基于数据驱动模型的医疗器械信息综合管理系统

孙国君

上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心 资产管理科，上海 200127

引言

在管理医疗器械管理过程中，需对医疗器械的使用方式、器械类别、引进时间、使用情况、维修情况以及正常检查等信息、消耗情况等信息进行全面、综合的管理[1]。信息综合管理是指通过信息化手段[2]，合理利用和实时掌控相关信息的一种管理手段，能够实现信息的统一管理[3]。数据驱动是一种数据运用技术[4]，其能够充分利用采集的数据形成信息流，以其为依据实现不同需求，可为决策、运营以及管理中为用户提供可靠的数据依据[5]。医疗器械信息则具备典型的动态循环和更新快的特征，需不断的补充、更新，因此如何有效实现医疗器械信息综合管理，成为医疗器械行业的主要工作[6-7]。

因此，本文设计基于数据驱动模型的医疗器械信息综合管理系统，该系统以数据驱动模型为基础，获取医疗器械的全面信息，并且在系统中引入一致性机制，实现信息的分布式永久保存，极大程度地提升系统的综合管理效果。

1 医疗器械信息综合管理系统

1.1 系统架构

本文设计基于数据驱动模型的医疗器械信息综合管理系统，该系统整体分为3个层次，分别为信息采集层、数据驱动层、应用层，因此利用数据模型所设计的系统具有具备良好的信息聚类效果、远程写入性能以及更新、修改、调用等操作功能的技术特点，可以实现医疗器械信息的静态管理和动态管理，其总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构

（1）信息采集层。该层的核心为AXIe高速数据采集传输接口，该接口连接移动无线技术和物联网技术，实现医疗器械信息的采集和传输。

（2）数据驱动层。该层主要以数据挖掘引擎、数据分析接口、数据驱动引擎为核心，结合相关处理方法完成数据的聚类、转换、集成、加载以及清洗等，将处理后的信息存储至数据仓库中[8]。并且在该层中引入分布式持久性一致性机制，该机制可保证在系统发生瘫痪时，能够通过持久化操作，完成信息恢复，实现信息同步和异步的持久化。

（3）应用管理层。该层包含3个模块，即应用服务模块、功能服务以及管理控制模块[9]，能够实现医疗器械信息查询、输入、调整、更新等。

信息采集层通过网络技术和传感设备完成医疗器械信息的综合采集，并通过分布式文件完成信息存储后，将采集的信息传送至数据驱动层；数据驱动层采用驱动引擎、挖掘引擎和基于误差反馈的数据清洗方法完成医疗器械信息的处理和存储，应用管理层则可依据用户的需求，通过相应的接口获取所需的相关服务，可对医疗器械信息实行查询[10]、调整以及更新等，以此实现医疗器械信息的静态和动态综合管理。

1.2 AXIe高速医疗器械数据采集传输接口

系统在运行过程中，为实现医疗器械信息的高效采集和传输，在信息采集层部署AXIe高速数据采集传输接口，该接口具备良好的数据吞吐率以及可兼容性，满足数据的高效采集需求。

该接口是星型拓扑结构，支持高速串行计算机扩展总线 标 准（Peripheral Component Interconnect Express，PCIExpress）接口协议、四通道端口配置，该接口包含3部分组成，其结构如图2所示。

图2 采集接口结构

该接口主要通过三部分实现医疗器械信息的采集，分别为采集、缓存和传输；其中采集模块的实现是通过时间交织采样技术完成，并且为保证采集质量，通过低抖动时钟实行信息采集控制；信息的存储采用DDR3存储器完成，该存储器具备存储效率高、功耗小以及存储容量大等特点，满足医疗器械信息存储要求。

1.3 分布式持久性一致性机制

在进行医疗器械信息综合管理过程中，为避免系统发生瘫痪或者突发故障，导致信息损失，在数据驱动层引入分布式持久性一致性机制，该机制结构如图3所示。

图3 分布式持久性一致性机制结构

该机制在本质上是一种保证保护措施，其能够将元信息地址和信息地址均写入操作日志中，实现该日志的持久化，即可保证系统发生瘫痪或者突发故障时，医疗器械元信息和分布式信息的一致性。并且，该机制具备远程写入一致性措施，能够实现客户端和服务器端写入医疗器械信息的持久化操作，该措施在执行过程中，客户端为实现远程写入，采用RDMA write-with-imm原语远程写入服务器端完成，并且服务器端具备客户端标识功能，能够定位需要写入医疗器械信息地址，并且明显降低CPU的处理带宽。

