基于物联网技术的医学装备质控管理平台设计

张 磊，袁鉴辞，李 静

（南京市江宁医院，江苏南京 211100）

国务院办公厅2019 年发布的《关于加强三级公立医院绩效考核工作的意见》明确指出，各大公立医院需积极开展系统化医学装备巡检、保养、维护等工作，提升医院的绩效与医疗服务质量[1]。医学装备包含诸多重型医疗仪器，技术复杂、价格高昂，需要专门人员进行专业化精细管理。物联网技术、现代信息技术日新月异，为医学装备的信息化管理带来了新的设计灵感[2]，各等级医疗机构纷纷借助信息技术提高医学装备质控管理的系统化与精细化水平[3]。该研究以物联网技术与现代信息技术为手段，综合运用频繁项集挖掘技术、粒子群算法、卷积神经网络模型实现医学装备质控管理平台设计，加强医疗设备维修效率、提高现代医院的信息化管理水平。

1 医学装备质控管理物联网平台设计

1.1 医学装备质控管理平台总体架构

物联网能够让独立的普通物理对象形成一个互联互通的网络，方便事物的信息共享与统一管理。为此基于物联网技术设计医学装备质控管理平台，基于B/S 模式布局网络构架[4-5]，以随时获悉医学装备的实时运行数据监测设备的运行状态，提高医学装备管理与维修的智能化水平，及时把控医学装备的质量应用情况。基于物联网技术设计的医学装备质控管理平台架构如图1 所示。

图1 基于物联网技术的医学装备质控管理平台架构

该架构中，感知层负责采集医学装备的运行状态数据并上传至网络层，大量传感器采集设备的基础运行数据，由于医学装备应用具有分散性，为集中获取设备状态数据，在采集层集成了一体化数据采集模组，实现数据的集中处理与高效率扩展[6]；网络层配备以太网、通信协议以及专有网络，完成医疗设备使用信息的传输；在传输层进行数据解析、转化、清洗操作，再上传到平台层进行存储和分析[7]，最后在应用层显示数据，方便远程医疗、维修管理、质量监控、预警监测等操作进行应用。此外，如有新的医学装备添加至物联网平台时，将新设备IP地址、编号等信息输入系统，并选择对应的型号参数配置模板[8]；平台配备标准的数据接口与数据模型，实现了外部设备同物联网医学装备平台内部数据的相互传输。

1.2 医学装备精细化运营技术

在医学装备数据处理环节，基于频繁事项集对医学装备运营数据进行挖掘，获悉医学装备运行过程中的高频状况，为设备维修、质量控制提供科学依据，掌控医学装备运营质量。

1）借助物联网平台采集医学装备的运行数据，构建医学装备运营管理事项集合X，X={Mij，1≤i≤3,j≥1}={医学装备型号，运营事项，有效（无效）}[9]。其中，事项元素与事项的类别分别用i、j表示。当医学装备运营过程符合规定与常理，且有效解决了医疗问题，认定其为“有效运营”，反之认定为“无效运营”。

2）基于期望加权支持度挖掘医学装备运营的频繁项集。定义项集X在数据库D内的期望加权支持度为exp wSup(X)[10]，即为项集X期望支持度与其权重值的成绩，如式（1）所示：

式中，k为项集X内的项目总数；事务Tq中项集X出现的概率用p(X,Tq)表示；项目Ij的权重值用w(Ij)表示，w(Ij)∈(0,1]，w(X)为各项目权重的平均值。求取事项的支持度后，频繁项集即为不小于支持度的事项，利用支持度最小值约束获取医学装备运营项目的频繁项集，将挖掘出的频繁项集作为医学装备精细化运营的管理依据。

1.3 医疗装备定位与监测技术

物联网医学装备质控管理平台集成RFID 定位设备，负责实时采集医疗设备的定位信息、监测使用状态，医疗装备定位与监测模块的实现。硬件介质为固定的RFID 读取器、手持RFID 信息分析器、RIFD桌面发卡终端。RFID 定位模块以STM32 硬件为核心，由室内外定位硬件、通信单元、显示单元有机组成。医疗装备定位与监测功能的实现需要进行以下设计：首先在医疗设备端安装RFID 标签与RFID 远程读写器，射频模块自动识别RFID 芯片位置，RFID标签可发送高频射频信号[11]；其次，由读写器实时采集到位置信息及使用状态，通过局域网将信息传输到物联网平台。

