智慧医疗云服务平台技术方案.docx

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智慧医疗云服务平台技术方案

摘要

当前我国医疗卫生系统发展不平衡，不同地区医疗水平存在巨大差异，医疗卫生服务获取成本高。

因此，如何使不同地区的人享受相同的优质医疗服务成了急需解决的课题。

云计算的出现，带来了新兴的服务模式[1]。

通过云计算平台将医疗服务搬上云端，形成一个医疗云服务数字化生态环境，使得人们可以不受地域经济发展水平限制地获取优质医疗服务。

本研究在运用云计算理论以及服务计算理论基础上，对传统医疗服务模式进行服务模式的创新，分析、设计、实现了开放式、多租户、可伸缩的智慧医疗云服务平台。

其特征是医疗服务中心、医疗数据中心被聚合，统一放在云端供用户使用；用户通过智能客户终端随时随地获取多种医疗服务，包括远程医疗诊断、预约挂号、电子健康档案管理等。

本论文以智慧医疗云服务计算模型及其相应体系结构为核心展开相关工作。

论文首先研究了可弹性伸缩的云服务模型，对其关键的服务负载预测算法进行分析研究，并应用一种多指标的预测算法来构建可伸缩的云服务模型。

在此基础上，结合医疗云的服务模型提出了智慧医疗云服务体系结构模型，基于该计算理论可以指导构建并实现智慧医疗云服务平台。

进而，论文依照软件工程方法论对智慧医疗云服务平台进行需求建模和数据建模，并采用面向服务架构

（Service-orentiedArchitecture,SOA）理论对系统进行分析设计。

最后，利用

OpenStack等云计算开源工具和J2EE开发平台，开发实现智慧医疗云服务平台，验证其可行性。

测试和应用结果表明：

智慧医疗云服务平台实现了医疗服务资源和医疗数据的协同共享，借助于云计算带来的海量计算资源和弹性伸缩能力使得医疗云的服务性能更加稳定，服务体验更加出色。

智慧医疗云服务平台有助于缓解医疗资源分配不均、医疗服务获取不便的现状。

关键词：

智慧医疗；医疗云；云服务平台；

I

Abstract

ThecurrentdevelopmentofChina'spublichealthsystemisunbalancing,andthereisahugedifferenceindifferentareas.Sohowdifferentpartsofthepeopletoenjoythesamequalityofmedicalserviceshasbecomeanurgentneed.Theemergenceofcloudcomputinghasbroughtthenewservicemode.Throughmovingmedicalservicesontothecloud,formingacloudofmedicalservicesdigitalenvironment,people,ignoringthelevelofeconomicdevelopmentconstraintscanenjoyhighqualityhealthcareservices

Inthisstudybyusingthetheoryofcloudcomputingandservicecomputingtheory,basedonthetraditionalservicemodeofmedicalservicemodeinnovation,thispaperanalysis,designs,anopen,multi-tenant,scalableintelligentmedicalcloudserviceplatform.Itsfeatureisthatthemedicalservicecenterandmedicaldatacenterareaggregated,deployinginthecloud.Usersobtainavarietyofmedicalservicesincludingremotemedicaldiagnosis,appointmentregistration,electronichealthrecordsmanagementandsoon,anytime,anywherethroughintelligentclient.

Thesmarthealthcarecloudcomputingmodelanditsarchitectureisthecoreofthispaper.Thispaperstudyelasticscalablecloudcomputingmodel,analyzingitscriticalloadpredictionalgorithm,proposinganapplicationofamulti-indexpredictionalgorithm.Onthisbasis,thesmarthealthcarecloudservicearchitecturemodelisproposed.Itcanbeusedtobuildthesmarthealthcarecloudserviceplatform.Furthermore,thepaperaccordingtothesoftwareengineeringmethodologybuildstherequirementmodelanddatamodelwithService-orientedArchitecturetheory.Finally,thispaperusesopensourcesoftwarelikeOpenStackandJ2EEdevelopmentplatformtodevelopsmarthealthcarecloudservicesplatform,toverifyitsfeasibility.

