醫(yī)療數(shù)據(jù)整合模式的研究

黎 亮張君雁

(電子科技大學(xué)電子商務(wù)系，成都 610054)

醫(yī)療數(shù)據(jù)整合模式的研究

黎 亮*張君雁

(電子科技大學(xué)電子商務(wù)系，成都 610054)

HL7是涉及到許多不同領(lǐng)域的醫(yī)療數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。通過對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的分析，本研究從最底層的結(jié)構(gòu)入手，提出一種進(jìn)行HL7完整構(gòu)造的通用方法，并通過軟件算法完全實(shí)現(xiàn)了此方法。本方法將XML對(duì)象樹與數(shù)據(jù)表結(jié)合;它不同于其它文獻(xiàn)所提的只針對(duì)HL7某一特定點(diǎn)或?qū)哟蔚姆椒?，它不僅包含HL7的橫向全部消息也深入了HL7的縱向所有層次。另外在此基礎(chǔ)上，還提出了一個(gè)包含HL7適配器和HL7網(wǎng)關(guān)的，適合于不同醫(yī)療系統(tǒng)的信息整合模型。

HL7;解析;構(gòu)造;醫(yī)療信息整合;模型

Abstract:HL7，the data exchange standard for health care system，is involved in many different industries.This paper proposed a method to construct and deconstruct all of the HL7 messages by using XML trees and relation tables.The proposed method is different from the ways deal with HL7 by just scrabbling up different single message.Our algorithms can make a HL7 engine which manages not only all kinds of HL7 messages but all the layers in HL7 as well.In addition，we also presented a model，including HL7 gateway and HL7 adapter，to integrate data from any medical system.

Key words:HL7;decompose;construct;medical data integration;model

引言

實(shí)現(xiàn)“醫(yī)療協(xié)同”的一個(gè)核心技術(shù)就是 HL7。HL7是醫(yī)療系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)，HL7通信協(xié)議匯集了不同廠商用來設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件間接口的標(biāo)準(zhǔn)格式。目前對(duì)HL7的需求正有快速上升之勢(shì)。據(jù)American Hospital Association最新統(tǒng)計(jì)，在美國目前已有三分之一的社區(qū)醫(yī)院加入了醫(yī)療合作網(wǎng)，其規(guī)模仍在持續(xù)增加之中。在英國的協(xié)同網(wǎng)絡(luò)Virtual Wards項(xiàng)目獲得了英國醫(yī)療界的最高榮譽(yù)Health Service Journal Awards。在其它諸多地區(qū)和國家如臺(tái)灣、韓國、加拿大、意大利等“協(xié)同網(wǎng)絡(luò)”項(xiàng)目都作為目前醫(yī)療界的大政方針在積極研究實(shí)施之中?！搬t(yī)療協(xié)同”可以提高效率、發(fā)揮醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，我國也在十一五期間提出了相應(yīng)的戰(zhàn)略構(gòu)想。

近年來有關(guān)HL7的文章和一些產(chǎn)品顯著增多。具有代表性如用HL7實(shí)現(xiàn)LIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的模型［1］，使用 HL7 查找醫(yī)療資源的模型［2］，使用 HL7來采集生命監(jiān)護(hù)儀數(shù)據(jù)的方法［3］，還有人提出了把HL7用于家庭監(jiān)護(hù)、醫(yī)療影像、ECG 等［4-8］。這些文章所提出的方法都有一個(gè)共同特點(diǎn):只針對(duì)單個(gè)HL7層面或極少數(shù)幾條消息來論述，給人感覺好象HL7就是由無聯(lián)系的零散消息所組成。出現(xiàn)這種情況的原因在于HL7本身結(jié)構(gòu)的內(nèi)容比較龐雜，故人們不太關(guān)心對(duì)HL7的整體構(gòu)造，而都只從某一角度或某一層面來剖析，從而也就未提出整體的工程實(shí)現(xiàn)方法。即這些文獻(xiàn)闡述的都是HL7在某一具體應(yīng)用中的具體使用方法，而沒有一個(gè)普適性的HL7解決方案。按照HL7標(biāo)準(zhǔn)，任何一個(gè)HL7消息其長度和結(jié)構(gòu)都是可變的。本研究的目的之一就是要建立一個(gè)通用的HL7模式，可以解析任何格式和長度的HL7消息。本研究將從HL7的最微觀結(jié)構(gòu)開始分析，找出所有層次和層次間的連接關(guān)系，整理出一個(gè)對(duì)于全部HL7消息整體構(gòu)建規(guī)律。在工程上使用XML樹型結(jié)構(gòu)加上關(guān)系數(shù)據(jù)庫，來實(shí)現(xiàn)所有的HL7消息的完整的分解和構(gòu)造。本研究中，不是只簡(jiǎn)單地把幾種不同格式的HL7的消息放在一起，而是把HL7作為一個(gè)整體來鑄造，因此它將適合于任意的HL7消息及消息內(nèi)部子結(jié)構(gòu)的任意組合。在此基礎(chǔ)之上，還提出了一個(gè)醫(yī)療數(shù)據(jù)交換的通用模型，不論人工的和儀器自動(dòng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，該模型都可以通過HL7適配器和網(wǎng)關(guān)把它們很好地整合到一起。

