基于云计算系统的心电远程监护系统的应用

云计算是英文Cloud Computing 的翻译，中文2008 年初才出现。最早从企业层次提出Cloud Computing 的是Dell，但对云计算概念产生较深影响的是IBM-Google 并行计算项目和亚马逊EC2 产品，随后越来越多的媒体、公司、技术人员开始追逐云计算，甚至将很多IT 创新都放入云计算概念中，使得云计算概念和产业得以推动和发展，形成了如今包括IaaS，PaaS，XaaS，以及众多的硬件制造商、基础设施运营商等参与的一个完整产业链。

一、 云计算的概念、特点及其应用

1. 什么是云计算

目前，对于云计算的概念，国际上没有一个统一的定义，但大体上我们可以分为两大类概念：一类是狭义的；一类是广义的。

（1） 狭义的云计算

提供资源的网络被称为“云”。“云”中的资源在使用者看来是可以无限扩展的，并且可以随时获取，按需使用，随时扩展，按使用付费。这种特性经常被称为像水电一样使用IT 基础设施。

（2） 广义的云计算

这种资源池称为“云”。“云”是一些可以自我维护和管理的虚拟计算资源，通常为一些大型服务器集群，包括计算服务器、存储服务器、宽带资源等等。云计算将所有的计算资源集中起来，并由软件实现自动管理，无需人为参与。这使得应用提供者无需为繁琐的细节而烦恼，能够更加专注于自己的业务，有利于创新和降低成本。打个比方：这就好比是从古老的单台发电机模式转向了电厂集中供电的模式。它意味着计算能力也可以作为一种商品进行流通，就像煤气、水电一样，取用方便，费用低廉。最大的不同在于，它是通过互联网进行传输的。

总的来说，云计算是并行计算、分布式计算和网格计算的发展，或者说是这些计算机科学概念的商业实现。它是虚拟化、效用计算、基础设施即服务、平台即服务、软件即服务等概念混合演进并跃升的结果。

2. 云计算的原理

云计算是分布式处理（Distributed Computing）、并行处理（Parallel Computing）和网格计算（Grid Computing）的发展，通过利用非本地或远程服务器（集群）的分布式计算机为互联网用户提供服务（计算、存储、软硬件等服务），从而有效地提高了对软硬件资源的利用效率，使用户通过云计算享受高性能并行计算所带来的便利。

3. 云计算的主要特点

美国国家标准与技术研究院归纳了云计算的五项基本特征：一是按需自助服务。消费者可对计算资源（如服务器时间和网络存储）进行单边部署以自动化地满足需求，并且无须服务提供商的人工配合。二是泛在网络连接。云计算资源可以通过网络获取和通过标准机制访问，这些访问机制能够促进用户通过异构的瘦（thin）客户平台或胖（thick）客户平台（手机、笔记本电脑、掌上电脑等）来使用云计算。三是与地理位置无关的资源池：云计算服务商采用多用户模式，根据用户需求动态地分配和再分配物理资源和虚拟资源。用户通常不用知道这些资源具体所在位置，资源包括存储器、处理器、内存、网络、虚拟机等。四是快速灵活地部署资源：云计算供应商可快速灵活地部署云计算资源，快速地放大和缩小，对于用户，云计算资源通常显得是无限的，并可以在任何时间购买任何数量的资源。五是服务计费：通过对不同类型的服务进行计费，云计算系统能自动控制和优化资源利用情况。可以监测、控制资源利用情况，并形成报告，为云计算提供商和用户就所使用的服务提供透明性。

结合上述云计算的含义，得出云计算的一些特点。

（1） 规模大。云计算的规模是超大的，Google 云计算已经拥有100 多万台服务器，同时这也使得Google 搜索引擎在全球占据第一的位置。

（2） 虚拟性。通过云计算，用户在任意地点无需担心应用运行的具体位置就可以使用一台笔记本或者一个手机等终端通过网络服务得到应用服务。

（3） 可靠性高。云计算提供了严格的权限管理策略，减少了传统方式的数据丢失、病毒入侵等麻烦，数据存储可靠性高。

（4） 可扩展性强。为了满足应用和用户规模增长的需要，可以动态扩展“云”的规模。

4. 云计算的应用

对于一般用户而言，云计算最常用的运用领域有电子邮件、网页搜索（Google或百度）、相片分享（Flickr）、影片分享（Youtube、土豆）、网路地图（Google Map）等。只要电脑或手机等上网工具有一个浏览器，就可以在几秒钟内，迅速得到远处电脑的资料，让资讯垂手可得，有如电力及自来水一般。

