基于HL7的醫療數據交換研究與實現

吳壽剛　王曉華　楊　敏

1(遵義醫學院附屬醫院　貴州 遵義 563003)2(福泉市人力資源和社會保障局　貴州 福泉 556000)3(貴州大學計算機科學與信息學院　貴州 貴陽 550025)

?

基于HL7的醫療數據交換研究與實現

吳壽剛1，2王曉華1*楊敏3

1(遵義醫學院附屬醫院貴州 遵義 563003)2(福泉市人力資源和社會保障局貴州 福泉 556000)3(貴州大學計算機科學與信息學院貴州 貴陽 550025)

為解決醫療信息系統間的“異構”問題，實現互聯互通，引入HL7(HealthLevelSeven)醫療電子數據交換標準，實現醫療系統之間的集成。首先闡述XML在HL7標準的應用，然后將其應用于中間件設計，并采用C#語言編程實現基于XML格式的HL7消息構建、解析和傳輸，實現醫學信息規范化表示和醫學電子數據交換。運行結果表明，這是一種有效的系統集成解決方案。

醫療信息系統信息交換與共享HL7

0　引　言

隨著醫療衛生行業信息化不斷深入，醫院內各種信息系統增多，系統間能否實現數據交換和信息共享是醫療信息化的關鍵。目前，多數醫院在住院處、藥劑科、臨床科室、實驗室、放射科、財務處等部門都安裝了不同的信息處理系統。這些醫療系統一般由不同的廠商提供或醫院內自行研制，每一種產品都有特定的信息格式，導致系統間不能互聯互通，形成一個個“信息孤島”。醫療系統之間信息共享程度低，數據不能及時交換，主要原因是標準不統一造成。

HL7是美國衛生信息傳輸標準，也是一種醫療電子信息交換協議,它的目的是開發和研制醫療數據信息傳輸協議及標準、優化臨床及其管理程序、降低系統互連的成本、提高衛生信息系統之間數據交換和信息共享的程度[1]，是目前解決醫療數據交換和信息系統集成比較熱門的一種方案。

國外較早對醫療系統集成進行了研究，目前國際上較流行的集成方案有[2,3,4]：最直接方案是通過數據庫互訪問方式,每個應用系統所對應的數據表都被定義成相同的數據結構、相同的字段，致使多個應用系統間可以通過簡單的SQL語言就可以調用數據，實現數據共享，或者通過中心數據庫的集成方式，定義中間接口的數據庫交換模式，達到各系統之間能夠實現數據交換；第二種是采用統一的信息標準，如用HL7和DICOM標準等，在醫療信息系統中引入HL7標準，實現醫院內部異構系統間信息的交換；第三種是通過引入獨立的標準消息中間件作為集成平臺，各信息系統通過中間件實現集成，中間件屬于一種系統軟件，處于操作系統和應用軟件之間，協同完成系統間通信和信息交換工作。

以上三種集成方案在實現醫療信息系統集成中，各有優劣。共享數據庫方案，方便應用各個終端直接通過數據庫管理系統實現數據互相調用，容易實現，成本低，但這種直接對數據庫進行操作，給系統帶來很多安全性問題，系統間耦合度大，缺乏通用性和獨立性。采用信息標準(DICOM、HL7等)開發的系統，數據結構、數據表示方式都比較統一，可以實現系統間實時的交換，自動將數據傳送到對方系統，但目前HL7標準具有很大的靈活性，在中國應用還不是很廣泛，還不能給應用系統提供即插即用的集成。利用中間件構建集成平臺實施醫療系統集成，可以降低集成的復雜度，提供數據糾錯功能以及屏蔽各個系統間開發時的不同，同時提高了醫療信息系統的使用率，便于維護，但這種集成方案的缺點是集成平臺需要借助高度專用化軟件資源，適合在應用系統多個的情況下使用。

國內醫療信息系統建設還沒有遵循統一的信息交換標準，系統間的集成主要是采用定制接口方式實現，須給每一個應用端開發標準接口[5]。這種方式當系統增加時，需要開發出更多的集成接口，導致開發難度大，集成成本高，不適合推廣使用。部分采用共享數據庫的方式，系統的安全性低、不易擴展。為了克服目前國內醫療系統之間集成方面的不足，本文采用DTD定義XML格式的HL7消息文檔并用DOM解析出該文檔的基本內容，基于HL7標準和中間件工作原理，設計出HL7中間件，采用C#編程實現消息構建、解析和傳輸模塊，為應用HL7標準實現醫療信息系統集成、醫療數據交換和共享提供規范、有效的解決方案。