Theresultsoftestandapplicationshowsthat:

thesmarthealthcarecloudserviceplatformachievethecollaborativesharingbetweenmedicalservicesandmedicaldataresources.Bymeansofmassivecomputingresourcesandelasticallystretchableabilitybroughtbycloudcomputing,thesmarthealthcarecloudplatformmakesmedicalcloudserviceperformancemorestable,andserviceexperiencemoreexcellent.Thesmarthealthcarecloudserviceplatformhelpalleviatetheunevendistributionofmedicalresources,andinconveniencetogetmedicalservice.

Keywords：

SmartHealthcare，HealthCloud，CloudServicePlatform

III

目 录

摘要 I

Abstract III

第1章 绪论 1

1.1研究课题背景与意义 1

1.2国内外现状研究及分析 4

1.2.1国内研究现状 4

1.2.2国外研究现状 6

1.3研究目标与具体研究内容 8

1.4论文组织结构 8

第2章 相关概念及其技术基础 11

2.1医疗信息化领域相关概念 11

2.1.1医院信息系统 11

2.1.2电子医疗病历 11

2.1.3个人健康档案 12

2.2云计算 12

2.2.1云计算基本概念 12

2.2.2云计算分类 13

2.2.3云计算相关开源技术 14

2.3SOA 17

2.3.1SOA基本概念 17

2.3.2SOA主要特征 18

2.3.3SOA相关技术 18

2.4本章小结 19

第3章 智慧医疗云服务理论研究 21

3.1智慧医疗概念模型 21

3.1.1智慧医疗服务模式 21

3.1.2智慧医疗云服务资源中心 22

3.1.3智慧医疗云服务数据中心 22

3.2医疗云服务模型 22

3.2.1医疗云服务的定义 22

3.2.2医疗云服务中的角色 23

3.3可动态伸缩的云服务模型 24

3.3.1服务弹性伸缩定义 24

3.3.2服务弹性伸缩相关算法分析 26

3.3.3可自动伸缩的云服务 30

3.4智慧医疗云服务体系结构 31

3.5本章小结 33

第4章 需求分析及模型 35

4.1总体需求 35

4.1.1系统目标 35

4.1.2系统角色 35

4.2功能性分析 36

4.2.1系统整体功能 36

4.2.2智能客户端口功能 37

4.2.3云服务端功能 41

4.3非功能性分析 46

4.4本章小结 47

第5章 系统设计 49

5.1设计目标和原则 49

5.2总体设计 50

5.2.1逻辑架构设计 50

5.2.2物理架构设计 52

5.3系统详细设计 53

5.3.1服务治理框架 54

5.3.2用户信息管理服务 56

5.3.3远程医疗诊断服务 57

5.3.4远程预约挂号服务 58

5.3.5个人健康信息管理服务 60

5.3.6医患咨询问答服务 61

5.4数据库模型设计 63

5.5本章小结 68

第6章 系统实现 69

6.1开发环境及技术平台 69

6.2系统整体技术架构 69

6.3云基础设施实现 71

6.3.1OpenStack环境搭建 71

6.3.2Docker环境搭建 72

6.3.3系统运行环境搭建 73

6.4医疗云平台实现 74

6.4.1服务治理实现 74

6.4.2医疗服务实现 77

6.5本章小结 82

第7章测试与应用 83

7.1系统测试 83

7.1.1测试环境 83

7.1.2功能测试 83

7.1.3性能测试 84

7.2系统应用 85

7.3本章小结 86

结 论 87

第1章绪论

1.1研究课题背景与意义

随着我国经济水平提高，综合国力不断增强，人民对于优质医疗资源的需求也日渐增长。

十八届三中全会在《中共中央关于全面深化改革若干重大问题的决定》中明确提出，深化医药卫生体制改革成为全面深化改革战略中的一部分，要充分利用信息化手段，促进优质医疗资源纵向流动，并加强区域公共卫生服务资源整合，健全全民医保体系。

