王擁軍 王飛躍 王 戈 王 曉 王伊龍 李 瑞

健康問題仍然是2015～2030 年聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展重點關(guān)注的問題之一.為了促進(jìn)健康中國的建設(shè),我國印發(fā)了《“健康中國2030” 規(guī)劃綱要》 來指導(dǎo)與規(guī)范健康事業(yè)的發(fā)展與建設(shè)[1].醫(yī)療健康是建設(shè)健康中國必不可少的重要一環(huán),醫(yī)療基礎(chǔ)設(shè)施的完善又是醫(yī)療健康的主要保證.但目前我國的現(xiàn)狀卻是基礎(chǔ)設(shè)施的分布不均與醫(yī)護(hù)人員的分布不均,偏遠(yuǎn)城市的快速就醫(yī)面臨巨大挑戰(zhàn).在我國大型城市中,越來越多的患者開始涌向更大的醫(yī)院,期望接受更權(quán)威的專家診斷,這使得大多數(shù)大中型醫(yī)院甚至該城市人口規(guī)模、交通運輸?shù)榷济媾R著巨大的壓力.近年來,隨著人口老齡化的加重、城鎮(zhèn)醫(yī)療資源比例的嚴(yán)重失衡,“看病難” 的問題越來越嚴(yán)重,我國醫(yī)療體系面臨著巨大的挑戰(zhàn),醫(yī)療改革勢在必行.合理的醫(yī)療資源組織方式改革可以減少因地域差異而出現(xiàn)的就醫(yī)差別,盡可能合理地平均分配醫(yī)療資源、建設(shè)健康中國.醫(yī)療資源的分配和管理主要考慮醫(yī)療的社會性、人文性以及其自身的科學(xué)性.

醫(yī)療是存在于人組成的社會中,從上古時代的“巫” 到現(xiàn)代社會的 “醫(yī)”,無論滄海桑田,不變的是社會性.“看病難”、“看病貴”、“因疾返貧” 是醫(yī)療面臨的巨大問題.針對存在的問題,我國在不同層面作出了努力來進(jìn)行相關(guān)的改善.我國國務(wù)院印發(fā)了《深化醫(yī)藥衛(wèi)生體制改革2021 年重點工作任務(wù)》來改善目前存在的問題,地方上如湖北、寧夏等省都出具了不同的政策來改變這一現(xiàn)狀.總體而言,“看病難”、“看病貴” 的問題是在社會層面出現(xiàn)的普遍問題,體現(xiàn)了醫(yī)療健康的社會復(fù)雜性.

隨著時代的發(fā)展以及敘事醫(yī)學(xué)的蓬勃興起[2],針對醫(yī)療健康的人文復(fù)雜性提出使用人文關(guān)懷的方式加快患者的康復(fù)進(jìn)程.敘事醫(yī)學(xué)是醫(yī)學(xué)發(fā)展的美好愿景,可以使得醫(yī)學(xué)治療過程更有溫度.但是,以增加一線醫(yī)護(hù)工作人員的負(fù)擔(dān)來實現(xiàn)這一目的是不合理的.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為敘事醫(yī)學(xué)帶來了可能,可以使得醫(yī)患關(guān)系重新回到救死扶傷,使得醫(yī)學(xué)更有溫度[3].將醫(yī)生與患者之間 “人情味” 的交流內(nèi)容進(jìn)行快速收集和信息化是實現(xiàn)敘事醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ).利用已有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合語音識別和自然語言處理技術(shù)[4],可以提高醫(yī)護(hù)人員的工作效率,減輕醫(yī)護(hù)人員的負(fù)擔(dān).另外,隨著民眾知識水平的提高,人們的健康意識也逐漸增強(qiáng),除了 “看病難” 與 “看病貴”之外,患者對醫(yī)療健康的要求也在逐漸提高,越來越渴望 “個性化” 的治療方案.同時,受醫(yī)療健康社會復(fù)雜性的長期影響,醫(yī)患關(guān)系不斷地物化,救死扶傷逐漸消費化、合約化.醫(yī)患關(guān)系的緊張,必然出現(xiàn)不負(fù)責(zé)任的醫(yī)生與不尊重醫(yī)生的患者.人們對 “個性化” 醫(yī)療的需求以及醫(yī)患關(guān)系緊張的問題使得醫(yī)療健康同時具有了人文的復(fù)雜性.

醫(yī)療健康在社會性與人文性方面所具有的復(fù)雜性外,其本身的科學(xué)性也面臨著巨大的挑戰(zhàn).從深度學(xué)習(xí)到深度醫(yī)療,人工智能相關(guān)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域得以實踐,基于智能科技的醫(yī)療智能化成為當(dāng)前發(fā)展的主流.醫(yī)療工作者與患者共同期待人工智能技術(shù)能夠在醫(yī)療系統(tǒng)發(fā)揮巨大的作用.人們寄希望于人工智能在解決醫(yī)療的社會復(fù)雜性與人文復(fù)雜性問題之外,還能夠解決醫(yī)學(xué)本身科學(xué)性的復(fù)雜問題.如何面對并盡可能解決或者是改善這些問題? 物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、機(jī)器人、區(qū)塊鏈、人工智能,這些引人注目的新技術(shù)為相關(guān)問題的解決帶來了無限的遐想.但隨之而來的還有另外一個問題,如何將目前已有的技術(shù)有效組合起來解決相關(guān)的問題呢?

目前,不同的醫(yī)療系統(tǒng)都在開始嘗試將人工智能技術(shù)引入醫(yī)院運行的不同階段,不僅僅是對患者的診斷,還包括醫(yī)院運營的各個部分,如市場預(yù)測等.人工智能+健康醫(yī)療還處在起步階段,要保證人工智能在醫(yī)療健康領(lǐng)域良好、健康地應(yīng)用與發(fā)展,仍有許多亟待解決的問題和挑戰(zhàn)[5].

針對醫(yī)學(xué)治療存在的社會性、人文性與科學(xué)性的問題,王飛躍教授提出使用ACP 方法[6?7]+CPSS(Cyber-physical-social systems)[8]的新基建的平行醫(yī)學(xué)和平行醫(yī)療的概念[9?10].在智能時代將人工智能系統(tǒng)與已有的醫(yī)療系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)的融合,形成人機(jī)融合的新型醫(yī)療哲學(xué)體系,并希望借此解決當(dāng)前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域存在的復(fù)雜問題.新的醫(yī)學(xué)范式的提出必將引起醫(yī)療機(jī)構(gòu)的運營模式與管理模式的變革,以適應(yīng)新時代的醫(yī)療模式發(fā)展的需要.

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為醫(yī)療改革帶來了新的解決方案,為此,2018 年國務(wù)院提出促進(jìn) “互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療健康” 發(fā)展.隨著新一代信息通信技術(shù)的發(fā)展,醫(yī)院的基礎(chǔ)設(shè)施與數(shù)字化建設(shè)已經(jīng)取得了長足的發(fā)展.遠(yuǎn)程診療、醫(yī)患網(wǎng)絡(luò)社區(qū)等的發(fā)展,使得患者與醫(yī)生的交互方式突破了傳統(tǒng)的固定場所就醫(yī)模式,向著跨越時空的互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療方向發(fā)展.互聯(lián)網(wǎng)與醫(yī)療的有機(jī)結(jié)合通過使用非傳統(tǒng)方式合理分配醫(yī)療資源來緩解 “看病難” 的問題,同時也大幅度降低了醫(yī)療的成本.這些都得益于互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展所帶來的時空距離的大尺度縮短,是在互聯(lián)網(wǎng)背景下,對醫(yī)療資源進(jìn)行合理組織與分配的有益嘗試.

