周云帆 陳 婁 蔣 沁

(南京醫(yī)科大學(xué)附屬眼科醫(yī)院 南京210029)

1 引言

眼健康大數(shù)據(jù)平臺是基于移動互聯(lián)網(wǎng)建立的、聯(lián)接智能終端與學(xué)校、醫(yī)療機(jī)構(gòu)的醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)平臺，為區(qū)域內(nèi)不同類型用戶提供眼健康醫(yī)療保健數(shù)據(jù)和應(yīng)用服務(wù)，實(shí)現(xiàn)眼健康數(shù)據(jù)共享和診療過程協(xié)同。眼健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)是通過醫(yī)院、體檢機(jī)構(gòu)、個人采集的眼保健、眼病相關(guān)的醫(yī)療衛(wèi)生數(shù)據(jù)。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展和普及，移動互聯(lián)網(wǎng)智能終端已經(jīng)可以參與眼科相關(guān)的保健與醫(yī)療信息的采集與反饋。通過搭建眼健康大數(shù)據(jù)平臺，各機(jī)構(gòu)間可以互聯(lián)互通，成為數(shù)據(jù)共享的開放式交互平臺，為衛(wèi)生行政部門管理提供決策依據(jù)，為社會公眾便捷就醫(yī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)保障。本文對該大數(shù)據(jù)平臺的系統(tǒng)開發(fā)與臨床應(yīng)用進(jìn)行簡單介紹。

2 平臺設(shè)計(jì)

目前各類醫(yī)療信息系統(tǒng)建設(shè)較為完善，如醫(yī)院信息系統(tǒng)(Hospital Information System，HIS)、影像存儲與傳輸系統(tǒng)(Pictures Archiving and Communication System，PACS)、檢驗(yàn)信息系統(tǒng)(Laboratory Information System，LIS)、電子病歷(Electronic Medical Records，EMR)、物資采購管理系統(tǒng)、藥房管理系統(tǒng)、臨床路徑管理等。但醫(yī)療輔助決策系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)科研分析、大數(shù)據(jù)臨床預(yù)測等更高級的應(yīng)用系統(tǒng)，即便在發(fā)達(dá)地區(qū)的重點(diǎn)醫(yī)院應(yīng)用率也是極低的。眼科由于?？朴跋駥W(xué)檢查的特殊性，各醫(yī)療機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)獨(dú)立性強(qiáng)，診療信息、電子病歷、健康檔案、醫(yī)療影像數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，分散存儲，往往導(dǎo)致醫(yī)療數(shù)據(jù)孤島。針對眼科就診人群年齡段和疾病譜的分布特殊性，利用移動互聯(lián)網(wǎng)智能終端作為眼健康數(shù)據(jù)信息源的采集方式，結(jié)合醫(yī)院移動篩查設(shè)備與區(qū)域衛(wèi)生信息系統(tǒng)中的眼科相關(guān)醫(yī)療信息，共同構(gòu)成眼健康大數(shù)據(jù)平臺中以相關(guān)眼病為核心的信息閉環(huán)。為高效采集與應(yīng)用眼健康大數(shù)據(jù)，按照規(guī)范的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)和兼容的數(shù)據(jù)交換接口，依托移動互聯(lián)網(wǎng)，基于Hadoop構(gòu)建南京市眼健康大數(shù)據(jù)平臺。

3 平臺架構(gòu)

3.1 架構(gòu)圖

眼健康大數(shù)據(jù)平臺以Hadoop集群環(huán)境、分布式數(shù)據(jù)庫、分布式計(jì)算框架為基礎(chǔ)，智能提取原始信息中的結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，經(jīng)過清洗后形成居民眼健康電子檔案庫。運(yùn)用人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)自動識別海量眼健康，構(gòu)建眼病多因素危險(xiǎn)模型，實(shí)現(xiàn)平臺自動識別用戶輸入、計(jì)算匹配模型、深入分析用戶數(shù)據(jù)，形成眼健康醫(yī)學(xué)知識庫，從而達(dá)到輔助醫(yī)療人員診療的目的。平臺分為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)庫層、分析層和應(yīng)用展示層,見圖1。

