Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ существующих медицинских информационных систем и методов их проектирования 15
1. 1. Анализ существующих медицинских информационных систем.. 15
1.2. Анализ применяемых систем управления базами, данных и методов проектирования медицинской информационной системы 23
Глава II. Архитектура и функции медицинской информационной системы 31
2.1. Общее описание и характеристика медицинской информационной системы 31
2. 2. Описание архитектуры системы 31
2.3. Примеры интерфейсных форм медицинской информационной системы 36
Глава III. Анализ процесса эксплуатации медицинской информационной системы 44
3.1. Анализ времени работы пользователей 45
3.2. Анализ операций, выполняемых информационной системой с базами данных 47
3. 3. Анализ нагрузки на информационную систему 50
3; 4. Анализ нагрузки на информационную сеть 53
3. 5. Анализ использования базы данных 55
3. 6. Анализ эффективности применения двух и более серверов 57
Глава IV. Разработка структуры базы данных медицинской информационной системы . 61
4.1. Определение и анализ факторов, влияющих на эффективность структуры базы данных 61
4. 2. Методика построения структуры базы данных 65
4.3. Особенности применения промежуточного программного обеспечения 71
4. 4. Анализ эффективности предложенной методики 75
4.4. 1. Результаты использования вариабельного ядра базы данных 75
4.4.2. Анализ эффективности применения промежуточного программного обеспечения 80
Глава V. Математическая модель информационной сети учреждения здравоохранения 84
5.1. Структура и основные особенности информационной сети учреждения здравоохранения 84
5. 2. Определение объема базы данных текущих документов 85
5. 3. Определение времени подключения к базе данных 89
5.4. Выбор оптимальной схемы информационной сети учреждения здравоохранения. 93
5. 5. Исследование задачи и выбор методов ее решения 100
5. 6. Алгоритм решения задачи 102
5. 6. 1. Алгоритм решения задачи методом ветвей границ 102
5.6.2. Методика решения в произвольном учреждении здравоохранения 105
Заключение.110
Список использованной литературы 113
Приложения 128
Приложение
- Анализ применяемых систем управления базами, данных и методов проектирования медицинской информационной системы
- Описание архитектуры системы
- Анализ операций, выполняемых информационной системой с базами данных
- Методика построения структуры базы данных
Введение к работе
Актуальность темы исследования. За последние годы в медицине значительно увеличилось количество новых методов диагностики и лечения. Объем информации о состоянии здоровья пациентов, который необходимо обрабатывать врачу, значительно вырос. Кроме того, данные о состоянии здоровья каждого пациента, как правило, рассредоточены по нескольким лечебно-профилактическим учреждениям (ЛПУ), оказывающим помощь в профилактике и лечении заболеваний. В то же время не вызывает сомнений необходимость интеграции всех этих данных. Ежедневно в каждом ЛПУ решается ряд серьезных задач, связанных с внесением, обработкой и хранением медицинской информации, практическим управлением потоками информации, краткосрочным и долгосрочным планированием, статистическим и финансовым анализом.
Для эффективного решения этих задач необходимо применение комплексных медицинских информационных систем (МИС), позволяющих обрабатывать информацию по всей цепочке движения пациента: поступление - диагностика - лечение - реабилитация - мониторинг. Последние исследования и разработки в области построения МИС показали, что применение традиционных методов их разработки не дает необходимого эффекта. Это вызвано, во-первых, низкой эффективностью использования дискового пространства в случае применения реляционных систем управления базами данных (СУБД) в предметной области. Во-вторых, применение табличной формы представления данных в МИС усложняет структуру базы данных (БД) и затрудняет ее настройку под конкретное ЛПУ. Кроме того, работа с таблицами существенно отличается от привычной для медицинских работников работы с документами. В связи с этим, использование существующих МИС не может обеспечить полный переход на электронный документооборот в отечественных учреждениях здравоохранения.
