物联网下大型医学装备运行数据的探索与挖掘

张坚，金忠新，沈懿明

1 上海交通大学医学院附属仁济医院，上海市，200126 2 上海交通大学医学院附属瑞金医院，上海市，200010

1 物联网的概念

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。其英文名称是：“Internet of Things（IoT）”。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相息。物联网通过智能感知、识别技术与计算技术等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。

在技术上，物联网通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息，与互联网结合形成一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。因此物联网是互联网的应用拓展，与其说物联网是网络，不如说物联网是业务和应用。

在物联网应用中有三项关键技术：

（1）传感器技术：这也是计算机应用中的关键技术。大家都知道，到目前为止绝大部分计算机处理的都是数字信号。自从有计算机以来就需要传感器把模拟信号转换成数字信号，计算机才能处理。

（2）RFID等标签：也是一种传感器技术，RFID技术是融合了无线射频技术和嵌入式技术为一体的综合技术，RFID在自动识别、物品物流管理方面有着广阔的应用前景。

（3）嵌入式系统技术：是综合了计算机软硬件、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术为一体的复杂技术。经过几十年的演变，以嵌入式系统为特征的智能终端产品随处可见；小到人们身边的MP3，大到航天航空的卫星系统。嵌入式系统正在改变着人们的生活，推动着工业生产以及国防工业的发展。如果把物联网用人体做一个简单比喻，传感器相当于人的眼睛、鼻子、皮肤等感官，网络就是用来传递信息的神经系统，嵌入式系统则是人的大脑，在接收到信息后要进行分类处理。这个例子很形象地描述了传感器、嵌入式系统在物联网中的位置与作用。

2 大型医学装备的特点及其管理现状

对于现代医学而言，大型医学装备是医院现代化的一个非常重要的标志，并且在很大程度上决定着医院的诊疗水平和医疗技术发展。经过改革开放近四十年的发展，大量尖端、先进的医学装备不断引进，成为医疗诊治过程中必不可少的重要工具，得到了越来越广泛的应用。

当前对于我国绝大多数医院而言，在医疗设备中，大型医学装备资产的比率占据了医院总固定资产的大部分。依照统计，一些大型医院的占比率已经高达50%到70%。如何保证大型医学装备的完好率，保证其在诊断和临床使用过程的安全和正常运行，提高在用大型医学装备的开机率和使用率，减少设备故障，最大限度地控制维修费用，降低维修成本，增加医院的经济效益和社会效益，成为新时代医疗设备科学化管理面临的重要问题。

但是，大型医学装备往往是高科技产品，任何一类设备都涉及到很多学科，包含很多最新的技术成果，可以说是一系列高新技术的综合体。例如：医院中常配置的电子计算机断层扫描设备（CT）就集合了电子技术、计算机技术、X射线技术、大规模集成电路技术、新材料技术和传感器技术等一系列高新科技。如何管好用好这类大型医学装备，一直以来都是医院设备管理当中不断探索的课题。

根据我们的调查和统计，在大型医学装备管理中， 100%的医院都在做数据监控，但是数据来源标准不统一，运用物联网技术的只有4%，95%以上以手工统计为主。相关数据通过手工方式记录到电子表格中，记录的内容只能是简单的几个“传统”项目。这些传统手段无法实现对高新科技产品的监控，无法实时获取设备的各项关键参数，不但耗费较大的工作量，也拖延了信息的反馈速度，而且不能充分利用设备。

另外，我们的调查还发现，相当多的医院大型医学装备的功能使用很不充分。以CT为例，目前高端CT的功能有近50种，但是有95%的CT设备，日常使用到的功能不超过10种。常用的检查功能中前五种的使用次数占了总使用量的90%以上。这在一定程度上造成了医疗资源的浪费（见图1）。

图1 有关“CT常用功能”的调研结果Fig.1 The survey result of ‘most useful features of CT’

