败血症MCPS建模与验证.pdf

348第40 卷第6 期2023年6 月真机仿算文章编号：10 0 6-9 348（2 0 2 3)0 6-0 348-0 8败血症MCPS建模与验证谭朋柳，李梦嘉（南昌航空大学软件学院，江西南昌330 0 0 0）摘要：败血症病理复杂，在公共医疗资源稀缺和分布不均的现状下，其发病率和死亡率居高不下，耗费了大量社会资源，社会关注度较高。随着现代医学的发展，败血症定义及诊断标准达成国际共识，有待临床推广和普及。作为时间敏感性疾病，尽早识别和早期干预可以有效改善败血症预后。面向医疗的信息物理融合系统（Medical CyberPhysical System，M CPS）改变了传统医疗场景下医生和病人的交互方式，通过传感器等硬件设备采集实时医疗数据，并根据构建好的医学知识模型处理采集到的信息，为医护人员提供辅助诊疗和操作引导，提升了医疗服务的效率和质量，节省了医疗资源并缩短了地域医疗水平差异。依据与败血症相关的医学知识抽象出败血症的信息化模型，并结合MCPS技术建立败血症MCPS模型，重点验证败血症MCPS模型的准确性和实时性等属性。败血症MCPS模型对于MCPS技术的发展和完善具有重要意义，对于败血症诊疗效率优化、预后改善的实现提供了理论研究。关键词：医疗信息物理融合系统；败血症；架构分析与设计语言；疾病模型中图分类号：N945.12文献标识码：AModeling and Verification of MCPS Model of SepsisTAN Peng-liu,LI Meng-jia(College of Software,Nanchang Hangkong University,Nanchang Jiangxi 330000,China)ABSTRACT:The pathology of septicemia is complex.Under the current situation of scarce and uneven distribution ofpublic medical resources,its incidence rate and mortality rate remain high,which consumes a large number of socialresources and attracts high social attention.With the development of modern medicine,there is an international con-sensus on the definition and diagnostic criteria of sepsis,which needs to be promoted and popularized in clinical prac-tice.As a time-sensitive disease,early recognition and intervention can effectively improve the prognosis of sepsis.The appearance of medical cyber physical system(MCPS)has changed the traditional way of how a doctor treat hispatients.It takes the advantage of sensors in medical devices to collect physiological data in real time and send themto models based on the medical knowledge,which provides auxiliary diagnosis and operation guidance for doctors andnurses,and has improved the efficiency and quality of medical services,saved increasingly strained medicalresources,and shortened the regional differences in medical level.Based on the latest definition of sepsis,an informa-tion-based model of sepsis was abstracted,and a sepsis MCPS model was established using MCPS technology.Theauthors focused on verifying the accuracy and real-time properties of the sepsis MCPS model.The MCPS model forsepsis is of great significance for the development and improvement of MCPS technology,providing theoreticalresearch for the optimization of sepsis diagnosis and treatment efficiency and the improvement of prognosis.KEYWORDS:Medical cyber physical system(MCPS);Sepsis;Architecture analysis and design language(AADL);Disease model基金项目：国家自然科学基金项目（6 19 6 10 2 9）；江西省科技厅重点研发计划项目（2 0 17 1ACE50025）收稿日期：2 0 2 1-10-0 8修回日期：2 0 2 1-10-143491引言近年来败血症的发病率和死亡率居高不下1,耗费了大量社会资源。