Целью настоящего исследования явилась разработка, анализ и оценка эффективности методов проектирования комплексной медицинской информационной системы с использованием математического моделирования процессов ее функционирования.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи
-
Определить основные недостатки традиционных технологий разработки медицинских информационных систем, снижающие эффективность их применения.
-
Разработать комплексную медицинскую информационную систему, отвечающую современным требованиям г^унктшпннрования многопро-фильного учреждения здравоохранения.
оэ щ ы
— *"%#{
-
Определить и классифицировать управляемые и неуправляемые факторы, оказывающие влияние на эффективность работы комплексной медицинской информационной системы.
-
Разработать метод построения структуры баз данных медицинской информационной системы с учетом специфики предметной области и выявленных недостатков традиционных технологий их разработки.
-
Разработать математическую модель информационной сети учреждения здравоохранения с учетом установленных требований и выявленных управляемых факторов. Определить показатели эффективности внедрения информационной системы, на основании которых можно адекватно управлять работой МИС.
Научная новизна работы состоит в том, что:
1) Проведен комплексный анализ существующих МИС и определены
современные требования к ним, а также выявлены основные факторы,
влияющие на снижение эффективности функционирования МИС.
-
Проведен анализ показателей эксплуатации разработанной МИС в зависимости от специфики предметной области.
-
Разработан новый метод построения структуры БД МИС, что позволило обеспечить необходимые значения показателей ее работы в течение длительного срока эксплуатации.
-
Предложено осуществлять разработку МИС с применением промежуточного программного обеспечения, отвечающего за доступ к БД, созданной на основе новой методики.
-
Разработана математическая модель информационной сети учреждения здравоохранения с учетом особенностей предметной области и поставленных задач, проведена проверка ее адекватности. Предложен приближенный алгоритм решения математической модели с возможностью адаптации внедряемой МИС к специфичным условиям конкретного ЛПУ.
Научно-практическая значимость работы. Применение полученных в исследовании результатов позволило разработать МИС, которая имеет практический опыт успешного применения в медицинском центре, включающем поликлинику и реабилитационный центр. Получено свидетельство Министерства здравоохранения России на право ее использования в учреждениях здравоохранения Российской Федерации. Технологические решения, применяемые в системе, позволяют полностью автоматизировать медицинское учреждение любой структуры и специализации.
Использование системы позволяет сократить время работы врача с некоторыми видами документов в 4-5 раз, снизить затраты на проведение профилактических осмотров на 25-30% за счет автоматического анализа имеющейся информации в базе данных. Применение подсистемы планирования рабочего времени в учреждении стационарного типа позволяет исключить очереди пациентов перед лечебно-диагностическими кабине-
тами, а в поликлинике снизить их на 30-60% в зависимости от сезона и уровня заболеваемости.
Одним из самых главных качественных результатов является то, что у врача, несущего наибольшую ответственность за состояние здоровья пациента, имеется полное представление о больном, поскольку он сам оперативно организует и контролирует его диагностику и лечение. При этом в практику работы персонала входят новые информационные технологии, такие как совместный авторизованный доступ к амбулаторной карте и истории болезни, автоматизация рутинных операций, доступ к информационно-справочным ресурсам, автоматическое заполнение документов, исключение недостатков бумажных носителей, контроль качества, стандартизация лечения и диагностики. Применение предложенных математических моделей позволяет осуществлять оптимальный выбор схемы внедрения МИС, при этом выполняется адаптация и автоматическая настройка системы с учетом специфики конкретного ЛПУ.
Основные положения, выносимые на зашиту:
-
Результаты практического исследования разработанной МИС.
-
Методика проектирования структуры БД МИС.
-
Методика разработки МИС с применением специального промежуточного программного обеспечения.
-
Результаты исследования эффективности предложенных методик.
-
Математическая модель информационной сети ЛПУ. Формула для расчета прогностического времени подключения к БД. Алгоритм выбора оптимальной схемы внедрения МИС.