1　XML在HL7標準的應用及其相關技術

HL7分為兩種應用體系[6]。第一種是基于HL7v2.x，另一種是HL7v3.0。HL7組織從HL7v2.3.1后便開始引入XML語言作為HL7消息的輔助編碼標準[7]，編寫HL7_DTD文檔，用DTD文檔定義HL7消息的段、字段、組分和數據結構。該文檔是一個ASCII編寫的文本文件，后綴名為.dtd，用以驗證XML格式的HL7消息是否有效性，是否符合規范，文檔標簽和元素使用是否正確[8]。因此，當應用系統基本信息構建成HL7消息的XML文檔時，只要在生成的文檔前面聲明使用HL7_DTD文檔，就可以按照該文檔的定義的消息元素節點及其屬性，把相關信息的數據類型逐個加入到對應的節點上，最終構建成完整的XML格式HL7消息，以XML文檔形式保存。

DOM解析思想與XML文檔結構都是樹型的表示方式， 它提供了對XML文檔完整的讀寫訪問操作類，可以方便地訪問和遍歷整個文檔節點，是一種專門解析XML文檔的技術[9]。因此，本文采用DOM文檔模型解析XML格式的HL7的基本信息。

2　HL7中間件的設計

基于HL7在醫療系統集成主要用兩種方法[10]：一種是HL7Ready方式，另一種是HL7Engine方式。前者從一開始建設醫療信息系統時就完全按照HL7的標準來設計系統的體系架構、數據對象、數據結構。后者是對現有的系統進行改造，通過提供符合HL7協議的API接口，如HL7引擎等，可以屏蔽系統間的差異，實現數據交換。中間件能夠將異構系統集成起來并開發新的應用系統，位于客戶機/服務器的操作系統之上，管理計算機資源和網絡通信[11]。它的工作是向各種應用軟件提供服務，使不同的應用進程能在異構平臺之間，通過網絡互相通信，為應用程序提供連接和協調工作，與采用HL7Engine方式開發出API接口工作原理基本相同。

目前，國內多數醫院已經建好了功能完善的醫療信息系統，如果完全淘汰現有的信息系統并按照HL7Ready方式來開發新的系統，將會造成信息系統的浪費，短期內也難以投入使用，選擇HL7Engine作為集成無疑是最好的。因此，基于HL7標準和中間件工作原理設計HL7中間件，是對HL7Engine方式下的改進，在此基礎上開發出成品軟件，投入到醫療信息系統集成中，意義重大。

2.1HL7的中間件數據交換原理

HL7中間件是基于HL7標準的消息傳輸協議結合中間件工作原理設計出的中間軟件。該軟件的數據交換原理是將應用系統發送的信息構造成HL7格式的消息，并將構造后的數據發送到另一個應用系統。在接收系統安裝HL7中間件便可以接收發送來的HL7消息，并驗證信息否符合HL7消息格式，將驗證結果回復給發送系統，同時將驗證通過的HL7消息解析成該系統能夠識別的數據。因此，基于HL7的中間件數據交換原理如圖1所示。系統A和系統B可以處在不同軟硬件環境、不同的操作系統，系統間可在不同的體系結構、數據結構及數據庫管理軟件下開發的。HL7中間軟件的主要目的是實現異構系統之間數據的交換，關鍵是解決HL7消息的構建、解析及其傳輸。

圖1　基于HL7中間件數據傳輸圖

2.2HL7中間件的主要模塊

基于HL7中間件的數據交換原理，將HL7中間件分為三個功能模塊:第一個是HL7消息構建模塊。該模塊的功能是每一個發送的應用系統從自己數據庫中提取數據，發到HL7中間件，通過該模塊將系統信息構建成HL7格式的消息；第二個是HL7消息傳輸模塊。能夠實現HL7消息從一個應用系統發送到另一個應用系統。第三個是HL7消息解析模塊。具備驗證應用系統發送的HL7消息合法性、將其解析成接收系統的應用數據，并保存到該系統的數據庫里。其總體的實現結構框圖如圖2所示。

