（机械电子工程专业论文）基于虚拟式心电图仪的心电图数据信息管理系统.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 近年来，电子信息技术和生物医学技术一直被列为高科技之首，二者的有机 结合将有力地促进医学及医学信息研究与发展。心电图数据信息管理系统是庞大 医学信息库的一个重要组成部分，它在特定的领域发挥着重要作用。随着现代高 科技的进步和计算机技术的飞跃发展，心电信息的采集、数字处理、测量、存储、 检索、网络传输等技术问题和标准化问题已基本解决，开发临床心电图数据信息 管理系统乃至心电图数据库已成为近年来国际国内医学信息及心电学研究的主 要方向之一。 本文首先概述开发临床心电图数据信息管理系统的实用意义及其在医学研 究、临床医疗、教学上的重要作用和目前该领域国际国内现状，简要描述了心血 管疾病科常用的数据信息，它具有与其它系统( 如心电图记录分析系统、超声心 动图像系统等) 集成的特点，本文即利用这特点开发出用于虚拟式心电图仪中 的心电图数据信息管理系统，为个人( 医生、护士、病员) 、临床部门、各级医 疗保健机构乃至商业活动提供丰富的临床医学信息资源。接着介绍了一种先进的 仪器设计制造技术虚拟仪器技术以及在此基础上形成的虚拟式仪器，文章对 虚拟仪器的概念、产生和发展、系统结构、特点做了较详细的介绍并与传统硬件 化仪器作了对比，突出了虚拟式仪器的优越性。同时还简要介绍了将虚拟仪器技 术应用于生物医学仪器而形成的新型的、更精确的测试分析仪虚拟式心电图 仪的主要功能及仪器系统组成。文章重点介绍作者开发的用于该心电图仪中的心 电图数据信息管理系统的功能组成、程序模块以及开发过程。 在本文中，作者运用面向对象( o o p ) 的软件设计方法，通过对数据库模块、 病员信息( 包括病员基本信息、病员病史及症状等临床信息、心电图信息、诊断 结果信息) 采集编辑模块、综合查询模块、统计和打印模块以及辅助功能模块的 设计，实现对心血管病患者的心电图及其临床病理资料的采集、组织、存储、综 合查询、统计打印。文章最后讨论了将心血管病患者的心电图数据信息及其临床 病理资料系统进一步扩展为心电图数据库，并借助现代网络传输手段将其遴至心 电信息高速公路的进一步开发目标。 关键词：心电信息，心电图，虚拟仪器，管理信息系统 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h e s e y e a r s ，e l e c t r o n i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n db i o m e d i c i n eh a v eb e e n r e g a r d e d a st h ep r i m a c yo fh i g h - t e e k t h e i rc o m b i no r g a n i c a l l yw i l l e f f e c t i v e l y p r o m o t et h er e s e a r c ho nt h em e d i c i n ea n dm e d i c i n a li n f o r m a t i o n t h ee c gd a t aa n d i n f o r m a t i o nm a n a g es y s t e mi sa ni m p o r t a n tc o n s t i t u t ep a r to fag r e a td e a lo f m e d i c i n a l i n f o r m a t i o ns t o r e r o o m i ti se x e r t i n gi m p o r t a n ta c t i o no ns p e c i f i c a l l yf i e l d w i t ht h e a d v a n c e m e n to fm o d e mh i g h - t e c ha n df l i g h td e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n i q u e t h e t e c h n i c a lp r o b l e ma n ds t a n d a r d i z a t i o np r o b l e mt o c o l l e c t i o n ，e l i 垂t a lt r a n s a c t i o n ， m e a s u r e m e n t ，m e m o r y ，s e a r c h e s ，n e t w o r kt r a n s m i to fe c gi n f o r m a t i o nh a v ea l m o s t b e e nr e s o l v e d ，t oe s t a b l i s hd a t aa n di n f o r m a t i o ns y s t e mo f c a r d i o v a s c u l a rd i s e a s eo r e c gd a t a b a s