1 HL7的層次結(jié)構(gòu)

HL7中的數(shù)據(jù)類型可分為幾個(gè)層次(圖 1)。HL7的最基本(不可分)的元素為subcomponent，通過它的排列組合最終可以構(gòu)成大型的、復(fù)雜的、多層次的 HL7結(jié)構(gòu)。通過查資料，總結(jié)出subcomponent共12種類型，可分為三類:字符型(包括 ID、ST、IS、SI、GTS、TX、FT)，數(shù)字型(包括 NM、NA)和時(shí)間型(包括 DT、TM、DTM)。在進(jìn)行 HL7的任何解析和構(gòu)造前，首先必須要完成對(duì)這12種類型數(shù)據(jù)的程序識(shí)別。此后通過subcomponent的組合構(gòu)成上一級(jí)的 component，再通過 component的組合構(gòu)成更上一級(jí)的field。這二級(jí)的構(gòu)造原理完全一樣。這樣構(gòu)造出的復(fù)合數(shù)據(jù)類型共77個(gè)。由這些數(shù)據(jù)類型可反映出HL7中2103個(gè)不同意義的field。在HL7中除了上述內(nèi)容可變的數(shù)據(jù)類型而外，還有許多相對(duì)固定的數(shù)據(jù)。這些相對(duì)固定的數(shù)據(jù)在HL7中叫“Table元素”，如性別中的“男”要用“M”表示，“女”要用“F”表示。這樣的 Table元素共有4556個(gè)。由 field再向上一級(jí)可構(gòu)成150個(gè)segment。由于segment內(nèi)部的field可進(jìn)行不定次數(shù)的重復(fù)使用，所以segment的構(gòu)造要比它的下級(jí)層次復(fù)雜些。由segment繼續(xù)向上可構(gòu)成362個(gè)不同的message(注:HL7共有近500個(gè)消息，但其中有許多是重復(fù)相同的)。message的構(gòu)成較為復(fù)雜，一些大的message可以分解成許多層次，每個(gè)層次內(nèi)可有多個(gè)大小嵌套的結(jié)構(gòu)，且各結(jié)構(gòu)還可以根據(jù)用戶需求無限制的自由重復(fù)。

