基于云計算的HIS研究*

林偉偉，齊德昱

（華南理工大學計算機科學與工程學院 廣州 510640）

1 引言

近年來，隨著信息技術和我國醫療衛生事業的發展，國家“金衛”工程的深入展開，我國在醫院信息化方面已取得了令人矚目的成就，但是信息技術在真正的診斷、手術中應用還很少。隨著人們對醫療服務要求的不斷提高以及病人信息的不斷增長，現有的醫療信息系統已經很難滿足醫療服務發展的需要。

當前在醫療衛生機構中使用的醫院信息系統存在以下一些亟待解決的問題[1,2]。

·數據共享困難。很多醫院都實施了相應的HIS系統，但是由于地域上的距離和網絡發展的不平衡性，分院、門診部、社區衛生服務中心等網絡之間缺少互聯互通，各網絡的信息系統不能共享，造成網絡的割裂和醫療信息的孤島，各醫院無法共享專家知識和醫療資源。

·使用不方便。目前HIS大都是基于C/S架構，用戶只能在醫院內網使用系統，而且C/S的HIS升級很不方便，需要更新服務器程序和各個客戶端程序。

·運行維護成本高。隨著用戶數據的增多，維護成本也越來越高，而且計算機軟硬件的頻繁升級換代使得HIS的軟件和硬件維護成本居高不下。

·系統可擴展性差。現有HIS很難擴展新的功能，而且其結構很難適應系統的規模不斷擴展，系統的性能會逐漸下降。

·醫療信息的安全性問題。由于醫療信息全部都是數字化的形式出現，其中含有病人的個人信息，既涉及到病人的隱私，又是具有法律效果的醫療過程記錄，如何避免病人個人信息的外泄，防止病歷被私自修改，保證病歷的完整性和不可否認性等問題都不容回避。

云計算[3，4]的出現為解決醫院信息系統存在問題提供了可能。為試圖解決傳統HIS系統和醫療信息化中存在的問題，本文提出了基于云計算的HIS體系結構，重點是解決HIS系統可擴展性差、維護困難、系統運行成本高等問題，同時為健康信息云服務系統提供可能。

2 相關研究

近年來，隨著互聯網網絡規模的不斷擴大，互聯網所需要處理的業務量也隨著快速增長。如何處理海量的數據與服務，有效地為用戶提供方便、快捷的網絡服務，成為互聯網當前發展面臨的一個問題。在這種背景下，基于分布式計算特別是網格技術的發展，產生了一種互聯網資源利用的新模式：云計算。云計算已經成為當前國內外的一個研究熱點，云計算的優勢主要有以下幾個方面。

·高可擴展性。云應用所需要的資源可以動態伸縮，滿足應用和用戶規模增長的需要。

·按需服務。可隨時隨地訪問云的資源，“云”是一個龐大的資源池，可按需購買。

·資源優化。可以根據用戶需要靈活地擴大或縮小資源需求，實現資源優化。

·極其廉價。用戶不需基礎設置投資，如硬件、電力等，而只需要購買廉價的資源服務。

·高安全性。云計算提供了最可靠、最安全的數據存儲中心，用戶不用再擔心數據丟失、病毒入侵等麻煩。

·使用方便。云計算對用戶端的設備要求最低，使用起來也最方便。

·數據共享。云計算可以輕松實現不同設備間的數據與應用共享。在云計算的網絡應用模式中，數據只有一份，保存在“云”的另一端，所有電子設備只需要連接互聯網，就可以同時訪問和使用同一份數據。

·高可靠性。“云”使用了數據多副本容錯、計算節點同構可互換等措施來保障服務的高可靠性，使用云計算比使用本地計算機可靠。

目前眾多科研機構已經開始參與云計算的研究。加州伯克利大學的自適應可靠分布式實驗室日前發布了云計算報告Above the Clouds:A Berkeley View of Cloud Computing[4]。該報告指出，云計算就是在互聯網上的應用軟件服務和數據中心中的硬件、系統提供的服務。同時，該報告認為云計算的發展需要解決服務可用性、數據安全、可擴展存儲、性能不可預測性等10個問題，并重點討論了云計算經濟模型。參考文獻[5]比較和分析了當前主流的一些計算范型，給出了云計算的定義，重點提出了面向市場的云計算體系結構和面向市場的資源管理策略。為了滿足企業日益增長的數據收集和分析需求，參考文獻[6]提出一個解決大規模數據密集型批處理問題的云計算系統GridBatch，通過該系統很方便實現針對數據密集型應用的并行程序。參考文獻[7]討論利用云計算實現高性能科學計算應用問題，并利用Amazon彈性云計算成功實現大氣海洋模擬實驗，雖然實驗結果顯示基于云計算的高性能計算性能較差，但同時也證明云計算系統實現高性能應用的可行性。隨著云計算的研究深入和應用發展，它將成未來主流應用模式。然而，目前無論在理論上還是應用上，云計算的研究還處于初步階段，還需要進行大量研究和實踐。

