基于云計(jì)算的軍人電子健康檔案平臺架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳金雄，劉寶妹，鐘俊華

1.南京軍區(qū)福州總醫(yī)院　計(jì)算機(jī)應(yīng)用與管理科，福建　福州　350025；2.福州大學(xué)　物理與信息工程學(xué)院，福建　福州　350002

基于云計(jì)算的軍人電子健康檔案平臺架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳金雄1，劉寶妹2，鐘俊華1

1.南京軍區(qū)福州總醫(yī)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用與管理科，福建福州350025；2.福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建福州350002

0　前言

軍人電子健康檔案數(shù)據(jù)具有海量、異構(gòu)、類型復(fù)雜多樣、保存時間長、數(shù)據(jù)隨時間變化等特性，而且目前尚未制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)體系、數(shù)據(jù)編碼和相關(guān)制度[1]，易形成“數(shù)據(jù)孤島”。如何存儲PACS（影像歸檔和通信系統(tǒng)）、B超影像，病理分析等業(yè)務(wù)產(chǎn)生的半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；如何實(shí)現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)快速地訪問、檢索和分析挖掘，使數(shù)據(jù)得到高效利用，這些問題制約著電子健康檔案平臺的發(fā)展與建設(shè)，需要在傳統(tǒng)的解決方案之上，引入新的技術(shù)及分析模型來解決。

云計(jì)算作為21世紀(jì)新興的信息技術(shù)，其橫向擴(kuò)展架構(gòu)與其他技術(shù)相比，具有高可靠性、高安全性、彈性計(jì)算、敏捷廉價(jià)等優(yōu)勢。所以采用云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建電子健康檔案平臺，能實(shí)現(xiàn)服務(wù)器和P C的統(tǒng)一管理和調(diào)度[2]、電子健康檔案的可持續(xù)共享[3]和系統(tǒng)的按需擴(kuò)展。

1　架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1平臺框架

軍人電子健康檔案平臺的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)平臺的按需擴(kuò)展、資源的統(tǒng)一管理和海量數(shù)據(jù)的高效處理。根據(jù)平臺目標(biāo)和業(yè)務(wù)需求分析，設(shè)計(jì)了基于云計(jì)算的軍人電子健康檔案平臺。平臺建設(shè)在現(xiàn)有衛(wèi)生信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，遵循H L7CD A、o penEH R等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從部隊(duì)各級衛(wèi)生機(jī)構(gòu)的信息系統(tǒng)中采集健康檔案數(shù)據(jù)，進(jìn)行源數(shù)據(jù)的E TL（Extract-Transform-Load）處理、存儲，構(gòu)建健康檔案云數(shù)據(jù)中心，從而建立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的電子健康檔案庫。在健康檔案數(shù)據(jù)中心，通過對健康檔案數(shù)據(jù)的分析與利用，實(shí)現(xiàn)一系列的醫(yī)療業(yè)務(wù)服務(wù)，為部隊(duì)提供一個互聯(lián)互通的醫(yī)療協(xié)

圖1　平臺總體架構(gòu)

平臺由部隊(duì)衛(wèi)生機(jī)構(gòu)層和平臺層組成。部隊(duì)衛(wèi)生機(jī)構(gòu)包括部隊(duì)醫(yī)院信息系統(tǒng)和公共衛(wèi)生信息系統(tǒng)，是健康檔案的數(shù)據(jù)來源。而平臺層是部隊(duì)衛(wèi)生機(jī)構(gòu)內(nèi)部數(shù)據(jù)交換平臺，主要有基本健康檔案服務(wù)、注冊服務(wù)、健康檔案信息共享服務(wù)、數(shù)據(jù)分析與利用服務(wù)。本文主要介紹平臺層。

1.2技術(shù)架構(gòu)

根據(jù)平臺需求，軍人健康檔案平臺必須是一個開放的、可擴(kuò)展的、可持續(xù)發(fā)展的架構(gòu)，能進(jìn)行健康業(yè)務(wù)管理的擴(kuò)充、系統(tǒng)存儲容量的橫向擴(kuò)充和以分布式和集群等方式的系統(tǒng)處理能力的擴(kuò)充。因此，采用云計(jì)算理念設(shè)計(jì)平臺技術(shù)架構(gòu)，見圖2。健康檔案云平臺主要采用虛擬化技術(shù)、分布式計(jì)算技術(shù)構(gòu)建，包括了基礎(chǔ)設(shè)施層IaaS、平臺服務(wù)層PaaS和軟件服務(wù)層SaaS三個層次，并貫穿三個層次的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系與安全保障體系。

