基于HL7标准协议的区域医疗设备信息整合平台研究

严红岭 孔 晗 刘 京 杜晓敏 王 丽

物联网(internet of things，IoT)是通过射频识别(radio frequency identification，RFID)技术、红外感应器、全球定位系统及激光扫描器等信息传感设备按约定的协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术[1-4]。物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是信息化时代发展的重要阶段。近年来，集中化和移动式管理方式成为医疗设备管理的热点[5-6]。健康等级7(health level 7，HL7)标准化的卫生信息传输协议的出现，为医疗设备数据的传输提供标准化的参考依据，同时也为医疗数据集中采集和远程管理提供了先决条件[7]。但不同设备之间难以做到一体化和信息化的管理，如Tele Trek远程监测系统和中央监护系统等难以兼顾其他设备的管理；医疗机构的传输环境中缺乏处理的一致性；不同功能医疗设备产生的结果需要在用户和厂商间进行协商[8-9]。在此背景下，HL7难以提供“即插即用”式解决方案。基于此，以实用智能硬件BeagleBone Black(BB-Black)为核心，挂接无线模块ZigBee组网的无线通信网络节点，接收并解析HL7比特流数据，为区域医疗设备数据整合提供基础研究方案。

1 HL7标准协议及解析

1.1 HL7标准协议

HL7标准协议是建立在国际标准化组织(international organization for standardization，ISO)制定的OSI模型的最高层的应用标准，标准化的卫生信息传输协议HL7是医疗领域不同应用之间信息的协议。HL7汇集不同厂商设计应用软件之间接口的标准格式，将允许各医疗机构在传输异构系统间进行数据交互[10-13]。

HL7标准协议包含256个事件、116个消息类型、139个段、55种数据类型和408个数据字典，涉及79种编码系统及4种基本术语。①触发事件(trigger events)：各系统之间数据传输和流动的需求；②消息(message)：系统间传输数据的最小单位；③段(segment)：数据字段的一个逻辑组合；④字段(field)：一个独立的字符串。在HL7通讯协议中，消息(Message)是数据在系统之间交换的最小单元，每条消息都有各自的消息类型，信息类型用于定义消息触发事件，即消息所指向的目标数据[14]。触发事件组成结构见图1。

图1 触发事件组成结构图

1.2 HL7标准协议解析

医疗设备端口传递数据为一串连续的比特流，而HL7的封装协议要求通讯代码能识别每条“message”信息的开始和接受，按照HL7最少的较低层协议(minimal lower layer protocol，MLLP)规定，设备端口在发送每个HL7封装信息时需加一个字节的信息头(0x0B)和两个字节的信息尾(0x1C和0x0D)进行封装处理，然后通过Socket接口发送[15-16]。接收端(PC上位机)通过解析HL7封装的比特流从而获得每一条“message”信息。经过MLLP封装后的消息结构为：＜0x0B＞HL7比特流消息字节块＜0x1C＞＜0x0D＞。部分呼吸机Rosetta软件信息流映射表见表1。

表1 呼吸机Rosetta信息流映射表

2 实验平台搭建

2.1 硬件搭建

以BB-Black为核心，挂接无线模块ZigBee组网的无线通信网络节点，建立web服务器，接收、解析和存储ZigBee无线传感节点采集的HL7比特流数据，将解析的设备运行数据汇总到上位机，并通过远程登陆将区域设备运行数据在电脑和手机终端显示。BBBlack是一款基于AM335x处理器的开发套件。处理器集成了ARM Cortex-A8处理器内核，并提供丰富的外设接口，包括网口、USB Host和串行接口等，可编程实时单元和工业通讯子系统(PRU-ICSS)包含两个32位RISC内核存储器、终端控制器及可支持更多周边接口和协议的内部外设[17]。实验平台搭建见图2。

图2 实验平台搭建示图

2.2 信息流处理过程

图2的实验平台搭建显示，医疗设备信息整合功能主要由数据采集模块、报警模块、管理模块及BBBlack模块组成，BB-Black通过直挂的ZigBee无线传感节点实时采集医疗设备串口HL7标准比特流数据，通过解析程序解析比特流数据，并获取设备运行关键参量，以堆栈形式将获取的参量汇入SQlite数据库，最终通过BoA服务器以超文本标记语言HTML或数据包形式发送至电脑或手机终端。

