基于IHE PCD的数字化手术室控制系统研究与实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.77MB 83 页 15积分
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摘 要
数字化手术室控制系统是在计算机信息技术的支持下，通过手术室设备信息
及控制的有效整合，使得医护人员在无菌区内通过一个触摸显示屏就可以控制手
术室内的所有设备，并通过与医院内其他信息系统的集成，实现患者影像和信息
的共享。目前影像设备具有共同支持的标准，与系统的集成方案也较为成熟，而
手术室设备种类多，信息异构性大，又缺乏共同支持的标准，所以这些设备与系
统集成的难度大。目前主要的解决方案是医疗设备厂商和系统集成商通过定义设
备与系统通信的具体特定协议来实现集成，属于一对一集成，集成的设备非常有
限。
国际组织 IHE(Integrating Healthcare Enterprise) 于2005 年提出技术框架 PCD
（Patient Care Devices），基于 ISO/IEEE 11073 和HL7 等标准，用于床旁医疗设备
与医疗信息系统集成，使得床旁医疗设备的信息也能加入到电子健康记录中。在
2007 年IHE PCD 已经成功测试验证了输液泵、生理监护仪、呼吸机和麻醉工作
站与临床信息系统的信息交换。
本课题结合 IHE PCD 与ITI（IT Infrastructure）技术框架，分析了手术室设备
与控制系统集成所需实现的角色和事务，并详细设计了各角色具体支持的相关参
数内容，设计了集成系统框架图，最终实现了系统功能，主要包含五部分，设备
角色端（输液泵，监护仪，呼吸机与麻醉机），控制系统角色端，设备与控制系统
的通信模块，消息解析构造基本模块和数据库模块。设备角色和控制系统角色符
合IHE PCD 和ITI 技术框架，通信模块基于 HL7 标准。
本课题在 windows 平台下，使用.net 2008 C#开发工具，实现了数字化手术室
控制系统功能。控制系统角色能获取、解析，并实时存储和显示由设备角色构造
和发送的 HL7 消息内容。设备角色也能获取和解析由控制系统角色构造和发送的
HL7 消息。最后采用相关测试工具进行了测试验证。
关键字：数字化手术室 系统集成 IHE PCD HL7 ISO/IEEE
11073
ABSTRACT
Digital operating room control system can provide surgeons with access to, and
controlling medical devices through a touch panel and share data with hospital
information system through network. The integration solution of imaging equipments
has been much more mature because of the common supported standad. But it’s
difficult to integrate operating room devices because of heterogeneous information and
no common supported standard. At present, the main solution is defining the specific
protocol between device and information system to achieve the goal of integration by
medical device manufacturers and system integrators. It’s a point to point integration
solution, so it’s very limited.
IHE (Integrating Healthcare Enterprise) proposed technology framework PCD
(Patient Care Devices) in 2005. PCD is based on ISO/IEEE 11073 and HL7 (Health
Level 7) and other standards. It’s formed to address the integration of medical devices
into the healthcare enterprise, from the point-of-care to the EHR, potentially resulting
in significant improvements in patient safety and quality of care. In 2007 a
Connectathon tested and demonstrated the exchanging information from vital signs,
physiological monitors, ventilators, infusion pumps, and anesthesia workstations with
enterprise applications such as clinical information systems. IHE PCD is developing
well and fast.
This research combines with IHE PCD and ITI technical frameworks, designs
integrating solution specifically for digital operating room control system. First, this
article analyzes the actors and transactions of the control system and then confirms the
concrete parameters supported by the devices and at last designs and implements the
software architecture of the control syatem. The architecture mainly consists of five
parts, the roles of equipments (infusion pump, heart monitor, ventilator and anesthesia
machine), the roles of control system, communication module, the database module
and the constructing and parsing basic module. The roles are consistent with IHE PCD
and ITI, and the communication module bases on HL7.
The control system is developed on the windows platform, using the .net 2008 C#
development tool. Contol system roles can receive, analyze, store and display HL7
messages from device roles, and also can construct and send messages to device roles.
Device roles can construct and send HL7 messages to control sytem roles, and also can
receive and parse messages from control system roles. And the roles are validated by
the test tools.