圖2　HL7中間件結構圖

3　HL7消息構建、解析和傳輸的實現

HL7消息包括傳統的HL7消息和基于XML格式HL7消息[12]。對于傳統HL7消息的構建和解析，我們可以根據HL7消息包含的段、字段、成分、子成分分別編寫特定功能的函數。當應用系統將基本的信息從數據庫中提取出來，并將信息傳遞到構建模塊時，將會調用事先編寫好的特定功能函數，然后根據傳遞信息的不同類型，生成HL7消息構成中的各個部分，最后將各個部分組合成完整的HL7消息輸出，而HL7消息的解析便是消息構建的逆過程。傳統的HL7消息構建、解析和傳輸的實現不是本文研究的重點，本文重點探討基于XML格式的HL7消息構建和解析。

3.1XML格式的HL7消息構建

目前，HL7組織已提供了HL7消息的文檔定義DTD(hl7_v231.dtd)。作者在構建XML格式的HL7消息時，參考hl7_v231.dtd文檔，編寫HL72.4版本的HL7_DTD,將其命名為HL7v2.4.dtd。根據v2.4消息結構分別給所有的消息編寫message.dtd文檔、所有消息段編寫segment.dtd、所有字段的編寫field.dtd和所有數據類型定義編寫datatype.dtd文檔，使它們都符合HL7v2.4的消息編碼方式，將構造的XML文檔的前部聲明采用修改后的HL7v2.4.dtd。當應用系統將基本的信息從數據庫中提取出來，并將信息傳遞到構建模塊時，就會按照事先聲明的DTD，根據傳遞信息的不同類型來生成HL7的消息、消息段、字段、成分，建立成HL7消息的XML文檔，最后用輸出函數將其輸出。HL7消息構建過程如圖3所示。具體步驟如下：

Step1當醫護人員在醫院信息系統中錄入病人就診信息或者醫生給病人開處方時，系統將錄入的基本信息自動保存到醫院信息系統數據庫中。

Step2通過ODBC訪問醫院信息系統數據庫，查詢病人基本信息表或處方信息表，將表中的基本信息保存到一個查詢結果集Resultset對象中。

Step3用DOM作為解析接口，采用C#語言結合DOM提供的操作類，將基本信息讀取出來，以樹節點形式保存。

Step4根據HL7v2.4.dtd文檔類型定義，將DOM對象模型節點的信息保存到對應消息段、字段、成分中，以XML文檔形式保存，最終實現XML格式的HL7消息文檔構建。

圖3　HL7消息構建過程圖

XML格式的HL7消息構建過程實質上就是將病人信息或者醫囑信息從醫院信息管理系統數據庫中取出并生成XML文件的過程。

3.2XML格式的HL7消息解析

目前對XML文檔的解析主要有兩種處理方式，一種是DOM，基于樹的思想，一種是SAX，基于事件的思想。DOM解析器在解析中所生成的模型都是節點樹的形式存在,XML文檔中的每個節點對應著該模型中一個對象，在整個解析過程中都要遍歷和處理XML文檔中所需的節點信息。這種解析方法采用樹型結構的思想，與XML文檔的層次結構相符。因此，我們采用DOM作為XML格式的HL7 消息文檔解析的編程接口,結合C#編程語言，實現XML格式HL7消息解析。使用DOM接口解析XML格式的HL7 消息的解析基本過程如圖4所示。

圖4　HL7 消息的解析過程圖

首先用XML解析器檢查文檔是否符合XML格式，其次通過DOM加載XML文檔并創建樹形結構視圖，最后應用程序通過DOM標準接口遍歷和處理XML文檔中的所需的節點信息，將信息保存到結果集中。采用DOM技術遍歷和處理整個XML格式的HL7消息流程，可以用圖5所示。

圖5　DOM遍歷消息流程圖

3.3HL7消息傳輸

目前，比較熱門的數據傳輸協議有：面向連接和無連接服務，即TCP和UDP。TCP協議可以提供的是基于可靠連接的數據流傳輸服務,在進行網絡資源傳輸中，發送的數據沒有差錯、并且沒有重復的發送，接收端是按照發送端數據發送的先后順序進行接收，發送的數據沒有長度的限制[13]。UDP是面向無連接的數據傳輸服務。計算機采用這種協議給網絡發送資源中，傳輸數據包容易丟失、可能重復發送數據包,接收端收到發送端發來的數據順序是混亂的，是一種不可靠的數據傳輸協議。HL7標準是一種文本信息傳輸協議，規定消息是信息系統間數據交換的基本單位，以字符串形式進行傳輸。它被定義在OSI模型的應用層上，但是沒有遵循第七層的基本原則定義數據元素，在傳輸層上采用哪種協議也沒有明確規定。Socket是網絡編程中經常用到的技術，是通信的基石。應用程序之間可以通過它來直接或間接進行的網絡數據的發送和接收。Socket中提供流式套接字進行數據傳輸，是一種面向可靠的數據傳輸服務[14]，即是一種基于TCP協議的數據流傳輸。

