兒童靜脈藥物劑量安全相關的關鍵信息技術的研發(fā)及應用可行性分析

孫霽雯 沈南平

在靜脈給藥相關不良事件中，藥物劑量相關的用藥錯誤占了很大比例[1]，人力不足情況下尤甚[2]。兒童需要根據(jù)年齡、體質量等進行個體化劑量計算和精準給藥，因此，兒童是藥物劑量錯誤的高危人群[3]。提升護士的藥物劑量問題解決能力是降低藥物劑量錯誤的關鍵，該能力包含概念理解能力、計算能力和實際操作能力3個方面[4]。在給藥前的藥物劑量相關元素提?。ê喎Q劑量提取）和計算環(huán)節(jié)，需要知曉真實環(huán)境下元素之間的關系，獲取計算公式中所需的各元素的正確數(shù)值[5]（概念理解能力），然后運用適當?shù)乃阈g運算以計算出準確的劑量或速率數(shù)值[6]（計算能力），最后在借助輸液泵/微量注射泵給藥時的藥物劑量設置環(huán)節(jié)，需要設置正確的走速數(shù)值（實際操作能力）。前期本研究團隊已研發(fā)了兒科靜脈維持藥物小程序以提升護士計算能力[7]，但未涉及概念理解能力和實際操作能力的提升。雖然Kuo等[8]通過對接醫(yī)院信息系統(tǒng)，根據(jù)計算規(guī)則自動計算化療輸液泵的走速，并采用影像識別技術以核查和避免輸液泵走速設置錯誤，確保了化療給藥安全。但是，化療給藥只需要運用總溶液量和時間來計算輸液泵走速，相對簡單。對于兒科常用的心血管活性藥物、鎮(zhèn)靜及鎮(zhèn)痛藥物、抗凝劑等多種需要靜脈維持的藥物，護士須根據(jù)醫(yī)囑的劑量率計算走速，應當綜合考慮患兒體質量、溶劑用量、溶質質量、劑量率來計算輸液泵/微量注射泵的走速，目前尚少見合適的、系統(tǒng)化的解決方案。為解決以上問題，本研究研發(fā)了兒童靜脈藥物劑量安全相關的關鍵信息技術，不僅能自動提取相關元素并計算出兒童靜脈給藥劑量的目標值，還能通過影像識別捕獲輸液泵/微量注射泵設置的實際劑量值，并與目標值進行系統(tǒng)自動核查，以期提升護士的藥物劑量問題解決能力，確保兒童靜脈給藥的安全。

1 方法

1.1 成立研究團隊

本研究核心團隊成員共6名，包含護理管理者1名、具有編程開發(fā)能力的護理信息專科護士1名、臨床護士2名、信息工程師1名、軟件工程師1名。護理管理者和信息護士負責溝通協(xié)調、梳理流程并進行系統(tǒng)設計，信息工程師負責核心影像識別技術的研發(fā)，軟件工程師負責將核心技術植入信息系統(tǒng)，信息護士和臨床護士負責系統(tǒng)測試。

1.2 關鍵信息技術的功能

1.2.1 劑量提取和計算環(huán)節(jié)

從提升概念理解能力和計算能力的角度，在劑量提取和計算環(huán)節(jié)系統(tǒng)需要實現(xiàn)藥物劑量的元素自動提取，以確定給藥劑量的目標值，存儲該數(shù)值以備后期給藥劑量設置環(huán)節(jié)核對用。將先前已研發(fā)的具有劑量率和走速互相換算、提高臨床照護支持功能的兒科靜脈藥物計算小程序（軟件著作權號：2020SR0281886）[7]對接醫(yī)院信息系統(tǒng)，從醫(yī)囑端自動化提取結構化元素（體質量、溶質、溶劑等）以對應到計算公式中的相應項目中，從而改進藥物劑量的元素自動提取和計算的正確性及效率。

1.2.2 劑量設置環(huán)節(jié)

從實際操作能力的角度，在劑量設置環(huán)節(jié)，需要實現(xiàn)藥物劑量設置的系統(tǒng)識別與核查。利用Open CV編程開發(fā)軟件研發(fā)了輸液泵/微量注射泵輸注速度智能圖像識別與核查系統(tǒng)（軟件著作權號：2022SR0266388），其核心技術為光學字符識別（Optical Character Recognition，OCR)技術[9]，原理為提取移動終端攝像頭所拍攝的輸液泵/微量注射泵液晶顯示屏上的視頻中的一幀數(shù)據(jù)，將輸液泵/微量注射泵液晶顯示屏上數(shù)碼管數(shù)值型的走速區(qū)域進行切割，對圖像進行平滑處理、灰度處理，減少圖像中的無用信息，通過特征性識別獲取走速設置的實際數(shù)值識別結果。其功能如下：①調用移動終端攝像頭，實現(xiàn)輸液泵/微量注射泵走速的圖片自動對焦，采用OCR技術識別圖片中的走速，并將其轉為數(shù)字形式存儲；②與需要設置的給藥劑量目標值進行核對，如不相符則予以錯誤警示。

