医疗数据处理系统及软件技术

医疗数据处理系统及软件技术

近年，科技界、医疗界、政经界在无数的 论坛、课题、媒体中，对医疗数据处理系统及软 件技术展开了深入研论。本年度该领域更成为医 学科技热点话题。近五年，我国在

医疗数据主要是指社会及个体在医疗行为 中产生的个人健康医疗档案、管理数据、区域电 子病历等业务数据。对这些数据科学的分析处理 后，可为医生在医疗过程中提供辅助诊断，为医 疗科研提供帮助，为医疗管理提高效率。因此医 疗数据处理在医学领域始终处于非常关键，核心 的地位，伴随着医学的发展一直在不断进步。医 疗数据存储从最原始的口述、记忆，到纸笔记录， 再发展到如今的电

子数据存储；数据类型从统计 数据，到心电，脑电等信号数据，再发展到 CT, MRI, PET等图像数据；数据量从几例，几十例 病例，到硬盘可存储数据量，再发展到现在的云 存储，大数据。随着医疗数据的不断增长，医疗 数据处理系统性能也不断提升。目前，我国医疗 数据正处于于一个转折点，一方面医疗机构医疗

数据从一般业务数据交换转化到临床数据大量 积累的过程，另一方面临床数据(包括影像数据 等)已成为医院的主要业务数据来源，这些数据 聚合后，在单个医院尤其是大型超大型医院就形 成了 了海量的医疗数据，随着医疗业务区域化的 发展，在一个地区、省、乃至全国的医疗数据汇 聚后，数据规模更大，将达到PB级的水平。如 何管理处理这些医疗数据，并为医疗服务，这对 医疗数据处理系统及软件技术提出了更大挑战O 早期的医疗数据处理主要工作是信息统计 与存储。特别是在医院、诊所、健康中心等机构 中，患者医疗资料的收集、存储、提取显示、追 踪等

数据以人工方式进行管理，效率低下。随着 每天有数以万计的病人进入医院、诊所、健康中 心医疗和保健，人工管理医疗数据远不能满足需 求。医院信 息系统(Hospital information

system, HIS)应运而生，很好地解决了这个问 题。 HIS系统有时也称健康维护信息系统

(HeaIthcare information system) 或临床信

息系统 (Clinical information system, CIS), 是一种全方位综合系统。它管理医院的医疗、行 政、财政、法律以及服务流程等方面数据。

20世纪60年代早期医疗数据处理系统出现 了医

院电脑信息管理系统的构想，

Lockheed

Martin研发了医院信息系统原型，即后来的HIS 系

统，90年代早中期，日本在 HIS系统方面处 于领先地位，由于医学影像设备的需求，

PACS

系统也整合在HIS系统中。在这一阶段医疗数据 处理系统关注实现两个目标：1.使系统进一步适 应临床环境，2.建立HIS系统与外部实体如检验 室，药房的联系。随着应用的拓展，更多的医疗 数据子系统希望通过接口与 HIS系统实现联系， 由于任务的多样性，技术的局限性，部门系统的 偏向性以及医疗数据处理系统开发者的理念，各 数据子系统整合到HIS系统、在不同系统间实现 同步更新，管理通信服务器以及解决重复功能十 分困难。到了 21世纪，随着基于组件技术、通 信系统、分布式系统以及网络为中心的体系架构 出现，使得医疗数据处理系统（包括 HIS系统） 同质性以及数据分析处理上升到了一个新阶段， 为不断上升的医疗数据的处理和应用提供了可

目前的医疗数据处理系统包含不同功能的 子系统，重要的有电子医疗记录系统 ( electronic

medical record, EMR )、检验信 息

管 理 系 统 ( laboratory information

management system, LIMS )、放射科信息系统

(radiology information system, RIS)、医学 影像存储与通信系统( picture archiving and

communication system, PAC$ 等。各医疗数据 处理

子系统针对各自数据特点采用相应的处理 手段和软件技术， 并通过子系统的配合， 提供及 时的医疗数据支持以及稳定，优质的医疗环境， 满足了现代社会患者日益提升的医疗服务需求。

除了医疗信息管理， 医疗诊断数据处理系统 对于疾病研究与诊断也是非常重要的。 早期的疾 病诊断数据主要通过医生对病人症状观察， 尸体 解剖，药物服用情况追踪等方式获取。 随着人体 电生理信号的发现， 医疗诊断数据的种类越来越 多，处理方式也越来越复杂。 19 世纪，研究学 者便发现心电与脑电数据。 经历一个多世纪的发