醫(yī)院信息化建設(shè)是物聯(lián)網(wǎng)與相關(guān)的人工智能技術(shù)設(shè)備走進(jìn)醫(yī)院運行的不同環(huán)節(jié)的必要保證.醫(yī)院信息系統(tǒng)利用計算機(jī)與通訊設(shè)備,為醫(yī)院所屬部門提供病人診療信息和行政管理信息采集與存儲的能力,同時也為醫(yī)院所屬各部門提供其他的信息服務(wù),并滿足所有授權(quán)用戶的功能需求.隨著信息技術(shù)的發(fā)展,醫(yī)院信息系統(tǒng)(Hospital information systems,HIS)的普及,推動了我國醫(yī)療水平的發(fā)展.但是面對新人工智能的技術(shù)和不管增加的基礎(chǔ)設(shè)備,基于CPS (Cyber-physical systems,CPS)的醫(yī)院信息系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足于新的管理需求.人工智能技術(shù)在醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用離不開數(shù)據(jù)的支撐.大數(shù)據(jù)的采集、傳輸、管理與共享是人工智能得以實現(xiàn)的前提.人工智能的引入對當(dāng)前的醫(yī)院信息管理系統(tǒng)帶來了極大的挑戰(zhàn).因而,統(tǒng)一的設(shè)備管理與資源調(diào)度是智能設(shè)備發(fā)展到一定階段的必然選擇,即智慧醫(yī)院操作系統(tǒng).

同時,人,不管是患者還是醫(yī)生,包括人類醫(yī)生與機(jī)器人醫(yī)生,在醫(yī)院的管理運營中,都是主要角色.以人為本的管理也逐漸得到不同程度的重視,但是,當(dāng)前的醫(yī)院信息系統(tǒng)卻缺乏對人的建模,將人排除在了醫(yī)院決策管理的閉環(huán)之外.基于CPSS理論的智能系統(tǒng)不僅考慮了基本的物理因素,同時,還將人考慮到了閉環(huán)之內(nèi).因而,基于CPSS 構(gòu)建醫(yī)院新型智慧操作系統(tǒng)是大勢所趨.

作為平行醫(yī)學(xué)模式的具體實踐,本文提出依據(jù)CPSS+ACP 理論進(jìn)行未來發(fā)展需要的智慧化醫(yī)院的建設(shè),即平行醫(yī)院.實現(xiàn)從醫(yī)院信息化系統(tǒng)到智慧化操作系統(tǒng)的跨越,滿足未來的新的醫(yī)療發(fā)展對于社會性、人文性與科學(xué)性的發(fā)展的需要.

所謂的平行醫(yī)院,就是以操作系統(tǒng)的統(tǒng)一管理模式,結(jié)合ACP 理論與CPSS 理論,將醫(yī)院以及醫(yī)院運營管理者以及醫(yī)療活動的參與者全部進(jìn)行數(shù)字化建模,從而達(dá)到統(tǒng)一化管理與運營.在操作系統(tǒng)的統(tǒng)一管理與訪問的理念下,對醫(yī)院一切硬件以及人員進(jìn)行建模數(shù)字化,構(gòu)建人工醫(yī)院(Artificial hospital).與現(xiàn)實的醫(yī)院對應(yīng),人工醫(yī)院由不同的科室組成,在不同科室部署依據(jù)不同的虛擬醫(yī)生與虛擬患者構(gòu)成不同的虛擬診療系統(tǒng).該過程主要實現(xiàn)對現(xiàn)實醫(yī)院的描述,實現(xiàn)描述智能.在人工醫(yī)院中,依據(jù)從現(xiàn)實醫(yī)院中采集的小數(shù)據(jù)進(jìn)行人工大數(shù)據(jù)的構(gòu)造,實現(xiàn)對現(xiàn)實醫(yī)院未來發(fā)展走向的預(yù)測智能,即計算實驗(Computational experiments).針對具體的實際問題,依照計算實驗的預(yù)測智能,選擇最優(yōu)的執(zhí)行方案,平行執(zhí)行(Parallel execution)同時作用于人工醫(yī)院與現(xiàn)實醫(yī)院,引導(dǎo)相關(guān)的工作人員實施最優(yōu)化的解決方案,即引導(dǎo)智能.

1 基本概念與基礎(chǔ)理論

1.1 醫(yī)院信息系統(tǒng)

圖1 所示的醫(yī)院信息系統(tǒng)(Hospital information systems,HIS)利用計算機(jī)與通訊設(shè)備,為醫(yī)院所屬部門提供病人診療信息和行政管理信息的收集、存儲、處理、提取和數(shù)據(jù)交換的能力,為醫(yī)院所屬各部門提供信息服務(wù),并滿足所有授權(quán)用戶的功能需求[11?12].HIS 是醫(yī)療數(shù)字信息化的主要元素,廣義的HIS 是指醫(yī)院使用的所有用于支撐診療、管理、后勤等業(yè)務(wù)的信息化工具、信息系統(tǒng)等.HIS 根據(jù)不同科室的需要,將不同的信息、服務(wù)流程等進(jìn)行了信息化管理,同時,相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備如智能終端會被集成到系統(tǒng)中,提高系統(tǒng)的智能化.這是不同標(biāo)準(zhǔn)的、不同醫(yī)療專長的設(shè)備場景的信息系統(tǒng)的集合.同時,不同的信息子系統(tǒng)被逐漸實現(xiàn),如醫(yī)學(xué)實驗室系統(tǒng)(Laboratory information systems,LIS)、策略過程管理系統(tǒng)(Policy and procedure management systems,PPMS)、放射科信息管理系統(tǒng)(Radiological information systems,RIS)、圖像歸檔傳輸系統(tǒng)(Picture archiving and communication systems,PACS)等[13].

圖1 醫(yī)院信息系統(tǒng)Fig.1 Hospital information system

目前的醫(yī)院信息系統(tǒng)主要是基于CPS 進(jìn)行開發(fā)的,充分考慮了當(dāng)前醫(yī)院運行信息化的需要,將不同的診療流程極大自動化,同時,電子病歷系統(tǒng)的引入使得患者的狀態(tài)方便追蹤,這些都極大提高了醫(yī)療系統(tǒng)的發(fā)展與收益[14].

醫(yī)院針對不同科室的情況,構(gòu)建了不同的信息系統(tǒng)來滿足醫(yī)院診療與運行的目標(biāo),已經(jīng)為醫(yī)院的發(fā)展與醫(yī)生患者的方便診療與就醫(yī)帶來巨大提升.但是不同科室與科室的差異性,使得不同科室之間的信息共享變得困難,知識的存儲也是碎片化的.同時,為了滿足各自的需求,不同科室往往單獨構(gòu)建自己的信息系統(tǒng),使得大量設(shè)備出現(xiàn)冗余的情況.隨著物聯(lián)網(wǎng)在醫(yī)院信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集的重要性逐漸凸顯,大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備被引入醫(yī)院信息系統(tǒng)中,系統(tǒng)擴(kuò)展變得困難重重.因此,HIS 的智能化成為提升其效率的有效手段.

1.2 醫(yī)院智慧操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)(Operating system,OS)[15]指的是對計算系統(tǒng)的硬件和軟件資源進(jìn)行統(tǒng)一的管理和控制,并合理地組織和調(diào)度計算系統(tǒng)的資源,以提供給用戶和其他系統(tǒng)方便的接口和環(huán)境的程序集合.操作系統(tǒng)實現(xiàn)了對系統(tǒng)資源的統(tǒng)一管理,為用戶提供統(tǒng)一的接口,使得用戶專心于自己的業(yè)務(wù)而忽略底層資源的管理,方便不同系統(tǒng)之間的交互.智能設(shè)備發(fā)展到一定階段都需要專門的操作系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)資源的統(tǒng)一管理與調(diào)度.當(dāng)前,隨著新的通信技術(shù)的發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用于生活的方方面面.繁多的智能設(shè)備在為不同的需要提供了豐富的數(shù)據(jù)的同時也給原始的信息管理系統(tǒng)帶來了挑戰(zhàn).已有的信息管理系統(tǒng)已經(jīng)不足以應(yīng)付逐漸增多的不同廠家的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,因而急需對應(yīng)的系統(tǒng)軟件對逐漸增多的設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的管理.