1.3 可行性測評

1.3.1 招募測評對象

可行性測評的樣本量一般在10～30例之間[10]。本研究招募的30名護士均為我院具有護士執(zhí)業(yè)資格證書的注冊護士，參與本次測評的積極性較高。本研究已獲得上海交通大學醫(yī)學院附屬上海兒童醫(yī)學中心倫理委員會批準（SCMCIRBK2019015-1）。

1.3.2 測評過程

由研究者擔任測評人員，測評在模擬病房進行。任務測試階段，向測評對象介紹本次研究的目的、關鍵信息技術的使用方法，并獲得知情同意。由測評人員提供和臨床實際工作環(huán)境一致的測試物品和設備，包括計算器、紙、筆、電腦、安裝有關鍵信息技術的手持設備、輸液泵/微量注射泵等，并在需要幫助時予以指導和解答。電腦和手持設備上設有模擬患兒情況和模擬醫(yī)院信息系統(tǒng)的電子醫(yī)囑信息，以測試整個流程。先請每名測評對象采用傳統(tǒng)方法完成5次兒童靜脈藥物劑量的計算和輸液泵/微量注射泵走速的設置，請測評對象說出或寫出其計算過程；然后，請每名測評對象再使用新技術方法完成5次兒童靜脈藥物劑量的計算和設置。指定1名研究人員全程陪同、觀察護士的行為，并記錄護士劑量提取、劑量計算、劑量設置各環(huán)節(jié)的正確次數(shù)。在測評完成后當場向護士發(fā)放可用性和認知負荷的測評問卷，填寫完成后當場收回。兩種方法具體如下。

（1）傳統(tǒng)方法。測評對象根據(jù)所記憶的藥物名稱和藥物劑量率單位之間的對應關系，以及藥物劑量率和走速之間的換算公式，采用傳統(tǒng)計算器進行藥物計算。具體步驟為：①根據(jù)藥物名稱確定藥物劑量率單位；②根據(jù)已知藥物劑量率、已知走速確定計算公式；③根據(jù)公式中所需填入的元素單位要求，進行元素的單位換算，確定元素所需數(shù)值；④采用計算器，根據(jù)公式依次輸入藥物劑量率或走速、患兒體質量、藥物溶質質量、藥物溶劑用量，以及各類時間（如把小時換算成分鐘則×60）或單位（把mg換算成ug則×1000）換算值，搭配運算符號進行計算；⑤根據(jù)計算結果，必要時四舍五入保留一位小數(shù)，即為所需的走速或藥物劑量率；⑥在移動終端的相關藥物執(zhí)行中人工輸入并記錄輸液泵/微量注射泵走速。

（2）新技術方法。使用本研究研發(fā)的關鍵信息技術的相關功能進行給藥，具體步驟為如下。①選擇藥物名稱。②輸入藥物劑量率或走速、患兒體質量、藥物溶質質量、藥物溶劑用量，此步驟可通過醫(yī)院信息系統(tǒng)的醫(yī)囑自動導入。③點擊計算結果即可獲得所需的走速或藥物劑量率。由于規(guī)避了人為的輸入和計算，故而完成了系統(tǒng)自動核查，并將該結果存為目標值與后續(xù)核查進行比對。④將計算所得結果在輸液泵/微量注射泵的走速板塊上進行設置。⑤設置完畢后調用移動終端中的影像識別程序，拍攝設置的輸液泵/微量注射泵走速照片，程序自動識別走速數(shù)字，并與藥物計算程序所得藥物走速的目標值進行匹配，核對是否正確。如果不匹配則給予報錯提示，并顯示需要設置的走速數(shù)值。如果匹配正確，則退出識別窗口，輸出顯示該數(shù)值，將數(shù)據(jù)在移動終端中自動生成相應的記錄。

