基于云服務的醫療數據交互平臺設計

盛志華，夏開建

1. 常熟市疾病預防控制中心 質量管理科，江蘇 常熟 215500；2. 蘇州大學附屬常熟醫院 信息科，江蘇 常熟 215500

引言

隨著信息技術和網絡技術的發展，醫療信息化建設提出了新要求。在這些要求中醫療信息資源共享需求特別緊急。國內外越來越多的醫院正加速實施基于信息化的平臺建設，以提高醫院的服務水平與核心競爭力[1]。然而，現有的大量的醫療機構和不同層次的醫療信息系統無法直接相互通信，導致形成了許多信息孤島，增加了醫療信息系統之間的互操作性的難度。近年來，由于云計算具有靈活的基礎設施、新穎的服務模型和快速的響應能力等優點，云計算在分布式處理和其跨系統集成方面得到了廣泛的應用。一直以來，國內衛生部門的醫療資源都不足以滿足人們對醫療服務的需求。因此，隨著云計算技術廣泛使用和逐漸成熟，為解決信息閉塞與資源不足的矛盾提供了契機。

近年來，基于數據交互的信息化建設已進行深度的研究與廣泛的應用。陳芳等[1]提出了一種基于XML（可擴展標記語言）的命令和控制信息交換模型，該模型主要關注命令和控制信息的基本交換規范的定義，然而這個信息交換程序有一些限制，只適用于基于命令和控制的信息化建設領域；陳嬌花等[2]提出了一種基于反射的多代理數據交互模型，該模型利用許多相互協作的代理來實現數據實時交互，在用戶需要更改時進行適當的配置。胡曉璇等[3]提出了一種通用數據交互接口模型，提高了數據交互的實時和靈活性。它基于發布/訂閱模式傳輸數據，但是該模型很難滿足具有各種交互模式的醫療數據交互的需求。

由于醫療數據是一種非常寶貴，且不可復制的資源，因此在許多醫療機構中期望共享擁有的醫療數據，同時又不會失去對這些數據的控制權[4-5]。因此，如何找到可以訪問、檢索和分析醫療數據的方式是很重要的，然而許多學者熱衷于從不同理論方面研究醫療信息共享，但缺乏工程技術層面醫療信息共享分析。本文提出了一種基于云服務的醫療數據交換體系結構，可用于解決異構信息系統和數據處理的醫療數據，實現醫療數據的交換，共享資源，使醫療模式得到優化和創新。

1 云計算的優勢

云計算是共享基礎設施的一種新興技術，不僅可以集成分布式軟件、硬件或其他資源，還可以通過網絡提供動態的按需服務。云計算技術導致了服務概念的出現，并使其成為核心業務模式[6-8]。在這種模式下，用戶從自建的信息系統轉向購買所需的信息服務。因此，與傳統模型相比，基于云服務的系統具有以下幾個優點：

（1）可以支持現有的應用程序和新興的數據驅動型應用程序，并提供豐富的計算、存儲和網絡資源。

（2）使用虛擬化技術將計算、存儲和網絡資源集成到一個具有統一的管理、自動化部署、高效調度、隨需分配的彈性資源池中。

（3）新的基礎設施模式可以節省企業建設和維護信息系統的成本。

（4）云計算中心采取了許多措施，以確保在硬件和軟件水平上的服務的高可靠性，例如互換同構計算節點、多份數據容錯等。

（5）對客戶端計算機的配置要求較低，用戶只需使用一個廉價的聯網智能終端就可訪問云服務。

以上分析與總結可以看出，云計算完全符合新的醫療改革的需要，不僅可以降低醫療信息建設的成本，而且還能解決區域醫療機構之間共享醫療信息的問題。

2 基于云服務的醫療數據交互平臺架構

在醫療機構間進行信息共享，資源交互涉及的數據具有異構和分散的特性，不同的信息系統存儲不同格式的數據資源，不同的交互方式適合不同的交互業務[9]。如何實現不同數據的集成是目前迫切需要解決的問題。醫療數據交互業務例如病例交互、醫學圖像診斷交互和術后身體康復交互等只有具有靈活性和可擴展性優勢的醫療數據交互架構才能滿足醫療衛生行業的需求。

