基于云計算的軍人電子健康檔案平臺架構的設計與實現

陳金雄，劉寶妹，鐘俊華

1.南京軍區福州總醫院　計算機應用與管理科，福建　福州　350025；2.福州大學　物理與信息工程學院，福建　福州　350002

基于云計算的軍人電子健康檔案平臺架構的設計與實現

陳金雄1，劉寶妹2，鐘俊華1

1.南京軍區福州總醫院計算機應用與管理科，福建福州350025；2.福州大學物理與信息工程學院，福建福州350002

0　前言

軍人電子健康檔案數據具有海量、異構、類型復雜多樣、保存時間長、數據隨時間變化等特性，而且目前尚未制定統一的數據規范、標準體系、數據編碼和相關制度[1]，易形成“數據孤島”。如何存儲PACS（影像歸檔和通信系統）、B超影像，病理分析等業務產生的半結構化和非結構化數據；如何實現對海量數據快速地訪問、檢索和分析挖掘，使數據得到高效利用，這些問題制約著電子健康檔案平臺的發展與建設，需要在傳統的解決方案之上，引入新的技術及分析模型來解決。

云計算作為21世紀新興的信息技術，其橫向擴展架構與其他技術相比，具有高可靠性、高安全性、彈性計算、敏捷廉價等優勢。所以采用云計算技術構建電子健康檔案平臺，能實現服務器和P C的統一管理和調度[2]、電子健康檔案的可持續共享[3]和系統的按需擴展。

1　架構設計

1.1平臺框架

軍人電子健康檔案平臺的設計目標是實現平臺的按需擴展、資源的統一管理和海量數據的高效處理。根據平臺目標和業務需求分析，設計了基于云計算的軍人電子健康檔案平臺。平臺建設在現有衛生信息系統的基礎之上，遵循H L7CD A、o penEH R等相關標準，從部隊各級衛生機構的信息系統中采集健康檔案數據，進行源數據的E TL（Extract-Transform-Load）處理、存儲，構建健康檔案云數據中心，從而建立標準規范的電子健康檔案庫。在健康檔案數據中心，通過對健康檔案數據的分析與利用，實現一系列的醫療業務服務，為部隊提供一個互聯互通的醫療協

圖1　平臺總體架構

平臺由部隊衛生機構層和平臺層組成。部隊衛生機構包括部隊醫院信息系統和公共衛生信息系統，是健康檔案的數據來源。而平臺層是部隊衛生機構內部數據交換平臺，主要有基本健康檔案服務、注冊服務、健康檔案信息共享服務、數據分析與利用服務。本文主要介紹平臺層。

1.2技術架構

根據平臺需求，軍人健康檔案平臺必須是一個開放的、可擴展的、可持續發展的架構，能進行健康業務管理的擴充、系統存儲容量的橫向擴充和以分布式和集群等方式的系統處理能力的擴充。因此，采用云計算理念設計平臺技術架構，見圖2。健康檔案云平臺主要采用虛擬化技術、分布式計算技術構建，包括了基礎設施層IaaS、平臺服務層PaaS和軟件服務層SaaS三個層次，并貫穿三個層次的標準規范體系與安全保障體系。

圖2　平臺技術架構

1.2.1資源虛擬化方案

健康檔案平臺采用虛擬化技術將硬件設施層的計算、存儲、網絡等I T硬件資源集中起來，虛擬化為資源池，對其進行統一管理和調度，從而實現資源的按需分配和動態管理配置，進而為平臺提供高可靠、高安全、高可擴展和高效率的基礎設施環境。

基礎設施層又叫資源虛擬層，采用VMware vSphere虛擬化解決方案，將服務器、存儲、網絡設備分別虛擬化為計算資源、存儲資源、網絡資源后，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。這種方式可將數量龐大的、分散的服務器、存儲設備等連接起來，進行硬件資源的集中管理與監控。

