综合医院“云”数据系统的设计及其在数字化手术室的应用

冯佳怡（综述），乐 莹（审校）

1.上海儿童医学中心设备科，上海 200127；2.同济大学附属同济医院设备物资处，上海 200065

综合医院“云”数据系统的设计及其在数字化手术室的应用

冯佳怡1（综述），乐 莹2（审校）

1.上海儿童医学中心设备科，上海 200127；2.同济大学附属同济医院设备物资处，上海 200065

随着计算机技术的不断进步，“云”计算这种以数据为核心的信息系统理念以其更为科学的架构特点和运作规则被应用到了医院数据系统中。文章旨在通过对医院常用“云”数据系统的各种类型进行分析，研究“云”数据系统的数据使用效率和系统稳定性。在此基础上以其在数字化手术室中的应用，特别是在虚拟现实（virtual reality，VR）远程教学上的应用为例，进行说明和展望。希望藉此能够给予广大从业者一定的参考与帮助。

内窥镜；“云”数据系统；数据管理；虚拟现实

随着计算机技术的不断进步，“云”计算这种以数据为核心的信息系统理念以其更为科学的架构特点和运作规则被应用到了医院数据系统中。现代医疗机构中，医疗设备的用途越来越广泛。为实现医院HIS系统更快捷方便的数据共享，因此须对医疗设备的运行数据进行有效的管理和筛选[1]。结合“云”计算的医院HIS系统可以更快、更准确的进行数据截取进行转播、教学等，要设计一个相对完善的数据管理系统必须清楚系统软件的架构特点和运作的意义，这样才能设计出更符合要求的系统[2]。

1 医疗设备“云”数据系统

“云”数据系统大致可以分为云监测系统、数据管理系统和主动警报系统。云监测系统负责监测和采集所有环境变动的信号，将信号通过网络系统传输至数据管理系统；数据管理系统负责将数据清洗归总形成规范化的数据库形式；同时，数据管理系统中的数据受到主动警报系统的监控；主动警报系统当数据触发警报条件时，警报系统会主动反馈警报信号，调节整体“云”系统的运行状态。

1.1“云”监测系统的分类与介绍

云监测系统主要包括传感器、信号处理系统（报警、显示和记录装置）和控制系统等，系统运行逻辑见图1。目前，在医疗监测领域中发展比较成熟的技术方案如下。

1.1.1 基于非标准协议无线收发芯片的医疗监测系统

该系统主要是通过独立射频电路来实现系统的运作，这样的系统成本廉价，方便集成，对无线收发的部分控制比较灵活。系统虽然功能简单，但是各个子系统的兼容性比较低[3]。

1.1.2 植入式无线通信系统

该系统主要分为体内、体外两部分。体内部分是植入式系统的核心，由于该系统既要在体内长期运作，又需要与体外系统进行通信，所以，对无线通信系统的功率、体积和安全性等方面的要求很苛刻。美国已经制定了该系统的通信标准和通信频段，很可能成为全球标准[4]。

1.1.3 基于蓝牙技术的医疗监护系统

蓝牙特点是传输速度快，但是功耗较大，工作时间短，仅仅是几周。该系统的通信节点不是自动的，需人工设置和维护系统的无线传输网络，导致医疗监护设备不可随意移动[5]。一般情况下，基于蓝牙协议的系统虽然可以有效处理包括1个主设备和7个从设备在内的系统，但是，随着网络节点越来越多，系统的各项功能就会大打折扣，最明显的就是传输速度会急速的下降。此外，蓝牙系统不具有路由器那样的功能，在复杂、障碍物多的环境中工作效率低，不能满足医疗监测系统在复杂的室内环境中工作的需要。所以，该技术在医疗监测领域有一定的限制[6]。

1.1.4 基于ZigBee技术的医疗监测系统

和传统的信息技术相比，ZigBee技术在医疗监测领域中具有的优点很多，如简单、功耗低和成本低等。但其带宽低，难以满足像12导心电仪这种对带宽要求较高的医疗设备的数据传输要求。最初是美国学者设计出了基于ZigBee的集成多种传感器的无线体域网，使用这种监测系统可以对各种所需要的生理数据进行随时采集并作出分析，然后将这些采集到的数据以电子病历的形式储存在数据库中，这些都是通过互联网实现的，数据便于术后监护或急救。国内一些学者也做了一些相关的实验，对基于ZigBee的传感器节点和监护基站的设备进行了一些设计，开发出来的功能包括使用无线呼叫来对家庭中老年人进行监护等[7]。

1.2 云数据管理系统的架构及特点

简单来说，根据系统的整体设计功能和以数据为中心的软件开发战略，将软件系统可以分为数据库子系统、监测管理中心子系统、现场检测子系统、设备故障预测子系统、远程数据监控子系统及Web信息系统等。医疗设备数据管理系统的架构是以数据库子系统为中心的，每个子系统独立运行。

