智慧医疗云服务平台技术方案

1、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

2、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-orentied Architecture,SOA）理论对系统进行分

3、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； 目录 HYPERLINK l _TOC_250068 第 1 章绪 论1 HYPERLINK l _TOC_250067 研究课题背景与意义1 HYPERLINK l _TOC_250066 国内外

4、现状研究及分析4国内研究现状4国外研究现状6 HYPERLINK l _TOC_250065 研究目标与具体研究内容8 HYPERLINK l _TOC_250064 论文组织结构8 HYPERLINK l _TOC_250063 第 2 章相关概念及其技术基础11 HYPERLINK l _TOC_250062 医疗信息化领域相关概念11医院信息系统11 HYPERLINK l _TOC_250061 电子医疗病历11 HYPERLINK l _TOC_250060 个人健康档案12 HYPERLINK l _TOC_250059 云计算12云计算基本概念12云计算分类13 HYPERLIN

5、K l _TOC_250058 云计算相关开源技术14 HYPERLINK l _TOC_250057 SOA17 HYPERLINK l _TOC_250056 SOA 基本概念17 HYPERLINK l _TOC_250055 SOA 主要特征18 HYPERLINK l _TOC_250054 SOA 相关技术18 HYPERLINK l _TOC_250053 本章小结19 HYPERLINK l _TOC_250052 第 3 章智慧医疗云服务理论研究21 HYPERLINK l _TOC_250051 智慧医疗概念模型21 HYPERLINK l _TOC_250050 智慧医疗

6、服务模式21 HYPERLINK l _TOC_250049 智慧医疗云服务资源中心22 HYPERLINK l _TOC_250048 智慧医疗云服务数据中心22 HYPERLINK l _TOC_250047 医疗云服务模型22 HYPERLINK l _TOC_250046 医疗云服务的定义22 HYPERLINK l _TOC_250045 医疗云服务中的角色23 HYPERLINK l _TOC_250044 可动态伸缩的云服务模型24 HYPERLINK l _TOC_250043 服务弹性伸缩定义24 HYPERLINK l _TOC_250042 服务弹性伸缩相关算法分析26

7、HYPERLINK l _TOC_250041 可自动伸缩的云服务30 HYPERLINK l _TOC_250040 智慧医疗云服务体系结构31 HYPERLINK l _TOC_250039 本章小结33 HYPERLINK l _TOC_250038 第 4 章需求分析及模型35 HYPERLINK l _TOC_250037 总体需求35系统目标35系统角色35 HYPERLINK l _TOC_250036 功能性分析36 HYPERLINK l _TOC_250035 系统整体功能36 HYPERLINK l _TOC_250034 智能客户端口功能37 HYPERLINK l _

8、TOC_250033 云服务端功能41 HYPERLINK l _TOC_250032 非功能性分析46 HYPERLINK l _TOC_250031 本章小结47 HYPERLINK l _TOC_250030 第 5 章系统设计49 HYPERLINK l _TOC_250029 设计目标和原则49 HYPERLINK l _TOC_250028 总体设计50 HYPERLINK l _TOC_250027 逻辑架构设计50 HYPERLINK l _TOC_250026 物理架构设计52 HYPERLINK l _TOC_250025 系统详细设计53 HYPERLINK l _TOC

9、_250024 服务治理框架54 HYPERLINK l _TOC_250023 用户信息管理服务56 HYPERLINK l _TOC_250022 远程医疗诊断服务57 HYPERLINK l _TOC_250021 远程预约挂号服务58 HYPERLINK l _TOC_250020 个人健康信息管理服务60 HYPERLINK l _TOC_250019 医患咨询问答服务61 HYPERLINK l _TOC_250018 数据库模型设计63本章小结68 HYPERLINK l _TOC_250017 第 6 章系统实现69 HYPERLINK l _TOC_250016 开发环境及技

10、术平台69 HYPERLINK l _TOC_250015 系统整体技术架构69 HYPERLINK l _TOC_250014 云基础设施实现71 HYPERLINK l _TOC_250013 OpenStack 环境搭建71 HYPERLINK l _TOC_250012 Docker 环境搭建72系统运行环境搭建73医疗云平台实现74服务治理实现74 HYPERLINK l _TOC_250011 医疗服务实现77 HYPERLINK l _TOC_250010 本章小结82 HYPERLINK l _TOC_250009 第 7 章 测试与应用83 HYPERLINK l _TOC_

