施榮華，嚴(yán) 愷，彭春華

（中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

云計算是一種基于Internet服務(wù)的方式提供動態(tài)可伸縮性的虛擬化資源的計算模式。它將計算和處理分布在大量的分布式計算機上，使用戶能夠根據(jù)自身需求將資源切換到相應(yīng)的計算機和存儲系統(tǒng)中，獲取相關(guān)的應(yīng)用資源[1]。醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)在政策推動下不斷優(yōu)化升級醫(yī)療信息化平臺，在此影響下，以“云計算醫(yī)療信息平臺”為核心的信息化集中應(yīng)用模式應(yīng)運而生，逐步取代各分散系統(tǒng)為主體的應(yīng)用模式，提高了醫(yī)療機構(gòu)之間的信息共享能力和醫(yī)療信息公共平臺的整體服務(wù)能力。

智能手機是信息化時代的另一個新興產(chǎn)物，具有便捷性和智能化的特點[2]，利用移動通信技術(shù)，智能手機通過無線網(wǎng)絡(luò)可以隨時隨地的接入云平臺，在移動終端上實現(xiàn) “云”應(yīng)用。本文采用Windows Phone智能終端和Windows Azure云技術(shù)結(jié)合，并應(yīng)用到醫(yī)療系統(tǒng)中，既有效的整合了醫(yī)療資源，還提供足不出戶的醫(yī)療服務(wù)和咨詢，融合了各方面的優(yōu)點，適應(yīng)于時代的發(fā)展。

1 Windows Azure云平臺概述

Windows Azure微軟云計算平臺是一種PaaS（Platformas-a-Service）模式[3]，包括一個云計算操作系統(tǒng)和一系列為開發(fā)者提供的服務(wù)。此外，提供云計算相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，為應(yīng)用程序創(chuàng)建一個安全、高效的運行環(huán)境。主要包括4大組件[4]：

1）Windows Azure組件。位于云計算平臺的最底層，提供了一個在微軟數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上運行應(yīng)用程序和存儲數(shù)據(jù)的Windows環(huán)境，是微軟云計算技術(shù)的核心。提供五大服務(wù)：計算服務(wù)、存儲服務(wù)、Fabric控制器、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)CDN和Windows Azure Connect。并提供了托管的、可拓展按需應(yīng)用的計算和存儲資源和動態(tài)分配資源的管理控制手段。

2）SQL Azure。是微軟云中的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，提供基于SQL Server的關(guān)系型數(shù)據(jù)服務(wù)。該數(shù)據(jù)庫簡化了數(shù)據(jù)庫的供應(yīng)和部署，內(nèi)置強大的容錯能力，提供報表服務(wù)和數(shù)據(jù)同步技術(shù)。

3）Windows Azure AppFabric。提供基于云中應(yīng)用的基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)和高層面的中間件服務(wù)。實現(xiàn)跨平臺，跨編程語言、跨協(xié)議的應(yīng)用和服務(wù)，提高了云端的抽象層次，減少了開發(fā)復(fù)雜度。主要包括服務(wù)總線、訪問控制和高速緩存3種服務(wù)類型。

4）Windows Azure商店。 提供在線的查詢、購買云計算環(huán)境下的數(shù)據(jù)集和應(yīng)用服務(wù)。

2 基于Windows Azure醫(yī)療健康系統(tǒng)平臺的整體架構(gòu)

基于云計算的醫(yī)療健康系統(tǒng)采用.NET框架，部署至Windows Azure云端，構(gòu)建一個醫(yī)療信息化平臺（HCS平臺），并為醫(yī)療機構(gòu)提供Web接口。為了提供給患者更便捷的醫(yī)療服務(wù)，開發(fā)了基于WP移動手機終端的移動醫(yī)療健康系統(tǒng)（MHCS），并通過Web接口接入Windows Azure中的信息平臺，實現(xiàn)與HCS平臺數(shù)據(jù)的共享。系統(tǒng)采用多樣的訪問方式并且融合了最先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)患者與醫(yī)務(wù)人員、醫(yī)療機構(gòu)、醫(yī)療設(shè)備之間的互動，實現(xiàn)醫(yī)療信息集中化。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于Windows Azure醫(yī)療健康系統(tǒng)的整體架構(gòu)Fig.1 The overall architecture of medical health system based on Windows Azure