但由于区域经济发展不平衡，地方医疗资源规划滞后所导致的医疗资源分配不均，成为我国的医疗行业所面临的主要问题[2]。

经济发达地区与落后地区医疗条件存在较大差距，同一地区不同医院之间，大型医院和社区医院之间都存在明显的医疗资源不平衡现象。

我国是发展中国家，正处在全力进行经济建设的关键时期，财政资源不可能全力投入到医疗领域，同时由于医生的职业特殊性决定了培养医疗卫生人才的漫长性和复杂性。

据统计，我国每千人口医生数2.0人[3]。

如此大的人才缺口使得我国将在未来相当长的一段时间内处于医疗卫生资源紧缺，医疗人才匮乏，医疗资源分配不均的状况中。

经过多年的发展，我国在医疗信息化领域已经取得了令人可喜的进步，部分医院已经实现或部分实现了信息化的改造[4]。

医疗卫生事业事关国计民生，而医疗的信息化程度则关系着医疗卫生事业能否在信息时代更好地服务于患者、服务于社会，正受到政府部门及相关领域企业越来越多的重视，综合国力的提高使得我国在医疗领域的投资规模逐年增长[5]。

但是由于起步较晚，资金有限，我国的医疗信息化和国外仍有很大的差距，多数医院信息系统（HospitalInformation

System，HIS）主要集中在管理信息系统（ManagedInformationSystem，MIS）上，临床信息系统（ClinicalInformationSystem,CIS）、影像归档和通信系统（PictureArchivingandCommunicationSystems，PACS）处于探索阶段。