操作系統(tǒng)的概念不再局限于傳統(tǒng)的計算機(jī)系統(tǒng).針對不同的應(yīng)用環(huán)境,不同的智慧操作系統(tǒng)也逐漸被提出了,如面向人類的編程(Hop)及操作系統(tǒng)(Hoos)[16?17]、智慧城市操作系統(tǒng)[18]、智慧社區(qū)操作系統(tǒng)[19].不同的智慧操作系統(tǒng)結(jié)合實際場景與其關(guān)聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,對不同的設(shè)備單元進(jìn)行抽象化管理,為上層的用戶與軟件提供統(tǒng)一的接口,方便調(diào)用與管理.

近年來,隨著新的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的發(fā)展,不同的設(shè)備逐漸在醫(yī)院被應(yīng)用.將醫(yī)院整體看作一個巨大的系統(tǒng),為了更好實現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的交互,以及對不同的設(shè)備的統(tǒng)一管理,本文提出醫(yī)院智慧操作系統(tǒng)的概念.醫(yī)院智慧操作系統(tǒng)首要的任務(wù)是對資源的統(tǒng)一管理,為更上層的應(yīng)用提供必要數(shù)據(jù)與功能支持.

隨著云計算技術(shù)的發(fā)展,操作系統(tǒng)的作用越來越弱.與傳統(tǒng)的服務(wù)器相比,云計算直接對底層進(jìn)行了統(tǒng)一化虛擬管理,為用戶直接提供不同的服務(wù),出現(xiàn)了以虛擬化的硬件直接為服務(wù)的虛擬設(shè)施醫(yī)療云服務(wù)(Virtual facility healthcare cloud services,VF-HCS)、服務(wù)于大數(shù)據(jù)智能化時代的虛擬數(shù)據(jù)醫(yī)療云服務(wù)(Virtual data healthcare cloud services,VD-HCS)、以平臺為服務(wù)的虛擬平臺醫(yī)療云服務(wù)(Virtual platform healthcare cloud services,VPHCS)以及軟件層面的虛擬軟件醫(yī)療云服務(wù)(Virtual software healthcare cloud services,VS-HCS)等不同粒度的云計算服務(wù).智慧醫(yī)院是一個巨大的生態(tài)系統(tǒng),為了方便不同科室及單位統(tǒng)一地訪問與應(yīng)用,我們基于云計算的服務(wù)模式給出了智慧醫(yī)院操作系統(tǒng)的整體框架圖.

圖2 展示了基本的醫(yī)院智慧操作系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu),類似于傳統(tǒng)的操作系統(tǒng),醫(yī)院智慧操作系統(tǒng)對醫(yī)院的資源進(jìn)行了統(tǒng)一的管理與調(diào)度,為上層的基礎(chǔ)建設(shè)提供基本底層支撐,使得上層建設(shè)專注于醫(yī)院本身發(fā)展邏輯.本文關(guān)注利用平行思想[6]對醫(yī)院管理進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)來實現(xiàn)醫(yī)院的智能化管理與運營.為了下文對平行醫(yī)院的更好闡述,這里先對基于平行思想的平行系統(tǒng)做簡單的闡述.

圖2 醫(yī)院操作系統(tǒng)Fig.2 Hospital operating system

1.3 平行系統(tǒng)

平行系統(tǒng)[6]是由王飛躍教授在2004 年首次提出的.平行系統(tǒng)理論是用于管理與控制復(fù)雜系統(tǒng)的體系化框架,同時隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的增加和計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,也是控制系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的必然選擇.平行系統(tǒng)是由現(xiàn)實中某個實際系統(tǒng)與對應(yīng)的一個或者多個人工系統(tǒng)組成的共同系統(tǒng),可以通過人工系統(tǒng)(Artificial systems)對實際系統(tǒng)進(jìn)行模擬與描述.結(jié)合人工系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的計算實驗(Computational experiments)可以對實際系統(tǒng)中對應(yīng)任務(wù)進(jìn)行預(yù)測與驗證,通過虛實交互的平行執(zhí)行過程(Parallel executation)進(jìn)行虛實交互實現(xiàn)對實際系統(tǒng)的引導(dǎo)與管理.該方法整體上又被稱為ACP 方法,匯集描述智能、預(yù)測智能與引導(dǎo)智能于一體.基于ACP 方法的復(fù)雜系統(tǒng)的管理與控制已經(jīng)在很多方面取得了成功,如乙烯生產(chǎn)管理[20]、礦山無人化運輸管理[21]、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智慧化[22]、企業(yè)資源計劃[23]等.ACP 方法于2015 年被引入醫(yī)療系統(tǒng)相關(guān)的研究與應(yīng)用,構(gòu)建了一系列平行醫(yī)學(xué)的應(yīng)用,如平行眼[24]、平行高特[25]、平行腸胃[26]、平行手術(shù)[27]、平行皮膚[28]、平行醫(yī)學(xué)圖像[29]等.圖3 展示了平行系統(tǒng)的不同模塊及其之間的關(guān)系,下面就ACP 理論的各個模塊人工系統(tǒng)、計算實驗與平行執(zhí)行進(jìn)行詳細(xì)的說明.

圖3 平行系統(tǒng)的基本框架Fig.3 Basic structure of parallel system

1.3.1 人工系統(tǒng)

人工系統(tǒng)是實際系統(tǒng)在虛擬空間的數(shù)字化.人工系統(tǒng)與實際系統(tǒng)并不是一一對應(yīng)的,一個真實系統(tǒng)可以有若干個相關(guān)聯(lián)的人工系統(tǒng).針對實際空間中各個實體不同的作用與屬性,在虛擬空間中,使用不同的建模技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化建模.不同于數(shù)字孿生技術(shù),平行系統(tǒng)的人工系統(tǒng)并不是機(jī)械化的真實系統(tǒng)的數(shù)字化[30].人工系統(tǒng)利用知識表示等手段實現(xiàn)對實際目標(biāo)的不同表示.然后在虛擬空間構(gòu)建不同的虛擬實體,每一個虛擬實體都是由原實體按照不同的優(yōu)化目標(biāo)抽象拓展而來的.每一個虛擬實體都對應(yīng)著真實系統(tǒng)中一種可能的解決方案.總體而言,人工系統(tǒng)是基于描述智能,根據(jù)實際系統(tǒng)構(gòu)建一個或者是多個可能出現(xiàn)的多重人工系統(tǒng),是進(jìn)一步應(yīng)用預(yù)測智能與引導(dǎo)智能的基礎(chǔ).

1.3.2 計算實驗

基于描述智能,可以獲得若干個與真實系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的人工系統(tǒng).在這眾多的人工系統(tǒng)中,進(jìn)行不同的計算實驗便可以實現(xiàn)對實際系統(tǒng)的預(yù)測.這就是計算實驗的預(yù)測智能.具體地,計算實驗是通過豐富的計算技術(shù),以及大量人工數(shù)據(jù)的生成[31],利用機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)[32]在眾多人工系統(tǒng)中,依據(jù)當(dāng)前人工系統(tǒng)所設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)不斷地進(jìn)行迭代推演.隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,計算實驗在借助計算機(jī)的情況下,可以在人工系統(tǒng)中實現(xiàn)對真實系統(tǒng)快速準(zhǔn)確地預(yù)測.在得到每個人工系統(tǒng)中具有附加條件限定下的較優(yōu)結(jié)果后,通過對比來自各個人工系統(tǒng)的結(jié)果,選擇出在當(dāng)前條件下的最優(yōu)結(jié)果,進(jìn)一步通過平行執(zhí)行實現(xiàn)引導(dǎo)智能.

