基于微服务架构的临床医学教学管理系统

2019-11-27罗轶玮姚建文宋贵峰

中国医学教育技术 2019年6期

罗轶玮，姚建文，徐斌，宋贵峰，石涛，谢颖

1 同济大学附属东方医院教学办公室，上海 200120；2 上海诺基亚贝尔股份有限公司，上海 201206

传统的软件架构已难以适应互联网时代用户需求的快速变化，微服务(microservices)应运而生。微服务的核心理念是细粒度模块划分、服务化接口封装、轻量级通信交互，其具有以下两大优势：①模块自治性强，能很好地满足互联网应用诉求变化快、模块独立更新的需求；②模块扩展性好，能很好地满足互联网应用用户难预测、资源动态分配的需求。因此，微服务正逐渐成为构造互联网应用的主流架构模式[1-3]。目前，轻量级容器技术由于其资源占用少、应用启动快等特点，正逐步成为支撑微服务运行的主流架构平台[4]。

1 基于微服务架构的东方医院临床医学教学管理系统

同济大学附属东方医院是一所集医疗、教学和科研为一体的三级甲等综合性公立医院。2001年成为同济大学的附属医院，目前承担着来自同济大学等多所院校的临床各专业本科、研究生以及留学生的理论见习课程和临床实习轮转带教任务。目前，在院本科生、研究生和留学生600余名。医院成立教学办公室作为专职的教学管理机构。

1.1 需求及其难点分析

东方医院临床医学教学管理系统在进行信息化改造的过程中有以下需求：①需要对学生和教师的全流程行为进行跟踪管理；②需要保障教学质量并进行量化评估，实现教学管理任务过程的可视化；③需要通过信息化改造进一步提升医学教育的效率，即通过引入人工智能技术提高自动化、智能化水平，同时不增加人力资源；④建立临床教学管理相关数据的科学性管理体制，挖掘临床教学管理的数据价值。

该系统在信息化改造方面有以下难点：

①临床课程教学形式和方法多样，课时数多，排课难度和工作量大。近年来，东方医院的教学业务范围扩展迅速，接收国内多所医学院校、多个专业的理论授课和实习教学，且长、短期实习的留学生众多。其临床教学系统的课程复杂，涉及学科多，课程类型复杂，包括理论教学、见习、PBL授课、CBL授课、教学查房、小讲课、技能训练等，课时数庞大，每年完成56门课程授课，总学时达3000以上，人工排课效率低且易出错。

②各专业实习轮转和实践课程同步进行，管理难度大。该院实习生来自多所医学院校，专业多、人数多，实习大纲和实习进度不统一。以临床医学专业为例，学生需要进行内、外、妇、儿多个科室轮转实习，且各个院校进出实习日期不一致，实习轮转计划和实践课程制定须在符合实习大纲的基础上，兼顾多个教研室实习人数的均衡性。

③学生成长轨迹可视化分析需求。医学教育应以学生为中心，学生成长轨迹可视化分析是教育转型实践的新探索。在信息化助力下，系统自动生成各种数据统计图表，形成多维度成长档案，包括过程记录、师生互动、形成性评价、终结性考核、技能操作等方面，学生的成长不再是枯燥的分数，而是全面成长的轨迹。可视化的数据分析，使教师因材施教更加科学。

④智能化教研室及教师绩效管理需求。通过教学轨迹跟踪，系统即时动态生成教研室及教师的教学绩效。通过数据的专业解析和深层挖掘可以找到各个教研室及教育管理中的潜在问题，对已经发现的一些教育问题，可通过数据分析找出症结。

1.2 该方案微服务架构的特征

根据实际调研结果，以及综合评定各种微服务技术方案的具体特点，结合用户需求，我们选择了基于Docker容器技术的Kubernetes微服务框架，通过利用Kubernetes等技术将东方医院临床医学教学管理系统的各种应用跨主机编排在一起，实现弹性、易扩展的架构，从而轻松应对不断变化的临床医学教学管理系统。在该系统中，Docker容器是资源分割和调度的基本单位，并封装整个软件运行的环境。它是一个跨平台、可移植并且简单易用的容器解决方案，可在容器内部快速自动化地部署应用，并通过操作系统内核技术为容器提供资源隔离与安全保障。该系统所采用的微服务架构如图1所示。

图1 微服务架构示意图

首先，该系统架构设计了能力支撑微服务层，包括三方面：人脸识别微服务、图像转换微服务和消息通知微服务。

其次，在能力微服务层上面构建了应用微服务层，包括学籍管理微服务、考勤管理微服务、课程管理微服务、实习轮转微服务、教学互动微服务，以及数据分析微服务。

第三，该架构的最顶层是客户端层，支持PC Web浏览器、移动端浏览器、手机微信客户端、手机APP这4种直接访问方式，客户端层通过http、websocket、no- tification这3种轻量级通信协议与应用微服务层相联并获取所需数据。

