廖偉光，周凌宏，陳宏文

1. 南方醫(yī)科大學 生物醫(yī)學工程學院，廣東 廣州 510515；2. 南方醫(yī)科大學南方醫(yī)院 醫(yī)學工程科，廣東 廣州 510515

引言

新型冠狀病毒肺炎疫情暴發(fā)以來，受疫情限制，設備專業(yè)維護人員難以進行現場支援，特殊時期醫(yī)院診療設備的正常運轉保障受到影響，給醫(yī)院醫(yī)工科室的運維工作帶來了很大的壓力與挑戰(zhàn)。環(huán)顧國內大多數醫(yī)療機構，醫(yī)療設備管理理念和方法仍存在不足，醫(yī)療設備管理信息化水平不高，醫(yī)療設備資源的閑置與不足現象往往同時出現[1-2]；其次，醫(yī)療設備存在“買而不用”現象，設備功能缺乏平衡的調配，無法實現同類設備的性能對比，這無形地阻礙著國產數字診療設備政策的推行；再者，無法保障用電安全問題一直存在于電子設備管理中，特別是醫(yī)療機構的電子產品用電安全方面，存在用電不規(guī)范、產品老化、產品質量不過關的問題，使其電路短路產生火警的情況時有發(fā)生，嚴重危害醫(yī)院各方人員的生命財產安全[3-4]。而該領域的管理系統(tǒng)大都存在功能單一、監(jiān)測的數據不穩(wěn)定、需要投入的資金非常巨大、監(jiān)測的數據單調、不能深入挖掘數據、數據不準確及丟失數據等問題；無法監(jiān)測到設備的一些特殊而少用的功能，導致部分設備的資源嚴重浪費。本研究旨在設計一種數字化醫(yī)療設備的運行監(jiān)測系統(tǒng)，適用于各醫(yī)院各種醫(yī)療設備的運行狀態(tài)監(jiān)測，主要包括運行電流監(jiān)測、運行電壓監(jiān)測、運行時間監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測[5]等，進而判斷出設備的運行狀態(tài)，并對設備的運行時間進行統(tǒng)計，分析設備的使用率，保證用電安全，為醫(yī)務人員進行效益分析提供數據支持[6-8]，大大減輕醫(yī)務人員相關工作量。

1 監(jiān)管系統(tǒng)的原理與構建

1.1 系統(tǒng)的原理

系統(tǒng)利用物聯(lián)網技術即通過傳感器或按約定的協(xié)議，將醫(yī)療設備與網絡連接，以實現智能化的監(jiān)管、定位、跟蹤、分析等功能[9]，本系統(tǒng)以分析日志方式或者通過電流傳感器或者磁場傳感器監(jiān)控設備的電流大小或者磁場大小來分析電流[10]或者磁場波形。設備在待機和工作狀態(tài)所產生的電流或磁場均不相同，設備各個部件所產生的磁場也不同，系統(tǒng)以此特征來識別設備的工作狀態(tài)。所采集到的原始數據通過物聯(lián)網系統(tǒng)上傳到服務器進行模型匹配分析，從而得到管理數據。

1.2 系統(tǒng)的基本框架及功能

系統(tǒng)的基本框架及結構如圖1所示，主要分為硬件的數據采集模塊和軟件的數據分析模塊。為了數據安全，網絡采用內網區(qū)域、DMZ區(qū)域及公網區(qū)域三層結構。

圖1 系統(tǒng)框架及功能框圖

1.3 硬件的構成

硬件部分由電流傳感器、處理模塊和通信模塊組成。該系統(tǒng)是基于霍爾傳感器監(jiān)測設備的運行狀態(tài)和定位的裝置，包括殼體和設置在殼體內部的PCB板，所述PCB板上設有霍爾傳感器模塊、運放模塊、A/D轉換模塊、處理器、無線傳輸/定位模塊和電源模塊?；魻杺鞲衅鞲袘诫娏鳟a生的磁場并將其轉化為微小電流，通過電流傳感器ACS712芯片轉化為電壓信號放大，經過A/D模塊轉換成數字信號輸進STM32處理器進行計算處理，再經過Wi-Fi及定位模塊上傳數據至服務器[11-12]。