圖1 眼健康大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)

3.2 具體構(gòu)成

數(shù)據(jù)庫層為Web Service模式，采用可擴(kuò)展標(biāo)記語言(Extensive Markup Language，XML)或基于JavaScript語言的對象簡譜(JavaScript Object Notation，JSON)協(xié)議為移動智能終端和平臺Web端提供數(shù)據(jù)管理服務(wù)。數(shù)據(jù)庫層使用Spark計(jì)算框架，聯(lián)接區(qū)域衛(wèi)生信息系統(tǒng)對醫(yī)療機(jī)構(gòu)間HIS，LIS，PACS，EMR等信息系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)化，半結(jié)構(gòu)化，非結(jié)構(gòu)化的原始眼科大數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取，分類，計(jì)算，存儲在分布式數(shù)據(jù)庫中。建立眼健康大數(shù)據(jù)平臺，以實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)大數(shù)據(jù)的融合，為后續(xù)大數(shù)據(jù)的高效挖掘奠定基礎(chǔ)。分析層讀取數(shù)據(jù)改動和存儲層整理的數(shù)據(jù)，在某些情況下分析層直接從數(shù)據(jù)源訪問數(shù)據(jù)。分析引擎具有支持并行處理的各種不同的工作流、算法和工具。根據(jù)已建立的眼健康電子數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)分類，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法訓(xùn)練人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析模型。應(yīng)用展示層針對不同類型用戶匹配相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息和功能，通過可視化技術(shù)對結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，組合到單個用戶的移動應(yīng)用平臺界面上進(jìn)行可視化展示。

4 業(yè)務(wù)流程

4.1 大數(shù)據(jù)采集

針對不同采集對象開發(fā)多模式、多端口的采集系統(tǒng)。為保證采集數(shù)據(jù)的有效性和唯一性，必須建立采集對象身份識別系統(tǒng)。每臺眼健康醫(yī)療相關(guān)檢查設(shè)備都配備身份識別硬件，可通過非接觸式刷卡系統(tǒng)對手機(jī)號碼、醫(yī)?？ā⑸矸葑C、就診卡進(jìn)行快速識別，自動生成唯一的ID編號，與大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的相同身份信息相匹配。使居民無論是在家通過智能手機(jī)APP自檢還是在體檢機(jī)構(gòu)進(jìn)行眼科體檢或是在醫(yī)療機(jī)構(gòu)的眼科相關(guān)儀器檢查都能進(jìn)行身份識別后的匹配關(guān)聯(lián)，大大減少患者在不同醫(yī)療機(jī)構(gòu)的重復(fù)檢查以及不必要的經(jīng)濟(jì)花費(fèi)，同時(shí)節(jié)省醫(yī)療資源，是一項(xiàng)多贏的舉措。

4.2 大數(shù)據(jù)存儲

眼健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)采用目前最先進(jìn)的Hadoop技術(shù)。Hadoop作為大數(shù)據(jù)工業(yè)中的主引擎，本身是一個分布式運(yùn)行系統(tǒng)，是基于Java編程語言的計(jì)算架構(gòu)，也是一個可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)生態(tài)系統(tǒng)，包括分布式文件系統(tǒng)(Hadoop Distributed File System，HDFS)和MapReduce兩項(xiàng)最重要的技術(shù)，能夠同時(shí)分布式處理海量數(shù)據(jù)。HDFS技術(shù)具有高度容錯(即使中途出錯也能繼續(xù)運(yùn)行)、支持多媒體和流媒體數(shù)據(jù)訪問、高效率訪問大型數(shù)據(jù)集合、數(shù)據(jù)保持嚴(yán)謹(jǐn)一致、部署成本較低及效率提高等特點(diǎn)。MapReduce是一種面向大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的并行計(jì)算模型和方法，用于大規(guī)模數(shù)據(jù)集(>1TB)的并行運(yùn)算。HBase是運(yùn)行在HDFS架構(gòu)上的列存儲數(shù)據(jù)庫，已與Pig/Hive很好地集成。通過Java應(yīng)用程序接口可以接近無縫地使用HBase。