eh a sb e c o m eo n eo fc e n t r a ls t u d ya s p e c to fm e d i c i n a li n f o r m a t i o na n d e l e c t r o c a d i o g r a p h i ci n f o r m a t i c si na n do u to f n a t i o n a l t h ep r a c t i c a l i t ys i g n i f i c a n c e ，t h ef u n c t i o no fc l i n i c a le c gd a t a - i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e mi 1 1 s c i e n t i f i cr e s e a r c h ，c l i n i c a lm e d i c a lt r e a t m e n ta n dm e d i c i n e t e a c h i n g ，i n t e r n a t i o n a la c t u a l i t yi nt h i sf i e l da r es u m m a r i z e df i r s t l yi nt h i sp a p e r t h e n t h ea l ld a t a - i n f o r m a t i o ni nc o l - n n l o nu s ea tc a r d i o p a t h yw a sc o n c i s e l yd e s c r i b e d t h e y h a v et h e c h a r a c t e r i s t i co f i n t e g r a t e d i no t h e r s s y s t e m s s u c ha s e l e c t r o c a r d i o g r a p h t h i sp a p e ru t i l i z et h i sc h a r a c t e r i s t i ca n dd e v e l o p m e n ta ne c g d a t a - i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mu s i n gi nv i r t u a le c ga n a l y z e r i tw i l lp r o v i d e r i c ba n dm u l t i f o r m c l i n i c a li n f o r m a t i o nr e s o u r c ef o ri n d i v i d u a li n c l u d e d o c ， 1 u r s e ，p a t i e n t ，c l i n i c a ld e p a r t m e n t , m e d i c a lt r e a t m e n ta n dh e a l t hp r o t e c t i o ni na l l l e v e l s ，s o m u c ha si n b u s i n e s s s e c o n d l y , a n a d v a n c e di n s t r u m e n tm a n u f a c t u r e t e c h n o l o g y 弋巧r n l d li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n dv i r t u a li n s t a u m e n tb a s e o ni tw e r e i n t r d u c e d t h ea u t h e ro f t h ep a p e rd e t a i l e d l yi n t r o d u c e dt h ei d e a , d e v e l o p m e n t ，p r o g r e s s ， s y s t e m i cs t r u c t u r e ，s p e c i a l t i e so f v i ，c o m p a r e di t 丽mt r a d i t i o n a lh a r d w a r e i n s t r u m e n t a n ds t a n d e do u ts u p e r i o r i t i e so f v i a tt h es a m et i m e ，t h ea u t h o rb r i e f l yi n t r o d u c e dt h e v t r t u a le c g a n a l y z e rt h a tf o r m e du s i n gv it e c h n o n a g et om e d i c a li n s t r u m e n t t h e e c gd a t a - i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m