1.3.3 平行執(zhí)行

基于描述智能和預(yù)測智能,已經(jīng)可以快速地得到真實系統(tǒng)在施加不同附加條件下的預(yù)測結(jié)果.那么,如何通過預(yù)測的結(jié)果控制實際系統(tǒng),或者對實際系統(tǒng)的運行產(chǎn)生積極的影響,便是平行執(zhí)行[33]需要解決的問題.平行執(zhí)行可以將計算實驗中得到的最優(yōu)解決方案同時作用于虛擬系統(tǒng)與實際系統(tǒng),在實際的系統(tǒng)運行過程中對實際的系統(tǒng)進(jìn)行引導(dǎo).同時,實際系統(tǒng)在運行的過程中也會不斷地產(chǎn)生反饋信息,又可以作為初始條件引導(dǎo)人工系統(tǒng)的構(gòu)建.在此時的實際系統(tǒng)的基礎(chǔ)上衍生出的若干個關(guān)聯(lián)的人工系統(tǒng),通過計算實驗的預(yù)測學(xué)習(xí)方法,再次獲得接下來實際系統(tǒng)的最優(yōu)控制策略.這樣循環(huán)向前推進(jìn),就可以實現(xiàn)針對復(fù)雜系統(tǒng)的、具有虛實互動、迭代優(yōu)化特點的在線閉環(huán)控制方法——平行系統(tǒng).

2 基本技術(shù)與基礎(chǔ)框架

所謂平行醫(yī)院,就是利用平行系統(tǒng)與平行智能的理念在醫(yī)院的基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上構(gòu)建數(shù)字化、智能化、協(xié)作化、云端化的面向未來的醫(yī)院.醫(yī)院所有的設(shè)備與參與人員的數(shù)字化,統(tǒng)一的數(shù)據(jù)流是構(gòu)建平行醫(yī)院的基礎(chǔ).平行智能理論的應(yīng)用基礎(chǔ)是ACP理論的具體化實現(xiàn),即平行系統(tǒng).如上文所述,人工系統(tǒng)是實際系統(tǒng)的描述智能,計算實驗是人工系統(tǒng)對實際系統(tǒng)的預(yù)測智能,平行執(zhí)行是人工系統(tǒng)對實際系統(tǒng)的引導(dǎo)智能[24?25,34].從實際系統(tǒng)出發(fā),對實際系統(tǒng)虛擬化,借助計算實驗與平行執(zhí)行,通過虛擬系統(tǒng)與實際系統(tǒng)的交互來實現(xiàn)對實際系統(tǒng)的預(yù)測與引導(dǎo)智能.

平行醫(yī)院的構(gòu)建緊扣ACP 方法理論.整體來看,虛擬醫(yī)院與實際醫(yī)院以及兩者之間的交互滿足大的ACP 循環(huán).在不同的子系統(tǒng)之間,通過虛擬子系統(tǒng)與實際子系統(tǒng)的虛擬交互對不同的問題進(jìn)行智能化預(yù)測與引導(dǎo),同樣滿足ACP 理論的邏輯.

2.1 整體架構(gòu)

平行醫(yī)院是在對實際醫(yī)院數(shù)字化的基礎(chǔ)上構(gòu)建的,通過虛實交互的方式實現(xiàn)具體的智能化醫(yī)療流程.整體的構(gòu)建離不開對醫(yī)院資源的整體訪問與管理,因而離不開醫(yī)院智慧操作系統(tǒng)的支撐.下面對平行醫(yī)院的基礎(chǔ)平臺及平行醫(yī)院的整體結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行說明.

圖4 展示了基于智慧操作系統(tǒng)的平行醫(yī)院的整體架構(gòu).實際醫(yī)院與虛擬醫(yī)院構(gòu)成了平行系統(tǒng)的兩大核心部件.現(xiàn)實醫(yī)院是基本硬件的載體,虛擬醫(yī)院依賴于醫(yī)院智慧操作系統(tǒng)對實際醫(yī)院進(jìn)行抽象化.以人為本始終是醫(yī)院管理運營的核心.醫(yī)院人員的主要組成部分為醫(yī)療工作者與患者.超越于一般的智慧操作系統(tǒng),平行醫(yī)院對其中的主要角色進(jìn)行了虛擬化,構(gòu)建了完全與實際醫(yī)院對等的數(shù)字化醫(yī)院,即數(shù)字孿生醫(yī)院.

圖4 平行醫(yī)院整體架構(gòu)Fig.4 Basic structure of parallel hospital

從全局著眼,基于ACP 理論知識,利用操作系統(tǒng)的概念作為具體的實現(xiàn),構(gòu)成了包含實際醫(yī)院與虛擬醫(yī)院的平行醫(yī)院.從局部來看,不同的系統(tǒng)與具體的實際系統(tǒng)構(gòu)成了不同的子平行系統(tǒng).下面就對醫(yī)院及相關(guān)設(shè)備、參與人員的虛擬化技術(shù)以及不同的基于平行理論的平行子系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的說明.

2.2 智慧醫(yī)院基礎(chǔ)平臺

智慧醫(yī)院操作系統(tǒng)對醫(yī)院的資源已經(jīng)進(jìn)行了統(tǒng)一化的管理,對不同的設(shè)施以及資源的管理進(jìn)行了平臺化,為未來的智能化醫(yī)院構(gòu)建提供了基本的保障.結(jié)合已有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)與人工智能技術(shù),醫(yī)院操作系統(tǒng)可以提供人工智能平臺、大數(shù)據(jù)平臺以及物聯(lián)網(wǎng)平臺來滿足從數(shù)據(jù)收集、存儲到分析.基于數(shù)據(jù)實現(xiàn)最終智能化的醫(yī)療服務(wù)的全?；A(chǔ)平臺的支持.

物聯(lián)網(wǎng)平臺.除了醫(yī)院自身的管理與信息化管理,醫(yī)院的主體服務(wù)對象為患者.為了采集醫(yī)院自身的信息以及患者的相關(guān)信息,需要引入大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備.物聯(lián)網(wǎng)平臺可以實現(xiàn)對相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的管理與維護(hù),通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口對不同患者以及其他的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與管理.近年來,不同的物聯(lián)網(wǎng)平臺如雨后春筍一樣,為物理空間與信息空間交互與聯(lián)系以及對物理空間的全面數(shù)字化提供了技術(shù)保障.

大數(shù)據(jù)平臺.事物發(fā)展的規(guī)律與原理都蘊(yùn)含在數(shù)據(jù)中,對歷史數(shù)據(jù)的存儲與分析具有很大的現(xiàn)實指導(dǎo)意義.醫(yī)院在日常的運營中會產(chǎn)生大量的歷史數(shù)據(jù):運營數(shù)據(jù)與患者數(shù)據(jù).通過對歷史運營數(shù)據(jù)的分析可以優(yōu)化醫(yī)院的資源配置,為患者與醫(yī)療工作者提供更好的服務(wù).對患者大數(shù)據(jù)的分析,對于單個患者來說,可以優(yōu)化患者的行為以達(dá)到對自身健康的提升;對于整個人類的發(fā)展來說,可以對人類的發(fā)展進(jìn)行科學(xué)指導(dǎo).大數(shù)據(jù)平臺為醫(yī)院的大數(shù)據(jù)存儲與分析提供了一套科學(xué)整體的管理與分析方案.

