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電子病歷存儲模式研究
1 引言
當前數(shù)字化醫(yī)療與醫(yī)療信息化成為醫(yī)療衛(wèi)生健康領域的重要發(fā)展方向,醫(yī)學領域得以快速發(fā)展的同時,醫(yī)療衛(wèi)生服務體系也面臨很多嚴峻的問題,因此醫(yī)院不同科室之間、不同醫(yī)院之間、醫(yī)院和其他的醫(yī)療機構之間的信息共享使電子病歷開始成為研究重點。在電子病歷及其相關技術的研究和應用領域中,病歷數(shù)據(jù)的存儲問題成為影響電子病歷快速發(fā)展的瓶頸:電子病歷系統(tǒng)要求病人的信息長期保存、隨時可以獲取。在傳統(tǒng)的醫(yī)院信息系統(tǒng)中,病人信息是以關系數(shù)據(jù)表的形式進行存儲,這些信息的存儲管理是以支持日常業(yè)務管理為目的,因此基于數(shù)據(jù)庫效率和容量管理方面的考慮,不可能長期將歷史信息聯(lián)機保存。如何使病人信息在脫離數(shù)據(jù)庫后仍然能夠支持以病人為中心的結構隨時獲取,是病歷存儲要解決的重要問題。
國際醫(yī)療組織Health Level 7(HL7)在其應用研討交流會上提出了基于XML語言開發(fā)電子病歷的觀點¨ 。本文采用HL7標準的CDA對病歷數(shù)據(jù)進行分類結構化,利用XML模式有效地解決對病歷信息的描述、存儲、處理等問題,最終將病人的信息用關系表和XML文檔相結合的形式保存下來用于信息處理。通過實驗驗證了這種混合存儲方式比當前單純的關系數(shù)據(jù)表存儲方式可以更好地服 務于患者,能為醫(yī)生提供及時、準確的信息,同時
也有助于臨床的科學研究。
2 相關研究
2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
2.1.1 國外 醫(yī)療數(shù)據(jù)的存儲最早始于20世紀60年代末到70年代初的美國基于麻省總醫(yī)院多用途程序設計系統(tǒng)(Massachusetts General Hospital U.tility Multi—programming System,MUMPS)構架的醫(yī)療數(shù)據(jù)庫,隨后出現(xiàn)的關系數(shù)據(jù)庫以其強大的結構化數(shù)據(jù)的處理能力成為醫(yī)院早期以管理和收費為主要目的的醫(yī)院信息系統(tǒng)。隨著醫(yī)院信息系統(tǒng)向臨床的轉變,越來越復雜的數(shù)據(jù)關系和數(shù)據(jù)類型需要存儲和處理,電子病歷的設計思想開始向面向對象轉變,如HL7設計的RIM對象和PREN13606的信息對象模型。典型的有英國Whittinongton醫(yī)院心血管科和倫敦大學共同開發(fā)的用于醫(yī)療的面向對象數(shù)據(jù)庫Objectstorel3 J,它在給數(shù)據(jù)庫應用程序開發(fā)帶來方便的同時也限制了數(shù)據(jù)操作的靈活性。因此在面向對象數(shù)據(jù)庫存儲病歷數(shù)據(jù)的同時,鑒于關系數(shù)據(jù)庫的成熟技術和醫(yī)院信息系統(tǒng)集成的需要,在關系數(shù)據(jù)庫廠商提供擴充的大對象存儲或數(shù)據(jù)拆分等功能的情況下,依然采用關系數(shù)據(jù)庫進行病歷數(shù)據(jù)存儲。在美國病歷數(shù)據(jù)處理領域常用的還有Post—relational數(shù)據(jù)庫Cach6,它是基于MUMPS的面向對象的醫(yī)療數(shù)據(jù)庫,該數(shù)據(jù)庫在電子病歷數(shù)據(jù)的處理速度上具有明顯的優(yōu)勢,是一種比較有潛力的數(shù)據(jù)庫技術。隨著網(wǎng)絡技術和信息交互的廣泛應用,XML的出現(xiàn)給電子病歷數(shù)據(jù)存儲帶來了新的生機,并引發(fā)了原生XML數(shù)據(jù)庫(Native XML Database,NXD)的迅速發(fā)展 ,DB2,Oracle等相繼發(fā)布商業(yè)版本宣布對XML的支持,可以把標準的XML文檔作為一個基本的單元來進行存儲,而對底層的物理存儲模型不再加以限制。同時國際醫(yī)療組織也相應提出了基于XML開發(fā)電子病歷的觀點,并給出了相關的技術支持框架HL7臨床文檔架構(ClinicalDocument Architecture,CDA) 引。
