宓林暉 袁駿毅 侯旭敏

(上海市胸科醫(yī)院/上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬胸科醫(yī)院 上海 200030)

1 引言

數(shù)字孿生技術(shù)是綜合運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)將真實世界中的物理實體鏡像投射至虛擬空間中，通過虛實數(shù)據(jù)的雙向傳輸與交互，在虛擬空間中實現(xiàn)物理實體模型的仿真優(yōu)化，并按需提供各類智能應(yīng)用[1]。數(shù)字孿生技術(shù)早期主要應(yīng)用于航空航天、工業(yè)制造領(lǐng)域，近年來逐步推廣到智慧城市、醫(yī)療等領(lǐng)域，受到業(yè)界廣泛關(guān)注[2]。陰艷超等[3]研究指出，通過數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建的數(shù)字車間有助于動態(tài)分析車間運行情況，為優(yōu)化生產(chǎn)資源調(diào)度、提高車間生產(chǎn)效率提供決策支持。手術(shù)涉及多環(huán)節(jié)、多部門、多資源、多人員的協(xié)作，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，也是醫(yī)療質(zhì)量管理的重點關(guān)注內(nèi)容。2021年出臺的《關(guān)于推動公立醫(yī)院高質(zhì)量發(fā)展的要求》提出醫(yī)療機構(gòu)應(yīng)充分利用數(shù)字化技術(shù)，強化醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)的內(nèi)涵質(zhì)量[4]。國內(nèi)外醫(yī)院通常已建成手術(shù)信息系統(tǒng)，實現(xiàn)手術(shù)記錄、術(shù)中生命體征等資料登記。然而，手術(shù)追溯研究主要集中在手術(shù)器械、植入性耗材等方面，關(guān)于手術(shù)環(huán)節(jié)監(jiān)管的研究較少[5]。因此，本研究將數(shù)字孿生技術(shù)融入手術(shù)管理，結(jié)合實際業(yè)務(wù)需求建立手術(shù)智慧管理平臺，優(yōu)化手術(shù)流程、加強質(zhì)量控制，為其他醫(yī)療機構(gòu)加強手術(shù)過程質(zhì)量監(jiān)管提供借鑒參考。

2 圍手術(shù)期患者轉(zhuǎn)運流程

手術(shù)能力是衡量醫(yī)院醫(yī)療水平的重要標(biāo)準(zhǔn)，手術(shù)資源需要統(tǒng)籌管理和動態(tài)規(guī)劃。上海市胸科醫(yī)院是一家以心肺疑難手術(shù)為特長的三級甲等?？漆t(yī)院，2022年手術(shù)量2.23萬例。隨著手術(shù)量逐年攀升，患者術(shù)前等候時間長、醫(yī)療資源緊張的問題日漸突出。研究表明，在醫(yī)院復(fù)雜的工作環(huán)境中，空間感知服務(wù)能夠提高醫(yī)療流程運行效率[6]。2022年5月醫(yī)院實施物聯(lián)網(wǎng)覆蓋，采用無線射頻識別技術(shù)(radio frequency identification，RFID)實現(xiàn)手術(shù)患者佩戴感應(yīng)式手環(huán)信息的追溯。依托RFID采集患者實時位置，記錄手術(shù)環(huán)節(jié)時間點。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶來了以下變化：一是患者進入手術(shù)室掃描腕帶和手環(huán)定位，雙重身份確認(rèn)模式保障轉(zhuǎn)運交接安全；二是改變既往手術(shù)室護士人工記錄方式，家屬等候區(qū)自動更新顯示手術(shù)即時狀態(tài)；三是病區(qū)護士及時掌握即將返回的術(shù)后患者，合理進行術(shù)后護理工作準(zhǔn)備，見圖1。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)全面覆蓋的手術(shù)患者轉(zhuǎn)運流程