人工智能平臺.人工智能為醫(yī)學(xué)發(fā)展以及醫(yī)院的革新帶來了新的契機(jī).信息與知識是兩個不同的概念,信息指的是客觀存在的事實,而知識指的是對客觀規(guī)律的歸納總結(jié).大數(shù)據(jù)以及機(jī)器學(xué)習(xí),尤其是深度學(xué)習(xí)的發(fā)展,為人類信息自動化提供了很大的便利.就醫(yī)學(xué)領(lǐng)域來說,基于機(jī)器學(xué)習(xí)的相關(guān)人工智能方法極大減輕了醫(yī)生的工作量,如醫(yī)學(xué)圖像分析處理技術(shù).然而,僅僅是信息獲取自動化的智能化只能作為醫(yī)療系統(tǒng)的輔助存在,距離真正的醫(yī)療智能化還有很大距離,這也是目前醫(yī)療智能化發(fā)展的困頓之一.為了實現(xiàn)人工智能的真正智能化,則需要從信息化自動化走向知識化自動化[35].

知識圖譜[36]是通過圖的方式將實體之間進(jìn)行關(guān)聯(lián),實現(xiàn)知識推理的目的,其示意圖如圖5 所示.在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,可以通過知識圖譜來建模不同實體之間的關(guān)系來進(jìn)行醫(yī)學(xué)知識的推理,實現(xiàn)醫(yī)療方案推理以及醫(yī)療知識問答等.人工智能平臺除了提供信息獲取的模型訓(xùn)練與評估支持外,還需提供知識推理如知識圖譜的知識抽取、知識表示、知識融合以及知識推理的技術(shù)支持.基于以上不同平臺的支撐,下面就平行醫(yī)院的基本構(gòu)建作出具體的說明.

圖5 知識圖譜示意圖Fig.5 The diagram of knowledge graph

2.3 物理層數(shù)字虛擬化

為了實現(xiàn)對醫(yī)院的智慧化管理與運營,對醫(yī)院的一切進(jìn)行數(shù)字化表示是必要的.基于CPSS 的建模理論,智慧化的醫(yī)院不僅僅包括醫(yī)院的諸多硬件部分,還包括醫(yī)療過程的參與者如患者、醫(yī)生、護(hù)士、管理人員等.

2.3.1 醫(yī)院設(shè)施虛擬數(shù)字化

醫(yī)院的硬件設(shè)施包括基本的建筑,利用三維建模技術(shù)可以實現(xiàn)對實際的建筑進(jìn)行數(shù)字化建設(shè).除了醫(yī)院的基本建筑,對不同的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化建模對以后的數(shù)字化管理是必要的.

目前,已有很多的開源的[37]或者是商業(yè)的游戲引擎與三維建模軟件,如Unity、3DS Max、Google 3D Warehouse 等,來實現(xiàn)數(shù)字化醫(yī)院的建模,結(jié)合計算機(jī)視覺對實際場景的屬性進(jìn)行提取,實現(xiàn)快速高效對醫(yī)院以及其中的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行建模.在數(shù)字空間,一切的數(shù)字模型以實際醫(yī)院的方式進(jìn)行組織展示,實現(xiàn)對現(xiàn)實世界的全方位建模[38].利用統(tǒng)一的智能化管理軟件對數(shù)字化的醫(yī)院進(jìn)行建模,為醫(yī)院資源的統(tǒng)一管理與調(diào)度提供了統(tǒng)一的訪問的接口.利用數(shù)字化定義的醫(yī)院,用戶可以通過虛擬現(xiàn)實的方式與醫(yī)院的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行交互,即虛擬現(xiàn)實(Virtual reality,VR)醫(yī)院.

2.3.2 醫(yī)療參與人員虛擬化定義

以人為本的醫(yī)院管理理念使得醫(yī)療工作者更有歸屬感,患者有一種家的溫馨感.平行醫(yī)院理念是完全在虛擬空間將患者與醫(yī)療工作者進(jìn)行數(shù)字化,每一位醫(yī)療活動的參與者都是一個獨立的個體.

1) 虛擬醫(yī)生

虛擬醫(yī)生是醫(yī)院中各科醫(yī)生與實體機(jī)器人醫(yī)生在虛擬空間的映射.以人為本,根據(jù)現(xiàn)有醫(yī)生的專業(yè)知識、臨床經(jīng)驗、推理與思維方式、實際案例等大數(shù)據(jù),通過ACP 理論與方法和人工智能技術(shù)手段,對每個虛擬患者就相關(guān)的癥狀作出診療方案的數(shù)字醫(yī)生[25],即虛擬醫(yī)生.實際醫(yī)生的數(shù)字化過程中保留了不同醫(yī)生的個性化特質(zhì),使其具有不同的知識水平與領(lǐng)域知識,為激發(fā)不同的個體的知識大融合與交流提供了潛在的條件.實體機(jī)器人醫(yī)生本身是基于已有的實際醫(yī)生而創(chuàng)造出來的有別于人類的實體醫(yī)生,因而在具體的數(shù)字化過程中可以對其進(jìn)行直接的映射.換句話說,實體機(jī)器人可以看作是虛擬機(jī)器人醫(yī)生代理.

虛擬醫(yī)生有三種形態(tài),分別為描述醫(yī)生、預(yù)測醫(yī)生與引導(dǎo)醫(yī)生[25].1)描述醫(yī)生是對實際醫(yī)生的醫(yī)療知識、臨床經(jīng)驗、思維推理、性格特點等特征的虛擬抽象;2)預(yù)測醫(yī)生是針對每個虛擬患者做出診斷和治療方案,對通過計算實驗得到治療效果進(jìn)行實時觀察與評估的過程;3)引導(dǎo)醫(yī)生是根據(jù)治療效果,通過實驗試錯和搜索尋優(yōu)后獲得的一組最優(yōu)狀態(tài)的虛擬醫(yī)生.虛擬醫(yī)生是實體醫(yī)生的抽象化.在實際診療過程中,不同病例需要不同的知識表示來應(yīng)對不同的病例治療,在實際的虛擬化過程中需要靈活針對不同的需要進(jìn)行不同的虛擬化醫(yī)生的虛擬化表示.平行高特[25]針對痛風(fēng)治療的特點,提出使用知識圖譜對實際醫(yī)生進(jìn)行虛擬數(shù)字化.在實際的應(yīng)用中,可以通過不同病癥的不同特點,對醫(yī)生的知識技能進(jìn)行合理的模型化以實現(xiàn)醫(yī)生的數(shù)字化.

2) 虛擬患者

健康問題是一個復(fù)雜的問題,為了更好地對患者的狀況作出評估,需要對患者進(jìn)行全面的建模,即虛擬化患者的各項數(shù)據(jù)指標(biāo)的建模而產(chǎn)生的.虛擬患者是通過仿真手段構(gòu)建與實際患者保持一致的、一個或者多個歷史出現(xiàn)過或未來可能產(chǎn)生的患者的模型.與虛擬醫(yī)生類似,虛擬患者也有三種狀態(tài)來應(yīng)對患者的康復(fù)過程,使得患者的康復(fù)過程是最優(yōu)的.描述患者是當(dāng)前患者身體狀態(tài)的具體描述,結(jié)合患者的發(fā)病原因、當(dāng)前的身體生理狀況、當(dāng)前治療的狀態(tài)等因素實現(xiàn)對患者的描述虛擬化.預(yù)測患者指的是針對特定的描述患者,根據(jù)其各項數(shù)據(jù)與參數(shù),結(jié)合虛擬醫(yī)生給出的多種不同的實驗診療方案,將方案分別應(yīng)用于同一描述患者,進(jìn)行計算實驗,從而得到不同當(dāng)前的描述患者的將來可能出現(xiàn)的狀態(tài)[25].預(yù)測患者給出了不同的診療方案對應(yīng)的不同的結(jié)果,為了更好幫助患者進(jìn)行康復(fù),需要選擇最優(yōu)的治療方案對患者進(jìn)行診療.引導(dǎo)患者指的是針對描述患者期望的治療目標(biāo),通過對計算實驗結(jié)果進(jìn)行評估得到的最優(yōu)的治療方案,應(yīng)用于描述患者,通過平行執(zhí)行的方式同時作用于實際患者,引導(dǎo)實際患者走向最終的康復(fù).