基于云計算的移動醫(yī)療系統(tǒng)（MHCS）架構(gòu)的主要設(shè)計思路是將醫(yī)療信息的處理、計算和存儲交給云端，而移動終端在需要獲取數(shù)據(jù)時只需向云端發(fā)出HTTP通信請求并獲取信息。這一設(shè)計理念能夠充分發(fā)揮云計算快速處理和海量存儲的優(yōu)勢，并結(jié)合移動終端的便捷性，在降低對設(shè)備的硬件要求的同時，帶給用戶更好的體驗。

MHCS平臺的架構(gòu)主要有3層。分別是移動終端應(yīng)用層、醫(yī)療平臺管理層和云服務(wù)層，如圖2所示。

1）云服務(wù)層為云平臺環(huán)境提供基礎(chǔ)服務(wù)，為上層提供相關(guān)的數(shù)據(jù)處理和技術(shù)支持。主要包括各種存儲設(shè)備物理資源的整合和對軟硬件資源的虛擬化[5]，并提供相關(guān)的計算能力服務(wù)、負(fù)載均衡處理和調(diào)度問題、分布式資源管理、安全管理等。

2）醫(yī)療管理服務(wù)層是連接應(yīng)用終端和云服務(wù)層的關(guān)鍵。不僅要提供通信接口，還要保證接口的高度可移植性，以適應(yīng)與不同的云環(huán)境，還要提供來自客戶端的請求和服務(wù)器端的反饋以及終端客戶之間的信息交互。相關(guān)的用戶身份和訪問控制的處理，也同樣在該層實現(xiàn)并作為應(yīng)用層的服務(wù)器響應(yīng)[6]。

3）應(yīng)用層提供直接面對用戶的交互平臺接口，為用戶提供相關(guān)的醫(yī)療咨詢服務(wù)和個人健康檔案管理的服務(wù)功能，通過無線網(wǎng)絡(luò)方便接入管理服務(wù)層進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，完成信息之間的交互[7]。

2.1 通信方式

移動終端與云端通信時，采用HTTP協(xié)議向Web Service發(fā)送請求建立雙方連接。HTTP協(xié)議采用請求/響應(yīng)模型，其中POST請求方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳到云端；GET方法從云端的數(shù)據(jù)庫獲取相關(guān)的查詢結(jié)果。移動終端之間通信時，MHCS主要是通過Windows Azure云中的Fabric Controller讀取程序中相關(guān)的配置信息提供低耦合的服務(wù)和應(yīng)用程序的安全連接，接受指令以及回傳運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。首先， 創(chuàng)建一個基于HTTP協(xié)議的WCF（Windows Communication Foundation）服務(wù)。在WCF服務(wù)上注冊一個或多個服務(wù)總線的終端，服務(wù)總線會顯示每一個注冊的通信終端，并且會給每個終端分配一個具體的URI口令。移動終端就可通過服務(wù)總線發(fā)現(xiàn)注冊在WCF服務(wù)上的其他終端。使用ATOM發(fā)布協(xié)議返回一個AtomPub服務(wù)參考文檔到代表應(yīng)用的終端服務(wù)總線上去。每個服務(wù)總線接受請求后，調(diào)用WCF服務(wù)顯示的終端通信操作。

圖2 基于Windows Azure的MHCS系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 The architecture of medical health care system based on Windows Azure

通信雙方使用AppFabric服務(wù)總線的開放TCP連接顯示終端并保持持續(xù)開放狀態(tài)。使服務(wù)總線可以路由到通信對方的終端應(yīng)用程序。此外，在內(nèi)部初始化的連接使得消息傳回時不會被防火墻阻止。通過AppFabric可將兩個移動終端之間看成是通過.NET services直連的全雙工應(yīng)用，并且支持通過NAT創(chuàng)建P2P的直接連接。

2.2 消息推送的實現(xiàn)

在B/S架構(gòu)的醫(yī)療系統(tǒng)中，客戶端瀏覽器只能主動從服務(wù)器端獲取消息，如果瀏覽器沒有請求，服務(wù)器是不可能傳輸數(shù)據(jù)給客戶端的；另一種情況是應(yīng)用程序要登錄客戶端程序之后才能主動去調(diào)查其相應(yīng)的Web服務(wù)，以了解是否有等待處理的信息。這樣的方式如果使用在移動終端，會導(dǎo)致手機的無線設(shè)備頻繁打開，嚴(yán)重影響手機的電池續(xù)航能力。在MHCS系統(tǒng)中使用Windows Phone推送通知的方式取代主動調(diào)查，Web Service能夠提醒用戶最新的消息通知。具體的步驟如圖3所示。

