基于模糊C均值聚類的醫(yī)療器械質(zhì)量安全監(jiān)測系統(tǒng)

馬興華，孫尹晏，李萬祥，江婷婷

(三二〇一醫(yī)院設(shè)備科，陜西 漢中 723000)

醫(yī)療設(shè)備的作用十分重要，其是高質(zhì)量醫(yī)療服務(wù)的核心工具[1-3]。醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)為社會醫(yī)療的核心產(chǎn)業(yè)之一，醫(yī)療器械質(zhì)量對社會醫(yī)療服務(wù)的發(fā)展進(jìn)程具有重要影響，醫(yī)療企業(yè)需要保證產(chǎn)品質(zhì)量符合應(yīng)用需求，才可以長久地發(fā)展下去[4-5]。目前針對醫(yī)療器械質(zhì)量安全監(jiān)測問題，已有相關(guān)研究人員對此進(jìn)行針對性研究。李斌飛等[6]設(shè)計(jì)了可監(jiān)控醫(yī)療設(shè)備電池的監(jiān)控系統(tǒng)，此系統(tǒng)對醫(yī)療設(shè)備電池的監(jiān)控精度較高，但對醫(yī)療設(shè)備其他配件的監(jiān)控效果有待測試；代紅超[7]設(shè)計(jì)了大型機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，此系統(tǒng)對醫(yī)療大型機(jī)械設(shè)備的監(jiān)控精度可滿足應(yīng)用需求，但是監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸效率實(shí)時(shí)性較差，需優(yōu)化。

本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療器械質(zhì)量安全監(jiān)測系統(tǒng)，以期為醫(yī)療器械產(chǎn)品提供質(zhì)量保證。

1 醫(yī)療器械質(zhì)量安全檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療器械質(zhì)量安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，ZigBee無線傳感節(jié)點(diǎn)主要由醫(yī)療器械質(zhì)量安全信息采集單元、電源模塊、傳輸芯片構(gòu)成。醫(yī)療器械質(zhì)量安全信息采集單元負(fù)責(zé)采集醫(yī)療器械質(zhì)量安全數(shù)據(jù)，該單元的加速度傳感器能夠準(zhǔn)確檢測醫(yī)療器械的振動(dòng)信息、設(shè)備的狀態(tài)信息、儀器儀表的運(yùn)行信息、電流電壓等信息；傳輸芯片中的收發(fā)器節(jié)點(diǎn)是ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)，收發(fā)器節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)有直接影響，其可作為ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和外界網(wǎng)絡(luò)連接的節(jié)點(diǎn)[8]。

圖2 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

1.2 軟件程序與算法設(shè)計(jì)

1.2.1數(shù)據(jù)包傳輸程序設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中路由節(jié)點(diǎn)眾多，致使信息傳輸路徑中出現(xiàn)很多路由請求分組冗余[9]。為此，本文對醫(yī)療器械質(zhì)量安全監(jiān)測數(shù)據(jù)包的傳輸規(guī)則進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：

1)路由請求分組僅在簇首節(jié)點(diǎn)中傳輸；

2)簇首的分組僅在網(wǎng)關(guān)中傳輸；

3)簇成員發(fā)送的數(shù)據(jù)終點(diǎn)不屬于非鄰居節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要先將其發(fā)送至簇首節(jié)點(diǎn)。

基于上述規(guī)則，醫(yī)療器械質(zhì)量安全監(jiān)測數(shù)據(jù)包處理程序流程、路由請求流程如圖3和圖4所示。

天上有兩三顆星星，林內(nèi)幽暗，我們捉迷藏，吹竹葉，她還要我在竹梢上施展輕功奔跑……吃過飯，她找了塊地，說：“今晚就睡這。”

圖3 數(shù)據(jù)包處理程序流程

圖4 路由請求流程

1.2.2基于模糊C均值聚類算法的醫(yī)療器械異常樣本識別

本文采集X醫(yī)院中醫(yī)療器械數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)樣本，根據(jù)采集到的樣本確定異常樣本聚類中心，計(jì)算異常樣本聚類中心的隸屬度，通過迭代訓(xùn)練設(shè)計(jì)樣本識別目標(biāo)函數(shù)，以達(dá)到醫(yī)療器械質(zhì)量安全監(jiān)測數(shù)據(jù)高準(zhǔn)確率映射的目的。

模糊C均值聚類算法屬于柔性聚類算法，其具備目標(biāo)函數(shù)模糊劃分特征。假定m個(gè)醫(yī)療器械質(zhì)量安全監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本是Y=|yj,j=1,2,…,m|，將樣本yj分成D個(gè)類型，計(jì)算D個(gè)聚類中心u1,u2,…,uD，計(jì)算各個(gè)醫(yī)療數(shù)據(jù)點(diǎn)和聚類中心的隸屬度，隸屬度的取值為[0，1]，醫(yī)療器械質(zhì)量安全監(jiān)測數(shù)據(jù)聚類中心的隸屬度之和是1，如式(1)：

(1)

式中：m和D分別為醫(yī)療器械質(zhì)量安全監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本數(shù)量和聚類中心數(shù)量；βjh為第h種、第j次聚類的聚類中心隸屬度。

醫(yī)療器械質(zhì)量安全監(jiān)測數(shù)據(jù)中，異常樣本識別的目標(biāo)函數(shù)Ic(V,D)為：

(2)