我国在医疗信息化领域主要存在以下几个问题：

（1）信息系统建设规划缺乏统一的医院信息系统建设规范和技术标准[6]。

（2）各应用系统彼此之间相互独立和各自封闭，数据不共享，系统之间没有互操作性。

（3）医院管理流程不规范，信息技术人才奇缺，不能有效发挥医疗信息系统的效用。

云计算是最近几年兴起的一种基于互联网的计算模式。

高性能的服务器集群

通过高速互联网络连接在一起，通过虚拟化技术形成包括CPU、内存等公共设施化的计算资源池。

云计算不仅仅是计算模式的变革，更是一种服务模式的创新。

云计算的用户可简单分为普通消费者以及云服务开发者。

云服务开发者用户无需关注基础设施的实现细节和日常运维，只需关注自身的业务，根据需要获取计算资源，大大降低了开发维护成本，加快开发速度。

而普通云服务消费者则只需通过互联网使用云服务开发者发布的服务即可。

云计算无论是对云服务开发者还是云服务的消费者，都采用按需使用，按使用计费的服务模式。

智慧医疗云服务平台正是依托于云计算技术，对接各个医院、卫生机构、科研机构的信息系统，将各种医疗服务部署在云计算平台上。

通过将多种医疗服务和医疗数据进行集成和重新整合，从而实现以智慧医疗云平台为核心的智慧医疗云服务生态系统。

智慧医疗云服务生态系统如图1-1所示：

图1-1智慧医疗云生态系统

Figure1-1SmartHealthCloudEcosystem

智慧医疗云生态系统主要包括四类角色，即医疗云服务消费者、医疗云服务提供者、医疗云服务开发者。

医疗服务的消费者包括普通患者和医疗卫生组织。

普通患者通过各种智能终端快捷地获取平台上的医疗服务，同时通过智能可穿戴设备，将用户的个人健康数据上传到云端进行存储和分析。

而医疗卫生组织则可以利用云平台积累的医疗卫生数据进行分析、挖掘。

医疗服务的提供者可以是医生、医院、科研机构、政府卫生部分等。

医护人员通过平台向患者提供包括医疗

诊断在内的健康服务，医疗卫生组织通过平台监管医院及医护人员，并发布公共医疗卫生信息。

医疗服务的开发者依托医疗云平台的开放接口、开放数据等开发符合市场需求的医疗健康服务，并向平台用户发布。

综合来说，依托云计算平台的医疗服务模式相对传统医疗信息化的服务有如下新的特点：

（1）医疗数据的跨域共享

传统的医疗信息化中，各个医院掌握和保存各自病人的医疗信息，包括病人健康档案，电子病历等，这就形成了医疗数据的“信息孤岛”。

以上这些情况给病患跨区域治疗带来困难。

而通过云计算平台，所有的医疗数据按照统一约定协议存储，并进行统一的存储和管理，使得病患的医疗数据方便的实现跨区域的共享。

并使得医生可以获取尽可能多的病患历史数据，提高诊断的准确性，进而变相地提高了医疗资源的利用率。

（2）医疗服务的多样性

传统医疗信息服务提供的服务品种单一，服务更新缓慢。

作为一个完善的医疗云生态系统，云平台本身提供了基础的医疗服务，比如：

远程医疗诊断、个人健康档案、远程预约挂号等。

通过开放策略，使得第三方的开发者可以利用平台的服务接口和数据来开发更多个性化、满足细分市场需求的医疗应用，并发布到平台上，从而极大地丰富平台中的医疗应用。

消费者根据自身需求按需选择订购所需医疗服务。

（3）医疗服务的个性化、可配置

智慧医疗云服务平台提供了丰富多样的服务，服务消费者可以根据自身需求灵活配置、按需付费。

平台用户在个人服务管理中配置所需要的服务种类，平台记录用户配置，根据用户配置提供个性化的服务组合，并按用户使用情况计费。

由此实现了医疗服务的按需配置、定量计费。

（4）医疗数据可利用性高

随着时间的推移，平台会积累大量的病历、健康档案、日常健康数据。

通过对这些数据的挖掘分析，为宏观决策、医学研究、个人健康预警提供了丰富的研究数据，而且，随着时间的推移，数据量的累积，其价值也越来越高。

与之相反，在传统的医疗信息化中，医疗数据分散，格式标准不统一，难以提取进行有效的分析和挖掘。

（5）医疗服务的高可用性

鉴于云计算的优点，部署在云端的医疗服务应用，可根据访问量需求，按需

扩容，服务不会因为系统处理能力不足而无法服务。

由此，不但避免了购置大量硬件资源的成本，还使得服务在任何时间段内都能保证其可用性。

另外，传统医疗信息系统中，病患的医疗数据由医院保存，由于医院缺乏专业的信息技术人才和完善的管理机制，一旦发生自然灾害、黑客入侵等意外，数据必然遭到丢失或泄露。

云计算强大的灾备功能使得存储在云端的医疗数据获得了有效的保护。

1.2国内外现状研究及分析

1.2.1国内研究现状

我国医疗领域对云计算的使用主要关注点在结合云计算实施医疗信息化上。

另外还包括应用于医疗领域的云存储和软件服务等[7]。

当云服务应用于医疗领域时，可以将空间上分散的医疗资源整合起来，来进行医疗资源的共享。

周迎、曾巩在其文章中指出，云计算为医疗信息化提供了若干类型的服务，比如在线软件服务、医疗数据存储服务、硬件基础设施服务等。

林伟伟等人提出了基于云计算的HIS体系结构，该体系结构有助于解决当前我国医疗信息系统在扩展性、可维护性、使用便捷性等诸多方面的问题[8]。

胡新平等人针对云计算的特点，并结合医疗信息化领域的特点，提出了一种以云计算为核心的软件服务和云存储模型

[9]。

在该模型的体系下，医院、病人、软件服务商、云服务商多方协同，共同实

现了一个医疗数据协同的共享的产业链生态系统。

随着互联网在我国的迅速普及，人们对于医疗的关注和投入也越来越多，众多科技公司也纷纷进入医疗云领域，有部分产品已经面世，并被大众所使用。

这其中百度健康云和阿里健康比较具有代表性。

1.2.1.1百度健康云

百度健康云由百度公司和北京市政府共同发布，其目标通过整合上游智能硬件厂商和软件开发商，并结合百度在海量数据处理方面的优势，向广大市民提供医疗健康服务，减少市民和政府在健康领域的花费。

