基于私有云和人工智能的心电系统构建

林思阳 王 毅 张武军 余俊蓉

中山大学附属第一医院 广东广州 510080

1 引言

作为在国内有着较高发病率且仍在逐年上升的疾病之一[1]，心血管疾病时刻威胁着人类健康[2]，因该类疾病而死亡的患者人数在所有疾病死亡患者总人数中具有较高比重，随之而来的是更高的医疗负担[3]。心电图检查是用于病情诊断最基础的方法之一[4-5]，具有无创伤、操作简便、费用较低、设备小型化、覆盖面大等特点[6-8]，在诸如外科手术、各类介入诊疗等临床医疗中都需要心电图作为诊断和辅助治疗的重要方法，具有较重要的应用意义。随着科技不断进步，心电图检查进入信息化时代[9]。作为医院信息系统的重要一环[10-11]，对心电信息系统的建设意义重大。

中山大学附属第一医院是国内三甲医院之一，以往院内心电图检查由各科室自行完成并发布纸质报告，无电子存档，一旦报告丢失将无法找回，用于打印心电图报告的热敏纸容易褪色以至于报告逐渐变得模糊不可查阅，且床边心电图检查需心电图室人员携带心电图机往返病区，耗时费力。另一方面院内科室众多，情况不一：急诊、ICU等科室需要较快出具心电图报告；部分科室(急诊、特诊、心内科等)医生具备自行发布报告的资质，患者在科内完成心电图检查并出具报告；某些病区配备了心电图机，但不具备发布正式报告的资质；全院各科心电图机型号、接口、支持的数据格式、网络类型不尽相同。结合上述情况，医院采用心电信息系统，统一规划心电检查信息化建设。

2 私有云部署

云是一种网络，指物理上分布于不同地方的计算机等设备，这些设备之间彼此通过高速网络互连所形成的集合。其关键是虚拟化和分布式技术，通过对软件应用与底层硬件作分离，将单个资源划分成多个虚拟资源或将多个资源整合成单个虚拟资源，实现云中的硬件、软件、网络等资源虚拟化[12]。随着云技术的普及，将医院在信息化建设中逐渐把服务器迁移到云平台[13]。通过在医院单独构建私有云，整合院内计算机硬件资源，各医疗信息系统按需申请服务器、存储资源，云管理平台定期对服务器做数据备份，保障数据安全。相较于公有云，私有云部署在医院防火墙内，资源专有且充分利用，服务质量稳定，医院可根据信息数据和网络安全等要求按需调整云端策略，具有快速部署[14]、高可靠性、高通用性、高可扩展性、按需服务、成本低廉等特点。医院私有云结构如图1所示。

图1 医院私有云结构

3 基于人工智能的心电自动分析

3.1 决策树概述

决策树是人工智能常用算法之一，通过对样本集中的特征值进行分裂，其中离散型特征直接取值，连续性特征需划分成若干区间以代表特征值。从树根节点开始，使用ID3、C4.5等算法计算各分裂属性的信息增益(率)，选择信息增益(率)最高的特征作为当前节点特征，以此特征的不同取值建立树的子节点，并对各子节点递归使用上述算法，直到所有特征的信息增益(率)均很小或或无特征可选为止，最终构建出决策树。再按需对决策树进行剪枝，从叶子节点开始递归，对比其父节点将所有子节点回缩前后损失函数的增减，如回缩后损失函数减小则回缩，递归至无法回缩为止，从而简化已生成的树。

3.2 专家经验型自动分析

心电自动分析融合了包括人工智能在内的多项技术，是信息技术在医疗卫生领域应用最成功的范例之一[15]，它基于心电系统预设测量和标准，将采集的患者心电数据与系统相比较，对符合标准的数据给出相应诊断提示。随着人工智能在医疗卫生领域的应用日益深化，应重视其战略价值[16]。医院心电系统报告模块选用美国GE公司的Muse系统，它采用Marquette 12SL算法，属于专家经验型人工智能，GE在心电分析领域处于行业领先水平。对同为右心室增大、心率加快等情况，儿童和成人的心电图诊断可能不同，故针对年龄小于16岁的患者，Marquette 12SL将采用儿科标准进行判别；同理成年男女心电图诊断标准亦不相同，Marquette 12SL具有针对性别差异的判断标准，适用于评估心电图波形ST段和T波，提高对女性急性心肌梗死的检测敏感性。Marquette 12SL通过分析心电数据，自动生成诊断分析，诊断语句基于Muse系统配备的诊断语句库，如图2所示。