3) 虛擬護(hù)理人員

患者康復(fù)除了需要醫(yī)生的診療,護(hù)理人員對患者的合理護(hù)理也是重要因素之一.虛擬護(hù)理人員與虛擬醫(yī)生類似,有三種不同的狀態(tài),即描述護(hù)理人員、預(yù)測護(hù)理人員和引導(dǎo)護(hù)理人員.描述護(hù)理人員指的是通過對護(hù)理人員的護(hù)理經(jīng)驗、以往的護(hù)理案例的描述,以一定的知識表示的與當(dāng)前的實際護(hù)理人員對應(yīng)的虛擬護(hù)理人員.預(yù)測護(hù)理人員指的是針對具體描述的患者護(hù)理任務(wù),描述護(hù)理人員通過對患者信息等進(jìn)行分析,通過計算實驗搜索到最優(yōu)的護(hù)理模式與隨訪模式.引導(dǎo)護(hù)理人員根據(jù)具體的護(hù)理與隨訪方案,對描述患者與實際患者同時作出護(hù)理動作,通過計算實驗結(jié)果達(dá)到對實際患者的護(hù)理起到引導(dǎo)作用.

4) 其他虛擬參與者

除了以上提到的主要的參與者如患者、醫(yī)生及護(hù)理人員組成醫(yī)院的基本功能模塊外,醫(yī)院具體的運營還需要其他的管理人員與家屬的參與.管理人員針對當(dāng)前醫(yī)院運行的情況與歷史數(shù)據(jù),通過平行學(xué)習(xí)[39]的方式對醫(yī)院的后續(xù)運營作出合理的規(guī)劃與安排.依據(jù)管理人員角色的需要,以及管理人員的管理能力、歷史案例等因素定義不同形態(tài)的虛擬管理人員來實現(xiàn)對醫(yī)院的正常運營與管理.

針對具有重大疾病的患者,患者本身不適合被告知病情或者無能力被告知病情的時候,為了系統(tǒng)的完整性,需要家人作為患者的代理接受醫(yī)生的詢診與護(hù)理人員的間接護(hù)理.在這樣的情況下,根據(jù)需要對家屬進(jìn)行數(shù)字化,對患者達(dá)到部分或者是全部代理的目的.

2.4 應(yīng)用層智能系統(tǒng)

基于智能化醫(yī)院操作系統(tǒng)平臺,基于ACP 理論虛擬交互的智能化應(yīng)用可以被開發(fā)出來,方便系統(tǒng)參與人員的智能化交互.這里以醫(yī)院基本的智能化系統(tǒng)進(jìn)行說明來闡述ACP 理論在構(gòu)建醫(yī)院不同智能化子系統(tǒng)所起到的指導(dǎo)性作用.下面對醫(yī)院醫(yī)療活動涉及到的相關(guān)智能化系統(tǒng)進(jìn)行說明,主要包括與醫(yī)護(hù)有關(guān)的智能化診療系統(tǒng)、智能化護(hù)理系統(tǒng),員工培訓(xùn)的智能化培訓(xùn)系統(tǒng)以及與醫(yī)院管理運行有關(guān)的智能化設(shè)備管理系統(tǒng)與智能化運營系統(tǒng).

2.4.1 智能化診療系統(tǒng)

醫(yī)生與具體的健康問題組成一套診療流程.為了更好實現(xiàn)對具體疾病的診療,利用已有的虛擬醫(yī)生構(gòu)成對應(yīng)的虛擬診療流程,與實際的診療流程構(gòu)成平行的智能化診療系統(tǒng).隨著人工智能與互聯(lián)網(wǎng)+在醫(yī)療領(lǐng)域的深入,越來越多的診療過程都有了智能化輔助診斷的影子.在統(tǒng)一的資源調(diào)度與管理的基礎(chǔ)邏輯層的支撐下,結(jié)合ACP 方法理論,可以構(gòu)建不同的平行智能診療系統(tǒng).

如圖6 展示了在智能化系統(tǒng)中基于ACP 理論的虛擬交互的醫(yī)生對患者的診療過程:

圖6 基于ACP 的智能化診療流程Fig.6 Intelligent diagnosis process based on ACP theory

1) 根據(jù)患者當(dāng)前的狀態(tài),預(yù)測醫(yī)生根據(jù)患者的情況,結(jié)合已有的醫(yī)療大數(shù)據(jù)知識庫與描述醫(yī)生已有的知識儲備,推薦出對應(yīng)的診療方案.

2) 根據(jù)診療方案與描述患者,利用預(yù)測患者對診療方案進(jìn)行評估,反饋于虛擬醫(yī)生與實際醫(yī)生.

3) 實際醫(yī)生根據(jù)系統(tǒng)結(jié)合自己已有的知識對推薦治療方案進(jìn)行調(diào)整反饋給系統(tǒng),系統(tǒng)對對應(yīng)的描述醫(yī)生與描述患者作出相應(yīng)的狀態(tài)更新.

4) 通過虛實結(jié)合的方式確定最終的診療方案,實現(xiàn)虛擬醫(yī)生對實際醫(yī)生的引導(dǎo)診療作用.

對實際的治療過程進(jìn)行實時跟蹤是對患者進(jìn)行健康醫(yī)療所必需的,即ACP 的平行執(zhí)行步驟.手術(shù)治療是診療環(huán)節(jié)的重要組成部分,但是不同的醫(yī)生由于臨床經(jīng)驗與對患者情況的認(rèn)知不同,給出的手術(shù)方案卻千差萬別[27].利用臨床醫(yī)學(xué)的循證醫(yī)學(xué)的三要素臨床經(jīng)驗、患者情況與以往案例,系統(tǒng)可以推薦得到對應(yīng)患者具體獨特的手術(shù)方案.可以使用智能化輔助來實時對手術(shù)過程進(jìn)行跟蹤與微調(diào),達(dá)到最佳的治療效果.圖7 給出了在平行醫(yī)院的基礎(chǔ)上的基于ACP 平行手術(shù)治療過程.

圖7 基于ACP 的平行手術(shù)流程Fig.7 Parallel operations based on ACP theory

2.4.2 智能化護(hù)理系統(tǒng)

患者的康復(fù)治療既離不開醫(yī)生的專業(yè)治療,也離不開護(hù)理人員的專業(yè)護(hù)理.利用ACP 技術(shù),對患者與護(hù)理人員進(jìn)行數(shù)字化建模,結(jié)合實際護(hù)理與虛擬護(hù)理過程,實現(xiàn)對患者最佳的護(hù)理途徑.圖8 展示了基于ACP 方法的計算實驗給出具體患者的護(hù)理方案.

圖8 基于ACP 的智能化護(hù)理系統(tǒng)Fig.8 Intelligent nursing process based on ACP theory

與醫(yī)生的診療過程類似,對護(hù)理過程的跟蹤是平行執(zhí)行的具體體現(xiàn),這里不再贅述.

2.4.3 智能化培訓(xùn)學(xué)習(xí)系統(tǒng)

醫(yī)護(hù)人員是國民健康的主要保障,相比其他行業(yè),專業(yè)的醫(yī)護(hù)人員的培養(yǎng)周期更長.虛擬醫(yī)院是全體醫(yī)療人員經(jīng)驗與技術(shù)的集合,不同的虛擬醫(yī)生對應(yīng)實際醫(yī)生的不同實體,是具體的知識圖譜與案例經(jīng)驗的集合,新入職的醫(yī)生可以通過研讀相關(guān)醫(yī)生的案例與知識存儲來快速實現(xiàn)對自己的知識庫的建立與自己虛擬數(shù)字醫(yī)生的構(gòu)建,縮短醫(yī)護(hù)人員的培養(yǎng)周期,快速進(jìn)入相關(guān)的工作崗位.