Публикации и апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на:
Научной сессии Карельского научно-медицинского центра Северо-Западного отделения Российской академии медицинских наук [Петрозаводск, 2001]. Доклад «Опыт использования больничной информационной системы в санатории-профилактории ОАО «Кондопога». Научно-практической конференции «Медицинские информационные системы» [Кондопога, 2002]. Доклад «Опыт разработки и внедрения информационной системы «Кондопога»: выводы и перспективы». 8 Всероссийском съезде сердечно-сосудистых хирургов. Институт сердечно-сосудистой хирургии им. А.Н.Бакулева [Москва, 11-16 сентября 2002 г.]. Доклад «Медицинская информационная система в здравоохранении».
Кафедре прикладной математики и кибернетики Петрозаводского государственного университета.
Результаты исследования и основные положения диссертации изложены в 14 печатных работах, среди них 1 монография, 4 печатных статьи в центральных изданиях, 9 тезисов. Личный вклад автора: проведен анализ отечественных и зарубежных МИС;
разработана МИС, отвечающая современным
требованиям;
предложена новая методика проектирования структуры БД МИС;
предложена методика разработки МИС с применением специального
промежуточного программного обеспечения;
предложены формулы для расчета планируемого объема БД МИС и
прогностического времени подключения к БД МИС;
разработана математическая модель информационной сети ЛПУ;
предложен приближенный алгоритм выбора оптимальной схемы
внедрения МИС.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 144 страницах машинописного текста и включает 23 таблицы, 23 рисунка, 12 графиков, 8 схем, 36 формул. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и практических рекомендаций, а также 5 приложений на 12 страницах. В списке литературы содержится 156 источник литературы, в том числе 130 отечественных и 26 иностранных.
Анализ применяемых систем управления базами, данных и методов проектирования медицинской информационной системы
По сведениям цитируемой [23, 60, 115, 136, 137, 149, 150, 154,.155] литературы и на основании опыта автора диссертации [25, 27, 28, 29 32, 99, 100, 101], разработка структуры медицинской информационной системы - достаточно сложная и ответственная задача, решение которой, в зависимости от целей, назначения и возможностей организации могут потребовать значительных затрат финансовых и материальных средств.
В начале проектирования МИС необходимо определиться с выбором системы управления базой данных (СУБД) и инструментарием разработки [78, 117, 154, 155]. Примерно 30% успеха подобных проектов определяется выбором технологии [27, 29, 34]. По мнению ряда авторов, медицина является плохо структурированной и трудно формализуемой предметной областью [3, 45, 78, 85, 154, 155], поэтому при разработке медицинской информационной системы необходимо соблюдать следующие требования: Соответствовать архитектуре — «Клиент-Сервер» [2, 3, 10, 16, 84, 154]; Хранить и обрабатывать документы, построенные на фактографической информации, с обеспечением основных функций существующих систем документооборота [2, 11, 24, 29, 31, 34, 155]; Обеспечивать концептуальную целостность и компонентный подход к реализации системы на основе модульной архитектуры [2, 24 76, 78, 155]; Особо отмечается требование применять единую медицинскую карту пациента [27, 60] или т.н. «паспорт здоровья» [34]; Поддерживать мультиплатформенность и масштабируемость для увеличения гибкости развертывания системы и снижения затрат на внедрение [27,28,29,34,117,143]; Обеспечивать универсальность и возможности настройки, т.е. иметь внутренний конструктор [2, 31, 78, 82]; Автоматически выполнять резервное копирование баз данных и основных приложений [13, 27, 31, 59, 97, 117]; Базироваться на надежной и проверенной временем подсистеме безопасности [2, 8, 31, 78, 87, 107, 111, 116, 118].
Отмечено, что в настоящее время отсутствуют программные комплексы, позволяющие в полной мере выполнить все указанные требования для МИС[78].