1.3.1 霍爾傳感器與放大電路

霍爾器件是一種磁傳感器，可以檢測磁場及其變化，可用在各種與磁場有關的場合。電流芯片采用ACS712，經2701放大輸出，部分電路如圖2所示。

圖2 電流采集電路

1.3.2 單片機及傳輸模塊

系統(tǒng)采用ARM最先進的基于cortex-M3內核的處理器sTM32F103zET6芯片作為整體控制核心[13]，Wi-Fi傳輸模塊使用RFX2401C解決方案，RFX2401C是集成電路RF單片機（射頻前端集成電路），包含所有內部IEEE 802.15.4/ZIGBEE，提供服務所需的射頻功能無線傳感器網絡和其他無線系統(tǒng)在2.4 GHz的ISM波段。RFX2401C架構集PA、LNA和收發(fā)開關電路，相關的匹配網絡，以及諧波濾波器裝置在CMOS單片機。典型的高功率應用包括住宅和工業(yè)自動化、智能電力和RF4CE等。RFX2401C具有性能優(yōu)越、靈敏度與效率高、噪音低、外形小和成本低的優(yōu)點，應用程序需要擴展范圍和帶寬。RFX2401C簡單和低電壓CMOS控制邏輯，需要最低限度的外部組件系統(tǒng)的實現，其部分電路如圖3所示。

圖3 RFX2401C傳輸模塊電路

1.3.3 數據融合及異常數據檢測

本研究加入的創(chuàng)新性的多傳感數據融合和異常數據檢測算法，通過數據特征信息融合功能可以識別出設備的功能利用情況，計算設備功率利用率；通過異常數據檢測功能識別監(jiān)測數據的異常以給出警示。首先數據特征信息融合，即對來自傳感器的原始數據信息進行特征提取，然后對提取信息進行綜合分析和處理。為滿足實際需求，建立“樣本均值隨機加權估計與智能特征提取模塊”將特征信息對多傳感器數據（如操作振動、溫度、母線電壓、開斷電流、功率、振動噪聲）與生產數據、環(huán)境溫度、濕度數據進行分類、匯集和綜合[14]，以建立該設備正常狀態(tài)下的基本數據模型，然后根據異常數據檢測算法檢測出異常情況并智能報警?；谥鞒煞值漠惓祿z測算法是通過檢查一組對象的主要特征來識別異常數據的[15]，執(zhí)行前必須先確定數據的主要特征，該特征可以在數據特征信息融合后獲取。

2 結果

2.1 設備的運行信息

表1顯示了我院1.5 T的核磁共振自2020年1月1日至2020年2月10日共40 d的實時監(jiān)控數據。其開機率100%（開機率=累積開機天數/工作日天數×100%）；使用率高達83.87%（使用率=累積使用天數/工作日×100%，檢查了1056項目，499人次，平均每人次2.1項目，人均掃描時間1.78 h；最后監(jiān)控的液氦水平為83.56%，損耗0.03%，處于正常水平，提示當前液氦壓力正常。設備的風險評估：設備故障的風險預警依據嚴重性分為三類[提示（Info）/風險（Risk）/故障（Error）]共5檔，故障信息根據表2所示標準來劃分，并根據響應情況進行累計。此劃分標準是依據每個品類的品牌綜合資深維修工程師的經驗總結歸納所得。設備風險異常次數41次，磁體風險異常次數30次，射頻系統(tǒng)風險異常次數4次，梯度系統(tǒng)風險異常次數0，設備綜合評估的健康指數為85分（通過平臺數據運算得到設備指標值，然后根據不同等級的風險故障預警、保養(yǎng)來加減分得出健康指數。將設備的健康狀況量化，以衡量設備的健康度）。

表1 設備的基本及運行信息

表2 設備風險類型表

2.2 運營動態(tài)的分析

每天的檢查人次-項數走勢如圖4所示，可見周六、周日的檢查人次平均為18人/d，周五的檢查人數平均為60人；春節(jié)假期間檢查次數為零；2020年1月29日以后檢查人數維持在10人/d以下，可能是受新型冠狀病毒性肺炎疫情的影響。

圖4 每天檢查人次-項數走勢

每天的掃描時間如圖5所示，可見正常的工作時間基本在7:30～22:00，星期六、星期日為7:30～18:00；春節(jié)放假期間設備沒有使用，1月29號（農歷春節(jié)初五）以后只有上午開機掃描。正常工作日機器的使用率100%。

圖5 每天首末掃描時間分布

設備2019年7月至2020年3月半年內的掃描人次走勢和使用率如圖6～7所示。2019年7月的最高峰位800人次，最低的是2019年10月為315人次，掃描人數比11月份低200多人次，可能是受國慶假期的影響。2020年1月受春節(jié)及疫情的影響僅有499人次。半年的數據來看，前三個月設備是滿負荷運行的，設備使用率100%；2020年1月份的使用率僅有83.09%。

圖6 設備2019年7月至2020年3月掃描人次走勢圖

圖7 設備2019年7月至2020年3月設備使用率

2.3 設備的多傳感器的數據融合及預警檢測

以本院2020年10月22日超聲監(jiān)測數據為例，超聲采用多傳感器融合方式，使用時探頭下的傳感器感應到電流，在開機傳感器的配合下，二者融合后算出超聲的使用次數。如圖8所示，藍色為開機感應電流，在此區(qū)間出現腹部探頭的感應電流，由此可以得出該日此臺超聲使用6次，其中最長時長18 min 57 s，最短的是3 s，根據時間規(guī)律可以判斷出3 s時長是誤操作引起的，最終得出該天的實際使用次數為5次。實際使用時間集中在上午，下午空閑。由此可見適當調整病人在下午檢查，可以使設備得到充分利用。

