基于云计算的军人电子健康档案平台架构的设计与实现

陈金雄，刘宝妹，钟俊华

1.南京军区福州总医院　计算机应用与管理科，福建　福州　350025；2.福州大学　物理与信息工程学院，福建　福州　350002

基于云计算的军人电子健康档案平台架构的设计与实现

陈金雄1，刘宝妹2，钟俊华1

1.南京军区福州总医院计算机应用与管理科，福建福州350025；2.福州大学物理与信息工程学院，福建福州350002

0　前言

军人电子健康档案数据具有海量、异构、类型复杂多样、保存时间长、数据随时间变化等特性，而且目前尚未制定统一的数据规范、标准体系、数据编码和相关制度[1]，易形成“数据孤岛”。如何存储PACS（影像归档和通信系统）、B超影像，病理分析等业务产生的半结构化和非结构化数据；如何实现对海量数据快速地访问、检索和分析挖掘，使数据得到高效利用，这些问题制约着电子健康档案平台的发展与建设，需要在传统的解决方案之上，引入新的技术及分析模型来解决。

云计算作为21世纪新兴的信息技术，其横向扩展架构与其他技术相比，具有高可靠性、高安全性、弹性计算、敏捷廉价等优势。所以采用云计算技术构建电子健康档案平台，能实现服务器和P C的统一管理和调度[2]、电子健康档案的可持续共享[3]和系统的按需扩展。

1　架构设计

1.1平台框架

军人电子健康档案平台的设计目标是实现平台的按需扩展、资源的统一管理和海量数据的高效处理。根据平台目标和业务需求分析，设计了基于云计算的军人电子健康档案平台。平台建设在现有卫生信息系统的基础之上，遵循H L7CD A、o penEH R等相关标准，从部队各级卫生机构的信息系统中采集健康档案数据，进行源数据的E TL（Extract-Transform-Load）处理、存储，构建健康档案云数据中心，从而建立标准规范的电子健康档案库。在健康档案数据中心，通过对健康档案数据的分析与利用，实现一系列的医疗业务服务，为部队提供一个互联互通的医疗协

图1　平台总体架构

平台由部队卫生机构层和平台层组成。部队卫生机构包括部队医院信息系统和公共卫生信息系统，是健康档案的数据来源。而平台层是部队卫生机构内部数据交换平台，主要有基本健康档案服务、注册服务、健康档案信息共享服务、数据分析与利用服务。本文主要介绍平台层。

1.2技术架构

根据平台需求，军人健康档案平台必须是一个开放的、可扩展的、可持续发展的架构，能进行健康业务管理的扩充、系统存储容量的横向扩充和以分布式和集群等方式的系统处理能力的扩充。因此，采用云计算理念设计平台技术架构，见图2。健康档案云平台主要采用虚拟化技术、分布式计算技术构建，包括了基础设施层IaaS、平台服务层PaaS和软件服务层SaaS三个层次，并贯穿三个层次的标准规范体系与安全保障体系。

图2　平台技术架构

1.2.1资源虚拟化方案

健康档案平台采用虚拟化技术将硬件设施层的计算、存储、网络等I T硬件资源集中起来，虚拟化为资源池，对其进行统一管理和调度，从而实现资源的按需分配和动态管理配置，进而为平台提供高可靠、高安全、高可扩展和高效率的基础设施环境。

基础设施层又叫资源虚拟层，采用VMware vSphere虚拟化解决方案，将服务器、存储、网络设备分别虚拟化为计算资源、存储资源、网络资源后，由控制管理器vCenter Server管理这些虚拟资源。管理员通过客户端管理工具vSphere Client 连接 vCenter Server 来管理虚拟资源，建立及配置所需虚拟机。这种方式可将数量庞大的、分散的服务器、存储设备等连接起来，进行硬件资源的集中管理与监控。

脂肪酸：称取4～7 g油脂于10 mL离心管里，向其中加入1 mL正己烷和苯的混合液（1∶1），震荡摇匀溶解，然后稀释。准确称取50μL稀释液于10 mL离心管内，加入2 mL正己烷和苯的混合液（1∶1），震荡摇匀溶解，最后加入2 mL 0.5 mol/L氢氧化钾-醇溶液，振荡摇匀。静置30 min之后，在蒸馏水使全部有机相甲醇溶液升至瓶颈上部时，样品即可用于气相色谱—质谱联用仪分析。