Среди промышленных СУБД, основанных на архитектуре «Клиент-Сервер» и применяемых при разработке МИС, выделяются 2 принципиально разных вида: реляционный и постреляционный (объектно-ориентированный)
[ПО]. Как показано в [45, 78, 143], каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Там же делается вывод о возможности их совместного использования, при котором преимущества усиливаются, а недостатки нейтрализуются. Необходимо отметить, что любая из этих технологий может быть использована для моделирования любой базы данных. Конвертирование одной базы данных в другую легко автоматизируется. Преимущество же лежит в удобстве и простоте для разработчиков МИС, для персонала, обслуживающего их и для пользователей.
Преимущества проявляются в двух видах: теоретические преимущества одной технологии над другими и практические преимущества, которые зачастую имеют скорее рыночный, нежели программно-технический характер [78, ПО, 155].
В настоящее время в России 92% из всех существующих МИС разработано на основе реляционных СУБД (рис. 6).. Преимущественно применяются следующие реляционные СУБД: Oracle, IBM DB2, Informix, Borland Interbase Server, MS SQL Server, MySQL и некоторые другие. В основном используется СУБД Microsoft SQL Server, чья доля составляет 62% (Рис. 7). Этот факт отчасти обуславливает недостаточную распространенность имеющихся на рынке медицинских информационных систем, созданных с применением реляционной СУБД.
На практике использование объектно-ориентированной СУБД (ООСУБД) в медицине представляется наиболее эффективным [11, 27, 31, 78] по следующим причинам:
Сложно предусмотреть все виды информации, которую необходимо І будет хранить в БД. Не исключены случаи, когда даже в работающий вариант необходимо будет добавлять новый признак или поле произвольной структуры и формата. При реляционном способе это вызовет больше трудозатрат программиста [155]. Так, вработе [114] отмечено, что «...любое изменение, структурьь хранимых данных, приводит к внесению изменений в структуру таблиц, эти данные отображающих. Несложная на этапе разработки, эта операция становится крайне проблематичной при больших объемах данных или при отсутствии у разработчика непосредственного доступа к БД; например, если она находится у заказчика»;
БД большой по масштабам МИС при реляционном способе представляет собой большое количество самых разных таблиц с множественными связями» и индексами [117]! А. Тенцер отмечает, что неэффективна «... работа с БД; исторически разросшейся до сотен таблиц, структуру которой сложно даже изобразить в читабельном виде» [114]; Он же отмечает необходимость разработать «... структуру базы данных, не требующую переделок при появлении новых сущностей и позволяющую хранить произвольную и при этом достаточно простую и эффективную информацию»;
Описание архитектуры системы
Для функционирования медицинской информационной системы используется объектно-реляционная база данных, с преобладанием приложений, использующих объектно-ориентированную технологию. База данных (БД) медицинской информационной системы позволяет накапливать полную информацию о состоянии , здоровья человека на протяжении всей его жизни. Сбор: и хранение информации осуществляется на основе электронных формализованных документов. В момент эксплуатации МИС возможно самостоятельное добавление любых новых документов или новых параметров в существующие документы.
В качестве программной платформы для сервера может использоваться MS Windows NT/2000 (Intel или Alpha), MS Windows 95/98/Me/XP, GS/2, AIX, HP-UX, Solaris (SPARC или Intel), OS/400; OS/390; Linux (IA-32) [50]. Работаї клиентской части поддерживается на платформе MS Windows 95/98/Ме/2000/ХР и: Mac OS X. В качестве сервера объектно-ориентированной базы данных используется Lotus Domino R6.0.3 Enterprise Server. В качестве реляционного сервера поддерживаются СУБД на основе архитектуры «клиент-сервер», обеспечивающие поддержку стандарта SQL-92, в частности - MySQL 4.0.17. Кроме того, на рабочие места устанавливается пакет Microsoft Office 97. Все применяемое программное обеспечение является лицензионным.
