基于领域操作平台的即插即用系统

摘要

本发明公开了基于领域操作平台的即插即用系统，该系统基于领域操作平台实施，其通过虚拟设备与物理设备的动态绑定，使物理设备成为领域操作平台所管理的虚拟设备资源。本发明使应用领域的各种设备和仪器以即插即用的模式接入系统的环境，同时系统可根据设备上线或下线动态地加载或卸载相应的设备驱动和管理构件。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种医疗设备的管理系统，特别涉及一种能够实现医疗设备即插即用和协同互操作的即插即用系统。

背景技术：

医疗不仅是一个知识密集型行业，而且也是资本密集型的行业。医院除房产等资产以外，最大的一笔投入就是各类医疗设备，在一家开业三十年以上的医院，设备总投资几乎占到其房产投资的2-3倍。数字化医疗设备在现代医疗健康服务业中的价值可以说是举足轻重。医疗设备不仅是医疗服务业实现价值的重要工具，也是医疗产业链中重要的一环。

在持续几十年的高增长之后，医疗设备市场的增长不仅未见放缓，而且有明显的扩容、增速的趋势。特别是近年来，随着Point-of-care(POC)需求的快速增长，医疗设备正在向小型、便携、移动、功能细分等方向发展，更值得关注的是医疗设备从传统上主要面向专业医护人员转而向面向个人保健、家庭护理等新的市场方向扩展。

随着医疗信息化的深入，信息共享需求的增长，医疗设备和信息系统的整合渐成数字化医疗的一个新的发展方向。由于传统信息系统架构的局限，目前大多数医疗设备和信息系统的整合所追求的仅仅局限于医疗设备的接入(主要为数据采集)，POC设备的协同互操作性(interoperability)仍然处于较早期的探索阶段。由于医疗设备种类繁多、标准庞杂、很多老的设备不具备、或仅仅提供厂家独有的接口规范，而一个典型的医院往往有几十到成百台(套)设备，目前除放射影像设备及检验科室的检验设备有较好的系统接入外，其他设备，比如各种(病)床边设备、移动检查设备、特别科室的诊疗设备仍然游离在传统信息系统框架之外，由于技术支撑能力及系统架构理念的局限，目前通常的解决方案是根据医疗服务企业的具体需求，由系统集成商或信息系统提供商提供case-by-case的接入或小规模的互操作整合。

侧重于和信息系统整合的医疗设备接入(如目前大多数放射影像设备及检验科室的检验设备与PACS和LIS的整合)与POC设备的协同互操作性是两个不同的概念。到目前为止，现有技术所涉及的设备集成主要是指设备接入，其主要目的是数据的自动采集和有限的设备管理。目前用户对设备与信息系统集成的需求也主要体现在这一层面。随着医疗设备的发展，欧美等发达地区一些设备密集型临床科室，如ICU或手术室由于使用许多设备，已出现许多“技术撞车”的问题，迫切需要各种设备具有实时协同、在功能和语义上具有互操作性。所以，POC设备的互操作性并不仅仅限于设备的数据采集和有限的设备管理，支持一组设备和相关系统实时协同工作的整合才是后者的根本目的。

近几年来，医疗设备的互操作性已引起广泛关注，IHE的PCD(Patient CareDevice Interoperability Standard)期望以IHE的策略解决POC设备的互操作问题，一些厂商开始提供主要医疗设备与企业级EMR/CPR(Electric MedicalRecord/Computer-based Patient Record)产品集成，但是，尚未见即插即用解决方案面市，除由哈佛大学麻省总医院牵头推动的MD PnP研究计划，其理念是让POC设备按开放协议和标准即插即用、协同互操作。但其基本技术策略是要求设备本身符合即插即用、协同互操作标准，至少在短时间内这类技术策略的现实可行性很低。