3 利用物联网获取大型医学装备运行数据的探索

随着近年来物联网和大数据技术在大型医学装备行业的逐步普及，主要设备厂商对医用大型设备的物联网和数据挖掘技术的运用迅速发展，借助物联网和云计算技术，实现大型医学装备底层数据的实时采集，通过进一步的算法分析以及数据挖掘，可以实现对装备的即时状态监测，获得使用效率、故障情况等数据。但是，对于物联网和云计算技术而言，如何保证数据安全是我们必须考虑的问题。在项目的研究过程中，我们做了两轮专家访谈，其中80%的专家认为物联网技术在医学装备领域的应用是发展趋势，物联网技术将给医学装备的管理带来有效手段，但是有13%的专家持谨慎态度，数据安全成为大家顾虑的重点，值得深入探讨（见图2）。

图2 有关“物联网技术在医学装备领域的应用”的调研结果Fig.2 The survey result of ‘IoT technology application on medical equipment’

因此，为了尽可能降低数据安全的风险，在探索利用物联网获取大型医学装备运行数据时我们采取了以下的措施：①与国际一流设备厂商及其资深系统开发商合作。如前面所述，大型医学装备是高新科技的集合体，需要相当长时间的技术积累和研发投入。国际大型设备厂商的产品具备一定的技术优势，尤其是在设备自身的智能化方面更是引领着工业互联网的发展方向。同时他们的设备面向全球各地的客户，经过了各国的安全标准考验。②在物联网连接和数据存储上，采用院内私有云的方案与国际大型设备厂商的安全连接方案相结合的方式，避免将重要数据传输给第三方服务提供商。

具体而言，从研究内容上，我们从四个方面对利用物联网和云计算技术获取大型医学装备相关数据进行了探索：

（1）对大型医学装备的运营数据的研究。通过基于物联网技术对医用大型设备的运行数据进行采集，结合具体使用场景，对采集的数据进行量化分析，得到包括使用时长、扫描次数、平均使用率等评价指标，实现对设备的运营精细化管理。

（2）对医用大型设备运行质量的监测。通过基于物联网技术的智能传感器等采集医用大型设备关键部件的运行参数，进而对设备质量和安全控制提供直接的数据支持。

（3）对医用大型设备功能利用的监测与分析。我们对采集的数据进行量化分析，从中得到包括扫描线圈和序列以及是否增强扫描等参数，进而可分析医用大型设备的特殊功能使用的效率效益。

（4）基于上述研究，从区域卫生经济学的高度，对医用大型设备的配置提供科学决策依据。

在研究方法上，我们主要采用了专家访谈，借助物联网技术手段采集数据，建立模型，深入分析等方式。

通过深入学习国家新颁布的《医疗器械使用质量监督管理办法》（国家食品药品监督管理总局令第18号）等法规，结合医院对于大型医用设备使用及数据采集需求，依托临床、技术、管理专家，采用定性研究方法中的专家深度访谈及小组访谈的方法，访谈市级医院和高等院校专家。专家覆盖上海市范围的各系统三级甲等综合性、专科性医院临床、医学装备管理、医学工程技术专家和高等院校临床、医工等专业的专家教授。同时，访谈医学装备相关行政管理人员，从区域卫生经济学的高度、行政管理以及政策管理的角度征询专家的意见。利用物联网技术对大型医用设备（例如CT）进行数据的采集、统计和分析并建立统计模型，并与院内相应系统集成，从而更全方位地获得各项数据，实时地获取设备的各方面信息，实现对大型医学装备动态地进行使用评估和技术评估。同时对目前基于物联网技术的区域大型医用设备使用云数据挖掘与应用，从区域卫生经济学的高度，对医用大型设备的配置提供科学决策依据。

4 对物联网获取大型医学装备运行数据的分析和挖掘

4.1 数学模型

对于大型设备的数据监控我们主要考虑三方面因素：使用率、功能利用率、开机率。基于以上数据采集及数据挖掘分析建立数学模型：

决策系数=使用率+功能利用率+开机率=3（理论值）：

使用率=使用时长（方法×平均时长）/额定工作时长：

功能利用率=使用功能数/总功能数：

开机率=1-宕机时长/开机时长：

4.2 模型建立

利用物联网技术对大型医用设备（例如：CT）进行数据的采集、统计和分析并建立统计模型，研究目前基于物联网技术的大型医用设备使用数据挖掘与应用。以提取的CT数据为例的模型说明如下。