1.4 評價指標

1.4.1 藥物劑量問題解決能力

概念理解能力用劑量提取正確率表示；計算能力用劑量計算正確率表示；實際操作能力用劑量設置正確率表示。

1.4.2 關鍵信息技術的可用性

采用有用性、滿意度、易用性（Usefulness，Satisfaction，and Ease of use，USE）量表進行可用性評價。包含有效性、易用性、易學性、滿意度4個維度，共30個條目[11]。采用Likert 7級評分，從非常不同意到非常同意分別計1～7分，分數(shù)越高代表可用性越高，理想的可用性評分應大于5分[12]。USE量表的Cronbach’sα系數(shù)為0．98，效度為0．82[11]。4個維度的內(nèi)涵如下：①有效性指護士通過使用該系統(tǒng)能在績效上提升的程度；②易用性指護士感知到使用該系統(tǒng)的容易程度；③易學性指護士不需要記憶很多信息去使用系統(tǒng)，并且可以進行熟練運用的程度；④滿意度指護士認為該系統(tǒng)正是他所需要的、可在工作中為其帶來便利的程度。

1.4.3 認知負荷

采用美國國家航天航空局任務負荷指數(shù)(National Aeronautics and Space Administration Task Load Index，NASA-TLX）測評護士使用關鍵信息技術所產(chǎn)生的認知負荷。漢化版NASA-TLX量表共6個條目：腦力要求、體力要求、時限要求、自我表現(xiàn)、努力程度、受挫程度。每個條目以一條分成20等份的直線表示，其中“自我表現(xiàn)”這一條目從0分至100分表示從“完美”至“失敗”，即得分越低，自我表現(xiàn)越完美，任務負荷越低；其余條目從0分到100分分別表示負荷從“無”到“最高”。得分越高，自我表現(xiàn)越失敗，任務負荷越高。維度分為相應條目得分的算數(shù)平均數(shù)，總分為所有條目得分的算數(shù)平均數(shù)。量表的Cronbach’sα系數(shù)為0．707，效度為1．00[13]。理想的系統(tǒng)的認知負荷不超過58分[14]。6個維度的內(nèi)涵如下：①腦力要求即完成任務過程中付出的腦力活動；②體力要求即完成任務中需要付出的體力；③時限要求即完成工作的節(jié)奏；④自我表現(xiàn)即完成目標取得的成績；⑤努力程度即完成任務需要付出的努力；⑥受挫程度即在完成任務時，感到的不安、沮喪、急躁、煩惱的程度。

1.5 統(tǒng)計學方法

采用Excel 2016軟件進行數(shù)據(jù)錄入，SPSS 26．0統(tǒng)計軟件進數(shù)據(jù)分析。USE量表和NASA-TLX各維度得分采用進行統(tǒng)計描述，正確次數(shù)采用頻數(shù)、率表示。兩組間量表得分的比較采用t檢驗，正確次數(shù)的比較采用卡方檢驗。以P＜0．05表示差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 測評對象的一般資料

30名參與測評的護士年齡為（25．97±2．49）歲，工作年限為（4．23±2．09）年；性別：女性27名，男性3名；學歷：研究生1名，本科18名，?？?1名；職稱：護士11名，護師17名，主管護師2名。

2.2 使用兩種方法的藥物劑量問題解決能力的比較（表1）

?

2.3 關鍵信息技術方法的可用性評價（表2）

?

2.4 使用兩種方法的認知負荷的比較（表3）

?

3 討論

3.1 使用關鍵信息技術可提升護士藥物劑量問題解決能力，保障患兒用藥安全

本研究中，與使用傳統(tǒng)方法相比，使用新技術時護士在概念理解能力、計算能力、實際操作能力方面均有提升。藥物劑量問題解決能力的概念模型指出，功能能力（計算能力和實際操作能力）是認知能力（概念理解能力）的外化行為[4]。本研究中，劑量提取錯誤率為6．0%，可能是由于護士未能在實物（圖像）與文字或字符間建立正確聯(lián)系，導致藥物劑量相關元素提取錯誤或公式誤用。在真實情景下的實物或圖片模擬形式可以更好地突顯出這類元素概念混淆或公式選錯的問題。相關研究指出，概念錯誤的發(fā)生率為2．58%[5]。使用關鍵信息技術時可通過醫(yī)囑結構化元素自動提取相應的計算元素和匹配的計算公式，有效規(guī)避了該類錯誤的發(fā)生。本研究中，劑量計算的錯誤率為11．3%，即使在公式、元素都正確的情況下，護士亦有可能因計算問題出錯。前期研究已經(jīng)證實了采用計算小程序可以規(guī)避該類計算問題[7]，故在關鍵信息技術中融入了前期的研究成果，使得計算正確率達到了100．0%。此外，在實際操作能力方面，給藥相關設備上設置和確認正確的劑量是給藥的最后一個環(huán)節(jié)，故而確保其正確尤為重要。藥物劑量率與走速混淆而導致輸液泵/微量注射泵給藥錯誤排在美國急救醫(yī)學研究所公布的2019年“十大醫(yī)療技術危害”[16]的第6位。Kuo等[17]曾將影像識別技術運用于識別并核實化療給藥輸液泵的走速，不僅防止了相關的不良事件發(fā)生，也簡化了護士的工作，因此受到護士的歡迎。但該研究僅限于一種類型的輸液泵，并未涉及微量注射泵，且不同類型泵的走速所在位置和樣式會略有不同。把OCR技術運用到不同的場景中均需要進行特制化的修訂，包括模塊的切割和內(nèi)容的識別。因此，本研究在醫(yī)療行業(yè)中引入影像識別技術，通過研發(fā)場景化的OCR技術并將其應用于輸液泵/微量注射泵走速的識別，能有效甄別出劑量設置錯誤，以防止劑量率和走速設置混淆，把牢給藥的最后一關，提高了兒童靜脈給藥安全。