在临床医疗信息化早期，HIS侧重于临床诊疗流程、计费、物流等信息管理，数据主要来自用户的人工录入，既没有设备整合的需求，设备本身也不在传统HIS的视野之内。随着临床医疗数字化需求的变化，以CPR/EMR为核心的临床主营业务渐成信息化发展的主流，不仅数据的来源发生了根本的变化，来源于各种医疗设备的客观数据成为数字化医疗信息的主体，从根本上解决设备的无缝整合、使设备具有协同互操作性就成为数字化医疗必须解决的问题，综合分析目前医疗设备、技术架构及用户需求现状，该领域发展所要面对的问题和挑战可以归纳为如下四个方面：

可行性问题：设备和信息系统的简单整合，如自动数据采集和设备管理，在纯技术上层面上没有大的障碍。Case-by-case，驱动加接口的传统方法在技术上具有可行性，但在实际应用中，用户的需求有可能是将N个不同类型、不同厂家的设备与M个不同架构、不同数据模型的信息系统整合，由于各种老的、标准化兼容度很低的系统仍然占多数的今天，在需要整合的设备种类繁多、系统陈旧而需求复杂的大型医疗机构，在技术上的实际可行性由于资源和时间限制将大打折扣。由于这种整合策略很难形成产品，在商务模式上的可行性远低于技术层面的可行性。

数据共享问题：从传统系统架构的角度来看，多数信息系统是按照功能科室垂直分割的，然而，一些医疗设备却可能是许多功能科室的常用设备，比如心电图机。也就是说，同一类设备有可能需要和完全不同的信息系统交叉集成，在不同系统中，同样的信息可能会用相当不同的数据格式来表达，采用Case-by-case的方法整合大量设备到传统的信息孤岛将近一步增加规模互联整合的难度，恶化信息孤岛问题，从而根本性地影响数据共享的深度和广度，影响整体信息化成本。

可维护性和可扩展性问题：基于传统集成技术的信息系统即便成功地与种类繁杂的设备集成，其可维护性和维护成本也将是用户需要关注的问题。同时，这也将大大增加系统扩展、升级及换代的难度和成本。

协同互操作性问题：MDPnP计划的负责人Goldman博士认为POC设备间缺乏协同互操作能力是阻碍临床服务创新的绊脚石(Absence of MedicalDevice Interoperability is a roadblock to innovation)。设备互操作性与设备简单接入根本不同之处是互操作性不满足于设备仅仅扮演一个信息源的角色，它更注重一组设备(可以是动态组合的)之间的协同及互操作。比如，手术期间病人呼吸机的潮气量需要根据血氧仪的变化做出调整，设备的报警系统需要协同参考其它设备的输出而减低漏报和误报等。根本上解决这个问题需要设备本身按照标准增加互操作功能，对于今天或未来几年内的现状来说，能使一组设备具有一定的协同互操作性需要新的理念和技术创新，Case-by-case、驱动加接口的传统方法在技术层的实际可行性非常有限，目前已知的其它解决方案的可行性尚待时间验证。

发明内容：

本发明针对现有技术在医疗设备和信息系统整合方面存在的问题，而所要解决的技术问题主要有以下几个点：(1)在实际操作中整合策略不易形成产品，可行性低；(2)数据共享的深度和广度不高，且整体信息化成本高；(3)整个系统的扩展、升级以及替换难度和成本高；(4)无法支持一组设备和相关系统实时协同工作。

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于领域操作平台能够实现医疗设备即插即用和协同互操作的系统。

领域操作平台(DOP)，是一种新的软件平台。其建立并运行于现代通用操作系统之上，且使操作系统的理念和策略延伸到传统的应用软件领域。从资源管理范畴来看，DOP适用范围缩小到一个具体软件应用领域，而不再是通用的计算平台。从系统软件和软件平台范畴来看，DOP使系统平台的范围延伸到传统上属于应用软件的领域。它所协调管理的资源也扩展到特定应用领域的软件系统甚至硬件设备。DOP是一个系统软件发展到一定阶段的产物。

