医疗信息系统集成研究与实践
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赵晨晖，薛万国，史鸿飞，刘济全，吕旭东，段会龙
基金项目：国家“863”高技术研究发展计划资助项目（2006AA02Z348） ①浙江大学生物医学工程教育部重点实验室，310027，杭州市浙大路38号 ②总医院，100853，北京市海淀区复兴路28号院
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摘 要 为便于异构医疗信息系统实现协同工作和信息共享，设计了一种医疗信息系统集成平台。集成平台通过适配器与各种不同接口的信息系统交换消息，私有格式XML消息经过文档结构映射和术语转换进行规范后，从中提取临床数据存储到临床数据中心，并根据流程定义触发生成输出消息，输出消息转换成各系统能识别的私有格式消息后经由适配器到达各信息系统。基于该集成平台的集成方法可使集成接口不一致的信息系统实现互操作并实现系统交互流程的动态调整，还为临床数据中心提供了统一格式的数据源。 关键词 工作流集成 数据集成 集成平台 电子病历数据中心
大型医疗机构通常有二三十个以上的异构医疗信息系统来管理数据和流程以满足各科室的需求，这些信息系统往往是异构的、自主的、分布的、来自多个开发商，这给系统间的协同工作和信息共享带来了很高的难度。协同工作即通过信息系统之间正确的信息传递使多个系统协同完成同一个工作过程[1]，从而代替纸张传递信息的方式，避免数据的重复录入，促进医疗流程的优化；信息共享的最终目标是构建面向病人的完整临床数据中心，实现信息共享和综合利用[2]。
目前医疗信息系统的集成解决方案很多，通过数据库互相访问实现数据交换是最直接的一种方式，但系统间耦合度很大，缺乏通用性和性；通用的方式是通过健康信息层7（health level 7，HL7）、医学数字成像和通信（digital imaging and communication 但即便是采用HL7、in medicine， DICOM）等点对点的标准消息实现系统间的信息交换[3]，DICOM等通讯标准的系统，由于标准的灵活性和具体实现上的差异性，也无法实现即插即用的集成[4]；因此有些集成案例通过引入的标准消息中间件与各信息系统分别集成，避免系统之间的互相集成，降低集成复杂度，同时提供数据纠错功能屏蔽各系统实现上的Service服务中间件集成各信息系统分散的数一些差异[5]；或者基于虚拟数据中心和Web
据，并构建综合数据浏览视图进行集成表达[6]，但这种集成方式由于缺乏标准支持，需要被集成的各信息系统进行定制开发。
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1医疗机构在构建数字化医院时依然面临的集成问题
1.1如何访问完整的临床数据 医疗数据以私有格式分散在多个信息系统中，缺乏统一的信息模型、数据类型和术语定义，无法高效利用，而医疗机构希望在医护人员需要的时候 能够随时快速地访问完整的临床数据，从而利于做出最好的临床决策并减少医疗差错[7]。1.2如何连接不同接口的系统 让所有的系统采用统一的标准集成接口是不现实的，而且同一标准的不同版本甚至同一版本的不同实现都无法直接集成，比如同样采用HL7 V2.X的信息系统之间无法直接集成[4]，还有很多遗留系统根本没有系统集成接口，只能直接开放数据库。
1.3如何适应业务流程的变动 医疗机构的业务流程是动态变化的，随着新的检查设备、系统的引进及管理水平的提高，业务流程需要持续优化，这往往需要多个关联的医疗信息系统进行定制修改，代价很大。
1.4如何降低系统集成的复杂度 随着关联系统数量的增加，集成接口数量成指数级别增加[8]，整个系统的复杂度难以控制。
针对上述集成问题，本文提出了一种医疗信息系统集成解决方案，并设计了医疗信息系统集成平台，并通过一个系统集成案例阐述基于该集成平台的系统集成方法。 2 医疗信息系统互操作问题
互操作在IEEE标准字典里的定义是两个或多个系统交换信息并使用已交换信息的能力[9]。它包括两层含义：一是互相交换信息的能力，即能够实现句法级互操作；二是能够完全理解信息的语义并正确使用已交换信息而不需要人工参与，即能够实现语义级互操作。
2.1医疗信息系统互操作需要实现系统兼容的内容[10]
2.1.1句法兼容（数据结构和编码） 不同的系统可以用不同的数据结构和编码规则来表达数据，实现句法兼容需要消息交换双方拥有统一的数据结构和编码或者通过句法转换实现不同数据结构和编码间的互相转换。XML可扩展结构语言，加上多方面的延伸（如XML Schema用来定义文档结构，XSLT用来转换）提供了强大数据管理和转换的能力，并且没有可交换性和平台的制约，用于数据的表达是最合适的。
2.1.2本体兼容（类型层语义） 类型层语义异构在将概念硬编码到具体应用的过程中产生，如通过数据库模式表达概念。语义异构的映射是系统集成的一个基础问题，无法完全
