基于云計(jì)算的HIS研究*

林偉偉，齊德昱

（華南理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 廣州 510640）

1 引言

近年來，隨著信息技術(shù)和我國(guó)醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展，國(guó)家“金衛(wèi)”工程的深入展開，我國(guó)在醫(yī)院信息化方面已取得了令人矚目的成就，但是信息技術(shù)在真正的診斷、手術(shù)中應(yīng)用還很少。隨著人們對(duì)醫(yī)療服務(wù)要求的不斷提高以及病人信息的不斷增長(zhǎng)，現(xiàn)有的醫(yī)療信息系統(tǒng)已經(jīng)很難滿足醫(yī)療服務(wù)發(fā)展的需要。

當(dāng)前在醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)中使用的醫(yī)院信息系統(tǒng)存在以下一些亟待解決的問題[1,2]。

·數(shù)據(jù)共享困難。很多醫(yī)院都實(shí)施了相應(yīng)的HIS系統(tǒng)，但是由于地域上的距離和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的不平衡性，分院、門診部、社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心等網(wǎng)絡(luò)之間缺少互聯(lián)互通，各網(wǎng)絡(luò)的信息系統(tǒng)不能共享，造成網(wǎng)絡(luò)的割裂和醫(yī)療信息的孤島，各醫(yī)院無法共享專家知識(shí)和醫(yī)療資源。

·使用不方便。目前HIS大都是基于C/S架構(gòu)，用戶只能在醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)使用系統(tǒng)，而且C/S的HIS升級(jí)很不方便，需要更新服務(wù)器程序和各個(gè)客戶端程序。

·運(yùn)行維護(hù)成本高。隨著用戶數(shù)據(jù)的增多，維護(hù)成本也越來越高，而且計(jì)算機(jī)軟硬件的頻繁升級(jí)換代使得HIS的軟件和硬件維護(hù)成本居高不下。

·系統(tǒng)可擴(kuò)展性差?，F(xiàn)有HIS很難擴(kuò)展新的功能，而且其結(jié)構(gòu)很難適應(yīng)系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)展，系統(tǒng)的性能會(huì)逐漸下降。

·醫(yī)療信息的安全性問題。由于醫(yī)療信息全部都是數(shù)字化的形式出現(xiàn)，其中含有病人的個(gè)人信息，既涉及到病人的隱私，又是具有法律效果的醫(yī)療過程記錄，如何避免病人個(gè)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(rèn)性等問題都不容回避。

云計(jì)算[3，4]的出現(xiàn)為解決醫(yī)院信息系統(tǒng)存在問題提供了可能。為試圖解決傳統(tǒng)HIS系統(tǒng)和醫(yī)療信息化中存在的問題，本文提出了基于云計(jì)算的HIS體系結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)是解決HIS系統(tǒng)可擴(kuò)展性差、維護(hù)困難、系統(tǒng)運(yùn)行成本高等問題，同時(shí)為健康信息云服務(wù)系統(tǒng)提供可能。

2 相關(guān)研究

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，互聯(lián)網(wǎng)所需要處理的業(yè)務(wù)量也隨著快速增長(zhǎng)。如何處理海量的數(shù)據(jù)與服務(wù)，有效地為用戶提供方便、快捷的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，成為互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)前發(fā)展面臨的一個(gè)問題。在這種背景下，基于分布式計(jì)算特別是網(wǎng)格技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了一種互聯(lián)網(wǎng)資源利用的新模式：云計(jì)算。云計(jì)算已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn)，云計(jì)算的優(yōu)勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面。

·高可擴(kuò)展性。云應(yīng)用所需要的資源可以動(dòng)態(tài)伸縮，滿足應(yīng)用和用戶規(guī)模增長(zhǎng)的需要。

·按需服務(wù)。可隨時(shí)隨地訪問云的資源，“云”是一個(gè)龐大的資源池，可按需購(gòu)買。

·資源優(yōu)化。可以根據(jù)用戶需要靈活地?cái)U(kuò)大或縮小資源需求，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化。

·極其廉價(jià)。用戶不需基礎(chǔ)設(shè)置投資，如硬件、電力等，而只需要購(gòu)買廉價(jià)的資源服務(wù)。

·高安全性。云計(jì)算提供了最可靠、最安全的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，用戶不用再擔(dān)心數(shù)據(jù)丟失、病毒入侵等麻煩。

·使用方便。云計(jì)算對(duì)用戶端的設(shè)備要求最低，使用起來也最方便。

·數(shù)據(jù)共享。云計(jì)算可以輕松實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備間的數(shù)據(jù)與應(yīng)用共享。在云計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式中，數(shù)據(jù)只有一份，保存在“云”的另一端，所有電子設(shè)備只需要連接互聯(lián)網(wǎng)，就可以同時(shí)訪問和使用同一份數(shù)據(jù)。

