(guān)清、李逸和楊群等[5]設(shè)計(jì)基于瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server，B/S)體系的數(shù)字化手術(shù)室信息共享系統(tǒng)，但是其信息共享效果較差。為解決上述信息共享系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題，本研究將粒子群優(yōu)化算法應(yīng)用到數(shù)字化手術(shù)室電子信息共享系統(tǒng)中，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證系統(tǒng)有效性，以期為解決傳統(tǒng)系統(tǒng)中存在的問(wèn)題提供參考。

2 系統(tǒng)框架

2.1 存在的問(wèn)題

綜合分析目前手術(shù)室電子信息共享系統(tǒng)[6]可知，其主要存在以下4方面問(wèn)題：一是存儲(chǔ)中心化。隨著醫(yī)院自建小型數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)醫(yī)療數(shù)據(jù)的不斷疊加，信息存儲(chǔ)中心化情況嚴(yán)重。二是存儲(chǔ)孤島化。信息存儲(chǔ)中心化的后果是孤島化。醫(yī)院組織的異構(gòu)數(shù)據(jù)不能兼容，為系統(tǒng)信息共享帶來(lái)困難。三是安全威脅大。系統(tǒng)如果出現(xiàn)信息中心化趨勢(shì)則整個(gè)共享系統(tǒng)中的醫(yī)療數(shù)據(jù)將存在被竊取、篡改的隱患，泄露風(fēng)險(xiǎn)較大。四是數(shù)據(jù)少。中心化和孤島化會(huì)使醫(yī)院數(shù)據(jù)庫(kù)中出現(xiàn)大量異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)而導(dǎo)致共享數(shù)據(jù)量下降。數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)共享將會(huì)給醫(yī)生問(wèn)診帶來(lái)困難。

2.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

針對(duì)上述問(wèn)題，使用區(qū)塊鏈理論建立數(shù)字化手術(shù)室的電子信息共享系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：系統(tǒng)處理過(guò)程需要包含用戶注冊(cè)、信息管理、醫(yī)生問(wèn)診記錄、患者授權(quán)等。用戶分為患者、醫(yī)生以及系統(tǒng)管理員等類別，并為其建立各自所屬的身份管理鏈接碼。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)在建立時(shí)需要進(jìn)行相關(guān)安全操作。

2.3 建立系統(tǒng)框架(圖1)

圖1 數(shù)字化電子信息共享系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)

2.3.1 系統(tǒng)表示層 由系統(tǒng)前端操作頁(yè)面組合形成。不同用戶以不同身份登錄后會(huì)進(jìn)入所屬導(dǎo)覽頁(yè)面，用戶可直接進(jìn)行相關(guān)操作。該層所有用戶均可訪問(wèn)。

2.3.2 邏輯業(yè)務(wù)層 主要負(fù)責(zé)用戶登錄、病歷管理[7]、審核科室、管理科室以及手術(shù)資料保存等操作，該層只有管理員和醫(yī)生可以訪問(wèn)。

2.3.3 數(shù)據(jù)訪問(wèn)層 在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理層中需要使用相應(yīng)中間件解調(diào)對(duì)應(yīng)鏈碼，從而完成不同用戶、不同區(qū)塊鏈的操作，該層需要以管理員身份管理。

2.4 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)(圖2)

圖2 數(shù)字化手術(shù)室電子信息共享系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)

2.4.1 登錄 系統(tǒng)基礎(chǔ)模塊，主要負(fù)責(zé)用戶的注冊(cè)、登錄以及個(gè)人信息管理等工作。

2.4.2 就診記錄 主要功能是簡(jiǎn)化醫(yī)生、患者之間管理。醫(yī)生在手術(shù)前需要掌握患者病歷、檢驗(yàn)、檢查等相關(guān)信息，以便進(jìn)行精確診斷。

2.4.3 病歷管理 通過(guò)該模塊醫(yī)生在患者手術(shù)過(guò)程中可以方便地查看其病歷與檢驗(yàn)、檢查信息。

2.4.4 手術(shù)資料保存 手術(shù)完成后醫(yī)生需要填寫(xiě)完整手術(shù)記錄并保存手術(shù)過(guò)程影像，以供后續(xù)開(kāi)展培訓(xùn)、學(xué)術(shù)交流等活動(dòng)使用。

2.4.5 科室管理 科室管理較為復(fù)雜，該功能模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)字化手術(shù)室內(nèi)全部醫(yī)生及患者進(jìn)行管理，還要在手術(shù)前對(duì)患者病歷負(fù)責(zé)醫(yī)生進(jìn)行審核。