基于上述技术和目的，本发明采用技术方案如下：

基于领域操作平台的即插即用系统，该系统基于领域操作平台实施，其通过虚拟设备与物理设备的动态绑定，使物理设备成为领域操作平台所管理的虚拟设备资源。这样使得各种应用系统可以通过调用DOP虚拟设备服务调用使用各种物理设备，而不需要了解具体的物理设备，实现物理设备的即插即用。

所述虚拟设备是对一类在功能、性能、输入输出数据和控制机制上相同的物理设备的抽象，其实现机制就是针对物理设备的功能抽象出服务接口，该服务接口供使用者调用，并由相应的虚拟设备驱动来实现与物理设备的绑定，进行数据交换。

所述虚拟设备与物理设备动态绑定由系统的虚拟设备容器层、虚拟设备驱动层和物理设备驱动及设备接口驱动栈层来实现；所述物理设备驱动及设备接口驱动栈层通过相应的物理设备驱动和接口实现与物理设备的连接；所述虚拟设备容器层对设备进行管理并提供与该虚拟设备相应的虚拟设备驱动；所述虚拟设备驱动层通过物理设备驱动与相应虚拟设备驱动动态映射和绑定，实现物理设备与虚拟设备的动态绑定。

所述虚拟设备容器层基于OSGI构建，其包括虚拟设备驱动模块、设备管理模块、数据管理模块及系统辅助模块；所述虚拟设备驱动模块提供相应的虚拟设备驱动插件和实现与应用软件系统的调用；所述设备管理模块为一集和对物理设备注册、识别以及与虚拟设备绑定的管理模块；所述数据管理模块为服务于虚拟设备的功能模块，其包括数据高速缓存、数据实时同步、数据格式转换；所述系统辅助模块用于对系统的管理、运行检测。

所述虚拟设备驱动模块包括通用虚拟设备驱动模块和虚拟设备驱动功能调用及编程接口模块；所述通用虚拟设备驱动模块依据输出功能对虚拟设备驱动模块中虚拟设备驱动进一步抽象，形成针对一类虚拟设备通用的驱动插件；所述虚拟设备驱动功能调用及编程接口模块提供给应用软件系统的虚拟设备服务功能调用接口和编程接口。

所述设备管理模块包括设备注册管理模块、设备动态识别模块以及设备服务控制模块；所述设备注册管理模块用于对物理设备的注册，其注册信息包括设备名称、生产厂商、设备系列号、设备驱动ID、支持的虚拟设备功能等；所述设备动态识别模块用于监听动态接入系统的物理设备，对其进行注册信息的识别，并将设备的识别信息传至设备服务控制模块；所述设备服务控制模块实现物理设备和虚拟设备的绑定。

所述设备服务控制模块通过以下步骤在虚拟设备驱动层实现物理设备和虚拟设备的绑定：

(1)根据设备动态识别模块提供的设备识别信息访问设备注册管理模块，获取相关物理设备的注册信息；

(2)根据注册信息获取物理驱动和对应的虚拟驱动模块信息；

(3)根据相关信息从物理设备驱动及设备接口驱动栈层加载物理设备驱动并与虚拟设备驱动绑定；

(4)由物理设备驱动和虚拟设备驱动对物理设备和虚拟设备驱动初始化，并启动运行。

所述系统还设有一用于支持多个即插即用设备之间进行协同互操作的设备互操作模块，该模块基于Messaging BUS或共享对象机制和协同互操作逻辑模块，其通过调用虚拟设备的功能，按照协同互操作逻辑模块配置的参数向Messaging BUS上传其它设备所需的信息，也定时消费其它设备的信息；根据设定的控制机制，调用虚拟设备相应功能，调整自身的状态，从而实现协同互操作。

