李俊蟠，李俊，胡仕芬，胡小平，劉斌杰

醫(yī)院信息化框架建設與系統(tǒng)規(guī)范化管理的研究

李俊蟠，李俊，胡仕芬，胡小平，劉斌杰

湖南中南大學湘雅口腔醫(yī)院黨政綜合辦（信息科） 中南大學湘雅口腔醫(yī)學院 湖南省口腔重大疾病與口腔健康臨床醫(yī)學研究中心，湖南長沙 410008

積極開展信息系統(tǒng)架構頂層設計對醫(yī)院和醫(yī)療行業(yè)向信息化全面轉(zhuǎn)型至關重要。只有提出可持續(xù)發(fā)展的設計思路、制定完善的開發(fā)維護規(guī)范、構建可擴展的底層硬件框架，才能為醫(yī)院信息化發(fā)展生態(tài)奠定堅實的基礎。公眾對公共醫(yī)療衛(wèi)生服務真正實現(xiàn)“科技惠民”的期待越來越強，社會各界不斷催促醫(yī)療行業(yè)加快醫(yī)療信息化轉(zhuǎn)型的步伐，推動著管理者探索如何高效地構建和轉(zhuǎn)化醫(yī)療大數(shù)據(jù)，同時也對加強信息化團隊建設和網(wǎng)絡安全保障提出新的要求。但由于各地區(qū)早期的開發(fā)方式和團隊技術并不相同，導致如今系統(tǒng)之間、醫(yī)院之間、區(qū)域之間難以順利銜接，因此盡早制定一個通用、標準化的“信息系統(tǒng)構架建設方案”并嚴格按照規(guī)范標準開展建設是當代醫(yī)院信息化工作者的重要任務。

信息化；系統(tǒng)架構；開發(fā)管理；硬件構架編排

“十四五”是落實中共中央國務院《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》[1]提出的完善人口健康信息服務體系建設和推進健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)應用的支撐保障要求的關鍵階段，也是《中華人民共和國基本醫(yī)療衛(wèi)生與健康促進法》[2]施行的第一個五年，其第四十九條提出“國家推進全民健康信息化，推動健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)、人工智能等的應用發(fā)展，加快醫(yī)療衛(wèi)生信息基礎設施建設，制定健康醫(yī)療數(shù)據(jù)采集、存儲、分析和應用的技術標準，運用信息技術促進優(yōu)質(zhì)醫(yī)療衛(wèi)生資源的普及與共享?？h級以上人民政府及其有關部門應當采取措施，推進信息技術在醫(yī)療衛(wèi)生領域和醫(yī)學教育中的應用，支持探索發(fā)展醫(yī)療衛(wèi)生服務新模式、新業(yè)態(tài)。國家采取措施，推進醫(yī)療衛(wèi)生機構建立健全醫(yī)療衛(wèi)生信息交流和信息安全制度，應用信息技術開展遠程醫(yī)療服務，構建線上線下一體化醫(yī)療服務模式”的重點工作任務；國家相關部門也接連頒布《網(wǎng)絡安全法》《數(shù)據(jù)安全法》《個人信息保護法》對信息安全提出更高要求，國家衛(wèi)生健康委員會也發(fā)布了《醫(yī)療衛(wèi)生機構網(wǎng)絡安全管理辦法》等一系列管理辦法，以保障醫(yī)療信息化與信息安全穩(wěn)步并進。

1 醫(yī)療信息系統(tǒng)架構發(fā)展

信息化浪潮來臨時，各醫(yī)院都在“摸石頭過河”，使用不同的方式不斷試錯和探索，現(xiàn)階段發(fā)展模式可分為三個時期[3]。初期：以醫(yī)院信息系統(tǒng)（hospital information system，HIS）或臨床信息系統(tǒng)（clinical information system，CIS）為起點，根據(jù)不同學科和業(yè)務流程拓展出電子病歷系統(tǒng)（electronic medical record，EMR）、實驗室信息系統(tǒng)（laboratory information system，LIS）、影像學歸檔與通信系統(tǒng)（picture archiving & communication system，PACS）等功能精專的獨立系統(tǒng)；中期：為整合龐大的醫(yī)療數(shù)據(jù)和眾多子系統(tǒng)，逐步演化出集成平臺等應用層中間件，實現(xiàn)系統(tǒng)標準化規(guī)范的“院內(nèi)大一統(tǒng)”目標；后期：大環(huán)境形成良好支撐力，絕大多數(shù)系統(tǒng)已完成標準化改造，國家醫(yī)療保障平臺、移動支付平臺等外部系統(tǒng)也逐漸以“平臺即服務”模式（platform as a service，PaaS）和“軟件即服務”模式（software as a service，SaaS）接入到醫(yī)院內(nèi)部。