11、250008 系统测试83 HYPERLINK l _TOC_250007 测试环境83 HYPERLINK l _TOC_250006 功能测试83 HYPERLINK l _TOC_250005 性能测试84系统应用85 HYPERLINK l _TOC_250004 本章小结86 HYPERLINK l _TOC_250003 结论87 第1章 绪 论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

12、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

13、。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（Hospital InformationSystem，HIS）主要集中在管理信息系统（Managed Information System，MIS） 上，临床信息系统(Clinical Informat

14、ion System,CIS)、影像归档和通信系统（Picture Archiving and Communication Systems，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：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。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。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

15、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

16、 1-1 所示：图 1-1 智慧医疗云生态系统Figure 1-1 Smart Health Cloud Ecosystem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，

17、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：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。医疗

18、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。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

19、。由此实现了医疗服务的按需配置、定量计费。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。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

20、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。国内外现状研究及分析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

21、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。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

22、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：智能感知层图 1-2 百度健康云系统Figure 1-2 Baidu Health Cloud System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，

23、如 4G、WIFI 等将数据实时上传到云端存储。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。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。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

24、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

25、电子监管业务体系Figure 1-3 Electronic Supervision Business System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”、GNU Health、HL7 都是这一领域的研究成果。IBM 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

26、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。GNU HealthGNU Health 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（Electronic Medical Record，EMR），医院信息化系统（Hospital Information System）和健康信息系统(Health Informatrion System)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

27、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 GNU Health 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，GNU Health 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；GNU Health 提供了轻量级的远程过程调用协议 JSON RPC 支持；GNU Health 具备增强型的处方单据和遵从最新体系的药剂分类，包

28、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和医疗信息系统，GNU Health 还提供了最新的翻译引擎，以便于实现本地化的应用。HL7HL7(Health Level 7)是广泛应用于医疗 IT 系统中的一种传输协议。HL7 通过将多个厂商的应用接口进行整合，从而设计一套标准接口。借助标准的格式，使得医疗机构间异构系统的数据交互成为可能。HL7 具有完整性、兼容性、可扩展性、可实现性等多方面的特点。HL7 支持多种应用场景下的数据通讯，同时对多语言、多操作系统提供了支持。HL7 支持两种通讯方式，包括单数据流和多数据流，为保证协议最大兼容性，其预

29、留了编码定义、消息段和特殊的表以供不同的协议使用者9。HL7 具有很强的扩展性，是被广泛接受的工业标准。HL7 的远期规划之一就是实现一种可以在不同医疗机构之间进行数据交换的通用标准。研究目标与具体研究内容本论文基于云计算理论，提出了智慧医疗云服务体系结构模型及其工程实现方法。目标是将多个组织的医疗资源和医疗服务聚集于医疗云中，从而构建一个开放式、多租户、可伸缩的智慧医疗云数字化生态环境。主要研究内容包括：服务弹性伸缩算法研究云计算平台的弹性伸缩能力是其有别于传统 IT 基础设施的重要标志。本研究首先分析主流伸缩算法，包括反应式伸缩算法和预测式伸缩算法。将预测式伸缩算法的数学模型应用于基于多个

30、性能指标的预测模型中，以此来提升预测模型的普适式性。智慧医疗云服务计算理论研究针对医疗领域，研究面向服务的可弹性伸缩智慧医疗云服务计算理论。基于该理论的智慧医疗云服务平台体系结构模型被提出，目标是将多种类型的医疗服务聚集于一个公用设施化的医疗云中，从而为智慧医疗云服务平台的设计实现提供理论指导。智慧医疗云服务平台实现依据软件工程理论对智慧医疗云服务平台进行功能性和非功能性需求分析， 从而建立其整个系统的需求分析模型。在需求分析基础上，按照面向服务理论设计智慧医疗云服务平台系统。设计完成后，首先使用 OpenStack 和 Docker 来构建云计算基础设施，然后采用 J2EE 开发平台实现智慧