4.3 大數(shù)據(jù)分析

眼健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)運(yùn)用A/B測試、關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘、數(shù)據(jù)聚類、數(shù)據(jù)融合和集成、遺傳算法、自然語言處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)分析、優(yōu)化、模式識別、預(yù)測模型、回歸、情緒分析、信號處理、空間分析、統(tǒng)計(jì)、模擬、時(shí)間序列分析等多項(xiàng)成熟技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾和整合，通過機(jī)器學(xué)習(xí)Mahout系統(tǒng)幫助快速達(dá)成大數(shù)據(jù)分析，其中已實(shí)現(xiàn)部分機(jī)器學(xué)習(xí)的邏輯。

4.4 大數(shù)據(jù)多模式交互

眼健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)平臺根據(jù)不同服務(wù)對象采取多模式的數(shù)據(jù)交互策略。針對居民，利用眼健康大數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)資源開發(fā)響應(yīng)的智能手機(jī)APP，使居民方便快捷地實(shí)時(shí)掌握個人眼健康信息，實(shí)現(xiàn)預(yù)約掛號、在線咨詢等功能；針對醫(yī)療機(jī)構(gòu)，通過整合不同醫(yī)療機(jī)構(gòu)和體檢機(jī)構(gòu)的檢查檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，使患者不同時(shí)間段的檢查資料進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使電子病歷數(shù)據(jù)更完善，對眼科醫(yī)生系統(tǒng)全面地了解患者病史和病情提供幫助；針對衛(wèi)生行政主管部門，實(shí)時(shí)監(jiān)控眼相關(guān)的流行病學(xué)數(shù)據(jù)，通過該平臺對醫(yī)院進(jìn)行業(yè)務(wù)指導(dǎo)和考核，對居民和患者進(jìn)行眼保健和眼病的健康教育和促進(jìn)。

5 服務(wù)項(xiàng)目(圖2)

圖2 眼健康大數(shù)據(jù)平臺服務(wù)項(xiàng)目

5.1 居民眼健康檔案自查

眼健康大數(shù)據(jù)平臺的手機(jī)APP客戶端面向居民開放眼病自查和眼科電子病歷查詢功能。居民通過軟件可進(jìn)行視力、視敏度、色覺自查，初步判斷自身眼健康情況。居民在區(qū)域內(nèi)各醫(yī)療機(jī)構(gòu)就診的既往眼科檢查和電子病歷通過平臺整合構(gòu)建成眼健康電子檔案，方便隨時(shí)查閱。

5.2 與其他醫(yī)療機(jī)構(gòu)共享眼科數(shù)據(jù)

平臺通過與南京市衛(wèi)生信息中心平臺的對接、與各醫(yī)院眼科就診數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)全市眼科影像學(xué)檢查和眼科電子病歷的數(shù)據(jù)共享。為確保患者隱私和數(shù)據(jù)安全，所有原始數(shù)據(jù)都經(jīng)過南京市衛(wèi)生信息中心平臺的算法加密后進(jìn)入大數(shù)據(jù)平臺。

5.3 青少年近視篩查

目前開展的南京市中小學(xué)生近視篩查項(xiàng)目通過平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和分析，將篩查結(jié)果和分析報(bào)告及時(shí)反饋給學(xué)校教師和學(xué)生家長。對近視高風(fēng)險(xiǎn)的學(xué)生，平臺通過大數(shù)據(jù)風(fēng)險(xiǎn)模型預(yù)測后給予短信提醒，確保潛在的近視學(xué)生能夠得到及時(shí)有效的醫(yī)學(xué)矯正。

5.4 老年人白內(nèi)障篩查

通過平臺及時(shí)對老年人白內(nèi)障的疾病進(jìn)展程度給予人工智能風(fēng)險(xiǎn)評估，將智能移動眼科檢查設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)反饋給定點(diǎn)醫(yī)院眼科，統(tǒng)籌安排預(yù)約復(fù)診或手術(shù)時(shí)間，為白內(nèi)障篩查提供了高效的信息系統(tǒng)保障。