Key word: Digital operating room，System integration, IHE PCD,
HL7, ISO/IEEE 11073
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .................................................................................................................. 1
§1.1 课题来源与背景 ...............................................................................................1
§1.2 国内外研究状况 ...............................................................................................1
§1.3 课题研究的目的及意义 ...................................................................................3
§1.4 本课题研究的内容 ...........................................................................................3
第二章 相关研究背景 .................................................................................................... 4
§2.1 ISO/IEEE 11073 标准 ........................................................................................4
§2.2 IHE PCD 和ITI 技术框架 ................................................................................ 8
§2.2.1 IHE 简介 ..................................................................................................8
§2.2.2 IHE PCD 技术框架 ................................................................................. 9
§2.2.3 IHE ITI 技术框架 ..................................................................................10
§2.3 PCD 集成模式 ................................................................................................. 11
§2.3.1 DEC 集成模式 .......................................................................................11
§2.3.2 PIV 集成模式 ........................................................................................ 13
§2.3.3ACM 集成模式 ...................................................................................... 14
§2.3.4 RTM 集成模式 ...................................................................................... 15
§2.3.5 WCM 集成模式 .....................................................................................17
§2.4 ITI PDQ 集成模式 ....................................................................................... 17
§2.5 小结 .................................................................................................................19
第三章 手术室设备与控制系统角色分析 .................................................................. 20
§3.1 手术室控制系统应用场景 .............................................................................20
§3.2 设备与控制系统角色分析 .............................................................................21
§3.2.1 输液泵角色分析 ...................................................................................21
§3.2.2 监护仪角色分析 ...................................................................................21
§3.2.3 麻醉机和呼吸机角色分析 ...................................................................22
§3.2.4 控制系统角色分析 ...............................................................................23
§3.3 PCD 中HL7 消息的约束 ............................................................................... 24
§3.4 事务消息分析 .................................................................................................27