一方面败血症本身病理复杂，其疾病定义随着现代医学发展从19 9 2-2 0 16 年历经多次共识会议方才达成一致2-8 。另一方面受限于传统医疗场景下公共医疗资源的稀缺和城乡分布失衡等现状，很多病患不能得到及时的诊断和正确的治疗。经济社会的快速发展提高了人们对于医疗服务的期待，为了更好的满足人民群众日益增长的公共卫生需求，呕需借助智慧医疗等新技术改善传统医疗服务。面向医疗的信息物理融合系统（Medical CyberPhysicalSystem，M CPS）通过实时采集医疗数据并处理，为医护人员提供临床引导和辅助，既能节省医疗资源又能有效缩短地域医疗水平差距，而实现这些功能的首要工作就是建立医学知识的信息化模型。本文根据败血症相关的医学知识抽象出败血症的信息化模型，并基于信息化后的疾病模型使用架构分析与设计语言（Architecture Analysis and Design Language，AADL)建立MCPS模型，重点验证MCPS模型的准确性和实时性等属性。败血症的信息化模型为建立其它疾病的信息化模型提供了参考价值，对于MCPS技术的发展和完善具有重要意义。与此同时,败血症MCPS模型为败血症的智能化诊疗开发提供了理论基础，为实现临床诊疗效率优化和预后改善提供了理论研究。2相关研究从19 9 2 年至2 0 16 年，败血症的定义历经多次共识会议的修正最终达成一致,最新定义摒弃了重症败血症、系统性炎症反应综合征（Systemic Inflammatory Response Syndrome，SIRS)等过渡性概念,将败血症定义为由宿主对感染反应失调进而引发器官功能障碍并最终危及生命的疾病2-8 。临床通过感染（含疑似感染）并伴有器官功能障碍来确诊败血症,通过血液乳酸浓度和平均动脉压来确诊休克性败血症8 。感染描述了病原体侵入人体引起局部组织或全身性炎症反应的症状。炎症反应可以借助 SIRS 来衡量2 ,SIRS的评估标准包含体温、心率、呼吸频率、白细胞数量4项生理指标。但是炎症反应不是败血症特有的症状,只有致病菌侵人血液循环引发全身性炎症反应才属于败血症，其它情形引发 SIRS 属于其它疾病,因此 SIRS 在败血症的临床诊断中特异性表现较差，容易产生误诊。器官功能障碍描述了器官功能不能维持内稳态的一种进行性症状和体征,是重症监护病房危重病患死亡的主要原因之一9 ,可以借助器官顺序衰竭评分(Sequential Organ Failure Assessment,SOFA)来评估10)。SOFA的评估标准包含氧合指数、血小板、胆红素等11项生理指标，涉及循环、呼吸等六大生理系统，因此虽然通过器官功能障碍症状诊断败血症相比于感染症状可以减少误诊，但是数据采集的难度和时长增加。为了提高败血症诊断的准确率同时兼顾诊断效率，本文选择器官顺序衰竭快速评估分数(Quick Sequential Organ Failure Assessment,qSOFA)评估感染情况!，选择SOFA分数评估器官功能障碍情况。qSOFA的评估标准只包含呼吸频率、收缩压、昏迷指数3项生理指标，更容易测量、采样效率更高、更方便多次采样、相比于SIRS 在败血症的临床诊断中特异性表现更好12 物理世界与信息世界通过传感器互联形成了物联网13，随着传感器和执行器的数量与日俱增日益形成了复杂的信息物理融合系统（CyberPhysics System,CPS）。CPS融合了计算、通信、信息控制等功能，改变了人与物理世界的交互方式14。将CPS技术引人医疗领域即是MCPS【15 。MCPS可以帮助医护人员更好的完成医疗工作，例如采集临床生理数据并分析、决策支持、监测引导、电子病历等。MCPS的建模与验证过程比一般系统更为复杂和困难，患者的不确定性和异质性、环境因素等都可能影响最终医疗效果。并且医疗系统的稳定性攸关生命安全，较之传统系统安全性要求更高。一些研究人员采用基于模型的思想做了一些医疗系统的建模与验证的尝试。Silva16 通过对心率、呼吸频率、血压和体温四大生命特征的临床数据进行统计分析回归建立了患者模型,用于MCPS 的系统验证。Lenardo17提出了一种基于模型来进行MCPS早期验证的方法，模型的复用提高了系统开发效率，使开发者可以基于已有模型库来构建形式化模型，并进行模拟和仿真以识别设计中的不足。Ou18提出了一种可预防与人相关的医疗错误的建模框架，并验证了心肺复苏引导系统模型的正确性。Murugesan19在已有的基于模型开发MCPS的方法基础上,提出了一种端到端的改进开发方法，并举例详细论述了需求分析、形式化建模及验证、代码生成及执行的过程，为MCPS的开发和评估提供了参考标准。一些研究人员针对特定场景做了一些医疗系统的建模与验证的尝试。Quarto A20研究了可穿戴设备的应用准则,对MCPS系统的设计提出了新的要求。Ram-mouzR21基于无线传感器节点构建了一种通用模型，可用于医疗系统。Altinsu B22对高压灭菌的过程进行了建模与仿真验证。IlewiczG23对医疗机器人进行了建模与仿真验证。Alzoubi K24 针对低氧患者开发了一个便携式自动氧气管理系统原型，包含氧气读取和自动电解氧气输送两个子系统，子系统之间实现无线通信。TucanPp25提出了一种新型并联机器人控制系统，可用于前列腺活检。一些研究人员针对医疗系统的局部功能做了一些建模与验证的尝试。Omisore0M26在传统控制系统基础上提出了一种名为Fuzzy-PD的优化控制系统，可以减少机器人手术中的跟踪误差和实时响应时间。Y.Jjiang27 提出了一种以数据为中心的运行时校验方法，用于MCPS的辅助决策支持系统可改善临床医疗质量。Ivanov28将医疗情景数据形式化定义为测量模型变化相关的附加信息，改善了MCPS测量数据时的性能