醫療信息系統之間進行數據交換時，需要保證信息完整性、完全性。因此，我們可以選擇TCP協議作為網絡傳輸層的協議，以Socket技術實現HL7消息的發送和接收。在實踐中選擇.NET作為開發的架構平臺，采用C#語言編程開發出HL7客戶端(HL7Client)和HL7服務器端(HL7Server)，用來驗證HL7消息的發送和接收。而應用端的Socket接口設計是實現消息傳輸的重點。

HL7客戶端的Socket接口工作過程及設計的步驟如下：

Step1HL7客戶端的Socket的首要工作是連接到HL7服務器上。我們可以在Socket類的Bind()方法中設置HL7服務器的指定的IP地址或主機名和指定的端口號的綁定工作。

Step2HL7客戶端會向HL7服務器發送連接請求，并等待服務器的回饋請求信息。可以調用Socket類中Connect()方法來與HL7服務器建立一個TCP連接，調用該類中Listen()客戶端的socket處于被服務器監聽模式，并為該socket建立一個輸入數據隊列，將到達的服務請求保存在此隊列中，直到程序處理它們。調用accept()方法讓服務器接收客戶的連接請求。最后連接信息發到客戶端。

Step3當HL7客戶端和HL7服務器端連接成功后，并可以進行HL7消息的發送和接收。在客戶端調用Socket類中的Send()方法，如果返回整數值說明給已經成功將HL7消息發到了服務器端。在服務器端調用該類的Rec()方法，接收客戶端發來的消息。

Step4數據處理完畢后，關閉自身的Socket連接。用Socket對象的Close()方法來關閉Socket。

HL7服務器端的Socket接口的工作流程如下：

Step1啟動HL7服務器端的Socket，開始偵聽整個HL7客戶端的連接請求。

Step2當檢測到HL7客戶端的發來的連接請求時，向客戶端發送收到連接請求的信息，并建立與客戶端之間的連接。

Step3接收HL7服務器端發來的HL7消息。

Step4通信完成后，關閉HL7服務器與HL7客戶端的Socket連接。

以上的每個步驟調用的Socket類中的方法與HL7客戶端的類似，在此不再贅述。

4　HIS與LIS之間集成實例

HIS與LIS之間集成主要是完成在醫院信息系統錄入患者到檢驗科檢查信息后，將病人自然信息、檢查安排日期和檢查項目等信息傳送到LIS，或者待病人檢查完成后，檢驗信息系統將檢驗日期、診斷報告結果和病人基本信息傳送回HIS，為醫生提供多線索的查詢、調閱和顯示功能。

通過給HIS和LIS分別開發HL7中間件模塊，主要有客戶端(HL7Client)和服務器端(HL7Server)組成，負責在HIS和LIS端完成HL7消息的構建、傳送和解析。具體的集成流程如下：

Step1醫生在HIS系統錄入完病人檢查信息后，把病人信息、檢查日期、檢查項目等信息發送到HL7中間件。

Step2HL7中間件對數據處理后，將信息轉化為HL7消息，并傳送到LIS，最后將HL7消息轉化為LIS能夠識別的信息。

Step3LIS工作站通過更新檢查狀態，如預約，取消預約，到檢，取消到檢等信息通過HL7中間件把確認信息回傳給HIS。

Step4病人在檢查科檢查完項目后，醫生在LIS報告工作站錄入診斷報告等信息，通過HL7中間件把報告消息傳回給HIS。

例如，LIS向HIS發送一個病人在檢驗科的檢查結果。檢查信息發送可以描述為：檢驗結果ORU事件，病人于2014年01月01日10時47分由LIS系統將檢驗結果發送到HIS系統；HIS在兩分鐘中就接收到了LIS發來的消息；病人基本情況：李四，男性，出生年月：1989年02月20日，地址：貴州省貴陽市南明區遵義路25號。在LIS中點擊發送該信息時，就會觸發LIS中的HL7Client構建模塊，將發送的信息構造成HL7消息代碼，并解析出各個節點信息，用數組來保存，點擊Send按鈕，就可以將所有的信息發送到HIS的HL7Server模塊。如圖6所示。

圖6　HL7消息構建效果圖

在HIS中的HL7Server模塊中點擊接收按鈕，就可以收到來自LIS發來的各個節點信息，點擊生成HL7按鈕，便可生成完整的HL7消息，將其保存到HIS的數據庫中，如圖7所示。