s c o m p o s i n g ，p r o g r a m sm o d u l ea n d p r e c e s so f d e v e l o p m e n tu s e di nv i r t u a le l e c t r o c a r d i o g r a p hw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o ru s e dt h es o f t w a r ed e s i g na p p r o a c h o o p ，t h r o u 曲 d e s i g n i n gt h ed a t a b a s em o d u l e ，p a t i e n t s i n f o r m a t i o ni a c l u d eb a s a li n f o r m a t i o no f p a t i e n t , c l i n i c a li n f o r m a t i o ns u c h 蹈s y m p t o ma n dc o u r s eo fd i s e a s e s ，e c gd i a g n o s t i c i i 重庆大学硕士学位论文英文摘要 r e s u l ti n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n de d i tm o d u l e ，s y n t h e t i c a lq u e r ym o d u l e , s t a t i ca n d p r i n tm o d u l ea n da s s i s t a n tf u n c t i o nm o d u l e , a n dr e a l i z e dh e a r td i s e a s ep e o p l e se c g a n dc l i n i c a li n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，o r g a n i z e ，s a v i n g ，s y n t h e t i c a lq u e r y i n g ，s t a t i ca n d p r i n t i n g a tt h el a s to ft h ep a p e rt h ea u t h o rd i s c u s s e dt h ef a r t h e rd e v d o p ec o n c a v e t h a te n l a r g et h ee c gd a t a - i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e ma sae c gd a t a b a s ea n d s e n di tt ot b ei n f o b a h ni nv i r t b eo f m o d e mn e t w o r kt r a n s m i s s i o nm e a n s k e y w o r d s ：e c ga n a l y z e r ，e c gi n f o r m a t i o n ，v l r t u a li n s t r u m e n t ，m a n a g e m e n ts y s t e m 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 2 1 世纪的人类社会被誉为“信息社会”，数字化、信息化、网络化、高科技化 已成为社会发展的基本特征。特别是随着2 0 世纪9 0 年代r e m e t 等现代信息技术 的飞速发展，计算机科学技术在社会、经济、科技、文化以及医药卫生等诸多领 域发挥着越来越大的作用，以计算机为主体的现代信息技术与现代医学科学的结 合愈加密切，这不但催化了一个颏的学科医学信息学的诞生【i ，还使得以医疗 卫生为主体的各级单位、部门、机构纷纷投入人力、物力、财力致力于各项信息 及信息管理系统的研究与开发。另外，随着社会的发展，人们也越来越关心自己 的健康，生物医学的异军突起，人口老龄化的不断加剧，临床医学上产生的新数 据与新知识数量庞大，越加难以把握，因而长期、可靠的保存和管理这些资料显 得极为重要，重要疾病数据库建设、临床医学信息的搜集、组织、加工、转换、 传递和利用需求急剧增长，医学信息管理工具也应运而生。开发心电图数据信息 管理系统正是适应各级医疗部门信息化建设与临床医学科学发展的需要，将心血 管病科临床诊疗活动产生的大量临床信息进行搜集、存储、整理和利用，不仅适 应各级医疗单位“以病人信息为中心”的管理信息化建设目标，更主要的是起到 应用信息技术发现强化医疗护理、生物医学科学探索的新方法与临床技巧，以促 进医学基础知识的应用及改善医疗服务水平的作用【l 】。 1 1 开发心电图数据信息管理系统的意义n ”叫 心电图是临床上非常实用的一种无创伤检查手段，是记录心脏屯活动简单而实 用的方法，也是心血管病科最常用的检测诊断技术。在美国和欧盟两地，每年用 作常规诊断和筛检目的的心电图检查超过1 亿次。