系統(tǒng)建設發(fā)展中總是面臨著諸多問題，不同學科之間專有軟件和系統(tǒng)層出不窮、形態(tài)各異，各科室向醫(yī)院提出更多個性化的開發(fā)定制需求，醫(yī)護希望的實現(xiàn)方式通常以其主觀認知和最簡化的使用習慣為導向，在一定程度上與已制定的信息化規(guī)范相矛盾，因此結合發(fā)展各階段的問題和普遍矛盾現(xiàn)象，本研究對目前醫(yī)療信息系統(tǒng)發(fā)展進行分析，劃分為以下五個步驟，見圖1。

1.1 啟動階段

在信息化剛開始融入醫(yī)療行業(yè)的起步時期，醫(yī)院缺少自己的信息化團隊，基本采用按需采購成型產(chǎn)品的簡單供求模式建立起第一個綜合信息系統(tǒng)——HIS。因早期信息化需求點較少，流程復雜的業(yè)務因大環(huán)境信息化支撐不足，并未能脫離線下手工操作，所以此時的HIS僅需搭建獨立數(shù)據(jù)庫和單個系統(tǒng)便可基本滿足信息錄入、掛號預約、診療開單、病歷電子化、計費繳費、醫(yī)院報表等簡單的業(yè)務閉環(huán)功能。此時醫(yī)療行業(yè)信息化規(guī)范尚屬空白，不同地區(qū)開發(fā)廠商水平和設計思路也不一致，不同廠商系統(tǒng)產(chǎn)品的隨性開發(fā)方式遺留“接口不統(tǒng)一、傳輸不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)不統(tǒng)一”的詬病，最終造成信息化發(fā)展中多系統(tǒng)間“新需求與加接口齊飛”的高內(nèi)耗局面。

圖1 醫(yī)療信息化系統(tǒng)發(fā)展階段

1.2 擴充階段

步入醫(yī)療業(yè)務高速發(fā)展時期，業(yè)務流程的精細化演變對信息系統(tǒng)提出更高的要求，更多的業(yè)務場景急需向信息化系統(tǒng)遷移，如網(wǎng)上預約掛號、標準化電子病歷、電子化驗單、網(wǎng)絡電話回訪、手術管理排期、床旁系統(tǒng)、電子化病案、慢病追溯、耗材藥庫管理、影像歸檔管理、科研統(tǒng)計系統(tǒng)等，單一的HIS首次面臨猛增的醫(yī)療數(shù)據(jù)和需要新增的功能需求，這要求系統(tǒng)提供的算法處理能力和數(shù)據(jù)時空復雜程度陡然增加，因此根據(jù)不同的學科分類和功能區(qū)別，又衍生出四大系統(tǒng)——CIS、EMR、LIS、PACS，較大規(guī)模的醫(yī)院同期也對人力資源管理系統(tǒng)（human resource manager，HRM）和醫(yī)院資源規(guī)劃系統(tǒng)（hospital resource planning，HRP）等管理類系統(tǒng)進行了獨立建設。

1.3 解耦階段

隨著醫(yī)院醫(yī)療業(yè)務涉及面擴大和各專業(yè)專科迅速發(fā)展，不同科室甚至亞?？崎g不同特色造成的系統(tǒng)功能需求差異逐漸凸顯，以科室為單位出現(xiàn)自下而上的信息系統(tǒng)分化，實現(xiàn)方式參差不齊的設備軟件、醫(yī)技系統(tǒng)、獨立功能模塊也需要接入醫(yī)院的整體信息框架中，此時衍生出叫做“系統(tǒng)集成平臺”或又稱“系統(tǒng)調(diào)度平臺”“接口統(tǒng)一平臺”的第三方中間件，而這個中間件（后稱集成平臺）即是解決多系統(tǒng)之間不規(guī)范的接口無法快速對接、數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一的“調(diào)解員”，只需對原有系統(tǒng)各功能進行解耦和二次封裝，便可在集成平臺轉(zhuǎn)發(fā)出標準化輸入輸出的規(guī)范接口，而需要接入的新系統(tǒng)則可通過要求開發(fā)廠商使用醫(yī)院現(xiàn)有集成平臺的接口方式，約束其使用固定的接口規(guī)范和數(shù)據(jù)結構完成新系統(tǒng)建設，從而在開發(fā)建設階段避免接口標準不一致的問題。