2.5 系統(tǒng)運(yùn)行流程

針對(duì)所有模塊具體功能設(shè)計(jì)該系統(tǒng)工作流程。數(shù)字化手術(shù)室[8]電子信息共享系統(tǒng)的共享流程可分為初始化、術(shù)前準(zhǔn)備以及手術(shù)3個(gè)階段，涉及科室管理員、醫(yī)生以及患者3類用戶。具體流程如下：一是初始化，該階段包括用戶登錄、注冊(cè)以及初始化系統(tǒng)參數(shù)等。二是術(shù)前準(zhǔn)備，主要進(jìn)行科室管理員審核，科室管理員通過(guò)對(duì)醫(yī)生列表以及患者診斷記錄進(jìn)行嚴(yán)格審核，做好人員調(diào)配、手術(shù)準(zhǔn)備等工作。三是手術(shù)階段，醫(yī)生調(diào)出患者就診記錄以及病歷做最后確認(rèn)后方可進(jìn)行手術(shù)，并同步保存手術(shù)影像。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 概述

信息集成化管理平臺(tái)設(shè)計(jì)完成后可作為數(shù)字化手術(shù)室電子信息共享系統(tǒng)的軟件使用。充分考慮傳統(tǒng)共享系統(tǒng)中存在的問(wèn)題,根據(jù)設(shè)計(jì)目的建立整個(gè)系統(tǒng)框架，并將信息共享平臺(tái)劃分層級(jí)，通過(guò)各層級(jí)之間的配合，實(shí)現(xiàn)電子信息共享，見(jiàn)圖3。

圖3 軟件實(shí)現(xiàn)平臺(tái)

3.2 支撐層實(shí)現(xiàn)

3.2.1 實(shí)現(xiàn)流程 當(dāng)用戶登錄后，平臺(tái)上會(huì)列出該用戶系統(tǒng)使用具體情況。用戶將文件寫(xiě)入系統(tǒng)中，平臺(tái)在收到指令后會(huì)將該項(xiàng)操作寫(xiě)入文件。實(shí)現(xiàn)流程如下：用戶在平臺(tái)內(nèi)添加相關(guān)信息，平臺(tái)接收后將其寫(xiě)入請(qǐng)求。通過(guò)該平臺(tái)接收寫(xiě)入請(qǐng)求，并將信息整合為數(shù)據(jù)塊寫(xiě)入平臺(tái)日記中，使用調(diào)用函數(shù)建立新文件夾專門留存用戶寫(xiě)入、接收的信息。當(dāng)用戶讀取所需信息時(shí)需要通過(guò)平臺(tái)指令將信息存入本地磁盤(pán)，過(guò)程如下：接收讀取請(qǐng)求，使用調(diào)用函數(shù)將接收讀取請(qǐng)求發(fā)往平臺(tái)；平臺(tái)通過(guò)節(jié)點(diǎn)接收請(qǐng)求，尋找信息資源位置建立讀入流，再次通過(guò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送讀取命令；用戶接收到命令后，使用函數(shù)建立連接監(jiān)控，整合數(shù)據(jù)后發(fā)往用戶終端，完成文件讀取。信息寫(xiě)入平臺(tái)后會(huì)在系統(tǒng)上顯示，顯示過(guò)程中將user作為存儲(chǔ)地址，使用input-c.txt查閱文件。

在引導(dǎo)共享單車發(fā)展，讓共享單車回收管理形成一種機(jī)制，政府應(yīng)做到以下方面：第一，當(dāng)?shù)卣畱?yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)出臺(tái)專門針對(duì)共享單車回收管理的法令法規(guī)，引導(dǎo)企業(yè)進(jìn)行單車回收管理。出臺(tái)相關(guān)政策以提高公民道德修養(yǎng)，加強(qiáng)法律建設(shè)。第二，政府應(yīng)加強(qiáng)執(zhí)法力度，有效落實(shí)治理舉措。第三，政府可先進(jìn)行共享單車的回收管理，再聯(lián)系相關(guān)企業(yè)，由企業(yè)承擔(dān)相關(guān)花費(fèi)，以幫助企業(yè)進(jìn)行共享單車的回收管理。第四，政府可提供相應(yīng)的資金支持、劃定專門的維修區(qū)域或者安排培訓(xùn)維修人員等來(lái)幫助企業(yè)回收管理報(bào)廢損壞的共享單車。

