智慧手术管理系统的设计.pdf

窑医疗卫生装备窑 2024年1月第45卷第1期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 1 窑 January 窑 2024智慧手术管理系统的设计宓林晖1，2，袁骏毅1*（1.上海市胸科医院，上海交通大学医学院附属胸科医院，上海200030；2.上海市医院协会信息管理专委会，上海200040）摘要目的院设计一种智慧手术管理系统，以实现手术全流程闭环管理。方法院该系统基于数字孪生技术构建，采用Microsoft Visual Studio 12.0开发工具集和C#语言开发，通过射频识别（radio frequency identification，RFID）手环、移动终端、定位基站等物联网设备采集多模态数据，通过数据变化捕捉（change data capture，CDC）技术进行数据的实时镜像汇集。整个系统包括物联网设备管理、转运过程记录、智慧管理指挥舱和手术进度提醒4个功能模块。结果院该系统可以实时反馈手术各环节的运行状态，缩短术前定位时长及手术接台时长，提高了医患双方的满意度。结论院该系统可实现手术全程闭环管理及完整数据追溯，有助于形成高效安全的手术运行管理体系。关键词手术管理；数字孪生；物联网；智慧医疗中国图书资料分类号R318曰TP311文献标志码A文章编号1003-8868渊2024冤01-0042-05DOI院10.19745/j.1003-8868.2024007Design of intelligent surgery management systemMI Lin-hui1,2,YUAN Jun-yi1*(1.Shanghai Chest Hospital,Shanghai Jiao Tong University School of Medicine,Shanghai 200030,China;2.ShanghaiHospital Association Information Management Committee,Shanghai 200040,China)AbstractTo design an intelligent surgery management system for closed-loop management of the entire surgicalprocess.An intelligent surgery management system was developed with digital twin technology,Microsoft VisualStudio 12.0 development toolset and C#language,which realized multi-modal data acquisition with IoT devices such as radiofrequency identification(RFID)bracelets,mobile terminals and positioning base stations and real-time data mirroring andgathering by change data capture(CDC)technology.There were four functional modules included in the system developed,including the modules for IoT device management,transfer process recording,intelligent management command chamber andsurgical progress reminder.The system developed could provide real-time feedback on the operation status of allaspects of surgery,shorten the lengths of preoperative positioning and surgical reception and improve the satisfaction of bothdoctors and patients.The system developed achieves closed-loop management and complete data traceabilityof the entire surgical process,helping to form an efficient and safe surgical operation management system.悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造袁2024袁45渊1冤院42-46Key words surgery management;digital twin;Internet of Things;smart medicine0引言2021年上海市制定的 “便捷就医服务”数字化转型工作方案 中要求医疗机构应充分利用大数据、物联网等手段提升医疗流程的效率1。