31、医疗云服务平台的系统， 最后对系统进行功能测试和性能测试。论文组织结构本文组织结构上共划分为七个章节，每个章节的主要研究内容如下：第一章绪论，阐述了智慧医疗云服务平台研究课题背景及其研究意义。收集整理国内外在该领域的研究成果，在此基础上确立本文的研究目标与研究内容。第二章主要论述智慧医疗云服务平台的相关概念和技术基础，主要介绍了医疗领域、云计算、SOA 的相关基本概念，并确定系统的开发环境和运行平台。第三章智慧医疗云服务理论研究，从智慧医疗的概念模型入手，分析了医疗云服务的定义，医疗云服务中的角色，并重点分析了可自动伸缩云服务的算法和体系结构，在此基础上研究并提出了智慧医疗云服务体系结构模型。

32、第四章按照软件工程理论对智慧医疗云服务平台进行需求分析，建立需求分析模型，包括系统目标角色分析，功能性分析，非功能性分析。第五章在需求分析模型的基础之上对智慧医疗云服务平台进行总体设计和详细设计。首先明确智慧医疗云服务平台的设计目标和设计原则。随后从逻辑架构和物理架构两个维度进行智慧医疗云服务平台的总体架构设计。最后针对系统中关键子系统，以及核心医疗云服务进行详细设计，并建立系统数据库模型。第六章系统实现根据第五章系统设计，对智慧医疗云服务平台进行实现。实现过程中首先明确系统的整体技术架构。随后，利用 OpenStack 和 Docker 搭建一个云环境实现智慧医疗云平台的基础设施层。最后对部

33、分核心医疗云服务的实现进行了阐述。第七章在完成系统实现的基础上对系统进行测试，包括系统的功能测试和性能测试。功能测试覆盖了系统主要的医疗云服务的功能点，性能测试首先对负载预测算法进行测试，随后对系统在不同压力下的运行状况进行测试。北京工业大学工程硕士专业学位论文第2章 相关概念及其技术基础医疗信息化领域相关概念医院信息系统医院信息系统(Hospital Information System，HIS)是利用计算机和相关通讯设备，将患者的就医诊断信息以及医院的管理信息，经过收集、处理后提供给医院所属部门。HIS 是一个包括了临床信息系统，管理信息系统，办公自动化等组成的现代化信息管理系统。各子系统

34、当中又包含了财务、人事、住院、挂号、医疗、收费、分诊、药品管理等多个业务系统。在当代信息化浪潮下，医院信息管理系统又有了新的扩展： HIS 与实验室信息管理系统(Laboratory Information ManagementSystem，LIS)、影像存档与通信系统、放射科信息管理系统(Radiology Information System，RIS)、电子医疗档案(Electronic Medical Record，EMR)等外围系统不断整合，从而促进医院业务流程的迭代升级和融合创新；随着社会大信息系统的不断完善，HIS 与社保，医保，银行等系统的互联、互通、互操作也变得越来频繁。HIS

35、 的不断完善，已经越来越成为医疗行业进行创新发展的、不可或缺的核心推动力量。电子医疗病历电子医疗病历(Electronic Medical Record，EMR)是系统地记录患者医疗卫生事件的电子存档。电子医疗病历主要包含如下几大方面的内容：病历概要、门诊诊断记录、住院记录、健康体检记录、转院记录、法医证明及报告、医疗机构信息等。电子医疗病历相对于传统的纸质病历具有多方面的技术优势：首先数字化的病历格式使得病历信息可以在一个安全的数字环境中被不同的医疗组织进使用和共享。其次，电子医疗病历可以持续地跟踪患者的治疗方案及其效果，并以简洁、易读的图表形式展现出来。最后，通过跟踪患者状况，可以对患者进

36、行健康警告和提醒，从而实现一种交互式医疗档案。个人健康档案个人健康档案(Personal Health Record，PHR)是居民健康管理(疾病预防、健康保护、健康促进等)过程的规范、科学记录10。个人健康档案贯穿了居民的整个生命过程，收集和记录与居民健康相关的所有记录，从而为居民的健康保持、医疗诊断提供科学的依据。个人健康档案不仅记录所有体检信息，还要患者收集医疗事件相关的电子和纸质医疗记录，除此之外还包括和一系列非医疗信息，比如患者的饮食习惯，睡眠状况、嗜好(如抽烟、喝酒等)、运动情况、过敏历史等11-13。PHR 具有以下主要特点：PHR 是居民在长期参与各种医疗活动中积累得到的。PH

