基于网格及IHEXDSXDSI技术框架省略协议的区域影像电子健康记录系统.doc

基于网格及IHEXDSXDSI技术框架省略协议的区域影像电子健康记录系统 27卷2期xx年4月中国生物医学工程学报Chinese Journalof BiomedicalEngineeringVol.27No.2Aprilxx:xx-08-09,修回日期:xx-11-08。 基金项目:上海重大科技攻关项目(05DZ19510)。 *通讯作者。 E-mail:jzhangmail.sitp.ac.基于网格及IHE XDSPXDS-I技术框架和协议的区域影像电子健康记录系统的设计与实现杨媛媛1孙健永1张凯1金金1何振宇1姚烨宏1于凤海1章成豪1郑西川2冯杰3沈伟珍4顾家多5张建国1*1(中科院上海技术物理研究所,上海200083)2(上海市第六人民医院,上海xx33)3(华东医院,上海200040)4(上海市彭浦社区卫生服务中心,上海xx35)5(上海市泗塘社区卫生服务中心,上海xx31)摘要:提出并实现了一种具有影像信息共享交换功能的区域电子健康记录系统(EHR),完全符合IHE XDSPXDS-I技术框架和协议,同时应用网格概念和SOA架构,实现区域间多家医疗机构的病人影像信息的共享交换和影像信息的预处理及智能流动。 该系统由病人基本信息主索引服务器、注册中心、存储池、网格服务器、安全服务模块、网关及网格代理结点、PACSPEMR工作站和医院现有PACS系统或医学影像设备及RIS系统等8个组件组成,解决了采用ebXML标准与注册中心、存储池的通信和PACSPRIS或其他现有影像信息系统只能通过DI标准和HL7通信相冲突的难题。 在上海市3家医院和科研单位进行了系统测试,主要有图像及报告的发布流程和用户的查询提取流程,结果表明该系统是在不增加网络带宽和存储资源的情况下,解决区域间影像信息共享交换的有效方案,具有安全可靠、可伸缩和易管理的特点。 关键词:电子健康记录系统;IHE XDSPXDS-I技术框架和协议;网格;ebXMLA GRID&IHE XDSPXDS-I TechnicalFrameworks BasedRegionalElectronic HealthcareRecord forImage SharingYANGYuan-Yuan1SUN Jian-Yong1ZHANG Kai1JIN Jin1HE Zhen-Yu1YAO Ye-Hong1YU Feng-Hai1ZHANG Cheng-Hao1ZHENG X-i Chuan2FENG Jie3SHEN We-i Zhen4Gu Jia-Duo5ZHANG Jian-Guo1*1(Shanghai Instituteof TechnicalPhysics,ChineseAcademy ofSciences,Shanghai200083)2(Shanghai SixthHospital,Shanghaixx33)3(HuadongHospital,Shanghai200040)4(Shanghai PengpuCommunityHealth ServiceCenter,Shanghaixx35)5(Shanghai SitangCommunityHealth ServiceCenter,Shanghaixx31)Abstract:A metropolitan EHR solutionbased onGRID conceptwith aservice-oriented architecture(SOA)waspresented.It wasfully alignedwith theIHE XDSPXDS-I integrationprofile andconsisted of the ponentsof thePIX,XDS-I Registry,Repository,Source andConsumer actors.It realizedseamless sharingimages andreportsacross themultiple hospitals and intelligentimage pre-fetching andauto-routing acrossmultiple hospitals.The systemsolvedthe