手术属于高风险医疗服务，是医院管理的重点2。大部分医院已开发了手术、麻醉等业务软件，用于记录主刀医生、病种术式和手术费用等资料。然而，目前较少有手术过程各环节衔接管理的案例研究，手术评价主要依赖于终末反馈3。Seastedt等4的研究指出，采用大数据技术实时收集执行环节数据，有利于医疗资源的合理规划和统筹安排。本研究汇集多源医疗数据，设计数字孪生技术驱动的智慧手术管理系统，以实现手术全流程闭环管理，打造多角色、多环节的手术高效协同体系。1数字孪生技术手术过程需要参与部门和人员的紧密协作，其间产生大量业务数据。国家 “十四五”规划和2035年远景目标纲要 提出，需要充分发挥海量数据的价基金项目院上海市城市数字化转型专项（202301002）；上海市医院协会管理研究基金项目（Q2022065）作者简介院宓林晖（1990），女，硕士，工程师，信息中心科员，主要从事医疗信息化方面的研究工作，E-mail：。通信作者院袁骏毅，E-mail：yuanjunyi_栽澡藻泽蚤泽论著宓林晖，袁骏毅.智慧手术管理系统的设计J.医疗卫生装备，2024，45（1）：42-46.42 窑医疗卫生装备窑 2024年1月第45卷第1期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 1 窑 January 窑 2024值，推进应用场景创新5-6。手术信息化建设通常面临2类问题：一是数据范畴的交叉和互斥，指标项内涵表达各异，缺乏全面分析工具；二是信息系统的对接能力欠佳，涉及多家公司产品，数据互联有难度7。数字孪生技术的发展为医院数字化转型工作带来了新思路。数字孪生技术是指建立真实世界和虚拟空间的链接，将真实世界的多模态数据镜像至虚拟空间，利用虚拟空间连接真实世界的物理实体，从而可视化掌握物理环境的整体运行状态8。数字孪生技术融合了物联网、虚拟仿真等技术，在真实世界中采用感应设备、移动终端、任务指令等方式收集数据，按照流程全面复制到信息环境，实现双向的仿真优化和程序控制。数字孪生技术已经广泛应用于智慧城市管理和智能制造业，现逐步扩展到居民健康管理领域9-10。智慧手术管理系统以数字孪生库为核心，利用数据同步、反馈触发等机制实现真实世界和虚拟世界的双向交互，数字孪生视角下智慧手术管理系统逻辑模型如图1所示。手术数字孪生库不仅集成了手术管理系统、电子病历系统（electronic medical recordsystem，EMRS）、转运交接系统等业务系统数据，也融合了物理空间、射频识别（radio frequency identifica原tion，RFID）手环、定位信息等真实世界数据，为虚拟空间的数字化重建提供了全方位的数据支撑。本研究基于该数据库，利用虚拟仿真技术搭建数字孪生模型，同步还原真实世界中的手术患者转运轨迹及事件。并以此为基础，面向医生、护士、医务管理人员等多类角色，按照业务需求设计手环绑定、轨迹追溯、管理指挥舱等不同功能应用，以应用程序编程接口（application programming interface，API）方式实现PC及移动平台的快捷调用。2系统设计2.1系统架构智慧手术管理系统使用Microsoft Visual Studio12.0开发工具集和C#语言开发，主数据库为SQLServer 2016。系统采用分层部署架构（如图2所示），以满足随需应变的业务灵活调整要求11。硬件层通过RFID手环、移动终端、定位基站等物联网设备采集多模态数据；业务层整合了EMRS、麻醉管理系统（anesthesia management system，AMS）等8套其他第三方软件，通过数据变化捕捉（change data capture，CDC）技术实时获取业务系统的增、删、改操作，将数据抽取镜像汇集上传；数据层的核心是数字孪生库，是系统各模块互联互通的核心，通过对数据进行统一清洗及标化，为孪生模型驱动、手术管理分析提供支撑；虚拟层主要实现物理实体在虚拟空间的数字化建模，涉及楼宇空间模型、患者轨迹模型等，利用智能引擎中的规则和逻辑对患者转运轨迹进行推演重现，保障虚拟空间与真实世界的一致性；应用层根据用户的不同需求，实时分发信息至电子屏和个人手机，为临床医护、医务管理、患者家属等提供不同维度的信息决策服务。2.2功能模块设计智慧手术管理系统以手术患者转运为主线，利用数字孪生技术将转运轨迹镜像至虚拟空间，为手术管理提供了可视化的监测分析平台，其功能模块结构图如图3所示。2.2.1物联网设备管理模块物联网设备管理模块通过对物联网设备的运行状态进行分析预测，实现对设备的远程可视化管理，其中涉及的设备包括RFID手环、定位基站、低频定位器等。首先，利用消息队列遥测传输（message que-管理指挥舱数据供给手术进度提醒轨迹追溯手环绑定功能应用过程监控数据同步事件驱动过程触发数据同步手术数字孪生库数据供给事件监控真实世界设备状态RFID手环物理空间定位信息麻醉管理系统业务系统手术管理系统转运交接系统电子病历系统医务管理人员用户角色患者医生护士图1数字孪生视角下智慧手术管理系统逻辑模型注：RFID为射频识别。