趙浩宇，劉 芳，吳 昊，羅 浩*

（1.陸軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)與人工智能中心，重慶 400038；2.陸軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院藥劑科，重慶 400038；3.陸軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院院辦，重慶 400038）

0 引言

藥劑科作為醫(yī)院一個(gè)專科性極強(qiáng)的醫(yī)技科室，是以提高臨床用藥質(zhì)量為目的、以藥物與機(jī)體相互作用為核心，重點(diǎn)研究藥物臨床合理應(yīng)用方法的綜合性科室。臨床藥學(xué)的根本目標(biāo)是保障臨床合理用藥，是疾病藥物治療環(huán)節(jié)中不可缺少的一環(huán)。醫(yī)師的主要職責(zé)是診斷并給出藥物處方，而處方是否合理、特殊藥物個(gè)體用藥劑量是否需要調(diào)整、患有多種疾病患者的多重用藥是否合理平衡，屬于臨床藥師的臨床藥學(xué)服務(wù)的范疇。如果臨床不能很好地根據(jù)患者情況，特別是為患有多重疾病的患者提供調(diào)藥等用藥決策服務(wù)，則會(huì)帶來更多的醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)[1]。

目前，國(guó)內(nèi)只有大型綜合醫(yī)院開展了臨床藥物監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)用藥指導(dǎo)業(yè)務(wù)，但大多還是依靠傳統(tǒng)的人工模式，通過Excel 表錄入患者數(shù)據(jù)，然后根據(jù)公式計(jì)算藥物監(jiān)測(cè)值，且沒有通過系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)果回傳，要等藥物監(jiān)測(cè)結(jié)果紙質(zhì)報(bào)告打印出來后才能反饋給醫(yī)生，周期長(zhǎng)、效率低且容易出現(xiàn)醫(yī)療安全事故。部分醫(yī)院雖已有相關(guān)系統(tǒng)支撐精準(zhǔn)用藥，但需要手工將數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)再進(jìn)行用藥分析，不能匯聚各業(yè)務(wù)系統(tǒng)藥物相關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)建模型進(jìn)行智能學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用，無法實(shí)現(xiàn)從新樣本（業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、合理用藥方案）中學(xué)習(xí)提取新知識(shí)，優(yōu)化模型，為科室進(jìn)行科研服務(wù)。

鑒于此，本文利用人工智能技術(shù)，構(gòu)建個(gè)體化精準(zhǔn)用藥系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過調(diào)取醫(yī)院信息系統(tǒng)（hospital information system，HIS）接口訪問數(shù)據(jù)庫視圖，能夠快速地提取患者相關(guān)臨床診療數(shù)據(jù)和藥品信息數(shù)據(jù)，并利用人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)，通過對(duì)匯聚數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，構(gòu)建相關(guān)藥物動(dòng)力學(xué)公式和模型，以全流程自動(dòng)化的運(yùn)行管理模式取代以前依靠人工進(jìn)行精準(zhǔn)用藥分析的傳統(tǒng)運(yùn)行模式，為患者提供個(gè)體化精準(zhǔn)用藥建議，并為工作人員提供精細(xì)化科研數(shù)據(jù)分析，從而提升數(shù)據(jù)使用效率及用藥指導(dǎo)的快速性、精準(zhǔn)性、安全性[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

如何以患者為中心，運(yùn)用人工智能與數(shù)據(jù)治理技術(shù)構(gòu)建精準(zhǔn)用藥體系，更有效地服務(wù)于醫(yī)生和患者是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)?；诒鞠到y(tǒng)，使用者可通過醫(yī)院真實(shí)數(shù)據(jù)與人工智能建模分析，開展血藥濃度/用藥模型預(yù)測(cè)、用藥風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、精準(zhǔn)用藥指導(dǎo)、治療預(yù)后分析等研究，完善精準(zhǔn)用藥流程，促進(jìn)醫(yī)療安全[3]。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮解決以下2 個(gè)問題。

