数据中心:新一代医院信息系统的核心架构

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我国医院信息化建设已经发展到以患者信息为中心的临床业务支持和电子病历应用阶段,医院信息系统运行环境非常复杂。充分利用数据中心关键技术,对于解决医院信息系统当前存在的大多数问题显然是有效的。

二十多年来,医院信息化建设包括计算技术、存储技术、集成技术在内的信息技术的各个方面都取了长足发展,相关技术和产品在医院信息化的各个环节也得到了不同程度的应用。在计算能力方面,越来越先进的PC级服务器系统和小型机计算系统进入到医院;数据存储方面,所有类型的大规模存储产品(无论是传统的SAN架构、IP构架还是IP-SAN架构)都在医院信息化中有了应用;应用开发方面,消息总线等应用集成手段也在应用开发中得到使用;其他如最先进的备份产品、电源产品、网络产品、安全产品等也在医院里经常可以看到。

虽然所有最先进的信息技术已经在医院信息化中得到了应用,但我们感觉医院信息应用在易管理性、实时性、可靠性、安全性、易扩展性等方面仍然存在着诸多问题。

本文尝试通过对医院发展到现阶段所遇到的主要问题进行深入分析,并借鉴其他行业成熟IT建设经验,来探讨医院信息系统建设中应用数据中心架构来解决相关问题的可能性。

当前医院信息化遇到的主要问题

1. 应用集成问题凸显

在医院信息化建设初期,同一产品提供商构架为医院的信息化提供了一种很好的解决方案,回避了各个系统模块的集成问题,并在很大程度上提高了医院在采购相关模块时的性价比。

不过最近几年,随着医院信息系统的发展从第一阶段以财务、药品和管理为中心的相关模块建设,转向以患者信息为中心的临床业务模块的发展阶段,医院在进行信息化建设中仍然采用同一产品提供商构架已经不再具有现实的可行性,它已不再是医院信息系统的典型系统状态。

如图1所示,医院信息系统横向由管理信息系统、临床信息系统两大体系组成,每一体系纵向又各自分为基础业务层、知识管理层和决策支持层三大体系。可以这样说医院信息系统的模块这几年的发展趋势可以总结为细分、专业、深化这六个字。特别是在临床信息系统方面,专业化的发展趋势特别明显。近年来专业的检验信息系统(LIS) 提供商、医学影像存储和传输(PACS)系统提供商、电子病历(EMR)系统提供商在行业里都已经形成了主流的厂商。从统计结果来看,这些医疗信息系统提供商专注于相关领域,且它们基本上都不属于传统的HIS厂商。为了采用更好的产品,医院在选择提供商时可能不得不选择这些专业提供商提供的性价比好的专业产品。

医院信息系统由单一厂商模式转变成多厂商模式后,应用的集成问题就凸显出来了。从图1和图2中我们已经发现医院信息系统各个模块(或子系统)之间并不是独立系统,它们之间具有不同程度的互操作性需求。图2示意了医疗服务业务平台(门诊和住院)中各个模块的相互关系。

在这种情境下,医院必须通过应用集成的手段来满足应用之间互操作性的需求,如果这种集成仍采用传统点对点的集成方案,那么随着业务系统的增加,其复杂度将使集成工作成为一种不可能完成的任务。所以现在业界已经引入了应用集成平台(包括消息服务总线等技术)来解决应用集成的问题。但从集成的层面而言,一般来说采用数据集成、界面集成、流程集成的综合方案是比较合适的。从近年的实践来看,现在独立应用的架构并不能很好的支撑应用集成的实现,即便是在引入应用集成平台技术以后。

2.多应用系统及其支撑环境管理维护问题日益突出

传统上,医院的信息系统是从简单二层系统发展而来的,对于二层系统支撑环境而言,数据库服务器、存储、前端客户机三个层面对于应用开发商来说是独立并且透明的。简单来说,就是用户提供了独立的数据库服务器、存储、前端客户机后开发商就可以部署相关应用系统了。