经过大量的临床研究，心电图 已经成为心血管疾病诊断的重要方法，对许多病人，它能准确诊断患者在解剖、 代谢、电解质以及血流动力学等方面的异常。例如结合临床病理资料，它对心脏 肥大、心肌梗塞及其梗塞部位具有决定性的诊断价值。对某些心脏疾病，如心肌 炎、心包炎、药物中毒等引起心脏病变的疾病具有辅助诊断意义。而对某些心脏 病，它是诊断的特异性指标。心电图的变化常常预示着心脏病交的发展变化，医 生也常常根据心电图的变化来调整治疗方案。对心律失常病人，心电图还是诊断 的金指标既 随着现代高科技和计算机技术飞跃发展，心电信息的采集、数字处理、测量 等技术问题和标准化问题已基本解决，特别是数据库技术的发展，使得信息、数 据的大容量存储、快速查询、准确统计成为现实，为目后对资料作分析、研究、 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 病员复诊时查阅以及根据需要作出不同预期的统计、估计提供了极大方便。 心电图是心脏病学中使用计算机自动分析系统较活跃的两个领域之，随着 与计算机技术结合研究的深入，心电图的自动分析系统亦日趋完善，它们对一心血 管疾病的诊断和疗效判定、预后起了重要作用。 随着人口老龄化的加剧，心脏疾病的患病率越来越高，已成为发达国家和发 展中国家的患者早残、早天的重要因素，在我国，据统计中国目前有1 亿以上的 人患有高血压病，同时，每年大约有7 5 万人死于心脏病，心血管疾病的患病率在 逐年上升，而且呈低龄化趋势。而在心脏病患者的人群中，除了缺血性心脏病、 心力衰竭、心律失常这三种主要类型外，还有越来越多患有先天性心脏病的儿童 或心脏手术后需长期护理的病人，尤其需要监测病情的发展变化【l 】。因为心脏的生 理过程易于用物理、生化和数学术语表达，心脏病方面的数据容易定量与编码， 所以通过现代信息处理技术来收集、整理、储存、检索、分析和利用临床活动产 生的心电图数据信息来为临床医生的诊断治疗服务，具有重要的实用价值和切实 可行性。开发临床心电图数据信息管理系统，其意义在于除了能为医院的信息化 建设和现代化管理打下坚实的基础，科学存储便于管理与快速准确查询外，更重 要的是它还对医学科研、临床医疗、医学教学有着突出的作用。特别是基于临床 检查、检验的图形、图像的立体信息与数据，其在这三方面的作用更加明显。 1 1 1 在科学研究上的作用n ”1 临床心电图数据信息管理系统是庞大医学信息库的重要组成部分，是医师在 临床医疗工作中以患者或可能成为患者的人群为对象，以疾病的病因、诊断、治 疗、预后等临床现象为内容的疾病认识过程的系统总结。这些总结是l 临床医学科 研的信息来源，又为医学科研提供佐证。系统中收录患者的心电图数据信息及其 相关病史、症状、体征客观地展现了特定疾病状态或不同疾病状态下的各种心电 图特征和表现，通过这些表现： 可以评估心电图在预测冠心病、高血压的发病、致残及猝死方面的能力； 可以评估心电图在检测冠心病高危患者的价值： 可以调查和评估心脏病患者心电图的性别差异； 可以确定入选一级预防试验的非冠心病人群的心电图标准和入选二级预防的心 肌梗死患者的心电图标准； 可以研究疾病自然病程中的心电图演变。等等。 另外，临床心电图数据信息系统中包含明确的临床诊断依据，可以此建立某 些疾病( 如心肌梗塞、心力衰竭等) 的心电图诊断标准或者探讨和评价心电图的某些 参数指标的临床价值。同时研究人员也能真实地了解心电图检测技术对某种疾病 的诊断所能提供的信息。 2 重庆大学硕士学位论文i 绪论 1 1 2 在医疗中的作用 临床心电图数据信息管理系统是宝贵的医学财富，它的内容都从临床诊断活 动及检验而来，依靠计算机的硬件存储设备将大量心电图及其相关信息作为资料 在临床心电图数据信息管理系统中长期保存并保持高清晰、无失真、动态显示， 患者的各项信息尽可能完整地保存并被方便快捷的调用、查询，同时，其中多种 多样的心电图特征和对应患者的相关临床病理资料在医疗中可同时发挥病历档案 的作用，为日后病员复诊时面向医务人员、医疗管理人员和病人提供医疗信息服 务，为其就医导向，使医务工作者能在面对一个患者的时候，从整体考虑，系统 组织各个方面的协调运行，从而达到最佳的医疗水平。必要时对某些患者还可按 预定计划定期将心电图录入信息管理系统，以便进行不同时期心电图的比较及调 查心电图变化与临床病理资料的关系。 1 。1 。3 在医学教学中的作用 医学教学尤其是临床医学教学与其他学科的教学有所不同，它不仅仅是医学 原理、医学理论的学习与传授，更是一门具体的实践性学科，临床心电图数据信 息管理系统是一个临床医学信息库，在医学学生的自主学习和教师教学中，患者 的心电图表现、病理资料、个体基本信息、疾病发生及发展变化过程都是强有力 的病证，用这些信息作教学实践和学习内容，能达到传统教学模式所达不到的效 果 i 】。 总之，临床心电图数据信息是客观存在的事物与医学科学一起构成的整体，它 客观科学地描述某种疾病或不同疾病状态下的心电图特征和表现，特别是罕见病 例及疑难病例的各项信息都是十分珍贵的信息资源。它的开发，有对医学科学的 发展承上启下；对医学科学研究提供佐证；更能客观认识疾病并对其有效防治： 培养造就医学人才的作用。同时这也符合现代医学的一个新的发展趋势循证 医学h j 的基本思想。 1 。