基于多数据流的疾病监测数字仪表盘设计——以流感监测为例

简介

呼吸道病毒每年在全球造成严重的死亡率和发病率。流感病毒与严重感染和死亡有关，因而特别引起公共卫生关注[1，2］．疾病监测提供了有用的信息，有助于监测趋势和疾病负担，规划、实施和评估适当的预防和控制干预措施，以及分配资源[3.］．目前，世界卫生组织(世卫组织)管理着全球最大的人类流感病毒监测网络[4]，包括来自106个国家的136个研究机构，主要研究流行毒株的遗传和抗原特征。虽然世卫组织全球流感监测网络的最初目的是为随后的流感季节推荐流感疫苗的成分[5]，地方和国家前瞻性流感和流感样疾病监测系统也为决策者和公共卫生从业者在流感活动期间的态势感知提供了重要信息。

在探索和利用新的和不同的呼吸道疾病数据来源方面取得了巨大进展，特别是在2003年严重急性呼吸系统综合症(萨斯)流行之后[6，7以及2009年甲型H1N1流感大流行。然而，由于不同的监测方法只针对特定的目标人群，可能处于疾病发展的不同阶段，因此提供的信息相关但又不同[8]，使用单一监测数据流来反映整体疾病活动可能不合适。整合多个监测数据并充分利用数据中的现有信息来总结总体情况仍然具有挑战性。

另一方面，在数据传播领域的研究较少，而如果要保持对该系统的信心和热情，将情境化数据反馈给利益相关者是而且必须是任何监控系统的一个关键方面[9，10］．同样重要的是，不能忽视传播工作。无论监测系统上游监测数据的收集和分析如何准确及时，如果数据传播的健康传播手段不佳，投入的时间和精力的回报都将打折扣。沟通不畅可能导致信息传递延迟、信息丢失，甚至对监测结果的误解。亦应努力传播数据，以完成监察至行动的循环[3.］．

数字仪表板(也称为执行仪表板)描述了通常由经理使用的计算机交互工具，通过关键绩效指标直观地确定其业务的状态(或“健康”)。这些工具起源于20世纪70年代的决策支持系统概念，随着信息技术在20世纪90年代的快速发展，这些工具已经发展成为高管办公室的标准工具[11，12］．它们的使用已扩展到医学领域，例如，显示病床占用情况，医院管理中临床工作人员的可用性[13，14]，或监察药房内不同药剂的存货[15］．从更广泛的意义上讲，数字仪表板只是描述了在适当的上下文中可视化显示关键指标的系统，允许最终用户快速解释。通过允许在不同的透视图和上下文中提取信息，可以使动态仪表板具有交互性和用户友好性。通过投资于数据传播的设计，可以大大提高地方卫生当局和一般公众提供和传播数据的质量，从而最大限度地利用监测系统的现有数据。

在本研究论文中，我们为数字仪表板开发了一个通用框架，并通过具体应用于流感监测来说明该框架。根据为促进监测数据的有效传播而确定的要求，设计和纳入了具体功能。该仪表板可以一目了然地显示不同人群的流感活动情况和总体情况，最大限度地利用现有数据，供决策者和公众采取适当行动。

方法

仪表盘设计的原理和实现

我们设计了一个在线互动仪表盘，无缝地适应人类的视觉感知。本研究的三位作者(CKYC, BJC, EHYL)具有计算机科学、流行病学和统计学背景，根据先前的回顾研究，指出了当前监测数据传播方法的弱点[8］．根据这次审查以及2009年流感大流行的经验和反馈，我们确定了新系统的要求。为响应这些要求，仪表板功能的设计结合了早期审查中确定的国家监测网站的优点、有效数据呈现的应用原则和仪表板设计[16，17]，并采纳专业资讯科技顾问的建议。每个组件的具体示例主要是从流感监测仪表板中提取的，该仪表板是作为这些设计原则的演示构建的。

在主网页和下钻页面中，我们实现了以下功能，以实现高效的数据展示:(1)提供观众需要的快速清晰的信息，(2)组织信息以支持意义和可用性，(3)最大限度地减少干扰，clichés和可能造成混乱的不必要的修饰，(4)创造美观的观看体验，(5)设计的一致性，便于数据比较。

仪表板一眼就能显示和综合监测数据，提供来自不同数据流的疾病活动概况。避免了页面滚动，以便用户可以轻松地将注意力集中在来自不同来源的信息上，而不是在不同的页面或部分中搜索信息。所有监控原始数据都以标准数据文件格式存储，以实现数据操作的简单性，并减少仪表板更新和服务器查询期间的数据处理时间。多个页面允许根据最终用户的指示显示交互式图形和信息，我们还允许以通用标准数据文件格式导出原始数据。