（1）人工環(huán)節(jié)操作多，出具方案流程效率低下。

目前個(gè)體化精準(zhǔn)用藥方案因?yàn)闆]有系統(tǒng)支撐，需要人工查閱電子病歷系統(tǒng)（electronic medical record system，EMRS）等各個(gè)信息系統(tǒng)中的相關(guān)患者數(shù)據(jù)，將所需數(shù)據(jù)和變量手工輸入Excel 用公式計(jì)算，再打印紙質(zhì)版報(bào)告以人工形式送回臨床科室醫(yī)生處進(jìn)行用藥參考，效率非常低下。同時(shí)，因?yàn)榇蟛糠止ぷ魇侨斯げ僮?，藥師工作量、藥物監(jiān)測(cè)總量、血藥濃度變化趨勢(shì)、藥物品種占比、基因多態(tài)性等一系列統(tǒng)計(jì)分析工作也非常不方便。

（2）數(shù)據(jù)算法無支撐，數(shù)據(jù)特征轉(zhuǎn)化較煩瑣。

藥師只能根據(jù)以往數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行公式套用計(jì)算藥物不良反應(yīng)程度，但在實(shí)際計(jì)算時(shí)，還需要充分考慮患者各項(xiàng)生命指標(biāo)變化，但人工很難提取數(shù)據(jù)潛在的特征。同時(shí)要將這些不同形式、不同維度的特征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為同一維度進(jìn)行計(jì)算，并映射在同一空間，形成輔助診斷特征池，對(duì)于人工來說還比較復(fù)雜[4]。

1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)架構(gòu)總體分為UI 層、Web 層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、數(shù)據(jù)傳輸層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層6 個(gè)部分。UI 層提供全方位的用戶交互應(yīng)用，包括實(shí)現(xiàn)PC端Web 頁面、App、公眾號(hào)、微信小程序等。Web 層內(nèi)部采用Nginx、Tomcat 和Netty 架構(gòu)，內(nèi)存消耗少，支持熱部署且穩(wěn)定性強(qiáng)，可對(duì)超文本傳輸協(xié)議（hypertext transfer protocol，HTTP）請(qǐng)求進(jìn)行負(fù)載均衡，并且提高處理網(wǎng)絡(luò)高并發(fā)數(shù)據(jù)請(qǐng)求的能力。數(shù)據(jù)服務(wù)層通過WebService、WebAPI、JS 對(duì)象簡(jiǎn)譜（JavaScript objection notation，JSON）和可擴(kuò)展標(biāo)記語言（eXtensible markup language，XML）提供數(shù)據(jù)接口服務(wù)，利用這些調(diào)取的數(shù)據(jù)可以開發(fā)出強(qiáng)大功能的Web 應(yīng)用。數(shù)據(jù)傳輸層采用消息中間件ActiveMQ 和iPharma通信模塊實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與認(rèn)知計(jì)算集群之間的數(shù)據(jù)傳輸與交換。業(yè)務(wù)邏輯層核心框架以iPharma 為基礎(chǔ)，采用SpringMVC 作為視圖框架，降低前端各層之間的耦合性，和Spring 核心框架無縫結(jié)合，易于擴(kuò)展；日志處理采用Logback 對(duì)運(yùn)行中的應(yīng)用程序中的關(guān)鍵模塊及業(yè)務(wù)進(jìn)行日志記錄，便于后期排錯(cuò)和審計(jì)；報(bào)表組件可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可視化界面圖形化展示；定時(shí)任務(wù)能夠使系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行部分操作，減少人工工作量。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層采用MySQL、Oracle 等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和Redis 等內(nèi)存數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，通過完善的高可用集群和數(shù)據(jù)容災(zāi)備份方案保證系統(tǒng)的安全可靠[5]。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 個(gè)體化精準(zhǔn)用藥系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