·高可靠性。“云”使用了數(shù)據(jù)多副本容錯(cuò)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)同構(gòu)可互換等措施來保障服務(wù)的高可靠性，使用云計(jì)算比使用本地計(jì)算機(jī)可靠。

目前眾多科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始參與云計(jì)算的研究。加州伯克利大學(xué)的自適應(yīng)可靠分布式實(shí)驗(yàn)室日前發(fā)布了云計(jì)算報(bào)告Above the Clouds:A Berkeley View of Cloud Computing[4]。該報(bào)告指出，云計(jì)算就是在互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用軟件服務(wù)和數(shù)據(jù)中心中的硬件、系統(tǒng)提供的服務(wù)。同時(shí)，該報(bào)告認(rèn)為云計(jì)算的發(fā)展需要解決服務(wù)可用性、數(shù)據(jù)安全、可擴(kuò)展存儲(chǔ)、性能不可預(yù)測(cè)性等10個(gè)問題，并重點(diǎn)討論了云計(jì)算經(jīng)濟(jì)模型。參考文獻(xiàn)[5]比較和分析了當(dāng)前主流的一些計(jì)算范型，給出了云計(jì)算的定義，重點(diǎn)提出了面向市場(chǎng)的云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)和面向市場(chǎng)的資源管理策略。為了滿足企業(yè)日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)收集和分析需求，參考文獻(xiàn)[6]提出一個(gè)解決大規(guī)模數(shù)據(jù)密集型批處理問題的云計(jì)算系統(tǒng)GridBatch，通過該系統(tǒng)很方便實(shí)現(xiàn)針對(duì)數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用的并行程序。參考文獻(xiàn)[7]討論利用云計(jì)算實(shí)現(xiàn)高性能科學(xué)計(jì)算應(yīng)用問題，并利用Amazon彈性云計(jì)算成功實(shí)現(xiàn)大氣海洋模擬實(shí)驗(yàn)，雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示基于云計(jì)算的高性能計(jì)算性能較差，但同時(shí)也證明云計(jì)算系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高性能應(yīng)用的可行性。隨著云計(jì)算的研究深入和應(yīng)用發(fā)展，它將成未來主流應(yīng)用模式。然而，目前無論在理論上還是應(yīng)用上，云計(jì)算的研究還處于初步階段，還需要進(jìn)行大量研究和實(shí)踐。

3 基于云計(jì)算的HIS體系結(jié)構(gòu)

如圖1所示，提出的基于云計(jì)算的HIS體系結(jié)構(gòu)分成4層：物理資源層、虛擬資源層、云計(jì)算管理層和HIS服務(wù)層。最上層是HIS服務(wù)層，提供門診管理服務(wù)、住院管理服務(wù)、藥房管理服務(wù)、檢查檢驗(yàn)管理服務(wù)、手術(shù)管理服務(wù)等，在該層中部署基于云計(jì)算資源的各種HIS應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)高性能、可靠、穩(wěn)定的HIS服務(wù)。下面一層是云計(jì)算管理層，提供應(yīng)用監(jiān)控、資源管理、動(dòng)態(tài)調(diào)度、動(dòng)態(tài)部署和安全管理。應(yīng)用監(jiān)控負(fù)責(zé)監(jiān)控上層的云應(yīng)用的執(zhí)行狀態(tài)和負(fù)載情況；資源管理主要負(fù)責(zé)虛擬資源信息的維護(hù)；動(dòng)態(tài)調(diào)度主要實(shí)現(xiàn)虛擬資源的動(dòng)態(tài)分配，即為云應(yīng)用動(dòng)態(tài)配置虛擬資源；動(dòng)態(tài)部署主要完成用戶應(yīng)用映像的動(dòng)態(tài)部署和管理；安全管理保障云計(jì)算設(shè)施的整體安全，包括身份認(rèn)證、訪問授權(quán)、綜合防護(hù)和安全審計(jì)等。再下面一層是虛擬資源層，實(shí)現(xiàn)底層物理資源的虛擬化，為云應(yīng)用提供虛擬化資源，采用目前成熟的虛擬化產(chǎn)品Vmware、Xen等實(shí)現(xiàn)軟件和硬件資源的虛擬化和重新劃分，為云計(jì)算資源的高效和動(dòng)態(tài)調(diào)整提供基礎(chǔ)。最底層是由各種服務(wù)器硬件資源組成的物理資源層。