RFID 定位设备基于粒子优化滤波算法实现医疗装备定位，具有较强的环境自适应性，能准确获得医疗装备的位置信息。RFID 定位设备通过估算待测标签位置来确定医学装备的位置信息，基于邻近标签坐标描述待测标签坐标值，表达式如下：

其中，wi表示邻近标签对待测标签坐标定位的权值，待测标签坐标与邻近标签坐标分别采用(x,y,z)、(xi,yi,zi) 表示。为了精准定位故障医疗装备所在位置，高精度估算待测标签的坐标值，将RFID定位问题视为求取“待测标签同邻近参考标签之间距离误差最小值”的问题[12-13]，基于式（3）最优化目标函数来实现，表达式如下：

式中，Pi是待测标签与参考标签之间的欧氏距离。应用粒子群优化算法实现目标函数的求解，将粒子视为RFID 待测标签，粒子的位置则对应待测标签的位置，求解目标函数后即可得到待测标签同邻近参考标签之间的最小距离误差，获得最佳的RFID位置信息并估算结果，进而准确定位医学装备所在位置。

医疗装备定位与监测模块应用流程如下：1）医疗装备进入工作区域前需经过RFID 读写器读取设备信息，同时记录其所在位置信息；2）设备进入工作状态后，定位模块自动采集设备开机与关机信号，分别将医疗设备的状态定义为“使用中”、“空闲”；当医疗装备处于需维修、保养等待处理状态时，定位模块将采集相应的状态信息发送至后台，以上状态信息可在物联网医学装备质控管理平台后清晰查看。

1.4 医疗装备自动巡检技术

物联网技术支持下的医学装备质控管理平台具备工程自动巡检功能，预设医学装备巡检的时间、人员信息，平台将自动向对应医学装备工程师发送巡检提醒，医疗装备定位与监测模块采集的设备位置信息与状态信息为自动巡检提供了参考依据；同时工程师巡检信息将安全存储在物联网平台中，作为医学装备后期维修与保养的根据。自动化巡检包含如下几项功能：

1）故障自动诊断及预警。平台基于卷积神经网络算法识别医疗装备的故障信号，及时发现设备问题并进行预警。利用高精度传感器采集医疗装备的电压信号，标签处理后作为卷积神经网络算法诊断的样本数据。卷积神经网络诊断模型包含卷积层、批归一化层、降采样层、全连接层，模型需要学习医疗装备故障特征后才能对当前数据进行故障识别[14]，定义医疗装备故障诊断训练集包含m个样本、c个故障类型，{(xi,yi),…,(xm,ym)}则为训练集的输入形式，对应归属类别的标签定义为yi、xi，故障诊断样本目标函数如下：

卷积神经网络故障诊断模型的卷积层和降采样层负责提取医学装备的故障特征，全连接层负责将提取的故障特征进行映射分类，输出医学装备的故障诊断结果。

2）自动报修功能。平台的自动报修功能可一键实现，不局限于手机短信文本报修，还包括手机语音、手机图片、微信等提醒方式。维修指令直接下达到维修团队负责人手中，可以自主维修的内容内部解决，无法自主完成的维修工作需继续向维修商报备，并且自动生成线上信息化的维修报表、维修记录、分析报告等内容。

3）医院信息共享功能。物联网医学装备质控管理平台内置标准数据接口，实现各种医学装备之间的数据传输与共享，医院信息管理系统、放射学信息系统、影像信息系统、检验信息系统之间互相联动，实时共享各科室的医学装备数据；例如监护仪、呼吸机配备医疗数据传感器，由数据采集模组获取设备的原始状态数据，通过通信模组上传到物联网网关，经过数据格式转换、数据清洗等预处理操作[15]，并更新为当前最新的医疗装备信息；共享数据存储在平台中，自动巡检工程师可按需提取数据，指导医疗装备的维修工作。

4）巡检数据分析功能。物联网医学装备质控管理平台集成了移动互联网、物联网、云计算、大数据、RFID 射频等技术，网络数据传输协议为HTTP 协议，实时采集的医学装备信息经过预处理与安全认证[16]，数据真实可靠，物联网互联网技术集中整合各个分散的硬件设备信息，动态连接数据库；云计算提供并行化、分布式大数据计算模型，加速医学装备的质控效率；RFID 射频技术实时定位精准医学装备的位置信息，为临床救治争取大量时间。

