基于云計算系統(tǒng)的心電遠程監(jiān)護系統(tǒng)的應用

云計算是英文Cloud CompuTIng 的翻譯，中文2008 年初才出現。最早從企業(yè)層次提出Cloud CompuTIng 的是Dell，但對云計算概念產生較深影響的是IBM-Google 并行計算項目和亞馬遜EC2 產品，隨后越來越多的媒體、公司、技術人員開始追逐云計算，甚至將很多IT 創(chuàng)新都放入云計算概念中，使得云計算概念和產業(yè)得以推動和發(fā)展，形成了如今包括IaaS，PaaS，XaaS，以及眾多的硬件制造商、基礎設施運營商等參與的一個完整產業(yè)鏈。

一、 云計算的概念、特點及其應用 1. 什么是云計算

目前，對于云計算的概念，國際上沒有一個統(tǒng)一的定義，但大體上我們可以分為兩大類概念：一類是狹義的；一類是廣義的。

（1） 狹義的云計算

提供資源的網絡被稱為“云”。“云”中的資源在使用者看來是可以無限擴展的，并且可以隨時獲取，按需使用，隨時擴展，按使用付費。這種特性經常被稱為像水電一樣使用IT 基礎設施。

（2） 廣義的云計算

這種資源池稱為“云”。“云”是一些可以自我維護和管理的虛擬計算資源，通常為一些大型服務器集群，包括計算服務器、存儲服務器、寬帶資源等等。云計算將所有的計算資源集中起來，并由軟件實現自動管理，無需人為參與。這使得應用提供者無需為繁瑣的細節(jié)而煩惱，能夠更加專注于自己的業(yè)務，有利于創(chuàng)新和降低成本。打個比方：這就好比是從古老的單臺發(fā)電機模式轉向了電廠集中供電的模式。它意味著計算能力也可以作為一種商品進行流通，就像煤氣、水電一樣，取用方便，費用低廉。最大的不同在于，它是通過互聯網進行傳輸的。

總的來說，云計算是并行計算、分布式計算和網格計算的發(fā)展，或者說是這些計算機科學概念的商業(yè)實現。它是虛擬化、效用計算、基礎設施即服務、平臺即服務、軟件即服務等概念混合演進并躍升的結果。

2. 云計算的原理

云計算是分布式處理（Distributed CompuTIng）、并行處理（Parallel CompuTIng）和網格計算（Grid Computing）的發(fā)展，通過利用非本地或遠程服務器（集群）的分布式計算機為互聯網用戶提供服務（計算、存儲、軟硬件等服務），從而有效地提高了對軟硬件資源的利用效率，使用戶通過云計算享受高性能并行計算所帶來的便利。

3. 云計算的主要特點

美國國家標準與技術研究院歸納了云計算的五項基本特征：一是按需自助服務。消費者可對計算資源（如服務器時間和網絡存儲）進行單邊部署以自動化地滿足需求，并且無須服務提供商的人工配合。二是泛在網絡連接。云計算資源可以通過網絡獲取和通過標準機制訪問，這些訪問機制能夠促進用戶通過異構的瘦（thin）客戶平臺或胖（thick）客戶平臺（手機、筆記本電腦、掌上電腦等）來使用云計算。三是與地理位置無關的資源池：云計算服務商采用多用戶模式，根據用戶需求動態(tài)地分配和再分配物理資源和虛擬資源。用戶通常不用知道這些資源具體所在位置，資源包括存儲器、處理器、內存、網絡、虛擬機等。四是快速靈活地部署資源：云計算供應商可快速靈活地部署云計算資源，快速地放大和縮小，對于用戶，云計算資源通常顯得是無限的，并可以在任何時間購買任何數量的資源。五是服務計費：通過對不同類型的服務進行計費，云計算系統(tǒng)能自動控制和優(yōu)化資源利用情況。可以監(jiān)測、控制資源利用情況，并形成報告，為云計算提供商和用戶就所使用的服務提供透明性。