圖3 Windows Phone中推送通知的過程Fig.3 The process of push notifications on Windows Phone

1）客戶端應(yīng)用程序請求與 Windows Azure中的 MPNS（Microsoft Push Notification Services）建立通道連接，要求一個該手機終端專用的URI，MPNS使用通道URI響應(yīng)，將URI傳回給客戶端。使用HttpNotificationChannel來處理向MPNS要求URI和接收MPNS發(fā)來的信息數(shù)據(jù)。通過HttpNotificationChannel.ChannelUri取得URI，作為云端發(fā)送給手機客戶端的唯一標(biāo)識。

2）MHCS移動終端向監(jiān)視服務(wù) （Web Service或 Cloud Application）發(fā)送包含推送通知服務(wù)通道URI以及負(fù)載的消息，云端使用WCF的REST服務(wù)來提供客戶端登錄URI的入口，取得提交MPNS信息管道URI。

3）當(dāng)監(jiān)視服務(wù)檢測到有信息更新時，利用URI將消息發(fā)送給 MPNS。

4）MPNS將消息中繼到Windows Phone移動手機終端，由客戶端的MHCS應(yīng)用程序處理收到的推送消息。

根據(jù)推送通知的格式和裝載量，本系統(tǒng)采用Toast通知格式作為原始數(shù)據(jù)傳遞到移動終端，如果移動終端應(yīng)用程序正在前臺運行，系統(tǒng)觸發(fā)ShellToastNotificationReceived事件，通知消息會發(fā)送到應(yīng)用程序中，并且更新程序狀態(tài)；如果應(yīng)用程序在后臺運行，系統(tǒng)SHELL會在通知區(qū)域里顯示Toast消息框。如果該程式變成了墓碑模式（tombstoned），通知者所送出的消息會被暫留在 PCS中，等到應(yīng)用程序回到啟動模式時，保存在PCS中的內(nèi)容才會被在送達(dá)至客戶端。

在發(fā)送完推送通知之后，MPNS會向服務(wù)器端返回一個回執(zhí)碼，表示該消息已經(jīng)被MPNS接收并將在合適的時機發(fā)送給移動終端。如果該條消息不能被發(fā)送到客戶端，MPNS則會向服務(wù)器返回一條錯誤碼。當(dāng)服務(wù)器接收到傳遞失敗的消息后，則會根據(jù)需要重新提交這條消息。

2.3 數(shù)據(jù)存儲方式

MHCS系統(tǒng)包括云數(shù)據(jù)庫和本地數(shù)據(jù)庫兩種存儲方式。

云端存儲將Windows Azure存儲和SQL Azure兼顧使用。使用Blob Storage存儲醫(yī)療和二維碼圖片文件，將它們存放在blob中利用Windows Azure內(nèi)容傳輸網(wǎng)絡(luò)（CDN），使數(shù)據(jù)緩存能夠更接近與用戶終端。使用Table Storage解決本地Session狀態(tài)的緩存問題。

本地數(shù)據(jù)庫是不需要連接網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序就可以訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。由于手機終端在與云端進行數(shù)據(jù)通信時會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)流量，因此可以利用手機移動終端的本地SQLite數(shù)據(jù)庫或Isolated Storage來緩存某些數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲在SQLite中，則以數(shù)據(jù)庫文件的形式從SQL Azure中復(fù)制到本地SQLite保存起來，若數(shù)據(jù)在Isolated Storage中，則以緩存文件的方式存儲。當(dāng)用戶執(zhí)行任務(wù)時，會首先查詢本地SQLite數(shù)據(jù)庫或Isolated Storage中的是否有需要的緩存信息，如果有則直接調(diào)用本地緩存，而不再從云端取得數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)節(jié)省數(shù)據(jù)通信流量的作用。