1.2.2数据交换技术方案

数据交换层通过医疗机构的各类应用系统获得健康档案源数据，并实现数据资源的交换与共享。此层采用面向服务的服务总线来屏蔽底层操作细节，为上层提供统一、标准的信息通道，保证用户的逻辑应用和底层平台没有任何关系，最大限度地提高应用的可移植性、可扩充性和可靠性[4]；此层采用IBM的健康服务总线HSB来实现。IBM WebSphere Message Broker为核心，是企业服务总线在医疗行业的实现，它基于SOA架构和医疗行业标准，将医疗机构业务流程、应用系统和相关数据整合起来，提供统一的访问总线。

1.3数据中心设计

数据中心存储了军人健康档案信息和平台管理数据，并负责将数据交换层采集的健康档案源数据进行相关的数据清洗、转换处理和存储，从而为软件服务层提供数据服务，见图3。

图3　数据中心存储设计

1.3.1数据存储

数据存储采用关系数据库SQL和非关系数据库NoSQL相结合的混合模式，对外提供数据存储和处理服务。这种方式既利用了NoSQL的高并发、高扩展、低成本的特性，又结合了关系数据库存储敏感数据及实时访问的优点，展示了极强的数据存储和分析处理能力[5]。

另外，根据存储需求，还采用了面向分布式存储与计算的Hbase数据库和关系数据库结合的混合存储架构。Hbase 是 GoogleBigTable的开源实现，是开源分布式系统Hadoop的子项目，它是基于列存储的典型键值对非关系数据库。

为了满足数据的完整性、结构化、安全性要求，将健康档案索引数据、字典数据、注册数据、标准数据、用户信息等数据存放于关系数据库中。而将一些影像图片、病理分析、诊断报告、B超和CT视频流、x ml文档等非结构化和半结构化数据存于Hbase。用数据转移工具Sqoop实现关系数据库和H base之间的数据交互功能。

1.3.2数据处理

健康档案平台数据处理要满足海量健康档案数据实时查询和数据分析与挖掘需求。为满足用户实时请求及高计算和存储能力需求，采用Hadoop的并行计算工具M apReduce和关系型数据库结合的方式对健康档案数据进行分析和处理。M apReduce是Google M apReduce的开源实现[6-7]，为Hadoop的核心组件之一，用于对集群的海量数据进行分布式处理的软件框架。它能处理各种类型的数据，包括结构化、半结构化和非结构化数据。

关系数据库负责查询密集型的任务，M apReduce进行数据装载、转换等工作。对于健康档案数据挖掘一类的复杂分析应用，采用M apReduce进行分析处理，减轻关系数据库计算压力。

2　健康档案系统的开发

军人电子健康档案系统主要为军人的健康管理服务，主要提供数据的查询、检索、修改等信息服务和数据维护及平台管理维护服务，具体包括数据录入、查询检索、统计报表、修改删除、数据维护、权限设置、用户管理、数据传递、系统维护和安全保障。军人通过网络查看个人电子健康档案，了解自身健康状况，从而进行疾病预防及个人保健。医务人员调阅系统中患者信息后，快速掌握病人的基本信息、既往病史和治疗史，从而高效地做出正确的临床治疗决策。

结合健康档案数据异构、分布性特点，军人电子健康档案系统开发基于SOA面向对象设计思想，在J2EE轻量级架构SSH（Spring+Struts+Hibernate）的基础上，采用浏览器/服务器模式（B/S，Browser/Server）实现。

根据健康档案系统实际情况，系统使用5层设计模型，从上至下包括运行在客户端机器上的客户层组件（客户层），运行在J2E E上的Web服务器组件（表示层）、应用服务器组件（业务层）、数据访问组件（数据持久层），数据库服务器（数据库层）。各层具有各自的实现技术及功能，层之间通过接口进行通信。其技术开发架构，见图4。

图4　开发技术框架

（1）客户层。客户层是架构的最上层，主要用于将操作界面呈现给用户，用户通过浏览器与系统进行交互，完成用户登录，数据查询、修改、添加、删除等操作。它能建立与服务器的连接，接受并验证用户的输入，管理客户端与服务器的会话状态。此层由 HTML、JavaScript与AJAX技术实现。