2.1.2 國內(nèi) 我國醫(yī)院信息系統(tǒng)迅速發(fā)展始于20世紀90年代,統(tǒng)計顯示幾乎所有的HIS都是基于關系數(shù)據(jù)庫的。電子病歷技術興起于2000年左右,臨床和科研界僅僅是對電子病歷進行局部性的實驗性電子病歷工作,即只是將傳統(tǒng)的紙病歷利用相關技術把部分醫(yī)療數(shù)據(jù)庫完成電子化。最早的是由總后衛(wèi)生部主持開發(fā)的軍衛(wèi)一號,然后相繼出現(xiàn)了四
川銀星、北京安博維、北京中科奧、南京海泰、北京東華等從事醫(yī)院信息系統(tǒng)和電子病歷開發(fā)的公司,除了安博維和東華采用了Cach6數(shù)據(jù)庫外,其他的都還是使用關系數(shù)據(jù)庫進行存儲。
2.2 病歷數(shù)據(jù)存儲方式
XML是一種可以定義描述對象結構的結構化標識語言,它能夠有效地解決對電子病歷的描述、存儲、處理等問題。同時由于XML文件格式非常靈活,很難直接存人關系數(shù)據(jù)庫的字段中,因此如何存儲XML類型的病歷數(shù)據(jù)成為當前病歷研究的一個熱點。
2.2.1 將XH L數(shù)據(jù)作為長文本或者大對象存儲這種存儲方式只是存儲XML數(shù)據(jù),失去了XML原有的語義和結構化的嵌套層次信息,當需要訪問XML數(shù)據(jù)時需要對長文本或大對象的內(nèi)容通過DOM或SAX方式進行解析,會影響系統(tǒng)效率和查詢的靈活性。另一方面也丟失了XML自身的一些信息,后續(xù)對XML的訪問完全依賴于開發(fā)人員編寫代碼,無論是使用DOM還是SAX解析對開發(fā)人員來說都是一種負擔,最重要的是數(shù)據(jù)庫的性能無法保證。
2.2.2 將XHL數(shù)據(jù)拆分成關系數(shù)據(jù)表XML拆分存儲方式簡單地說就是把XML文檔分解成多個具有關聯(lián)關系的二維表來描述 。實際上任何具有一對多關聯(lián)的實體,在XML文檔中僅僅用一個嵌套層次就可以解決,映射到關系數(shù)據(jù)庫中卻是兩個具有主外鍵關系的表。這樣對于一個很簡單的XML文檔可能需要大量的具有關聯(lián)關系的二維表來表示,當對XML文檔進行查詢時需要將這些具有關聯(lián)關系的表連接起來再檢索,影響了檢索效率。XML文檔原本只需要通過對XML節(jié)點的調(diào)整就能需求變化實現(xiàn)起來非常被動,常常需要改變關系表的結構,代價太高, 因為任何開發(fā)人員都不愿意在項目實施中或實施后再去調(diào)整底層的數(shù)據(jù)表結構。
2.2.3 原生XH L數(shù)據(jù)庫 原生XML數(shù)據(jù)庫是以標準XML格式存儲信息的數(shù)據(jù)庫,不需要進行數(shù)據(jù)的轉換,可以發(fā)揮XML的優(yōu)勢。在功能方面與關系數(shù)據(jù)庫一樣,原生XML數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品也支持安全、并發(fā)訪問、查詢、檢索、增刪改、事務管理的編程接口,區(qū)別于關系數(shù)據(jù)庫的關系模型的是原生XML數(shù)據(jù)庫內(nèi)部數(shù)據(jù)模型是XML,這種特殊的數(shù)據(jù)庫大大提升了XML的可管理性和可操作性。但是企業(yè)對這種非主流的、尚未經(jīng)過業(yè)界驗證的數(shù)據(jù)庫的性能的質(zhì)疑和不認可態(tài)度令病歷開發(fā)廠商望而止步,并且這種原生XML數(shù)據(jù)庫基本上不支持關系型數(shù)據(jù),而目前關系數(shù)據(jù)庫已滲透到企業(yè)的各個方面,這使得原生XML數(shù)據(jù)庫應用受限。