3.2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)化 數(shù)據(jù)庫(kù)作為支撐層中的重要組成部分，需要使用粒子群和優(yōu)化算法對(duì)庫(kù)中數(shù)據(jù)進(jìn)行共享優(yōu)化。一是挖掘數(shù)據(jù)特征。對(duì)支撐層數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享優(yōu)化時(shí)需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行模糊迭代以及自適應(yīng)學(xué)習(xí)。設(shè)定數(shù)據(jù)的緊密度指標(biāo)為RT1和RT2，選定數(shù)據(jù)庫(kù)中第k個(gè)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行粒子群優(yōu)化處理，獲取數(shù)據(jù)的變異概率分布，過(guò)程如下式所示：

(1)

式中，數(shù)據(jù)的變異維數(shù)為R，粒子移動(dòng)速度為V，變異概率分布為pD，關(guān)聯(lián)半徑為π?；诹Ｗ尤旱夹g(shù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行量化特征分解，依據(jù)粒子的個(gè)體差異性，對(duì)該系統(tǒng)支撐層內(nèi)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行計(jì)算，獲取數(shù)據(jù)特征，結(jié)果如下式所示：

(2)

式中，量化數(shù)據(jù)特征標(biāo)記Rk，量化系數(shù)為λ，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)為FZ，獲取的數(shù)據(jù)特征為S(x)，數(shù)據(jù)的迭代次數(shù)為tk。

二是粒子群尋優(yōu)。設(shè)定數(shù)據(jù)的相關(guān)規(guī)則為ak，特征量為sk，通過(guò)計(jì)算獲取數(shù)據(jù)庫(kù)搜索空間的可視化特征，過(guò)程如下式所示：

(3)

式中，數(shù)據(jù)可視化特征標(biāo)記Φ(w)，相關(guān)數(shù)據(jù)集標(biāo)記f(x)，第x個(gè)數(shù)據(jù)的概率密度為dx，數(shù)據(jù)庫(kù)集合為E，常數(shù)為e，且常數(shù)內(nèi)各類參數(shù)用j、w、x表示；數(shù)據(jù)總量為N，數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)為k，獲取的數(shù)據(jù)最優(yōu)位置分布標(biāo)記k，慣性權(quán)重為w。通過(guò)數(shù)據(jù)的共享化調(diào)度，提取獲取數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)因子的變化規(guī)律以及數(shù)據(jù)的優(yōu)化結(jié)果，過(guò)程如下式所示：

(4)

式中，學(xué)習(xí)因子c1和c2的初始值標(biāo)記c1ini、c2ini，尋優(yōu)值標(biāo)記c1fin、c2fin，數(shù)據(jù)的優(yōu)化結(jié)果為α，最大迭代次數(shù)為Tmax，優(yōu)化數(shù)據(jù)總量為A。依據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，完成數(shù)字化手術(shù)室電子信息共享設(shè)計(jì)支撐層的數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)化。

3.3 應(yīng)用層設(shè)計(jì)

3.3.1 平臺(tái)登錄 用戶需依據(jù)提示在醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)中進(jìn)行搜索，對(duì)該系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行訪問(wèn)，進(jìn)入系統(tǒng)后需嚴(yán)格按照相關(guān)要求，填寫(xiě)注冊(cè)信息，完成登錄。

3.3.2 患者檢索 用戶進(jìn)入平臺(tái)后，直接進(jìn)入患者檢索頁(yè)面，根據(jù)頁(yè)面提示添加搜索項(xiàng)和搜索值，可顯示患者詳細(xì)病歷。若無(wú)相關(guān)病歷結(jié)果，則需要通過(guò)高級(jí)檢索進(jìn)一步搜索。若患者病歷不存在，頁(yè)面會(huì)顯示該項(xiàng)信息為錯(cuò)誤信息。

3.3.3 文檔注冊(cè) 在該界面中，醫(yī)院相關(guān)科室需嚴(yán)格按照規(guī)定輸入文檔名稱、手術(shù)類型、文檔所屬患者ID、主刀醫(yī)生等信息，創(chuàng)建文檔并完成注冊(cè)。注冊(cè)成功后，醫(yī)生可在術(shù)前對(duì)該患者情況進(jìn)行精準(zhǔn)查詢。

