基于物联网技术的多功能交互式住院患者电子床头卡片系统的设计与实现

【作 者】王正源 ，王奕 ，黄宗浩 ，王骏杰

1 复旦大学附属肿瘤医院信息中心，复旦大学上海医学院肿瘤学系，上海市，200032

2 上海肿瘤疾病人工智能工程技术研究中心，上海市，200032

0 引言

随着医院信息化建设的高速发展，临床信息系统（CIS）与医院自身的发展已高度契合，病房日常管理工作对信息化也提出了新的要求[1-2]。传统意义上的手写或者打印的纸片式床头卡片其不足日益明显，由于其所能承载的信息量过小、文档完成后不能再做修改、显示信息不能实时与医院信息系统（HIS）同步、对病区护士进行病人的日常护理工作无较大指导作用，甚至会产生负面影响、造成医疗事故，多次就此进行改进，仍不能满足临床工作的实际需要[3-4]，病区病房管理上亟需一款多功能、智能化、个性化及交互式的住院患者电子床头卡片系统，且要求其性能稳定、工作可靠、数据真实、响应实时[5]。

本研究基于HIS、EMR、LIS等临床信息系统的数据，在传统纸片式床头卡片的功能基础上，以有线网络技术为依托，下位机搭载的液晶显示器为显示终端，设计开发了一款基于物联网技术的多功能智能化交互式住院患者电子床头卡片系统，充分满足了临床一线病房管理工作的需求，并极大地扩展了传统纸质床头卡片的功能内容。同时，使其向智能化、个性化的方向发展，对病房工作及医院信息化建设的发展具有重要意义[6]。

1 系统功能特点及功能框架

床头卡片是住院患者必须具有的个人信息资料卡片，也是住院患者最直接、最醒目的管理卡片，是临床进行病房日常管理及护理工作中获取病人信息的重要信息来源之一[7]。在医护人员进行医疗和护理操作过程中及时获取真实的病人信息，能有效地减少因为信息量缺失或显示不明而带来的医疗差错或事故发生[8]。本研究开发的基于物联网技术的多功能智能化交互式住院患者电子床头卡片系统，在继承传统纸质卡片式床头卡基本功能的基础上，利用与筛选临床信息系统（HIS、EMR、LIS等）记录的患者相关医疗信息及报告结果，根据卫生部门相关规定及医院自身需要，在保障患者隐私前提下，选择性显示患者个人信息资料[9]。实时准确地更新患者个人信息，并且提供通知、科普等功能服务，加强了与患者间的有效沟通，极大程度上扩展床头卡片的功能，同时可以对病房的高效、规范化管理产生积极影响[10]。最终，加强了医护人员责任感，提高了管理和护理工作效率，改善了病人就诊体验，病人满意度整体上升[11-12]。

为此，电子床头卡片系统显示终端程序必须具备以下两个特点：必须建立唯一对应关系，每台终端设备必须与病区具体床位相互绑定，确保病人信息的准确性和唯一性；保证数据实时，当调用接口返回信息发生变化时，触发下位机获取最新病人信息并刷新。程序功能框架，如图1所示。界面上以TAB页为显示主体，初始化页面为病人基本信息和日常护理医嘱，当无操作达2 min，系统将会自动跳转至该页面，确保设备显示主要信息为主。根据其显示内容，主要可分为七个部分：病人基本信息、日常护理医嘱、重点医嘱关注、医护人员信息、病人费用、宣教内容及其他。其中宣教功能可以根据病区管理需要，在管理程序中设置宣教内容后将显示在设备上，增加了宣教的方式和种类，提高了宣教的实际效果。

图1 电子床头卡片系统程序功能框架Fig.1 The functional framework of the program of the electronic bedside card system

2 系统架构设计

基于物联网技术的多功能交互式电子床头卡片系统的架构，如图2所示。系统架构包含网络层和应用层。网络层主要完成相关医疗数据的传输、处理和保存。医疗数据通过有线网络传输至应用服务器。应用服务器通过通信单元的下载器进行数据下载，经过冲突检测单元后，筛选出有效数据，最后处理好的数据通过数据库连接组件保存到数据库服务器中。应用层主要由客户端应用程序和终端电子床卡设备程序组成。当病区护士登录护士站部署的客户端应用程序时，客户端程序与服务器的会话启动。应用服务器的通信单元更新器通过数据库连接组件连接数据库服务器并获取医疗数据，客户端应用程序的通信单元下载器通过有线网络从应用服务器载入数据，病区护士可通过客户端应用程序来浏览整个病区在区患者的相关医疗信息。当病区护士修改维护某个床位患者相关医疗信息时，客户端应用程序的通信单元更新器可以确保更新的内容被传送至应用服务器，并且也相应地同步更新数据库存储，以保证更新后的内容后续能传输到其他终端电子床卡设备。终端电子床卡设备的通信单元主要由下载器和接收器组成，其通信单元下载器通过有线网络从应用服务器载入数据，显示在终端设备显示屏。