展，心电、脑电等信号数据的分析与处理方法已 经非

常成熟，并在临床上得到非常广泛的应用。 20世纪

30 年代，断层成像技术的出现与发展， 使得更多的

研究学者开始关注医疗图像数据。 随 着医学影像设备的飞速发展， 以及医学临床诊断 的需要，图像数据处理逐步成为医疗诊断数据处 理系统中非常重要的部分。 在医院利用图像数据 进行疾病诊断初期， 图像数据大多通过胶片系统 显示，存储。对于图像数据处理的研究，大多集 中在如何快速，准确成像，提高图像质量等方面。 然而，由于医院规模逐渐增大， 疾病复杂性逐渐 增强，及时管理医学图像数据成为医学界的众多 挑战之一。 对于复杂疑难疾病患者， 往往需要通 过大量的放射科图像数据联合诊断治疗。同时， 患者进行复诊时， 通常需要回看之前拍摄的放射 科图像。胶片存储系统已经无法满足这些需求， 胶片的意外丢失与损坏更是会带个患者与医院 不小的损失。PACS的研制则很好地解决了这些 问题。PACS是一种提供多类数字图像数据存储 及提取的医学影像技术。该系统对于所有图像， 按统一格式（DICOM进行存储及传输，非图像 数据则通过常规标准格式（如

PDF，封装在

DICOM中o PACS除了代替胶片系统，实现医学图 像

获取，显示，存储，传输和管理功能，其还可 以对图

像进行增强变换， 局部缩放， 旋转平移以 及各种滤波分析， 获得更为清晰的图像和有关量 化数据，为医疗诊断提供了更客观的依据。

PACS系统的想法最初诞生于1982年的放射 学会

议上。同时，被提起的可替换名称还有图像 管 理 与 通 讯 系 统 ( image management and

communication system, IMAC 以及综合诊断系 统

(integrated diagnostic system, IDS)。这 些名字表示放射科图像管理系统技术难度的不 同层次，目前最常用名称的是 PACS系统。80年 代至90年代，

PACS系统研究主要处于构造原型 阶段。最初的PACS

系统是在堪萨斯大学搭建实 验的，并在第二台PAC孫统上运用了网络技术。 在PACS研究的第二阶段，研究者更关注于提高 数据传输速率， 增强数据库效率， 增强显示分辨 率，提高用户体验等方面。目前，PACS系统已 经全面进入医院临床。PACS系统的常规流程包 括：当病人正在接受检验或检验结束后， 图像数 据会转移到接受节点上； 通过网络， 格式化的图 像进入数据库中；需求的图像数据目录会被添加 到工作列表中； 特定的工作台则会接受传输来的 病人图像数据。

目前，除了临床医疗数据系统， 个人医疗数 据

系统同样在飞速发展。 个人医疗数据或称个人 健康记录( personal health record )早在上个 世纪 70 年代就提出过。然而，直到 21世纪，相 关研究及文章才开始大量发表。 早期，个人医疗 数据通过纸质方式来记录存储， 其中包含检验报 告，临床病例以及个人的健康历史记录等。 纸质 虽然数据可靠，低消耗，但是较难定位，更新以 及与他人分享。随着

EMR或电子健康记录 ( electronic health record, EHR

)的出现与 发

展，人们逐步开始通过电子器件记录自身的健 康状况。个人医疗数据通过电脑等电子器件存 储，可以更好地实现数据输入，数据加密，数据 分享等功能。 随着智能移动设备， 无线通讯网络 的飞速发展，个人医疗数据也开始向网络存储的 方向发展。基于网络的个人医疗数据处理从本质 上讲，与个人电子医疗数据类似。然而，通过网 络，人们可以轻易整合各设备的个人医疗数据。 目前，基于网络的个人医疗数据处理是当前的研 究热点， 也有许多大型公司， 企业提供相应的服

务支持

当前发展

近年来，医疗行业进入了重要的历史转折点： 随着全球老龄化进程的加剧，医疗大数据时代已 然到来

（如图1）。在新的时代下，医疗数据处理 系统与软

件技术的发展与大数据、云计算、数据 安全等技术紧密结合，呈现蓬勃发展的趋势。

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当前的医疗大数据主要来源于：

1. 制药企业/生命科学领域药物研发是相当 密集

型的过程，对于中小型的企业也在TB以上 的。在生命科学领域，随着计算能力和基因测序 能力逐步增加，美国哈佛医学院个人基因组项目 负责人詹森•鲍比就认为，到2015年，将会 有 5000万人拥有个人基因图谱，而一个基因组序 列文件大小约为750MB