用于流感监测的数据

我们使用五种不同类型的流感监测数据来演示仪表板，即香港普通科门诊报告的流感样疾病每周求诊率、全科医生报告的流感样疾病每周求诊率、每周流感病毒分离率、每周整体缺勤率，以及主要诊断为流感的4岁及以下儿童每周入院率。缺勤率数据由网上电子学校管理系统服务供应商BroadLearning Education (Asia) Ltd提供。其他四个数据流取自香港特别行政区政府卫生署卫生防护中心的官方网站[18］．

系统开发

该系统被设计为允许持续发展，例如通过修改内部R程序的特定相关组件，合并更多的监视数据流或应用更复杂的分析算法进行畸变检测。随着监视数据源的变化(例如，从新的监视系统添加数据)，数据库存储和图形显示几乎不需要额外的编程。

结果

流感监测指示板由香港大学公共卫生学院(http://sph.hku.hk/dashboard)的服务器托管。这里我们展示了设计模式[19，20.]描述监控仪表板的主要功能。

系统架构

需求

要求系统简单、稳定、占用资源少。另一项要求是进行有效的数据传输和分析，以便及时监测疾病模式。

设计

采用了简单的3层结构，包括数据库层、逻辑层和表示层。该系统是基于开源编程语言构建的。采用基于命令行的分析软件，简化程序设计，避免不必要的计算过程。

例子

对于表示层，我们使用超文本标记语言(HTML)以及级联样式表(CSS)和超文本预处理器(PHP) Web编程语言。对于后端数据库，我们使用MySQL(结构化查询语言)(Oracle Corporation, Redwood Shores, CA)服务器。CSV (comma separated value)格式的数据通过HTML导入到MySQL服务器。用于数据分析和生成图形结果的逻辑层基于R版本2.12.1 (R开发核心团队，维也纳，奥地利)。图1说明了用统一建模语言(UML) 2设计的系统的图解表示。在该系统中，各个组件通过特定的编程语言进行双向通信连接。

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数据输入、存储和提取

需求

一个需求是自动数据更新，以最大限度地减少操作资源和人为错误。还需要兼容的格式，以便在不同的操作系统和程序中共享和操作数据。

设计

所有原始数据均采用标准化格式进行输入和提取。监控数据储存在一个中央数据库中，与所有网页相连，便于更新。原始数据可以根据用户的要求，在嵌入网页的用户友好菜单中使用标准查询语言(SQL)从数据库中提取。

例子

数据库可以通过名为“importer”的一次性数据管理系统导入，这是一种定制的在线数据文件导入系统，与Internet浏览器、后端服务器数据库以及内部PHP和R程序相连。一旦更新后的原始数据文件准备就绪，管理人员只需在进口商网页上上传该文件。导入器将自动检测文件格式，并在相应的数据表中更新中央后端MySQL服务器数据。主网页和下钻页的星火线和时间序列图像(jpeg格式)也将由R程序更新。对于数据提取，最终用户可以选择特定的数据流和时间段，在主网页和下钻页面以逗号分隔值(CSV)或可扩展标记语言(XML)格式(右侧面板)提取原始数据，用于自己的特定目的图2而且3.)．

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表示层

需求

要求是在仪表板上一眼显示所有监测数据，以提供疾病活动的清晰概述，并根据用户的具体需求进行交互式显示。还需要图形警报，以突出疾病活动增加，以实现健康信息的有效传播。

设计

网页设计内容丰富，一目了然，以清晰简单的图形呈现监控数据流。避免了干扰，以便监控数据在页面上突出。鲜艳的颜色或粗线被用来表示高水平或最近的数据。指标强调监测数据流呈上升趋势或处于较高水平。由于监测数据流反映了不同目标人群中的疾病活动性，这使用户能够确定特定人群中的疾病活动性升高。对于动态图形显示，用户在Web图形用户界面(GUI)中选择的特定参数将传输到内部程序，以生成最新的图形。以前和过时的数字将被清除，以避免浪费服务器内存。

例子

主页

流感监测仪表板主页的截图显示在图2．在该图中，以面板形式显示了过去12个月的五个流感监测数据流，以便快速比较疾病趋势。在左边，给出了数据流的简短标题，当指向它们时将显示更多细节。基于后端算法，整体流感活动的级别(低、中、高)和趋势(下降、稳定、上升)显示在左上方。由0到1的动态线性模型生成的整体流感活动指数显示在右上方。通过右侧的下拉菜单，可以提取不同格式的原始数据。

