
医疗大数据分析管理系统的设计与科研应用
1 背景
我院半结构化电子病历起用于2005年,至今已积累电子病历近50万份。由于病历完成者主要是进修医和学生,数据质量无法满足科研需求,我们又开发了科研电子病历系统,供科研人员在其中补充录入普通电子病历没有的数据。两个系统共为科研数据中心的数据来源。科研数据中心的应用大大提高了科研工作效率及准确性。但随着数据量和查询维度的增加,数据查询和数据挖掘的速度越来越慢。为此,我们决定引入分布式存储及分布式计算技术,建立医疗大数据分析管理系统,来提高数据处理效率。
2 硬件系统架构
我们采用MongoDB作为存储工具。首先,因为普通关系型数据库的每次操作都会有一致性检查,而MongoDB的设计没有这个步骤,所以MongoDB的存储效率比普通关系型数据库更高。其次,医院总数据量低于5T,综合考虑数据量级及管理成本,没有选择hadoop。而且,MongoDB也考虑了设备故障出现的场景,在设计时就做了容灾和故障转移的方案。
图1 硬件系统架构
如图1所示,客户端连接3台应用服务器,应用服务器主要负责随访、数据采集清洗和科研项目管理等业务。因为做大数据分析,尽管本项目对存储量要求不高,但对I/O及CPU运算速度却要求很高,故设计9台PC服务器用来进行分布式存储及计算,这9台PC服务器由三套副本集组成,以提高存储及计算效率。每个副本集又由三个存储节点组成,每个存储节点各有分工,但数据相互备份,以保证数据安全。
MongoDB的集群部署方案中有三类角色:实际数据存储结点(shard)、配置文件存储结点(config server)和路由接入结点(mongos)。连接的客户端直接与路由结点相连,从配置结点上查询数据,根据查询结果到实际的存储结点上查询和存储数据。
mongos,数据库集群请求的入口,所有的请求都通过mongos进行协调,不需要在应用程序添加一个路由选择器,mongos自己就是一个请求分发中心,它负责把对应的数据请求请求转发到对应的shard服务器上。在此我们考虑部署3台mongos作为请求的入口,防止其中一台宕机后所有的mongodb请求都无法操作。
config server,顾名思义为配置服务器,存储所有数据库元信息(路由、分片)的配置。mongos本身没有物理存储分片服务器和数据路由信息,只是缓存在内存里,配置服务器则实际存储这些数据。mongos第一次启动或者关掉重启就会从 config server 加载配置信息,以后如果配置服务器信息变化会通知到所有的 mongos 更新自己的状态,这样 mongos 就能继续准确路由。在此我们考虑部署3台config server 配置服务器,就算其中一台宕机, mongodb集群仍然可用。
shard,实际的数据存储节点,把既往一台服务器存储的数据分散到3台存储,不仅存储空间大大的扩展,同时硬盘的读写,网络的IO、CPU和内存都得到很大的扩展。在Mongodb集群中只要设置好了分片规则,通过mongos操作数据库就能自动把对应的数据操作请求转发到对应的分片机器上。同时每个分片有3台服务器组成副本集(Replica Set) ,保证同一份数据存储三份。
3 软件系统架构
院内医疗数据大量分散存储在HIS、LIS、EPR、PACS等子系统中,院外数据主要存储在随访系统中。这些数据具有多源相关性、异构性、海量高速性的特点,有效的数据整合是大数据分析的前提。首先,所有子系统数据通过医院系统集成平台进行采集,然后通过解析、映射、标准化等手段进行加工处理,最后存储于数据仓库中。数据仓库中的数据通过聚合统计、结构化、归一等技术手段,为大数据查询、挖掘、随访、科研项目管理等应用系统提供数据支撑,具体如图2所示。
图2 软件系统架构
4 应用效果分析
我院科研大数据分析管理系统启用后效果明显,到目前为止已建立20个专业科研数据库,支持了15个科研项目。完成各类科研查询200余项次,发表论文上百篇,其中SCI文章数十篇。科研工作绩效长期在北京市医管局系统名列前茅。科研人员普遍反映工作效率有很大改善。
