基于微服務(wù)架構(gòu)的臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)管理系統(tǒng)

羅軼瑋，姚建文，徐 斌，宋貴峰，石 濤，謝 穎

1 同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院教學(xué)辦公室， 上海 200120；2 上海諾基亞貝爾股份有限公司， 上海 201206

傳統(tǒng)的軟件架構(gòu)已難以適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)時代用戶需求的快速變化，微服務(wù)(microservices)應(yīng)運而生。微服務(wù)的核心理念是細(xì)粒度模塊劃分、服務(wù)化接口封裝、輕量級通信交互，其具有以下兩大優(yōu)勢：①模塊自治性強(qiáng)，能很好地滿足互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用訴求變化快、模塊獨立更新的需求；②模塊擴(kuò)展性好，能很好地滿足互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用用戶難預(yù)測、資源動態(tài)分配的需求。因此，微服務(wù)正逐漸成為構(gòu)造互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的主流架構(gòu)模式[1-3]。目前，輕量級容器技術(shù)由于其資源占用少、應(yīng)用啟動快等特點，正逐步成為支撐微服務(wù)運行的主流架構(gòu)平臺[4]。

1 基于微服務(wù)架構(gòu)的東方醫(yī)院臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)管理系統(tǒng)

同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院是一所集醫(yī)療、教學(xué)和科研為一體的三級甲等綜合性公立醫(yī)院。2001年成為同濟(jì)大學(xué)的附屬醫(yī)院，目前承擔(dān)著來自同濟(jì)大學(xué)等多所院校的臨床各專業(yè)本科、研究生以及留學(xué)生的理論見習(xí)課程和臨床實習(xí)輪轉(zhuǎn)帶教任務(wù)。目前，在院本科生、研究生和留學(xué)生600余名。醫(yī)院成立教學(xué)辦公室作為專職的教學(xué)管理機(jī)構(gòu)。

1.1 需求及其難點分析

東方醫(yī)院臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)管理系統(tǒng)在進(jìn)行信息化改造的過程中有以下需求：①需要對學(xué)生和教師的全流程行為進(jìn)行跟蹤管理；②需要保障教學(xué)質(zhì)量并進(jìn)行量化評估，實現(xiàn)教學(xué)管理任務(wù)過程的可視化；③需要通過信息化改造進(jìn)一步提升醫(yī)學(xué)教育的效率，即通過引入人工智能技術(shù)提高自動化、智能化水平，同時不增加人力資源；④建立臨床教學(xué)管理相關(guān)數(shù)據(jù)的科學(xué)性管理體制，挖掘臨床教學(xué)管理的數(shù)據(jù)價值。

該系統(tǒng)在信息化改造方面有以下難點：

①臨床課程教學(xué)形式和方法多樣，課時數(shù)多，排課難度和工作量大。近年來，東方醫(yī)院的教學(xué)業(yè)務(wù)范圍擴(kuò)展迅速，接收國內(nèi)多所醫(yī)學(xué)院校、多個專業(yè)的理論授課和實習(xí)教學(xué)，且長、短期實習(xí)的留學(xué)生眾多。其臨床教學(xué)系統(tǒng)的課程復(fù)雜，涉及學(xué)科多，課程類型復(fù)雜，包括理論教學(xué)、見習(xí)、PBL授課、CBL授課、教學(xué)查房、小講課、技能訓(xùn)練等，課時數(shù)龐大，每年完成56門課程授課，總學(xué)時達(dá)3000以上，人工排課效率低且易出錯。

②各專業(yè)實習(xí)輪轉(zhuǎn)和實踐課程同步進(jìn)行，管理難度大。該院實習(xí)生來自多所醫(yī)學(xué)院校，專業(yè)多、人數(shù)多，實習(xí)大綱和實習(xí)進(jìn)度不統(tǒng)一。以臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)為例，學(xué)生需要進(jìn)行內(nèi)、外、婦、兒多個科室輪轉(zhuǎn)實習(xí)，且各個院校進(jìn)出實習(xí)日期不一致，實習(xí)輪轉(zhuǎn)計劃和實踐課程制定須在符合實習(xí)大綱的基礎(chǔ)上，兼顧多個教研室實習(xí)人數(shù)的均衡性。

③學(xué)生成長軌跡可視化分析需求。醫(yī)學(xué)教育應(yīng)以學(xué)生為中心，學(xué)生成長軌跡可視化分析是教育轉(zhuǎn)型實踐的新探索。在信息化助力下，系統(tǒng)自動生成各種數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖表，形成多維度成長檔案，包括過程記錄、師生互動、形成性評價、終結(jié)性考核、技能操作等方面，學(xué)生的成長不再是枯燥的分?jǐn)?shù)，而是全面成長的軌跡?？梢暬臄?shù)據(jù)分析，使教師因材施教更加科學(xué)。

④智能化教研室及教師績效管理需求。通過教學(xué)軌跡跟蹤，系統(tǒng)即時動態(tài)生成教研室及教師的教學(xué)績效。通過數(shù)據(jù)的專業(yè)解析和深層挖掘可以找到各個教研室及教育管理中的潛在問題，對已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的一些教育問題，可通過數(shù)據(jù)分析找出癥結(jié)。