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通过自动化来实现。这种语义异构只有在不同的厂商采用了遵循医疗信息相关标准的公共本体后才会减少。在医疗信息领域存在很多标准，要实现这些标准消息之间的映射，首先必须实现他们本体的转换，对已交换消息在不同的本体信息模型间进行对象和属性的映射。
2.1.3术语兼容（实例层语义） 如果类型层语义异构对应于数据库模式，那么实例层语义异构对应数据库中的内容，术语不兼容通常出现在运行时，由不同用户输入语义不兼容的数据造成。避免这种异构的一个典型的做法是使用受控术语、标准编目和各种分类（如国际疾病分类ICD，国际医学操作分类ICPM），目前医疗信息系统对术语系统的使用非常有限，实现语义级互操作必须对各数据进行数据类型和术语转换。 3 医疗信息系统集成解决方案
基于现有医疗信息系统的特点，为解决上述集成问题，本文提出了一种医疗信息系统集成平台的框架设计及基于该集成平台的集成解决方案，集成平台框架如图1所示。
图1 集成平台框架
3.1 系统连接 集成平台通过各种集成接口适配器与各信息系统连接，接口适配器通过某种协议与所连接的医疗信息系统通讯，如HL7 V2适配器监听网络上的HL7 V2消息，将接收到的消息保存成XML消息文件，在发送消息时负责根据XML消息文件组织HL7 V2消息并发送给对应的医疗信息系统，而Web Service适配器和数据库适配器分别通过网络服务
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和数据库对象的方式供医疗信息系统查询和写入消息。而对于一些不能开发集成接口的遗留系统，需要针对系统定制接口适配器。接口适配器输出的XML消息文件没有固定的文档结构（schema）要求，数据元素也没有统一的数据类型和术语表达，是与具体系统相关的私有格式的XML消息文件。
3.2 消息规范化和个性化 来自信息系统的私有格式消息在处理前需要转换成规范化消息，给信息系统发送消息前需要将规范化消息转换成各系统能识别的私有格式消息，这两个过程分别是消息的规范化和个性化过程。
私有格式消息与规范消息间的差异首先体现在XML文档结构上，通过XML文档结构映射编辑器进行人工匹配，建立私有格式XML消息schema与规范化XML消息schema间的映射关系，用可扩展样式语言转换（extensible stylesheet language transformation，XSLT）文件来表达，XSLT除了实现XML元素映射外，还包含了字符串函数、数值函数、逻辑函数等内置函数，可实现多对多的元素映射和数据类型转换等。基于建立的映射关系，私有格式消息和就可以通过应用对应的XSLT自动转换成符合规范化Schema的XML消息。这种转换是单向的，规范化消息转换成私有格式消息也需要相应地创建映射关系。
私有格式消息与规范消息间的差异还体现在XML元素取值可能基于不同的术语体系或者系统自定义的词汇表，导致同一概念在不同的系统消息中用不同的词汇表达。术语转换首先将各系统的词汇表在术语服务器中进行注册，并通过人工匹配与术语服务器的HL7 V3词汇建立对应关系，通过Web Service接口提供术语转换服务。基于预配置的对应关系，消息规范化过程中XML消息中采用系统自定义词汇表的元素值将被HL7 V3中的标准词汇替换，而消息个性化过程中标准词汇将被转换成相应系统的自定义词汇。
3.3 流程调整 规范化后的XML消息通过数据访问模块归档到消息仓库，流程驱动模块再通过消息访问模块从消息仓库中获取待处理的输入消息，根据预先设定的流程定义，触发输出消息。业务流程的调整通过在流程设计器中修改流程定义文件来实现。
3.4 数据归档 流程驱动模块还负责从消息仓库的消息中抽取临床数据，存储到临床数据中心。经过规范化后的消息具有了统一的信息模型、数据类型和术语定义，临床数据中心的数据自然继承了这些特性，可基于这些临床数据进行各种后期分析和综合利用。 4 实施案例及方法
本文所述的集成解决方案已经在某医院实施，医院对集成的整体需求如下：
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●所有医疗信息系统充分集成，支持完全数字化的医疗流程，同时尽量减少系统间的耦合性，以便于系统的升级和更换。
●构建电子病历数据中心，集中存储所有检查影像、心电波形、检查诊断报告、检验报告、医嘱、手术信息、监护数据、病人自然信息和病历文书等所有临床数据，并提供综合表达这些数据的集成界面。要求各医疗信息系统将最终的临床数据输出到数据中心，但内部仍保留其数据存储方式不变以保证这些系统的性和完整性（见表1）。
表1 集成的系统及接口类型
信息系统 医院信息系统 医护工作站 放射科信息系统 超声科信息系统 内镜科信息系统 心电图信息系统
接口类型 数据库 Web Service HL7, DICOM HL7, DICOM HL7, DICOM HL7, Web Service