可以添加其他度量或指标，例如与过去数据的比较，以提供单个数据流的补充信息。还可以通过右侧的下拉菜单导出所选数据流和年份的原始数据。

个别监视数据流下钻页

单击各个数据流的图(图3)．向下钻取页面提供更详细的信息，例如过去年份的数据、历史中位数或高水平。用户可以通过单击相应的按钮来切换要显示的特定信息。粗线用来显示当年的数据。左侧的导航栏允许用户选择不同的监控数据流。只要数据可用，就可以将数据的进一步分层合并到下钻页面中。为了说明问题，我们提供了按地区分层的旷课数据。

建议下钻页面

如图4，“建议”下拉页为市民提供不同的建议，并根据整体流感活动的水平和趋势，鼓励市民采取措施预防流感感染和传播。

其他下钻页面提供了关于数据流来源和其他相关信息的补充信息。点击每页右上方的“中文”选项，可评估中文版流感监测仪表板。

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讨论

我们开发了一个流感监测仪表板，作为一个模板来演示多源监测数据的有效合成和传播，这也可以应用于其他疾病。通过仪表板设计，可以有效地传播来自多个来源的监测数据，这有助于将监测信息转化为公共卫生行动。

塞克将公共卫生监测定义为“对公共卫生实践的规划、实施和评估至关重要的卫生数据的持续、系统的收集、分析和解释，并与及时向需要了解的人传播密切结合”[21］．过去，需要大量努力和资源来提高监测数据的质量和诊断检测的准确性。直到20世纪90年代末，随着信息技术和互联网的快速发展，监控数据传输的时效性提高。然而，数据传播的方法和目标却被忽视了，这可能是因为传播和平面设计显然与医学领域无关。事实上，及时和有效的卫生沟通对于将信息传递给能够采取适当行动的相关人员极具价值。特别是，及时性始终是传染病防控的关键因素。相对而言，开发有效的数据传播方法所需的资源比数据收集、质量控制、诊断和分析所需的资源要少。研究人员还应密切关注数据传播，以最大限度地发挥上游监测工作的作用。

国家监控网站回顾[8]提供的证据表明，对设计用户友好和有效的监测数据传播的关注较少。特别是许多网站以报告的形式呈现或突出显示数据，使信息更难识别或综合。报告篇幅长，信息分散，难以掌握疾病活动的总体情况。此外，大多数网站通常都没有数据检索功能。为了有效和及时地共享数据，这些功能是非常需要的。

仪表板样式可以自动总结数据，并在下钻页面中显示不同类型的图形。其他详细或补充信息，例如个别监视数据流或建议的过去记录，可以在其他下钻页面中找到。我们亦加入了标准格式(例如CSV和XML)的数据导出功能，以方便数据共享，这对最近人类甲型流感(H1N1)大流行的流行病学调查非常重要。

此外，在网上公布监测数据的一个主要动机应是能够及时通报风险，从而促进疾病预防[22］．自2003年SARS爆发以来，随着公众卫生意识的提高，预计监测数据的来源只会增加。在流感监测仪表板中，我们演示了如何针对多种监测数据提出建议，以便更有效地将收集到的信息转化为公共卫生行动。

在开发更多监控数据流的同时，还需要开发更复杂的畸变检测算法。在这里，多变量分析算法的发展仍然面临一些挑战，因为不同的监测数据流代表不同目标在疾病进展的不同阶段的情况。此外，关于这些新的监测数据流与流感活动之间的关联，仍缺乏证据。这些数据是提供了更多的信号还是噪音，由于它们的非特异性，还有待商榷。这些数据流仍然需要评估和过滤，以提高信噪比，然后再添加它们作为常规监控实践;因此，现阶段只能作为补充资料。使用来自不同来源的联合监测数据的其他挑战包括处理缺失数据(例如，学校假期期间的缺勤)，以不同分辨率提供的数据(每日分辨率与每周分辨率)，以及来自不同来源的不同步数据接收协议，算法也应该能够处理这些问题。

一般来说，一个理想的监控网站应该具有相当的硬件和软件，以及标准的用户界面、数据格式和易于数据共享的编码。流感监测仪表板演示了如何合成和有效地在仪表板中显示不同来源的监测数据流，以提供疾病活动和每个单独来源的概述。流感监测仪表板是一个模板，可以通过多个监测数据源以类似方式有效传播关于其他疾病的信息。使用后端算法，可以从单个或所有数据流生成指标或统计数据。通过修改后端算法，还可以生成针对特定疾病类型定制的其他更复杂的指标。