各个子系统内部采取分层的架构，本层不仅是对上层的服务对象，也是下层的服务对象。分层系统体系结构的优势包括：①支持基于抽象程度递增的系统设计；②支持扩展；③支持组件重用。

类似于抽象数据，对相邻层之间提供给同样的接口，每层之间的实现方法可以很灵活，可以相互替代[7]。

1.2.1 监测管理中心子系统分层架构设计

监测管理中心的子系统设计的特点是三层架构，包括表示层、业务逻辑及通信处理层和数据访问层，这些是常用的软件架构的方法，将架构细化时可以将业务逻辑及通信处理层根据需要再继续拆分成的不同的功能层次。子系统是由MFC技术框架提供开发支持的[8]，见图2。

图2 监测管理子系统的分层架构与技术框架Fig.2 Substructure and technical framework of monitor management subsystem

在图2中，表示层主要处理用户和软件的交互；业务逻辑及通信层负责验证表示层送来的数据，响应事件的消息，向下层请求数据并进行处理，发送数据存储命令，通过通信层监测与控制现场检测子系统的状态，现场检测子系统的数据交换等等；数据访问层是实际的数据存储。

1.2.2 现场检测子系统架构特点

现场检测子系统的架构基础是嵌入式体系结构，在架构上分为应用层、数据采集与通信层和库函数支持层。该系统可以实时监测，对现场数据进行快速、稳定地采集与处理。层次结构对于实时系统来说，会造成工作效率下降[9]，见图3。

在图3中，应用层按照设定的数据处理工作流程执行并监控整个系统的运行状态，当发生中断或异常情况时，自动进入异常处理的模式；数据采集与通信层对来自各种传感器的数据进行采样与处理任务，同时还通过串行接口连接无线网络模块进行通信，实现管理中心子系统的数据交换和监控；库函数支持层提供不同类型的设备驱动与编程接口；实现对底层硬件逻辑的封装，从而隔离了硬件的复杂性。

1.3 主动警报系统

应用于医疗设备的“云”数据系统的最大特点是其数据必须有准确性与可溯性的保证，所以，医疗设备“云”数据系统必须要设计有一个针对医疗设备本身使用状况的主动警报系统，包括设备自检故障报警、人工发现故障报警和强制检定设备的时限报警[9]。

当监测到系统发生故障，需要系统及时报警，需要达到医疗设备对安全性和稳定性的特殊要求，因此，对设备历史记录的统计性分析对设备的工作状态做出预测，这些方案是以数据挖掘技术为基础的，达到预警的目标。对于一个设备点来说，假设每秒采集1次信息，24 h就会产生86 400条信息记录，因此需要设计独立的设备故障预测子系统来分析如此繁多的数据。

此外，在设备未发生报警的情况下，其被读取的数据也应带有设备本身的相关信息，保障相关医疗数据的可追溯性。

2 “云”数据系统在数字化手术室的应用

数字化手术室是在层流洁净手术室的基础上，综合运用计算机、网络、通讯、自动控制、图像信号处理、多媒体及综合布线等技术与手术过程有关的各个系统，如医疗设备、环境控制、HIS和影像数据传输及储存系统（picture archiving and communication systems，PACS）远程医学等进行有机整合，采用智能化综合控制系统进行集中管理，为医院外科手术提供更加高效、舒适、安全和便利的操作环境的一套完整的解决方案[11]。

除了现有数字化新技术的整合，“云”数字化手术室中最重要的部分是数据系统结构的前瞻性设计，可以将未来一段时间内出现的新技术迅速整合入现有手术室中，实现手术室的迭代升级。如将手术室网络热点设计为多模块通讯基站，不仅可以进行w ifi信号通讯，还可进行蓝牙、RFID甚至RTLS信号通讯，未来手术室引入物联网技术时，可以实现无缝衔接。

为了实现这一目标，需要实现视频传输和存储的整个过程的真正全高清，利用配备专业采集卡计算机采集所有的影像源，设备的数据输出接口有AV端子、S端子、RGB分量视频接口、VGA接口、高清端口DVI和高清工业级端口HD-SDI等。胸腔镜、腹腔镜、显微镜和关节镜等各种内窥镜类设备通常采用AV端子、S端子、VGA接口和DVI等接口。在保证了数据传输通道和储存介质允许的情况下，“云”数据系统能够实现任意视频源的实时全高清传输和储存。对各主流品牌的腔镜设备及其他设备进行集中控制，实现手术无影灯、手术床及电刀等高能设备辅助控制。因各主流厂商还未达成公共标准，品牌选择会受到重重限制。“云”数据系统能有效整合各个方面的资源。医生能够实时便捷地调阅患者的相关信息。“云”数据系统方便随时随地的采集及调阅查看。远程遥控及手术设备、器械和耗材管理，因为各类主流视频编码器大都具备相关的开发接口，所以采集并不是一件很复杂的工作。“云”数据系统有效监控了整套系统的稳定性[12-14]。数字化一体化手术室实现了外科多功能手术室，将全院信息的开放与流通与手术室接驳，并有效整合各个设备及数据的信息系统，“云”数据系统开放了共有的端口平台。完善的数据管理系统可为内窥镜等常用远程教学的设备提供高稳定性、完整性的数据截取平台。

