基于IHE XDS/XCA跨区域医疗信息共享交换系统设计

Subject Treatise 课题论著基于IHE XDS / XCA的跨区域医疗信息共享交换系统设计张凯 杨媛媛 朱燕杰 孙健勇 凌彤辉 张建国①①①①①①摘 要 该系统是在遵循IHE XDS.b(Cross-enterprise document sharing)和IHE XCA (Cross-Community Access)技术规范基础上，采用SOA(Service Oriented Architecture)和EDA(Event Driving Architecture)技术架构及网格概念，设计和开发的一种跨区域(Cross-Community)医疗信息共享交换(EHR)系统。系统由四个层次组件组成：一个市级注册中心 (XDS Registry)；多个区级域XDS注册中心，每一个对应相应的行政管理域；与域级注册中心相对应的多个文档存储池(XDS Repository) ；以及提供病人基本信息的文档源代理(XDS Source Actor Agents)。通过对该系统进行海量医疗文档数据发布、用户查询和图像提取等操作进行的压力测试和评估结果表明，该EHR系统可用于中、大城市多区域、多医疗机构之间的医疗信息共享交换和医疗协同。关键词 IHE XDS.b 电子健康记录 XACML ebXML 3.0 ATNADoi:10.3969/j.issn.1673-7571.2009.012.002Design of Cross-regional Collaborative Healthcare System Basing on IHE XDS/XCA Profiles / ZHANG Kai, YANG Yuan- yuan, ZHU Yan-jie, et al//China Digital Medicine.-2009 4(12): 11 to 15Abstract The prototype system of EHR (Electronic Healthcare Record) was designed and developed with service-oriented architecture (SOA) and Event-Driven Architecture (EDA) combined with grid concept, basing on IHE XDS.b and XCA profiles. This system consists of four level components: one central city XDS Registry; the multiple domain XDS Registries, each of which is for one local domain or community; the multiple XDS Repositories corresponding to multiple local domain Registries; and multiple document source agents, each of which is located in each hospital to provide the patient healthcare information. The EHR system was developed, and performance evaluation was executed including data publication, user query and image retrieval. The testing results are extremely positive and demonstrate that the designed EHR solution based on SOA with grid concept can scale effectively to serve medical document sharing cross-domain or community in a large city.Keywords IHE XDS.b, Electronic Healthcare Record, XACML, ebXML 3.0, ATNAFund project Key Item of National Science and Technology Support Plan (No. 2007BAH06B01/2007BAH 06B02/2007BAH06B03)Corresponding author Laboratory for Medical Imaging Informatics, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, P.R.C.1 引言区域协同医疗是进入二十一世纪后，国外发达国家为使用医疗信息技术(Healthcare IT)解决医疗资源浪费、医疗效率基金项目：国家科技支撑计划重点项目（编号：2007BAH06B01/2007BAH06B02/2007BAH06B03）①中国科学院上海技术物理研究所医学影像实验室，200083，上海市玉田路500号11第4卷第12期低下、医疗事故频发和医疗费用高昂等问题而提出和发展的一种新兴医疗服务模式。