2 本课题国内外现状及前景畸3 m “1 医学是一门历史悠久的古老科学，距今已有几千年的历史，计算机科学、信 息科学与医学的结合只是近几十年的事情。医学计算机的早期研究是尝试建造医 师辅助决策系统，八十年代中期前后，以p c 机为平台的医学信息管理工具己开始 出现，象医院办公自动化系统，病人监控系统和咨询系统等已在医学实践中得到 应用。美国国立医学图书馆( a m e r i c a nn a f i o n a ll i b r a r yo f m e d i c i n e ，n l m ) 还开 设进修培训项目，目的是使参与其中的临床医师和研究人员增强信息化意识。随 着信息技术、h a t e r n e t 、无线通讯技术的成熟，以及这些技术的有机结合，远程医 疗系统、远程辅助教学以及在医疗卫生系统中进行综合的信息管理将得到更加频 重庆大学硕士学位论文1 绪论 繁和广泛的使用。 欧美等发达国家对于医学信息及临床医学信息的研究、教育和训练以及医学 信息系统的开发、建设与应用非常重视，美国印第安大学医学分校用计算机化的 电子病历预测早期心脏病人的死亡率，美国国家卫生院以及美国心、肺、血液研 究院通过指导和规划的几个著名大规模心血管病流行病学病调查和临床试验( 例 如c h s 、a r i c 、n h e a n s 2 、f r a m i n g h a m 心脏研究) ，开发了世界上样本量最大 的国家级心电图数据库，这个数据库为医学研究人员提供了丰富的心电图资源。 我国于1 9 8 1 年成立的中国医学信息学协会( c h i n am e d i c a li n f o e m a n i c s a s s o c i a t i o n ， c m i a ) 对于信息技术( i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，i t ) 在医药领域中的应用起了极 大的推动作用。在我国，医院信息系统已初具规模，尤其是随着国家金卫工程和 军卫工程的展开，许多医院建立了医院范围的信息系统，为我国的临床医学信息 及电子病历的研究和应用奠定了基础。香港医药管理局从1 9 9 4 年起就建立了一套 临床信息与管理系统【1 】，帮助医护人员的日常临床工作，广泛受到医护人员的欢迎。 从目前的资料来看，对心血管病的各类数据信息的采集处理均已有相应的智能系 统进行。有教学辅助型专家系统如心音学、冠心病、心脏查体等教学光盘在市面 上销售。国内刘德新等利用f o x p r 0 2 5 bf o r w m d o w s 软件建立了7 0 4 例充血性心力 衰竭( c h f ) 患者的临床资料数据库并用于总结分析临床资料取得了良好的诊疗效 果【1 ”。但在基于临床治疗活动及心电图记录分析上的临床心电图数据管理信息以 及具备一定量样本数的心电图数据库的开发、利用、研究这一领域与欧美等发达 地区存在巨大差异，还面临着严峻挑战。 伴随全球信息化浪潮，我国医院信息化建设正在不断的向深度和广度推进， 信息化的遗位和重要性日益突出，醚着医院管理和应用的不断深化，将信息化建 设放在不可迟缓的位置势在必行，广泛应用信息才能使医院实现跨越式的发展。 众所周知，信息技术的飞速发展导致信息经济的产生以及整个社会的信息化，医 院也不例外，信息技术、生物工程技术和新材料等高科技在医学领域的应用日益 广泛，伎医院的医疗管理、患者的诊断治疗手段发生了根本改变，极大的推动着 医疗大跨步发展。从信息的角度看，医疗的发展更多的要依赖于医院的信息系统 特别是基于临床活动的医学信息的综合应用。可以说，医院的信息化程度的高低 将是衡量医院综合实力和竞争能力的重要指标。而医院的信息化建设是以各临床 科室的信息化为基础的。临床医疗信息的应用，不仅能够促进医院的信息化建设 和现代化建设，而且可以提高医院的经营质量和效益，医院作为科学知识集中、 高技术密集、知识更新频繁的特定知识载体和知识性企业，必须通过信息化建设 和信息的应用来增强发展医疗科技。 4 重庆大学硕士学位论文2 心电图数据信息管理系统的技术支持 2 心电图数据信息管理系统的技术支持 开发心电图数据信息管理系统的直接目的是为自主研发的虚拟式心电图仪提 供，i i , 电数据管理子系统，以实现医院信息共有化、临床工作效率化，促进以病人 为中心的服务质量，为临床医疗、教学、科研提供丰富的心电图资源及方便、及 时、准确的信息检索方式。心电图数据信息管理系统，是一项信息化技术的运用， 这种运用以信息系统原理、数据库技术及数据库访问技术等为支持，以下就系统 所用的这几种技术中的相关内容分别作简要介绍。 2 1 信息系统原理瞳7 j 2 8 3 2 9 3 系统是一系列相互作用以完成某目标的元素或组成部分的集合。元素本身和 它们之间的关系决定了系统是如何工作的。系统有输入、处理机制、输出和反馈。 图2 1 简要描述了医院内的心血管病科作为一个系统与其各元素之间的关系。 信息系统是一种专门类型的系统，是系列相互关联的可以收集( 输入) 、操 作和存储( 处理) 、传播( 输出) 数据和信息并提供反馈机制以实现其目标的元素 或组成部分的集合。基于计算机的信息系统是实现管理现代化的重要手段，是每 个企业成功的关键。它是综合了管理科学、信息科学、计算机科学与通讯技术而 应用于管理领域的一门新兴学科。