1.4 集成階段

隨著我國醫(yī)療衛(wèi)生健康行業(yè)大環(huán)境的進步與現(xiàn)代化技術迅速發(fā)展，國家衛(wèi)生健康委員會的信息化建設思路也進入高速發(fā)展時期，伴隨著大量法案法規(guī)的頒布及大型信息化平臺的出現(xiàn)，醫(yī)院吸收轉(zhuǎn)化部分來自外部平臺的信息化標準規(guī)范。國家醫(yī)療保障電子平臺、移動支付平臺、區(qū)域化醫(yī)療平臺、病案上報平臺、公立醫(yī)院績效考核平臺、財政上報平臺的出現(xiàn)，以PaaS模式被動約束醫(yī)院使用接口的唯一標準，也通過外部規(guī)范間接統(tǒng)一區(qū)域醫(yī)療機構的數(shù)據(jù)格式和標準字段，多單位醫(yī)療聯(lián)合體、區(qū)域醫(yī)療中心的現(xiàn)代化概念在信息系統(tǒng)有效打通后初見規(guī)模；而“微醫(yī)”“好大夫”等商業(yè)化平臺和各種醫(yī)療APP軟件的出現(xiàn)也給醫(yī)療行業(yè)帶來SaaS模式的運維全托管式快速入駐的概念。此時醫(yī)院在擁有集成平臺并改造好標準接口的情況下，便能快速通過內(nèi)外平臺雙向打通，輕松實現(xiàn)醫(yī)院與上級平臺或外部商業(yè)平臺的對接。

1.5 迭代階段

在醫(yī)院經(jīng)過足夠長時間的技術積累和主要業(yè)務系統(tǒng)迭代后，部分未成功更換的老舊系統(tǒng)和承載邊緣業(yè)務的單機軟件，出現(xiàn)因源代碼維護困難、數(shù)據(jù)結構化程度低、改造更新成本大、軟件臃腫、響應慢等直接影響業(yè)務流程的問題，此時應評估分析老系統(tǒng)需要延續(xù)使用的功能是否可以改造遷移，或?qū)⑦@些功能逐步在集成平臺上或其他業(yè)務載體中進行模塊化自制。

針對以上各階段的分析，本文提出一套動態(tài)的標準化、規(guī)范化建設思路和針對不同情況的解決方案。①可二次開發(fā)，直接模塊化部署：委托開發(fā)的項目可直接采用“解耦+集成”方式，在項目招標時約束開發(fā)方必須遵循標準化開發(fā)規(guī)范將產(chǎn)品拆解成模塊化插件，或給出集成平臺接口讓開發(fā)方面向接口進行產(chǎn)品二次封裝，項目進場后只需簡單調(diào)試便可實現(xiàn)向醫(yī)院大數(shù)據(jù)融會，且統(tǒng)一的接口規(guī)范也方便權限管理和內(nèi)部其他系統(tǒng)快速調(diào)用[4]。②無法模塊化部署，可逆向分析：某些國外的軟件產(chǎn)品或由代理供應商提供的系統(tǒng)，無法直接開展標準化改造，此類產(chǎn)品的底層算法邏輯和源代碼由開發(fā)方控制，代碼無法被供應商修改，此時可由醫(yī)院信息化團隊進行軟件逆向研究，在不違背原有合同條款和專利著作相關法律法規(guī)的情況下，對這些“黑盒”軟件系統(tǒng)開展逆向分析，通過對工作流程追蹤、功能點分析、數(shù)據(jù)庫審計、代碼逆向、功能復刻、模塊化重建、組件二次封裝等方式，逐步使用自主開發(fā)方式構建可平行替換的自主開發(fā)軟件。③無法模塊化部署，不可逆向分析：在某些特殊加密狗、代碼混淆算法的加持下，軟件系統(tǒng)或許難以逆向分析，即使分析抓取出部分代碼或邏輯也存在高度混淆導致可解釋性差，此時則可對整體軟件進行二次封裝，對內(nèi)保證原有操作邏輯和功能完整，對外則提供標準化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接，通過“內(nèi)外傳遞”的方式間接實現(xiàn)系統(tǒng)接口的標準化統(tǒng)一。

2 底層硬件架構編排

網(wǎng)絡設備和服務器作為信息化系統(tǒng)的硬件載體是信息化工作中的環(huán)境基礎，設計并編排出一套功能完備、拓展性強的底層硬件架構便是信息系統(tǒng)“摩天大樓”的堅實地基。為提升服務器設備利用率及優(yōu)化硬件編排管理，在系統(tǒng)客戶端完成向中心化集成平臺遷移的同時，也需要對后端承載架構進行革新，以保證底層硬件設備在生產(chǎn)過程中達到技術與時俱進、組織與管理簡便、設備利用率高的性價比最優(yōu)解。