栽澡藻泽蚤泽论著宓林晖，袁骏毅.智慧手术管理系统的设计J.医疗卫生装备，2024，45（1）：42-46.43 窑医疗卫生装备窑 2024年1月第45卷第1期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 1 窑 January 窑 2024图2智慧手术管理系统架构图uing telemetry transport，MQTT）协议采集设备运行数据，并进行分析处理，再结合历史运行数据构建虚拟运行逻辑模型，提取重点关注的设备信息在前端可视化界面进行展示，包括设备在线情况、部署位置等状态信息，以及低电量提醒、手环未绑等告警提示（如图4所示）。2.2.2转运过程记录模块转运过程记录模块对手术患者转运过程中的关键节点进行转化记录，为管理人员提供转运全程追溯展示12（如图5所示）。该模块利用企业服务总线（enterprise service bus，ESB），以Web Service标准封装接口实现业务层异构系统交互，并通过ETL（extract-transform-load）工具实现数据的统一采集和清洗，从中提取患者转运过程中的状态、位置、事件等信息，形成与真实世界同步的数字转运记录，以此作为虚拟空间下驱动模型的逻辑基础。接着，结合转运流程中的业务时序逻辑，构建基于赋时Petri网的转运流程模型对数字转运记录进行解析，勾画出手术患者连续性的转运轨迹。2.2.3智慧管理指挥舱模块智慧管理指挥舱模块针对医务管理及麻醉管理2个主题场景，以图形化形式展现手术人次、等候时长、耗材余量等七大类46个手术过程监测指标（如图6所示）。指挥舱前端页面基于HTML5+Echarts+JavaScript架构开发，采用了Echarts、Flare等Web可视化组件。此外，基于孪生数据的仿真结果，构建异常情况预警服务，针对手术时间、复苏时间等关键指标确定超限阈值，在大屏上滚动显示高风险个案，以便管理部门及时了解情况和介入干预。图3智慧手术管理系统功能模块结构图图4物联网设备管理模块界面注：AMS为麻醉管理系统，EMRS为电子病历系统。无线网络有线网络台式计算机移动终端定位天线定位基站低频发射器RFID手环硬件层空间模型轨迹模型规则模型逻辑模型虚拟层应用层用户对象监管与提示转运签收检验报告电子医嘱检验报告AMSEMRS临床医护麻醉记录系统应用服务器系统主服务器公共接口业务层业务系统数字孪生库数据层接口服务手环追踪患者家属医务管理管理员病区电子屏手术室电子屏等候区电子屏指挥舱电子屏微信消息分析报表物联网设备地点楼层路径分析位置分析事件分析推演规则约束规则转运逻辑预警逻辑提醒逻辑应用数据场景数据数据建模数据清洗数据标准化协议转换动态路由消息处理异常队列智慧手术管理系统转运过程记录模块智慧管理指挥舱模块手术进度提醒模块物联网设备管理模块手环未绑提醒低电量提醒设备在线状态转运轨迹追溯数据镜像映射数据采集传输医务指挥舱麻醉指挥舱手术接台提醒手术结束提醒图5手术患者转运全程追溯界面栽澡藻泽蚤泽论著宓林晖，袁骏毅.智慧手术管理系统的设计J.医疗卫生装备，2024，45（1）：42-46.44 窑医疗卫生装备窑 2024年1月第45卷第1期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 1 窑 January 窑 2024表12组术前定位时长和手术接台时长比较渊x 軈 依s冤组别肿瘤外科胸外科术前定位时长手术接台时长术前定位时长手术接台时长对照组（n=1 351）13.09依3.1367.09依18.2915.11依3.6753.76依17.32观察组（n=1 575）9.97依2.1432.27依11.229.56依1.9839.76依12.15t15.4830.4942.9721.56P0.0010.0010.0010.001图6手术过程监测指标展现界面2.2.4手术进度提醒模块手术进度提醒模块能够对手术关键节点的时间进行提前预测，并将预测结果定点推送给医护人员，便于临床合理安排调度相关医疗资源，保障手术流程各环节顺畅衔接，以提升手术周转效率（如图7所示）。手术过程中的患者运行轨迹数据通过CDC技术实时汇集至孪生数据库，再结合既往历史数据构建手术预测模型，实现手术环节的实时监控和提醒。在应用层面，针对手术接台、手术结束等关键节点进行时间预测，并实时捕捉过程中出现的影响因素动态来调整预测结果，如术前CT定位排队较长导致手术接台时间延后等，进一步提高预测的准确性。之后，通过基于RabbitMQ的消息推送服务，在相关节点将预测数据通过企业微信推送给医护人员。3应用成效和实证分析3.1应用成效智慧手术管理系统于2022年9月正式上线使用，截止到2023年3月底，其数字孪生库中存储的镜像数据已达675 GiB，公共接口服务调用日志约483万条，共为23 644例手术提供了信息化服务。在系统上线初期，受护士操作不熟悉、部分定位信息不准确等因素影响，系统服务人次占住院手术总量相对较低，2022年9月、10月分别为89.66%和91.87%。