医院的心血管病科作为一个信息系统的结构简 图如图2 1 示。 反馈有价值信息 病员 医师 护士 设备 诊断 手术 治疗测试检验 图2 1 系统简图 f i e , 2 1t h es i m p l ed i a g r a mo f s y s t e m 健康人 为社会提供服务 几乎每个行业或领域都会用到信息系统，计算机和信息系统在不断地改变着 组织经营交易的方式。今天，我们生活在信息经济社会，信息本身就具有价值， 企业通常交换的是信息而不是有形的商品，基于计算机的系统越来越多地被用作 一重庆大学硕士学位论文2 心电图数据信息管理系统的技术支持 收集信息、存储信息和传递信息的工具。投资者利用信息系统做出口几百亿美元 的决策，金融机构利用信息系统在全世界范围内调拨数亿美元的资金，制造商利 用信息系统比以前更快地订购和分销商品；运输行业利用信息系统以最少的成本 来管理资本、调度车辆、运送货物和服务；卫生保健组织利用信息系统诊断疾病、 制订药物治疗计划，并向患者收取费用：医院则利用信息系统来实现“以病人信 息为中心”的管理及服务目标，以减轻业务人员包括人事、财政、物资、医疗护 理的劳动强度，将医院各方面资源充分调配和平衡，以期达到最佳的经济效果， 使医院的全面管理水平和服务质量提升到更高层次。心电图数据信息管理系统是 医用信息管理( m e d i c a li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，m i m ) 系统的重要组成部分。 医院信息管理系统按照信息系统原理将一个医疗单位的所有工作涉及到的数据和 信息改造为事务处理信息、财务信息、物资信息、i 临床医疗数据信息和学术资料 信息等类型，基于虚拟式心电图仪的心电图数据信息拟采用临床医师检验、诊断 结论为数据库内容，它能提供的信息则属于临床数据信息，是临床医学信息的重 要组成部分。 2 2 数据库技术m 3 m 4 1 3 5 1 3 6 3 圳3 数据库技术从它诞生的那一天起，就成为实施数据管理最有效的技术，并发 展为现代计算机科学的重要分支。随着信息时代的到来，海量信息的不断涌现， 数据库及其延伸数据仓库成为当今信息存储的重要技术。数据库是将信息系统中 大量的数据按照其内在的逻辑关系，通过一定的模型组织起来，将其存储在计算 机存储设备中，实现对数据的有效存储、检索处理、科学管理，使信息系统能方 便地、及时地、准确地从数据库中获得所需的信息。在当今的知识经济时代，可 以说谁快速获得并掌握了信息，谁就获得了成功的先机，无疑数据库成为我们管 理与获取信息的使能技术，并发挥越来越重要的作用，推动着社会的进步。 数据库经过萌芽阶段、发展阶段到今天的成熟历经4 0 年历程，特别是从8 0 年代至今众多大型数据库系统，包括i b m 的d b 2 、微软的s q ls e r v e r 、s y b a s e 以 及i n f o r m i x 相继出现，使数据库呈现夺目的光彩，并已被广泛应用于企业管理、 交通、运输、情报检索、军工指挥、政府管理和辅助决策等方面，带来巨大的经 济效益。 信息技术是2 1 世纪最有发展潜力的技术之一，数据库技术又是信息技术的基 础和核心，它是应解决多用户、多应用共享数据的需求而产生发展起来的。在解 决信息的获取、表示、存储、有效利用方面，数据库技术与手工操作和文件系统 相比具有些明显的优势。主要如下： 一重庆大学硕士学位论文2 心电图数据信息管理系统的技术支持 数据库中的数据是高度结构化的，并且集中统一管理，数据共享性好。数 据库中的数据井然有序，又是有结构的，不仅考虑了数据项之间的关系，还考虑 了数据类型之间的关系，从而反映出现实中的信息实体。数据由数据库管理系统 ( d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ，d b m s ) 统一管理。d b m s 既管理数据的物理结 构，也管理数据的逻辑结构；既考虑数据本身，也考虑数据之间以及文件之间的 联系。同时，数据的统一管理和结构化，在使用数据时就有很灵活的方式，可以 适应各种用户的要求，而且数据易于维护和扩展。这使得多种应用、多种语言、 多种用户可以相互覆盖地使用数据集合。 在文件系统中，一个应用程序面对自己专用的一个或几个数据文件，会有 数据的重复存储。数据库从整体上，即从全局来看待和描述数据，数据不仅面向 某一个应用，而是面向整个系统，这就可以大大降低数据的冗余度，既节约存储 空间，减少存取时间，又可避免元数据之间的不相容性和不一致性。数据库中的 数据是面向系统而不是面向应用的，因此数据库的数据比文件系统的共享程度商， 面向系统的另一个好处是信息结构稳定，易于扩展。 数据库把数据的定义和描述从应用程序中分离出去，数据库系统比文件系 统有更高的独立性。为了实现这种独立性，数据库往往拥有比特定应用更多的数 据，对于特定的应用只提供局部的逻辑结构，保持应用的逻辑独立性。数据的存 取由d b m s 管理。用户不必考虑数据存取路径等细节，从而简化应用程序的编写， 大大提高应用程序的开发效率和可维护性。 凌数据库系统具有较好的数据安全性和一致性维护措施。数据库系统都具有 特定的授权机制，防止非法用户的使用。在多用户操作的情况下，数据库可以进行 良好的数据并发处理，维护数据的一致性。 