2.3 基于HL7标准协议的医疗信息整合实验

2.3.1 单机HL7标准协议解析及应用

通过解析单机HL7标准协议获取单一设备比特流数据，经过分析可获取医疗设备运行的关键数据，生命支持类设备质量控制是医学工程人员的一项重要工作，但现行质量控制工作多使用手动记录和纸质填写形式，该手段存在字迹模糊者不易辨认、原始单据无法快速查询和难以汇总等弊端。通过对呼吸机串行接口HL7信息传输协议，可获取呼吸机运行的关键数据，并可通过简单的字符分析，实现半自动化呼吸机质量控制工作。呼吸机质量控制界面见图3。

图3 呼吸机质量控制界面图

检测潮气量时，呼吸机参数设定为：吸入氧浓度(FiO2)设置为40%；呼吸频率设置为15次/min；呼气末正压(positive end expiratory pressure，PEEP)设置为5 cmH2O；吸呼比设置为1∶2；测定潮气量(VT)分别取200 ml、400 ml、500 ml、600 ml和800 ml。检测呼吸频率时，呼吸机参数设定为：FiO2设置为40%；PEEP设置为5 cmH2O；吸呼比设置为1∶2；潮气量设置为400 ml，将呼吸频率分别取10次/min、15次/min、20次/min、30次/min和40次/min。检测氧浓度进行时，呼吸机参数设定为：潮气量设置为400 ml；呼吸频率设置为15次/min，呼吸比设置为1∶2，PEEP设置为5 cmH2O，将FiO2分别取21%、40%、60%、80%和100%；检测PEEP时，呼吸机参数设定为：潮气量设置为400 ml；FiO2为40%，呼吸频率15次/min，呼吸比设置为1∶2，PEEP设置为0 cmH2O、5 cmH2O、10 cmH2O、20 cmH2O和30 cmH2O。

2.3.2 区域医疗设备HL7协议解析及应用

区域医疗设备管理是现行设备管理的重难点，设备分布不均、利用率不高和设备调配率低等现象长期困扰着区域设备管理工作。针对单一区域内临床使用的常规设备，如呼吸机、监护仪、输液泵和注射泵等使用情况进行监控具有一定实用性。使用HTTPEQUIV=Refresh，CONTENT=300定向提交medical_equipment_overview.cgi请求，通过Post自动获取表单信息，即设备使用总览信息；通过点击相应医疗设备，可定向提交medical_equipment_HL7_analysis.cgi请求，通过Post获取医疗设备使用细则表单，表单信息每2 min进行刷新。Web调试界面见图4。

图4 区域设备调试界面图

3 讨论

HL7标准协议是基于区域卫生信息化建设涉及各医疗卫生单位间的数据交换和整合要求：由于较多单位均自行开发或软件提供商开发，且标准不统一，导致医疗信息数据交换的难度加大，所提出来的世界性医疗信息传输标准[18]。HL7标准协议是美国制定和维护、用于不同的医疗系统间进行医疗数据传递的标准，已逐渐步入世界医疗卫生信息技术舞台，现已被广泛应用于各类医疗设备的信息交互中[19]。

2015年，国务院办公厅颁布的《关于全面推开公立医院综合改革的实施意见》指出，社会各级要加强卫生信息化建设，强化标准化管理体系的建立，要建立标准的医疗卫生信息系统，必须要推进医疗设备，公共卫生以及药品等信息化建设，建立共享和标准化的卫生信息平台，实现公共卫生(包括设备、药品和财务等)信息平台的高效管理已经成为新政的首要任务[20]。近年来，“智慧医疗”的提出一定程度上推动了医疗卫生信息化和区域医疗设备一体化建设。当前，我国医药卫生体制已经进入深水区，区域医疗一体化作为医药卫生体制改革的重要内容，已全面进入互联共通、务实创新的信息化服务体系新阶段，“物联网+医疗”的理念愈发受到关注。加强卫生信息化建设，深度挖掘健康“医疗+智能医疗”的应用，已成为当务之急[16]。

4 结论

以医疗卫生行业面向智慧医疗和物联网医学的区域医疗设备信息化建设作为研究对象进行研究，寻求不同医疗设备“物物共联”的通用解决方案，旨在为区域化医疗设备线上管理提供参考依据。本研究使用BB-Black为核心硬件，使用HL7为数据传输和解析协议，设计区域内不同医疗设备间信息交互方法及信息整合方案，搭建一套区域设备信息交互管理平台，并使用呼吸机、监护仪、输液泵和注射泵等对平台进行测试验证，最终完成区域医疗设备信息整合平台雏形的研究和探讨。但实际实施过程中，部分设备HL7协议无法解析，仍有少部分设备需要手动校验，真正意义上的自动化和信息化区域医疗设备信息整合平台的开发仍需多方位、多广度及多层次的协作研究。