图2 基于物联网技术的多功能交互式电子床头卡片系统架构Fig.2 Architecture of multifunctional interactive electronic bedside card system based on Internet of Things technology

同时，本系统在设计上采用了网络感知技术，使护士台客户端和各终端电子床卡设备能被网络感知，以满足客户端无法联网时，护士修改维护的相关医疗数据均能缓存至本地，直到网络再次连接；或者客户端及终端电子床卡设备请求应用服务器被动更新信息。应用服务器发送器定时向网络发送单向消息，消息在护士台客户端或终端电子床卡设备的接收器上被接收。当消息能被接收到，则认为当前设备连接到网络。消息传送至通信单元的更新器后，便作为判断是否缓存数据、将其发送到服务器或请求应用服务器被动更新信息的标志。

为保证该系统数据的准确性，每个护士台客户端设备及终端电子床卡设备都有一个唯一的地址，用于服务器筛选出有效用户来更新其内容。本方法有效阻止客户端和终端传输数据时被干扰，有效提高数据的准确性。当客户端或终端设备处于非工作状态时，网络层将停止数据传输，直至有新的设备连接到网络中。

3 系统网络架构设计

本研究开发的住院患者使用的基于物联网技术的多功能交互式电子床头卡片系统网络架构，如图3所示。

图3 基于物联网技术的多功能交互式电子床头卡片系统的网络架构Fig.3 Network architecture of multifunctional interactive electronic bedside card system based on Internet of Things technology

以交换机为单元设计的有线网络通信技术，确保了数据传输的实时性、稳定性与准确性。本系统作为一种全新的解决方案，其功能上要求必须与医院信息系统实时交互数据，本院浦东新院区在病房弱电设计中实现的一床一网点，支持有线网络技术通信，极大促进了系统的实施。护士站客户端及各病房床位对应的终端电子床卡设备均通过有线局域网络连接至当前楼层的接入交换机，不同楼层的接入交换机连接至住院楼的汇聚交换机，汇聚交换机连接至核心交换机上，进一步经过防火墙防护，连接至与服务器连接的汇聚交换机。核心交换机设计上采用了虚拟交换系统（VSS）技术，双机热备的工作环境从网络架构层面保证了系统的稳定性。

4 系统软件架构与数据流向

本研究开发的住院患者使用的基于物联网技术的多功能交互式电子床头卡系统软件架构及数据流向，如图4所示。其主要由信息采集部分、信息传输部分及信息使用部分三部分组成。

图4 基于物联网技术的多功能交互式电子床头卡片系统的软件架构及数据流向Fig.4 Software architecture and data flow of multifunctional interactive electronic bedside card system based on Internet of Things technology

4.1 信息采集部分

患者在医院就诊过程中，医院临床信息系统会产生大量临床信息，其中包含了用于电子床头卡片系统的病人个人基本信息、诊疗信息等可用信息。该系统信息采集部分主要包括医院HIS产生的病人基本信息、住院医生工作站及护士工作站等系统产生的医嘱及护理信息、LIS等系统产生的检查报告信息，其均记录存储在临床信息系统相应的数据库中，供自身业务流程使用，及通过视图、存储过程等方式开发接口提供服务供外部系统调用。

4.2 信息传输部分

存储过程数据交换模式是目前不同系统之间开发接口的常用方法之一。由于医院临床信息系统可提供众多信息，涉及的数据表繁多复杂，在定义存储过程时，其将海量原始数据经过二次加工后的结果集作为输出内容，在电子床头卡片系统应用端程序调用存储过程时，只需对存储过程输出数据进行调用或三次加工，此模式极大提高程序运行效率，调用双方交互性良好。另一方面，通过调用存储过程获得的输出数据，调用方只能先转储到本地临时表或业务表，再进行修改或直接使用，而不能直接操作医院临床信息系统原始数据，对于电子床头卡片此类大范围使用的应用程序而言，规避了终端用户直接访问数据库或表的风险，提高了程序的使用安全。在电子床头卡片系统的开发中，仔细比较各种方法后，最终选用存储过程模式，在使业务流程操作简化的同时，保证了双向数据的安全性。