1.3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

醫(yī)生發(fā)現(xiàn)患者用藥反應(yīng)異常后，可直接在工作站開具檢測(cè)醫(yī)囑，護(hù)士采樣后由相關(guān)工作人員運(yùn)送至檢測(cè)藥師處，檢測(cè)藥師通過實(shí)驗(yàn)室信息系統(tǒng)（laboratory information system，LIS）完成檢測(cè)后自動(dòng)將數(shù)據(jù)上傳至LIS。復(fù)核藥師登錄系統(tǒng)查看審核，審核完成后反饋至臨床藥師。臨床藥師提取患者相關(guān)信息，通過精準(zhǔn)用藥系統(tǒng)自動(dòng)分析，出具用藥調(diào)整方案。上級(jí)藥師審核后出具個(gè)體化精準(zhǔn)用藥報(bào)告，報(bào)告可以在系統(tǒng)內(nèi)直接查看，也可以回傳至EMRS，醫(yī)生可以直接在EMRS 內(nèi)查看精準(zhǔn)用藥報(bào)告，再根據(jù)報(bào)告調(diào)整方案，完成安全用藥[6]。系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖2 所示。

圖2 個(gè)體化精準(zhǔn)用藥系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

1.4 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）架構(gòu)，通過瀏覽器進(jìn)行訪問，終端不需要安裝客戶端程序，便于后期的維護(hù)和升級(jí)。整個(gè)系統(tǒng)分為前后端進(jìn)行開發(fā)，前端采用超文本標(biāo)記語言（hyper text markup language，HTML）和JavaScript進(jìn)行展示界面開發(fā)，后端采用.NET 進(jìn)行開發(fā)，通過WebAPI 將訪問請(qǐng)求提交至前端，前端再通過HIS 接口提取數(shù)據(jù)用于展示。服務(wù)器端安裝成熟的CentOS 7.6 版本操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)安全且穩(wěn)定；以O(shè)racle 作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、備份和管理；并配備動(dòng)態(tài)菜單功能，通過用戶角色權(quán)限展示不同功能界面來實(shí)現(xiàn)安全訪問[7]。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)功能模塊

本系統(tǒng)以便捷化、智能化為設(shè)計(jì)目的，利用大數(shù)據(jù)架構(gòu)匯聚數(shù)據(jù)，通過接口開發(fā)與HIS 進(jìn)行深度融合，通過建模進(jìn)行計(jì)算與分析，以實(shí)現(xiàn)從醫(yī)生發(fā)起檢測(cè)申請(qǐng)到最終個(gè)體化精準(zhǔn)用藥報(bào)告回傳的閉環(huán)流程管理、數(shù)據(jù)智能分析、科研回顧研究等眾多功能，具體功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 個(gè)體化精準(zhǔn)用藥系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖

2.2 模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 患者數(shù)據(jù)管理模塊

患者數(shù)據(jù)管理模塊主要對(duì)患者的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和藥物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。該模塊通過JavaScript 開發(fā)調(diào)用應(yīng)用程序接口（application programming interface，API）方式對(duì)接醫(yī)院各信息系統(tǒng)，以獲取患者所有臨床基本診療數(shù)據(jù)。藥劑科臨床藥師可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速查閱和管理，但不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改和刪除。系統(tǒng)借助對(duì)診療數(shù)據(jù)的分析和研究，能夠?yàn)榫珳?zhǔn)用藥提供指導(dǎo)[8]?；颊吲R床數(shù)據(jù)管理界面如圖4 所示。

圖4 患者臨床數(shù)據(jù)管理界面

2.2.2 報(bào)告管理模塊

報(bào)告管理模塊主要對(duì)藥物監(jiān)測(cè)報(bào)告和精準(zhǔn)用藥報(bào)告進(jìn)行管理。該模塊通過HTML 和JavaScript進(jìn)行界面展示開發(fā)，可自動(dòng)生成精準(zhǔn)用藥電子化報(bào)告、藥物監(jiān)測(cè)報(bào)告等，實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程電子化，臨床藥師可依據(jù)個(gè)體化用藥報(bào)告進(jìn)行審核，結(jié)果無誤后再回傳至醫(yī)院LIS。精準(zhǔn)用藥報(bào)告如圖5 所示。