與傳統(tǒng)的HIS和基于Web的HIS體系結(jié)構(gòu)相比，提出的基于云計(jì)算的HIS體系結(jié)構(gòu)有如下幾個(gè)創(chuàng)新性和優(yōu)勢(shì)：（1）在基于云計(jì)算的HIS體系結(jié)構(gòu)的云計(jì)算管理層中，應(yīng)用監(jiān)控、資源管理、動(dòng)態(tài)調(diào)度三個(gè)模塊協(xié)同可以實(shí)現(xiàn)資源動(dòng)態(tài)配置算法，該算法不僅可以提高系統(tǒng)資源利用率，而且保證基于云計(jì)算的HIS穩(wěn)定性和可靠性。該算法的基本思想為：當(dāng)監(jiān)視到HIS應(yīng)用負(fù)載較重時(shí)，可以為HIS應(yīng)用增加虛擬資源；反之可以減少HIS應(yīng)用的虛擬資源，從而實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)配置。（2）醫(yī)院不再需要投入大筆資金購(gòu)買HIS運(yùn)行的硬件設(shè)備，只需要向云計(jì)算提供商購(gòu)買云計(jì)算資源服務(wù)，然后將HIS部署在購(gòu)買的云計(jì)算資源上，可以節(jié)省醫(yī)院成本和降低維護(hù)難度。（3）該體系結(jié)構(gòu)支持健康信息云服務(wù)功能。傳統(tǒng)HIS系統(tǒng)由于參與C/S架構(gòu)和系統(tǒng)安全等問題，很難為醫(yī)院病人提供健康信息服務(wù)功能；而在基于云計(jì)算的HIS系統(tǒng)中，云計(jì)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(wù)功能，能為廣大民眾提供方便、快捷、個(gè)性化的醫(yī)療健康信息服務(wù)。

4 云計(jì)算應(yīng)用實(shí)例：規(guī)范化康復(fù)診療信息系統(tǒng)

一方面，由于康復(fù)診療業(yè)務(wù)的不斷擴(kuò)展和康復(fù)學(xué)科特殊性，傳統(tǒng)的HIS很難滿足康復(fù)科業(yè)務(wù)需求，急需開發(fā)新的HIS系統(tǒng)；另一方面，由于我國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)起步較晚，為了實(shí)現(xiàn)康復(fù)醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展，需要各個(gè)醫(yī)院需要共享康復(fù)診療資源和專家知識(shí)，以便優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、相互促進(jìn)。因此，急需一套先進(jìn)的康復(fù)診療的管理信息系統(tǒng)。在這種背景下，我們采用云計(jì)算技術(shù)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了規(guī)范化康復(fù)診療信息系統(tǒng)。提出的規(guī)范化康復(fù)診療信息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)的功能主要包括4大模塊：醫(yī)生工作站、治療師工作站、護(hù)士工作站和系統(tǒng)管理。與傳統(tǒng)的HIS不同，規(guī)范化康復(fù)診療信息系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能采用Web方式實(shí)現(xiàn)，并部署在基于虛擬機(jī)的云計(jì)算環(huán)境中。系統(tǒng)利用了云計(jì)算資源管理的靈活性和可伸縮性，可以保證系統(tǒng)的可靠性，并克服傳統(tǒng)HIS不擴(kuò)展的局限性。目前范化康復(fù)診療信息系統(tǒng)已經(jīng)在珠江醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科和中山大學(xué)第一附屬醫(yī)院黃埔分院康復(fù)醫(yī)學(xué)科運(yùn)行使用，并初步體現(xiàn)出系統(tǒng)優(yōu)越性。

圖2 規(guī)范化康復(fù)診療信息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析現(xiàn)有HIS系統(tǒng)不足的基礎(chǔ)上，提出了基于云計(jì)算的HIS體系結(jié)構(gòu)，它由4層組成：物理資源層、虛擬資源層、云計(jì)算管理層和HIS服務(wù)層，然后描述了基于云計(jì)算的HIS實(shí)例——規(guī)范化康復(fù)診療信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)的實(shí)施運(yùn)行驗(yàn)證了基于云計(jì)算的HIS的可行性。為了更好地實(shí)現(xiàn)云計(jì)算給醫(yī)療信息化帶來的優(yōu)越性，我們下一步除了完善規(guī)范化康復(fù)診療信息系統(tǒng)的功能，將重點(diǎn)研究在規(guī)范化康復(fù)診療信息系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)資源動(dòng)態(tài)管理，并分析動(dòng)態(tài)調(diào)度對(duì)系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性等方面的影響。

1 陳春濤.數(shù)字化醫(yī)院信息系統(tǒng)建設(shè)與實(shí)證研究.華中科技大學(xué)，2009

2 李懷成.醫(yī)院信息系統(tǒng)軟件架構(gòu)的比較與選擇.醫(yī)學(xué)信息學(xué)雜志，2009(11):26～28

3 陳康，鄭緯民.云計(jì)算：系統(tǒng)實(shí)例與研究現(xiàn)狀.軟件學(xué)報(bào),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