§3.4.1 输液医嘱消息 .......................................................................................27
§3.4.2 设备数据消息 ........................................................................................28
§3.4.3 设备波形消息 .......................................................................................29
§3.4.4 设备报警消息 .......................................................................................31
§3.4.5 病人身份查询请求和响应消息 ...........................................................33
§3.5 小结 .................................................................................................................34
第四章 手术室设备与控制系统角色设计 .................................................................. 35
§4.1 控制系统框架图 .............................................................................................35
§4.2 控制系统角色设计 .........................................................................................36
§4.2.1 输液泵角色设计 ...................................................................................37
§4.2.2 监护仪角色设计 ....................................................................................39
§4.2.3 麻醉机和呼吸机角色设计 ...................................................................40
§4.3 控制系统框架设计 .........................................................................................41
§4.3.1 插件框架设计 .......................................................................................41
§4.3.2 数据库设计 ...........................................................................................43
§4.4 小结 .................................................................................................................44
第五章 手术室设备与控制系统角色实现 .................................................................. 45
§5.1 开发环境和开发包 .........................................................................................45
§5.2 基本模块设计与实现 .....................................................................................47
§5.2.1 数据库模块 ...........................................................................................47
§5.2.2 消息构造和解析模块 ...........................................................................49
§5.3 设备与控制系统角色实现 .............................................................................51
§5.3.1 设备与控制系统界面实现 ...................................................................51
§5.3.2 设备与控制系统角色功能实现 ...........................................................53
§5.4 角色测试 .........................................................................................................56
§5.5 小结 .................................................................................................................59
第六章 总结与展望 ...................................................................................................... 60
符号表 ............................................................................................................................ 61
参考文献 ........................................................................................................................ 63