37、R 是具有保存价值的健康文件。该文件可以以纸质或电子的形式长期保存，以备未来查找。PHR 的内容形式多种多样，包括但不限于文字、医疗影像等形式。PHR 是健康的原始记录。云计算云计算基本概念云计算提供一种按使用量付费的创新计算模式。在该模式当中，云计算的用户可以通过网络便捷地获取所需要的计算资源（包括存储、CPU 网络等），这些计算资源的获取只需要通过简单的交互即可达成。云计算依托于共享的计算机资源，以达成规模经济的效果，其通过互联网提供类似于水网、电网的公共服务能力14。云计算的使用者根据自身业务发展的需要从云计算提供者租赁各种硬件和软件资源，这些资源可根据业务发展随时调整，云计算使用者无需

38、再关注各种复杂的硬件基础设施。广泛的意义上讲，云计算提供了一种全新的 IT 服务模型， 其使得硬件资源，软件等以服务的形式按需交付。云计算服务具备以下特征：按需申请的多租户计算资源池。通过网络进行访问。资源支持快速弹性伸缩。服务可计量，按使用付费。对于用户的 IT 和专业知识要求低。云计算分类云计算服务模式中，云服务提供者将硬件和软件抽象为资源并封装为服务向云服务消费者提供15。云计算先天就是面向服务的。云计算服务模式包括：软件即服务(Software as a Service,SaaS)，平台即服务(Platform as a Service,PaaS)，基础设施即服务(Infrastrue

39、 as a Service,IaaS)。云计算服务模式如图 2-1 所示。图 2-1 云计算服务模式分类Figure 2-1 Cloud Computing Service Mode Hierarchy软件即服务,其提供某些专门用途的服务供消费者使用。消费者通过互联网， 以租赁的方式完成服务的获取，并可根据自身业务需求进行付费。比如微软的office365 等服务。平台即服务除了为用户提供硬件资源池外，还向用户提供各种应用程序运行时环境。这些运行时环境包括多种编程语言的运行框架、应用运行依赖的软件组件等等。典型的案例比如 Google 提供的 GAE(Google App Engine)服务。

40、基础设施即服务将计算、存储、网络等硬件资源虚拟化为计算资源池，以服务接口的方式提供给用户。用户无需再关心具体的物理机器，只需关系自己业务到底需要多少资源即可，并且用户可根据业务需求动态的扩容和缩容。亚马逊AWS 就是典型的案例。除按服务模式分类外，按照云计算的部署方式，可将云计算分为公有云、私有云和混合云。公有云公有云是多个用户共同使用的云计算环境。IT 业务以服务的方式向所有外部用户提供服务。云计算平台内部实现与原理对用户完全透明。用户无需针对公有云有深入了解，无需雇佣 IT 人员管理，更无需管理 IT 基础设施。按照公有云的定义，亚马逊 AWS，谷歌的 GAE，阿里云都属于公有云服务的范畴

41、。私有云私有云是某组织独立构建和使用的云计算环境。私有云服务在组织内网范围内为组织内部用户提供服务。相对于公有云服务，私有云的资源使用没有那么多的限制，不会受到网络带宽、安全、法规等的影响，在业务开发方面具有相当大的灵活性，并且不用担心对组织核心业务数据失去掌控。混合云混合云结合了公有云和私有云的优势，用户将非核心信息外包，托管在第三方公有云上，同时在私有云上掌控组织核心服务和数据。如此可在降低自身 IT 成本的同时，享受核心业务和数据的安全性和灵活性。云计算相关开源技术OpenStackOpenStack 是 NASA 和 Rackspace 共同发起研发的一套云计算软件集。其为用户建立，运

42、行云计算和存储设施提供了完整的解决方案。OpenStack 主要面向IaaS 领域建立云服务。OpenStack 有五个主要的组成部分：Nova 计算服务、Swift 存储服务、Glance 镜像服务、Keystone 认证服务、Horizon UI 服务。下面分别对这 5 个组件进行说明。NovaNova 是 OpenStack 的控制器，处理和支撑 OpenStack 实例完整生命周期中的各种动作。其可以说是 OpenStack 的管理平台，负责整个云计算平台的计算资源、网络等。Nova 本身不提供虚拟化能力，其利用 libvirt 与虚拟机的宿主机交互。SwiftSwift 提供了一种分