2.3 HL7 CDA簡介
2.3.1 結構框架 CDA ’ -8]是HL7標準的一部分,是以臨床文檔交換為目的的描述臨床文檔的結構和語義的文檔標記。CDA本身不對文檔內(nèi)容建模,只是對需要交換的臨床文檔的結構和語義制定了標準。一個CDA文檔由一個文檔頭和一個文檔體組成,文檔頭確定了文檔的分類,提供了鑒定信息、受訪數(shù)據(jù)、患者、提供者等基本信息;而文檔
體則用來描述臨床報告,由可嵌套的內(nèi)容集組成。完整的CDA文檔就是一套分層級的文檔規(guī)范,而這個層級就形成“文檔結構”,具體結構框架,見圖1。
2.3.2 結構化層次 CDA的文檔結構定義了一個可擴展分層次的文檔規(guī)范集,它是一個為了表示臨床文檔而對其語義和結構進行約束的定義的集合。在CDA結構中,文檔規(guī)范之間的關系是通過特殊化和擴展來定義的。使用該結構可以消除醫(yī)療局部文檔中遇到的強迫接受的文檔約束的情況,以便實現(xiàn)互操作。文檔的層次同樣是一整套大量的規(guī)范,可以用來進一步實現(xiàn)約束。CDA文檔根據(jù)其內(nèi)容可以用于計算機處理的程度不同和對內(nèi)容進行的約束不同分為3個層次,見表1。
CDA文檔的第1個層次面向高結構化顆粒度,文檔體中包含了大量的結構信息,雖然可以使用HL7提供的受控詞匯表,但是沒有語義信息的表達;第2個層次是對第1個層次的特殊化,在第2個層次CDA開始對文檔的內(nèi)容和結構通過模板的形式結構化,并包含了一套嚴格的CDA結構和語義信息;第3個層次則是第2個層次的進一步擴展,在第2個層次的基礎上增加了另外的標記,可以使醫(yī)療臨床信息在HL7定義的范圍內(nèi)被完整地表示,而從數(shù)據(jù)共享和集成的角度對更細粒度的文檔內(nèi)容進行結構化。需要說明的是在不同的結構層次下,臨床文檔內(nèi)容是不變的,而每個不同的層次使用計算機處理時共享的語義也有所不同。目前國內(nèi)外對于數(shù)據(jù)病歷結構化的粒度集中在第2個層次,對于第3個層次的結構化粒度不同的國家、不同的系統(tǒng)給出了自己不同的理解和實現(xiàn)方式,多以結構化數(shù)據(jù)和非結構化數(shù)據(jù)敘述性描述并存的形式來出現(xiàn)。
3 存儲方案 。
3.1 病歷數(shù)據(jù)結構化
3.1.1 建立多維信息結構從前面CDA的介紹中可以看出,即便采用CDA第3個層次來實現(xiàn)病歷數(shù)據(jù)結構化,其粒度還是比較粗略的,因此要想在實際醫(yī)療系統(tǒng)中加以應用,需要再加以具體的細化。根據(jù)紙質(zhì)病歷的SOAP(Subjective data,Objectivedata、Assessment,Plan)描述方式,對當前HIS系統(tǒng)的改進引入基本數(shù)據(jù)、組合數(shù)據(jù)、組件和模板來對病歷數(shù)據(jù)進行結構化的分割和組合,建立起一個多級的靈活多維信息結構。具體定義如下:基本數(shù)據(jù)是病歷信息中不可分割的單元,如白細胞、紅細胞等;組合數(shù)據(jù)是臨床中經(jīng)常使用的具有特定業(yè)務含義的基本數(shù)據(jù)集合,如某個診斷結果片段,某項檢查片段等;組件是組合多個基本數(shù)據(jù)和組合數(shù)據(jù)形成的具有業(yè)務含義的臨床數(shù)據(jù),用于存儲病人常規(guī)信息、體檢信息、人院診斷等信息;模板是由醫(yī)療單位的業(yè)務人員事先建立好的不同科室病人的病歷樣式。對于組件來說,各個科室的醫(yī)生可以選擇相應的模版以填寫病歷信息,動態(tài)地實現(xiàn)各個組件組合。這樣一套基于XML的病歷數(shù)據(jù)存儲模式體系是完全面向業(yè)務人員設計的,醫(yī)生能夠動態(tài)地定義語義明確的病歷模版并可以自行調(diào)整。