結合上述云計算的含義，得出云計算的一些特點。

（1） 規(guī)模大。云計算的規(guī)模是超大的，Google 云計算已經擁有100 多萬臺服務器，同時這也使得Google 搜索引擎在全球占據第一的位置。

（2） 虛擬性。通過云計算，用戶在任意地點無需擔心應用運行的具體位置就可以使用一臺筆記本或者一個手機等終端通過網絡服務得到應用服務。

（3） 可靠性高。云計算提供了嚴格的權限管理策略，減少了傳統(tǒng)方式的數據丟失、病毒入侵等麻煩，數據存儲可靠性高。

（4） 可擴展性強。為了滿足應用和用戶規(guī)模增長的需要，可以動態(tài)擴展“云”的規(guī)模。

4. 云計算的應用

對于一般用戶而言，云計算最常用的運用領域有電子郵件、網頁搜索（Google或百度）、相片分享（Flickr）、影片分享（Youtube、土豆）、網路地圖（Google Map）等。只要電腦或手機等上網工具有一個瀏覽器，就可以在幾秒鐘內，迅速得到遠處電腦的資料，讓資訊垂手可得，有如電力及自來水一般。

除此之外，對于軟件設計師和科學家而言，云端計算更提供了強大的運算能力，可以模擬計算如核彈爆炸、DNA 結構等實驗。云計算的商機有多大？根據國際數據信息中心（IDC）的數據顯示，未來五年云端服務的平均年成長率可望達到26%；美林證券預估，2013 年全球云計算市場規(guī)模將達到950 億美元；市場調查機構將云計算列為IT 產業(yè)未來十大趨勢首位，其報告指出，至2012 年Fortune 五百強企業(yè)中會有400 家使用各式不同的云計算服務。

5. 云計算發(fā)展現狀

由于云計算是多種技術混合演進的結果，其成熟度較高，又有大公司推動，發(fā)展極為迅速。Amazon、Google、IBM、微軟和Yahoo 等大公司是云計算的先行者。云計算領域的眾多成功公司還包括Salesforce、Facebook、Youtube、Myspace 等。

在我國，云計算發(fā)展也非常迅猛。2008 年5月10日，IBM在中國無錫太湖新城科教產業(yè)園建立的中國第一個云計算中心投入運營。2008年6月24日，IBM在北京IBM中國創(chuàng)新中心成立了第二家中國的云計算中心——IBM大中華區(qū)云計算中心；世紀互聯推出了CloudEx 產品線，包括完整的互聯網主機服務， 基于在線存儲虛擬化的服務，供個人及企業(yè)進行互聯網云端備份的數據保全服務等系列互聯網云計算服務；中國移動研究院做云計算的探索起步較早，已經完成了云計算中心試驗。

云計算未來主要有兩個發(fā)展方向：一個是構建與應用程序緊密結合的大規(guī)模底層基礎設施，使得應用能夠擴展到很大的規(guī)模；另一個是通過構建新型的云計算應用程序。在網絡上提供更加豐富的用戶體驗．第一個發(fā)展趨勢能夠從現有的云計算研究狀況中體現出來，而在云計算應用的構造上，很多新型的社會服務型網絡，如facebook 等，已經體現了這個發(fā)展趨勢，而在研究上則開始注重如何通過云計算基礎平臺將多個業(yè)務融合起來。

6. 云計算存在的問題

從目前的應用情況來看，云計算技術存在以下幾方面的缺點：⑴即使用最佳的虛擬化技術，用戶無法把應用程序遷移到“云”；⑵企業(yè)任務遷移到云環(huán)境，需要巨大的工作量；⑶只有用戶同意才能實現對所有的IT 資產進行虛擬化，形成“外部云”無縫協同操作的“內部云”；⑷并未真正做到根據實際需求提供云計算服務，并能按實際使用資源付費；⑸數據中心提供的管理應用軟件與企業(yè)現有的管理應用軟件集成起來效果差； ⑹云計算并沒有統(tǒng)一的標準來規(guī)范，企業(yè)很難大規(guī)模的采用。