式中：ejh為第j個(gè)醫(yī)療器械質(zhì)量安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的樣本yj和第h種聚類中心uh的距離，為歐氏距離；n和c分別為醫(yī)療器械質(zhì)量安全監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本特征量和加權(quán)參數(shù)。

(3)

式中：δ為拉格朗日乘數(shù)。

求導(dǎo)聚類所需的輸入?yún)⒘?，讓?3)獲得最小值的約束條件為：

(4)

(5)

式中：eji是醫(yī)療器械質(zhì)量安全監(jiān)測數(shù)據(jù)中，第j個(gè)樣本yj和第i種聚類中心ui的距離(i=1,2,…,n)；D(j)為聚類中心函數(shù)；β(j)為聚類中心隸屬度函數(shù)。使用基于模糊C均值聚類算法識別醫(yī)療器械異常樣本的步驟是：

1)按照醫(yī)療器械質(zhì)量安全監(jiān)測樣本數(shù)據(jù)按需分類的種類量，計(jì)算得到每個(gè)種類的聚類中心；

2)計(jì)算各個(gè)數(shù)據(jù)在聚類中心的隸屬度值；

3)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值，當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到最大值時(shí)，算法停止，輸出隸屬度矩陣，根據(jù)隸屬度值，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療器械質(zhì)量安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能識別。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了測試本文系統(tǒng)的性能，在MATLAB軟件中搭建模擬環(huán)境，使用本文系統(tǒng)對X醫(yī)院醫(yī)療器械儲存室的醫(yī)療器械進(jìn)行質(zhì)量安全監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)之前，先將儲存室的溫度設(shè)為25.7 ℃，濕度設(shè)為35.9%。實(shí)驗(yàn)中使用ZigBee無線傳感器對儲存室供電電壓、電流進(jìn)行檢測后，客戶端的反饋結(jié)果如圖5所示。

圖5 客戶端的反饋結(jié)果

使用本文系統(tǒng)對肌電圖器械、體外震波碎石機(jī)、顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)儀、有創(chuàng)多導(dǎo)生理記錄儀4種醫(yī)療器械質(zhì)量安全進(jìn)行監(jiān)測。模擬其出現(xiàn)短路、開路、電路老化3種異常情況時(shí)，使用本文系統(tǒng)得到4種醫(yī)療器械的電壓數(shù)據(jù)聚類結(jié)果，具體見表1。

表1 4種醫(yī)療器械的電壓數(shù)據(jù)聚類結(jié)果 單位：pu

由表1可知，本文監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測值與實(shí)際值相差不大，絕大部分工況下監(jiān)測數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的誤差僅為±0.001 pu，誤差極小，監(jiān)測精度較高。

設(shè)置本文系統(tǒng)監(jiān)控的醫(yī)療器械數(shù)量分別為1,3,5,7,9臺，在此條件下，測試本文系統(tǒng)監(jiān)測過程中ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信下，現(xiàn)場監(jiān)控主機(jī)與云平臺服務(wù)器之間數(shù)據(jù)發(fā)送量與接收量的差異，結(jié)果如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)發(fā)送量與接收量差異

由圖6可以看出，隨著醫(yī)療器械數(shù)量的增多，現(xiàn)場監(jiān)控主機(jī)與云平臺服務(wù)器之間數(shù)據(jù)的發(fā)送量和接收量都逐漸增多，但發(fā)送量和接收量之間的差異不大，最大差值僅為5 KB，驗(yàn)證了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的丟包率較小，網(wǎng)絡(luò)性能顯著，這對醫(yī)療器械質(zhì)量安全監(jiān)測精度的提高有積極作用。

測試本文系統(tǒng)、文獻(xiàn)[6]可移動(dòng)醫(yī)療設(shè)備電池監(jiān)控系統(tǒng)、文獻(xiàn)[7]基于FPGA的系統(tǒng)在不同監(jiān)測信息流量下，肌電圖器械、體外震波碎石機(jī)、顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)儀、有創(chuàng)多導(dǎo)生理記錄儀4種醫(yī)療器械監(jiān)測信息傳輸端到端的時(shí)延，結(jié)果如圖7所示。

圖7 3種系統(tǒng)端到端時(shí)延測試結(jié)果

由圖7可以看出，監(jiān)測信息傳輸端到端的時(shí)延隨著監(jiān)測信息流量的增加而增加，與可移動(dòng)醫(yī)療設(shè)備電池監(jiān)控系統(tǒng)、基于FPGA的系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)的時(shí)延較短，少于50 ms，質(zhì)量安全監(jiān)測信息傳輸效率較高，原因是本文系統(tǒng)能夠按照監(jiān)測信息流量規(guī)模自主切換ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模式。

3 結(jié)束語

醫(yī)療器械質(zhì)量安全監(jiān)測是各個(gè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)、醫(yī)療器械生產(chǎn)廠家都十分重視的問題，本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療器械質(zhì)量安全監(jiān)測系統(tǒng)具有一定應(yīng)用價(jià)值，主要體現(xiàn)在：1)醫(yī)療器械儲存室使用本文系統(tǒng)后，溫、濕度監(jiān)測結(jié)果清晰明確，且監(jiān)測結(jié)果與預(yù)設(shè)溫度、濕度值之間的誤差極??；2)監(jiān)測信息流量從1 000 KB提升至5 000 KB時(shí)，本文系統(tǒng)對肌電圖器械、體外震波碎石機(jī)、顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)儀、有創(chuàng)多導(dǎo)生理記錄儀4種醫(yī)療器械監(jiān)測信息傳輸端到端的時(shí)延很短，信息傳輸效率高。