（2）表示层。由Web服务器及组件构成，用于处理客户端的情形、响应业务层组件的请求，由JSP和Servlet实现。

（3）业务层。由应用服务器及其组件构成，用于处理业务逻辑。该层引入Spring框架，采用Webservice和Java Bean实现。

（4）数据持久层。由若干接口组件和各类服务构成，用于集成各类资源(文件和数据)。此层为了屏蔽底层数据库提供的不同数据源，提供统一的标准化API数据操作接口和统一的数据访问服务，实现对数据库Oracle和Hbase的操作。

（5）数据库层。由关系数据库和非关系数据库组成，用于存储和管理数据。

3　小结

本文设计并开发了基于云计算的军人电子健康档案平台，采用VMware虚拟化技术管理平台硬件资源，基于Hadoop分布式系统框架，以Hbase分布式数据库和关系数据库为数据混合存储架构，关系数据库和M apReduce并行计算为数据处理模型，利用SOA面向对象思想开放平台软件服务，达到统一管理硬件资源，高效存储和处理电子健康档案数据的目的，实现高效性、高安全可靠性、高扩展性和高经济性的军人电子健康档案平台。构建军人电子健康档案平台是一个长期连续性的工作，有许多问题需要解决，如对平台的优化、数据地深入分析挖掘及应用、数据标准的建立等。因此，还需继续深入研究军人电子健康档案。

[参考文献]

[1] 李永革,李德月,张岩.构建军人电子健康档案的新思路[J].医疗卫生装备,2011,(9):98-99.

[2] 邓俊华,苏一丹.浅析基于云计算的国家电子健康档案系统的构建[J].大众科技,2010,(11):23-25.

[3] 杨剑,胡新平,董建成.基于云的区域电子健康档案存储和交换架构[J].医学信息学杂志,2010,(3):10-13.

[4] 张广胜,蒋昌俊,汤宪飞,等.面向服务的企业应用集成系统描述与验证[J].软件学报,2007,18(12):3015-3030.

[5] 马俊涛,黄如生.以混合存储模型实现云计算平台对电信海量数据的处理[J].移动通信,2011,(7):76-79.

[6] 刘鹏.云计算[M].北京:电子工业出版社,2010.

[7] 李立,孟海滨,王惠淑.军人电子健康档案系统业务流程分析及体系架构设计[J].武警医学,2011,(12):1043-1048.

作者邮箱：cjxiong@fzzyy.cn

[中图分类号]TP393.01；TP311.52

[文献标志码]A

doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2014.02.014

[文章编号]1674-1633(2014)02-0053-03

收稿日期：2013-10-10修回日期：2014-01-06

基金项目：2012年度南京军区医药卫生重点课题（12Z38）；2013福建省科技计划重点课题（2013Y51010521）。

Design and Implementation of Architecture of Military Electronic Health Record PlatformBased on Cloud Computing

CHEN Jin-xiong1,LIU Bao-mei2, ZHONG Jun-hua1
1.Department of Computer Application and Management, Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Command, Fuzhou Fujian 350025, China; 2.College of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou Fujian 350002, China

[摘要]应用虚拟化技术、分布式计算技术构建了基于云计算的军人电子健康档案系统平台，应用SOA软件架构开发了电子健康档案服务软件，应用J2E E技术开发了电子健康档案系统，实现了硬件资源的统一管理以及电子健康档案数据的高效处理和存储。

[关键词]云计算；电子健康档案；虚拟化技术；分布式计算技术；SOA软件架构；J2E E技术

Abstract：This paper introduces the architecture design of military electronic health record platformwhich is established with virtualization technologies and distributed computing technologies based on cloud computing, and analyzes the design process of service softwares of electronic health record which are established with SOA software architecture and the design process of electronic health record systemwhich is established with J2EE technology. Thus the unif i ed management of hardware resources and the eff i cient storage and processing of electronic health record data are implemented with the application of military electronic health record platform.

Key words：cloud computing; electronic health record; virtualization technology; distributed computing technology; SOA software architecture; J2EE technology