随着信息化建设的逐步推进,医院按照应用要求购置并部署了几十甚至上百个这样的环境。现在一个典型的三甲医院运行超过100个PC级服务器的不在少数,由于应用规模的不断增加,系统(包括硬件、系统软件、应用软件)的维护工作量剧增,甚至在小规模系统时代不用过多考虑的电源、网络配置等内容都成为具有不小工作量的日常任务。

由于每个应用都具有一定的独立性,即每个应用有自己的应用运行环境,这样每一个应用环境都有专门的要求,且这些应用之间还具有交互性,这样系统维护的复杂度较之HIS早期时代的维护工作量而言已经不再是同一个数据级的(大型医院IT部门需要管理上百台服务器、上千台终端已经不再是个别现象了),这对医院的IT部门来说是个不小的挑战。

随着应用数量的增加以及系统连续运行的时间增加,系统的数据量规模急增,从十几年前的几百兆,到现在上百T的数据量。在这样的应用场景下,如何很好的进行系统备份,以及出现故障后如何及时准确的恢复系统,以保证对业务的影响减少到最小程度,在实践中也是一件极具挑战的工作。

3. 应用系统业务压力增加,系统性能问题严重

近几年,随着医院本身业务的快速发展,医院的日门诊量、年出院人数、年收入等指标都快速增长。这样,对于医院信息系统而言,核心业务模块的压力增加很快。当前大部门医院的核心模块均出现了性能下降的现象,特别是在业务高峰时,如挂号、收费等窗口模块性能的下降甚至导致业务运转出现问题。

在OLTP(联机事务处理)设计的基础上来完成大量的OLAP(联机分析处理)应用的开发,也给系统的性能带来了新的问题。随着OLAP系统在医院内应用的增加,整体的系统性能问题日益突出。传统的HIS构架是建立在处理OLTP的基础上的,相对重视交易处理能力,对于大量的后台数据处理方面的考虑是不足的。当前以成本核算、绩效考核、数据挖掘等OLAP业务加载后,对系统的整体性能影响是比较大的。

当前各个主流厂商,也针对性能问题提出了各种性能优化的方案,但从实践的情况来看,总体效果有限,并不能完全满足实际业务的需求。

4. 系统运行环境复杂,保证系统可靠运行困难

当前医院信息系统运行环境十分复杂,具体表现在:内部子系统众多,且是异构的。这种异构性体现在应用软件、系统运行支撑环境等多个层面。

与其它行业现存的复杂系统相比,医院信息系统的复杂性在于整个系统构建一般是在没有总体规划和设计的基础上进行的。这种复杂性产生的来源主要是因为医院的信息系统模块(包括支撑运行的设备、网络等要素)是随着医院的业务需求逐步增加的,前面的模块在部署和交付时并没有考虑到后续模块的相关约束。当新模块上线时,不仅要受到自身运行环境的约束,同时还要考虑已经存在的系统的约束。

5. 业务数据敏感性提高,系统安全保护困难

医院的信息系统中因为医疗业务的需求,包含了大量的患者个人信息。这些信息的泄漏给公民生活带来严重影响。随着电子病历系统等在医院的进一步普及,卫生部也已经了《电子病历规范》等法规性文件,对于电子病历应用中对于个人隐私信息等的保护进一步提出了要求。

坦率地说,在传统的医院信息系统的构建中,安全环节特别是隐私保护无论是在业务规范和技术规范方面均处于一个较低的层次。当前系统的应用环境十分复杂,系统涉及内网、公网多个网络环境,系统应用人员众多,如何保证个人信息的安全的确是一个不容忽视的问题。