图2 报告诊断语句库

心电系统在测量QRS波群时容易受到干扰和伪差的影响，通常可以使用滤波技术消除伪差。除滤波技术外，还可通过信号平均技术，取代对单个QRS波形的分析，以此去除QRS波群中的噪声。GE的12SL程序使用信号平均技术，生成一种中位心跳波形，通过对相同形态的QRS波形排序，在每一个连续采样时间内，通过获得中位电压并生成一个具有代表性的中位QRS波形。相较于算术平均法，该方法要更为复杂，但能有效消除变异较大的边缘波形。相关研究表明，信号平均技术更适于心电图诊断系统，且使用信号平均技术在测量中的表现要普遍优于非信号平均技术。

心电系统测量波形主要是确定重要参考点的起止位置，包括P波、 QRS波和T波的起点与终点，这些参考点可通过分析所有12导联上各波形的斜率获得。QRS时限是QRS波在任一导联上的最早起始点到任一导联上最晚激动点之间的距离，QT时限是在任一导联上除极的最早激动点到任一导联最晚激动点的距离。GE的12SL程序在波形测量精度上可达到1毫秒级，能可靠地用于常规心电图检查。心电系统确定波形起止点并对其进行测量后，这些波形的振幅和时限可构成包含一千多项指标的测量矩阵，随后测量值进入程序的分类标准进行分类，并最终生成诊断提示。

GE通过一种能被12SL程序再分析的方法来储存历史心电图，具有和原始心电图相同的高保真性，以此为基础可将大量历史心电图用于训练和程序测试。程序的持续改进需要大量研究和资源投入，当需要对程序进行改进升级时，可通过大量心电图样本分别由原程序和改动后的程序进行分析，并挑选出分析结果有变化的心电图样本，观察这部分心电图的诊断结果是否优于原程序，以此判断程序改动对自动诊断分析带来的变化。心电图诊断结果的评价标准基于心血管相关专家组的经验和建议。

除了对程序的开发和改进外，选择和构建合适的数据库同样重要，GE选用一系列“金标准”数据库，建立这些数据库非常消耗时间和财力，具有极其宝贵的价值。在选用“金标准”数据库的同时，GE在程序开发和评价过程中还采用其他不同的数据库，这样可以避免程序在测试时表现良好，而在实际应用时效果欠佳。之所以要同时采用“金标准”数据库和其他数据库，是因为前者存在一些局限，比如有时不能代表疾病的真正临床状态、仅包含单一疾病、只包含绝对正常和绝对不正常的患者等，这些因素都有可能降低程序产生诊断的准确性。通过使用大量的数据进行新旧程序对比测试，比如使用存放了来自数百家医院超过十多万份心电图的大型数据库，对因程序改动所引起的诊断结果变化，由专家经验意见和相关医疗记录进行评价，然后将程序整合至一台心电图机并于临床条件下测试，如最后测试通过，才将改进后的程序作为最终版本发布，并正式投入使用。

综上，通过12SL程序自动生成的心电图诊断可以作为一种专家意见，报告医生基于此诊断分析心电图时，可以在更短时间内完成判读，提高了工作效率。但经由程序产生的心电图诊断分析并不能完全取代人工判读，一方面是因为程序自动生成诊断的准确性基于统计学方法的结论，另一方面是信息系统不具备涵盖患者的所有临床情况并以此进行分析的能力。因此，即便12SL程序对心电图分析有着很高的准确率，但在某些情况下仍有可能生成不符合病情的诊断，心电图报告医生需结合临床实际情况并确保人工判读，以此保证心电图诊断的准确性。