43、布式、多副本、可扩展的对象存储服务，其具有强大的对象存储能力。Swift 内建冗余和失效备援管理，也能够处理归档和媒体流。GlanceGlance 为 OpenStack 提供镜像管理服务，除提供基本的镜像存储、注册功能外，Glance 还实现了镜像的搜索和发现功能。镜像可以被存储到本地文件系统、Swift 或者 Amazon S3 上。KeystoneKeystone 为所有的 OpenStack 组件提供认证和访问策略服务，主要对 Swift、Glance、Nova 等进行认证与授权。Keystone 支持用户名密码和令牌 Token 两种授权模式。HorizonHorizon 是管理 O

44、penStack 服务的多功能 Web 控制面板，用户可以直接通过Web 页面操作实例，包括镜像和容器的创建和部署，密钥对的创建等。DockerDocker 是 Docker.Inc 公司开源的一个基于 Linux Container 技术之上构建的 Container 容器引擎。目前已经获得包括 Google、IBM、RedHat 在内的众多公司支持。Docker 利用轻量级虚拟化技术进行资源隔离，并可以将各种环境依赖和 web 应用一起打包，并可方便的移植和重新部署。轻量级虚拟化是 Docker 区别于 KVM、XEN 等传统虚拟化技术的一大亮点。传统虚拟化技术旨在构建一整套操作系统环境作

45、为上层应用的执行基础。而Docker 则将应用所依赖的源码、配置、依赖组件打包为一个镜像，并利用 cgroup 等资源隔离技术将应用隔离在一个封闭的运行空间中，其不需要安装操作系统。因此 Docker 相比于传统虚拟化技术具有快速的启动速度，便捷的创建、销毁能力。Docker 与传统虚拟化技术的区别见图 2-2：图 2-2 Docker 和传统虚拟化技术的对比Figure 2-2 Docker vs HypervisorZookeeperZookeeper 是一个应用于分布式领域的开源分布式服务协调组件。Zookeeper 提供了多种功能，包括名字服务、分布式同步、分布式协调、分布式锁、集群配

46、置管理等功能。Zoookeeper 通过在内存中维持一个类似于文件系统的层级命名空间来辅助分布式进程进行相互协调。Zookeeper 的数据模型如图 2-3 所示：图 2-3 Zookeeper 的层级命名空间数据模型Figure 2-3 Zookeeper Hierachical Namespace Data ModelZookeeper 支持分布式集群部署，利用 Paxos 来保证集群内所有节点之间数据的一致性。这使得 Zookeeper 可以保证高可用性、扩展性和数据一致性。Zookeeper 可以应用在众多分布式应用场景下，与本文相关应用场景主要是名字服务。名字服务提供这样一种服务，即

47、客户端通过名字向 Zookeeper 查询该名字下对应的资源或者服务信息列表。资源或者服务一般是数据中心中的机器地址， 远程服务地址等。SOASOA 基本概念面向服务架构（Service-Oriented Architecture，SOA）是一种架构模式，它将应用按照面向服务的思想进行划分，每一个服务都提供了处理相近事务的一系列操作集合且服务都是可重用的16。服务之间的沟通通过定义良好的服务契约进行约束，服务契约的定义完全独立于不同的硬件平台，操作系统，开发语言。SOA 使得同构和异构系统之间的服务可以基于一个统一的标准进行交互。面向服务架构是传统面向对象模式的一种演进17。相对于传统的面向对

48、象， 在面向服务的架构设计中，服务具有松耦合、紧内聚的特点。服务之间依赖程度很低，每一个服务都可以单独进行复用和升级。服务内部则采用面向对象方式来设计服务的功能，服务之间通过接口实现联系。传统的面向对象则是对象之间紧耦合的，对象之间依赖关系错综复杂。服务是 SOA 中的核心概念，服务是一系列定义良好的独立业务功能实现， 其通过服务契约定义了一系列服务接口。SOA 中的服务相对于传统的组件具有更粗的粒度18。服务将一组提供相关功能的组件封装在一起，通过简单服务接口的调用，提供完整的服务流程。服务的接口都是简单接口，仅仅暴露必要元素， 复杂的业务逻辑全部隐含在业务组件内部。SOA 的核心不仅仅是服