百度健康云的工作模式是，用户通过智能硬件设备，实时监控自身的健康数据，并上传到百度云存储中。

百度利用自身在大数据处理领域的优势，对数据进行分析和计算。

然后将这些数据开放给专业的医疗服务商，服务商利用数据开发有针对性、快速响应的医疗健康服务。

百度健康云的整体架构包含三个层次，即智能感知层、健康云平台层、健康云服务层，其整体架构如图所示：

（1）智能感知层

图1-2百度健康云系统

Figure1-2BaiduHealthCloudSystem

包括多种智能硬件设备，例如智能手表、体脂测量仪、血压测量仪、心电测量仪等。

智能设备会通过多种方式，如4G、WIFI等将数据实时上传到云端存储。

（2）健康云平台层

健康云平台在大规模、分布式、海量数据处理集群的基础上，对感知层采集到的数据进行处理。

（3）服务层

服务层将处理好的健康大数据结果提供给专业的医疗服务开发团队。

开发者根据市场需求，开发高质量的医疗云服务应用。

1.2.1.2阿里健康

阿里健康由阿里巴巴公司主导，主要在个人健康管理、健康云医院、药品电子监管平台等方面进行探索。

个人健康管理方面，通过阿里健康App实现一个“药品竞价”服务。

用户在医院就诊后，通过手机拍摄处方并上传到云端，由用户附近多家正规大型连锁

药店进行响应，药店根据用户处方，提供药品的价格、药店信息、是否支持医保的等相关信息，用户根据信息综合评定，选择合适的药品下单购买。

健康云医院作为连接患者和医护人员的中间平台而存在，通过吸引医院和医生入住平台，聚合医疗服务资源为患者提供便捷的医疗云服务。

云医院具有诊疗过程信息化、标准化、提高管理质量，并利用先进智能辅助技术和大数据分析提升医疗服务水平。

药品电子监管通过在药品上印制电子监管码实现了对所有药品的生产、加工、销售等各个环节的过程进行电子监管，以确保药品从制作加工到使用流通等各环节的安全，有效地打击了制假售假行为。

药品电子监管平台作为公共信息服务平台，主要提供了药品全流向监控、药品应急快速调拨、药品违规实时预警、药品追溯与召回四大功能。

药品电子监管业务体系，如下图所示：

图1-3电子监管业务体系

Figure1-3ElectronicSupervisionBusinessSystem

1.2.2国外研究现状

国外在医疗信息化领域起步较早，已经有一些产品和标准出现。

IBM的“智慧医疗”、GNUHealth、HL7都是这一领域的研究成果。

1.2.2.1IBM智慧医疗

IBM对医疗服务进行数字化处理，例如其大力推动患者电子健康档案的建立。

其通过标准化的业务语言组件，实现了患者电子病历的共享。

电子健康档案

使得医护人员可以及时查询患者健康状况，为疾病的预防、诊断、康复提供有力保障。

IBM智慧医疗实现医疗数据的交换和共享，医疗服务的互联互通和互操作。

通过在医院等医疗机构间搭建信息资源共享平台，促使各医疗机构间的业务流程得以整合，医疗数据得以共享，实现跨机构的远程预约，相互转诊，最终实现“小病在社区，大病进医院，康复回社区”的良性模式，进而提升医疗服务资源的优化配置。

1.2.2.2GNUHealth

GNUHealth是免费、开源的健康和医疗信息系统，包括电子医疗档案系统

（ElectronicMedicalRecord，EMR），医院信息化系统（HospitalInformationSystem）和健康信息系统（HealthInformatrionSystem）三个模块。

电子医疗档案系统记录患者个人健康状况的各项数据和信息，病历数据常在健康信息中用于诊断辅助，并在不同系统间实现数据互操作；医院信息化管理系统用于提高医院各项工作的效率和质量，减轻医务人员需要处理的各类事务性工作，使其集中精力为患者提供医疗服务。

在GNUHealth中，具体包含的功能有患者预约管理、医疗器械管理、医疗费用计算、数据分析统计、医疗产品和服务管理、支付管理、医疗采购管理等不同的功能模块。

在实用功能方面，GNUHealth支持CalDAV日历同步，可以将就医预约和住院治疗日历与Google日历或Apple设备进行同步；GNUHealth提供了轻量级的远程过程调用协议JSONRPC支持；GNUHealth具备增强型的处方单据和遵从最新体系的药剂分类，包含世界卫生组织WHO提供的最新药品列表，以及增强的医疗实验室模型。

作为面向全球化的健康