基于MongoDB的电子健康档案数据存储设计和优化研究

摘要

在新世纪新阶段下，党中央为我军赋予了新的历史使命，并提出了“能打仗、打胜仗”的历史要求，促使着我军从机械化半机械化军队向信息化军队转型。建立军人电子健康档案是实施军人健康管理的基础，对维护和促进广大官兵健康，维护部队战斗力具有十分重要的作用[1]，为此必须建立军人电子健康档案，全面实施军人健康管理。建立军人电子健康档案，是卫勤信息化建设重点。从“十一五”计划国家科技部启动国家科技支撑计划重点项目“中国人个人健康管理信息系统的构建与应用”开始，健康档案项目始终是国家卫生信息化的重要工作。“十三五”期间，国家提出了建设电子健康档案、电子病历和全国人口数据资源库三个基础数据库的要求。在军队医药卫生科技“十二五”和“十二五”、“十三五”科研规划和全军卫生工作总体规划中，对军人电子健康档案和健康管理信息系统研究和建设做出了总体安排和部署。总之，建立军人电子健康档案，是实现军地健康档案衔接的必然要求，是满足官兵全维健康防护的必要手段，是跟进国际信息发展的必由之路。
　　本研究选题来源于全军后勤科研重点项目“军人电子健康档案及健康管理系统”研制，研究内容是根据军人电子健康档案应用的数据访问模式，选择适合军人健康档案数据半结构化、内容可灵活扩展特点的数据库存储技术，完成数据存储系统原型的设计、优化及存储接口的实现。研究目的是为军人电子健康档案系统的研制提供技术基础，特别是为其中数据存储系统的全面实现提供设计依据，保证系统实现的可行性、可靠性和可扩展性。
　　本研究使用文献调研、对比分析、系统分析、现场调查、实证研究等研究方法综合分析了电子健康档案的发展现状，对相关概念及理论做了分析，通过数据库技术选型、业务的需求分析、存储模式的设计与优化、程序的设计与对比评估等方面，综合论述了军人电子健康档案应该怎么存、存成什么样的问题，解决了军人电子健康档案系统在实际开发过程中的数据存储问题，能够满足卫勤领导、责任军医、医务人员、官兵个人等不同用户角色访问健康档案数据的需求。本研究的结果对居民电子健康档案中数据存储系统的实现也具有一定的理论参考和实际应用价值。
　　1、数据库技术选型
　　由于军人电子健康档案具有数据源多样、数据关系复杂、档案内容扩展性强等特点，使用传统方法和固定模式的数据库技术不完全适合存储健康档案数据。同时，由于军人电子健康档案中包含大量的半结构化与非结构化的数据，难以使用传统的关系型数据库进行处理。采用对比分析的研究方法，对各种非关系型数据库进行分析后发现，开源文档型数据库MongoDB比较适合于健康档案数据的存储，因此选择了MongoDB作为存储系统的基础数据库。
　　2、对数据库访问的需求分析
　　在使用MongoDB实现存储系统的过程中，需要根据军人电子健康档案的特点和访问需求针对性地设计健康档案在数据库中的逻辑模型与物理模型。健康档案数据的访问特点和用户需求是由军人电子健康档案系统的应用决定的。军人电子健康档案系统是一个为参与健康档案业务的各个角色而设计的综合信息系统，它的主要功能是从不同角度提供对健康档案数据的读写和分析等工作。这个系统包含超级管理员和管理员两类维护系统的角色，卫勤领导、责任军医、医务人员和官兵个人四类使用系统的角色，其中除了管理员，其它五类角色都会从不同的方面对健康档案数据库进行访问。从数据库的角度上将这五类角色的使用需求进行划分，可以将它们归纳为插入操作、更新操作和查询操作三类。插入与更新操作的逻辑简单，不需要做更为细致的归纳总结，但是查询（包括简单的统计）操作涉及了较多的字段和业务与业务之间的关联关系，需要进一步的整理。整理后的查询操作包括了3类方法，分别是计数，分组和选择，以及3类限定条件，分别从人员信息、疾病信息和时间跨度上进行限制，而通过这些条件的灵活组合，可以覆盖所有角色的查询操作。对数据库的访问应满足上述需求。
　　3、对存储模型的设计与优化
　　电子健康档案的内容是随着时间而变化的，现有的业务范围不代表未来完整的档案项目。随着时间的推移，电子健康档案中包含的项目将会越来越完善，这意味着健康档案的数据结构和存储模式必须具有可进化的能力。半结构化的电子健康档案对档案模型的设计上提出严格的要求，而在本项目中采用了一种可自由定制的健康档案生成系统为健康档案系统的管理人员根据业务的需求定制独特的健康档案模型。在本次研究中使用的军人电子健康业务模型也是通过这个系统生成的。为了使健康档案的数据模型能够处理不同的业务模型，设计了一种直观的存储模型，即MongoDB数据库中的文档和健康档案一一对应。同时，为了提高一些需要统计计算的查询性能，提出了一种优化的档案存储模型，有效地提高了查询效率。
　　4、程序的实现与评估
　　在完成了数据库的设计与优化后，在程序中对提出的相关模型进行了实现，同时完成了上层应用调用存储系统的相关应用程序接口。通过测试用例，评估了系统优化的效果。结果表明优化后的存储模型在大多数的数据规模下都能够带来更好的查询性能；对于超出特定规模的超大数据集的条件下，也一定不差于未优化的模型。
　　本研究设计实现的存储系统已经应用于军人电子健康档案系统，提出的优化模型在实际应用中执行查询操作时的性能提升非常明显。目前，军人电子健康档案系统已在南部战区、火箭军等体系医院中进行了试点应用，取得了良好效果和军事效益，为在全军推广应用打下了坚实基础。
　　本研究是军人电子健康档案项目研究的一部分，在数据模式设计上进行了一次有意义的尝试，具备实际应用价值，希望对相关研究具有参考作用。

目录

声明

英文缩略词表

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 研究的思想和方法

1.3 论文的组织结构

1.4 国内外现状

2 数据库的技术选型

2.1 用关系型数据库管理健康档案的局限

2.2 NoSQL

2.3 文档数据库MongoDB

2.4 选择MongoDB的理由

3 军人电子健康档案的数据访问需求

3.1 系统功能和用户角色概述

3.2 不同角色对数据的访问需求分析

3.3 数据访问模式

4 存储模型的设计与优化

4.1 健康档案数据模型动态生成系统

4.2 军人健康档案数模型

4.3 数据存储模型设计原则

4.4 物理模型的设计

4.5 存储模型的优化

4.6 数据安全性

5 系统实现与评估

5.1 开发环境

5.2 ODM

5.3 存储接口的实现

5.4 模型改进前后的对比

6 总结与讨论

6.1 总结

6.2 下一步工作

参考文献

发表的学术论文

综述：军人电子健康档案系统在“卫勤救援-2016”演习中的部署与应用

作者简历

致谢