它首先是在区域内参与协同医疗的几家医疗机构中成立区域医疗信息组织（Regional Healthcare Information Organization，RHIO）或称为“医疗联合域”（Affinity Domain）制定医疗信息共享交换的规则和工作流程，其运作的关键技术支撑是建立区域医疗信息共享交换系统，即电子健康记录系统（Electronic Healthcare Record，EHR）。设计和构建EHR系统涉及的医学IT技术和信息系统繁多，而如何选择合适的技术架构（Infrastructure）是最为重要的，它将影响整个系统未来的发展方向、功能定位、系统“生命周期”的长短和运行成本。EHR系统技术架构总体可分为三类：集中式（紧耦合模式）；分布式（松耦合模式）；混合式（即集中与分布相结合的模式）。2005年以后，随着我国医疗体制改革进程的加快，使用医疗IT技术发展区域协同医疗平衡和优化使用医疗资源成为主要的技术途径。其中，如何在大中城市（区域）构建EHR系统成为医疗信息共享交换技术和应用发展的难点和热点。以上海为例，目前常住人口近2 000万人，有500多家医院提供医疗和保健服务，这500多家医院由20几个健康管理机构和所在区直接管理。我们将这些管理机构或区域定义为域（Domain，or Community）。这些医院大多独立运行，病人信息孤立其中，因此迫切需要将每个域中的信息整合，并使医疗文档能跨域共享。这里给出了一种基于IHE XDS.b（Cross-enterprise document sharing）和IHE XCA（Cross-Community Access）的跨[2][1]多个区域文档共享的影像电子病历系统i-EHR（Image-Enabled EHR）设计和实现方案。换处理模式实现共享交换，使各种异构医疗系统产生的医疗信息可以在统一交换平台上进行。针对跨域共享，IHE于2007年给出一个公共讨论版（Version for Public Comment)技术框架（IHE Cross-Community Access，IHE ITI-XCA），2009年给出了一个试用补充版本（Trial Implementation Supplement）。该技术框架（IHE ITI-XCA）的核心是要求每个域的EHR技术框架都要尽量符合IHE XDS.b规范，然后在它们之间构建“跨域交换桥梁”（Cross-Community Bridge）或称“跨域交换网关”（Cross-Community Gateway），再使用IHE ITI-XDS.b规定的服务模式进行信息交换。当前，几乎所有国际医疗IT厂商和医疗系统集成厂商宣布其产品（将）支持IHE ITI-XDS/XDS-I架构协议和相关标准。某些国家在设计建设国家EHR中甚至将IHE ITI-XDS/XDS-I架构协议作为国家技术标准协议进行推广，如加拿大国家医疗健康信息共享项目（Health InfoWay）将IHE ITI-XDS/XDS-I作为国家标准（pan-Canadian）进行推广。虽然IHE ITI-XDS/XDS-I制定了域内跨医疗机构（Cross-Enterprise）文档信息共享交换技术框架协议，但它只是一个概念性方案，各个地区和国家的医疗体制和服务模式差异性很大，具体使用仍需“具体问题、具体分析”，达到个性化实现。[7][6][5]2 国际IHE XDS/XCA技术规范简介医疗信息共享交换一般是在区域范围内进行，一个区域可包含一个或多个医疗联合体（或联合域）。一个“联合域”一般由多个医疗关系密切的医疗机构组成。当区域协同医疗信息共享发生在一个联合域中的多个医疗机构之间（Cross-Enterprise），称为“域内”共享；发生在不同联合域之间（Cross-Domain，or Cross-Community）的多个医疗机构之间，则称为“跨域”共享。针对各国区域医疗信息共享需求和建设EHR所遇到的一些技术和架构设计方面的问题，国际IHE（Integrating Healthcare Enterprise）组织于2005/2006年对域内跨医疗机构文档信息共享交换需求提出了一种新型医疗IT架构（IT Infrastructure，ITI）协议和一系列相配套的医疗技术协议[3-4]，其中核心系统架构协议是IHE ITI-XDS/XDS-I（Cross-Enterprise Document Sharing, and Cross-Enterprise Document Sharing for Images）Profiles。