3.1.2 模式設計分解細化規(guī)則 鑒于上述病歷數(shù)據(jù)的結構化思想,依據(jù)CDA XML模式的層次結構以及病歷數(shù)據(jù)的更新頻率,將一個病人的完整病歷信息分解為基本信息、現(xiàn)診療過程、既往史(包括過去史、個人史和家族史)、過往病歷4個部分,除了基本信息相對獨立外,其他3項又可以進一步細化,具體的模式設計分解細化規(guī)則如下:將病歷文檔作為根節(jié)點,包含所有的病歷信息,即由它決定病歷的模板;將病歷文檔進行細化,分成各個組件,每個組件代表一個獨立的項目,如病人基本信息、現(xiàn)診療過程、既往史、過往病歷等;將組件進一步細化成更小的部分成為組合數(shù)據(jù),它們之間可以相互組合形成更大的組件,如主訴、現(xiàn)病史、各項檢查項目等;將組合數(shù)據(jù)元素進一步細化成最小
的單元,成為基本數(shù)據(jù),它是不可再分割的數(shù)據(jù)單元。也就是病歷信息樹的葉節(jié)點,如病人姓名、現(xiàn)病史的起病時間等。
3.2 病歷數(shù)據(jù)存儲方案
3.2.1 混合存儲模式 電子病歷數(shù)據(jù)的存儲方式將直接關系到電子病歷處理的效率和復雜度,而電子病歷數(shù)據(jù)的復雜性和可擴展性使得上述3種存儲方式都有所欠缺。為了提高系統(tǒng)的效率,降低數(shù)據(jù)冗余,本文采用混合關系數(shù)據(jù)表和XML數(shù)據(jù)存儲模型來實現(xiàn)病歷數(shù)據(jù)的存取:一方面對于數(shù)據(jù)結構化程度比較高,結構不太復雜而且相對固定的部分
采用關系數(shù)據(jù)表的形式存儲;另一方面對于非結構化程度比較高,數(shù)據(jù)比較復雜而且結構經(jīng)常變動的部分,采用XML的半結構化數(shù)據(jù)存儲模式,便于實現(xiàn)病歷系統(tǒng)跨平臺查詢功能和不同醫(yī)療系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。兩種描述同時存在并保持相對獨立,依用途不同相互配合使用。
3.2.2 XH L基本存儲模式 使用CDA XML描述病歷數(shù)據(jù)內(nèi)容,首先要定義模式結構XML Sche—m a¨ J, 對病歷數(shù)據(jù)進行相關的約束,主要包括:可以出現(xiàn)的子元素、元素的屬性、子元素出現(xiàn)的順序、數(shù)量、數(shù)據(jù)類型等,這些約束在圖形化的模式設計中都有標識。例如數(shù)據(jù)類型顯示在圖表的左上角,用多個矩形框表示該元素可以在XML文檔中出現(xiàn)多次,用虛線框表示其在XML文檔中可選擇有無等等。根據(jù)病歷數(shù)據(jù)的結構化方法,對病歷數(shù)據(jù)按照結構化粒度從大到小的方法逐步組合而成基本的存儲模式,見圖2。
每個基本數(shù)據(jù)作為一個屬性或者子元素,如姓名、性別等。為了數(shù)據(jù)處理的方便,盡量作為子元素處理。組合數(shù)據(jù)和組件一般定義為由多個屬性或子元素組成的復雜數(shù)據(jù)類型,也可以引用其他子元素或者復雜數(shù)據(jù)類型。模板就是一個完整的XMLSchema,它用根節(jié)點以說明此文檔的基本信息,一個Schema表示一個患者的一次診療過程。
3.2.3 對不同內(nèi)容按需采取不同存儲方式 依據(jù)臨床數(shù)據(jù)實踐,病人的基本信息相對來說變化較小,數(shù)據(jù)的結構化程度比較高,而且涉及到病歷系統(tǒng)的各個部分,對于這些需要經(jīng)常與其他系統(tǒng)交互的信息采用關系數(shù)據(jù)表的形式存儲,以提高系統(tǒng)的效率。對于像過去史、個人史和家族史這部分變化不大結構化程度比較高的數(shù)據(jù),由于個人情況的不同,需要存儲的數(shù)據(jù)也會有所不同,采用關系數(shù)據(jù)表會加大病歷數(shù)據(jù)之間交互的復雜性,同時也會增加系統(tǒng)的冗余和存儲空問,故而把它們集中起來使用既往史這個組件采用XML模式存取。相對來說病人的每一次診治過程是變化最大的,同時也是最重要的,因此系統(tǒng)主要是針對病人每次的診治過程作獨立的XML模式存儲。例如門診病人就醫(yī)的過