3 基于云計算的HIS體系結構

如圖1所示，提出的基于云計算的HIS體系結構分成4層：物理資源層、虛擬資源層、云計算管理層和HIS服務層。最上層是HIS服務層，提供門診管理服務、住院管理服務、藥房管理服務、檢查檢驗管理服務、手術管理服務等，在該層中部署基于云計算資源的各種HIS應用程序，實現高性能、可靠、穩定的HIS服務。下面一層是云計算管理層，提供應用監控、資源管理、動態調度、動態部署和安全管理。應用監控負責監控上層的云應用的執行狀態和負載情況；資源管理主要負責虛擬資源信息的維護；動態調度主要實現虛擬資源的動態分配，即為云應用動態配置虛擬資源；動態部署主要完成用戶應用映像的動態部署和管理；安全管理保障云計算設施的整體安全，包括身份認證、訪問授權、綜合防護和安全審計等。再下面一層是虛擬資源層，實現底層物理資源的虛擬化，為云應用提供虛擬化資源，采用目前成熟的虛擬化產品Vmware、Xen等實現軟件和硬件資源的虛擬化和重新劃分，為云計算資源的高效和動態調整提供基礎。最底層是由各種服務器硬件資源組成的物理資源層。

與傳統的HIS和基于Web的HIS體系結構相比，提出的基于云計算的HIS體系結構有如下幾個創新性和優勢：（1）在基于云計算的HIS體系結構的云計算管理層中，應用監控、資源管理、動態調度三個模塊協同可以實現資源動態配置算法，該算法不僅可以提高系統資源利用率，而且保證基于云計算的HIS穩定性和可靠性。該算法的基本思想為：當監視到HIS應用負載較重時，可以為HIS應用增加虛擬資源；反之可以減少HIS應用的虛擬資源，從而實現資源的動態配置。（2）醫院不再需要投入大筆資金購買HIS運行的硬件設備，只需要向云計算提供商購買云計算資源服務，然后將HIS部署在購買的云計算資源上，可以節省醫院成本和降低維護難度。（3）該體系結構支持健康信息云服務功能。傳統HIS系統由于參與C/S架構和系統安全等問題，很難為醫院病人提供健康信息服務功能；而在基于云計算的HIS系統中，云計算的性能、安全性以及軟件模式完全有能力支持健康信息服務功能，能為廣大民眾提供方便、快捷、個性化的醫療健康信息服務。

4 云計算應用實例：規范化康復診療信息系統

一方面，由于康復診療業務的不斷擴展和康復學科特殊性，傳統的HIS很難滿足康復科業務需求，急需開發新的HIS系統；另一方面，由于我國康復醫學起步較晚，為了實現康復醫學的快速發展，需要各個醫院需要共享康復診療資源和專家知識，以便優勢互補、相互促進。因此，急需一套先進的康復診療的管理信息系統。在這種背景下，我們采用云計算技術，設計和實現了規范化康復診療信息系統。提出的規范化康復診療信息系統的體系結構如圖2所示，系統的功能主要包括4大模塊：醫生工作站、治療師工作站、護士工作站和系統管理。與傳統的HIS不同，規范化康復診療信息系統的業務功能采用Web方式實現，并部署在基于虛擬機的云計算環境中。系統利用了云計算資源管理的靈活性和可伸縮性，可以保證系統的可靠性，并克服傳統HIS不擴展的局限性。目前范化康復診療信息系統已經在珠江醫院康復醫學科和中山大學第一附屬醫院黃埔分院康復醫學科運行使用，并初步體現出系統優越性。

圖2 規范化康復診療信息系統的體系結構

5 結束語

本文在分析現有HIS系統不足的基礎上，提出了基于云計算的HIS體系結構，它由4層組成：物理資源層、虛擬資源層、云計算管理層和HIS服務層，然后描述了基于云計算的HIS實例——規范化康復診療信息系統。該系統的實施運行驗證了基于云計算的HIS的可行性。為了更好地實現云計算給醫療信息化帶來的優越性，我們下一步除了完善規范化康復診療信息系統的功能，將重點研究在規范化康復診療信息系統中實現資源動態管理，并分析動態調度對系統性能和穩定性等方面的影響。

1 陳春濤.數字化醫院信息系統建設與實證研究.華中科技大學，2009

2 李懷成.醫院信息系統軟件架構的比較與選擇.醫學信息學雜志，2009(11):26～28

3 陳康，鄭緯民.云計算：系統實例與研究現狀.軟件學報,2009,20(5):1337～1348

4 Michael A,Armando F,Rean G,et al.Above the clouds:a berkeley view of cloud computing,http://www.eecs.berkeley.edu/Pubs/TechRpts/2009/EECS-2009-28.html,February 10,2009

5 Rajkumar B,Chee S Y,Srikumar V.Market-oriented cloud computing:vision,hype,and reality for delivering IT services as computing utilities. In: Proceedings of the 10th IEEE International Conference on High Performance Computing and Communications,Dalian,China,Sept 2008

6 Huan L,Orban D.GridBatch:cloud computing for large-scale data-intensive batch applications.In:Proc of 8th IEEE International Symposium on Cluster Computing and the Grid,May 2008

7 Evangelinos C,HillC N.Cloud computing for parallel scientific HPC applications:feasibility ofrunning coupled atmosphere-ocean climate models on amazon's EC2.In:Cloud Computing and Its Applications 2008 (CCA-08),Chicago,IL,October 2008