contradictionthat themunication betweenPACS andRIS wasonly DIor HL7,while thesystemused ebXMLover secure.The solutionwas installedin threehospitalsandone datacenter inShanghai,andtested theperformanceof datapublication,user queryand imageretrieval.The resultindicated thatthesystemwas aneffective,scalable andsecure solutionfor regionalimplementation.Key words:EHR;IHE XDSPXDS-I;GRID;ebXMLR19713;TP391A0258-8021 (xx)02-0191-08引言随着各种医疗信息的数字化以及国际互联网相关技术的广泛使用,发达国家在逐步完成医院信息数字化建设后,正在加紧研究利用高速信息网建立广域网电子健康记录(electronic healthrecord,EHR)系统,其主要是将同一病人在不同医院中存储的信息资料通过高速网络(Inter或Private Network)进行关联,使病人的病历资料包括诊断报告、诊断记录、放射图像、化验信息等,在网络中随病人的就医状况和需求,在医院内部的不同科室、不同医院的信息系统以及不同医院之间进行相互调用,因此,迫切需要现有各医院的不同系统(PACS、RIS、HIS、EPR、图像数据备份中心等)集成并实现信息的共享交换,从而能有效地利用医学信息,提高临床诊断、治疗和健康服务的水平、质量与效率,并大大节约资源。 国际IHE组织于xx年8月推出的医疗影像信息共享技术框架协议IHE XDS-I(Cross EnterpriseDocument Sharing for Images),是用来指导和规范医疗影像信息在区域内、不同医疗服务提供方之间的共享交换技术架构和使用的技术标准,但由于区域电子健康记录系统是一个跨区域、集成数十家(未来可能达上百家)医院影像信息系统的海量医学图像/报告共享交换和备份存储系统,如何使不同厂商的医院信息系统统一按照IHE XDS技术框架定义的标准与其他系统进行交互,实现影像信息的可控流动、保证系统安全集中管理和不间断运行,是亟待解决的问题。 本研究结合网格概念,设计并实现了一种符合IHE XDSPXDS-I技术框架和协议的电子健康记录系统1。 1上海的医疗现状众所周知,上海的众多人口(常住人口1800万)居住地越来越远离市中心,而全市的480所医院及诊所不均匀地分布在19个城区,那些规模较大、医疗水平较好的医院大部分聚集在市中心。 这种区域间医疗水平的巨大差异和医疗资源的极不平衡已经愈加明显。 目前,上海正在发展以社区医疗中心(一级)服务为基础、地区中心医院(二甲或二乙)为依托、综合和专科(三甲)医院为支撑的三级医疗健康保障体系。 由于缺乏统一的规划和没有数字医疗(影像网络)系统(如EHR)的支持,在各医院的就医病人(包括医保病人)的诊治资料信息不能在这些医院共享并进行交换,往往重复检查,增加了病人就医负担和身体伤害,并造成医疗资源的浪费。 因此,政府采取了一系列措施,鼓励患者先就近到一级或二级医院就医,根据病情有必要的话再转院至二级或三级医院,同时启动关于电子健康记录系统的医疗信息共享交换项目,解决关键技术难题。 在此给出了由上海市科委基金支持的基于影像电子健康记录系统的项目在上海进展的情况。 2系统组成和架构区域电子健康记录系统可以从以下方面考虑: (1)系统依据IHE XDS-I技术框架和协议进行分布式架构设计。 IHE XDS-I技术框架和协议定义的角色主要有:IHE病人身份引用技术框架(PatientIdentity Cross-Referencing,PIX)定义的病人身份管理中心、注册中心(Registry)、存储池(Repository)、图像存储源(Source)和文档用户及图像使用者(Consumer)。 