企业服务总线（enterprise service bus，ESB）是一个实现系统间集成和互联互通的重要技术架构，作为一种消息和服务集成的中间件平台，ESB保证了多个应用系统的服务接入、协议转换、提供可靠的消息传输、数据格式转换及基于内容路由等功能，异步消息处理机制，实现了业务系统之间松耦合结构。随着医院信息化建设的发展，信息系统越来越庞大，ESB平台的搭建，极大地解决了多个系统互联所面临的复杂性，减低集成和维护成本问题[13]。本系统所接入的本院ESB平台采用面向服务架构（Service Oriented Ambiguity，SOA）的服务接入方式，Web Service作为一种目前最适合实现SOA的技术，其通过简单对象访问协议（Simple Object Access Protocol，SOAP）进行通讯，基于标准的XML结构化文本消息传递为异构系统提供通讯机制，对等地交换结构化和类型化的信息。ESB平台为本研究系统提供的消息架构如下：

该ESB服务接口按照协定的结构化格式嵌套封装临床信息系统（CIS）数据库提供的存储过程，供电子床头卡片系统定时调用并将其获取到的数据存储记录到数据库中，该接口的入参为请求的病区在HIS基础表中的部门代码。

4.3 信息使用部分

客户端程序定时主动通过数据库连接组件获取数据并根据终端电子床卡设备与IP地址一一对应的关系，同步更新各终端电子床头卡设备上显示的信息；同时，病区护士也可通过客户端程序手动触发请求获取本病区最新信息，并下发至各终端设备，以保证设备稳定、准确和实时的显示病人相关信息。

5 数据库及软件系统设计

本研究开发系统时基于Microsoft SQL Server 2016进行关系型数据库搭建设计，表结构设计上遵从三范式原则，主要表包括系统用户表、病区网络地址表、病区房间基础表、病区病人信息表、HIS床位病人信息表及历史信息记录表等。其中病区网络地址表主要存储病区代码、病区名称、病区客户端IP地址及该病区对应的HIS中的部门代码；病区房间基础表主要存储病区代码、病区房间代码、房间名称、床位代码、床位名称及对应终端设备的IP地址；病区病人信息表主要存储病区代码、房间代码、床位代码，住院号、床位号、姓名、性别、血型等病人基本信息，分级护理、饮食种类、药物过敏、压疮及跌倒预防等日常护理医嘱信息，PICC/CVC/PORT、24 h进出量、抗血栓袜及疼痛评估等重点医嘱关注信息，医护人员信息及其他。服务器端和客户端软件基于.NET和SQL Server数据库开发，软件在Windows操作系统下利用Visual Studio.NET 2015开发工具，以C#为开发语言采用ASP.NET技术编写，并通过ADO.NET技术对数据库进行增删改查操作。系统工作时，客户端程序根据登录用户对应的病区在HIS中的部门代码，调用接口请求病区在院病人的基本信息，根据病区内终端设备IP和床位号及房间号对应关系，实时准确地同步病人信息至各终端设备。

6 结果验证与分析

通过实验表明，基于物联网技术的多功能交互式住院患者电子床头卡系统客户端及各终端设备接收到的数据完全正确，软件系统及基于有线网络的网络架构能够保证数据传输的可靠性和稳定性，将相关患者医疗信息实时准确显示在客户端及各终端设备。通过查看分析ESB系统上该服务的调用日志，可以看出本系统性能较稳定，24 h、30 d内的调用平均耗时均在1 s内。同时，仍可通过改进程序逻辑、优化数据库存储过程等手段，进一步提高系统性能。

7 结论

本研究基于物联网技术，进行了用于住院患者的多功能交互式电子床头卡片系统的设计与实现，对系统的功能框架进行了详细的介绍和讨论，并从系统架构、网络架构、软件架构及数据库软件系统几个方面进行了设计。通过实验测试表明，系统性能稳定，能够保证医疗信息的实时性和准确性。系统的实现能充分满足临床一线病房管理工作的需求、减轻护理人员的工作量、提高工作效率、减少医疗事故发生的可能性，同时能方便患者看到自己的健康信息，改善就诊体验和满意度，对病房管理工作及医院信息化建设的发展具有重要指导意义。