圖2　平臺技術(shù)架構(gòu)

1.2.1資源虛擬化方案

健康檔案平臺采用虛擬化技術(shù)將硬件設(shè)施層的計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等I T硬件資源集中起來，虛擬化為資源池，對其進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)資源的按需分配和動態(tài)管理配置，進(jìn)而為平臺提供高可靠、高安全、高可擴(kuò)展和高效率的基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境。

基礎(chǔ)設(shè)施層又叫資源虛擬層，采用VMware vSphere虛擬化解決方案，將服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分別虛擬化為計(jì)算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源后，由控制管理器vCenter Server管理這些虛擬資源。管理員通過客戶端管理工具vSphere Client 連接 vCenter Server 來管理虛擬資源，建立及配置所需虛擬機(jī)。這種方式可將數(shù)量龐大的、分散的服務(wù)器、存儲設(shè)備等連接起來，進(jìn)行硬件資源的集中管理與監(jiān)控。

脂肪酸：稱取4～7 g油脂于10 mL離心管里，向其中加入1 mL正己烷和苯的混合液（1∶1），震蕩搖勻溶解，然后稀釋。準(zhǔn)確稱取50μL稀釋液于10 mL離心管內(nèi)，加入2 mL正己烷和苯的混合液（1∶1），震蕩搖勻溶解，最后加入2 mL 0.5 mol/L氫氧化鉀-醇溶液，振蕩搖勻。靜置30 min之后，在蒸餾水使全部有機(jī)相甲醇溶液升至瓶頸上部時，樣品即可用于氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀分析。

1.2.2數(shù)據(jù)交換技術(shù)方案

數(shù)據(jù)交換層通過醫(yī)療機(jī)構(gòu)的各類應(yīng)用系統(tǒng)獲得健康檔案源數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的交換與共享。此層采用面向服務(wù)的服務(wù)總線來屏蔽底層操作細(xì)節(jié)，為上層提供統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的信息通道，保證用戶的邏輯應(yīng)用和底層平臺沒有任何關(guān)系，最大限度地提高應(yīng)用的可移植性、可擴(kuò)充性和可靠性[4]；此層采用IBM的健康服務(wù)總線HSB來實(shí)現(xiàn)。IBM WebSphere Message Broker為核心，是企業(yè)服務(wù)總線在醫(yī)療行業(yè)的實(shí)現(xiàn)，它基于SOA架構(gòu)和醫(yī)療行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將醫(yī)療機(jī)構(gòu)業(yè)務(wù)流程、應(yīng)用系統(tǒng)和相關(guān)數(shù)據(jù)整合起來，提供統(tǒng)一的訪問總線。

1.3數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心存儲了軍人健康檔案信息和平臺管理數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)交換層采集的健康檔案源數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)清洗、轉(zhuǎn)換處理和存儲，從而為軟件服務(wù)層提供數(shù)據(jù)服務(wù)，見圖3。

圖3　數(shù)據(jù)中心存儲設(shè)計(jì)

1.3.1數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)存儲采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQL和非關(guān)系數(shù)據(jù)庫NoSQL相結(jié)合的混合模式，對外提供數(shù)據(jù)存儲和處理服務(wù)。這種方式既利用了NoSQL的高并發(fā)、高擴(kuò)展、低成本的特性，又結(jié)合了關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲敏感數(shù)據(jù)及實(shí)時訪問的優(yōu)點(diǎn)，展示了極強(qiáng)的數(shù)據(jù)存儲和分析處理能力[5]。

另外，根據(jù)存儲需求，還采用了面向分布式存儲與計(jì)算的Hbase數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫結(jié)合的混合存儲架構(gòu)。Hbase 是 GoogleBigTable的開源實(shí)現(xiàn)，是開源分布式系統(tǒng)Hadoop的子項(xiàng)目，它是基于列存儲的典型鍵值對非關(guān)系數(shù)據(jù)庫。