图像存储源是医疗图像服务的提供者,是图像文档的创建者和发布者,将图像文档及元数据提交到存储池注册,同时为图像使用者提供图像相关信息的提取服务;文档用户指参与图像数据交换的功能模块;图像使用者根据从存储池获取的图像位置信息,从图像存储源中提取图像及其显示说明、报告、关键图像注解、证据文档等。 (2)系统不仅集成现有各种影像信息系统,如PACS、RIS,还要在没有PACS的情况下集成医学影像设备和RIS。 (3)在有限的网络带宽下,采用基于JPEG2000的流数据传输和渐显技术来提高影像信息的快速提取和显示性能。 (4)系统的安全策略采用访问控制、医疗数据保护、用户认证和数字签名等技术。 (5)网格概念引入电子健康记录系统2,使得整个系统变成一个逻辑上高度集中和统一的/虚拟0超级PACSPRIS,使得系统更易于管理和控制。 所以,该系统的架构如图1所示。 192中国生物医学工程学报27卷图1基于网格和IHE XDS-I技术框架的EHR系统架构图Fig.1The architecturediagram ofGRID&IHE XDSPXDS-I TechnicalFrameworks Basedelectronic healthcarerecordsystem由图1可以看出,该系统分为8个主要组件和服务模块: (1)病人基本信息主索引服务器:实现IHE XDS技术框架和协议定义的PIX功能,存储病人在不同医院或医院不同系统的相关信息,并对病人进行验证、惟一性确认。 (2)注册中心:实现IHE XDS技术框架和协议定义的注册(registry)功能,分类存储和管理提交的影像及报告的元数据。 (3)存储池:实现IHE XDS-I技术框架和协议定义的存储池(repository)功能,存储和管理提交的影像及报告,为IHE XDSPXDS-I技术框架和协议定义的使用者(consumer)角色提供提取功能。 (4)医院现有PACS系统或医学影像设备及RIS系统:实现IHE XDSPXDS-I技术框架和协议定义的影像存储源(source)功能,提交影像及报告。 (5)PACSPEMR工作站:实现IHE XDSPXDS-I技术框架和协议定义的使用者(consumer)功能,为用户提取图像及报告。 (6)网关及网格代理结点:将DI标准及HL7通信传输的内容转换成ebXML标准或Web服务进行传输,或者将ebXML标准传输的内容转换成DI标准或HL7通信进行传输;可以和网格服务器、存储池作为中间件,集成多个PACSPRIS,实现IHE XDSPXDS-I技术框架定义的影像存储源(source)和使用者(consumer)功能,对注册中心发布共享图像和报告,从其他网关及网格代理结点提取影像及报告;可以实现影像存储源功能(source),为其他使用者(consumer)提供DI QueryPRetrieve和WADO方式的图像获取功能;可以实现IHE XDS技术框架定义的使用者(consumer)功能,为PACSPEMR工作站提供影像和报告的查询提取功能。 (7)网格服务器:管理和触发网关及网格代理结点间的影像数据流程,包括影像数据备份、影像数据智能流动、影像数据或网格消息跟踪等。 (8)安全服务模块:提供影像及报告文档的访问控制、影像数据完整性认证、用户认证等。 3系统实现311网络架构该系统由一个主控制中心、多个影像存储源和使用者结点组成。 主控制中心安装在上海技术物理研究所,而影像存储源和使用者结点安装在不同的医院。 图2给出了系统各结点的网络连接图。 在应用中,本研究计划联合6家医院和研究单位,主控制中心由病人基本信息主索引服务器、注册中心、存储池、网格服务器和一个PACS备份系统、网关及网格代理结点组成,影像存储源和使用者结点由一个网关及网格代理结点、一个工作站组成。 其中,网格服务器控制图像在医院及PACS备份中心流动。 1932期杨媛媛等:基于网格及IHE XDSPXDS-I技术框架和协议的区域影像电子健康记录系统的设计与实现图2EHR系统各组件的网络连接图Fig.2The diagramof workconnection andmajor ponentsof EHRsystemintegrating withPACS datacenter andhospitals.PACSPRIS图3工作站远程获取图像的实现过程Fig.3Data flowof JPEG2000progressive displayimplemented inthe XDS-I WSfor imageretrieval from a remoteXDS-I GW网关及网格代理结点作为影像存储源,通过DI标准连接医院PACS或医学影像设备,收集其共享的DI图像,同时通过HL7通信或Web服务连接RIS,收集其共享的诊断报告,并产生图像报表和元数据,发布到主控制中心的存储池。 