目前技术领域新兴的一些信息交互技术，虽然仍在研究实验阶段，但有很大可能成为未来硬件技术的主流，可以在手术室建设中予以考虑，如虚拟现实技术（virtual reality，简称VR），VR技术的诞生从技术层面满足了医生培养在观摩手术方面的巨大需求。通过VR眼镜和高清晰的VR视频录制直播，医生可以在第一时间用现场视角观摩手术过程。在过去，学习1台腹腔镜手术至少需要花1年的时间在医院进修才可以，有时候即便来了，也不见得学得很多，手术室容量有限，站在后面的医生其实根本看不清。借助VR技术，观摩者即使身在千里之外，也如同身处一间手术室，站在主刀医生的位置，与主刀医生完全一致的视角，清晰地看到手术全过程。对于VR技术来说利用计算机模型产生图形图像并不是太难的事情，如果有足够准确的模型，又有足够的时间就可以生成不同光照条件下各种物体的精确图像。

对VR技术展望让大家看到了丰富的应用可能，但真正将VR实现仍需要克服诸多技术瓶颈：①信号的实时性获取，关键在于需提取的数据在一个通道内以最短的距离可以到达指定位置，完善的“云”数据系统可以有效进行数据分层管理，当设备截取所需数据时，该数据已在数据采集与通信层被处理完毕，可以被设备“实时”截取，其数据完整性也不会遭到破坏，基于这样一个分层处理后的数据管理架可以为VR技术实时提供高清晰度的图像达到虚拟现实的效果；②同样，3D腹腔镜技术也是基于相同原理，越来越多的医疗设备进入了实时三维甚至实时四维的应用领域，这不仅对于生产厂家的数据管理平台提出高的要求，同时对于医院数据管理平台也提出了高的要求，因此，完善的“云”数据系统是外科内窥镜等设备开展虚拟现实等技术的必要保障手段，对于内窥镜的临床和教学有着重要的意义[15]。

3 问题和展望

使用云设备可以大大减少时间成本和实现信息共享。对于医师而言，通过PC或平板等终端来对患者的实时情况进行掌握，可以由电子病历信息的共享、远程医疗等云计算快速、准确地诊断患者的疾病。然而医疗设备“云”数据系统的实现与推广却存在一定的阻碍[16]。

首先，医院内部各个子系统之间的数据共享和读取存在接口障碍。医院原有的信息系统如HIS、LIS和PACS等各自具备相对独立的数据库与数据管理规则，这给建设一个覆盖全院各个设备、系统的“云”数据平台造成了阻力，如何有针对性的根据不同医院医疗数据库和数据接口的个体差异和特点来建立高效、准确的“云”数据平台管理规则成为摆在我们面前的首要问题。其次，医疗设备“云”数据平台还具有数据的可追溯性需求。医学诊断报告有其专业性和特殊性。根据相关法规和质控要求，一部分医疗设备的直接检查数据往往必须要经过有资质的操作人员或读片人员的解读与分析才能成为有效力的报告。这就需要“云”数据库内部对医疗数据具备识别和分类储存的能力与机制。客观上增加了“云”数据平台管理系统的设计难度与生产成本[17-18]。

医疗设备“云”数据管理系统的建立，综合运用计算机、网络、通讯、自动控制、图像信号处理、多媒体及综合布线等技术与手术过程有关的各个系统，如医疗设备、环境控制、HIS和PACS远程医学等进行有机整合，采用智能化综合控制系统进行集中管理，为临床诊断、治疗活动提供更加高效、舒适、安全和便利的操作环境的一套完整的解决方案。同时，结合VR技术的应用，为内窥镜检查、治疗与外科手术等领域的远程教学提供了更稳定、更完整的数据截取和传输平台。

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Design of“cloud”data system of general hospital and its application in digital operating room

FENG Jiayi1，LE Ying2
1.Department of Equipment，Shanghai Children’s Medical Center，Shanghai 200127，China；2.Department of Equipment，Tongji Hospital，Tongji University School of Medicine，Shanghai 200065，China

With advances in computer technology，“cloud”computing，which is a data-centric information system concept with more scientific architectural features and operating rules，has been applied to hospital data systems.This article explores various types of“cloud”data systems commonly used in hospitals，and analyzes the efficiency of data utilization and system stability of“cloud”data system.Besides，its application in digital operating room，particularly in the utilization of virtual reality（VR）distance learning is introduced.It is hoped to provide references for the corresponding practitioners.

Endoscope；“Cloud”data system；Datemanagement；Virtual reality

R318

A

2095-378X（2016）03-0220-05

10.3969/j.issn.2095-378X.2016.03.021

2016-07-11）

冯佳怡（1983—），女，硕士，中级工程师，研究信息与设备结合发展趋势及应用；电子信箱：yogaxx@126.com