為了滿足數(shù)據(jù)的完整性、結(jié)構(gòu)化、安全性要求，將健康檔案索引數(shù)據(jù)、字典數(shù)據(jù)、注冊數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、用戶信息等數(shù)據(jù)存放于關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。而將一些影像圖片、病理分析、診斷報(bào)告、B超和CT視頻流、x ml文檔等非結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存于Hbase。用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移工具Sqoop實(shí)現(xiàn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫和H base之間的數(shù)據(jù)交互功能。

1.3.2數(shù)據(jù)處理

健康檔案平臺數(shù)據(jù)處理要滿足海量健康檔案數(shù)據(jù)實(shí)時查詢和數(shù)據(jù)分析與挖掘需求。為滿足用戶實(shí)時請求及高計(jì)算和存儲能力需求，采用Hadoop的并行計(jì)算工具M(jìn) apReduce和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫結(jié)合的方式對健康檔案數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。M apReduce是Google M apReduce的開源實(shí)現(xiàn)[6-7]，為Hadoop的核心組件之一，用于對集群的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式處理的軟件框架。它能處理各種類型的數(shù)據(jù)，包括結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

關(guān)系數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)查詢密集型的任務(wù)，M apReduce進(jìn)行數(shù)據(jù)裝載、轉(zhuǎn)換等工作。對于健康檔案數(shù)據(jù)挖掘一類的復(fù)雜分析應(yīng)用，采用M apReduce進(jìn)行分析處理，減輕關(guān)系數(shù)據(jù)庫計(jì)算壓力。

2　健康檔案系統(tǒng)的開發(fā)

軍人電子健康檔案系統(tǒng)主要為軍人的健康管理服務(wù)，主要提供數(shù)據(jù)的查詢、檢索、修改等信息服務(wù)和數(shù)據(jù)維護(hù)及平臺管理維護(hù)服務(wù)，具體包括數(shù)據(jù)錄入、查詢檢索、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、修改刪除、數(shù)據(jù)維護(hù)、權(quán)限設(shè)置、用戶管理、數(shù)據(jù)傳遞、系統(tǒng)維護(hù)和安全保障。軍人通過網(wǎng)絡(luò)查看個人電子健康檔案，了解自身健康狀況，從而進(jìn)行疾病預(yù)防及個人保健。醫(yī)務(wù)人員調(diào)閱系統(tǒng)中患者信息后，快速掌握病人的基本信息、既往病史和治療史，從而高效地做出正確的臨床治療決策。

結(jié)合健康檔案數(shù)據(jù)異構(gòu)、分布性特點(diǎn)，軍人電子健康檔案系統(tǒng)開發(fā)基于SOA面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)思想，在J2EE輕量級架構(gòu)SSH（Spring+Struts+Hibernate）的基礎(chǔ)上，采用瀏覽器/服務(wù)器模式（B/S，Browser/Server）實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)健康檔案系統(tǒng)實(shí)際情況，系統(tǒng)使用5層設(shè)計(jì)模型，從上至下包括運(yùn)行在客戶端機(jī)器上的客戶層組件（客戶層），運(yùn)行在J2E E上的Web服務(wù)器組件（表示層）、應(yīng)用服務(wù)器組件（業(yè)務(wù)層）、數(shù)據(jù)訪問組件（數(shù)據(jù)持久層），數(shù)據(jù)庫服務(wù)器（數(shù)據(jù)庫層）。各層具有各自的實(shí)現(xiàn)技術(shù)及功能，層之間通過接口進(jìn)行通信。其技術(shù)開發(fā)架構(gòu)，見圖4。

圖4　開發(fā)技術(shù)框架

（1）客戶層?？蛻魧邮羌軜?gòu)的最上層，主要用于將操作界面呈現(xiàn)給用戶，用戶通過瀏覽器與系統(tǒng)進(jìn)行交互，完成用戶登錄，數(shù)據(jù)查詢、修改、添加、刪除等操作。它能建立與服務(wù)器的連接，接受并驗(yàn)證用戶的輸入，管理客戶端與服務(wù)器的會話狀態(tài)。此層由 HTML、JavaScript與AJAX技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