圖5 精準(zhǔn)用藥報(bào)告

2.2.3 模型管理模塊

模型管理模塊主要實(shí)現(xiàn)藥物動(dòng)力學(xué)模型和輔助診斷模型管理。該模塊通過內(nèi)嵌入群體藥物動(dòng)力學(xué)模型，依據(jù)患者臨床診療數(shù)據(jù)，將篩選的變量進(jìn)行Logistic 回顧分析，得出疾病、癥狀、藥物等臨床醫(yī)學(xué)實(shí)體間的關(guān)系，從而構(gòu)建藥物動(dòng)力學(xué)公式和精準(zhǔn)用藥模型，對(duì)患者用藥進(jìn)行精準(zhǔn)指導(dǎo)。采用該模塊可對(duì)模型進(jìn)行添加、編輯、刪除等操作，同時(shí)可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回溯和共享。模型管理界面如圖6 所示。

圖6 模型管理界面

2.2.4 參數(shù)管理模塊

參數(shù)管理模塊可實(shí)現(xiàn)藥物動(dòng)力學(xué)公式參數(shù)、精準(zhǔn)用藥參數(shù)和基因組參數(shù)等設(shè)置。該模塊使用最小絕對(duì)收縮和選擇（least absolute shrinkage and seection operator，LASSO）回歸進(jìn)行變量篩選，通過查看患者相關(guān)診療指標(biāo)和用藥情況，可對(duì)系統(tǒng)模型和藥物動(dòng)力學(xué)公式進(jìn)行相關(guān)參數(shù)管理和設(shè)置，以便對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練和分析。通過參數(shù)設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)離散度分析、曲線下面積計(jì)算、橫斷面研究、隨機(jī)對(duì)照實(shí)驗(yàn)等，提供更加完善和精準(zhǔn)的用藥指導(dǎo)數(shù)據(jù)。參數(shù)管理界面如圖7 所示。

圖7 參數(shù)管理界面

2.2.5 統(tǒng)計(jì)分析模塊

統(tǒng)計(jì)分析模塊實(shí)現(xiàn)各種報(bào)表和工作量統(tǒng)計(jì)。該模塊主要借助EChart（HTML+JS）技術(shù)實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)是百度的一個(gè)開源免費(fèi)技術(shù)，可以開發(fā)多維度報(bào)表進(jìn)行可視化報(bào)表展示，包括藥師工作量統(tǒng)計(jì)，治療藥物監(jiān)測(cè)、基因組監(jiān)測(cè)等業(yè)務(wù)工作量及藥物基因組占比統(tǒng)計(jì)，歷史報(bào)告查詢和統(tǒng)計(jì)等，并支持以Excel 文件格式導(dǎo)出。各種可視化圖形的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)使科室對(duì)業(yè)務(wù)指標(biāo)一目了然，方便問題的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，以及有針對(duì)性地制訂科室發(fā)展計(jì)劃和科研計(jì)劃。統(tǒng)計(jì)分析界面如圖8 所示。

圖8 統(tǒng)計(jì)分析界面

2.2.6 系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)管理模塊實(shí)現(xiàn)用戶管理和功能菜單管理。該模塊通過.NET 編程實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)菜單管理模式，不同權(quán)限用戶在系統(tǒng)顯示不同功能界面。用戶管理可對(duì)系統(tǒng)用戶進(jìn)行創(chuàng)建及權(quán)限分配，支持多用戶多權(quán)限分級(jí)管理模式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的增加、刪除、修改、查看、權(quán)限分配等功能配置；菜單管理主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能菜單的增、刪、改功能，以方便管理員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置更新。

3 應(yīng)用效果

3.1 系統(tǒng)實(shí)施前后數(shù)據(jù)對(duì)比

本系統(tǒng)實(shí)施前有大量煩瑣的工作需要人工處理，特別是在開展用藥研究時(shí)，由于沒有信息系統(tǒng)支撐，通常要在Excel 中輸入所需重要變量，這就需要人工查閱EMRS 等信息系統(tǒng)相關(guān)患者數(shù)據(jù)，將所需變量一一手動(dòng)提取輸入再進(jìn)行公式計(jì)算。而自本系統(tǒng)2022 年8 月上線試運(yùn)行后，可快速獲取患者臨床數(shù)據(jù)，通過設(shè)置好的藥物動(dòng)力學(xué)公式參數(shù)和模型參數(shù)，自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算和分析，直接生成可下載的個(gè)體化精準(zhǔn)用藥報(bào)告建議，可減少約85%的人工工作量[9]。系統(tǒng)上線前后工作效率對(duì)比見表1。