1.4 医疗器械数据清洗

医疗器械数据清洗是系统数据驱动层的重要方法，其能够对采集的医疗器械信息实行异常信息插补，采用K-Means聚类算法完成医疗器械信息的聚类后，本文采用基于误差反馈的异常信息组合插补方法完成数据清洗[11]。

信息样本由医疗器械综合信息组成[12]，将样本集中缺失的信息部分对应的原始值定义为参考序列，用Y0表示，且Y0={Y0(1),Y0(2),…,Y0(m)}，其中m表示数量。对该缺失的信息实行插分处理，其通过EM插补方法完成，以此可得插补序列Y1={Y1(1),Y1(2),…,Y1(m)}、Y2={Y2(1),Y2(2),…,Y2(m)}，其中，Y1、Y2均表示插补序列。

采用平均相对误差对插补结果实行评价，并计算该误差结果，计算方法如公式(1)所示。

在公式(1)的基础上，求解相应的插补权重，其计算公式如式(2)所示。

式中：Xj表示平均相对误差值，n表示插补数量。

确定插补权重后，采用插补方法对信息实行处理，且该信息为与Y0特征相似的医疗器械信息，获取其插补序列，其公式如式(3)所示。

序列中的第i个信息的求解公式，见式(4)。

式中：Yj(i)表示第i个插补序列，其对应权重用ωj表示，且i=1,2,…,t，其中，样本集中缺失信息的数量用t表示。

通过上述步骤即可完成医疗器械信息清洗，实现缺失信息的插补。

1.5 医疗器械信息综合管理

应用管理层将数据清洗后的医疗器械信息实行整合，假设采集到的医疗器械信息用(a,b,…,n)表示，则在信息整合过程中，以医疗器械信息的属性和类别的差异维护整合标准[13]，依据时间序列实现信息整合。假设医疗器械信息集合R，且R={N(aλ,bλ,…,nλ)}，其中，整合系数用N表示 ；λ表示矩阵系数，属于第a,b,…,n个医疗器械信息。

对整合后的医疗器械信息实行过滤处理，去除冗余信息[14]，如果C0表示冗余信息集合，则有效的医疗器械信息计算公式如式(5)所示。

式中：B表示调整或者更新后的医疗器械信息；Bi表示信息访问峰值。

对管理参数实行设定，其前提条件为Inf0(C)已知；为获取医疗器械信息综合管理目标函数V，对C实行管理，且结合模糊度指标完成，则V的计算公式如式(7)所示。

式中：V表示医疗器械信息管理目标；管理参数初始值用L表示。

通过上述过程即可完成医疗器械信息的静态综合管理，在此基础上，实现其动态管理。设医疗器械动态信息综合调度响应函数计算公式如式(8)所示。

式中：调度响应用H(t)表示；t时刻医疗器械信息数量用P(t)和P(-t)表示，前者对应输入医疗器械信息，后者

以4阶矩阵原理为依据，为获取C的关联特征，通过对C实行处理完成，则该特征的公式如式(6)所示。对应调整或者更新的医疗器械信息。

采用逐层挖掘的方式对医疗器械信息集合内的频繁模式集实行挖掘[15]，获取医疗器械动态信息集合的特征，同时完成卷积函数的设定。设调度干扰项用h(p)表示，则可调度的而最佳医疗器械动态信息集[16]的计算公式如式(9)所示。

式中：h表示医疗器械动态信息子集。

将公式(9)定义为医疗器械动态信息管理的控制量，则信息快速管理Ji的函数表达公式如式(10)所示。

式中：密度特征用xk表示，属于医疗器械动态信息；干预项用DL表示。在保证其他干预项均为最小的情况下，可高效实现医疗器械信息综合管理。

通过上述内容即可实现医疗器械信息的静态和动态管理，即为高效实现医疗器械信息综合管理。

2 结果

为测试本文系统的综合管理性能和效果，将文本系统用于上海儿童医学中心，上海儿童医学中心是上海市人民政府与美国世界健康基金会（Project HOPE）的合作建设项目，是一所集医疗、科研、教学于一体的三级甲等儿童专科医院，占地100亩，总建筑面积6万多平方米，核定病床500张，拥有一流的楼宇自动化设备和完备的医疗保障设施，担负着上海和全国各地患病儿童以及来华外籍人士子女的医疗工作，因此本文对该上海儿童医学中心的医疗器械信息实行综合管理，将本文系统部署在总部服务器上，展开相关测试分析。

