新型醫學網格系統的結構設計方案

摘要:介紹了醫學網格的起源#65380;概念及研究現狀，提出了一種基于OGSA的總體結構和三層架構的區域性醫學網格系統的結構設計方案，最后給出了醫學網格系統中信息服務的實現模型#65377;該系統是解決醫療資源分配不均#65380;偏遠地區看病難#65380;醫院間資源不共享等若干問題的可行方法#65377;

關鍵詞:數字化醫療; 醫學網格; 開放網格服務結構

中圖分類號:TP302.1文獻標志碼:A

文章編號:1001-3695(2007)10-0222-03



由電子計算機引發的數字技術革命給醫學發展帶來了巨大的變化，并使醫療領域進入數字醫療時代——將當代計算機技術#65380;信息技術應用于整個醫療過程的一種新型的現代化醫療方式[1]#65377;醫院信息化發展大致可分為醫院管理信息化(HIS)#65380;臨床管理信息化(CIS)和局域醫療衛生服務(GMIS)三個階段#65377;HIS主要是為醫院的日常管理提供輔助作用;CIS是將信息技術應用于醫院的臨床管理中;GMIS則是實現醫療信息資源的區域性共享#65377;

我國的數字化醫療系統正處于第一階段向第二階段發展的階段，HIS已經在慢慢普及，CIS也已經在某些醫療領域得到模塊化的應用#65377;然而，當今數字化醫療系統中仍存在著一些問題:醫學衛生系統的某些研究領域需要計算機擁有強大的運算能力，如研制一款新藥需要進行無窮無盡的分子組合運算和化合物篩選;我國各地區醫療衛生水平發展嚴重不平衡，需要實現地區間醫療資源廣泛共享;目前關于數字化醫療的研究基本上都是分散的，研究單位都是建設各自的研究平臺，這種資源的孤島[2]使得各醫院間的醫療資源不能被充分有效地利用#65377;隨著網格技術的日趨成熟，其計算能力強#65380;運算速度快#65380;信息共享性強和協同環境好等特點為解決數字化醫療系統中的上述問題提供了技術支持#65377;

1網格及醫學網格

網格一詞最早出現在20世紀90年代中期[3]#65377;其思想最初起源于電力網，最終目的是希望用戶在使用網格計算能力時，就如同現在使用電力一樣方便#65377;簡單地講，網格是把整個互聯網整合成一臺巨大的超級計算機，實現計算資源#65380;存儲資源#65380;數據資源#65380;信息資源#65380;知識資源#65380;專家資源的全面共享#65377;網格概念的核心在于突破以往強加在計算資源之上的計算能力大小#65380;地理位置#65380;資源共享等方面的限制，使人們能以一種全新的更自由#65380;更方便的方式使用計算資源，解決更復雜的問題[4]#65377;

醫學網格通常是指在網格環境和技術平臺上實現的醫學領域的應用項目，是由各種應用程序#65380;服務和能處理醫學數據的中間件所構成#65377;網格資源包括數據庫#65380;計算能力#65380;醫學專家及其知識，甚至還包括醫療設備[5]#65377;醫學網格的建立需要醫學領域專家#65380;計算機科學領域專家及相關企業和行政管理機構專家等的共同努力#65377;

2醫學網格的發展現狀

網格技術對醫學研究及臨床工作巨大的潛在推動作用使各國研究者在研究和開發醫學網格及其應用項目方面表現出極大的興趣和熱情，已建立了一些應用于醫學領域的試驗性網格基礎設施#65377;

在美國，上百個高校和研究機構在NSF的支持下建立了NPACI和NCSA兩個全美范圍內的大規模網絡合作研究組織，涉及的研究課題覆蓋了物理#65380;化學#65380;生物#65380;醫藥#65380;環境等諸多領域#65377;由賓夕法尼亞大學領導#65380;與IBM公司合作的計算網格項目——國家數字乳房X線照相檔案NDMA是一個基于開放標準的大規模分布式計算機系統，它采用類似于應用服務分發的模式，通過Internet實現計算資源的分配#65377;一個基于網格技術的生物醫學信息學研究網絡提供分布式信息技術的基礎設施來改善生物醫學領域的科學研究#65377;目前已有12所大學和16個研究機構參與了在這個基礎設施上開展的三項試驗性研究項目#65377;