4 基于私有云的心电系统设计

4.1 架构

心电系统依托于医院信息平台进行建设，各业务系统间统一通过医院信息平台作数据交互，实现在其它业务系统输入的信息分发至心电系统，减少重复录入操作，提高数据准确性。医院信息平台和各信息系统服务器均部署在院内私有云端，服务器CPU、硬盘等资源可灵活分配，云管理平台定期做数据备份。服务器登入采用堡垒机机制，需在管理系统申请创建账号和开通权限，并通过手机短信认证码和账号密码登录，保证信息安全。心电系统主要分为检查工作站、报告工作站、报告服务器和解析服务器，检查工作站由心电图机、叫号电脑、扫描枪等组成，报告工作站包括心电报告模块、CA认证模块、报告打印机等，报告服务器包含应用服务和报告数据库等，解析服务器用于获取检查申请单数据、接收和解析心电波形数据、CA认证、危急值发送、异常值校验等。心电系统架构如图3所示。

图3 心电系统架构

4.2 流程

患者到门急诊就诊、办理入院或参加体检，医生开立心电图检查申请单，缴费后，患者凭检查申请单在心电图室等检查科室做检查，检查人员将心电波形图上传至报告系统，报告医生审阅报告，做电子签名认证，如有危急值可发送至患者手机和科室，系统根据预设异常值范围校验数据，并生成最终报告，上传至全景病历和中山一院APP，医生和患者可查阅电子报告，检查科室打印纸质报告给患者。

4.3 功能

心电系统功能如图4所示。

图4 心电系统功能

4.3.1 排队叫号 由登记取号、排号报到、过号补叫组成。登记取号支持患者通过心电图室门口自助机扫描检查申请单，并打印排队凭条；排号报到支持在叫号大屏和医生电脑实时显示排队列表，通过叫号通知患者进入检查室报到检查；过号补叫实现过号患者队列单独显示，医生根据情况补叫号或患者重新取号排队。

4.3.2 心电检查 由数据采集、数据存储、数据发送、数据分析、报告预打印、设备设置组成。数据采集即心电图机通过导联线等设备从患者处采集心电生命体征，并记录患者门诊号、住院号、体检号、姓名等信息；数据存储支持将心电波形图等内容存储在心电图机内置存储或SD卡中；数据发送将波形数据发送至心电数据接收服务器进行解析；数据分析支持对波形数据处理并生成非正式报告；报告预打印可用热敏纸先行打印心电图非正式报告，适用于急诊、ICU等急需出具报告的科室作辅助诊断；设备设置可对心电图机作各类参数调整，如滤波频率、打印设置、网络连接方式、文件发送服务器设置等。

4.3.3 数据处理 由数据接收、数据解析、数据重分析组成。数据接收即通过接收程序获取心电图机发送的波形数据，根据心电图机品牌型号的不同，数据被转换为xml，req，mwf等格式的文件；数据解析将xml，req，mwf等文件转换为单一标准的xml文件，并发送至报告系统；数据重分析为可选功能，因心电检查设备品牌型号不一，算法不完全相同，故可开启数据重分析功能，由报告系统对接收的xml文件做波形参数重新计算，并以此为基础进行自动分析。

4.3.4 报告书写 由波形绘制、数据提取与绑定、报告编辑、诊断分析、历史报告对比、报告更改记录、报告审核与电子签名、报告打印、报告上传、危急值、异常值、全景病历调阅组成。波形绘制即报告系统按解析后的数据绘制波形图，并支持波形缩放、导联增益、自动波形间隔、波形调速、低通过滤、测量PR间期、测量QRS持续时间、测量QT间期等操作；数据提取与绑定功能支持从xml文件和检查申请单获取基础数据，包括患者姓名、门诊号、住院号、体检号、申请单号、性别、患者科室、检查设备ID、检查设备名称、心室率等，并支持将上传的波形图与检查申请单绑定，绑定后可通过申请单溯源波形图和报告；报告编辑功能支持对各类报告数据进行增删改操作；诊断分析功能基于报告系统专家经验型人工智能心电算法，自动生成心电报告诊断分析，报告医生再根据实际情况下达最终诊断；历史报告对比支持当前患者波形图、诊断与以往对比；报告更改记录将存储每次对报告的操作记录，包括操作者、操作时间、变更字段内容等，可对报告操作精确溯源；报告审核与电子签名功能根据医生资质，通过手机端CA认证方式，对报告进行审核，并显示手写体签名；报告打印支持选取已在系统注册的报告打印机打印正式报告，同时支持报告重传；报告上传实现将心电图报告封装为xml和pdf两种格式，并上传到电脑端全景电子病历和手机端中山一院APP，供临床医务人员和患者查阅；危急值功能支持报告医生对个别存在危急值的报告发出警报提醒，危急值消息经由医院信息平台转发，如患者是门诊病人则转发至患者、区护长手机，如是住院病人则转发至病区每台电脑并提醒科室接收处理危急值；异常值功能根据医院提供的标准，对报告数据进行校验，如超出给定的正常范围，则在报告中标红显示，并标记上下箭头，上箭头代表高于该项参考值，下箭头代表低于该项参考值；全景病历调阅支持医生查阅患者就医记录和历史病历、检验检查结果等。