3 數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用關(guān)鍵方法

3.1 手術(shù)信息化建設(shè)常見問題

手術(shù)信息化涉及的軟硬件眾多，平面化數(shù)據(jù)管理存在范疇交叉、信息互斥等現(xiàn)象?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》[7]提出，要運用數(shù)字技術(shù)擴展應(yīng)用場景，促進公共服務(wù)的創(chuàng)新。手術(shù)信息化建設(shè)通常面臨兩類問題：一是頂層設(shè)計管理理念滯后，關(guān)鍵指標(biāo)項定義不明晰，全局層面分析手段欠缺；二是數(shù)據(jù)融合互通能力不足，涉及手術(shù)、麻醉等多套異構(gòu)軟件，對接難度較大[8]。

3.2 數(shù)字孿生技術(shù)在手術(shù)信息化建設(shè)中的應(yīng)用

數(shù)字孿生的邏輯模型包括真實世界、虛擬空間、驅(qū)動指令和數(shù)據(jù)鏈路，涵蓋孿生數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)軟件、使用角色、功能模塊和應(yīng)用場景[9]。通過RFID傳感器、麻醉系統(tǒng)、移動手持終端轉(zhuǎn)運交接記錄等實時采集真實世界中患者手術(shù)轉(zhuǎn)運期間的動態(tài)過程數(shù)據(jù)，形成底層數(shù)據(jù)鏈路。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合轉(zhuǎn)運事件、交接要求、業(yè)務(wù)時間線等驅(qū)動指令，對數(shù)據(jù)進行清洗、歸類、關(guān)聯(lián)、適配與融合，從而在虛擬空間中復(fù)制患者手術(shù)轉(zhuǎn)運全過程，保障真實世界與虛擬空間中患者狀態(tài)的一致性和同步性，為后續(xù)應(yīng)用落地提供更全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。在應(yīng)用方面，基于轉(zhuǎn)運過程數(shù)據(jù)的智能分析，滿足主刀醫(yī)生、醫(yī)務(wù)部門等各類角色的不同業(yè)務(wù)需求，如向主刀醫(yī)生提供手術(shù)開臺時間預(yù)測，便于其安排術(shù)前談話及準(zhǔn)備事宜；向醫(yī)務(wù)部門提供轉(zhuǎn)運各環(huán)節(jié)耗時、手術(shù)室忙閑狀態(tài)等，為其優(yōu)化手術(shù)流程提供決策支持。因此，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于手術(shù)管理有助于實現(xiàn)手術(shù)流程的實時掌控和環(huán)節(jié)優(yōu)化，提供創(chuàng)新的全局性分析框架和管理范式，見圖2。

圖2 手術(shù)信息化建設(shè)邏輯模型(數(shù)字孿生驅(qū)動的視角)

4 技術(shù)架構(gòu)和主要功能

4.1 平臺技術(shù)架構(gòu)

手術(shù)智慧管理平臺采用軟件、設(shè)施、數(shù)據(jù)、場景的分層結(jié)構(gòu)設(shè)計，數(shù)據(jù)庫為SQL Server 2016，由2臺互為主備的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和4臺并行集群的應(yīng)用服務(wù)器組成。平臺無縫整合電子醫(yī)囑系統(tǒng)(computerized physician order entry，CPOE)、護理信息系統(tǒng)(nurse information system，NIS)等6套臨床業(yè)務(wù)軟件，通過RFID手環(huán)、移動手持終端等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集數(shù)據(jù)，全量抽取復(fù)制到數(shù)據(jù)層，將多模態(tài)數(shù)據(jù)匯聚成多維度數(shù)據(jù)集。數(shù)字孿生層作為平臺核心，具有數(shù)據(jù)存儲、智能規(guī)則、公共接口3項功能。一是數(shù)據(jù)清洗和適配后，按類別進行數(shù)據(jù)元管理和建模，形成全鏡像庫。二是內(nèi)嵌身份核查、節(jié)點提醒等智能規(guī)則引擎，保證邏輯內(nèi)涵一致性。三是提供數(shù)據(jù)匯集、分析決策的公共標(biāo)準(zhǔn)接口服務(wù)，保障軟件互聯(lián)耦合度。場景應(yīng)用層圍繞手術(shù)實時狀態(tài)，同步分發(fā)信息至物理顯示屏和醫(yī)護人員手機。同時，平臺提供大數(shù)據(jù)分析功能，對手術(shù)關(guān)鍵指標(biāo)實現(xiàn)智慧預(yù)測預(yù)警，見圖3。