另外,网关及网格代理结点为其他使用者提供图像的提取功能。 工作站作为使用者,从注册中心查询影像及报告的元数据,从存储池提取到图像报表和影像报告,解析图像报表。 对于本院的影像,直接从PACS或医学影像设备获取;对于其他医院的影像,则从其他194中国生物医学工程学报27卷医院的网关及网格代理结点获取。 在有限网络带宽的环境下,在工作站上采用JPEG2000图像渐显技术提高图像的提取响应速度。 图3显示了从其他医院网关中获取影像的实现过程。 312安全策略为了确保不同医院共享和提取影像信息的安全性和完整性,采用的技术包括:访问控制、单点登录、影像数据保护、医生对共享病人诊疗信息使用和调用的安全监控和跟踪等。 313中心管理平台研发了界面友好的中心管理平台来管理、控制和监控系统的主要组件,包括注册中心、存储池、病人基本信息主索引服务器、网格服务器、网关及代理结点。 该管理平台提供了共享的图像及报告文档提交、注册、提取的日志查询,也提供了系统存储的图像分布情况和病人基本信息的查询功能,同时可以单独对某一组件进行系统配置和管理。 4测试411临床测试环境及硬件配置在上海的3家医院通过互联网搭建了测试环境,网络带宽在200KBPs至300KBPs之间。 病人基本信息主索引服务器、注册中心、存储池、网格服务器和PACS备份中心、网关及网关代理结点安装在上海技术物理研究所医学影像信息学实验室,同时,在3家医院也分别部署了网关及网格代理结点。 这3家医院是:华东医院(三甲医院,拥有800张床位)、上海市第六人民医院(三甲医院,拥有1200张床位)和彭浦社区医院(一级医院,拥有50张床位)。 系统各组件的硬件配置如下: (1)注册中心:Dell PowerEdge服务器,双CPU,2GB内存,双NCI (2)存储池:Dell PowerEdge2850服务器,双CPU,2GB内存,双NCI (3)病人基本信息主索引服务器:Dell PowerEdge2850服务器,双CPU,2GB内存,双NCI (4)PACS备份中心:Sun FireV440服务器,双CPU,4GB内存,双NCI,存储容量为5TB的光纤存储系统(HDS AMS200) (5)网关及网格代理结点:Dell PowerEdge2850服务器,双CPU,2GB内存,双NCI,或Dell PowerEdgeSC430服务器,单CPU,2GB内存,双NCI (6)工作站:Dell DimensionPC,218G CPU,512MB内存,80GB硬盘容量412系统工作流程和影像信息传输性能41211影像的提交和注册流程PACS服务器或医学影像设备或工作站将共享的图像,通过DI C-Store标准发送给网关及网格代理结点;网关及网格代理结点本地暂存后,生成图像报表和元数据,采用ebXML标准提交给存储池;存储池存储图像报表,并将元数据通过ebXML标准发布给注册中心。 41212报告的提交和注册流程工作站或放射信息系统(RIS)将诊断报告打包成CDA格式,通过HL7通信标准发送给网关及网格代理结点;网关及网格代理结点将CDA报告封装成ebXML格式,并生成元数据,通过ebXML标准提交给存储池;存储池存储CDA报告,将元数据通过ebXML标准发布给注册中心。 41213影像及报告的查询提取流程网关及网格代理结点通过ebXML标准,从注册中心查询出相关文档,再从存储池中提取图像报表或诊断报告,然后解析图像报表,得到系列唯一标识号和提取的AETitle,从影像存储源中通过DIWADO方式(或DI C-Move方式,或基于JPEG2000的方式)获取图像。 在上述流程中,通过使用可扩展访问控制标记语言(extensible aesscontrol markuplanguage,XACML)实现医生用户接触病人信息的安全控制。 另外,为了在工作站显著提高影像的提取响应时间,开发了基于JPEG2000的流数据和图像渐显技术。 表1给出了在低带宽的网络环境下,不同设备产生的图像应用该技术后的提取响应情况。 