4.2.1 运营监控

从采集的数据中解析设备的使用量、使用规律等使用情况，基于使用情况的监控提出建议。

例如：对于CT不同时段的使用情况数据(见图3)，我们可以看出：

（1）工作日扫描次数平均每天134.2次，周末为每天81.7次。工作日比周末高61%。

（2）工作日上午使用次数占全天的近77%，下午占23%。

（3）工作日的中午12：00—12：30，下午4：30以后，CT的使用量很低。

图3 CT不同时段的使用情况统计Fig.3 Statistics of CT Usage on different time slot

由此，我们可以对使用科室提出如下建议：

优化病人扫描的时间，使上、下午安排的病人量更均衡。将非紧急的扫描尽量安排在下午，例如某些住院病人，非紧急的预约病人更多地安排在下午3点以后。这样不但可以减少上午单位时间段的检查量，进而减少设备的采购数量，降低成本，也可以缩短病人的现场等候时间，提高患者的满意度，实现医院、科室和病人的多赢。

CT的扫描次数，从图4CT总扫描次数中可见该CT在2017年9月25日到2018年4月19日期间共扫描了20 538次。

从CT设备日扫描次数中可以看出，扫描次数较少的是周六，而周日和节假日的扫描数量为0。日扫描次数在2018年1月和2月中有明显地下降，3月后开始恢复到正常水平。

图4 CT总扫描次数Fig.4 Total scan time of CT

从扫描次数的数据监控中，我们可及时掌握设备关键部件的运行状况，对这些部件的保养及更换做出准确的预测。同时建议设备厂商可以将设备的维护时间主要安排在扫描次数较低的时间段。

CT使用规律，从图5统计中可以看出，周三的平均扫描次数比其他四个工作日高出10%，周六的平均扫描次数是工作日的60%。

图5 CT按周统计的使用规律Fig.5 Statistics of CT usage on daily base

为达到设备使用时间的均衡分配，减少每周中期的设备使用压力，建议使用科室在确定病人预约时间时，向周初期或周末期有所倾斜。

4.2.2 功能利用

CT运行数据中Protocol表示扫描功能编号，解析设备在使用过程中不同Protocol的使用数量，每种Protocol频次可以统计分析该设备在功能利用的情况（见图6）。

图6 CT运营数据统计Fig.6 CT image performance data analysis

从图6统计中可以看出：

（1）该CT在统计时间段内总共使用了26种扫描功能；

（2）使用频率最高的是#5.14号功能，占总扫描次数的64%；

（3）排名前五的这五项功能占总扫描次数的97%。

由此，我们可以结合使用科室或医院的专长，在采购时突出设备的专项功能，不需要让每台设备都具备全部功能，从而削减在非常用功能模块上的支出。

另外，通过对不同Protocol的使用频次及平均时长统计分析，可以帮助使用科室了解扫描的效率，分析某些扫描耗时过长的原因，从而提高技师的操作一致性。

4.2.3 运行质量

例如通过数据解析可以看到意外宕机的情况，查找意外宕机的原因，从而分析造成该现象的原因是设备质量问题还是操作不规范造成 (见图7) 。

图7 CT运行质量统计Fig.7 CT System quality data analysis

从图7统计中可以看出：

（1）在半年的时间内，共开关机17次，其中有3次（约20%）持续设备工作超过了3周，连续长时间不关机可能对设备的寿命带来一定的影响；

（2）在统计期间，有5次非正常关机（约29%），原因分别是设备断电和服务异常终止。

因此，我们可以给出如下建议：

（1）超过一定时间不关机需要强制重启设备以延长寿命，因此要求操作人员一周至少关机一次；

（2）针对非正常关机的原因，需要及时通知厂商进行处理，防患于未然。

通过对这些数据的采集、分析，我们可以更清晰地了解设备的各项重要参数以及使用情况，从而对大型医学装备进行更全面的使用评估和技术评估。这种精细化的数据采集和管理方法，将对今后我们从区域卫生经济学的高度统筹配置大型设备提供强有力的科学决策依据。

5 前瞻与展望

在科学技术飞速发展的今天，物联网已经成为全球关注和技术投入的重要领域。随着物联网等技术与大型医学装备更具深度及广度的结合，必然会为设备的精细化管理打下更坚实的基础，从而使我们能够更精准、安全地运营设备，更科学、高效地进行医院决策及管理，更周到、全面地为病患服务，提升医院的社会效益与经济效益，达到多方共赢的良好局面。