除此之外，对于软件设计师和科学家而言，云端计算更提供了强大的运算能力，可以模拟计算如核弹爆炸、DNA 结构等实验。云计算的商机有多大？根据国际数据信息中心（IDC）的数据显示，未来五年云端服务的平均年成长率可望达到26%；美林证券预估，2013 年全球云计算市场规模将达到950 亿美元；市场调查机构将云计算列为IT 产业未来十大趋势首位，其报告指出，至2012 年Fortune 五百强企业中会有400 家使用各式不同的云计算服务。

5. 云计算发展现状

由于云计算是多种技术混合演进的结果，其成熟度较高，又有大公司推动，发展极为迅速。Amazon、Google、IBM、微软和Yahoo 等大公司是云计算的先行者。云计算领域的众多成功公司还包括Salesforce、Facebook、Youtube、Myspace 等。

在我国，云计算发展也非常迅猛。2008 年5月10日，IBM在中国无锡太湖新城科教产业园建立的中国第一个云计算中心投入运营。2008年6月24日，IBM在北京IBM中国创新中心成立了第二家中国的云计算中心——IBM大中华区云计算中心；世纪互联推出了CloudEx 产品线，包括完整的互联网主机服务， 基于在线存储虚拟化的服务，供个人及企业进行互联网云端备份的数据保全服务等系列互联网云计算服务；中国移动研究院做云计算的探索起步较早，已经完成了云计算中心试验。

云计算未来主要有两个发展方向：一个是构建与应用程序紧密结合的大规模底层基础设施，使得应用能够扩展到很大的规模；另一个是通过构建新型的云计算应用程序。在网络上提供更加丰富的用户体验．第一个发展趋势能够从现有的云计算研究状况中体现出来，而在云计算应用的构造上，很多新型的社会服务型网络，如facebook 等，已经体现了这个发展趋势，而在研究上则开始注重如何通过云计算基础平台将多个业务融合起来。

6. 云计算存在的问题

从目前的应用情况来看，云计算技术存在以下几方面的缺点：⑴即使用最佳的虚拟化技术，用户无法把应用程序迁移到“云”；⑵企业任务迁移到云环境，需要巨大的工作量；⑶只有用户同意才能实现对所有的IT 资产进行虚拟化，形成“外部云”无缝协同操作的“内部云”；⑷并未真正做到根据实际需求提供云计算服务，并能按实际使用资源付费；⑸数据中心提供的管理应用软件与企业现有的管理应用软件集成起来效果差； ⑹云计算并没有统一的标准来规范，企业很难大规模的采用。

此外，在2009年8 月黑帽安全会议上的专家就云计算的安全问题提出了5 条安全缺陷：⑴ 云计算未提供充分的法律保护；⑵ 云计算没有硬件的所有权；⑶ 云计算需要强大的协议和用户培训的保障；⑷不要相信第三方开发人员创建的虚拟机实例；⑸在任何情况下，企业信息技术管理者需要重新考虑云上的配置。

云计算现在处于一个初级的阶段，还需要人们的深入了解，花大力气去正确管理复杂的资源。因此，它的普及还需要一些时间。

二、心电远程监护的发展及现状

现代社会中，心血管疾病严重威胁人类健康和生命、是目前中国人群最主要的死因，心血管疾病的预防与诊断对全社会具有重要的意义。由于心血管疾病具有偶然性和突发性，在日常生活中对患病人群进行心电监护显得尤为重要。

心电远程监护系统起源于Holter系统。早期家庭型心电监护系统对一些做过心脏手术病人，采用电子仪器记录、存储病人每天的心电图及其它重要的生理参数，并周期地将数据送往诊所进行诊断，病人可以远离医院在家进行监护。早期的家庭心电监护要在监护结束后再进行心电资料的分析，不具有实时性，病人发病时无法得到医生及时的诊断和救治。而且由于其存储量太小，仅能存储极少量的心电数据，不能保证数据的完整性，一些有价值的心电数据还是不可避免地被丢失，这大大降低了诊断的准确率。

随着现代通信技术的高速发展及其在医疗领域的应用，近些年，心电远程监护系统发生了革命性的变化，Holter逐渐演变成为心电远程监护系统的前端装置，将传统的Holter和计算机网络以及移动通讯技术相结合这一趋势愈加明显。随着因特网（Internet）网和移动通讯网等宏观基础设施的普及和发展，近年来心电监护正沿着因特网和无线移动监护两个方向快速发展。