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。準確稱取50μL稀釋液于10 mL離心管內，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相甲醇溶液升至瓶頸上部時，樣品即可用于氣相色譜—質譜聯用儀分析。

1.2.2數據交換技術方案

數據交換層通過醫療機構的各類應用系統獲得健康檔案源數據，并實現數據資源的交換與共享。此層采用面向服務的服務總線來屏蔽底層操作細節，為上層提供統一、標準的信息通道，保證用戶的邏輯應用和底層平臺沒有任何關系，最大限度地提高應用的可移植性、可擴充性和可靠性[4]；此層采用IBM的健康服務總線HSB來實現。IBM WebSphere Message Broker為核心，是企業服務總線在醫療行業的實現，它基于SOA架構和醫療行業標準，將醫療機構業務流程、應用系統和相關數據整合起來，提供統一的訪問總線。

1.3數據中心設計

數據中心存儲了軍人健康檔案信息和平臺管理數據，并負責將數據交換層采集的健康檔案源數據進行相關的數據清洗、轉換處理和存儲，從而為軟件服務層提供數據服務，見圖3。

圖3　數據中心存儲設計

1.3.1數據存儲

數據存儲采用關系數據庫SQL和非關系數據庫NoSQL相結合的混合模式，對外提供數據存儲和處理服務。這種方式既利用了NoSQL的高并發、高擴展、低成本的特性，又結合了關系數據庫存儲敏感數據及實時訪問的優點，展示了極強的數據存儲和分析處理能力[5]。

另外，根據存儲需求，還采用了面向分布式存儲與計算的Hbase數據庫和關系數據庫結合的混合存儲架構。Hbase 是 GoogleBigTable的開源實現，是開源分布式系統Hadoop的子項目，它是基于列存儲的典型鍵值對非關系數據庫。

為了滿足數據的完整性、結構化、安全性要求，將健康檔案索引數據、字典數據、注冊數據、標準數據、用戶信息等數據存放于關系數據庫中。而將一些影像圖片、病理分析、診斷報告、B超和CT視頻流、x ml文檔等非結構化和半結構化數據存于Hbase。用數據轉移工具Sqoop實現關系數據庫和H base之間的數據交互功能。

1.3.2數據處理

健康檔案平臺數據處理要滿足海量健康檔案數據實時查詢和數據分析與挖掘需求。為滿足用戶實時請求及高計算和存儲能力需求，采用Hadoop的并行計算工具M apReduce和關系型數據庫結合的方式對健康檔案數據進行分析和處理。M apReduce是Google M apReduce的開源實現[6-7]，為Hadoop的核心組件之一，用于對集群的海量數據進行分布式處理的軟件框架。它能處理各種類型的數據，包括結構化、半結構化和非結構化數據。

關系數據庫負責查詢密集型的任務，M apReduce進行數據裝載、轉換等工作。對于健康檔案數據挖掘一類的復雜分析應用，采用M apReduce進行分析處理，減輕關系數據庫計算壓力。

2　健康檔案系統的開發

軍人電子健康檔案系統主要為軍人的健康管理服務，主要提供數據的查詢、檢索、修改等信息服務和數據維護及平臺管理維護服務，具體包括數據錄入、查詢檢索、統計報表、修改刪除、數據維護、權限設置、用戶管理、數據傳遞、系統維護和安全保障。軍人通過網絡查看個人電子健康檔案，了解自身健康狀況，從而進行疾病預防及個人保健。醫務人員調閱系統中患者信息后，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。

結合健康檔案數據異構、分布性特點，軍人電子健康檔案系統開發基于SOA面向對象設計思想，在J2EE輕量級架構SSH（Spring+Struts+Hibernate）的基礎上，采用瀏覽器/服務器模式（B/S，Browser/Server）實現。