为了直观体现系统在医疗器械信息综合管理方面的应用性，登录系统后，对医疗器械信息实行相关管理选项操作，测试本文系统的应用效果，见图4。

图4 医疗器械信息综合管理的应用效果

由图4可知，本文系统的应用性能良好，能够通过不同的操作选项对医疗器械信息实行相关的管理操作，能够查看不同管理类别的医疗器械信息，同时具备医疗器械信息的更新、修改以及调用等操作功能，可实现医疗器械信息的综合管理。

医疗器械信息聚类是系统实现综合管理的基础，因此，需保证系统具备良好的医疗器械信息聚类性能，采用DB指数作为本文系统信息聚类效果的评价指标，该指标值越小，表示聚类效果越佳，其取值范围为0～1，计算公式如式(11)所示。

式中：k表示聚类数量；Wi、Wj均表示平均距离，前者对应类Ci与聚类中心之间，后者对应Ci和类Cj中心。

依据公式(11)获取本文系统在不同维数的医疗器械信息聚类的DB指数结果，见图5。

由图5可知，在不同的维度信息下，随着聚类数量的逐渐增加，本文系统的DB指数测试结果均在0.35以下，即使信息的维度较高，DB指数的测试结果也没有显著增加。因此，表明本文系统能够完成不同维度信息的聚类，且聚类效果良好。

图5 信息聚类效果测试

为测试本文系统对于信息管理的一致性，以远程写入一致性作为衡量指标，该指标通过远程写带宽的性能实行描述。测试客户端和服务端同时在信息写入时，随着写入信息量的逐渐增加，一致性的测试结果，见图6。

图6 一致性测试结果

由图6可知，在写入相同大小信息时，客户端和服务端的远程写带宽结果几乎完全吻合，该结果表示本文系统具备一致性功能，能够保证元信息和分布式信息的一致性。

为进一步衡量本文系统的综合管理效果，测试本文系统在实行同步信息、异步信息以及批量异步信息实行管理过程中写入带宽的变化情况，见图7。期望的写入带宽标准为低于0.004 Mbps。

由图7可知，本文系统在实行同步信息、异步信息以及批量异步信息写入时，随着写入信息量的逐渐增加，写带宽发生差异性的变化，在三种情况下虽然写带宽均呈现上升趋势，但是同步信息的写入带宽增加幅度较小，批量异步信息的写入带宽增加趋势显著，但是均在期望的标准之内。因此本文系统具备良好的一致性，间接表明本文系统的信息综合管理效果良好，能够提升医疗器械信息的写入性能，保证信息的高效统计。

图7 同步和异步信息的写入带宽测试结果

为衡量本文系统的医疗器械信息清洗效果，采用公式(1)的计算结果作为衡量标准，测试本文系统在对不同序列实行插补后的结果，见图8。本文中的插补平均相对误差结果低于0.5。

由图8可知，本文系统的清洗效果良好，在不同序列数量下，对两种序列插补后的平均相对误差均在0.4以下。因此，本文系统具备良好的信息清洗效果，为信息综合管理提供可靠基础。

图8 插补效果测试结果

3 讨论与结论

为了提升医疗器械信息的管理效率以及质量，实现医疗器械信息的静态和动态的双重管理，本文设计一种新的医疗器械信息综合管理系统。该系统主要以数据驱动层中的数据驱动模型作为核心，采用驱动引擎、挖掘引擎和基于误差反馈的数据清洗方法，清洗接收到的信息并将其存储至数据仓库中，为后续的信息综合管理奠定坚实的基础。因此在实际测试中该系统能够查看不同管理类别的医疗器械信息，同时具备医疗器械信息的更新、修改以及调用等操作功能，与此同时可以完成不同维度信息的聚类，聚类效果良好，能够保证元信息和分布式信息具有一致性，提升医疗器械信息的写入性能，保证信息的高效统计，且具备良好的信息清洗效果，为信息综合管理提供可靠基础，这些充分证明了所设计系统的有效性与创新性。

本文设计基于数据驱动模型的医疗器械信息综合管理系统。将该系统用于上海儿童医学中心实行相关测试，测试结果表明该系统能够较好地完成不同维度信息的聚类，且一致性较好，能够在较小的带宽下完成同步、异步以及批量异步信息的写入，能够全面综合地管理医疗器械信息。本文系统在医疗器械的综合管理方面具备较好的优势，能够实现医疗器械静态和动态的综合管理，可以为医疗器械管理提供重要参考，对于推动医疗器械综合管理领域的进一步发展具有重要意义。但是由于在测试过程中，仅对上海儿童医学中心的医疗器械信息综合管理实行相关测试，对于其他类型医院的管理效果仍需进一步进行相关测试，以获取更全面的应用测试结果。