圖3 手術(shù)智慧管理平臺架構(gòu)

4.2 主要功能

4.2.1 手環(huán)綁定與身份核查 患者擇期手術(shù)當(dāng)日，病區(qū)護士為患者佩戴定位手環(huán)，使用移動手持終端掃描腕帶，將手術(shù)信息與手環(huán)進行綁定?；颊呓?jīng)過沿途部署的物聯(lián)網(wǎng)低頻定位器時，軌跡數(shù)據(jù)被記錄。手術(shù)室護士簽收時掃描轉(zhuǎn)運單，確認(rèn)手環(huán)信號已到達(dá)指定位置?；颊咝g(shù)后返回，病區(qū)護士解綁手環(huán)，浸泡消毒以便循環(huán)使用。護理部查詢手環(huán)綁定率，保證轉(zhuǎn)運交接的醫(yī)療安全。

4.2.2 電子屏實時狀態(tài)顯示 根據(jù)手環(huán)位置信號，平臺通過電子屏同步顯示當(dāng)前狀態(tài)?；颊哌M入手術(shù)室時，門口電子屏顯示“房間占用”以及患者姓名和主刀醫(yī)生，手術(shù)結(jié)束后顯示“空閑中”?；颊呒覍僭诘群騾^(qū)通過大屏得知患者手術(shù)進程，減輕其等候時的焦灼心理?；颊唠x開蘇醒區(qū)推出手術(shù)室時，病區(qū)護理大屏閃爍提醒術(shù)后患者即將返回，便于病區(qū)護士提前做好接床準(zhǔn)備。

4.2.3 手術(shù)全程追溯記錄 基于沿途部署的物聯(lián)網(wǎng)和智能定位算法，平臺精確描繪出患者全程網(wǎng)格化軌跡。在病區(qū)、轉(zhuǎn)運電梯、手術(shù)室、CT定位室等10個關(guān)鍵位置，全程記錄手環(huán)移動定位數(shù)據(jù)。位置點信號覆蓋范圍內(nèi)設(shè)置2個定位器，分別執(zhí)行進入和離開觸發(fā)事件。平臺智能解析位置點接收信號，待前序和后續(xù)位置確認(rèn)后計入有效運行路線。

4.2.4 智能醫(yī)護消息提醒 建立多元化智能規(guī)則知識庫，保障醫(yī)護人員及時知曉關(guān)鍵信息。知識庫面向醫(yī)生、護士、患者、醫(yī)務(wù)管理4類對象，實現(xiàn)手術(shù)情況的實時及預(yù)測提醒。首臺手術(shù)患者到達(dá)手術(shù)室時，主刀醫(yī)生手機接收到提醒，確保手術(shù)準(zhǔn)臺率(首臺手術(shù)準(zhǔn)點率)?；跉v史手術(shù)時長預(yù)測分析，病區(qū)護士知曉手術(shù)預(yù)計起止時間，保證環(huán)節(jié)銜接有序。

