醫院移動工作站架構淺談

蔣友好，喬 非，高彩蘭

1 同濟大學電子與信息工程學院控制科學與工程系，上海市，201804

2 上海市中醫藥大學附屬普陀醫院，上海市，200062

醫院移動工作站架構淺談

【作者】蔣友好1,2，喬 非1，高彩蘭2

1 同濟大學電子與信息工程學院控制科學與工程系，上海市，201804

2 上海市中醫藥大學附屬普陀醫院，上海市，200062

隨著互聯網技術的發展，無線網已經成為了人們生活中必不可少的一部分。而無線網絡、移動終端在醫療方面也開始普及，國外許多醫院已將移動互聯技術用于醫院的醫護工作，國內一些大型醫院也嘗試這方面的工作，并已得到了臨床實用。本文以普陀區中心醫院為例，對建設移動醫療平臺的工作進行了介紹。

移動醫療；系統架構

1 移動醫療現狀

醫院的移動醫療，是以醫院為中心，利用終端虛擬化技術為基礎，建立一個云服務平臺，可以讓醫生在任何時間、地點，通過終端訪問醫院內部系統，如HIS、PACS、LIS，從而更方便地提供醫療服務、診斷、咨詢，提高醫療資源的效率。

1.1 終端虛擬化技術

借助現在的虛擬云技術，構建一個使用和運行分離的平臺，用戶不需要在終端安裝程序，數據也不存儲在終端，相較于傳統模式更高效、便捷、準確，為建設區域衛生信息平臺和醫院與社區的雙向轉診、社區醫生到居民家提供了新的就醫方式方法。

虛擬化移動醫療系統所能達到的功能包括[1]：(1) 遠程醫療 支持各種移動設備、電子病歷、影像系統、實驗室系統、心電系統、ICU監護系統等，醫生可以在移動設備上就查看病人的診療信息，開具醫囑，書寫病歷等多項醫療工作；(2)遠程辦公 醫院的行政管理人員能隨時隨地接入，完成審批、回復報告、簽發文件等各種行政事務，保障醫院高效有序的運行，比傳統VPN方式更優越且安全；(3) 單機登錄、桌面云應用 實現多系統登錄口令的自動管理，用戶只需登錄一次網管應用統一發布平臺，即可訪問到所有發布的應用程序，無需再次登錄，并且對應用系統無任何改動，多平臺登錄，比原先的單一使用PC平臺更加靈活，節約成本；(4) 桌面改造 降低終端成本，延長使用壽命，簡化終端的配置和部署，減輕維護壓力，減少病毒和漏洞的攻擊。

1.2 醫學影像的遠程傳輸

醫院的移動醫療中，醫學影像因為其清晰度要求，通常所占空間較大，并通過影像傳輸協議DICOM格式保存在PACS系統中，通常一份斷層掃描檔案就有數百兆，所以通過普通移動醫療傳輸時，很多醫院會將其壓縮成較小的JPEG格式。雖然方便傳輸，保證瀏覽速度，但會降低影像的分辨率，無法滿足對某些病癥特征進行仔細觀察診斷。因此，針對醫學影像，還需要尋找另外的解決方法。

一是化整為零[2]。如EBM開發的基于iOS的移動影像瀏覽軟件EBM iDO Viewe，利用串流技術播放影像數據，通過原有的無線網絡環境、傳輸帶寬就可以從移動終端上獲取高分辨率的大型影像文件。具體做法是將大型的影像文檔分解成小塊數據，先將醫生要瀏覽的部分畫面傳送到平板上重組成影像，醫生要瀏覽哪個部分的影像，就只要傳輸那個部分的原始圖文件數據即可。醫生能在平板上迅速瀏覽這些龐大的高分辨率醫療圖像文件而不用費時等待整份數據傳輸。

二是增加帶寬。首先是通過更好的無線路由器提升網絡環境，達到增加帶寬的目的；然后是設置無線路由器，建立起集中控制式的無線網絡；最后在用戶端設置無線適配器，設置為與路由器相同的SSID和頻道加密屬性。這樣，限制了能使用此無線網絡人數，也增加了專用網絡的安全性。