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù),培訓(xùn)人員可以直接與實際的案例與人體器官等進(jìn)行交互、對相關(guān)的操作進(jìn)行虛擬化驗證,直觀學(xué)習(xí)實際醫(yī)療過程的操作步驟與技巧,極大提高職工對自己工作的直觀認(rèn)識,實現(xiàn)未正式入職卻通過人工醫(yī)療實驗室積累大量可以直接應(yīng)用于臨床的醫(yī)療實踐經(jīng)驗.

2.4.4 智能設(shè)備管理系統(tǒng)

平行醫(yī)院的智慧操作系統(tǒng)對醫(yī)院的相關(guān)角色納入了管理范疇.醫(yī)院的智能化管理離不開對醫(yī)院相關(guān)設(shè)施的管理.平行醫(yī)院的人工系統(tǒng)對醫(yī)院進(jìn)行了整體的描述,通過虛擬現(xiàn)實的方式對醫(yī)院整體進(jìn)行了管理與可視化.利用計算機(jī)視覺感知技術(shù)結(jié)合計算機(jī)三維建模技術(shù)可以實現(xiàn)對醫(yī)院場景進(jìn)行人工建模,同時利用計算機(jī)視覺技術(shù)將實際場景的變化動態(tài)更新到系統(tǒng)中,實現(xiàn)對實際場景的動態(tài)感知與智能化管理.同時,可以結(jié)合計算實驗對相關(guān)決策進(jìn)行在線評估,為決策提供依據(jù).如對不同病區(qū)的待診人員進(jìn)行分析,實現(xiàn)對醫(yī)院實時動態(tài)的人員流動作出統(tǒng)計并動態(tài)分配醫(yī)護(hù)工作者的工作崗位分布,實現(xiàn)快速高效服務(wù)于患者.

同時,實現(xiàn)在線長期化對醫(yī)院硬件建筑的追蹤規(guī)劃,在線化維護(hù)醫(yī)院建筑與相關(guān)的醫(yī)療設(shè)備.利用相關(guān)的技術(shù)對醫(yī)院的硬件設(shè)施進(jìn)行數(shù)字化建模,方便設(shè)備的維修與管理,為其他系統(tǒng)如員工培訓(xùn)、設(shè)備維護(hù)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的調(diào)度信息.根據(jù)不同設(shè)備運行的實時數(shù)據(jù)可以展示當(dāng)前不同科室的位置、手術(shù)間狀態(tài)以及對應(yīng)的設(shè)備的運行狀態(tài)等.總之,利用數(shù)字建模技術(shù),在虛擬空間實現(xiàn)對醫(yī)院的相關(guān)硬件的維護(hù)、追蹤、維護(hù)與調(diào)度.

2.5 智能化運營系統(tǒng)

平行醫(yī)院對一切設(shè)備以及參與人員進(jìn)行了虛擬數(shù)字化表示,為醫(yī)院的運營帶來了便利.虛擬化的醫(yī)院可以動態(tài)立體展示當(dāng)前醫(yī)院運行的不同的數(shù)據(jù),對歷史數(shù)據(jù)的挖掘來實現(xiàn)對醫(yī)院歷史地分析,對各個科室的醫(yī)療歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析實現(xiàn)精確配置醫(yī)院的相關(guān)資源.基于設(shè)備及人員活動的歷史數(shù)據(jù),結(jié)合醫(yī)院的發(fā)展目標(biāo),可以方便調(diào)度人員與設(shè)備的實際配置,達(dá)到資源的最優(yōu)化、服務(wù)最優(yōu)化與利益的最大化.根據(jù)對設(shè)備的歷史維護(hù)數(shù)據(jù)的挖掘?qū)崿F(xiàn)對不同設(shè)備制定相應(yīng)的預(yù)防性保養(yǎng)措施,提高醫(yī)院硬件整體的運行效率,使得后勤部門最終能夠高效快速服務(wù)于患者與一線的醫(yī)護(hù)人員.

3 案例分析:天壇醫(yī)院

首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院為了實現(xiàn)對醫(yī)院的精細(xì)化管理與運營,對平行醫(yī)院的理念進(jìn)行了實踐,構(gòu)建了基于CPSS 的天壇醫(yī)院智慧管理中心“天壇大腦”.天壇醫(yī)院智慧運營管理平臺將臨床、醫(yī)技、醫(yī)輔、財務(wù)、人事、資產(chǎn)、物資等多系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,實現(xiàn)了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等不同醫(yī)院數(shù)據(jù)的高度融合與統(tǒng)一化管理,實現(xiàn)了從業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)、價值管理到智能運營、智慧決策等一系列智慧管理[40].圖9 為在京舉行的天壇大腦啟動儀式暨公立醫(yī)院精細(xì)化運營管理交流活動.天壇大腦從數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)集成到功能集成、統(tǒng)一化管理,初步形成了智能化與數(shù)字可視化的運營管理平臺.

圖9 天壇大腦啟動儀式暨公立醫(yī)院精細(xì)化管理交流活動[40]Fig.9 Tiantan brain launch ceremony and public hospital refined management exchanges[40]

依托 “天壇家”職工服務(wù)平臺,在智能化設(shè)備管理維護(hù)方面,對相關(guān)設(shè)備的管理、查看與維護(hù)達(dá)到了實時化、智能化,維修狀態(tài)實時追蹤閉環(huán)的管理模式.通過對設(shè)備相關(guān)歷史數(shù)據(jù)的分析挖掘,實現(xiàn)對設(shè)備設(shè)施的預(yù)防式維護(hù)保養(yǎng).自 “天壇家” 于2019 年9 月26 日上線至2020 年8 月26 日,智能化設(shè)備管理系統(tǒng)工單總量達(dá)26948 單,較上年同期下降11.1 %,總掛單量較上年同期下降17.3 %[40].在新系統(tǒng)的促使下,平均完工較上年同期提升50 %,極大提升了后勤客戶服務(wù)的滿意度,相較上年同期提升5.5 %[40].

住院智能化管理方面,2019 年12 月與上年同期相比,醫(yī)院的月均每診位診次較同期提高了28.68 %,住院手術(shù)量較同期提高38.25 %,床位使用率同期提高10.91 %.在業(yè)務(wù)量逐漸增加的情況,患者平均住院日相比上年同期下降了1.3 天,百元醫(yī)療收入消耗衛(wèi)生材料指標(biāo)下降0.91 %.

在智能化系統(tǒng)的支撐下,醫(yī)院的核磁共振、CT(Computed tomography)、超聲與數(shù)字減影血管造影的檢查人次均呈現(xiàn)增長的趨勢,相較于上年同期分別提高了33.02 %、26.52 %、53.13 %及44.21 %[40].圖10 展示了天壇大腦的管理控制中心.天壇醫(yī)院以信息智能化建設(shè)為工具,全面落實了國務(wù)院關(guān)于現(xiàn)代化醫(yī)院管理制度和三級公立醫(yī)院績效考核的相關(guān)要求.

圖10 天壇大腦Fig.10 Tiantan Brain

4 展望

醫(yī)療健康是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與國民幸福指數(shù)的主要保障.基于平行智能理論[41]而提出的平行醫(yī)學(xué)的醫(yī)學(xué)發(fā)展理念為智能化技術(shù)在醫(yī)療健康領(lǐng)域落地并發(fā)揮作用提供了一個統(tǒng)一有效的應(yīng)用架構(gòu),必將推動智能醫(yī)學(xué)的深度發(fā)展.本文作為平行醫(yī)學(xué)理念的實踐,針對目前醫(yī)療實踐中看病難、看病貴等社會性問題以及由于缺乏人文關(guān)懷的醫(yī)患關(guān)系緊張等醫(yī)學(xué)人文性復(fù)雜問題,結(jié)合醫(yī)學(xué)自身發(fā)展的科學(xué)性復(fù)雜問題,提出新一代智慧化的醫(yī)院智慧操作系統(tǒng)—平行醫(yī)院.