Система состоит из 2 основных частей. Основная=часть создана в среде объектно-ориентированного программирования Lotus Notes Designer R6.02 на мультиплатформенноміязыке:Lotus Script 5. Применяется 46 баз данных, в которых хранятся 79 форм (электронных документов), имеющих 8760 связанных объектов (полей), 120 представлений, 59 программных агентов,, 9 библиотек middleware. Реляционная часть создана в среде Borland Delphi 6 SP3, насчитываете баз данных, содержащих вобщей, сложности 145 таблиц. Разработано 24 приложения; состоящих из 160000 строк кода:
С целью снижения затрат на обслуживание МИС, а также повышения устойчивости (работы системы применяется; специально разработанная подсистема автоматической установки ш обновления программ, которая впервые была предложена в 2000 г. [29, 34]. При этом все разрабатываемое программное: обеспечение (ПО) системы, выпускается не в . виде дистрибутивов, а помещается m специальную базу данных, называемую «Центр программ». Клиентское программное обеспечение выполнено; с применением- специальной библиотеки; которая отвечает за автоматическую установку всех необходимых файлов программ и библиотек на клиентские рабочие, места сети; а также их своевременное обновление на основе опубликованных приложений в БД«Центр программ». Архитектура базы данных МИС представлена на рис. 8.
Основу базы данных составляет ядро, в котором имеется БД центрального справочника, БД историй болезни и амбулаторных карт, а также архив документов. Для накопления специальной медицинской информации о заболеваниях применяются регистры населения по определенной патологии. Для автоматизации параклинических служб используются дополнительные базы данных и подсистемы, к которым относятся: информационный сайт МИС, подсистема документооборота, подсистема планирования рабочего времени и др. Реляционная часть БД содержит информацию для подсистемы статистики, бухгалтерии, профосмотра, диспансерного наблюдения и некоторых других задач. Имеется специально выделенная база данных консультаций, к которой предусмотрена возможность удаленного доступа и элементы телемедицинских технологий.
Анализ операций, выполняемых информационной системой с базами данных
Учитывая, что в работе МИС используется широкий спектр различных видов запросов, необходимо выявить наиболее ресурсоемкий и длительно выполняющийся, т.е. наиболее показательный вид запросов. С этойщелью в условиях работающей МИС «Кондопога» выполнено хронометрическое исследование, результаты которого приведены в таблице 4. В - ходе исследования выполнялись измерения времени работы некоторых основных видов запросов, для чего во время исполнения команд программного обеспечения! МИС запоминалось время после подачи команды пользователем и время вывода результата работы на экран. Разница между указанными промежутками времени записывалась в журнал MS Excel в течение дня, а по окончании исследования рассчитывалось среднее значение длительности выполнения запроса и количество выполненных запросов за день. При этом в данный промежуток времени фиксировался показатель нагрузки процессора сервера. В предыдущем параграфе было показано, что самую большую нагрузку на информационную систему оказывают участковые врачи поликлиники, поэтому анализа были взяты,только запросы с их клиентских рабочих мест, которые выполнялись в момент одновременного обслуживания сервером 18-20 пользователей. Указанные замеры регулярно. повторялись (циклами по 8 дней), т.к. необходимо было исключить влияние значительного прироста базы данных за время исследования.
Как видно из таблицы, наибольшая нагрузка на сервер и наибольшее время отклика зафиксировано при выполнении запросов на гипертекстовый поиск в базе данных. Однако использование этого вида запроса практически исключено в программном обеспечении МИС и используется только в редких случаях, поэтому этот показатель не будет рассматриваться в качестве показателя эффективности принятой структуры БД. Таким образом, наиболее ресурсоемкой является операция подключения к базе данных. По данным литературы [50, 53], во время выполнения этой операции СУБД выполняет ряд сложных, требующих значительных вычислительных ресурсов, подзапросов: 1. проверка прав доступа пользователя к БД; 2. загрузка программ и объектов на клиентское рабочее место пользователя с учетом его уровня доступа; 3. загрузка интерфейсных элементов, используемых для работы приложений, в том числе графические файлы, java-апплеты и т.д.; 4. обновление индекса базы данных с учетом изменений, произошедших в документах базы данных после последнего сеанса работы пользователя в этой БД 5. открытие базы данных, представляющее собой обновление всех представлений в ней с учетом изменений, которые произошли после последнего выполнения команды на открытие БД и с учетом текущего уровня доступа пользователя;6. передача сформированного при открытии БД списка документов на клиентское рабочее место пользователя; 7. обработка полученного списка клиентским программным обеспечением и вывод его на экран.