1.2 該方案微服務(wù)架構(gòu)的特征

根據(jù)實際調(diào)研結(jié)果，以及綜合評定各種微服務(wù)技術(shù)方案的具體特點，結(jié)合用戶需求，我們選擇了基于Docker容器技術(shù)的Kubernetes微服務(wù)框架，通過利用Kubernetes等技術(shù)將東方醫(yī)院臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)管理系統(tǒng)的各種應(yīng)用跨主機(jī)編排在一起，實現(xiàn)彈性、易擴(kuò)展的架構(gòu)，從而輕松應(yīng)對不斷變化的臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)管理系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，Docker容器是資源分割和調(diào)度的基本單位，并封裝整個軟件運行的環(huán)境。它是一個跨平臺、可移植并且簡單易用的容器解決方案，可在容器內(nèi)部快速自動化地部署應(yīng)用，并通過操作系統(tǒng)內(nèi)核技術(shù)為容器提供資源隔離與安全保障。該系統(tǒng)所采用的微服務(wù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 微服務(wù)架構(gòu)示意圖

首先，該系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計了能力支撐微服務(wù)層，包括三方面：人臉識別微服務(wù)、圖像轉(zhuǎn)換微服務(wù)和消息通知微服務(wù)。

其次，在能力微服務(wù)層上面構(gòu)建了應(yīng)用微服務(wù)層，包括學(xué)籍管理微服務(wù)、考勤管理微服務(wù)、課程管理微服務(wù)、實習(xí)輪轉(zhuǎn)微服務(wù)、教學(xué)互動微服務(wù)，以及數(shù)據(jù)分析微服務(wù)。

第三，該架構(gòu)的最頂層是客戶端層，支持PC Web瀏覽器、移動端瀏覽器、手機(jī)微信客戶端、手機(jī)APP這4種直接訪問方式，客戶端層通過http、websocket、no- tification這3種輕量級通信協(xié)議與應(yīng)用微服務(wù)層相聯(lián)并獲取所需數(shù)據(jù)。

另外，該系統(tǒng)架構(gòu)還設(shè)計了數(shù)據(jù)庫微服務(wù)，包括教師數(shù)據(jù)庫、學(xué)生數(shù)據(jù)庫、考勤數(shù)據(jù)庫、教學(xué)數(shù)據(jù)庫4個數(shù)據(jù)庫，共同為該系統(tǒng)其他模塊提供數(shù)據(jù)庫服務(wù)。

2 東方醫(yī)院臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)管理系統(tǒng)的具體技術(shù)方案

2.1 主要功能

與圖1中應(yīng)用微服務(wù)層的六項微服務(wù)相對應(yīng)，該系統(tǒng)有六大功能：學(xué)籍管理、考勤管理、課程管理、實習(xí)輪轉(zhuǎn)、教學(xué)互動、數(shù)據(jù)分析(如圖2 所示)。

圖2 系統(tǒng)主要功能示意圖

東方醫(yī)院臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)管理系統(tǒng)的特點如下：

高效化：提供考勤、輪轉(zhuǎn)、評價、考核等功能，提高了教學(xué)管理的工作效率。

專業(yè)化：遵循頂層設(shè)計、分級管理、過程管理的原則，緊扣教學(xué)管理工作中的難點，統(tǒng)一管理教學(xué)培訓(xùn)數(shù)據(jù)，使管理工作科學(xué)化、專業(yè)化。

智能化：通過引入多項人工智能技術(shù)，系統(tǒng)實現(xiàn)了醫(yī)學(xué)教育信息化系統(tǒng)的智能化改造，完善了教學(xué)工作中的數(shù)據(jù)記錄與分析功能，挖掘出了醫(yī)學(xué)教育環(huán)節(jié)中的數(shù)據(jù)價值。

采用基于容器的微服務(wù)架構(gòu)進(jìn)行上層應(yīng)用開發(fā)，并進(jìn)行個性化應(yīng)用及需求的彈性擴(kuò)展與開發(fā)，該系統(tǒng)有以下創(chuàng)新點：①引入“睿眼”人臉識別引擎，成功實現(xiàn)人臉數(shù)據(jù)的采集及自動識別；②基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和深入分析，建立臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)大數(shù)據(jù)分析及能力，對于醫(yī)學(xué)教育過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，有針對性地改善教學(xué)環(huán)節(jié)中的薄弱環(huán)節(jié)；③采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集平臺，構(gòu)建分布式基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)文件的共享。

2.2 人臉識別考勤功能的實現(xiàn)

基于人臉識別的考勤是該系統(tǒng)主要創(chuàng)新點之一。為解決考勤問題，在能力微服務(wù)層引入了人臉識別微服務(wù)。通過1080 P高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭對進(jìn)出人員進(jìn)行人臉檢測，并通過“睿眼”人臉識別引擎進(jìn)行人臉數(shù)據(jù)的采集及自動識別，識別成功率高達(dá)99.83%，有效提高了課程考勤的效率(如圖3所示)。