隨著醫務人員對醫學數據的需求日益迫切和專業化，對數據質量也越來越看重，數據交互平臺必須根據醫學人員的需求做出相應的策略調整，以適應服務需求的不斷改變和提高。因此對平臺產生的結構化、非結構化和異構性的大量數據進行分析和深度挖掘成為必然，以滿足快速、及時、高效、安全地反饋在線學習者的要求和便于醫務人員對信息進行分析，圖1展示了基于云服務的醫療數據交互平臺架構。

數據交互涉及消息傳遞、交互方式、語義解析和數據封裝等過程。目前已采用的幾種用于數據整合的架構模型都無法獲得滿意的效果。由于云計算技術將數據交互過程封裝到組件中，用戶可以通過注冊和應用請求交互組件，然后在相應的交互式工作流的輔助下完成醫療數據的交互。也就是說，通過利用云計算資源、存儲資源和硬件資源來實現數據交換，以避免更新各種醫療機構的現有信息系統，并減少本地服務器上數據處理的壓力[10-11]。與此同時，通過云軟件對數據交換過程進行管理，可以提高數據交換的效率和安全性。在本文中，我們提出了一種醫療數據交互平臺的分層體系結構，它由服務管理層、動態組件重構層和支持層組成，其中數據交互層分為三部分，下層是數據庫，中間層是數據挖掘分析整合，上層是標準化處理。分層架構是一種體系結構模式，有助于構造復雜的信息化交互系統，這些系統可以分解為一系列子任務，其中每一組子任務都處于特定的抽象級別。服務管理層采用基于安全認證服務的分層安全方案進行管理與調度，并為可以訪問系統的用戶分配權限。不同的用戶可以在不同的級別層次上享受交互服務，不同的信息有不同的保密級別。經過身份驗證的合法用戶可以向工作流生成器提出特定的交互需求，并由工作流生成器根據用戶權限生成相應的工作流；最終為具有合理配置和調度較低的組件提供交互式流程規則。

圖1 基于云服務的醫療數據交互平臺架構

數據交換針對不同權限的用戶，通過身份驗證為其分配合理資源和交互組件，醫療數據存儲在公有云平臺，交互組件在醫院的客戶端和私有云上實現并執行[12]。

動態組件重構層使用組件的動態重構方案來滿足數據交互過程中的各種需求。這一層包含工作流引擎、重構和分配服務器、組件管理模塊、組件存儲庫和數據交互組件。這些模塊負責不同的任務。工作流引擎負責解析相應的工作流；重組與分配服務器負責生成工作流信息，以滿足重組組件的需求；組件管理器模塊利用來自組件存儲庫的信息，然后根據運營商的需求對組件進行重組。組件存儲庫能夠存儲許多信息，比如組件的屬性、方法和其他信息。通過用戶界面，用戶可以瀏覽組件數據庫及其數據屬性，并調用檢索到的數據上的統計操作。

因為醫院已有的數據平臺與后續擴展增加的平臺具有較大的異構性，直接連接與交互比較困難，所以本文通過公有云控制異構平臺間的交互，從而使得異構信息系統對于用戶是透明的。

因醫療數據交互過程中可能產生一些異常小數據，例如醫學圖像診斷交互中產生的無效值和病例中產生的缺失值，為了保障醫療數據的準確度和降低誤診概率，本文采用了徐倩漪等[13]文中的機器學習方法，并將其應用于小數據識別與跟蹤等一系列處理，從而盡可能地清洗異常數據。

平臺支持層可以為平臺上的應用程序服務提供各種虛擬資源。這些資源包括以下方面：① 為歸檔醫療數據提供豐富的存儲資源；② 在數據交互的高峰期，為交互服務提供網絡資源；③ 為決策部門的數據挖掘提供強大的計算資源；④ 醫療數據交互后，用戶通過客戶端經私有云訪問醫療數據，并通過動態組件重構層進行數據檢索和分析。平臺支持層可以增加資源的利用率，使管理任務更容易，降低了整體的功耗，并使用戶能夠按需獲得計算資源。通過安排合理的底層虛擬資源，以確保數據交互的可靠性，并提高數據交互的效率。