2. 临床决策支持、诊断相关影像信息 临床和 实

验室数据整合在一起，使得医疗机构面临的数 据增长非常快（如图2），一张普通CT图像含 有大约

150MB的数据，一个标准的病理图则接 近5GB。如果

将这些数据量乘以人口数量和平均 寿命，仅一个社区医院累积的数据量， 就可达数 TB甚至数PB之多。

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3. 费用报销，患者就医过程中产生的费用信 息、报

销信息、新农合基金使用情况等。

4. 患者行为社交网络。随着移动设备和移动 互联网

的飞速发展，便携化的生理设备正在普 及，如果个体健康信息都能连入互联网， 生的数据量不可估量。

大数据给医疗信息领域带来的变革

大数据在各行各业中都有宽广的应用前景， 尤 其

由此产

针对医疗领域这种数据量大， 数据种类多， 数 据来源复杂的场合，更具有得天独厚的优势。

1. 个性化医药的研发 大数据技术的出现使得医药

研发人员可以得 到最为详尽的患者数据 , 从而研发出最贴合患者 病情的针对性药物 , 提高治疗效果。如对患者的 行为习惯、情绪所处环境等进行细节化测量 , 并 针对性地调整和优化药物配比。 针对新药研发 项目, 医药公司可以通过大数据分析公众对该种 类药品的需求度及预测未来发展趋势 , 从而可以 更有效的利用资源 , 提高研发产出比。

2. 便捷式疾病诊疗服务 首先，从疾病预防方面来

看 , 通过云平台可采 集居民的健康数据， 以便居民随时查阅自身的健 康状况， 配合专家在线咨询服务， 可使居民在第 一时间内了解身体存在的健康隐患及未来可能 会发生的疾病风险， 做到防患于未然， 同时也减 轻了个人医疗负担。

另一方面, 医疗结构可对远程监控系统采集到 的大量数据进行科学分析， 同时很方便的和患者 进行充分沟通， 通过如预约门诊等方式来合理安 排医疗资源，以减少病人住院时间和均衡急诊 量，避免医疗拥挤现象。同时，综合以往大规模 数据进行分析和管理， 提高医疗卫生服务水平和 效率，为患者提供更

优化的体贴式服务。

3. 科学的公共卫生管理

通过广泛的数据采集， 大数据对公共卫生状况 进行数字化的整合和分析， 提高疾病预报和预警 能力，防止疫情爆发。并针对每一块定点区域， 成立卫生信息管理平台。 建立本区域内居民健康 信息库，对疫情及传染病进行实时监控和快速反 应，以实现降低传染率和节约医疗支出的目的。 同时，通过信息平台可以很方便的开展疫病预防 宣传工作， 大幅提高公众健康风险意识， 改善区 域内公共卫生状况。

4. 准确的健康危险因素分析 大数据技术将互联

网、 物联网、 医疗信息网络 等相互关联， 形成一个统一的有机体， 可以实现 对健康危险因素数据的全方位数据收集， 例如自 然环境因素（大气、土壤、水文等信息） ，社会 环境因素（经济收入、营养条件、医疗保障水平、 受教育程度等信息） ，生物因素（致病性微生物， 细菌、病毒的监测数据） ，甚至包括人类遗传基

因等因素，利用大数据技术对健康危险因素进行 比对关联分析，针对不同区域、人群进行评估和 遴选健康相关危险因素，提出居民健康有针对性 的干预计划，促进居民健康水平的提高。

云计算、云存储给医疗信息领域带来的变革 云计算技术可以降低医疗行业信息系统的建 设成本。云计算加快了医疗信息资源的建设，实 现了信息资源共孚，提咼了整个医疗机构服务水 平。通过推动医疗机构卫生服务管理机构间的标 准建设，数据共享，信息整合，有规划信息系统 建设和整合，提咼医疗卫生机构的医疗质量和服 务能力，运营管理效率，实现以患者为中心的医 疗信息化系统建设。推动医疗卫生行业在战略与 发展、运营和流程、信息技术应用不同层面的发 展。

目前我国各级医疗机构、公共卫生机构已经建 设了大量的医疗信息资源，并且还在建设更多的 医疗信息资源。主顾将医疗信息资源存储在云 上，医疗信息资源的共享将更为方便与快捷， 各 个医疗机构或信息资源建设人员也可以利用云 计算所提供的强大的协同工作能力实现医疗卫 生资源的共建