圖3 人臉識別系統(tǒng)架構(gòu)及消息流程示意圖

人臉識別考勤功能的實現(xiàn)步驟如下：

步驟1：RTSP視頻流。攝像頭對著閘機(jī)持續(xù)進(jìn)行視頻流拍攝，所生成的RTSP視頻流經(jīng)局域網(wǎng)傳輸給圖像轉(zhuǎn)換微服務(wù)模塊。

步驟2a：定時抓取圖像。圖像轉(zhuǎn)換微服務(wù)模塊從RTSP視頻流中定時抓取圖像，發(fā)送給圖像轉(zhuǎn)換微服務(wù)模塊。

步驟2b：視頻圖形數(shù)據(jù)。在執(zhí)行步驟2a的同時，圖像轉(zhuǎn)換微服務(wù)模塊還將視頻經(jīng)局域網(wǎng)發(fā)送給位于PC客戶機(jī)上的Web瀏覽器，供管理員用戶進(jìn)行隨時查看。

步驟3：檢測人臉。采用“睿眼”人臉檢測算法，人臉檢測微服務(wù)模塊負(fù)責(zé)從圖像轉(zhuǎn)換微服務(wù)模塊所傳送來的圖像中檢測人臉信息。

步驟4：通知檢測到人臉。人臉檢測微服務(wù)模塊一旦檢測到人臉信息就立即將該消息傳給Web Soc- ket消息通知微服務(wù)模塊，Web Socket消息通知微服務(wù)模塊會通過Web Socket接口將該消息立即傳給位于PC客戶機(jī)上的Web瀏覽器，提醒管理員用戶及時查看。

步驟5：人臉識別請求。位于PC客戶機(jī)上的Web瀏覽器向人臉識別微服務(wù)模塊發(fā)出人臉識別請求。

步驟6：人臉識別結(jié)果。采用“睿眼”人臉識別引擎，對數(shù)據(jù)庫中原有人臉信息進(jìn)行比對，人臉識別微服務(wù)模塊對人臉信息進(jìn)行識別，并將識別結(jié)果發(fā)給位于PC客戶機(jī)上的Web瀏覽器，供考勤人員實時查看。

2.3 應(yīng)用效果

該系統(tǒng)在東方醫(yī)院的實際應(yīng)用效果十分明顯：

①提高了教學(xué)管理水平：系統(tǒng)的應(yīng)用真正幫助教務(wù)管理人員從繁雜的教務(wù)事項中解脫出來，縮短了排課、整理數(shù)據(jù)等時間，能夠一鍵生成學(xué)科、科室、教師、學(xué)生的過程化管理信息，極大地提高了教學(xué)管理效率，高效地解決了傳統(tǒng)教學(xué)管理的方式落后、事務(wù)繁雜且易出錯等問題，進(jìn)而真正達(dá)到教學(xué)管理的系統(tǒng)化、信息化和智慧化。

②網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)是臨床教師教學(xué)的有力保障：如圖4所示，通過系統(tǒng)，教師能夠在手機(jī)上隨時查看教學(xué)、實習(xí)進(jìn)度，并收到系統(tǒng)的定時提醒，不僅促進(jìn)了教師隊伍信息化素養(yǎng)的發(fā)展，而且還可以通過查看學(xué)生個性化成長軌跡進(jìn)行因材施教，有效保證了臨床教學(xué)質(zhì)量的穩(wěn)步提升。

③個性化信息促進(jìn)學(xué)習(xí)效率的提高：學(xué)生可隨時通過系統(tǒng)在手機(jī)上查詢學(xué)習(xí)、實習(xí)進(jìn)度，在課堂、實習(xí)之外與教師進(jìn)行互動、反饋，通過個人成長軌跡及時調(diào)整學(xué)習(xí)目標(biāo)與計劃，不僅提高了學(xué)習(xí)的自主性，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)歸屬感，而且節(jié)約了教學(xué)成本，提高了學(xué)習(xí)效率。

3 結(jié)論

利用微服務(wù)架構(gòu)所具有的小型化、自治性、輕量級通信、技術(shù)中立、靈活部署等特點，也利用容器技術(shù)的優(yōu)點，我們設(shè)計并實現(xiàn)了一套基于微服務(wù)架構(gòu)的臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠以智能化的手段實現(xiàn)臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)管理的各項功能，還具有部署靈活、管理簡便、容易維護(hù)和擴(kuò)展等優(yōu)點。另外，在教學(xué)數(shù)據(jù)的可視化方面進(jìn)步明顯，用戶體驗優(yōu)異。

圖4 該系統(tǒng)在手機(jī)上的應(yīng)用界面示意圖

總之，該技術(shù)方案不僅能夠有效解決綜合性附屬醫(yī)院臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)管理系統(tǒng)的信息化建設(shè)的難點，而且性價比很高、智能化突出，有著重要的實用價值和推廣價值。