Как видно из указанного перечня, операция подключения к базе данных в широкой мере использует самые различные виды запросов и операций обмена информацией между клиентским рабочим местом и сервером информационной сети. Таким образом, время подключения к БД может адекватно характеризовать эффективность применяемой методики проектирования структуры БД.
В ходе исследования пользователи стационара использовали возможности МИС на 100%, пользователи поликлиники использовали 80% возможностей МИС (не хранили дневниковые записи приемов).
В среднем врач стационара просматривает 280,03 (±149,0) документов в день, из них изменяет или добавляет 83,20 (±48,3) документа. Врач поликлиники за день просматривает 417,10 (±216,7) документов, записывает 178,50 (±111,50). С учетом реального использования системы, эти показатели для поликлиники при полном переходе на электронную амбулаторную карту возрастут до 542,23 документов в день.
За день для каждого врача стационара информационная система обрабатывает 21176,60 (±11526,10) Кбайт информации, что составляет 68,4% от всего объема базы данных.
В поликлинике для каждого врача обрабатывается 37136,40 (±18326,2) Кбайт, что составляет 6,2% от объема БД поликлиники.
Таким образом, в год врач стационара ориентировочно использует 64465,20 (±34261,50) документов, а врач поликлиники - 95935,5 (±49893,9). Объемы обрабатываемой информации за год при работе в единой информационной сети 20 пользователей составляют: для стационара 4,87 Гбайт, для поликлиники — 8,54 Гбайт.
Методика построения структуры базы данных
Учтем, что рассматриваемая база данных имеет объектно-ориентированный тип. Кроме того, примем во внимание, что проведенный анализ литературы [25, 27, 29, 34] и собственные исследования, отраженные в предыдущем параграфе, показали, что в предметной области имеется ряд особенностей, влияющих на время подключения к базе данных.
Исходя из основных требований к МИС, в базе данных должна содержаться следующая информация: медицинские данные, собираемая в течение жизни пациента; архивы графической и видеоинформации, записанной в ходе исследований или оперативного лечения; специальная информация (индексы, настройки), позволяющая увеличить гибкость и скорость работы МИС; данные справочников, позволяющих настраивать МИС под конкретное ЛПУ.
При эксплуатации МИС показатель объема БД bs постоянно увеличивается. Необходимо разработать такие методы проектирования внутренней структуры БД МИС, которые позволят в течение всего срока эксплуатации системы поддерживать минимальное время подключения к БД без удаления информации в ней.
В качестве показателя эффективности принятой структуры БД МИС автором предложено применение коэффициента полезного использования (КПИ) базы данных j3u, определяемого по формуле:
Как видно из формулы (4) и рис. 25, КПИ показывает отношение частоты использования БД к ее объему. Рост КПИ свидетельствует о том, что темпы использования базы данных выше, чем темпы роста ее объема, т.е. полезность хранения каждого байта базы данных повышается. Учитывая, что все основные факторы, влияющие на этот показатель, определяются индивидуальными характеристиками МИС, этот коэффициент имеет большую инфор-мативность при исследованиях, чем традиционные тесты производительности серверов. Анализ КПИ позволяет выявить, что самый высокий показатель использования имеется у базы данных медицинских документов.
Однако оценка эффективности рассматриваемой методики проектирования БД МИС только на основании коэффициента /?„ без учета времени подключения к БД может давать недостоверные результаты и не является достаточной. Поэтому, предложено дополнительно рассматривать второй показатель, названный коэффициентом эффективности принятой структуры БД медицинской информационной системы, определяемый по следующему выражению