另外，该系统架构还设计了数据库微服务，包括教师数据库、学生数据库、考勤数据库、教学数据库4个数据库，共同为该系统其他模块提供数据库服务。

2 东方医院临床医学教学管理系统的具体技术方案

2.1 主要功能

与图1中应用微服务层的六项微服务相对应，该系统有六大功能：学籍管理、考勤管理、课程管理、实习轮转、教学互动、数据分析(如图2 所示)。

图2 系统主要功能示意图

东方医院临床医学教学管理系统的特点如下：

高效化：提供考勤、轮转、评价、考核等功能，提高了教学管理的工作效率。

专业化：遵循顶层设计、分级管理、过程管理的原则，紧扣教学管理工作中的难点，统一管理教学培训数据，使管理工作科学化、专业化。

智能化：通过引入多项人工智能技术，系统实现了医学教育信息化系统的智能化改造，完善了教学工作中的数据记录与分析功能，挖掘出了医学教育环节中的数据价值。

采用基于容器的微服务架构进行上层应用开发，并进行个性化应用及需求的弹性扩展与开发，该系统有以下创新点：①引入“睿眼”人脸识别引擎，成功实现人脸数据的采集及自动识别；②基于大数据分析技术进行数据挖掘和深入分析，建立临床医学教学大数据分析及能力，对于医学教育过程中产生的各种数据进行分析，有针对性地改善教学环节中的薄弱环节；③采用统一的数据采集平台，构建分布式基础数据库，实现各种数据文件的共享。

2.2 人脸识别考勤功能的实现

基于人脸识别的考勤是该系统主要创新点之一。为解决考勤问题，在能力微服务层引入了人脸识别微服务。通过1080 P高清网络摄像头对进出人员进行人脸检测，并通过“睿眼”人脸识别引擎进行人脸数据的采集及自动识别，识别成功率高达99.83%，有效提高了课程考勤的效率(如图3所示)。

图3 人脸识别系统架构及消息流程示意图

人脸识别考勤功能的实现步骤如下：

步骤1：RTSP视频流。摄像头对着闸机持续进行视频流拍摄，所生成的RTSP视频流经局域网传输给图像转换微服务模块。

步骤2a：定时抓取图像。图像转换微服务模块从RTSP视频流中定时抓取图像，发送给图像转换微服务模块。

步骤2b：视频图形数据。在执行步骤2a的同时，图像转换微服务模块还将视频经局域网发送给位于PC客户机上的Web浏览器，供管理员用户进行随时查看。

步骤3：检测人脸。采用“睿眼”人脸检测算法，人脸检测微服务模块负责从图像转换微服务模块所传送来的图像中检测人脸信息。

步骤4：通知检测到人脸。人脸检测微服务模块一旦检测到人脸信息就立即将该消息传给Web Soc- ket消息通知微服务模块，Web Socket消息通知微服务模块会通过Web Socket接口将该消息立即传给位于PC客户机上的Web浏览器，提醒管理员用户及时查看。

步骤5：人脸识别请求。位于PC客户机上的Web浏览器向人脸识别微服务模块发出人脸识别请求。

步骤6：人脸识别结果。采用“睿眼”人脸识别引擎，对数据库中原有人脸信息进行比对，人脸识别微服务模块对人脸信息进行识别，并将识别结果发给位于PC客户机上的Web浏览器，供考勤人员实时查看。

2.3 应用效果

该系统在东方医院的实际应用效果十分明显：

①提高了教学管理水平：系统的应用真正帮助教务管理人员从繁杂的教务事项中解脱出来，缩短了排课、整理数据等时间，能够一键生成学科、科室、教师、学生的过程化管理信息，极大地提高了教学管理效率，高效地解决了传统教学管理的方式落后、事务繁杂且易出错等问题，进而真正达到教学管理的系统化、信息化和智慧化。

②网络化系统是临床教师教学的有力保障：如图4所示，通过系统，教师能够在手机上随时查看教学、实习进度，并收到系统的定时提醒，不仅促进了教师队伍信息化素养的发展，而且还可以通过查看学生个性化成长轨迹进行因材施教，有效保证了临床教学质量的稳步提升。

③个性化信息促进学习效率的提高：学生可随时通过系统在手机上查询学习、实习进度，在课堂、实习之外与教师进行互动、反馈，通过个人成长轨迹及时调整学习目标与计划，不仅提高了学习的自主性，增强了学习归属感，而且节约了教学成本，提高了学习效率。

3 结论

利用微服务架构所具有的小型化、自治性、轻量级通信、技术中立、灵活部署等特点，也利用容器技术的优点，我们设计并实现了一套基于微服务架构的临床医学教学管理系统。该系统不仅能够以智能化的手段实现临床医学教学管理的各项功能，还具有部署灵活、管理简便、容易维护和扩展等优点。另外，在教学数据的可视化方面进步明显，用户体验优异。