云计算技术可以提咼卫生机构服务水平。在医 院数字化建设中，医院以医疗业务为核心，整个 诊疗过程都是以病人为中心，病人医疗信息能够 在各科室实现共享，深层次利用病人信息，进行 数据挖掘、分析和利用。全面整合医院内的管理 信息、患者的诊断及治

疗、费用信息及经费管理， 实现医院各项业务数字化运作和智能化管理。并 与医院外部的信息系统进行数据交换和信息共 享，全方位提升医院的服务水平。 云计算还可以 将电子病历、预约挂号、电子处方、电子医嘱以 医疗影像文档、临床检查信息文档等整合起来建 立一个完整的数字化健康档案系统，并将健康档 案通过云端存储便于今后医疗的诊断依据以及 其他远程医疗、医疗教育信息的来源等。

云计算技术可以合理使用医疗资源。大型医院 运用数字化医疗设备、计算机网络平台和各类应 用软件系统对医疗服务和管理信息进行收集、整 理、统计、分析和反馈。基层卫生机构运用云计 算，通过数据、文字、语音和图像资料的远距离 传送，实现专家与病人、专家与医务人员之间异 地“面对面”的会诊。针对边远地区和社区门诊， 通过云计算技术远程诊断及会诊系统， 在医学专 家和病人之间建立起全新的关系，使病人在原 地、原医院即可几首远地专家的会诊并在其指导 下进行治疗和狐狸， 可以节约医生和病人大量时 间和金钱。

云计算技术可以运用在医疗教育系统。 在以云 计算技术为基础的医疗健康信息平台基础上， 以 实现统计数据为依据， 结合各地疑难急重症患者 进行远

程、异地、实时、动态电视直播会诊以及 进行大型国际会议全程转播， 并组织国内外专题 讲座、学术交流和手术观摩等手段， 可极大地促 进我国医疗事业的发展。

1. 远程医疗诊断

远程医疗诊断是医疗发展的需求， 对于网络和 存储系统有着很强的要求， 还注重音频和视频信 息的网上实时传送。 但是这个系统一旦正式进入 运作，必须保证 7*24 小时不间断正常开展，否 则就无法保证远程诊断能够实现。 基于云平台的 远程医疗诊断， 只要被赋予了一定权限， 不管在 啊何地都能登陆系统、 咨询医生， 把自己的病历 和PACS-项通过网络传送给医生，然后医生根 据病人情况给出医疗发难， 对于疾病治疗有着重 要意义

基于云的远程医疗利用先进的流媒体技术和 远程通信技术，突破地域、时间的限制，实现优 质医疗资源共享， 体现卫生服务公平， 提升公众 健康意识，在我国至今已实现 14000 例远程专家 会诊。

2. 医疗影像处理 医疗图像是现代医学诊断和检查

的重要手段， 二三维图像的使用， 使得医生可以只管得到患者 身体内的各种信息， 帮助诊断。 而医学

图像数量 比较大，而且其处理，包括边界提取、 图像分割、 图像融合等都需要专门的工具、 专业的人才， 耗 费大量资源，如果在云计算平台上运作就可以减 少很多资源，并能保证速度和质量。

3. 海量病例存储

云计算中， 云后端有着足够大的存储空间， 病 人海量病历可存储在后端中央服务器， 不仅解决 了个别医院因为设备不足而导致的病人病历丢 失的情况， 而且病历可以全球存取， 资源可由一 个医院分享。

2009 年 6 月 15 日，科技部、卫生部领导和专

家对电子健康档案系统进行了评审， 一致认为国 家数字卫生项目组研发的电子健康档案系统设 计合理、功能完善、技术先进、达国内领先、国 际先进水平，同意通过评审， 并建议首先在浙江 省扩大试点， 在卫生部完善标准化规范体系的基 础上，进一步完善，逐步推广全国。另外，基于 云的电子病历， 将病人信息集成在各个医院的信 息系统中，在就诊中可以直接提取记录。

4. DNA信息分析

以DNA组成的碱基A、C G T排序为切入点， 了解人类染色体的基因分布以及核苷酸序列是 基因组学的重大研究成就， 但同时， 叶长生一个 更为艰巨的任

务，破译所有 DNA的作用于激励， 揭示生命活动的本质。 但这项工作中的海量数据 处理对工作人员是一个很大的挑战。 如果将这些 数据放在“云”上进行处理，利用云后端强大的 服务器群，可以得到突破性进展。