由表1可以看出,网速为250KBPs的环境下,工作站从其它医院的网关及网格代理结点提取图像,在采用基于JPEG2000的流数据和图像渐显技术后,显示第一帧的时间均在1s以内,显示单幅图像的最大时间也在2s之内。 可见,应用了JPEG2000的图像渐显技术的电子健康记录系统具有更好的图像传输和显示性能。 413系统中心管理和安全管理平台电子健康记录系统采用分布式架构,影像信息分布存储在不同网关及网格代理结点(或PACS,或医学影像设备)上,这给系统的管理带来了很大难度。 因此,开发了中心控制单元,以管理各个组件的系统管理平台。 该平台具有友好的人机交互界面,不仅可监控到网关及代理网格结点的运行状态、查1952期杨媛媛等:基于网格及IHE XDSPXDS-I技术框架和协议的区域影像电子健康记录系统的设计与实现看注册中心和存储池记录的提交或查询的影像及报告文档日志,还可以在图4给出的网格代理结点配置列表和系统所连接的RIS(或工作站的配置列表)中进行配置管理,也可以查看系统存储共享图像的分布情况,如图5所示。 同时,开发了系统的安全管理平台。 图6显示系统安全管理平台界面,图7显示各组成结点安全策略配置界面。 表1工作站从异地网关及网格代理结点提取显示不同设备图像的测试结果Tab.1The testingresults ofprogressive transmissionand displayon differentkinds ofimages inEHR systemfromaremote XDS-I GWto aXDS-WS设备类型(原始图像大小P压缩图像大小)P(KBPKB)(单幅图像大小PKB)(图像数)网速P(KBPs)显示图像第一帧时间Ps单幅图像显示时间Ps所有图像显示时间PsCT515P10510516250118CT515P105105212501110CT515P105105212501111MR143P45 (6)46152501134MR142P50 (5)5013250113MR143P37 (4)37152501134CR7358P1938193812501128CR7358P193819381250129图4系统配置界面Fig.4The administrationtool GUIfor gridmanagement of XDS-I basedEHR5讨论目前国内某些城市正在建设的电子健康记录系统大都采用影像集中存储架构,这将大大提高网络带宽成本和存储成本。 据统计,上海市级23家医院xx年度影像产生量为50TB,按影像总量年增长率15%计算,则影像备份中心三年在线存储总量为17316TB。 假设这些图像每年平均被调用4次,并平均分散在全年250个工作日,则每天平均提取的图像总量为580GB。 但现在国际上尚未有能满足该性能的影像存储系统。 同时,不同存储技术和介质也直接影响存储成本,表2给出了使用不同存储介质(常用)成本P年表。 考虑到将所有图像进行集中存储对网络带宽资源需求巨大,带宽成本和存储成本极高;而我国大部分城市的医疗资源(医院分布)和病人需求(人口分196中国生物医学工程学报27卷图5系统存储共享图像的分布界面Fig.5The snapshotof theGUI ofimage distributionin somegrid nodes图6系统安全管理平台界面Fig.6The snapshotoftheadministration GUIof securitymanagement inEHR布)极不对称和平衡;同时国际IHE组织已于xx年8月推出医疗影像信息共享技术框架协议IHEXDS-I(Cross EnterpriseDocumentSharingforImages)Profile,并正为众多发达国家所采用。 因此采用网格1972期杨媛媛等:基于网格及IHE XDSPXDS-I技术框架和协议的区域影像电子健康记录系统的设计与实现技术按照IHE XDS-I技术框架和协议,设计并实现电子健康记录系统,进行影像信息的集中注册管理和分布存储,充分利用各医院已有的影像存储资源,在不增加网络带宽和存储资源的情况下实现区域医疗影像信息的共享交换。 图7各组成结点安全策略配置界面Fig.7The snapshotof secur