在歐洲，過去兩年中已經先后建立了幾個覆蓋全歐洲的大型網格系統，其中比較具有影響力的有EuroGrid和data grid[6]等#65377;英國的eDiamond研究項目建立了一個網格，它能支持對乳腺癌的診斷，并能向醫生提供更多的信息幫助對乳腺癌的治療#65377;英國劍橋大學與西英格蘭癌癥網WACN聯合進行基于網格的遠程醫療試驗，對160萬人口提供癌癥醫療服務#65377;法國#65380;日本#65380;澳大利亞#65380;印度#65380;俄羅斯等國家也相繼啟動了全國性的網格研究和建設項目，取得了令人矚目的成果#65377;

3醫學網格系統的設計

3.1開放網格服務結構

醫學網格系統的設計目標是設計一個基于層狀網格信息服務模型的醫療衛生信息服務系統，使這個系統能夠為用戶提供統一接口的#65380;無縫的#65380;集成的服務#65377;本文醫學網格系統的設計是基于開放網格服務結構(OGSA)[7]的#65377;OGSA是在以IBM為代表的工業界的影響下，在考慮到Web技術的發展與影響后，Foster等結合Web service提出的;是繼五層沙漏之后最重要，也是目前最新的以服務為中心的網格體系結構，被稱為是下一代的網格結構#65377;相對于五層沙漏結構的以協議為中心的協議結構，OGSA是以服務為中心的服務結構#65377;這里的服務所指的概念更為廣泛，包括各種計算資源#65380;存儲資源#65380;網絡#65380;程序#65380;數據庫等，一切都是服務#65377;在OGSA中實現的是對服務的共享，它將資源#65380;信息#65380;數據等統一起來，十分有利于靈活#65380;一致#65380;動態的共享機制的實現，使得分布式系統管理有了標準的接口和行為#65377;

為了使服務的思想更加明確具體，OGSA提出了網格服務(grid service)[8~10]的概念，網格服務是一種Web service，用于解決服務發現#65380;動態服務創建#65380;服務生命周期管理等與臨時服務有關的問題#65377;基于網格服務的概念，OGSA將整個網格看做是網格服務的集合，但是這個集合不是一成不變的，是可以擴展的，這反映了網格的動態特性#65377;

3.2基于OGSA的醫學網格系統總體結構

本文提出一種基于OGSA的醫學網格系統的層次結構，如圖1所示#65377;

設計醫學網格系統時首先要考慮兩點:

a)交付無縫的服務質量#65377;由于醫學網格的拓撲結構十分復雜，而且各醫院之間資源的交互及更新往往是動態的，這就要求醫學網格系統必須能夠提供健壯的后臺服務，如授權#65380;訪問控制和安全機制等#65377;

b)為自治管理解決方案提供公共基礎#65377;醫學網格系統包含許多資源，一所現代化醫院每天將產生大量包括病人生理#65380;病理和解剖信息的圖像#65380;文本等資源，還有大量的配置組合#65380;交互以及狀態與故障模式的改變#65377;對于這些資源來說，一些智能自動調節與自治管理方式是必不可少的#65377;

1)醫學網格資源層資源的概念是OGSA以及通常意義上網格計算的中心部分#65377;構成醫學網格的資源由分布在醫院局域網上的各類物理資源和邏輯資源組成#65377;物理資源包括服務器#65380;存儲器和網絡;邏輯資源包括文件系統#65380;數據庫#65380;目錄和工作流管理等，還包括各種醫療設備(如超聲儀器)以及醫學專家等人員#65377;

2)醫學網格Web服務層在這一層中，醫學網格資源層的所有資源都被建模為服務#65377;OGSI規范利用諸如XML與Web服務描述語言這樣的Web服務機制，為所有網格資源指定標準的接口#65380;行為與交互#65377;OGSI進一步擴展了Web服務的定義，提供了動態的#65380;有狀態的和可管理的Web服務的能力，這在對醫學網格資源進行建模時都是必需的#65377;另外，從安全角度和保護病人隱私角度考慮，需要建立一種安全服務對醫學網格的訪問進行控制#65377;