（2）表示層。由Web服務(wù)器及組件構(gòu)成，用于處理客戶端的情形、響應(yīng)業(yè)務(wù)層組件的請求，由JSP和Servlet實(shí)現(xiàn)。

（3）業(yè)務(wù)層。由應(yīng)用服務(wù)器及其組件構(gòu)成，用于處理業(yè)務(wù)邏輯。該層引入Spring框架，采用Webservice和Java Bean實(shí)現(xiàn)。

（4）數(shù)據(jù)持久層。由若干接口組件和各類服務(wù)構(gòu)成，用于集成各類資源(文件和數(shù)據(jù))。此層為了屏蔽底層數(shù)據(jù)庫提供的不同數(shù)據(jù)源，提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化API數(shù)據(jù)操作接口和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫Oracle和Hbase的操作。

（5）數(shù)據(jù)庫層。由關(guān)系數(shù)據(jù)庫和非關(guān)系數(shù)據(jù)庫組成，用于存儲和管理數(shù)據(jù)。

3　小結(jié)

本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了基于云計(jì)算的軍人電子健康檔案平臺，采用VMware虛擬化技術(shù)管理平臺硬件資源，基于Hadoop分布式系統(tǒng)框架，以Hbase分布式數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)混合存儲架構(gòu)，關(guān)系數(shù)據(jù)庫和M apReduce并行計(jì)算為數(shù)據(jù)處理模型，利用SOA面向?qū)ο笏枷腴_放平臺軟件服務(wù)，達(dá)到統(tǒng)一管理硬件資源，高效存儲和處理電子健康檔案數(shù)據(jù)的目的，實(shí)現(xiàn)高效性、高安全可靠性、高擴(kuò)展性和高經(jīng)濟(jì)性的軍人電子健康檔案平臺。構(gòu)建軍人電子健康檔案平臺是一個長期連續(xù)性的工作，有許多問題需要解決，如對平臺的優(yōu)化、數(shù)據(jù)地深入分析挖掘及應(yīng)用、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的建立等。因此，還需繼續(xù)深入研究軍人電子健康檔案。

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作者郵箱：cjxiong@fzzyy.cn

[中圖分類號]TP393.01；TP311.52

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2014.02.014

[文章編號]1674-1633(2014)02-0053-03

收稿日期：2013-10-10修回日期：2014-01-06

基金項(xiàng)目：2012年度南京軍區(qū)醫(yī)藥衛(wèi)生重點(diǎn)課題（12Z38）；2013福建省科技計(jì)劃重點(diǎn)課題（2013Y51010521）。

Design and Implementation of Architecture of Military Electronic Health Record PlatformBased on Cloud Computing

CHEN Jin-xiong1,LIU Bao-mei2, ZHONG Jun-hua1
1.Department of Computer Application and Management, Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Command, Fuzhou Fujian 350025, China; 2.College of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou Fujian 350002, China

[摘要]應(yīng)用虛擬化技術(shù)、分布式計(jì)算技術(shù)構(gòu)建了基于云計(jì)算的軍人電子健康檔案系統(tǒng)平臺，應(yīng)用SOA軟件架構(gòu)開發(fā)了電子健康檔案服務(wù)軟件，應(yīng)用J2E E技術(shù)開發(fā)了電子健康檔案系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了硬件資源的統(tǒng)一管理以及電子健康檔案數(shù)據(jù)的高效處理和存儲。

[關(guān)鍵詞]云計(jì)算；電子健康檔案；虛擬化技術(shù)；分布式計(jì)算技術(shù)；SOA軟件架構(gòu)；J2E E技術(shù)

Abstract：This paper introduces the architecture design of military electronic health record platformwhich is established with virtualization technologies and distributed computing technologies based on cloud computing, and analyzes the design process of service softwares of electronic health record which are established with SOA software architecture and the design process of electronic health record systemwhich is established with J2EE technology. Thus the unif i ed management of hardware resources and the eff i cient storage and processing of electronic health record data are implemented with the application of military electronic health record platform.

Key words：cloud computing; electronic health record; virtualization technology; distributed computing technology; SOA software architecture; J2EE technology