缀数据库对数据的存取不是以记录为单位的，可以操作记录的某些字段，方 便了外部应用对数据的操纵。 使用数据库系统，查询及统计迅速、准确，可以省去大量的纸面文件，提 高工作效率。 数据库系统是一个多级结构，需要定义各级上的模式，这就需要一组软件提供 相应的定义工具，另外，数据库为了保证其中的数据安全和一致性，还必须有一 套软件来完成相应的控制和管理任务，这样的软彳牛就称为数据库管理系统 ( d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ，d b m s ) 。d b m s 提供功能随系统而异，一般有以下 几方面功能： 戮数据定义功能：定义数据库的各级模式及各种数据库对象。 数据库管理功能：包括系统控制、数据存取以及更新管理，数据安全性及数 据一致性的维护。 重庆大学硕士学位论文 2 心电图数据信息管理系统的技术支持 数据查询及其它操作功能：能够从数据库中检索或更新数据。 数据库维护功能：包括数据库结构维护、数据备份与数据恢复及系统性能监 视等。 数据库系统是指带有数据库的计算机应用系统，它不仅包括数据库本身，即 实际存储在计算机中的数据，还包括相应的硬件、软件和各类人员。数据库系统 结构可用图2 2 来表示。 图2 2 数据库系统结构示意图 f i 9 2 2t h es t r u c t u r eo f d a t a b a s es y s t e m 数据库主要有桌面数据库、对象数据库和关系数据库服务器”。下面分别对 它们作一个简要介绍： 桌面数据库 目前市场上有m i c r o s o f ta c c e s s 、m i c r o s o f tf o x p r o 和b r o l a n d p a r d o x ，它们 都是将元数据存放在自己的i s a m ( i n d e x e ds e q u e n t i a la c c e s sm e t h o d ) 数据文件 里这些数据文件都是可自描述的，使各种应用程序能够访问桌面数据库里的数 据。桌面数据库一般能提供标准的数据管理( d b m s ) 功能，例如数据定义、查询、 安全以及维护等，为了提高记录的查询速度，桌面数据库要数据增加索引，并使 用i s a m 。桌面数据库的i s a m 文件可以通过局域网( l a n ) 供网络上的计算机访问， 这统称为客户机服务器( c s ) 模式，但是通过l a n 访问i s a m 文件的能力和效率 是有限的，当i s a m 数据文件被通过l a n 访问时，数据要在客户机上进行处理，所 有数据和索引都必须从服务器端传送到客户机，造成了应用环境里数据吞吐量的 急剧增长。一般个人计算机数据库应用软件开发选择桌面数据库。 对象数据库 对象数据库比桌面数据库更迸一步，可在数据文件里存放操作数据的代码。对 象数据库一般绑定在特定的编程语言上。例如，c + + 的对象数据库直接支持c 什语 重庆大学硕士学位论文2 心电图数据信息管理系统的技术支持 言的类型系统，可以使用c 抖对象数据库在数据库中存储c + + 类的实例。由于对象 数据库同特定的语言紧密集成，所以它不便于其它应用程序的访问，另外，在c s 环境中，对象数据库同桌面数据库一样，具有效率和吞吐量的限制，不能充分利 用服务器的处理能力。 关系数据库服务器 关系数据库服务器在某些方面同桌面数据库类似，有自己的编程语言、解释 程序和数据类型，也集成数据和元数据。但是关系数据库服务器提供了桌面数据 库无法比拟的丰富功能、数据开放性、处理篚力以及吞吐能力，它更适合c s 体 系结构。关系数据库服务器因为充分利用高性能服务器的硬件资源而具有性能高、 稳定可靠等优势，成为当前大型商业应用的首选数据库。目前流行的关系数据库 服务器有0 r a c l e 、s q ls e r v e r 、d b 2 ，这些系统各有千秋，需要根据具体情况和不 同需求进行相应选择。 数据库是以结构化的形式组织数据，既表达数据本身的内容，又反映数据间的 关系。它的实现完全依赖于数据模型( d a t am o d e l ) 的建立和转换。数据库系统中 模型分为两种类型： 概念模型 概念模型也称信息模型，主要用于数据建摸，是用户与数据库设计人员间进 行信息交流的语言。 数据模型 主要按计算机系统的观点对数据建模，是计算机识别的语言，需要严格的形式 化定义。数据库领域中最常见的数据模型有三种： 1 ) 层次模型( h i e r a c h i c a im o d e l ) ：此模型中表达了实体( e n t i t y ) 间的树状关 系。 2 ) 网状模型( n e t w o r km o d e l ) ：此模型中表达了实体间的网状关系。 3 ) 关系模型( r e l a t i o n a lm o d e l ) ：此模型中使用二维表来表达实体间关系，是 发展最为完善、应用最广泛的数据模型。 2 2 1 关系数据库 关系数据库是在7 0 年代随着关系代数的发展而发展起来的。它是以关系模型 为基础的数据库，利用关系来描述现实世界，一个关系既可用来描述一个实体及 其属性，又可用来描述实体间的联系，关系实质上就是一个二维表。 