圖7　HL7消息接收效果圖

通過HIS與LIS的集成實例，構造了在統一標準下的不同子系統之間進行集成中間件，為進一步擴大集成范圍、實現異構系統互操作提供了通用方法。

5　結　語

目標是提供一種能夠實現醫療信息系統間互聯互通的有效方案，進一步實現醫院與醫院、醫院與保險機構、藥品器械供應商、信息產品供應商、銀行、行政管理部門之間信息溝通。針對醫療信息系統間存在的異構問題，將HL7標準應用于醫療系統集成是解決數據交換和信息共享的方案之一。重點研究了HL7中間件設計，探究了基于XML格式的HL7消息構建、解析、傳輸模塊。在此基礎上，選擇.NET作為開發的架構平臺，采用C#語言，結合數據庫技術、DTD技術、DOM技術，編程實現了消息構建、解析和傳輸模塊主要模塊，并在醫院信息系統和檢驗信息系統之間進行集成。

HL7 標準采用XML編碼方式和面向對象開發技術，是今后信息系統集成的主要標準。開發基于HL7的中間件，有利于實現醫療數據交換和信息共享。

[1] 汪永琳,丁一. 基于HL7的醫療數據集成及系統設計[J]. 通信技術,2009,42(12):176-178.

[2] 趙晨暉. 醫療信息系統集成問題研究及實踐[D].浙江大學,2010.

[3] 胡曉文. 各種數據庫訪問方法存在的缺點與新型的通用Web數據庫訪問模型[J]. 硅谷,2012(2):190.

[4] 王佳琳.JMS消息中間件安全協議設計與實現[D].浙江大學,2006.

[5]MirandaM,SalazarM,PortelaF,etal.Multi-agentsystemsforhl7interoperabilityservices[J].ProcediaTechnology,2012,11(5): 725-733.

[6] 程彥博.HL7標準踐行漸近[N]. 中國計算機報,2012-11-19.

[7] 谷宇.HL7消息解析及傳輸技術的研究與實現[D].內蒙古科技大學,2010.

[8] 王艷蓉,潘金貴.XMLDTD到XMLSchema的轉換工具及實現[J]. 計算機應用與軟件,2002,19(9):9-11.

[9] 陳小毛,湯文兵.Java解析XML的方法比較研究[J].中國新技術新產品,2009(15):25.

[10]EanWenhuang,ShengHsiunghsiao,DerMingliou.Designandimplementationofaweb-basedHL7messagegenerationandvalidationsystem[J].Int.J.Med.Inform.,2003,70(1):49-58.

[11] 彭福紅,岳喜尚. 中間件在軟件開發中的應[J]. 機械管理開發,2007(5):80-81.

[12] 俞汝龍.HL7組織與HL7標準簡介[J].中國數字醫學,2007(7):41-43.

[13] 符彥惟. 計算機網絡基礎[M]. 清華大學出版社,2006.

[14] 李巧玲. 基于C#-Socket的網絡通信程序設計[J]. 福建電腦,2009(4):135-136.

RESEARCHANDIMPLEMENTATIONOFMEDICALDATAEXCHANGEBASEDONHL7

WuShougang1，2WangXiaohua1*YangMin3

1(Zunyi Medical College，Zunyi 563003，Guizhou,China)2(Fuquan Human Resources and Social Security Bureau，Fuquan 556000，Guizhou,China)3(School of Computer Science and Technology，Guizhou University，Guiyang 550025，Guizhou,China)

Inordertosolvetheheterogeneityproblembetweenmedicalinformationsystemsandtorealiseinterconnectivityandinteroperability,weintroducedtheHL7medicalelectronicdataexchangestandard,andimplementedtheintegrationbetweenmedicalsystems.First,weexpoundedtheapplicationofXMLinHL7standard,andthenappliedittothedesignofmiddleware,andadoptedC#languageprogrammingtorealisetheXMLformat-basedHL7messageconstruction,parsingandtransmission,thusachievedthenormalisedrepresentationofmedicalinformationandtheexchangeofmedicalelectronicdata.Runningresultshowedthatitwasaneffectivesolutionforsystemintegration.

MedicalinformationsystemInformationexchangeandsharingHL7

2014-09-29。貴州省科學技術基金項目(黔科合J字[2012]2356號)。吳壽剛，碩士生，主研領域：醫療信息系統集成。王曉華，教授。楊敏，碩士生。

TP399

ADOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.03.022