圖8 多傳感器數據融合

根據系統(tǒng)的異常數據檢測算法可以發(fā)現超聲刀在該天14:07時有一次斷電的異常數據（圖9），系統(tǒng)根據機制給出一次異常的報警。工程師可以根據此報警調查此次斷電的原因，避免由于斷電引起的故障或者數據丟失等情況，從而進一步降低此臺超聲刀的故障率。

圖9 預測數據分析

通過以上手段進行數據分析，可以得出設備的使用率、設備的開機時間、檢查人數、部件的實時狀況、經濟效益、功能利用率、風險評估等參考指標，指標效果如表3所示。

表3 指標效果表

通過統(tǒng)計一個時間段內的掃描人數或者設備使用率，得到設備在時間軸上的使用分布情況，可以有效調整設備的使用，使設備的使用保持在正常的頻率范圍內；通過故障監(jiān)測與預警分析，評估出某些故障的風險次數，可提前預防故障的發(fā)生；通過分析設備的使用情況，可以進一步調配設備的使用時間，使設備得到充分的利用；通過監(jiān)測設備的功能利用率可以指導日常設備的正常使用，延長使用壽命，例如超聲，利用融合多傳感器技術可以準確采集每個探頭的使用情況，從而分析出該機器腹部探頭的使用次數遠遠大于其他探頭，這個對比數據可以作為采購醫(yī)用超聲時的依據：可以通過適當增加腹部探頭配置數量來減少探頭的損耗，延長探頭使用壽命?？傊?，獲取的數據以設備運行參數為基礎，從運行與使用狀況、故障報錯、維修保養(yǎng)等方面來評價設備狀態(tài)，可為醫(yī)療設備提供一個更加先進的維修管理模式，如可為設備科評判設備安全性和有效性提供參考指標，為醫(yī)院應對疫情與調整業(yè)務提供參照與數據支持，也可為醫(yī)院設備的采購提供強有力的數據支持。

3 討論

現階段針對醫(yī)療設備運營狀態(tài)的監(jiān)控措施和手段基本是全人工或者半軟件、半人工的數據統(tǒng)計，其數據的收集過程相當煩瑣，手段滯后，以致所分析出來的數據結果缺乏參考價值。本研究的創(chuàng)新性在于采用多傳感器融合系統(tǒng)，結合多種方式采集設備數據，創(chuàng)新性引入數據融合建模技術、數據異常分析算法、數據挖掘等手段對所獲取的底層數據進行處理分析，多角度、多維度評估設備的實時風險并分析使用效率；從數據結果來看，該系統(tǒng)可以實時監(jiān)控設備的運行狀態(tài)和設備的運行參數，其后續(xù)的數據分析統(tǒng)計也對設備的運維管理有巨大的參考價值，比如故障的實時報警可以降低故障的嚴重化[16]，風險的評估可以讓設備管理人員提前做好針對性、預防性維護，把故障消滅在萌芽狀態(tài)[17]。其自動統(tǒng)計設備顯示的功能利用率數據可為設備的采購提供決策依據，監(jiān)控設備提供的設備使用率數據和閑置時間可以有效實現設備的資源調配問題，從而提高設備的使用效率。綜合來看，采用物聯(lián)網技術評價數字診療設備狀態(tài)，能為設備科評判設備的安全性和有效性提供參考指標，提升了醫(yī)院設備監(jiān)測的信息化、智能化、自動化水平[18]，為醫(yī)院應對突發(fā)狀況及提升設備使用效率提供有效參考與支持。

4 結論

基于實時狀態(tài)電流的數字診療設備運行狀況監(jiān)測系統(tǒng)，集數據實時傳輸網絡技術以及多傳感器數據融合、異常數據智能監(jiān)測技術于一體，可實現基于狀態(tài)的醫(yī)療設備的監(jiān)管，提升醫(yī)院設備監(jiān)測的信息化、智能化、自動化水平，在一定程度上解決該研究領域數據不準確、多維數據獲取困難的問題，推動了該研究領域在醫(yī)療設備管理中的應用。從管理學角度來看，系統(tǒng)所帶來的附加收益是可觀的，但系統(tǒng)的推廣存在一定局限性，鋪設的成本還比較高，即時報警方面還欠佳。展望該研究的未來發(fā)展空間，系統(tǒng)可通過擴展外部傳感器，監(jiān)測設備環(huán)境，比如輻射劑量監(jiān)測，實現對病人及工作人員輻射劑量的進一步管理，進而有效降低個人輻射照射量。由此可見系統(tǒng)的可擴展性及實用性的潛力巨大，可進一步挖掘并完善。