根据上述技术方案得到的本发明采用了基于虚拟设备的即插即用解决方案。从而使数字化设备直接集成到领域操作平台，成为领域操作平台管理的虚拟设备资源。各种应用系统可以通过调用DOP虚拟设备服务调用使用各种物理设备，而不需要了解具体的物理设备，已无需对具体设备编程；

同时本发明还设计了物理设备和虚拟设备动态绑定机制。从而使得物理设备和信息系统解耦。从而大大简化了设备相关的应用系统的开发，减小了维护和升级换代成本。

本发明还使得现有设备在自身不具备互操作功能、不支持互操作标准和规范的条件下实现协同互操作成为可能。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明中即插即用系统的框架示意图。

图2为虚拟设备容器层的实现逻辑图。

图3为设备互操作模块示意图。

图4为虚拟设备与物理设备映射的原理图。

图5为本发明中互操作原理图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明为解决现有技术在医疗设备和信息系统整合方面存在的问题，采用了基于虚拟设备的即插即用解决方案，从而使数字化设备直接集成到领域操作平台，成为领域操作平台管理的虚拟设备资源。

领域操作平台(DOP)在数字健康领域的应用业已获得市场的认可。特别是在数据一体化集成、数字化医院平台领域获得了突破性进展。

DOP的重要理念之一就是应用领域的设备及其它资源都被视为DOP的系统资源。尽管DOP将系统平台的覆盖范畴缩小到一个特定的应用领域，但同时，DOP将系统平台对资源的管理扩大到传统上由应用软件管理的某些层面，比如传统上和应用软件紧耦合的各种设备。DOP通过将所涉及的应用领域设备纳入DOP系统框架，将传统上设备与应用软件的紧耦合彻底解耦，从而使各种设备在运行中产生的数据统一到基于MDT的统一数据架构体系，使基于DOP的应用系统无需对设备驱动控制等底层功能编程，仅需通过调用各种DOP服务来利用这些资。

基于上述原理，本发明为实现设备的即插即用，在基础上引入虚拟设备技术，并通过物理设备和虚拟设备动态绑定机制实现物理设备的即插即用。该方案使得物理设备和信息系统解耦，成为被领域操作平台管理的系统资源。

在这样的设计原理下，本发明具体设计如下：

针对目前医疗健康行业的设备种类繁多，同类设备又有不同系列、不同型号、不同厂家等等因数，但从用户功能需求、应用软件系统和数据信息的角度来看，同类设备具有很大的相似性。所在本发明通过在领域操作平台(DOP)将一类在功能、性能、输入输出数据和控制机制上相同的物理设备抽象为一个虚拟设备。比如，一个医院有多台12导联心电图机，它们的型号、厂家、数据输出方式都可能不同(模拟或数字输出)，但其功能基本相同，性能基本相当，产生的数据都是12导心电波形，因而，对于基于领域操作平台(DOP)的应用系统而言，12导联心电图机就是一个DOP设备(DOP虚拟设备)，而不是多个物理设备。

本发明中的虚拟设备机制就是对医疗物理设备的功能抽象出服务接口。虚拟设备设计时主要分了四个逻辑层。

由上至下，最上层为虚拟设备的抽象，其接口中抽象了对所有设备的一些公共操作，如获取设备信息和数据与设备控制(在设备可支持的范围内的一些操作)等，其中方法是基于可变参数进行设置的。

第二层次就是主要虚拟设备的抽象接口，通过对医疗设备功能的总结分类与抽象，将医疗设备按输出抽象为几个大类：如成像设备、波形设备和数字值设备。因此虚拟设备机制按此定义了对应的顶层的类的接口：如ImagingDevice，WaveformDevice和DigitValueDevice作为虚拟设备接口供调用，即所有的医疗设备都被抽象成这些接口中一个或多个。