表1 個(gè)體化精準(zhǔn)用藥系統(tǒng)上線前后工作效率對(duì)比

3.2 完善流程管理，提升工作效率

本系統(tǒng)應(yīng)用后可取代原來手工輸入患者臨床診療數(shù)據(jù)，手工運(yùn)算、人工運(yùn)送報(bào)告供臨床醫(yī)生查看等人工環(huán)節(jié)，通過預(yù)先設(shè)置的公式進(jìn)行計(jì)算，自動(dòng)生成藥物監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)用藥報(bào)告建議，臨床藥師確認(rèn)報(bào)告無誤后，將個(gè)體化精準(zhǔn)用藥報(bào)告在線回傳至臨床醫(yī)生工作站（LIS、EMRS 均可），不僅完善了院內(nèi)工作流的閉環(huán)管理，還實(shí)現(xiàn)了無紙化辦公，提升了藥師整體工作效率。

3.3 降低不良反應(yīng)，提升治療效率

本系統(tǒng)基于院內(nèi)真實(shí)數(shù)據(jù)建立人工智能用藥模型，并集成了多種藥物動(dòng)力學(xué)公式，通過計(jì)算和分析自動(dòng)生成臨床精準(zhǔn)用藥指導(dǎo)。所產(chǎn)生的報(bào)告可達(dá)到既產(chǎn)生藥物療效又不產(chǎn)生藥物相關(guān)不良反應(yīng)的效果，能夠?yàn)榕R床醫(yī)生提供用藥參考，從而提升治療效率，幫助臨床更好地為患者服務(wù)。

3.4 降低報(bào)告差錯(cuò)，提升醫(yī)療安全

本系統(tǒng)上線前，需通過人工查閱和輸入大量患者診療數(shù)據(jù)，然后運(yùn)用公式計(jì)算藥物在體內(nèi)的變化情況，由于工作煩瑣，難免會(huì)造成人為數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤，造成精準(zhǔn)用藥報(bào)告出現(xiàn)差錯(cuò)。系統(tǒng)上線后，可直接讀取患者臨床診療數(shù)據(jù)，自動(dòng)獲取變量，通過人工智能模型進(jìn)行分析和計(jì)算，從而提升精準(zhǔn)用藥報(bào)告的正確率，減少因報(bào)告差錯(cuò)帶來的診療誤差，提升了醫(yī)療安全[10]。

4 結(jié)語

基于人工智能的個(gè)體化精準(zhǔn)用藥系統(tǒng)可通過實(shí)時(shí)交互技術(shù)，快速地從業(yè)務(wù)系統(tǒng)（HIS、EMRS、LIS 等）中提取患者的各項(xiàng)臨床數(shù)據(jù)，并通過計(jì)算和分析給出個(gè)體化精準(zhǔn)用藥方案。后續(xù)系統(tǒng)還能提取新樣本數(shù)據(jù)，不斷優(yōu)化模型和算法，為臨床持續(xù)提供合理用藥支撐。同時(shí)能夠完善藥劑科精準(zhǔn)用藥處理流程，提升工作效率和醫(yī)療安全[11]。

但由于醫(yī)院以前在數(shù)據(jù)管理上缺乏經(jīng)驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量缺少監(jiān)管，技術(shù)也不成熟，前期很多臨床數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，在數(shù)據(jù)分析和建模過程中容易出現(xiàn)差錯(cuò)。而且系統(tǒng)在公式和模型參數(shù)設(shè)置上相對(duì)復(fù)雜，后期還需要不斷優(yōu)化調(diào)整，減少參數(shù)設(shè)置帶來的不便。另外，每種藥品的精準(zhǔn)用藥指導(dǎo)都需要前期不斷建模和分析。下一步將重點(diǎn)構(gòu)建更多臨床藥物模型，豐富藥物品種，滿足更多患者的精準(zhǔn)用藥需求。同時(shí)將提升數(shù)據(jù)質(zhì)量，優(yōu)化參數(shù)設(shè)置，在實(shí)踐中不斷摸索，為藥劑科精準(zhǔn)用藥創(chuàng)新發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[12]。