2 平台应用效果分析

2.1 平台可视化界面展示

将文中设计的医学装备质控管理平台用于医学装备管理实践，平台“维修管理”功能界面如图2 所示。采用物联网信息化管理平台取代原有的半数字化信息记录方法（人工记录+文档记录），完成全部医学装备的归档工作；利用两个月时间对使用人员进行医疗设备管理培训、对工程部技术人员实施维修培训；最后展开多次考核，确保相关人员已经掌握医学装备质控管理方法。该文方法投入实际应用时长已经超过一年，取得了显著的精细化管理成效，使该院医疗设备质控管理水平得到明显优化。

图2 平台“维修管理”界面

2.2 医学装备运营的频繁项集挖掘分析

以5 天内医学装备运营数据为对象进行数据挖掘，获得各类型设备运营的频繁项集，挖掘结果皆为“有效运用”，数据内容如表1 所示。

表1 医学装备运营医学装备运营挖掘结果

分析表1 数据可知，针对各类型的医学装备，平台能够挖掘出特定时间段内与医学装备关联高的频繁事项集，如X 射线诊断设备与“辐射安全测定与校正”事项存在高关联，说明X 射线诊断设备在测试时间段内高频率的进行了辐射安全测定与校正行为；支持度为12.40%，且该挖掘结果为有效，可以作为管理人员评价X 射线诊断设备运行质量、设备故障原因分析的关键依据。

2.3 医学装备报修效果分析

2019 年11 月-2020 年10 月为原有方法应用阶段，2020 年11 月-2021 年10 月为该文物联网平台应用阶段。原有方法应用阶段共产生报修问题562次，该文方法应用阶段共产生报修问题422 次，报修次数显著降低，并且该文方法应用阶段仍有新的医疗设备购入，提高了设备报修的概率，而该文方法仍然有效降低了医学装备报修的次数。2019 年9 月-2020 年9 月内562 次报修中出现问题的次数如表2所 示，2020 年11 月-2021 年10 月 内422 次报修中出现问题的次数如表3 所示。

表2 原有方法报修过程中产生的问题

表3 该文方法报修过程中产生的问题

由表2 可知，使用原有方法进行的医学装备精细化管理，在报修过程中产生了诸多问题，例如保养工作不按期进行发生42 次，出现35 次保养记录不完善的情况；维修记录查找困难的比重为9%；另外，维修后无人跟进的情况时常发生，这些问题均为医学装备精细化管理造成了阻碍，不利于医疗设备的正常使用，甚至在很大程度上缩短了设备的使用寿命。

表3 数据显示，使用该文方法对医学装备进行精细化管理与质控后，“保养不按期进行”、“保养记录不完善”的情况也由7.46%、6.21%降低至1.18%、0.95%，报修后维修人员到场不及时、维修情况无跟进的情况仅分别出现了2 次、3 次。

综合表2 与表3 的结果可知，该院应用医学装备质控管理平台后，管理效率明显提升、质控效果得到显著改善。这是因为该平台基于物联网与现代信息技术进行设计与研发，完善了医学装备质控方案，设计了医疗装备定位与监测模块、自动巡检模块动态掌握最新的设备状态与位置信息，当设备出现问题时会立即上报至平台，维修人员获知后能及时对报修、保养、维护等事宜进行处理，所以不按期保养、维修人员到场不及时等问题较少出现，医学装备质量监测与控制水平显著提升。该医学装备精细化管理方案对于强化医疗设备质量控制效果、节约医疗资源大有裨益。

3 结论

该研究基于物联网与现代信息技术研发了医学装备质控管理平台，以增强设备使用的安全性能、延长设备使用寿命。物联网技术的应用将全院的医疗设备联系起来，实现数据共享，平台使用了大量传感器采集设备基础运行数据，在数据处理环节对医学装备运营高频事项进行挖掘，医疗装备定位与监测模块基于粒子优化滤波算法精准计算医疗装备的定位信息，自动巡检模块利用卷积神经网络诊断装备故障，有利于管理人员第一时间了解医学装备的故障情况，并及时获知各装备详细的定位信息。

总体而言，该文以物联网与现代信息技术为手段完善医学装备的质控管理工作，提高医学装备质量管理与控制水平，努力延长高昂医疗设备的服役年限，有助于实现社会效益和经济效益的最大化。