此外，在2009年8 月黑帽安全會議上的專家就云計算的安全問題提出了5 條安全缺陷：⑴ 云計算未提供充分的法律保護；⑵ 云計算沒有硬件的所有權；⑶ 云計算需要強大的協議和用戶培訓的保障；⑷不要相信第三方開發(fā)人員創(chuàng)建的虛擬機實例；⑸在任何情況下，企業(yè)信息技術管理者需要重新考慮云上的配置。

云計算現在處于一個初級的階段，還需要人們的深入了解，花大力氣去正確管理復雜的資源。因此，它的普及還需要一些時間。

二、心電遠程監(jiān)護的發(fā)展及現狀

現代社會中，心血管疾病嚴重威脅人類健康和生命、是目前中國人群最主要的死因，心血管疾病的預防與診斷對全社會具有重要的意義。由于心血管疾病具有偶然性和突發(fā)性，在日常生活中對患病人群進行心電監(jiān)護顯得尤為重要。

心電遠程監(jiān)護系統(tǒng)起源于Holter系統(tǒng)。早期家庭型心電監(jiān)護系統(tǒng)對一些做過心臟手術病人，采用電子儀器記錄、存儲病人每天的心電圖及其它重要的生理參數，并周期地將數據送往診所進行診斷，病人可以遠離醫(yī)院在家進行監(jiān)護。早期的家庭心電監(jiān)護要在監(jiān)護結束后再進行心電資料的分析，不具有實時性，病人發(fā)病時無法得到醫(yī)生及時的診斷和救治。而且由于其存儲量太小，僅能存儲極少量的心電數據，不能保證數據的完整性，一些有價值的心電數據還是不可避免地被丟失，這大大降低了診斷的準確率。

隨著現代通信技術的高速發(fā)展及其在醫(yī)療領域的應用，近些年，心電遠程監(jiān)護系統(tǒng)發(fā)生了革命性的變化，Holter逐漸演變成為心電遠程監(jiān)護系統(tǒng)的前端裝置，將傳統(tǒng)的Holter和計算機網絡以及移動通訊技術相結合這一趨勢愈加明顯。隨著因特網（Internet）網和移動通訊網等宏觀基礎設施的普及和發(fā)展，近年來心電監(jiān)護正沿著因特網和無線移動監(jiān)護兩個方向快速發(fā)展。

基于因特網的遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)是指利用心電監(jiān)護客戶端采集患者的心電信號，然后通過互聯網將心電信號傳輸至監(jiān)護中心服務器，等待醫(yī)護人員對患者心電圖進行處理和相應診斷。整個系統(tǒng)一般由三個部分組成：客戶終端、因特網和管理中心工作站?？蛻艚K端是由心電信號采集器和可連接因特網的工作站構成，它可以完成采集患者心電信號、進行簡單數據處理以及將數據上傳至因特網等功能。根據接入因特網的方式不同，系統(tǒng)有不同的設計方案，主要有PSTN（Published Switched Telephone Network，公用電話交換網）、ISDN、以太網等幾種。而遠程心電監(jiān)護管理中心工作站一般配備有高性能的服務器，可實現實時的接收患者心電數據、存儲并分析處理數據、管理患者基本資料及心電數據、網絡安全管理等。

基于移動通訊網的心電無線監(jiān)護系統(tǒng)是采用便攜式心電信號監(jiān)護儀，利用無線通信技術與監(jiān)護中心進行數據通訊。無線傳輸無須線纜介質，使用者可以不受時間、地點的限制，隨時隨地得到監(jiān)護中心的監(jiān)護。隨著通信技術及計算機網絡技術的日益完善，近幾年心電遠程監(jiān)護的研究熱點是將無線通信技術和因特網技術緊密結合。將兩種技術相結合，彌補了單純依靠因特網時，將受測者限制在固定環(huán)境的不足；同時也彌補了單純依靠無線技術時，只能將受測者的數據在移動監(jiān)護終端之間傳遞，從而造成的成本高、不易普及、數據處理分析手段單一等不足。