通過以上分析可以看出，面對迅速增加的復雜數據，醫療數據交互平臺利用云計算和大數據進行現代數據管理，將所有類型的數據持久存儲于“云存儲”數據中心，保持數據實時更新，為之后數據共享、分析、發現、整合、優化數據和增強數據價值奠定基礎。分析挖掘需要特定格式帶有過程信息的標準數據文件作為輸入，原始數據不能被直接用于分析挖掘，因此都要結合平臺需求對存儲數據進行有效的過程信息識別并整合為標準數據格式。離線數據是存儲在數據中心的信息，用戶可以直接進行訪問，是從各種服務器端和客戶端中采集的用戶訪問信息和行為信息。清除冗余，用聚類、分類等算法進行模式分析，建立基準數據資源為數據流挖掘分析作準備。對動態性的在線數據挖掘，是利用云計算做到占用內存少，處理速度快，實現關聯規則、分類和聚類的挖掘。

3 實驗及性能分析

為了驗證與分析采用的云服務平臺架構的性能，本文選擇CloudSim作為模擬器來分析主要性能，比如數據交互處理效率和出現峰值時間。CloudSim是在GridSim模型基礎上發展而來，可以模擬云計算系統和應用程序配置環境的模擬工具包，提供了云計算的特性，支持云計算的資源管理和調度模擬。

本文受到了衛生部創新課題的資助，并采用了本省四家三甲醫院的平均日處理醫療數據作為測試數據。測試數據主要包含兩種類型，即實時交互數據和歸檔數據。對前者的操作包括檢索、封裝和傳輸。后者的操作包括轉換、清洗、封裝和傳輸。四家醫院各部署四臺個人計算機和一臺服務器構建硬件網絡環境。這些計算機的主要參數配置有：CPU采用i3-7100，顯存是2G，硬盤是1TB HHD，操作系統是Linux Ubuntu 18.04。

兩種條件下的硬件、網絡環境對比，試驗結果沒有意義，無法說明云服務的優勢。使用CloudSim來獲得數據處理性能指標的結果，并在此前后使用我們提出的交互平臺方案進行對比，其結果顯示如表1所示。通過使用和不使用交互式方案對比生成的結果，交互式方案的優點就顯現出來了?？梢钥闯鍪褂迷摲桨缚梢越档头逯蛋l生次數，縮短客戶端執行時間，從而有效地提高了醫療交互系統工作效率。

表1 仿真結果

4 醫療互動平臺的應用

這項研究的目的是將云計算技術應用于本市醫療信息系統的改革中。為了分享醫療信息和創新醫療服務，不同醫療機構可以共享醫療數據，提高患者診治的效率與針對性，也為一線醫務人員提供交流的平臺。

在省電子政務辦公室的推動下，本地區開展了醫療衛生信息建設工作。目前，共享數據中心已經建成。數據中心把健康記錄作為核心。一方面，每個醫療和衛生機構都可以上傳醫療和健康信息，而不影響內部信息系統的日常運作；另一方面，用戶可以方便地通過終端網絡瀏覽他們的個人健康記錄。在合法注冊后，市民可以瀏覽他們的個人健康記錄并與跨機構的專家進行溝通?？梢钥闯?，該系統平臺對預防和跟蹤慢性疾病的個人護理也具有重要意義。醫務人員只要得到病人的許可也可以瀏覽病人的健康記錄。這一措施將有助于制定有效的治療方案，減少病人的診斷時間?；诒菊n題的研究，今后將逐步實現交互共享服務，如雙向診斷、轉移檢查、遠程醫療等。

5 總結

本文分析了跨機構與區域的醫療數據交互與共享的需求，并提出了醫療數據交互平臺的體系結構，包括服務管理層、動態組件重構層和支持層。它為醫務人員和普通市民提供了方便和靈活的服務，同時不同級別的服務可以滿足不同的需求。本課題的下一步研究重點是基于數據交互平臺的創新服務模型，它將有助于實現醫療資源利用最大化。