3.2 關鍵信息技術的可用性較佳

根據(jù)ISO 9241的國際標準，可用性指特定用戶在特定的使用背景下，使用某個產(chǎn)品達到特定目標的有效性、效率和滿意度的大小[18]。本研究采用USE量表測評護士使用關鍵信息技術的可用性，結果顯示，總平均分為（6．30±0．55）分，大于5分，即表示可用性較佳[12]。與本項目前期研發(fā)的兒科靜脈維持藥物計算小程序的可用性總分（6．22±1．03）分相比[7]，本研究的得分更高，可能此次研發(fā)的關鍵信息技術不僅在功能上改善了數(shù)據(jù)提取和錄入問題，更采用影像識別技術增加了給藥劑量設置環(huán)節(jié)的系統(tǒng)核查，甄別走速設置操作層面的行為偏差，減少了給藥差錯。研究顯示，終端用戶（end users）參與設計開發(fā)可提升使用者對信息產(chǎn)品的滿意度高[19]。本研究核心團隊中包含了護理管理者和臨床護士，兼顧了患者安全管理需求和終端用戶需求，體現(xiàn)了以使用者為中心的設計[20]，故而可用性測評結果較佳。此外在測試的人群上，本研究納入了30名測試者，多于之前研究中可用性測試選擇的8～10人[7，21]。

3.3 護士使用關鍵信息技術的認知負荷較低

一款好的軟件或系統(tǒng)不僅需要滿足較高的可用性得分，同時需要滿足較低的認知負荷[22]。認知負荷指用戶使用應用程序時所需的認知處理或認知加工的量。護士使用關鍵信息技術的認知負荷低于使用傳統(tǒng)方法。有學者通過Meta分析整合所有NASA-LTX研究的得分指出，理想的認知負荷應不超過58分[14]。由于認知負荷還受到其他變量的影響，例如任務類型、專業(yè)水平、任務類型中難度水平，以及受試者對所測試產(chǎn)品的熟悉程度，故建議需要與其他類似任務的研究結果相比方可說明分數(shù)的高低[14]。通過測試前的系統(tǒng)使用培訓可以在一定程度增加護士對所測試產(chǎn)品的熟悉程度。Reynolds等[23]針對藥物劑量計算額外開發(fā)的類似手持設備產(chǎn)品，其認知負荷平均得分為39．14分，且使用后僅在腦力要求和時限要求維度有所改善。本技術呈現(xiàn)出相對較低的認知負荷，且除體力要求外，其余5個維度均有所改善，故具有一定的優(yōu)越性。究其原因，可能與本研究對接醫(yī)院信息系統(tǒng)，規(guī)避了數(shù)據(jù)的二次錄入，且系統(tǒng)安裝在護士熟悉的設備上有關，這些改進解決了Reynolds等[23]研究中提到的過多的輸入和護士對設備不熟悉等問題。

4 小結

本研究研發(fā)的兒童靜脈藥物劑量安全相關的關鍵信息技術可提升護士藥物劑量問題解決能力，提升靜脈給藥安全水平。通過系統(tǒng)自動提取、自動計算和自動核查，規(guī)避了人工數(shù)據(jù)提取轉錄和計算的差錯，甄別走速設置操作層面的行為偏差，以降低給藥差錯。此外，本研究研發(fā)的關鍵信息技術可用性較佳，護士的認知負荷低，可嘗試在臨床推廣使用，在效率和效益的雙提高的同時，同質化提升護理質量，實現(xiàn)兒童靜脈用藥安全的目標。由于影像識別技術受到一定的環(huán)境因素影響，例如光線的強弱，拍攝的距離和角度等，一方面，在使用過程中需要指導并規(guī)范護士行為以提高識別效果；另一方面，未來可以通過訓練更多情境的圖像以增加本技術的識別效果。未來，還可開展關鍵信息技術在確保用藥安全時的相關衛(wèi)生經(jīng)濟學研究等。