关系数据库具有以下优点： 关系数据库建立在严谨的数学理论之上，其结构单一，在用户看来，数据的 逻辑结构是一张二维表，数据通常具有更高的准确性，这样组织数据的系统，性 能也最稳定。 重庆大学硕士学位论文 2 心电图数据信息管理系统的技术支持 关系数据库标准是由国际化标准组织( i s o ) 和美国国家标准协会( a n s i ) 共同制定的。支持标准s q l 语言。而使用s q l 语言，便于定义和操作数据以及数 据的维护，专门的查询工作也非常简单，容易设计复杂的数据查询来检索数据。 便于修改数据库结构，不同的关系数据库实现之间便于实现相互转换。 有众多可供选择的开发商，包括o r a c l e 、m i c r o s o f t 、i n f o r m i x 、i b m 和s y b a s e 。 容易实现数据完整性。实体完整性、参照完整性和用户定义完整性以及其它 约束条件能够很好地保护数据。 数据访问速度快，数据操作是以集合论为基础的集合操作，数据操作非过程 化，独立性高。 逻辑化表示数据，因此用户不需要知道数据是如何存储等细节。 关系数据库由三部分组成：关系数据结构、关系操作和关系完整性。 关系数据结构：在关系模型中，无论是实体还是实体间的联系均由单一的结 构类型即关系来表达。 关系操作：关系模型中的关系操作是高度非过程化的，用户只需指明系统“做 什么”，而无须提供“怎样做”。关系操作能力是和关系代数中的关系运算直接联 系的。关系操作方式的特点是集合操作，即操作的对象和结果是集合。这种操作 方式是一次一集合( s e t a t - a - t i m e ) 的方式，非关系型的数据操作则是一次一记录 ( r e c o r d - a t - a - t i m e ) 的方式。 关系完整性：关系模型有三种完整性要求：即实体完整性、参照完整性和用 户自定义完整性。 在关系数据库中有许多类型的对象。其中通用的对象有： 表( t a b l e ) ：是关系数据库中数据存储的主要对象，查询和修改数据的操作通常 是在表中进行的。 视图( e w ) ：视图是虚拟表，它是根据表的数据以及结构所定义的，具有表的 特性，视图可以查询，有时也可以进行数据的更新。 约束( c o n s t r a i n t ) ：约束是用来放置数据规则的对象，它可以用来控制列的数据 和加强引用完整性。 索弓 ( n d e x ) ：索引是用来加速数据检索的对象。 触发器( t r i g g e r ) ：触发器是数据库中用来保存程序代码的对象， 中发生的特定事件而触发执行的，它对减少冗余数据非常有用。 过程( p r o c e d u r e ) ：也叫存储过程，它是保存在数据库中的程序， 储过程是可以执行的，过程通常用来管理数据和进行批处操作。 它是由数据库 在数据库中存 表、视图、约束、索引是与数据库定义相关的对象，而触发器和过程则是访问 数据库对象的方法。关系数据库中的对象为用户提供了数据库的逻辑表现形式， 1 2 。重庆大学硕士学位论文 2 心电图数据信息管理系统的技术支持 这样使数据的物理位置对用户来说是不重要的。 2 2 2s g l 语言简介 结构化查询语言( s t r u c t u r eq u e r yl a n g u a g e ，s q l ) 是数据库应用程序开发的极 大的辅助工具，它是一种综合的、通用的、功能极强的关系数据库语言，1 9 7 4 年 由b o y c e 和c h a m b e r l i m 提出的，并在i b m 公司s a nj o s er e s e a r c hl a b o r a t o r y 研制 的s y s t e mr 上得到实现，1 9 8 6 年，s q l 成为国际标准，被几乎所有的关系数据库 系统所支持。其特点是： 一体化特点：s q l 可以实现定义关系模式、录入数据、建立数据库、查询、 更新、维护、数据库重构、数据库安全性控制等一系列操作要求，集数据定义语 言( d d l ) 、数据控制语言( d c l ) 和数据操纵语言( d m l ) 为一体。 两种使用方式( 联机交互、嵌入式) 和统一的语法结构。 高度非过程化：只需向系统提供“w h a tt od o ”，无须指定“h o wt od o ”，这 个过程由系统自动完成。 语言简洁，易学易用，核心功能8 个动词，如表2 1 所示。 表2 1s q l 语言 t a b 2 1s q l l a n g u a g e s q l 功能 动词 数据查询s e l e c t 数据定义( d d l )c r e a t e ( 定义) 、d r o p ( 删除) 、a l t e r ( 修改) 数据操纵( d m l )i n s e r t ( 插入) 、u p d a t e ( 修改) 、d e l e t e ( 删除) 数据控制( d c l )g r a n t ( 授权) 、r e v o k e ( 收回权限) d d l ：定义数据结构和数据库对象。 d m l ：用于对关系数据库中数据进行操作的语句。 d c l ：用于控制用户对数据的存储权利，用户对数据操作具有哪些权力是由数 据库管理员( d b a ) 来控制的，很多情况下着仅是政策问题而不是技术问题。关 于存储权限的控制则是由d b m