49、务，服务过程的三个参与者之间的关系也是 SOA 的重要内容。三者包括服务提供者，服务注册中心，服务请求者19。三者之间关系如图 2-2 所示。图 2-4 服务过程参与者之间的关系Figure 2-4 Relationship Between Service Process Participants如图所示，对于一个完整的 SOA 架构必须考虑关键的三个功能：服务发布、服务绑定以及服务查询。服务发布主要实现服务的注册和发现。服务绑定通过服务的授权，账户控制等实现服务的访问控制。服务查询，用户根据需求在已发布的服务中查询需要的服务。SOA 主要特征面向服务架构主要有如下三个特点：服务可重用，服务间

50、松耦合面向服务架构当中的服务都是可重用、松耦合的软件组件20。服务可以独立集群化部署，服务之间没有直接的依赖关系。标准化的服务接口，精确定义的服务契约为保证面向服务架构中服务间的互操作性，SOA 中的服务拥有统一的标准化服务契约，比如通过 WSDL（Web Services Description Language）对服务进行标准化的描述和定义。跨平台面向服务架构支持部署于各种操作系统、硬件平台、编程语言的服务间的交互。首先通过标准化的服务契约保证了对服务语义上理解的一致性，再通过HTTP 等独立于平台的通信协议，使得 SOA 具有了整合异构平台服务能力21。SOA 相关技术WSDLWSDL

51、即网络服务描述语言，是描述 Web Services 以及如何对服务进行访问的描述语言。WSDL 是基于 XML 的语言，其明确定义了服务名、服务接口、服务位置、支持数据类型等信息。WSDL 文档中包括四个核心的元素，即 portType、message、types、binding，除此之外，这些元素还包括一些子元素，比如 operation、part 等。这些元素共同完成了对一个 Web Service 的完整描述。各元素意义如表2-1 所示。表 2-1 WSDL 元素说明 Table 2-1 WSDL Elements Introduction元素说明Web Service 执行的操作We

52、b Service 使用的消息Web Service 使用的数据类型Web Service 使用的通信协议对服务所支持操作进行抽象描述消息的参数定义为绑定和网络地址组合的单个端点SOAPSOAP（Simple Object Access Protocol）简单对象访问协议是一种基于 XML 的数据通信协议。SOAP 主要用来访问网络服务，具有跨平台、跨语言，简单可扩展的特性。SOAP 消息包含元素如下。表 2-2 SOAP 元素 Table 2-2 SOAP Elements工具说明Envelope定义 XML 文档为一个 SOAP 消息Header包含命名空间等头信息Body包含调用、响应信

53、息Fault提供处理期间的错误信息本章小结本章对于本研究课题相关的基本概念和技术进行了研究和阐述。主要包括医疗领域的相关概念，云计算的相关概念和技术和面向服务架构的概念和技术。通过对相关概念和技术的阐述分析，为后续的研究做铺垫。第3章 智慧医疗云服务总体设计智慧医疗概念模型智慧医疗利用云计算等新兴信息技术，致力于构建一个以患者为中心的医疗信息服务体系。智慧医疗通过整合医疗服务资源，创新医疗服务模式，提高医疗服务效率，来打造一个医疗服务新体验。智慧医疗服务模式智慧医疗云服务的服务模式对传统医疗 IT 系统进行了服务模式的创新。智慧医疗云服务与传统医疗 IT 系统的对比如图 3-1 所示：图 3-

54、1 传统医疗 IT 系统和医疗云服务平台对比Figure 3-1 Traditional Health IT System vs Health Cloud传统的医院 IT 系统建设各自为战，系统之间相互独立，缺乏统一的数据标准，系统之间缺乏互操作性。医疗数据不能共享，导致各个系统虽然积累了很多数据，但是无法被有效挖掘利用。智慧医疗云服务平台借助云计算的服务模式， 将分散的医疗资源、医疗数据搬上云端，构建医疗服务资源中心、数据中心。使得医疗服务跨区域共享、医疗数据的跨系统共享成为可能。医院、科研机构、疾控中心等医疗机构将其自身的医疗服务能力发布到云端后，患者就可以随时、随地通过医疗云服务端口享受

55、医疗服务；而这些机构反过来也可以利用其它机构的数据进行挖掘研究，以提高自身医疗服务能力。最终形成一个可以不断自我演进、自我丰富的智慧医疗云服务生态系统。智慧医疗云服务资源中心智慧医疗通过将多种医疗服务整合，构建一种新的医疗服务模式，即医疗云服务资源中心。其特征是：第一，具有类型丰富的服务种类。医疗服务资源中心包括多种不同的服务，例如，远程医疗诊断、预约挂号、健康数据分析、重大疫情预警等等。第二，服务之间松耦合、相互独立。各个医疗服务之间没有强关联性，各自独立运行，不会出现因某项服务出现故障后，影响其他服务。第三，服务之间具有互操作性，可协同共享。服务之间可相互通信、调用，共同为用户服务。第四，