附录 A PCD 对HL7 消息段约束 .............................................................................. 65
附录 B消息举例 .......................................................................................................... 72
附录 C模块类图 .......................................................................................................... 74
附录 D界面图 .............................................................................................................. 78
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 80
致谢 ................................................................................................................................ 81
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题来源与背景
在临床医疗信息化早期，医院信息系统 HIS(Hospital Information System)侧重
于临床诊疗流程、计费、物流等信息管理，数据主要来自人工录入，没有医疗设
备整合的需求，设备本身也不在传统 HIS 的视野之内。随着临床医疗数字化需求
的变化，整个医疗行业信息化的深入，许多医疗设备也实现了数字化，进而信息
共享需求增长，医疗设备和医疗信息系统整合成为数字化医院建设的一个亟待解
决问题。但是，医疗设备种类繁多、标准庞杂、很多老的设备不具备、或仅仅提
供厂家独有的接口规范，而一个典型的医院往往有几十到成百台（套）设备，目
前放射影像科的设备及检验科室的设备具有良好的集成方案，放射科有PACS系
统，检验科室有检验信息系统。而其他设备，比如各种（病）床边设备、移动检
查设备、特别科室的诊疗设备仍然游离在传统信息系统框架之外。这些非影像设
备，对比影像设备来讲异构性较大，移动性较大，可用存储资源少，数据处理能
力弱，又缺乏共同支持的标准，所以比较难整合。
手术室设备是非影像设备中的一部分，具有一定的典型性。随着手术技术和IT
技术的发展，手术室设备整合的需求越来越强烈。微创手术，介入手术，计算机
辅助手术，远程手术的出现，使得手术室急需要一个集中的显示屏供医生查看医
疗设备的状态，病人生理参数以及查阅信息和手术视频控制等。而传统手术室的
设备都分布在手术台周围，手术室非常拥挤，调配和准备这些设备也非常费时费
力，而且在手术过程中需要大量医护人员来监控这些设备和记录相关数据，这些
都不能满足现代手术的需求，手术效率和数据准确性要求也得不到满足。随着IT
技术的发展，主要体现在信息集成技术等方面，传统手术室的改造成为可能。本
课题正是探讨采用相关信息集成技术来实现设备与控制系统的集成。
§1.2 国内外研究状况
医疗设备集成是医疗信息化集成的重要方面，已经有很多研究工作与成果。
2004年，重要国际标准化组织ISO、IEEE以及CEN 合作开发出一套针对床旁医疗
仪器通信的国际标准The international standard ISO/IEEE 11073 Health informatics
–Point of care medical device communication(简写x73')，该标准解决了医疗设备与
系统的通信问题。涉及的设备是异构性比较大，存储资源比较少，计算能力不强
基于 IHE PCD 的数字化手术室控制系统研究和实现
2
的非影像设备。国外很多的研究是将该标准应用在家庭医疗，涉及的设备有便携
式心电图机，电子体重计，输液泵等，基本的做法是把从家用医疗设备获得的数
据采用ISO/IEEE 11073标准格式传输到数据存储器上，数据存储器可以是移动设备
（如PDA）或固定设备（如计算机），然后数据存储器再将数据传输到医院工作
站处理，从而实现了医院系统与家用医疗设备的通信。由于11073标准复杂性，所
以基于这个标准的应用很少，但其医疗设备信息模型、术语以及通信模型对本课
题都有一定的指导意义。还有一些研究是单个集成，有限小规模集成，针对具体
厂商设备的集成，设计的系统只能理解这些设备的信息，一旦有新设备加入，系
统又要开发新的模块，因此不能完全实现医疗设备与系统的集成。国外虽然有些
采用了HL7中间件，但也都是采用各自独立框架来实现，把从医疗设备采集到的数
据转换成HL7标准来与HIS通信，该中间件虽然在数据层面上提出转换到较成熟的
HL7标准，但没有从应用层面上按一定的集成标准规定出设备与系统的功能以及实
现功能的流程和步骤，所以也不能完全实现医疗设备集成。
国内目前通常解决方案是根据医疗服务企业具体需求，由系统集成商或信息
系统提供商提供一对一设备接入或小规模互操作整合，但这种方式的整合将进一
步增加以后规模互联难度，恶化信息孤岛问题，可扩展性差，维护成本也高。
IHE(Integrating Healthcare Enterprise，医疗健康信息系统集成规范)是实现医疗
设备与系统，系统与系统之间的无缝集成的事实标准，是一种细致集成框架结构，
涉及多个医疗领域，基于现有HL7，DICOM等医疗标准，并对标准加于限制和约
束，规定具体工作流程和步骤，弥补标准之间的鸿沟，保证标准在系统中可以顺
利实施，从而达到医疗设备与系统，系统与系统之间的无缝集成[1]。
IHE PCD（Patient Care Device，病人护理设备）是IHE在2005年提出用于床旁
医疗设备与医疗信息系统集成的技术框架，基于ISO/IEEE 11073和HL7等标准，目
前正在发展之中。HIMSS 2007 Connectathon（美国医疗信息和管理系统学会IHE
测试会）成功实现了呼吸机，监护仪，麻醉机，输液泵与信息系统的信息交换，
GE 和Draeger等公司是其中实现厂商。
IHE PCD 致力于解决床旁设备与信息系统的集成问题，对于本课题提供了一
种解决方案， 手术室设备（输液泵，心电监护仪，呼吸机和麻醉机等）与床旁设
备是一样的，但应用场景不同，所以可以将 IHE PCD 框架映射到手术室控制系统
框架，从而实现手术设备与控制系统之间的集成。另一方面，虽然 IHE 对于这些
床旁设备与系统集成具有一个总体的解决方案，但目前只对输液泵发布具体集成
解决方案，其他设备的具体集成方案还正在讨论中。
ITI 致力于解决各医疗领域都会遇到的 IT 技术难题，所以研究手术室场景下
第一章 绪论
3
的设备与系统集成也需要涉及 ITI 技术框架的内容。
§1.3 课题研究的目的及意义