3.3.4 檢索文檔 醫(yī)生在系統(tǒng)平臺(tái)主頁(yè)面點(diǎn)擊“檢索文檔”，進(jìn)入搜索頁(yè)面，依據(jù)搜索值以及搜索項(xiàng)，精準(zhǔn)查找患者信息。

4 仿真實(shí)驗(yàn)分析

4.1 測(cè)試方法

分別采用本文提出的基于粒子群優(yōu)化算法的數(shù)字化手術(shù)室電子信息共享系統(tǒng)(方法1)、文獻(xiàn)[3]提出的基于WebGIS的信息共享系統(tǒng)(方法2)、文獻(xiàn)[4]提出的BDS RDSS信息共享系統(tǒng)(方法3)進(jìn)行測(cè)試。

4.2 共享時(shí)間測(cè)試

在信息共享過(guò)程中，共享時(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行性能。在醫(yī)院內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)中選定2 000條數(shù)據(jù)并分為5組，且1組和5組中存在帶有噪聲的雜亂數(shù)據(jù)。采用方法1、方法2以及方法3對(duì)選定數(shù)據(jù)進(jìn)行信息共享，對(duì)3種系統(tǒng)的共享時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，見(jiàn)圖4。分析結(jié)果可知，本文提出的方法在進(jìn)行數(shù)據(jù)共享時(shí)所耗費(fèi)時(shí)間低于其他兩種設(shè)計(jì)方法。由于1組和5組中具有帶有噪聲的雜亂數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在共享過(guò)程中耗費(fèi)時(shí)間要高于其他3組，本文所提方法在噪聲數(shù)據(jù)干擾下檢測(cè)出共享數(shù)據(jù)所耗費(fèi)時(shí)間依舊低于其他兩種設(shè)計(jì)方法。方法2檢測(cè)出的數(shù)據(jù)共享時(shí)間低于方法3，但是高于方法1。整體來(lái)看本文所提設(shè)計(jì)方法的共享時(shí)間最短，方法2次之，方法3最差。

4.3 CPU利用率測(cè)試

服務(wù)器的運(yùn)行溫度以及功率都會(huì)對(duì)系統(tǒng)CPU利用率產(chǎn)生影響，采用方法1、方法2以及方法3進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，對(duì)3種系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的CPU利用率進(jìn)行測(cè)試，見(jiàn)圖5。分析結(jié)果可知，測(cè)試CPU利用率時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行功耗產(chǎn)生的影響要大于系統(tǒng)服務(wù)器溫度產(chǎn)生的影響。系統(tǒng)服務(wù)器溫度越高，檢測(cè)出的CPU利用率越差。服務(wù)器在20℃時(shí)，3種系統(tǒng)檢測(cè)出的CPU利用率無(wú)較大偏差，隨著溫度的不斷上升偏差逐漸拉開(kāi)。本文的設(shè)計(jì)方法隨著系統(tǒng)運(yùn)行功耗的不斷增加，檢測(cè)出的CPU利用率持續(xù)高于其他兩種設(shè)計(jì)方法。這主要是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)共享系統(tǒng)時(shí)使用粒子群優(yōu)化算法對(duì)軟件平臺(tái)中的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行共享優(yōu)化。

圖5 不同系統(tǒng)CPU利用率測(cè)試結(jié)果

4.4 共享效果測(cè)試

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)3種信息共享系統(tǒng)的共享效果進(jìn)行測(cè)試，見(jiàn)圖6。分析結(jié)果可知，隨著測(cè)試時(shí)間的不斷增加，3種共享系統(tǒng)的共享效果出現(xiàn)不同程度的下降。本文所提共享系統(tǒng)檢測(cè)的信息共享效果自檢測(cè)初期就高于其他兩種共享系統(tǒng)，并且隨著檢測(cè)時(shí)間的增長(zhǎng)，檢測(cè)出的效果持續(xù)穩(wěn)定在80%左右。

圖6 不同共享系統(tǒng)的共享效果測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

手術(shù)室是醫(yī)院最重要的科室之一，對(duì)醫(yī)院運(yùn)行影響較大。數(shù)字化手術(shù)室的出現(xiàn)給醫(yī)生交流、培訓(xùn)等活動(dòng)帶來(lái)便利。針對(duì)傳統(tǒng)信息共享系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，本文提出基于粒子群優(yōu)化算法的數(shù)字化手術(shù)室電子信息共享系統(tǒng)方法。該方法在設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)時(shí)尚存在一定問(wèn)題，有待進(jìn)一步優(yōu)化完善。