程一般為掛號、分診、就診、一般檢查、實驗室檢查、檢查結果反饋、診斷、開具處方等,根據(jù)病歷規(guī)范手冊這些過程對于單個病人來講有些是可有可無的,這樣就需要醫(yī)生動態(tài)地調(diào)整該XML模式以適應需求。
4 實驗設計
4.1 實驗方法
以上分析結果表明關系數(shù)據(jù)庫表和原生XML數(shù)據(jù)庫相結合的方式是病歷存儲的一種更好的方式。針對支持原生XML存儲的數(shù)據(jù)庫DB2 V9,設計了兩種存儲方法,一種是把病歷數(shù)據(jù)拆分成關系數(shù)據(jù)庫表的形式進行存儲,另一種是采用關系數(shù)據(jù)庫表和XML模式相結合的方式存儲。為了簡化實驗均使用100份門診病歷,選取以下3組典型的數(shù)據(jù)庫操作分別在兩種存儲方式上運行以比較其性能:插人病人病歷;使用簡單查詢規(guī)則對單個病人進行查詢,例如姓名;使用多條件查詢規(guī)則對病人信息進行查詢,例如姓名+時間,姓名+科室,姓名+醫(yī)生姓名等。
4.2 插入操作
對于病歷的插入操作,分別測試了一次性插1個、5個、l0個、20個病人病歷的情況,發(fā)現(xiàn)隨著插入的量的增加混合數(shù)據(jù)存儲方式明顯地優(yōu)于單純的關系數(shù)據(jù)庫表的操作,見圖3。
這是由于單純的數(shù)據(jù)庫表的存儲方式需要建立各個表之間的連接,從而增加了數(shù)據(jù)的冗余,而混合存儲方式只需要根據(jù)XML模式插入內(nèi)容即可,減少了不必要的
操作4.3 查詢操作
一次插入病歷數(shù)插入操作比較結果電子病歷在很大的程度上主要是用于后期的查詢統(tǒng)計工作,所以設計了5個查詢條件進行查詢:Query 1是最簡單的病人基本信息的查詢,Query 2是對病人所有病歷主要信息的查詢,Query 3則是根據(jù)時間(或某一時間段)對病人病歷的查詢,Que—ry 4是根據(jù)病人和科室信息的組合查詢,Query 5是根據(jù)病人和醫(yī)生信息的組合查詢。查詢結果的比較,見圖4。
對于都是用關系數(shù)據(jù)表存儲的病人基本信息的簡單查詢來說,兩種存儲方案的查詢速度基本一致,但是當查詢涉及到病人病歷數(shù)據(jù)信息時混合存儲方案就會明顯地優(yōu)于純關系數(shù)據(jù)表存儲方法,這是因為將層次化的病歷數(shù)據(jù)分解到關系表,關系查詢必然會有多個連接操作來實現(xiàn),過多的數(shù)據(jù)庫表的連接勢必會影響系統(tǒng)的效率。Query 4和Query 5同為組合查詢但結果相差太多,原因在于醫(yī)院科室信息測試數(shù)據(jù)直接列入病人病歷中,而醫(yī)生信息則是獨立成表。
5 結語
本文根據(jù)國際醫(yī)療標準HL7 CDA設計了一個集關系數(shù)據(jù)庫和原生XML數(shù)據(jù)庫于一體的混合病歷數(shù)據(jù)存儲方案,設計層次上由于XML Schema的使用減少了數(shù)據(jù)表的數(shù)量而使得設計比較簡潔,應用上從醫(yī)院提取了100個門診病歷進行了測試,測試結果表明該存儲方案明顯地優(yōu)于傳統(tǒng)的純關系數(shù)據(jù)庫表形式的存儲方法。尤其是電子病歷數(shù)據(jù)多以
后期的統(tǒng)計分析為主,混合存儲的方式有利于提高系統(tǒng)的查詢速度使得該存儲方案的優(yōu)勢更加明顯¨ 。當然目前系統(tǒng)僅是測試了門診病歷部分,而且數(shù)據(jù)量比較小,使得測試結果還有一定的誤差,后期將使用住院病歷部分對該存儲方案加以完善,并開展多用戶的使用測試。
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- 30便攜式病歷管理系統(tǒng)的設計與開發(fā)
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重慶公司:重慶市江北區(qū)紅旗河溝華創(chuàng)商務大廈18樓