1.3 遠程醫療

終端虛擬化是醫院內部的移動醫療，而遠程醫療則是區域間或者長距離間醫院之間的移動醫療。據統計，自2010年起國家已累計投入4個億，建設各省的遠程醫療系統，要達到2～6家省(部)級醫院(即區域中心醫院)協助省內約30%縣級醫院[3]。

遠程醫療對于醫療服務的提升包括[4]：(1)降低了縣醫院轉診率，有利分級醫療的實現；(2) 加強了縣醫院?？平ㄔO，醫療服務水平得到提升；(3) 促進了縣級醫院人力資源素質的提高；(4) 提升縣級醫院應急反應能力；(5) 推動縣域醫院信息化建設。

2 移動醫療的實施計劃

通過在擁有無線局域網絡的病區部署手持數據終端(EDA)、平板便攜式數據終端，為病人的床邊診療活動及同一病人的歷次就診信息的可追溯性管理提供硬件技術保障[5]。

移動醫生站：查詢病人檔案資料、病史記錄等相關信息，了解住院病人的護理情況，接收護理人員的報告，查找各種測試和化驗報告，并可以根據病人情況及時下達醫囑；實現疑難病人在線會診功能和無線通知功能，當有緊急事項、特殊情況或臨時變動時，醫生可以得到及時的通知。實時監控功能、病房監控、手術監控、遠程查看病人資料功能、遠程查看醫務人員相關信息功能、工作日程安排、疑難病人在線會診等。

移動護士站：病人身份識別、病人基本信息、醫囑信息、病人檢查報告查詢、生命體征查詢、生命體征錄入、支持必須在床邊輸入的危重護理記錄單、支持必須在床邊輸入的重癥監護單、手術安排查詢、會診單查詢、醫囑執行、醫囑執行情況查詢、醫囑執行簽名、護理評估、藥品條碼掃描、體溫單描述、語音通信功能。

3 系統架構設計

3.1 軟件系統架構

多層分布式架構是目前國際信息界公認最先進的信息系統架構，多層分布式架構的關鍵是中間件，通過引入中間件，把各種商業邏輯從客戶端和后臺數據庫端分離出來，并集中在中間件里。

由于中間件所帶來的分散性，可以把中間件所在的應用服務器和數據庫所在的數據庫服務器分離開，當系統需要處理的工作量不斷增大的情況下，可以通過增加服務器的數量來有效支持大量的同時在線用戶。而對于二層結構的系統，很快就會到達其所能承擔的處理量極限，而導致系統崩潰。多層分布式架構可以提供更好的擴展性[6]。

通過中間件技術，把不同網絡協議、不同數據庫可能帶來的異構化封裝起來，實現系統中各個部分的透明連接。由于客戶端不能直接訪問數據庫，而必需通過中間件獲取資料，從而為整個平臺帶來更好的安全性[7]。

以上的多層架構軟件體系，可為醫院信息系統帶來如下優勢：

(1) 采用開放式三層架構，擴展性強，維護方便，支持遠程維護與升級；

(2) 獨立的數據接口引擎支持完整的HL7標準，可以與現有系統做到無縫集成；

(3) 支持Oracle、DB2、SQL Server等多種流行大型數據庫；

(4) 業務系統采用.Net/C#/C++/Object C，系統運行效率高。

3.2 硬件系統架構

硬件系統架構見圖1，整個系統可由局域網、無線局域網和廣域局域網三部分組成。

圖1 硬件系統架構Fig.1 Hardware system architecture

3.3 客戶端架構

目前可以區分客戶端架構的三個基本層次：表示層、邏輯層和通信層。

3.3.1 表示層

客戶端應用程序的設計與各種移動設備實現在EMeH Platform.These設備的互操作性可以在許多方面有所不同，如屏幕分辨率，寬高比和像素密度。除了屏幕上的差異，設備可以在不同的操作系統上運行，這對用戶界面生成方法也有影響。要獲取定義用戶界面的統一方式，客戶端應用程序使用的屏幕定義需遵守XMLbased協議。首先客戶端應用程序要實現Windows Mobile和谷歌Android平臺上的運行，并且都使用相同的協議進行用戶界面生成。