3)醫學網格信息整合層醫學網格Web服務層及其OGSI擴展為醫學網格信息整合層提供了基礎設施#65377;該層主要任務是進行各種信息整合，負責提供作業管理#65380;用戶管理#65380;資源和服務監控等#65377;

4)醫學網格應用層醫學網格系統最終提供的服務在應用層，包括遠程醫療#65380;醫學圖像處理#65380;電子病例檢索等#65377;實際應用中，由于多數的醫生對于計算機都不是很熟悉，構建一個友好的交互界面是必需的#65377;對于醫生而言，這個環境是透明的，就像是在操作本地機器一樣方便和快捷#65377;

3.3三層架構的區域性醫學網格系統

構建一個區域性的甚至是國家級的醫學網格系統具有以下一些優點:減少了醫院對于硬件設施的投入;絕大多數醫院并不擅長信息管理，如果將醫學數據移交給專門的數據中心，不僅可以節約大量的人力資源，在安全性上也可以得到更好的保證，醫院可以將更多的精力投入到醫療上面;建立專門的數據中心，有利于科研工作者對數據的獲取及統計#65377;

依據前面給出的醫學網格系統的總體層次結構，下面具體闡述一種三層架構的區域性醫學網格系統#65377;所謂三層架構，是指系統的實現按照數據的流轉分為三個部分，即系統管理中心#65380;地區數據交換中心和醫院終端系統#65377;三層架構的醫學網格系統結構圖如圖2所示#65377;

1)系統管理中心它建立在省級網絡之上，功能覆蓋了省級的醫療衛生信息網絡平臺#65377;系統管理中心作為醫學網格系統的總指揮，它負責的主要功能有下屬地區數據交換中心管理#65380;模板和標準數據字典發布#65380;信息公布#65380;數據收集等#65377;其中，模板和標準數據字典由各地終端編輯，然后由地區數據交換中心向系統管理中心提出發布申請;系統管理中心通過審核后向所有數據中心發布，使之成為整個系統的標準#65377;

系統管理中心為了減小負擔，采取強管理#65380;弱服務的策略#65377;除了必要的管理和服務外，系統管理中心會盡量將系統服務分散到下屬各地區數據交換中心去實現#65377;

2)地區數據交換中心它是醫學網格系統的中樞，存儲病人的基本信息索引和病人就診的病歷索引#65377;地區數據交換中心建成以后，將能夠方便地對醫院和社區等醫療機構的疫情#65380;流行病#65380;傳染病等信息進行動態收集，及時上報系統管理中心，以發現并阻止大規模異常病癥的爆發#65377;地區數據交換中心還可以向醫院和其他終端提供各種醫療保健方面的應用服務，包括病歷索引檢索#65380;個人健康狀況咨詢#65380;醫療專家系統咨詢等#65377;此外，地區數據交換中心可以將各個醫院終端系統緊密地聯系起來，實現各醫院間的醫學資源共享#65380;協同診斷及偏遠地區的遠程醫療，提高現有醫療衛生資源的利用效率#65377;

3)醫院終端系統其功能是實現醫學網格系統對醫院工作的各種服務#65377;這些功能包括醫生或者護士工作站對病人病例共享的申請#65380;病人對自己病例的查詢申請#65380;醫院對病人病例索引的同步申請#65380;醫院要求建立遠程醫療申請#65380;醫院對系統標準或信息的下載申請以及醫生要求三維圖像重建申請等#65377;

醫院終端系統是醫學網格系統為醫院各種工作終端提供服務的窗口#65377;醫院終端系統的核心是一組應用服務器組件集，是一組存在于COM+(可以理解為COM的新發展，或者COM在更高層次上的應用)服務器中的組件#65377;它主要是提供醫院各種工作終端訪問醫學網格系統服務的接口#65377;在接收到服務申請后，它可以將服務申請轉發到系統中的各服務實體，然后返回事務處理結果#65377;所有對醫學網格系統的事務申請，都要通過這個組件進行操作#65377;