4.3.5 报告检索 由报告查询和预设报告分组组成。报告查询支持按患者姓名、门诊号、住院号、体检号、申请单号、检查日期等查询报告；预设报告分组支持在报告系统内维护常用报告分组，如“今天所有未确认的检查”、“妇科住院部未确认的检查”、“我最近的编辑”等，医生可在常用分组下快速找到所需报告进行查阅审核。

4.3.6 数据统计 由检索计划和数据导出组成。检索计划支持维护自定义查询任务，可设定任务名称、执行周期、查询字段，检索计划执行后即可得到统计结果；数据导出功能可对统计结果进行打印或导出csv或txt文件。

4.3.7 后台管理 由用户管理、角色管理、打印设备管理、心电设备管理、诊断语句库组成。用户管理包括对系统账号的创建、修改、删除，设定登录工号和姓名，分配角色权限等；角色管理可维护各类角色并赋予相应权限，如初审、终审权限等；打印设备管理包括对打印设备的注册和命名、打印报告缓存文件输出路径配置等；心电设备管理包括对心电图机设备的注册和命名、配置序号、是否启用心电图数据重分析功能等；诊断语句库支持对诊断语句、字母缩写进行维护。

4.4 系统实现

心电报告系统采用美国GE公司的Muse系统，报告书写界面如图5所示。私有云解决方案选用VMWARE，NAS存储选用华为和戴尔易安信。报告服务器操作系统为Windows Server2008，数据库采用SQL Server，CPU采用Intel Xeon Gold 6130，内存16G，硬盘容量700G；解析服务器操作系统为Windows Server2012，接收解析程序用Visual Studio 2015做开发工具，C#语言开发，数据库采用SQL Server，文件服务器采用IIS，CPU采用Intel Xeon Gold 6130，内存8G，硬盘容量180G；检查和报告工作站电脑选用Win7或Win10操作系统，分别选用.NET 4.0和.NET 4.5框架；院内心电图机主要为日本光电(ECG-2360、2550、1550P、1350P、1250P、9020P等型号)，此类心电图机可通过解析服务器将波形图转换为Muse可处理的xml文件，再传至报告服务器生成波形图，网络连接方式可选用USB无线网卡、SD无线网卡、以太网口、串口转USB等，视型号支持情况而定，并支持热敏纸打印报告。另有美国GE心电图机(MAC LINK等)，与报告系统为同一厂商，直接生成Muse可处理的xml文件，做图后直传至报告服务器，无需经过解析服务器处理，网络连接方式可选用心电图机内置无线网卡。

图5 心电系统报告书写界面

5 结语

随着心电系统上线，医院心电图检查实现信息化和流程闭环，检查科室通过信息系统自动获取病人信息，减少手工录入带来的错误，基于专家经验型人工智能的报告系统自动生成诊断分析，再由报告医生审阅，提高诊断效率的同时保证报告质量。各科室可通过自备心电图机传输心电波形图至检查科室审阅并出具正式报告，减少床边心电图检查往返时间和人力成本。报告心电图报告采用病历纸打印，可长期保存，医生和患者可通过全景电子病历和中山一院APP查阅历史心电图报告。基于医院私有云部署的心电系统服务器可灵活调整硬件配置，实现服务器自动备份。有效整合全院分散的心电图资源，形成统一的报告数据库。未来将在区域心电诊疗中心等方面继续建设，进一步提升患者就医质量，促进医疗工作开展。