圖1 HL7的層次構(gòu)造Fig.1 Layers of the HL7

2 HL7分解構(gòu)造的方法

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，HL7的結(jié)構(gòu)同TCP協(xié)議棧原理較為類似。在工程實(shí)現(xiàn)時(shí)，要進(jìn)行5級(jí)的分解和5級(jí)構(gòu)造(圖 1)。最下一級(jí)是復(fù)合元素層的分解構(gòu)造，采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫查詢方式實(shí)現(xiàn)。即每個(gè)復(fù)合元素所轄下的子元素及其順序都存儲(chǔ)在一張數(shù)據(jù)庫表中，通過查表就可知此復(fù)合元素的構(gòu)造是否正確。第二級(jí)的域的分解構(gòu)造方式跟第一級(jí)完全一樣。而再上一級(jí)消息段級(jí)的構(gòu)造就要復(fù)雜一些，因?yàn)樵谙⒍沃性试S域的重復(fù)，并且某些特定域還對(duì)應(yīng)一些專門的特殊元素(如Table元素)。在對(duì)這一級(jí)的分解構(gòu)造中，主體上仍采用了關(guān)系數(shù)據(jù)庫查表(對(duì)下級(jí)元素和 Table元素)的方案，但對(duì)少數(shù)特殊域進(jìn)行了單獨(dú)的處理。對(duì)于更上一級(jí)的消息級(jí)，其有一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是其組成元素并不多(150個(gè))，但多層嵌套結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜。另一個(gè)特點(diǎn)是其中各個(gè)子結(jié)構(gòu)的多少(可重復(fù)的次數(shù))是不確定的，可由用戶根據(jù)各自環(huán)境自主決定。對(duì)于這種較為復(fù)雜的情況，采用了XML對(duì)象樹(樹型結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)集)來進(jìn)行動(dòng)態(tài)生成。對(duì)象樹的大小(層次和結(jié)點(diǎn)多少)可以根據(jù)用戶不同的需求，由程序在內(nèi)存中動(dòng)態(tài)生成十分方便。XML樹和數(shù)據(jù)庫查表構(gòu)造各有優(yōu)缺點(diǎn)。XML對(duì)象樹的優(yōu)點(diǎn)是非常靈活并可動(dòng)態(tài)增減結(jié)點(diǎn)，但速度相對(duì)較慢，特別是樹的結(jié)點(diǎn)和層次很多時(shí)(如一個(gè)多層嵌套的大消息)。因此，結(jié)合這二種方法的不同特點(diǎn)，把它們分別用到了不同的級(jí)別(上面的消息級(jí)和最下面的三級(jí))，以分別適用于不同的情況。這種做法也非常符合HL7的結(jié)構(gòu):對(duì)于上層結(jié)構(gòu)(消息級(jí))的靈活多變，使用 XML樹來進(jìn)行完全對(duì)應(yīng);而對(duì)下三層結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定，則使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫查表來進(jìn)行快速的分解構(gòu)造。

表1是關(guān)系數(shù)據(jù)庫中對(duì)AD(Address)復(fù)合元素的存儲(chǔ)，在進(jìn)行HL7的格式檢查中，將使用表中數(shù)據(jù)來判斷:長度是否超界、位置的順序是否正確，是否符合相關(guān)表、AD的各子域的類型是否正確(程序中通過遞歸調(diào)用來實(shí)現(xiàn))。

表1 AD元素的結(jié)構(gòu)Tab.1 Structure of AD data type

在算法上，首先用XML Schema進(jìn)行頂層(即message-segment)格式初步分析，然后程序再進(jìn)入到XML樹中各個(gè)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行逐級(jí)分解分析，在結(jié)點(diǎn)中對(duì)域等復(fù)合元素則按關(guān)系數(shù)據(jù)庫查表進(jìn)行分析。

3 HL7網(wǎng)關(guān)的組成

HL7網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)如圖2所示。其中 HL7轉(zhuǎn)換器是核心，負(fù)責(zé)把用戶的(非標(biāo)準(zhǔn)的)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的HL7格式，或反過來把標(biāo)準(zhǔn)的HL7變成用戶所知的格式。HL7轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方法在上面“HL7分解構(gòu)造的方法”中已有討論。HL7存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，是網(wǎng)關(guān)對(duì)外界網(wǎng)絡(luò)的接口。存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)點(diǎn)是不但可以平滑數(shù)據(jù)流量，還可以避免外界系統(tǒng)短期的故障所帶來的數(shù)據(jù)損失。另外，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的一個(gè)好處是它容易支持大型系統(tǒng)內(nèi)在的多層次結(jié)構(gòu)。如系統(tǒng)采用的終端直連方式，按終端數(shù)量收費(fèi)，故代價(jià)很高。若使用HL7網(wǎng)關(guān)進(jìn)行醫(yī)保數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，再配以若干局部(免費(fèi))的用戶分終端，則不僅提高了系統(tǒng)的可靠性、可擴(kuò)展性，而且也大大節(jié)省了費(fèi)用。HL7(用戶)數(shù)據(jù)接口是面向用戶私有數(shù)據(jù)格式的輸入輸出通道。由于大量不同用戶的數(shù)據(jù)格式難以統(tǒng)一，因此此接口的形式必須要非常靈活，適合各種情況才行。為此選用了XML字符串作為輸入輸出的載體。XML中包含兩部分內(nèi)容:數(shù)據(jù)本身和數(shù)據(jù)的所屬類別(即HL7中位置的信息)。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器Fig.2 HL7 exchange engine