3.4醫學網格系統信息服務模型的設計 

正如前面提到的，OGSA是以網格服務為中心的體系結構，所以基于OGSA的醫學網格系統必然要考慮網格服務模型的設計#65377;

在醫學網格Web服務層中，資源層的所有資源都被轉換為信息服務模型#65377;信息服務系統最終表現為信息服務節點的組織結構和邏輯關系，每個信息服務節點就是運行于網格服務支持環境的一個網格服務信息管理服務#65377;面向服務代理的信息服務視圖是對信息服務的集中和整合視圖，服務代理并不關心服務信息的真正位置#65377;圖3表明了醫學網格系統的信息服務邏輯結構#65377;

在實現醫學網格系統信息服務的總體結構中，包含醫院信息服務客戶端#65380;信息服務管理控制臺和特定信息服務模塊三個功能模塊#65377;服務請求者在醫院信息服務客戶端輸入服務申請信息，打包成消息，傳遞到網格服務運行環境#65377;運行環境中的處理器將消息解包，把消息內容傳遞給信息服務調用接口#65377;信息服務對消息進行處理，并且按照某一消息傳播算法將消息轉發給信息網格中的通信伙伴節點，直至目的地完成服務，然后將服務反饋消息響應返回#65377;系統的管理員和授權服務請求者可以通過信息服務管理控制臺查看整個信息網格中的情況，并且處理信息服務管理的請求#65377;其邏輯關系如圖4所示#65377;

4結束語

構建醫學網格系統不需要醫院花費額外的資金用于購置昂貴的高性能計算機，只要通過網格技術將醫院現有的計算資源和存儲資源進行有機組合，構建一臺虛擬的高性能計算機就可以較好地滿足遠程醫療#65380;電子病例檢索#65380;健康普查等諸多的需求#65377;這完全符合我國醫療系統的現狀，具有較高的理論意義和實際應用前景#65377;

本文在基于OGSA的總體結構基礎上提出了三層架構的區域性醫學網格系統的結構設計方案，并且針對醫學網格系統中的信息服務給出了其實現模型#65377;這種新型的醫學網格系統結構設計方案具有層次結構清晰#65380;軟硬件配置合理#65380;資源共享能力強等特點，具有較高的可推廣價值#65377;但是，網格系統的信息服務管理問題的研究既要考慮網格運算本身需要的高速#65380;高效和冗余備份，又要考慮到網絡的實際運行狀態和傳輸質量，這些都給醫學網格系統的設計帶來了一定的困難#65377;本文仍存在不完善之處，需要在日后的研究工作中作進一步改進#65377;

參考文獻:

[1]方舸.數字化醫療解決方案內容及經驗之我見[J].醫療裝備，2003，16(12):4-6.

[2]FOSTER I， KESSELMAN C， TUECKE S. The anatomy of the grid: enabling scalable virtual organizations[J]. International J Supercomputer Applications， 2001，15(3):200-222.

[3]FOSTER I， KESSELMAN C. The grid 2 blueprint for a new computing infrastructure[M]. San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers， 2003:10-56.

[4]都志輝，陳渝，劉鵬.網格計算[M].北京:清華大學出版社，2002:4-36.

[5]章魯，李三立.生物醫學網格及其應用[J].上海第二醫科大學學報，2005，25(11):11771183.

[6]SEGAL B. Grid computing: the European data project[C]//Proc of IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference. Lyon:[s.n.]， 2000:74-76.

[7]翁鳴，梁俊斌，蘇德富.基于OGSA的網格虛擬組織建立[J].計算機工程與科學，2006，28(2):140142.

[8]FOSTER I， KESSELMAN C， NICK J. Grid services for distributed system integration[J]. IEEE Computer， 2002，35(6):37-46.

[9]都志輝.以服務為中心的網格體系結構OGSA[EB/OL].(2005-07-15).[2006-04-25].http://www.chinagrid.net/dvnews/upload/2005_07/05070522009932.pdf.

[10]謝翠萍，傅秀芬，高冉，等.開放式網格服務體系結構OGSA[J].微型機與應用，2004，23(6):1011，21.

“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”