心電監(jiān)護系統(tǒng)的無線化、網絡化、人性化是發(fā)展趨勢，便攜式、模塊式、易操作、價格低廉的心電監(jiān)護產品將成為未來市場的主流。正逐步發(fā)展起來的第三代移動通信3G技術，能極大地增加系統(tǒng)容量、提高通信質量和數據傳輸速率，并且利用在不同網絡間的無縫漫游技術，更好地將無線通信系統(tǒng)和Internet連接起來，從而對心電遠程監(jiān)護系統(tǒng)提供更穩(wěn)定、更強有力的技術基礎。心電遠程監(jiān)護系統(tǒng)整合了生物醫(yī)學工程、信息技術和通訊技術的發(fā)展成果，能夠充分利用移動通信網和互聯網的資源優(yōu)勢，在不久的將來，它一定會在心臟疾病的預防與救治中起到越來越重要的作用。

三、 云計算在醫(yī)療信息化及心電遠程監(jiān)護中的應用

近兩年出現的云計算就是將所有的計算資源集中起來，由軟件實現自動管理，無需人為參與。它意味著計算能力也可以作為一種商品進行流通，就像煤氣和水電一樣取用方便，費用低廉。因此，醫(yī)療衛(wèi)生企業(yè)可以通過購買計算能力而無需自建相關設施就可以開展信息化建設，這使得企業(yè)無需為繁瑣的細節(jié)而煩惱，能夠更加專注于自己的業(yè)務。云計算技術的出現，將給醫(yī)療信息建設帶來一個全新的認識。通過云計算平臺，醫(yī)院可以將網站、電子郵件系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)、遠程監(jiān)護系統(tǒng)以及數據中心和安全防護系統(tǒng)都“外包”給云計算服務的提供商，再也不用操心如何搭建和維護服務器環(huán)境，如何采購和升級系統(tǒng)軟件、應用軟件及至殺毒軟件，如何防范黑客入侵。無論是數據服務還是應用計算，一切都從網絡上直接獲得。這就像使用水和電一樣，終端用戶只需要打開開關或龍頭，就可以獲得并享受服務，而擁有龐大資源的電廠和自來水廠則負責在“云”的另一端提供最專業(yè)的生產和維護。

圖1. 醫(yī)療信息化中的云存儲服務模型

基于用“云計算”來實現生理參數遠程監(jiān)護的想法，我們設計了一個基于B/S架構的多參數遠程監(jiān)護系統(tǒng)，其結構如圖2所示。整個系統(tǒng)由監(jiān)護中心的中央監(jiān)護服務器端軟件（云）、客戶端瀏覽器和多參數采集器構成。服務器端軟件（云）能夠接受兩個客戶端的數據傳輸請求，實現基于Internet的多病人生理參數遠程實時監(jiān)護。客戶端采用B/S架構，無需安裝任何客戶端程序，只要打開瀏覽器就可以實時查看和發(fā)送生理參數和波形（見圖3）。基于B/S架構的遠程中央監(jiān)護系統(tǒng)便于客戶端軟件的部署維護，將中央監(jiān)護系統(tǒng)從醫(yī)院病房延伸到了社區(qū)或家庭，為醫(yī)療儀器普及化和網絡化提供了新的解決方案。

圖3 客戶端監(jiān)護界面

在新一輪醫(yī)改浪潮中，醫(yī)療服務信息化將是必然趨勢，通過信息化手段，建立醫(yī)療衛(wèi)生機構間資源共享，能實現醫(yī)療服務資源的最優(yōu)整合和最大協同效應，未來醫(yī)療軟硬件需求數額將非?？捎^。把計算資源作為服務的云計算理念和技術必將會改變傳統(tǒng)醫(yī)療信息化的發(fā)展理念和建設模式，在推進醫(yī)療信息化建設過程中起到至關重要的作用。