第三层是虚拟设备接口的功能实现，它们是根据具体设备所支持的通信协议来完成的。主要有以下四种协议情况：(1)支持DICOM协议或其它标准通信协议的，可使用DICOMImagingDevice，DICOMWaveformDevice虚拟设备驱动来支持；(2)支持视频采集卡但不一定支持标准通信协议的，比如胃镜、超声波等设备，可使用VideoFrameImagingDevice虚拟设备驱动来支持；(3)不支持标准通信协议的，但是对外提供足够的编程能力的，通过相应的虚拟设备驱动支持；(4)还有一类设备厂家用的私有协议而且也不提供足够的编程接口的情况，但是支持支持VGA的视频采集，比如市场上很多的监视设备，通过视频采集对所得设备屏幕图像上的区域进行OCR识别检测数值。第三层上的虚拟设备驱动作为插件预先部署在OSGi运行环境中，作为默认设备驱动。

第四层是具体的物理设备的包装，比如MRI，胃肠镜，一些监视设备，血氧议等。

基于上述技术，本发明提出的即插即用系统，如图1所示，其为三层体系架构。最上层是内核和服务层，也称为虚拟设备容器层，该层是系统的核心，虚拟设备驱动都运行在该层，它主要管理设备的识别、安装、卸载、更新、设备服务的注册与部署等功能。第二层为虚拟设备驱动层，即虚拟设备到物理设备的映射层，这一层主要是实现如何将多个物理设备的驱动和一个虚拟设备驱动进行动态映射和绑定。第三层是为原始驱动栈层，即物理设备驱动及设备接口驱动栈层，包括物理设备驱动及接口设备驱动等。

如图2所示，虚拟设备容器层基于OSGI构建，其包括虚拟设备驱动模块、设备管理模块、数据管理模块及系统辅助模块四个。

虚拟设备驱动模块提供相应的虚拟设备驱动插件和实现与应用软件系统的调用。该虚拟设备驱动模块包括通用虚拟设备驱动模块和虚拟设备驱动功能调用及编程接口模块。

通用虚拟设备驱动模块依据输出功能对虚拟设备驱动模块中虚拟设备驱动进一步抽象，形成针对一类虚拟设备通用的驱动插件；如图2所示，ImageDevice是CT、MRI等虚拟影像设备的通用驱动插件，具体的虚拟设备驱动，如CT虚拟设备驱动可以通过继承ImageDevice驱动的功能，比如图象压缩和解压缩。

同时虚拟设备驱动功能调用及编程接口模块提供给应用软件系统的虚拟设备服务功能调用接口和编程接口。

虚拟设备容器层中的设备管理模块为一集和对物理设备注册、识别以及与虚拟设备绑定的管理模块；该设备管理模块包括设备注册管理模块、设备动态识别模块以及设备服务控制模块。

所有应到该系统的物理设备都需要通过设备注册管理模块对物理设备进行注册，其注册信息包括设备名称、生产厂商、设备系列号、设备驱动ID、支持的虚拟设备功能等。设备动态识别模块用于监听动态接入系统的物理设备，对其进行注册信息的识别，并将设备的识别信息传至设备服务控制模块。

同时设备服务控制模块实现物理设备和虚拟设备的绑定，该模块的功能实施在系统虚拟设备驱动层实现的，其步骤如下：

(1)首先设备动态识别模块提供的设备识别信息访问设备注册管理模块，获取相关物理设备的注册信息，其包括设备名称、生产厂商、设备系列号、设备驱动ID、支持的虚拟设备功能等。