如果客戶端應用程序發送請求到Web服務，那么它含有的信息，將在屏幕上的顯示中反應。 Web服務格式以這樣的方式反應，它不依賴于移動設備的特性（屏幕參數，操作系統等），從而屏幕定義協議是獨立于平臺的設計。

這些操作是由客戶端的表示層進行，并在整個用戶界面管理本身需要分出一定的運算。對于這個問題，我們應用的用戶界面，其中有顯著提高畫面內容的更換時間的雙緩沖[8]。它可以在短期內被描述為兩個圖像緩沖器——首先為當前用戶界面的內容（對用戶可見）及第二不可見的時刻。當服務響應正在處理，顯示在屏幕上的第一個緩沖區的內容。而在用戶界面的背景中進行轉換。最終，在處理完成時，緩沖器被交換——第二緩沖器成為第一個（在屏幕上可見），同時第一緩沖進入背景。

3.3.2 業務邏輯層

邏輯層是處理服務器的信息，以創建用戶界面的系統的一部分。除此之外邏輯層還管理表示層與通過用戶交互事件。

消息處理裝置識別并響應消息包含的類型取決于該類型適當的操作。有三種類型的服務響應：(1)從客戶端應用程序的響應，要求建立新的用戶界面，并顯示在屏幕上完全新的數據（整個應用程序窗口重新創建）；(2)響應，要求在屏幕上的某些要素的更新，無論元素的任何屬性，即時更改（例如文本或選擇標簽上的顏色替換）；(3)響應，要求客戶端應用程序與給定的參數調用一些服務。

從服務的消息可以包含不同類型的幾個反應，這使得業務邏輯層接收到許多屏幕修改或服務調用的命令。另外，消息可以包括影響客戶端應用程序的行為和元數據的附加數據。元數據可以顯示信息窗口，臨時值存儲在設備上，甚至用于退出應用程序。除了服務響應演繹，邏輯層獲取有關通過用戶交互觸發的事件信息（時間和位置輸入的文本，按下按鈕，屏幕上觸碰等）。

3.3.3 通信層

通信層負責服務的調用。因為它的描述被分為兩種類型：Web服務和本地服務。 Web服務基本上部署在運行即時環境的Web服務的應用程序的基礎上，具有共同的接口作為訪問方法。

另一方面本地服務是位于移動設備的服務。本地服務類似于位于插件（如共享庫)，它可以應客戶端應用程序的請求執行操作。它們可以作為例如庫設備的I/O操作的外圍設備，如條形碼掃描器，射頻識別收發器，GPS接收器等。

3.4 無線技術的選擇

目前，無線移動系統有兩種典型的解決方案：FAT AP解決方案和FIT AP解決方案。簡單來講，如果僅僅作無線數據接入、只需要二層漫游，對安全性、管理性各方面沒有復雜要求的話，FAT AP方案就可以勝任；如果需要高安全性、管理性及三層漫游切換、需要承載無線語音，且網絡規模較大，那么只有選擇FIT AP方案才可以。本院的系統中應用FIT AP技術，兩者對比見表1。

表1 FAT AP與FIT AP對比Tab.1 FAT AP contrast with FIT AP

本院FIT AP病區無線移動系統由三個部分組成：無線平板電腦/移動查房推車/EDA、AP、無線交換機及用戶認證系統。醫生用無線平板電腦/移動查房推車，護士用無線EDA，經過AP無線接入點接入醫院網絡系統，必須要通過無線認證系統的安全認證和授權，才能夠訪問病人的診療業務數據。

3.5 中間件管理系統

基于可擴展的系統架構，數據網格提供大規模并行處理能力，管理軟件可以藉此來實時進行信息搜索、分類和匯總。通過讓數據緩存更靠近管理軟件，以利用獨特的硬件功能，數據網格提供了全天 24 小時為大量用戶提供支持所需的可擴展性、可靠性和高吞吐量。不過，數據網格依賴于軟件和硬件的協同性。