经过多轮操作培训及系统优化，自2022年11月起服务人次占比逐步提升，2023年3月已达99.02%，基本实现住院手术全覆盖。智慧手术管理系统手术服务具体数据如图8所示。3.2实证分析为了方便分析又不失同质化，本文以胸腔镜下肺楔形切除术为例，选取2022年13月的手术情况作为对照组，选取2023年13月系统已监管后的手术情况作为观察组。纳入标准：（1）出院结账患者；（2）就诊肿瘤外科和胸外科患者。排除标准：（1）术后病发转入重症监护室患者；（2）紧急非择期手术患者。其中，对照组男453例、女898例，平均年龄（56依21.3）岁；观察组男482例、女1 093例，平均年龄（59依24.1）岁。2组患者在年龄、性别方面差异均无统计学意义（P跃0.05），具有可比性。评价指标13：（1）术前定位时长，为患者进入术前定位室和到达定位等待区域的时间差值；（2）手术接台时长，为本台手术开始和上台手术结束的时间差值。使用SPSS 22.0统计学软件对数据进行汇总分析，数据以x軃依s表示，采用独立样本t检验，P0.05为差异有统计学意义。2组比较结果见表1。从表1中的数据可知，系统上线后患者术前定位的耗时显著少于系统上线前，差异有统计学意义（P约0.001），加快了手术区域的术前检查步骤，患者转运环节更高效。同时，手术医生的接台时间明显缩短，差异有统计学意义（P约0.001），前后台手术的衔接合理有序，提高了手术室的使用率。自系统上线以来，医务管理部门基于系统提供的环节监测数据，对于手术流程中的堵点实时追溯分析，共发现6个关键问题，协调相关部门制定了10余项改进措施，有图7手术进度消息提醒界面图8智慧手术管理系统手术服务量统计100.0098.0096.0094.0092.0090.0088.0086.0084.00日期89.66%95.48%91.87%96.53%98.02%98.98%99.02%单位：min栽澡藻泽蚤泽论著宓林晖，袁骏毅.智慧手术管理系统的设计J.医疗卫生装备，2024，45（1）：42-46.45 窑医疗卫生装备窑 2024年1月第45卷第1期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 1 窑 January 窑 2024效提高了手术服务效率和质量。4讨论4.1智慧手术管理系统有助于加强手术闭环管理能力本文以手术患者转运数据为核心，结合闭环管理理念，利用大数据、可视化交互、物联网等数字化技术构建智慧手术管理系统，实现了基于数字孪生技术的手术全程闭环管理。本系统依托RFID手环完成手术患者转运流程中10余个关键点位的数据实时采集，提供了46项手术监测指标，为管理部门提供了多维分析和决策支持。统计结果显示，观察组的术前定位时长显著少于对照组，差异有统计学意义（P0.001），表明通过数字孪生技术实时反馈手术各环节运行状态，有助于促进跨部门间的协同运作衔接紧密，使得转运、开刀、苏醒等手术全程环节更为流畅14。4.2手术信息及时共享促进了医疗服务水平提升信息即时获取对于提升工作效率具有重要意义，其中任何环节的手术信息若出现断层都将严重影响手术效率和医疗安全15。本研究通过物联网技术对手术患者转运全过程数据进行连续采集，并为医患双方提供及时、透明的手术信息共享服务，以此加强手术各环节间的紧密衔接。对于医护而言，方便了手术医生合理开展术前谈话等工作安排，减轻了手术室护士以往需手动更新患者状态的工作量；对于患者及家属而言，及时掌握手术计划，有助于缓解术前焦虑情绪，体现出医院的人文关怀。据统计，系统投入使用后，医患双方的满意度均有提升，分别为98.67%和98.35%。4.3围术期数据智能分析助力了手术精细化管理手术室周转率一直以来都是医院管理的抓手。传统的手术管理聚焦于终末质量分析，缺乏实时有效的过程监管手段，存在干预滞后、管理延迟等问题16。手术管理部门围绕着术前、术中、术后构建了多维度可视化监测指标，实时监管手术室运行情况。统计结果显示，观察组的手术接台时长显著少于对照组，差异有统计学意义（P0.001），表明通过数据的决策分析，有助于管理部门快速发现流程堵点，及时采取应对措施干预改进，提升了手术资源利用率和整体调度能力，为手术精细化管理提供了有力的工作基础。5结语智慧手术管理系统以手术患者转运过程为主线，运用数字孪生技术对手术全过程数据进行实时采集及智能分析，实现了手术全程闭环管理及完整数据追溯，形成了高效安全的手术运行管理体系。本系统运行过程中也发现一定不足，如尚未接入生命体征监测数据、术中快速病理标本流转信息等，未来将继续优化整合手术全程信息，为手术精细化管理提供决策支撑。参考文献1孔琳.智慧医院建设背景下的信息安全问题与对策J.医疗卫生装备，2022，43（9）：73-77.2赵敏，史娟.手术麻醉信息系统在医院的应用J.中医药管理杂志，2021，29（17）：163-165.3许辉，肖明，孙咏梅，等.全闭环转运信息系统在手术患者流转安全的应用J.中国医药指南，2022，20（30）：1-4.4SEASTEDT 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