4.2.5 智慧管理指揮艙 利用孿生數(shù)據(jù)庫的決策分析能力設(shè)立管理指揮艙電子屏，主要圍繞環(huán)節(jié)管控和終末分析兩方面對相關(guān)監(jiān)測指標(biāo)進行量化分析和智慧預(yù)警。電子屏中心區(qū)域高亮顯示當(dāng)日和1周內(nèi)的重點關(guān)注指標(biāo)，包括手術(shù)人次、手術(shù)室實時動態(tài)、接臺時長等，左側(cè)區(qū)域展示手環(huán)綁定情況、轉(zhuǎn)運關(guān)鍵環(huán)節(jié)時長及手術(shù)排班情況，右側(cè)區(qū)域則對手術(shù)室整體忙閑狀況及重點預(yù)警信息進行展示，并且針對術(shù)后蘇醒等超時限情況滾動預(yù)警顯示個案。

5 應(yīng)用效果和實證分析

5.1 應(yīng)用效果

手術(shù)智慧管理平臺于2022年9月投入使用，截至2023年2月底，記錄分析18 571例手術(shù)全程數(shù)據(jù)。其中，以手術(shù)難度劃分的三、四級手術(shù)占75.71%。為有效保障醫(yī)療質(zhì)量，醫(yī)院建立了手術(shù)患者手環(huán)佩戴考核獎懲制度，手環(huán)綁定率達(dá)到98.57%。作為數(shù)據(jù)匯集核心的孿生數(shù)據(jù)庫，總存儲容量673GB，建立了32張標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語映射表，涉及7個類別，包括患者信息、手術(shù)排班、手環(huán)信息、定位數(shù)據(jù)、麻醉信息、轉(zhuǎn)運交接、手術(shù)室使用情況，以及53條智能提醒邏輯規(guī)則，服務(wù)接口日志約421萬條。在醫(yī)療大數(shù)據(jù)信息技術(shù)賦能下，實現(xiàn)了手術(shù)環(huán)節(jié)的無縫銜接，保障醫(yī)療質(zhì)量精細(xì)化管理。

5.2 實證分析

5.2.1 研究資料 選取手術(shù)智慧管理平臺實施前后的手術(shù)情況進行對比，將2022年1—2月的手術(shù)患者納入?yún)⒄战M，將2023年1—2月平臺實施后的手術(shù)患者納入研究組。樣本范圍設(shè)定為已實施手術(shù)、治療過程不存在嚴(yán)重并發(fā)癥且出院患者。參照組男性317例，女性624例，年齡55±19.4歲；研究組男性256例，女性493例；年齡57±22.7歲。兩組樣本在年齡、手術(shù)類型、切口等級等方面差異均無統(tǒng)計學(xué)意義，具有可比性。為簡化分析且保證同質(zhì)化，選取相同手術(shù)類型比對，排除個體原因?qū)е碌臄_動性數(shù)據(jù)，納排標(biāo)準(zhǔn)如下[10]：胸腔鏡下肺葉節(jié)段切除術(shù)的患者；收治病區(qū)為腫瘤外科、胸外科；排除術(shù)后出現(xiàn)嚴(yán)重并發(fā)癥，轉(zhuǎn)入重癥監(jiān)護室的患者；排除急診等非擇期手術(shù)。

5.2.2 統(tǒng)計學(xué)方法 使用SPSS 18.0對數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，兩組樣本相互獨立，總體方差齊性且服從正態(tài)分布。對于時間間隔等計量資料，采用t檢驗；準(zhǔn)確率等計數(shù)資料，采用非參數(shù)檢驗χ2檢驗。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義[11]。

5.2.3 評價指標(biāo)和結(jié)果 (1)CT定位等候時間。統(tǒng)計患者到達(dá)等待區(qū)域和進入CT定位室的時間差值，間隔越短表明排隊等待做CT定位耗時越少，見表1。(2)平均接臺時間。統(tǒng)計手術(shù)開始和上臺手術(shù)結(jié)束的時間差值，間隔越短表明手術(shù)室資源使用效率越高，見表2。(3)手術(shù)預(yù)估時長準(zhǔn)確率。統(tǒng)計手術(shù)患者離開至術(shù)后返回病區(qū)的時間間隔在標(biāo)準(zhǔn)范圍的占比，比例越高說明轉(zhuǎn)運、開刀、蘇醒等全程環(huán)節(jié)越流暢，見表3。