目前存在于醫(yī)療行業(yè)的3種硬件編排方式見圖2。

2.1 獨立服務器

從20世紀90年代醫(yī)療數(shù)字化轉(zhuǎn)型起，醫(yī)院所使用最廣泛的承載方式便是“單服務器+單信息系統(tǒng)”的傳統(tǒng)架構，早期發(fā)展階段需配合聯(lián)動的系統(tǒng)并不多，醫(yī)療數(shù)據(jù)多為院內(nèi)電子存檔用途，因此“一機一用”的方式即可保證信息系統(tǒng)能獨占足夠的設備性能以保障業(yè)務高峰算力有足夠的冗余，也避免多個信息系統(tǒng)共處服務器時運行環(huán)境的相互干擾，但在醫(yī)院業(yè)務系統(tǒng)逐漸增多后服務器設備也相應增加，日常運維工作中便暴露出更新維護煩瑣、機房功耗過大、設備利用率低等問題。此時的最小劃分單元為單臺物理服務器。

圖2 底層硬件架構（均以3臺物理服務器設備為底層硬件）

2.2 虛擬化平臺

為提高硬件布局的合理性、提高算力的利用率，各大醫(yī)院開始組建虛擬化平臺，將多個服務器節(jié)點組成虛擬機集群，以此達到1+1>2的資源利用效果，通過對底層不同硬件的逐層虛擬化，可更自由地生成特定的虛擬機配置，從而對不同業(yè)務展開硬件定制，除占用空間龐大且小文件眾多的醫(yī)療影像數(shù)據(jù)采取單獨使用存儲服務器、分布式存儲服務器或S3云平臺托管，重要業(yè)務數(shù)據(jù)庫采用高性能數(shù)據(jù)庫獨立服務器，其他事務性相關的業(yè)務系統(tǒng)與自動化流程全可向虛擬機遷移，以此做到“高性能、高可靠、高穩(wěn)定”的優(yōu)勢，更合理高效地編排全院的計算資源[5]。此時的最小劃分單元為創(chuàng)建的虛擬機系統(tǒng)。

2.3 容器化技術

容器化技術吸取虛擬化的優(yōu)勢，使得硬件利用效率大幅提升，同時將業(yè)務系統(tǒng)中間層、依賴層、調(diào)度組件進行容器封裝，多個進程容器、依賴容器、組件包在合理有序的編排下，逐步組成一個完整的業(yè)務系統(tǒng)，使開發(fā)、測試、搭建、配置、管理更加便捷高效，管理人員可對某個獨立模塊進行單獨擴容、修改、替換，而不需要停機整個業(yè)務系統(tǒng)；如果醫(yī)院已擁有虛擬化平臺，容器甚至可使用嵌套虛擬化技術在虛擬機中部署[6]。此時的最小劃分單元為多個進程打包成的容器。

對比三種硬件編排方式，結合前述建設方案和解決方案，建議醫(yī)療信息化建設途中的硬件編排應盡量優(yōu)化性能利用率，并最大限度兼容部署軟件系統(tǒng)的模式。因此可按以下優(yōu)先級從高到底進行融合編排：①優(yōu)先構造虛擬化平臺，組成一個較大的虛擬機集群，通過“嵌套虛擬化技術”在集群內(nèi)搭建容器平臺，最終形成以虛擬化為基底內(nèi)建容器化的混合編排方式；②將已解耦、可模塊化部署的業(yè)務系統(tǒng)組件運行在容器內(nèi)并向集成平臺對接，而將無法解耦且需要另行外部封裝的軟件運行在虛擬機內(nèi)，再通過一個附屬于此虛擬機的封裝容器進行接口轉(zhuǎn)換，最終以暴露封裝后接口的方式對接進集成平臺；③重要敏感的機密數(shù)據(jù)應采用獨立服務器運行和管理，如接口集成平臺、數(shù)據(jù)存儲中心、核心數(shù)據(jù)庫等，可在獨立服務器部署，通過網(wǎng)閘、防火墻、審計設備等安全方式接入，同時可將重要的核心業(yè)務系統(tǒng)放置在高性能的獨立服務器用作備份容災方案，以便在現(xiàn)有融合編排架構面臨非可抗力災難意外宕機時確保核心生產(chǎn)業(yè)務和數(shù)據(jù)的安全性、可靠性和有效性。