(2)根据注册信息中的设备驱动ID和支持的虚拟设备功能信息获取物理驱动和对应的虚拟驱动模块信息。

(3)根据步骤(2)获得的物理驱动信息从物理设备驱动及设备接口驱动栈层加载物理设备驱动并与虚拟设备驱动绑定；

(4)由物理设备驱动和虚拟设备驱动对物理设备和虚拟设备驱动初始化，并启动运行。

虚拟设备容器层中的数据管理模块为服务于虚拟设备的功能模块，其包括实现数据高速缓存、数据实时同步、数据格式转换相应功能的模块。

该层中的系统辅助模块用于对系统的管理、运行检测。

如图3所示，本系统还设有一用于支持多个即插即用设备之间进行协同互操作的设备互操作模块，该模块基于Messaging BUS或共享对象机制和协同互操作逻辑模块，其通过调用虚拟设备的功能，按照协同互操作逻辑模块配置的参数向Messaging BUS上传其它设备所需的信息，也定时消费其它设备的信息；根据设定的控制机制，调用虚拟设备相应功能，调整自身的状态，从而实现协同互操作。

基于上述技术方案得到医疗设备的即插即用系统，是基于领域操作平台实施的，具体工作流程下(如图4所示)：

(1)首先，通过系统中的注册系统，对各种接入物理设备进行注册，相关注册信息如上所示；

(2)将物理设备启动并和该即插即用系统兼容接口相连；

(3)系统中的设备识别机制对动态接入的物理设备进行身份的识别：如基于设备RFID(射频ID)识别接入设备；并识别后的识别信息传至服务控制模块；

(4)服务控制模块根据注册的设备信息，确定并加载必要的设备驱动插件；如图4所示，共有三个物理设备接入即插即用系统，其中两个通过PCI-X接口驱动使得这两个物理设备与即插即用系统中相应的12-倒联心电图本地驱动绑定；另外一个物理设备通过数字接口驱动使得该物理设备与即插即用系统中相应的12-倒联心电图本地驱动绑定；

(5)将物理设备的驱动和虚拟设备驱动进行动态绑定，虚拟设备事实上代表一个物理的医疗设备；由于这三个物理设备在功能、性能、输入输出数据和控制机制上相同，所以本系统将这个三个物理设备抽象为一个虚拟设备，即虚拟12-倒联心电图；实现用这个虚拟设备代表这三个物理设备；

(6)初始化并启动虚拟驱动插件运行，驱动相应虚拟设备的服务接口；

(7)基于领域操作平台的应用软件通过虚拟设备功能调用使用物理设备，如采集数据、控制设备运行；

(8)设备下线或关机，即擦即用系统监测到设备下线，设备管理模块停止虚拟设备运行。

虚拟设备启动运行后，架构在这一发明上的各种应用软件即可调用虚拟设备提供的功能调用和绑定的物理设备进行交互。

与现有技术中关于设备互操作机制不同，本发明提供的虚拟设备即插即用是提供虚拟设备层和虚拟服务模块层实现互操作的。

如图5，其所示三个物理设备接入到虚拟设备即插即用系统实现互操作的工作原理。本发明提供的系统实现对接入设备的协同互操作功能，无需设备本身否具备互操作功能，但设备需要具备一定的数字化控制功能。在设备间互操作逻辑已经预先通过协同互操作逻辑模块配置完成的条件下，互操作基本工作过程如下：

首先，设备上线运行，相应的虚拟设备启动；

然后，虚拟设备定时推送共享信息到消息交换总线；

最后，虚拟设备定时检测其它设备的信息，调整自己的状态，实现协同互操作。

本发明针对复杂的设备和信息系统集成问题，提出了一个新的技术解决方案，从而使离散的医疗设备成为领域操作平台所管理的系统资源，使得各种临床应用软件系统可以简单地调用虚拟设备的功能调用即可使用设备资源，无需了解物理设备的具体细节。

本发明使应用领域的各种设备和仪器以即插即用的模式接入系统的环境，同时系统可根据设备上线或下线动态地加载或卸载相应的设备驱动和管理构件。

本系统支持各种设备驱动软件和管理构件动态投放、动态加载运行；支持多设备在同一运行环境互不干扰地即插即用；支持在同一即插即用系统支持环境中多设备协同互操作；支持设备只需在某个即插即用系统支持环境安装，即可在任何配置相同的即插即用系统支持环境即插即用。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。