备注
不含医护工作站
门诊及住院的医护工作站功能 含影像归档与传输系统PACS
预约功能仅支持Web Service接口集成
手术麻醉信息系统 重症监护信息系统
HL7, DICOM HL7
DICOM接口用于术野图像发送 接收入出转、医嘱、检验信息，输出各种护理文书
检验科信息系统
数据库
系统集成的整体解决方案如图2所示，该解决方案具有如下特点：所有系统都只与集
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，其中n是集成的系统数量；集成平台直接通讯，将集成复杂度从O(n*n)降低到O(n)
成平台通过各种接口适配器连接不同接口的系统，并实现消息结构的转换以解决各种接口系统的集成问题；同时将所有输入消息规范化转换后集中归档存储到消息仓库，并抽取临床数据归档到临床数据中心；集成平台还支持业务流程的变动，业务流程的局部调整只需要在流程驱动模块内部进行流程的重新配置，而不需要修改关联的信息系统。
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图2 系统集成整体解决方案
确定整体解决方案后，针对各信息系统分别按以下步骤进行集成： ●制定集成规范：明确信息系统与集成平台交换信息的时机与内容；
●配置消息结构映射：通过映射编辑器配置规范中各消息与标准消息之间的双向文档结构映射；
●配置术语映射：在术语服务器配置自定义词汇与标准词汇间的映射；
●单点集成调试：信息系统与集成平台进行单点集成调试，确认符合集成规范的要求。 最后在流程设计器中进行流程配置，根据每个消息的来源系统、消息类型和消息控制代码等参数配置相应的触发消息，从而满足整体的业务流程需求。以一个门诊病人到医院接受放射胸片检查为例进行说明，此流程涉及医院信息系统（HIS）、医护工作站（EMR）、放射科信息系统（RIS），根据医疗信息系统集成技术框架（integrating the healthcare enterprise, IHE）中的预约工作流（scheduled workflow, SWF）和收费信息发送（charge posting, CHG）集成模型的规定，系统间消息交互过程如图3（a）所示（为便于描述，假设各系统都基于HL7进行集成）：
●HIS在病人门诊挂号后，发送HL7 A04消息给EMR和RIS； ●EMR在下达检查申请后发送HL7 O01消息给RIS；
●RIS进行检查安排、检查开始和报告完成后依次发送HL7 S12、O01及R01消息给EMR；
●RIS发送P03收费消息给HIS。
这个流程不适合医院需求，医院希望RIS只接收和管理有放射检查的那部分病人信息，而且病人在检查前完成收费，相应的系统交互过程如图3（b）所示。
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(a) (b) (c) (d)
图3 消息交互序列图
通过对比图3的（a）和（b）可以发现，三个系统的消息交互过程都发生了变化： ●HIS不需要发送A04消息给RIS；
●EMR在下达检查申请后发送P03消息给HIS，发送A04消息给RIS； ●RIS不需要发送P03消息，否则会造成重复收费。
图3的（c）和（d）是通过集成平台集成模式下对应于（a）和（b）的消息交互序列图，从（c）和（d）的对照中可以看出各系统的集成接口和流程没有任何变化，各系统不用作任何调整，只需在集成平台处作如下修改便可以实现流程调整：
●接收到来自HIS的A04消息后，不发送至RIS；
●接收到来自EMR的O01消息后，先发送P03至HIS，再依次发送A04和O01给RIS； ●接收到来自RIS的P03消息后，不发送给HIS，直接忽略。 5 讨论
目前在国内应用的医疗信息系统中支持HL7等标准通讯协议的非常少，基于系统间两两集成的模式进行集成，最先实现标准通讯协议的厂商势必面临实现成本高、边际效益低等问题，这种恶性循环将严重阻碍标准的接纳程度和推广速度。在本文的集成方法中，采用标准通讯协议的系统与集成平台集成后，便可以与其它已经与集成平台集成的采用标准或非标准接口的系统交换信息并实现互操作，这在一定程度上可以阻断恶性循环。相对于传统模式，各医疗信息系统间不再需要两两集成，单一系统的升级和更换不会影响其他系统，可以缩短集成时间并降低集成成本和维护成本。
由于临床数据集中存储于临床数据中心并且具有统一的数据规范，因此可以实现原先难以实现的各种数据综合利用，实施案例中实现的数据集成视图可以确保医护人员临床决
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策时可以获取尽量多的临床数据，提高效率并减少医疗差错。此外还可以开展临床决策支持等研究和应用，最终提高医疗质量。
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