3 醫(yī)院信息化設計思路

日常醫(yī)療業(yè)務場景對信息系統(tǒng)在線率和流暢度有著很高的要求，為與外部各種平臺保持互聯(lián)互通，要求其有足夠的包容性，能隨時接入新的外部接口或按要求對外提供醫(yī)療數(shù)據(jù)，需要有可靠的規(guī)范化管理方式。因此，如何設計高效可靠的信息系統(tǒng)，如何編排滿足業(yè)務長遠發(fā)展的底層硬件，是本研究的主要任務。本文圍繞普遍應用的HIS、CIS、EMR、LIS、PACS探索如下設計思路，見圖3。

使用開源容器化技術Kubernetes（k8s）平臺作為底層承載，可有效利用底層服務器設備的硬件性能，管理人員通過配置文件進行大規(guī)模批量自動部署，同時k8s在容災場景中具有天然優(yōu)勢，可做到全自動“彈性增配、負載均衡、容災拉起、無感遷移”，同時因內(nèi)部容器負載均衡的網(wǎng)絡完全可由k8s內(nèi)部虛擬網(wǎng)絡自動實現(xiàn)，在整體編排方案設計完成后極大簡化配置與部署過程。

圖3 整體結構編排

結合上文所述的應用層信息系統(tǒng)構架發(fā)展模式，建設過程中可使應用程序接口（application programming interface，API）模塊化與容器化相結合，使用單個容器模塊（pod）封裝某一模塊API，可在性能不足時自動實現(xiàn)新開容器，通過配置調(diào)度策略使此容器間在業(yè)務低峰時關閉多余容器騰出計算資源、高峰時期自動創(chuàng)建新的冗余容器，做到計算低谷時返還算力、業(yè)務高峰自動添加資源。

在以pod為單位自動負載均衡的API模塊的基礎上，以C/S構架組合各醫(yī)療應用層，使得開發(fā)運維者可按版本增量更新調(diào)試，并在多pod中采用逐個更新版本方式進行業(yè)務系統(tǒng)“零停機”和“無感升級”，而在出現(xiàn)升級故障或業(yè)務錯誤時，也可通過pod毫秒級回滾版本快速完成錯誤修正，更好地保證業(yè)務的連續(xù)性、安全性和可靠性[7]。

4 小結與展望

醫(yī)療衛(wèi)生健康的學科地位和復雜程度注定了它在從實體流程轉(zhuǎn)向信息化載體是充滿不確定性的，因缺少標準化的轉(zhuǎn)型方法作參考，其發(fā)展道路必然需要有充足的試錯和改進成本，積極探討制訂行業(yè)信息化標準規(guī)范、共同設計并開源相關基礎平臺、普及醫(yī)療信息化理念和先進技術便是當下的重要任務。如今的信息技術日新月異，當下日益壯大的通用型人工智能和生成式大語言模型也為互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)院、網(wǎng)上醫(yī)療平臺、智能醫(yī)療硬件的發(fā)展帶來新的機遇[8-12]，目前業(yè)界已出現(xiàn)在線智能問診、自動病歷提示插件、智能科研平臺等醫(yī)療與人工智能結合的產(chǎn)品，或許在不久的將來會有一款專屬于醫(yī)療行業(yè)的人工智能HIS能從一個全新的角度解開醫(yī)生與程序員之間的“技術隔閡”與“理解障礙”，為“醫(yī)、教、研”齊步發(fā)展帶來新的機遇。

但嘗試融入新技術時總是會面臨新的問題，想要在新技術出現(xiàn)早期就嘗試引入是個不小的挑戰(zhàn)[13]。作為信息技術與傳統(tǒng)業(yè)務的“擺渡人”，如何合理有效地引入新技術、如何高性價比地編排硬件、優(yōu)化構架、控制能耗，是發(fā)展道路上的重要課題，作為“醫(yī)信人”不但要解決現(xiàn)有信息化發(fā)展中遇到的問題，也要提前謀劃出一條適合醫(yī)療行業(yè)持續(xù)發(fā)展的道路，要做好底層設計與建設、把控好新技術的行為與邊界、制訂好統(tǒng)一的標準化建設規(guī)范，新時代的醫(yī)療信息化工作才能向著更好的方向發(fā)展[14]。

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[2] 佚名. 中華人民共和國基本醫(yī)療衛(wèi)生與健康促進法[EB/OL]. (2020-01-02)[2023-08-30]. http://www.npc. gov.cn/npc/c30834/201912/15b7b1cfda374666a2d4c43d1e15457c. shtml.

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（2023–06–21）

（2023–08–30）

R197.324

A

10.3969/j.issn.1673-9701.2023.28.027

胡仕芬，電子信箱：bilibili@csu.edu.cn