圖3 用戶適配方式Fig.3 HL7 adapter

4 HL7適配器的功能

HL7適配器是用戶方同HL7網(wǎng)關(guān)打交道的裝置。其實(shí)HL7適配器也可以理解成一種方法或模式如圖3所示，HL7適配器作用類似填空:把用戶的數(shù)據(jù)填入程序生成的XML框架的適當(dāng)位置。要通過HL7轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)來自二類數(shù)據(jù)源:人工產(chǎn)生的(如醫(yī)生寫的電子病歷、檢驗(yàn)報(bào)告)，儀器設(shè)備自動(dòng)產(chǎn)生的(實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如心電波、腦電波)。因此，HL7

適配器的功能就應(yīng)該有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分類以及把用戶數(shù)據(jù)打包成上述XML格式的功能，此功能可由用戶一方自己來完成。另外，HL7適配器還會(huì)把接到的數(shù)據(jù)分配給等待接收外界信息的相應(yīng)部門或設(shè)備儀器。例如HL7適配器可把從一臺(tái)心電監(jiān)護(hù)儀采集到的數(shù)據(jù)，定期打包封裝成如下簡(jiǎn)單的XML格式:

這里ORU_R01是HL7的消息名，表示要傳送檢驗(yàn)數(shù)據(jù)到外系統(tǒng)。通過此名稱，程序?qū)⒄{(diào)用相應(yīng)的HL7消息模板，對(duì)XML數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和格式檢查。此例中cdid的屬性值表示消息中的位置(類型)。根據(jù)cdid的值，內(nèi)容將被程序自動(dòng)放入相應(yīng)的位置，如上面的“數(shù)據(jù)值”將被放入OBX消息段的第5個(gè)位置中。此XML結(jié)構(gòu)是根據(jù)用戶所需消息段的名稱由軟件自動(dòng)生成。對(duì)于最終用戶，他們只需要把每次采集到的數(shù)據(jù)填入此XML結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)域部分，對(duì)此XML的其它部分(如標(biāo)記 cdid等)則可完全不關(guān)心。這樣對(duì)普通終端用戶來說，使用起來簡(jiǎn)單。而由于用戶最了解從哪里去采數(shù)據(jù)、怎么采，故此方法在實(shí)際工作中具有較強(qiáng)的操作性。

用戶本身的數(shù)據(jù)在表達(dá)方式上同標(biāo)準(zhǔn)的HL7可能有一定的差距。如上面談到的性別女在HL7中的表示為“F”，而在用戶私有系統(tǒng)中可能表示為“女”或“02”等等。為了解決這一問題，在 HL7數(shù)據(jù)接口處設(shè)置了一個(gè)用戶可配置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換表(可以是一個(gè)小數(shù)據(jù)庫如Access中的一張表)。通過這張表就解決了局部數(shù)據(jù)表達(dá)方式和全局標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表達(dá)方式的不一致問題。

上面的XML內(nèi)容最終將被軟件轉(zhuǎn)化為如下標(biāo)準(zhǔn)的HL7字符串:

圖4是HL7閱讀軟件把上述內(nèi)容展開后的一個(gè)片斷。軟件對(duì)每個(gè)細(xì)節(jié)都會(huì)查數(shù)據(jù)庫表判斷，并根據(jù)查表內(nèi)容進(jìn)行可能的注釋，可以看到在OBX-11中的 P被自動(dòng)注釋成“preliminary results”(“初步結(jié)果”)，OBX-8中的AA被自動(dòng)注釋成“very abnormal”(“極度異常”)。