5.5 眼健康大數(shù)據(jù)研究

青少年近視及各類眼病的臨床研究依賴眼健康大數(shù)據(jù)平臺采集的全方位、多維度的臨床數(shù)據(jù)。眼科醫(yī)師標(biāo)注建立訓(xùn)練集，經(jīng)過機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練各類眼病危險(xiǎn)度風(fēng)險(xiǎn)模型，通過篩查輸入青少年眼健康大數(shù)據(jù)，構(gòu)建近視眼人工智能預(yù)測模型，可對近視進(jìn)展趨勢進(jìn)行個體化預(yù)測。結(jié)合眼科智能移動檢查設(shè)備進(jìn)行白內(nèi)障篩查，構(gòu)建白內(nèi)障分期及危險(xiǎn)度人工智能預(yù)測模型，為后期精準(zhǔn)干預(yù)提供個性化診療意見。

6 應(yīng)用效果

6.1 擴(kuò)大眼健康服務(wù)覆蓋面

南京市眼健康大數(shù)據(jù)平臺投入使用后各項(xiàng)眼健康篩查服務(wù)群體的廣度和深度都得到廣泛擴(kuò)展，由重點(diǎn)區(qū)縣抽樣篩查擴(kuò)展至所有區(qū)縣。較之前的電話隨訪模式，服務(wù)效率得到極大提高。居民通過移動互聯(lián)網(wǎng)終端可以隨時(shí)訪問大數(shù)據(jù)平臺查詢個人眼健康數(shù)據(jù)，通過自行補(bǔ)充相關(guān)信息完善眼健康電子檔案既往病史和家庭史等信息。

6.2 改善居民眼科就診體驗(yàn)

南京市眼科醫(yī)聯(lián)體和分級診療體系借助眼健康大數(shù)據(jù)平臺快速推進(jìn)。居民可以通過移動互聯(lián)網(wǎng)終端APP與眼科專家進(jìn)行互動、預(yù)約就診、健康咨詢、術(shù)后隨訪等在線咨詢服務(wù)。兒童、青少年和老年群體在篩查出異常后相關(guān)電子檢查資料會自動分配給相關(guān)亞?？茖＜疫M(jìn)行人工甄別。當(dāng)需要進(jìn)一步診治時(shí)大數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)會進(jìn)行專家推薦和在線預(yù)約。居民從篩查到最終確診的時(shí)間由之前的平均12.7天縮短到2.6天，眼科急重癥患者得到及時(shí)診斷和對癥治療。

6.3 提升優(yōu)質(zhì)眼科醫(yī)療資源利用效率

三甲醫(yī)院的優(yōu)質(zhì)眼科醫(yī)療資源通過眼健康大數(shù)據(jù)平臺得到合理分配和高效利用。居民通過眼健康大數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行自我教育和醫(yī)患在線溝通，發(fā)揮醫(yī)聯(lián)體分級診療的優(yōu)勢，提升醫(yī)患溝通效果，杜絕患者急病亂投醫(yī)和醫(yī)患溝通不良情況的發(fā)生。眼科專家通過眼健康大數(shù)據(jù)平臺與日常門診相結(jié)合，為更多居民提供優(yōu)質(zhì)的眼科專業(yè)醫(yī)療服務(wù)。

7 結(jié)語

大數(shù)據(jù)挖掘和人工智能技術(shù)在移動互聯(lián)網(wǎng)眼健康大數(shù)據(jù)平臺的應(yīng)用將近視與眼病的防治從醫(yī)院眼科關(guān)口前移到學(xué)校與社區(qū)。眼健康大數(shù)據(jù)平臺提高日常近視與白內(nèi)障篩查效率，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療數(shù)據(jù)的互通共享和居民眼健康的自我管理。衛(wèi)生行政管理部門通過眼健康大數(shù)據(jù)分析匯總情況實(shí)現(xiàn)醫(yī)療機(jī)構(gòu)的科學(xué)管理以及衛(wèi)生資源的高效配置，提升醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)水平和效率，為形成個性化診療方案提供參考意見。