5. 解决传统医疗信息服务存在的问题 当前实力较强

的医疗机构购买了信息化设备， 拥有数据中心， 构建了医疗信息服务， 但很多较 小的机构没有足够的资金购买， 而且购买之后机 器的维护需要专门人员，电子设备更新速度太 快，导致了维护成本较高。 且每个医疗机构的信 息服务各成一个体系，互相之间数据不能共享， 造成了资源浪费。 且大部分医护人员对信息技术 掌握不多，在很多信息服务中资源不能得到有效 利用。

基于云计算的高效医疗信息服务可以大量节 约医疗机构用于信息化的资金。 随着对云计算的 研究，云计算的优势越来越显示出来， 大部分医 疗机构会放弃或者改造原有笨重而耗费资金的 硬件设备而转向云服务， 从而节约大量资金， 有 利于实现医院“低投入、高收益”的理念。

基于云计算的高效医疗信息服务有满足需要 的网络带宽、 存储资源和计算资源。 远程医疗不 必拘泥于

网络传输， 可自由进行交流会诊， 对医 疗影像的存储， 还可建立个人电子健康档案， 同 样存储在云内。 利用云平台的强大计算能力可对 基因组进行信息分析。

数据安全给医疗信息领域带来的变革 在医院信息系统中 , 最珍贵的财富是我们在 长期发展过程中所积累下来的业务数据 , “数据 是资产 , 备份最重要”。系统灾难的发生 , 不是 是否会 , 而是迟早的问题。造成系统数据破坏、 丢失的原因很多 , 有些往往被人们所忽视。 正确 分析威胁数据安全的因素 , 制定和建立完备的备 份及远程容灾恢复计划 , 以增强系统的抗灾能 力 , 最大限度地减少损失 , 是当务之急。

医院信息系统要求 24 小时不停机 , 可靠性 要求很高 , 不仅不允许出现系统故障后丢失数 据 , 而且要求故障在几分钟甚至几秒之内迅速 恢复 。因此传统的备份并不能满足要求 , 需要 设计一套容灾解决策略 , 它能够保证用户数据 的安全性 （ 数据容灾 ）, 甚至还能提供不间断的 应用服务 （ 应用容灾 ） 。大数据时代的到来，使 得新的数据安全技术成为了可能。

1．数据远程复制技术 在选择容灾系统的构造时 ,

首先要考虑的就 是选择合理的异地数据复制技术 。数据的远程 复制技术是容灾系统的核心技术 , 通过有效的 数据复制 , 远程的业务数据中心与本地的业务 数据实现同步 , 确保一旦本地系统故障 , 远程 的容灾中心能迅速进行完整的接管。 在数据复制 的方式上 , 主要有同步方式和异步方式两种 。 同步数据复制 , 指通过容灾软件 （ 或硬件系 统 ）, 将本地生产数据以完全同步的方式复制到 异地。异步数据复制 , 指通过容灾软件 （ 或硬 件系统 ), 将本地生产数据以后台同步的方式复 制到异地。异步数据复制方式在软件容灾方式中 广泛采用。在异步复制环境中 , 对于所有应用最 关键的就是要确保数据的一致性。

2．容灾备份

(1) “2 +1” 模式: 两台服务器连接一台磁盘 阵

列 , 一台主服务器 , 一台备份服务器 , 当主 服务器出现故障时备份服务器可以自动接替主 服务器的工作。

(2) “2 +2” 模式:两台服务器连接两台磁盘 阵

列 , 用管理软件实现两台磁盘阵列之间的镜 像, 每次服务器的数据都同时写入两台磁盘阵列 使得数据完全保持实时同步。

(3) 精简 “2 +2” 模式 : 两台服务器连接一 台

磁盘阵列 , 但磁盘阵列柜中采用双阵列卡 , 分别通过光纤接到服务器上。

3．容灾策略

根据医院的实际情况 , 针对医院业务量 , 选 择实时性要求高的应用系统进行容灾设计 , 备 份数据的磁带库安置在备份中心 , 利用备份服 务器直接连接到存储阵列和磁带库 , 一旦主数 据中心出现意外灾难 , 系统可以自动切换到备 份数据中心 , 在保持连续运行的基础上 , 快 速恢复主数据中心的业务数据 。

三级体系容灾方案具有高度的可用性 。第一 级 , 采用了冗余的手段 , 大到主机 , 小到光 纤适配器 , 均具备冗余容错功能 ; 第二级 , 无 论是主机或存储设备出现故障 , 均可通过主 / 备 份中心光纤交换机之间的连接来保证通信和数 据的完整性 ; 第三级 , 万一主数据中心出现意 外灾难 , 系统可以自动切换到备份数据中心。 三 级体系的科学设计保证了数据容灾系统的高度 可用性和可靠性 。