圖4 HL7閱讀器Fig.4 HL7 XML reader

圖5 區(qū)域化模式Fig.5 Regional health model

5 醫(yī)療數(shù)據(jù)交換的模式

在有了HL7網(wǎng)關(guān)和適配器的基礎(chǔ)上，就可以為各種人工數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)構(gòu)建交換模式。各種醫(yī)療數(shù)據(jù)經(jīng)過HL7網(wǎng)關(guān)后，形成了標(biāo)準(zhǔn)的、有結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，從而達(dá)到了跨系統(tǒng)、跨醫(yī)院、跨地區(qū)、跨國家進(jìn)行共享的目的。通過HL7網(wǎng)關(guān)的多次存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，可以構(gòu)建出大型的、復(fù)雜的醫(yī)療信息系統(tǒng)。醫(yī)療數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳送的邏輯如圖5所示。這些數(shù)據(jù)可包括病患管理、醫(yī)囑、查詢、財(cái)務(wù)管理、觀察報(bào)告、醫(yī)療記錄、日程安排、患者轉(zhuǎn)診、病患護(hù)理、臨床化驗(yàn)室自動(dòng)化、醫(yī)務(wù)人員管理等各方面的電子資料。由于HL7網(wǎng)關(guān)的主要工作會(huì)涉及到大量的字符串處理，CPU的消耗比較大。但在大部分情況下，HL7網(wǎng)關(guān)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬消耗不大。此特點(diǎn)同DICOM系統(tǒng)剛好相反。為了減少網(wǎng)關(guān)處CPU壓力，對(duì)HL7消息的解析可以僅限于消息的頭部，即MSH和MSA二部分;而對(duì)消息的全面解析可以分布到各個(gè)客戶機(jī)器上(可以是適配器機(jī)器上)。上述頭部的二個(gè)部分包含了最基本的信息如發(fā)送/接收地址、消息的基本類型、時(shí)間等，這些信息足以讓網(wǎng)關(guān)決定使用何種轉(zhuǎn)發(fā)路徑和轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)來對(duì)信息進(jìn)一步處理。

6 結(jié)論

通過對(duì)HL7標(biāo)準(zhǔn)的分析，在理出HL7的層次構(gòu)造規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了一種全面構(gòu)造 HL7的方法，可以解析出任何格式和長度的 HL7。這樣的HL7引擎不再是由幾個(gè)固定的消息簡(jiǎn)單地組成，而是集所有消息和任意消息組合于一體的完整組件。構(gòu)造方法使用了XML樹和關(guān)系數(shù)據(jù)庫查詢相結(jié)合，既不損失HL7上層結(jié)構(gòu)的靈活性又能夠保證底層搜索的速度。在測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)對(duì)于一個(gè)大型的消息，XML樹的構(gòu)造和查詢過程在普通CPU上大約會(huì)耗費(fèi)近1 s的時(shí)間，因此算法的速度還有待進(jìn)一步提高改進(jìn)。本研究還勾畫出了一個(gè)對(duì)醫(yī)療數(shù)據(jù)全面整合的方案。本方法的優(yōu)點(diǎn)還在于，由于把構(gòu)造規(guī)則數(shù)據(jù)化，當(dāng)HL7有任何新版本推出時(shí)，只需改變數(shù)據(jù)庫表的內(nèi)容，而解析和構(gòu)造函數(shù)都基本不需要變，因此本方法的伸展性很強(qiáng)。另外由于用戶可以根據(jù)自身業(yè)務(wù)的特點(diǎn)來定制HL7適配器和配置HL7數(shù)據(jù)接口，其適應(yīng)性也較廣。

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A Model for Data Integration in Health Care

LI Liang*ZHANG Jun-Yan
(E-Commerce Department，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China)

R197.324

A

0258-8021(2010)02-0207-05

10.3969/j.issn.0258-8021.2010.02.009

2009-05-08，

2010-01-22

“十一五”國家科技支撐計(jì)劃重大專項(xiàng)(2006BAH02A27)

*通訊作者。 E-mail:liliang@uestc.edu.cn