Oracle提供了從應用系統到磁盤皆可作為一個系統進行部署、支持和管理的緊密集成的集群計算解決方案。該解決方案將業界領先的Oracle WebLogic服務器、Oracle Coherence以及創新的Oracle服務器和存儲系統組合成一個集成和經過測試的解決方案，旨在最大化面向Web的應用性能，同時最小化風險。集成集群計算方案見圖2。

圖2 集成集群計算方案Fig.2 Integrated cluster computing solutions

Oracle服務器和存儲系統與Oracle WebLogic套件和Oracle Coherence相結合來為用戶提供Web服務。Oracle的平衡架構將智能軟件的優勢與平臺創新相結合，為醫院信息系統提供了一個堅實的Web服務基礎。相較于普通的三層架構系統而言，Oracle WebLogic服務器和Oracle Coherence結合共同構建了一個內存數據網格，提供的內置服務有助于支持和增強信息流[9]。數據自動進行分區并移近應用程序，以減少延遲和提高性能。

3.6 集成平臺配套基礎架構

本平臺的建設，需要增配Oracle數據庫、數據庫服務器及數據庫存儲設備。相對于分別采購，各品牌廠商協作集成合作運維的繁瑣工作，一體化資料平臺為醫院提供了一個全面集成、一體化的軟件、服務器、存儲和網絡系統，并為各種自主開發和打包的在線事務處理 (OLTP) 和數據倉庫應用程序提供了高可用性數據庫服務。

(1) 硬件配置

基于目前系統配置的負荷現狀與數據庫容量，可考慮配置1/4機架Exadata SAS磁盤配置，其可提供如下處理能力：

① 在選擇高容量SAS磁盤配置時，提供21 TB以上非壓縮存儲空間，若考慮壓縮，可提供84 TB左右有效空間，完全滿足系統現在及未來存儲空間的需求。

② 提供1.1 TB閃存卡存儲，意味著系統可將大部分活動數據完全存于閃存和內存中，極大的提高處理性能。

③ 閃存提供22.5萬左右讀IOPS及＜1 ms的瞬間數據庫塊響應能力。

④ 基于磁盤，提供5.4 GB/s的恒定數據掃描能力，對于數據庫中的全表掃描提供極大的改善，估計快5～10倍。

⑤ 11 GB/s的基于閃存的數據掃描能力，基于現有活動數據基本可完全駐留于閃存的預期，可提供比現有閃存快15～30倍的表掃描能力。

⑥ 1 TB/h的數據加載能力。

⑦ 24核數據庫層Intel Xeon CPU + 36核存儲層Intel Xeon CPU，2.93 GHz/core的主頻大大超過目前HP-PA CPU的處理能力。

⑧ 192 GB數據庫層內存 + 72 GB存儲層內存，可確保目前的數據庫服務器的計算基本在閃存和內存中進行。

(2) 數據庫

Oracle Exadata采用Oracle 數據庫 11g 第二版[10]，Exadata 軟件在數據庫服務器和 Exadata 單元之間進行了優化分割。數據庫服務器和 Exadata Storage Server Software 使用 iDB(智能數據庫協議)通訊。 iDB 在數據庫內核中實施并將數據庫操作透明地映射到 Exadata 增強的操作中。除了數據庫提供的傳統數據塊傳輸外，iDB 還實施了一種功能傳輸體系結構?？梢杂?iDB將 SQL 操作向下傳輸到Exadata 單元以執行或向數據庫內核返回查詢結果集。Exadata單元僅返回滿足 SQL 查詢的行和列，而非數據庫塊。和現有的I/O 協議類似，iDB 也可以直接從磁盤讀取以及向其寫入若干字節，因此當無法進行卸載處理時，Exadata 和傳統存儲設備一樣服務于 Oracle 數據庫。但是，當可行時，數據庫內核中的智能就會啟動，例如，傳輸表掃描已在 Exadata Storage Server 上執行，這樣只將請求的數據返回至數據庫服務器。