根據健康檔案系統實際情況，系統使用5層設計模型，從上至下包括運行在客戶端機器上的客戶層組件（客戶層），運行在J2E E上的Web服務器組件（表示層）、應用服務器組件（業務層）、數據訪問組件（數據持久層），數據庫服務器（數據庫層）。各層具有各自的實現技術及功能，層之間通過接口進行通信。其技術開發架構，見圖4。

圖4　開發技術框架

（1）客戶層。客戶層是架構的最上層，主要用于將操作界面呈現給用戶，用戶通過瀏覽器與系統進行交互，完成用戶登錄，數據查詢、修改、添加、刪除等操作。它能建立與服務器的連接，接受并驗證用戶的輸入，管理客戶端與服務器的會話狀態。此層由 HTML、JavaScript與AJAX技術實現。

（2）表示層。由Web服務器及組件構成，用于處理客戶端的情形、響應業務層組件的請求，由JSP和Servlet實現。

（3）業務層。由應用服務器及其組件構成，用于處理業務邏輯。該層引入Spring框架，采用Webservice和Java Bean實現。

（4）數據持久層。由若干接口組件和各類服務構成，用于集成各類資源(文件和數據)。此層為了屏蔽底層數據庫提供的不同數據源，提供統一的標準化API數據操作接口和統一的數據訪問服務，實現對數據庫Oracle和Hbase的操作。

（5）數據庫層。由關系數據庫和非關系數據庫組成，用于存儲和管理數據。

3　小結

本文設計并開發了基于云計算的軍人電子健康檔案平臺，采用VMware虛擬化技術管理平臺硬件資源，基于Hadoop分布式系統框架，以Hbase分布式數據庫和關系數據庫為數據混合存儲架構，關系數據庫和M apReduce并行計算為數據處理模型，利用SOA面向對象思想開放平臺軟件服務，達到統一管理硬件資源，高效存儲和處理電子健康檔案數據的目的，實現高效性、高安全可靠性、高擴展性和高經濟性的軍人電子健康檔案平臺。構建軍人電子健康檔案平臺是一個長期連續性的工作，有許多問題需要解決，如對平臺的優化、數據地深入分析挖掘及應用、數據標準的建立等。因此，還需繼續深入研究軍人電子健康檔案。

[參考文獻]

[1] 李永革,李德月,張巖.構建軍人電子健康檔案的新思路[J].醫療衛生裝備,2011,(9):98-99.

[2] 鄧俊華,蘇一丹.淺析基于云計算的國家電子健康檔案系統的構建[J].大眾科技,2010,(11):23-25.

[3] 楊劍,胡新平,董建成.基于云的區域電子健康檔案存儲和交換架構[J].醫學信息學雜志,2010,(3):10-13.

[4] 張廣勝,蔣昌俊,湯憲飛,等.面向服務的企業應用集成系統描述與驗證[J].軟件學報,2007,18(12):3015-3030.

[5] 馬俊濤,黃如生.以混合存儲模型實現云計算平臺對電信海量數據的處理[J].移動通信,2011,(7):76-79.

[6] 劉鵬.云計算[M].北京:電子工業出版社,2010.

[7] 李立,孟海濱,王惠淑.軍人電子健康檔案系統業務流程分析及體系架構設計[J].武警醫學,2011,(12):1043-1048.

作者郵箱：cjxiong@fzzyy.cn

[中圖分類號]TP393.01；TP311.52

[文獻標志碼]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

基金項目：2012年度南京軍區醫藥衛生重點課題（12Z38）；2013福建省科技計劃重點課題（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]應用虛擬化技術、分布式計算技術構建了基于云計算的軍人電子健康檔案系統平臺，應用SOA軟件架構開發了電子健康檔案服務軟件，應用J2E E技術開發了電子健康檔案系統，實現了硬件資源的統一管理以及電子健康檔案數據的高效處理和存儲。

[關鍵詞]云計算；電子健康檔案；虛擬化技術；分布式計算技術；SOA軟件架構；J2E E技術

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