作為平行醫(yī)學(xué)的具體實踐方案,平行醫(yī)院的提出,必將會對已有的醫(yī)療體系與健康體系造成變革性沖擊,帶來未來醫(yī)院智能化發(fā)展甚至是醫(yī)療實施與發(fā)展方式的變革.

首先,平行醫(yī)院的提出為醫(yī)院的運營與發(fā)展帶來巨大變革.平行醫(yī)院的提出對醫(yī)院進(jìn)行了全面化的建模,不同部門的人員及醫(yī)療設(shè)備的運行情況實時進(jìn)行管理與優(yōu)化,實現(xiàn)對醫(yī)院資源的動態(tài)合理調(diào)度或者是預(yù)分配,提高資源的利用最大化與服務(wù)優(yōu)質(zhì)化.同時,平行醫(yī)院對實體醫(yī)院的數(shù)字化是醫(yī)療資源共享的第一步,接下來為遠(yuǎn)程醫(yī)療、智慧醫(yī)療的全面發(fā)展提供了最基本的保障,為醫(yī)院的發(fā)展帶來巨大變革.

其次,平行醫(yī)院的提出為臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展起到積極的作用.平行醫(yī)院提出以操作系統(tǒng)的概念來組織統(tǒng)一醫(yī)院的不同資源,構(gòu)建了不同的詳細(xì)的醫(yī)療記錄體系,必然可以實現(xiàn)大量的臨床醫(yī)療數(shù)據(jù)的積累.海量的醫(yī)療數(shù)據(jù)是循證醫(yī)學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ).量變必將引起質(zhì)變,醫(yī)療大數(shù)據(jù)必將帶來醫(yī)療領(lǐng)域的巨大創(chuàng)新,極大促進(jìn)醫(yī)療專業(yè)的發(fā)展,為人類的健康帶來新的機(jī)遇.

最后,平行醫(yī)院的提出帶來了醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)的巨大的變革.同理,醫(yī)療數(shù)據(jù)基礎(chǔ)平臺的發(fā)展必然帶來醫(yī)療案例的爆發(fā)式增長,新入職的員工可以通過案例智能化分析快速掌握本專業(yè)相關(guān)的臨床經(jīng)驗,構(gòu)建自己的知識體系,即描述醫(yī)生.同時,平行醫(yī)院診療等系統(tǒng)將虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為基本的技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療過程的方方面面,利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以快速使得新入職的醫(yī)生快速、立體、直觀對不同的人體器官及對應(yīng)的具體的醫(yī)療操作進(jìn)行觀摩或在人工實驗室進(jìn)行模擬操作,快速掌握相關(guān)的醫(yī)學(xué)操作.

與此同時,本文提出的平行醫(yī)院還可以進(jìn)一步結(jié)合新興的區(qū)塊鏈和智能合約技術(shù),在醫(yī)療領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從聯(lián)邦數(shù)據(jù)到聯(lián)邦智能的聯(lián)邦生態(tài)[42],即在分布式的聯(lián)邦平行醫(yī)院節(jié)點間,構(gòu)建以基于區(qū)塊鏈的聯(lián)邦安全、聯(lián)邦共識、聯(lián)邦激勵、聯(lián)邦合約為支撐技術(shù),以聯(lián)邦數(shù)據(jù)、聯(lián)邦控制、聯(lián)邦管理、聯(lián)邦服務(wù)為核心的面向隱私保護(hù)和數(shù)據(jù)安全、資源協(xié)同管理的統(tǒng)一整體.以平行醫(yī)院中的智能化診療系統(tǒng)為例,單個醫(yī)療機(jī)構(gòu)可掌握的本地隱私醫(yī)療數(shù)據(jù)庫規(guī)模有限且不支持共享,僅使用本地病例樣本訓(xùn)練得到的智能輔助診療模型的效果難以滿足臨床應(yīng)用需求,則利用聯(lián)邦生態(tài)系統(tǒng)可在多家醫(yī)療機(jī)構(gòu)間協(xié)作構(gòu)建表現(xiàn)更好的聯(lián)邦診療模型,當(dāng)接收到新患者時,可基于該聯(lián)邦診療模型融合多家醫(yī)療機(jī)構(gòu)的多種診療結(jié)果,從而提高智能化診療系統(tǒng)的整體性能.

具體地,在文獻(xiàn)[43]中我們提出了一種稱為人工認(rèn)證(Artificial identification)的基于區(qū)塊鏈的隱私聯(lián)邦學(xué)習(xí)框架,如圖11 所示為該框架結(jié)合本文平行醫(yī)院后的運行機(jī)制.人工認(rèn)證框架整體運行在一條區(qū)塊鏈上,由隱私點對點認(rèn)證和隱私聯(lián)邦學(xué)習(xí)兩個模塊組成,兩個模塊的主要功能分別由認(rèn)證智能合約和協(xié)同訓(xùn)練智能合約實現(xiàn).分布式平行醫(yī)院節(jié)點首先在鏈下組成醫(yī)療聯(lián)盟并在聯(lián)盟內(nèi)協(xié)商和共享預(yù)設(shè)聯(lián)盟信息;之后,借助隱私點對點認(rèn)證模塊在鏈上進(jìn)行相互識別和認(rèn)證,實現(xiàn)鏈下醫(yī)療聯(lián)盟到鏈上醫(yī)療聯(lián)盟的轉(zhuǎn)換;最后,借助隱私聯(lián)邦學(xué)習(xí)模塊在鏈上聯(lián)盟內(nèi)協(xié)同訓(xùn)練聯(lián)邦診療模型,并在協(xié)作結(jié)束后實施公平的獎懲.實驗證明,人工認(rèn)證框架以可接受的協(xié)作成本成功提高了聯(lián)邦學(xué)習(xí)的隱私性、安全性和去中心化程度,并具有高度的可擴(kuò)展性.而進(jìn)一步地,基于射頻識別技術(shù)(Radio frequency identification,RFID),人工識別框架中預(yù)設(shè)的共享聯(lián)盟信息可被存儲在電子標(biāo)簽或射頻卡中.通過在可信醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上粘貼電子標(biāo)簽或向醫(yī)療參與人員發(fā)放射頻卡,同時在可信執(zhí)行環(huán)境(Trusted execution environment,TEE)中預(yù)置標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)審核的智能合約交互程序,人工識別框架可實現(xiàn)大規(guī)模平行醫(yī)院集群的自動鏈上識別和自主聯(lián)邦學(xué)習(xí),從而為未來醫(yī)療領(lǐng)域聯(lián)邦生態(tài)的構(gòu)建奠定基礎(chǔ).

圖11 人工認(rèn)證:一種基于區(qū)塊鏈的隱私聯(lián)邦學(xué)習(xí)框架[43]Fig.11 Artificial identification:A novel privacy framework for federated learning based on blockchain[43]

致謝

本文作者特別感謝博士生張文文、鄭文博、嚴(yán)嵐、王建功、歐陽麗煒為本文整理資料和錄入手稿,工程師畢臨風(fēng)為本文提供案例分析資料.同時,感謝國家自然科學(xué)基金委、首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院、中國科學(xué)院自動化研究所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點實驗室、中國科學(xué)院大學(xué)人工智能學(xué)院、中國澳門科技大學(xué)系統(tǒng)工程研究所等機(jī)構(gòu)與組織對本文研究的支持.