但是在訪問數據庫時，由于服務器使用的是集群RAC(Real Application Cluster，實時應用集群)方式[11]，是由多個服務器管理一個數據庫來分散設備的工作流，但是此模式可能出現不規律的TNS超時現象，并且是與網絡帶寬無關的問題。這是由于外部終端通過防火墻訪問服務器時，NAT所做的地址轉換、將之分配到相對空閑的服務器的過程中，分配的空閑地址與內部協議地址矛盾所造成的。因此修改了TNS配置文件，連接單一服務器。這樣雖然會放棄負載均衡的支持，但是因為醫院移動工作站相對于公共網絡對負載均衡的需求很低，并不會造成影響，并且是最快速有效的解決方法。

(3) 存儲管理

自動存儲管理 (ASM) 是 Exadata 的存儲管理基礎。ASM 將存儲資源虛擬化并提供先進的 Exadata 卷管理和文件系統管理功能。在可用的Exadata 單元和磁盤間均勻地條帶化數據庫文件可以均衡所有存儲硬件中的 I/O 負載。ASM 執行無干擾資源分配和重新分配的能力是在Exadata 環境中實現共享網格存儲功能的關鍵因素。ASM 監視和故障組功能為 Exadata 環境提供了大部分的數據保護和彈性。通過 ASM，用戶可在單元間鏡像數據，以確保單元發生故障時的高可用性。

3.7 安全監控系統

能夠對不同操作系統平臺、數據庫平臺等進行監控和安全告警，幫助用戶在第一時間迅速了解IT系統的運行狀況。網絡結構見圖3。同時，實現綜合監管平臺后，運行維修團隊人員的工作將從重復的日常巡檢中解放出來，在保證系統正常運行的情況下，將更多的時間和精力節省出來，把日常的 IT 管理數據轉化為服務提供的決策信息，進而更好地為企業服務，提升IT部門的服務能力。IT 系統管理的目標是保障IT 系統的性能和可用性；保障數據和其他信息資源的完整性；保護系統的安全。

例如：系統管理人員，可根據一段時間(周、月、季度)的磁盤、CPU、內存等使用率趨勢圖，判斷是否有必要在未來某段時間，對服務器容量進行擴容。

網絡管理人員，可根據網絡設備的資源使用情況，判斷是否需要對網絡環境進行調整優化。針對網絡設備的故障率、資源利用率，判斷是否需要更新網絡設備。

應用管理人員，可據應用的運行性能趨勢，進行資源的調整，確保應用的可用性、可靠性。

數據庫管理人員，可從表空間使用率、鎖沖突、SGA的性能趨勢，分析是否需要對數據庫進行調優，同時，根據TOP 10 SQL，可針對使用資源最大的前10位SQL語句進行針對性的調優等。

圖3 網絡結構Fig.3 Network structure

4 結論

移動醫療能在醫院發揮巨大作用，讓醫護人員能更方便地隨時隨地辦公，提供醫療服務，更好地利用了時間資源，為患者提供更優質的醫療服務。

在普陀區中心醫院的移動醫療工作平臺剛進開始實行，相信其能對醫護人員的工作起到相當的幫助作用。但仍需要對實踐效果進行進一步的調查統計，并對其存在的缺陷進行進一步的改造升級，更好地達到預期的效果。

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Discussion on the Hospital Mobile Workstation Architecture

【Writers】JIANG Youhao1,2, QIAO Fei1, GAO Cailan2
1 Department of Control Science and Engineering, School of Electronic and Information Engineering, Tongji University, Shanghai, 201804
2 Putuo Hospital Aff liated to Shanghai University of Traditional Chinese Medicine, Shanghai, 200062

With the development of internet technology, the wireless network now has become an indispensable part of people's life. Wireless networks and the mobile terminal began to spread in the medical areas. Many foreign hospitals have mobile internet technology for hospital medical work, some large domestic hospitals also try to work in this area, and have got some clinically practical. In our institute, there has launched a mobile medical construction work, this paper is about our hospital construction of mobile medical platform work.

mobile medical, system architecture

TP311.52

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.05.006

1671-7104(2016)05-0336-05

2016-06-27

蔣友好，E-mail: jyouh_0416@163.com