IHE ITI-XDS/XDS-I架构协议的核心思想是：医疗小数据对象信息（文本类/非DICOM图像类等）和所有信息的元数据采用集中模式存储共享交换，大数据对象信息（如DICOM图像类等）采用分布式存储共享交换。IHE ITI-XDS/XDS-I架构协议另一个特点是它对所有类型的医疗信息（结构化/非结构化/DICOM对象/非DICOM对象等）采用统一的注册/发布信息模型（ebXML v3.0）和交3 系统体系架构与主要模块根据我国大中型城市卫生医疗服务体系特点，本系统基于IHE XDS.b12第4卷第12期 Subject Treatise 课题论著和XCA技术框架，采取SOA和EDA体系结构，以满足共享中的事务灵活性及实现将来的可扩展性。SOA和EDA架构允许i-EHR产生灵活、可配置和基于标准的服务，同时对定期和不定期的输入事件具有灵活的处理特性。开发本系统要考虑许多因素：首先，设计上要遵循IHE技术架构来实现域内跨医疗机构和跨域的图像和报告文档共享机制；其次，系统不仅要集成拥有PACS和RIS的医院，还要包含没有PACS但有数字图像设备和RIS的医院；第三，克服有限带宽和快速查询、提取响应等问题，采用基于JPEG2000的图像处理和现实技术；第四，权限访问控制、医疗数据完整性和真实性、日志。同时引入了网格概念，使整个系统对用户来说是一个超级PACS和RIS，简化系统的管理和控制。i-EHR系统架构见图1。图1所示本系统包含SOA，网格并遵循IHE XDS.b技术架构。系统由九个主要模块和通用服务组成。3.1 XDS.b注册中心 主要功能是实现IHE XDS.b中定义的注册中心角色，并采用ebXML3.0中注册中心模型来存储和管理提交的图像及报告文档的元数据。有两种类型的注册中心：一种是部署于局域中的，作为接入端为医院以及相关的医疗机构服务；另一种是市级中心的，作为整个市级的文档共享服务。3.2 PIX+管理中心 实现了IHE XCA技术规范中定义的PIX+角色，用来存储跨域病人索引信息。3.3 PIX管理中心 实现了IHE XDS.b技术规范中定义的PIX角色，用来存储跨医疗机构病人索引信息。3.4 XDS.b文档存储池 主要实现IHE XDS.b技术规范中定义的文档存储池的角色，用来管理和存储提交的图像和报告文档，以便相应域内的提取。3.5 PACS/RIS 位于医院内部，主要作为图像和报告文档的提交源角色。3.6 PACS/EMR工作站 客户端通过i-EHR系统来访问图像和报告文档，主要实现IHE XDS.b技术规范中定义的消费者角色。3.7 XDS.b代理和网格代理 用于ebXML3.0和DICOM/HL7消息的转换，将多家医院的PACS和RIS集成进i-EHR系统中。3.8 网格服务 主要管理网格节点间的图像的数据流，如数据备份、图像传输、图像消息数据流的跟踪。3.9 安全服务 主要提供图像和报告文档的访问控制、医疗数据完整性和真实性、日志。针对域内的跨机构文档共享用例，系统遵循IHE XDS.b技术规范实现。针对第二个跨域文档共享用例，设计了两种共享模型：一种是文档注册池收到提交集后将元数据注册到本域中的注册中心，然后从PIX+中取得病人跨域的全局标识符，并将相同的元数据注册到市级注册中心。这之后，如果域1中的文档消费者要查询整个上海市的某个病人文档，可以通过病人标识符直接查询市级注册中心，获取所有来自不同域的共享文档元数据，然后去相应的文档注册池中提取所需文档。另一种是：如果域1中的文档消费者要查询上海市某个病人所有共享文档，必须首先查询PIX+获取此病人在存放病人文档的相应域中的局域标识符，然后向相应域中的注册中心发起查询请求，组合查询请求的响应结果即为所有共享文档，最后去相应文档池中提取文档。4 实现i-EHR系统原型样机包含三个域，每个域中有一个局域的XDS模块和一个总的市级XDS模块。局域XDS模块由以下部分组成：XDS.b注册中心、XDS.b文档注册池、多个XDS/Grid代理节点和PIX管理中心。市级XDS模块包含XDS.b注册中心和PIX+管理中心。图2展示了i-EHR系统的网络连接和主要模块。通常，XDS代理节点验证来自PACS和RIS的提交文档或图像的元数据，然后将其提交到XDS.b文档池中，在此过程中实现了IHE的图像文档源角色。网格代理节点将远程医院的PACS通过DICOM存储或查询提取服务连接起来，将RIS通过HL7或web service连接。图像文档消费者角色可以通过图 1 图像电子病历系统架构图13第4卷第12期