傳統(tǒng)的B/S架構(gòu)中，客戶端數(shù)據(jù)緩存的策略單一，且在緩存時間內(nèi)無法更新數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)臟讀?？蛻舳艘氆@得數(shù)據(jù)的及時更新，只能通過不斷向服務(wù)器發(fā)送請求的方式來實現(xiàn)。針對這種情況，在本系統(tǒng)中采用云端推送通知服務(wù)的機制來改進緩存機制，使服務(wù)器主動建立緩存數(shù)據(jù)更新的消息推送，實現(xiàn)數(shù)據(jù)列表的動態(tài)更新。提高UI用戶的交互體驗，保證本地緩存數(shù)據(jù)的可讀性。

在服務(wù)器端建立一個WCF服務(wù)，當(dāng)緩存數(shù)據(jù)更新時，則通過WCF服務(wù)向云端的MNPS發(fā)送一條消息。MNPS再把更新消息路由到客戶端?？蛻舳送ㄟ^Push Client解析數(shù)據(jù)，然后重新向服務(wù)器發(fā)起連接請求，加載數(shù)據(jù)并更新本地緩存。具體的工作流程如圖4所示。

圖4 推送通知改進數(shù)據(jù)緩存圖Fig.4 Diagram of Push notification to improve data cache

在云端使用Azure table建立一個CacheEntity緩存實體類，用來管理緩存文件目錄，實體中包括主鍵、緩存開始時間、緩存周期、存儲模塊、存儲文件名稱和數(shù)據(jù)類型等屬性。在讀取緩存文件前通過IsolatedStorageSetting與CacheEntity緩存實體進行關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)的方式式主鍵KEY和緩存文件名統(tǒng)一。通過CacheEntity獲取緩存Json格式數(shù)據(jù)，通過反射的方式獲取反序列化轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)類型。轉(zhuǎn)換成功后更新數(shù)據(jù)，并反饋到UI上。客戶端通過這種方式可以及時更新緩存中的數(shù)據(jù)。

3 基于Windows Azure的移動醫(yī)療健康系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 移動醫(yī)療健康系統(tǒng)的構(gòu)建

訪問http://sql.azure.com網(wǎng)站，通過Windows Live ID賬號登錄，注冊Azure云賬戶，注冊完成后，重定向到網(wǎng)站登錄到Azure云平臺創(chuàng)建SQL Azure服務(wù)器。

Windows Phone手機終端的MHCS基于.NET平臺，Sliverlight Framework作為應(yīng)用程序開發(fā)框架，使用基于OAuth 2.0協(xié)議的身份驗證機制對應(yīng)用進行身份驗證。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)以加密的方式保存在云中的SQL Azure中。

3.2 移動終端實現(xiàn)展示

系統(tǒng)以Windows Phone手機作為MHCS系統(tǒng)的客戶端，Windows Azure作為云服務(wù)提供者，使用VS2010 SP1+WPSDK作為系統(tǒng)開發(fā)平臺，C#編程語言進行應(yīng)用程序的開發(fā)?；赪indows Azure的MHCS系統(tǒng)分為普通用戶端和醫(yī)生端兩種客戶端程序。其中普通用戶端主要實現(xiàn)的功能有患者咨詢、醫(yī)生反饋、生理指數(shù)管理、健康檔案管理、醫(yī)療小貼士等。醫(yī)生端主要實現(xiàn)的功能有問題受理、健康檔案查詢等。具體的實現(xiàn)效果如圖5所示，主要包含系統(tǒng)登陸界面、主菜單界面、以及醫(yī)生端的咨詢問題展示界面和健康檔案展示界面。

圖5 MHCS系統(tǒng)的主要界面展示Fig.5 The main interface display of mobile health care system

4 結(jié) 論

文中研究并實現(xiàn)了基于Windows Azure云計算的移動醫(yī)療健康系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的靈活性，為患者提供了足不出戶的醫(yī)療服務(wù)和健康檔案的信息管理，具有以下突出優(yōu)勢：1）本系統(tǒng)在患者和專家之間搭建了一條新的橋梁，建立了更便捷的聯(lián)系方式，使每個患者都可能享受到最優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療服務(wù)，可以有效降低誤診率。2）將患者的信息存儲在云端的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了健康檔案的統(tǒng)一管理和醫(yī)療信息的共享。醫(yī)生可以隨時隨地查看患者的病歷，做出最及時最精確的診斷。

移動醫(yī)療的發(fā)展將會對我國的醫(yī)療信息化建設(shè)起到極大的推動作用，有廣闊的應(yīng)用前景。

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