基于因特网的远程心电监护系统是指利用心电监护客户端采集患者的心电信号，然后通过互联网将心电信号传输至监护中心服务器，等待医护人员对患者心电图进行处理和相应诊断。整个系统一般由三个部分组成：客户终端、因特网和管理中心工作站。客户终端是由心电信号采集器和可连接因特网的工作站构成，它可以完成采集患者心电信号、进行简单数据处理以及将数据上传至因特网等功能。根据接入因特网的方式不同，系统有不同的设计方案，主要有PSTN（Published Switched Telephone Network，公用电话交换网）、ISDN、以太网等几种。而远程心电监护管理中心工作站一般配备有高性能的服务器，可实现实时的接收患者心电数据、存储并分析处理数据、管理患者基本资料及心电数据、网络安全管理等。

基于移动通讯网的心电无线监护系统是采用便携式心电信号监护仪，利用无线通信技术与监护中心进行数据通讯。无线传输无须线缆介质，使用者可以不受时间、地点的限制，随时随地得到监护中心的监护。随着通信技术及计算机网络技术的日益完善，近几年心电远程监护的研究热点是将无线通信技术和因特网技术紧密结合。将两种技术相结合，弥补了单纯依靠因特网时，将受测者限制在固定环境的不足；同时也弥补了单纯依靠无线技术时，只能将受测者的数据在移动监护终端之间传递，从而造成的成本高、不易普及、数据处理分析手段单一等不足。

心电监护系统的无线化、网络化、人性化是发展趋势，便携式、模块式、易操作、价格低廉的心电监护产品将成为未来市场的主流。正逐步发展起来的第三代移动通信3G技术，能极大地增加系统容量、提高通信质量和数据传输速率，并且利用在不同网络间的无缝漫游技术，更好地将无线通信系统和Internet连接起来，从而对心电远程监护系统提供更稳定、更强有力的技术基础。心电远程监护系统整合了生物医学工程、信息技术和通讯技术的发展成果，能够充分利用移动通信网和互联网的资源优势，在不久的将来，它一定会在心脏疾病的预防与救治中起到越来越重要的作用。

三、 云计算在医疗信息化及心电远程监护中的应用

近两年出现的云计算就是将所有的计算资源集中起来，由软件实现自动管理，无需人为参与。它意味着计算能力也可以作为一种商品进行流通，就像煤气和水电一样取用方便，费用低廉。因此，医疗卫生企业可以通过购买计算能力而无需自建相关设施就可以开展信息化建设，这使得企业无需为繁琐的细节而烦恼，能够更加专注于自己的业务。云计算技术的出现，将给医疗信息建设带来一个全新的认识。通过云计算平台，医院可以将网站、电子邮件系统、信息管理系统、远程监护系统以及数据中心和安全防护系统都“外包”给云计算服务的提供商，再也不用操心如何搭建和维护服务器环境，如何采购和升级系统软件、应用软件及至杀毒软件，如何防范黑客入侵。无论是数据服务还是应用计算，一切都从网络上直接获得。这就像使用水和电一样，终端用户只需要打开开关或龙头，就可以获得并享受服务，而拥有庞大资源的电厂和自来水厂则负责在“云”的另一端提供最专业的生产和维护。

图1. 医疗信息化中的云存储服务模型

基于用“云计算”来实现生理参数远程监护的想法，我们设计了一个基于B/S架构的多参数远程监护系统，其结构如图2所示。整个系统由监护中心的中央监护服务器端软件（云）、客户端浏览器和多参数采集器构成。服务器端软件（云）能够接受两个客户端的数据传输请求，实现基于Internet的多病人生理参数远程实时监护。客户端采用B/S架构，无需安装任何客户端程序，只要打开浏览器就可以实时查看和发送生理参数和波形（见图3）。基于B/S架构的远程中央监护系统便于客户端软件的部署维护，将中央监护系统从医院病房延伸到了社区或家庭，为医疗仪器普及化和网络化提供了新的解决方案。

图3 客户端监护界面

在新一轮医改浪潮中，医疗服务信息化将是必然趋势，通过信息化手段，建立医疗卫生机构间资源共享，能实现医疗服务资源的最优整合和最大协同效应，未来医疗软硬件需求数额将非常可观。把计算资源作为服务的云计算理念和技术必将会改变传统医疗信息化的发展理念和建设模式，在推进医疗信息化建设过程中起到至关重要的作用。