数字化手术室控制系统是在计算机信息技术的支持下，对手术室设备进行有
效的整合，它能帮助医护工作人员，在无菌区内通过一个触摸显示屏，或在消毒
区通过操作平台，轻易地控制手术室内的所有设备，通过数字信息传输及存储，
与医院内的信息网络连成一体，从而相互共享影像和数据。数字化手术室控制系
统是非影像设备集成的一方面的实现和应用，对于其他非影像设备集成具有一定
的借鉴意义。
本课题“基于IHE PCD的数字化手术室控制系统研究与实现”探讨基于IHE
PCD，ISO/IEEE 11073,HL7等标准的设备与系统集成，对于集成的实现以及标准的
实施和推广具有很大的意义。
§1.4 本课题研究的内容
本课题所要研究是手术室设备（非影像设备）与手术室控制系统集成的解决
方案。具体的这些手术室设备包括输液泵，呼吸机，心电监护仪。本课题要实现
手术室控制系统对这些设备的集中控制。包括控制系统能与这些设备双向通信，
集中显示设备参数与设备测量的数据，指示和描述设备状态报警信息，由设备数
据分析出用于临床决策的数据。数据从设备传输到控制系统，从控制系统传输到
医院信息系统时，保证数据的一致性和透明性。课题所要研究的内容包括：
⑴ISO/IEEE 11073标准。
⑵IHE PCD和ITI技术框架，以及技术框架中涉及的集成模式和角色。
⑶IHE ITI技术框架中的PDQ的角色和事务。
⑷ 手术室设备和控制系统的角色和事务分析，以及其中涉及的HL7消息约束。
⑸ 手术室设备和控制系统的角色设计、系统框架设计以及框架模块设计。
⑹ 结合前面分析和设计的内容，介绍和使用相关的开发包，实现控制系统框架中
的各个模块，实现手术室设备和控制系统界面以及实现各角色功能。最后对控制
系统的角色功能进行相关测试。
基于 IHE PCD 的数字化手术室控制系统研究和实现
4
第二章 相关研究背景
§2.1 ISO/IEEE 11073 标准
11073 标准包含了医疗和保健设备与外部计算机系统的通信完整解决方案，
包括物理层面的有线或无线的连接，设备数据的信息抽象表示，以及交换和管理
数据信息的服务类。11073 标准涉及的设备包括个人健康保健设备（如血糖监测
仪，脉搏血氧仪，称重秤，药物配药器和移动监护仪等）和急救医疗设备（如脉
搏血氧仪，呼吸机和输液泵）。11073 标准的组成部分见表 2-1。
表2-1 11073 标准组成部分
标准部分
床旁医疗设备通信部分
状态
11073-00101
第00101 部分：指南-RF 无线技术的使用指南
发布
11073-10101:2004(E)
第10101 部分:术语
发布
11073-10201:2004(E)
第10201 部分:域信息模式
发布
11073-20101:2004(E)
第20101 部分：应用模式（profile）-基本标准
发布
11073-20601:2010
第20601 部分：应用模式-优化交换协议
发布
11073-30200:2004
第30200 部分：传输模式-电缆连接
发布
11073-30300:2004(E)
第30300 部分：传输模式-红外无线
发布
个人健康设备—特定设备通信
发布
11073-10404-2008
第10404 部分：脉搏血氧仪
发布
11073-10408-2008
第10408 部分:温度计
发布
11073-10415-2008
第10415 部分:计重秤
发布
11073-10417-2008
第10417 部分：血糖仪
发布
11073-10441-2008
第10441 部分：心肺活动和功能仪
发布
11073-10442-2008
第10442 部分：力量健身器材
发布
11073-10471-2008
第10471 部分：独立生活活动中心
发布
11073-20601-2008
第20601 部分：应用模式-优化交换协议（通用设备）
发布
11073-10407
第10407 部分：电子血压计
草稿
11073-10420
第10420 部分：成分分析仪
草稿
11073-10421
第10421 部分：，呼气峰流量监护仪
草稿
11073-10472
第10472 部分：用药监测器
草稿
ISO/IEEE 11073-10101 术语部分定义了术语标识和术语代码，用于区分不同
对象和属性。术语代码是一个 32 位的数字（整形值），是一个与上下文无关的全
局代码。
11073 将相似术语进行分组（比如事件信息、身体部位和生理测量值组），每
个组都有一个组号，每个术语在组内都有组内代码，而组内代码是与上下文有关。
术语代码由组代码（code block）和组内代码（term code）组成，组代码占前
16 位，组内代码占后 16 位，所以术语代码 = (组代码* 216 ) +组内代码。而组内
第二章 相关研究背景
5
代码是由基本组内代码+偏移组成，一个设备组的偏移代码见表 2-2。
表2-2 设备组内偏移
术语标识（RefID）
描述
组内代码偏移
DEV（Device）
非指定设备
0
MDS（Medical Device System）
医疗设备系统
1
VMD（Virtual Medical Device）
虚拟医疗设备
2
CHAN（channel）
通道
3
比如血氧饱和度监护仪，设备组号为 1, 基本组内代码是 4104，则设备术语
标识是 MDC_DEV_ANALY_SAT_O2，术语代码是 69640=（1* 216）+4104，医疗
设备系统的术语标识是 MDC_DEV_ANALY_SAT_O2_MDS（加后缀 MDS），术
语代码是 69641=（1* 216）+4104+1。
11073-10201 的域信息模型（Domain Information Model，DIM）是标准的核
心，是一个面向对象的模型，包含了很多生命体征参数对象以及对象关系的定义，
这些对象可分成 8个包，见表 2-3。
表2-3 域信息模型包
包
Medical Package
Alert Package
System Package
Control Package
Extended Services Package
Communication Package
Archival Package
Patient Package
System Package 的信息模型见图 2-1，
Medical Package 的信息模型见下图 2-2：
摘要：

摘要数字化手术室控制系统是在计算机信息技术的支持下，通过手术室设备信息及控制的有效整合，使得医护人员在无菌区内通过一个触摸显示屏就可以控制手术室内的所有设备，并通过与医院内其他信息系统的集成，实现患者影像和信息的共享。目前影像设备具有共同支持的标准，与系统的集成方案也较为成熟，而手术室设备种类多，信息异构性大，又缺乏共同支持的标准，所以这些设备与系统集成的难度大。目前主要的解决方案是医疗设备厂商和系统集成商通过定义设备与系统通信的具体特定协议来实现集成，属于一对一集成，集成的设备非常有限。国际组织IHE(IntegratingHealthcareEnterprise)于2005年提出技术框架P...

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