表1 兩組CT定位等候時間比較

表2 兩組平均接臺時間比較

表3 兩組手術(shù)預(yù)估時長準(zhǔn)確率(χ2)

6 討論

6.1 應(yīng)用智慧系統(tǒng)管理有利于優(yōu)化手術(shù)質(zhì)量的閉環(huán)管控

本研究圍繞手術(shù)過程數(shù)據(jù)，建立了手術(shù)流程監(jiān)控方法。智慧管理平臺通過對病房、手術(shù)室、蘇醒區(qū)等10個關(guān)鍵位置的數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)了40項監(jiān)測指標(biāo)的環(huán)節(jié)管控。既往由于技術(shù)手段缺失，手術(shù)管理偏重于終末質(zhì)量分析[12]。在數(shù)字孿生技術(shù)加持下，實施精細(xì)化環(huán)節(jié)管理可以有效減少醫(yī)療環(huán)節(jié)差錯。本研究結(jié)果顯示，觀察組手術(shù)預(yù)估時長準(zhǔn)確率顯著高于對照組(P<0.001)，醫(yī)療管理部門能夠通過該系統(tǒng)追溯手術(shù)全程數(shù)據(jù)，迅速掌握環(huán)節(jié)堵點，及時采取改進措施，保障術(shù)前、術(shù)中和術(shù)后的質(zhì)量閉環(huán)管理。

6.2 信息實時共享保障手術(shù)環(huán)節(jié)的通暢性和醫(yī)患知曉度

物聯(lián)網(wǎng)手環(huán)作為移動數(shù)據(jù)載體，匯集手術(shù)流程全生命周期數(shù)據(jù)至孿生數(shù)據(jù)庫，為手術(shù)參與各方提供了通暢的信息獲取渠道。據(jù)統(tǒng)計，2023年2月手術(shù)室準(zhǔn)臺率達(dá)到84.23%。平臺根據(jù)測算的手術(shù)預(yù)計起止時間發(fā)出提醒，便于醫(yī)生術(shù)前談話等準(zhǔn)備工作[13]。本研究結(jié)果顯示，觀察組的CT定位等候時間顯著短于對照組(P<0.001)，表明通過環(huán)節(jié)的緊湊銜接，保障了手術(shù)精細(xì)化排程，減輕患者術(shù)前等候焦慮心理。通過工作站、手機、顯示大屏等多種終端，醫(yī)患雙方均可便捷知曉手術(shù)臺次、手術(shù)狀態(tài)等實時情況，住院患者滿意度達(dá)到98.35%。

6.3 多維度數(shù)據(jù)互聯(lián)和挖掘提高手術(shù)資源利用率

醫(yī)院由規(guī)模擴張向提質(zhì)增效轉(zhuǎn)型，必須實現(xiàn)手術(shù)資源高效利用。手術(shù)具有流程復(fù)雜、管理難度大等特點，既往手術(shù)分析往往存在滯后性問題[14]。本研究利用數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)真實世界手術(shù)全程數(shù)據(jù)實時采集和智能分析，使醫(yī)院管理者能夠及時、全面地掌握手術(shù)運行情況。本研究結(jié)果顯示，觀察組的平均接臺時間顯著短于對照組(P<0.001)，表明通過大數(shù)據(jù)分析和決策，有助于醫(yī)院更好地協(xié)調(diào)手術(shù)資源，提高手術(shù)室、麻醉科工作效率，加快手術(shù)室運營周轉(zhuǎn)速率，提升醫(yī)療服務(wù)能級。未來，將進一步擴大數(shù)據(jù)采集范圍，納入手術(shù)設(shè)備、術(shù)中病理等業(yè)務(wù)，持續(xù)完善手術(shù)管理指標(biāo)體系，助推醫(yī)院手術(shù)服務(wù)高質(zhì)量發(fā)展。