56、对不同类型的用户提供不同的服务视图。云服务资源中心面向多种类型的用户，例如患者、医生、医疗卫生机构、协同医疗服务提供商等。不同角色的用户对于医疗服务的需求差异很大，所以不同角色的用户看到的可用服务列表是不同的。智慧医疗云服务数据中心传统医院信息系统中的各种患者病历数据、医疗影像数据、医疗活动单据等分散存储，数据无法共享，且不易于长久保存。智慧医疗云服务数据中心是医疗数据的集聚，通过将以上各种医疗数据存储于云端，实现了数据的大规模聚集。这就使得医疗数据可以大规模跨组织，跨地域共享。比如，患者就医就可以通过智慧医疗云服务数据中心共享其电子病历。同时，分散存储的数据无法完全发挥其应用价值，通过将分散

57、在各个医疗组织中的数据统一存储在云端，可以对如此海量的医疗数据进行数据挖掘处理，以提高数据的利用效率。医疗云服务模型服务可以被定义为一个自包含、独立开发、可部署、可管理和可维护的软件实现。服务提供特定的与业务相关的功能。作为公用设施化的、服务可持续集成的医疗云服务平台，其核心就是如何构建、管理多种部署于云端的医疗服务。医疗云服务的定义服务可以被认为是一组方法接口的集合，这些接口彼此独立，但是其共享一整个命名空间。例如，对于远程预约挂号服务，其可提供建立预约、取消预约、修改预约、查询预约等接口。这些接口之间相互独立，互不依赖，但是共同提供预约挂号这个服务。对于一个领域特定的服务其必然包含与之相关

58、的一系列服务接口契约。除此之外还包括具体使用服务时所必须的服务位置和通信协议。医疗云服务的定义如图 3-1 所示：图 3-2 医疗云服务定义Figure 3-2 The Defination of Cloud Service接口契约就是指服务所包含的一系列服务接口的描述。包括接口名称、输入、输参数等。数据类型指定服务接口所接受参数的数据类型。服务位置表示服务发布后在互联网中的定位，也即服务的 URI。通信协议用于绑定服务到具体的通信协议上。目前应用最普遍的是通信协议为 HTTP 协议。医疗云服务中的角色按照不同用户在医疗云服务中所起的作用，智慧医疗云服务平台将所有参与用户划分为四种角色：医疗服

59、务消费者、医疗服务提供者、医疗服务开发者、医疗服务管理者，如图 3-2 所示。图 3-3 医疗云服务中的角色Figure 3-3 Role of Health Cloud Service医疗云服务消费者是医疗云服务的终端用户。整个云平台对于终端用户而言是透明的，其使用云服务的方式和传统的应用程序类似。服务消费者不仅包括普通患者，还包括政府卫生部门、医疗科研机构等。任何使用发布在医疗云服务平台上服务的用户都可以被定义为医疗云服务消费者。医疗云服务提供者是通过医疗云向服务消费者提供服务能力的人和组织。例如，医生以及医疗机构可以通过医疗云向患者提供咨询、诊断、挂号等医疗服务能力。而像政府卫生部门以及

60、医疗科研机构也可以作为医疗云的服务提供者。例如，疾控中心可以发布重大疫情预警，医疗科研机构可以发布医学研究成果等。医疗云服务管理者是医疗云的实际运营方。其主要职责包括医疗云服务使用的计量、计费，服务资源使用的监控和调度，平台整体安全性的保证，平台用户的管理。医疗云服务开发者根据市场需求，开发相关医疗云服务，并发布到医疗云平台上。服务发布后，开发者还负责自身提供服务的运行情况监控、统计以及服务的升级维护。可动态伸缩的云服务模型服务弹性伸缩定义弹性伸缩是云计算的重要特点之一，部署在云端的医疗云服务应用需要根据服务的负载情况增加或者减少计算资源使用。对于计算的伸缩性来说，一般包括垂直伸缩和水平伸缩。