数据中心架构如何解决相关的问题

从主流厂商的观点来看,现阶段数据中心的核心技术主要包括以下三个方面。

第一方面,数据中心技术立足于标准可扩展的系统平台。这一核心技术可以帮助解决医院的应用不断增长的现实需求。这一技术主要体现在服务器刀片、存储刀片和电源刀片等,它的优势就在于根据数据中心业务系统的发展,它可以在高密度的基础上按需求逐步增加服务器、存储和电源等资源,实现节能、便捷、应变和精简的目标。按照这一技术要求,在数据中心建设初期对于OLTP和OLAP两类应用都应该有标准化、可扩展的解决方案,并且在OLTP和OLAP两类应用的基础设施的设计上存在着有机联系。在这一技术的支持下,各个应用的性能问题可能通过增加计算资源等方法系统的解决(当然不排除应用自身调优来作为补充解决方案)。

第二方面,绿色节能与动态散热是数据中心的另一关键技术。基于数据中心构架的应用今天所占用的能耗已经不再是一个可以忽视的数字了。按照传统方案,大量的服务器、存储设备、安全设备、空调设备对电力的需求,已经使数据中心的能力扩展受到极大限制。因此当前的数据中心从两个方面来处理节能的问题:一是使用低功率处理器、低功耗内存,到服务器与存储设备,再到主动式散热风扇等机箱级节能技术等;二是动态智能散热等数据中心级节能技术,借助安装在机柜上热传感器实时收集与传输环境数据的技术以及与数据中心制冷设备的动态互动控制,动态智能散热技术可以将数据中心的散热成本降低15%~40%,减少了二氧化碳的排放量。这两种技术的使用使医院在电力能力一定的情况下,数据中心的计算能力扩展提高到一个新水平。

第三方面,虚拟化技术。虚拟化概念的提出,最重要的一个原因是要提高IT资源的利用率。因为用户当初采购系统的时候,都是按照最高负载来采购的,但据统计实际的资源利用率不超过 25%。通过虚拟化技术把资源都利用起来,可以大大节约成本。

数据中心架构的主要局限

通过对当前业界数据中心技术的研究,我们认为如果充分利用数据中心的关键技术,对于解决医院信息系统当前存在的大多数问题显然是有效的。但我们同时也认识到,当前数据中心关键技术离我们所谈的数据中心架构的需求还存在着一定的距离,主要体现在以下三个方面:

1. 当前的相关技术还是重点关注在硬件和系统软件层面。

从这一点上来看,这些技术是独立于应用构架的,没有在整体上考虑。所以当前必须从应用的视角,基于数据中心核心架构来重新架构应用,才能充分应用数据中心构架的优势,从根本上解决一系列传统医院信息系统面临的挑战。这一方面,业界还是缺少足够的研究的。

2. IT产业链的协同在这个领域是缺乏的。

比如在基于数据中心构架的新一代医院信息系统中,必须提供根据不同应用提供可靠的备份和恢复技术。而传统的这两个领域的技术厂商往往比较强调相对独立性,要很好地把备份技术和恢复技术应用于新一代医院信息系统中,必须要进行协同研究。其他诸如安全、系统管理、存储技术等方面也存在着类似的问题.

3. 健康信息技术行业(HIT)与其他行业存在着较大行业差异。

医院信息系统按业务特性分成了多个业务群,与其他行业的应用聚合在相对集中的单个群相比,其复杂度更为突出。支持多个业务群应用软件的数据中心无疑面临更多挑战。

展望

从业务发展趋势而言,医院信息化未来一定会走向进一步专业化和细分化,这和整个医学发展趋势是相似的。在该业务发展趋势下,采用新技术构架是必要的,如果仍然沿用传统构建思路支撑这样一个既处于快速发展之中,又是高度复杂的系统显然是没有出路的。

数据中心架构是一种已经被大量成熟行业的IT应用广泛采用的大系统架构,采用这一架构做为新一代医院信息系统的核心架构应该是行业发展的方向。随着云计算等技术的发展,其进入医疗信息系统是必然的,而云计算是必须依靠数据中心的基础架构来支撑的。