5 目前存在的不足
5.1数据分析与建模中存在的问题 首先,医疗信息系统通常不是为了科研和数据分析设计的。从数据分析的角度看,医疗数据通常比较复杂,医疗数据建模与医疗业务流程关系密切,需要不同领域的知识,包括医学、生物统计学、流行病学和信息学等。在某些涉及基因疗法的医学数据中,还需要有基因学领域的专家。仅凭HIS厂商是无法实现的。因此如何协调好各领域专家,建立行之有效的数据模型是项目成败的关键。
5.2 医学自然语言处理难度大,影响数据质量 由于大量详细的病人信息以文本形式存储,而文本描述的信息通常存在歧义和很多非标准化描述,如何把这些非结构化数据转化为统一的结构化数据是医学信息处理的重要步骤。自然语言处理是解决方案之一。将非结构化医疗数据转化为结构化数据需要一系列医学自然语言处理技术,包括:医学名实体识别,名实体自动编码,名实体修饰词识别,时间信息抽取等。作为信息抽取的关键技术,医学信息抽取一直是医学自然语言处理的研究热点。
5.3 病案质量欠佳 科研数据中心的数据是需要经过结构化、标准化处理后才能存储的。这些数据要求以病例个体为单位,以时间为线索,按照开放的标准架构进行组织存储,如HL7、CDA,保证病例数据的可用性和可扩展性。提供灵活的数据检索能力,方便查找符合条件的病例,并通过数据输出接口将数据导出成为标准的,可供第三方平台处理的数据格式。
临床科研对病案质量要求更高,低质量的病案会直接导致临床科研结果的偏差。因此,严谨的病历书写规范及数据校验,对每一个数据元素进行标准化定义,是必不可少的步骤。
5.4 患者提供随访数据的依从性有待提高 随访数据对于医学科研的意义不言而喻。在实践过程中,我们发现心脑血管疾病人群大多为老年人,而老年人对于电子设备操作不熟练,影响了数据采集的及时性和准确性。未来应通过可穿戴设备、远程会诊、异地医疗机构信息系统互联互通等方式提高患者,特别是外地患者随访的依从性。
6 结论与展望
医疗卫生行业的数据资源为大数据技术应用提供了条件。目前医疗大数据的相关标准与软件应用等研究仍处在起步阶段,开拓空间大,提供机会多,但也面临诸多现实问题。
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
CDA 数据分析师报考条件详解与准备指南 在数据驱动决策的时代浪潮下,CDA 数据分析师认证愈发受到瞩目,成为众多有志投身数 ...
2025-07-18刚入职场或是在职场正面临岗位替代、技能更新、人机协作等焦虑的打工人,想要找到一条破解职场焦虑和升职瓶颈的系统化学习提升 ...
2025-07-182025被称为“AI元年”,而AI,与数据密不可分。网易公司创始人丁磊在《AI思维:从数据中创造价值的炼金术 ...
2025-07-18CDA 数据分析师:数据时代的价值挖掘者 在大数据席卷全球的今天,数据已成为企业核心竞争力的重要组成部分。从海量数据中提取有 ...
2025-07-18SPSS 赋值后数据不显示?原因排查与解决指南 在 SPSS( Statistical Package for the Social Sciences)数据分析过程中,变量 ...
2025-07-18在 DBeaver 中利用 MySQL 实现表数据同步操作指南 在数据库管理工作中,将一张表的数据同步到另一张表是常见需求,这有助于 ...
2025-07-18数据分析师的技能图谱:从数据到价值的桥梁 在数据驱动决策的时代,数据分析师如同 “数据翻译官”,将冰冷的数字转化为清晰的 ...
2025-07-17Pandas 写入指定行数据:数据精细化管理的核心技能 在数据处理的日常工作中,我们常常需要面对这样的场景:在庞大的数据集里精 ...
2025-07-17解码 CDA:数据时代的通行证 在数字化浪潮席卷全球的今天,当企业决策者盯着屏幕上跳动的数据曲线寻找增长密码,当科研人员在 ...
2025-07-17CDA 精益业务数据分析:数据驱动业务增长的实战方法论 在企业数字化转型的浪潮中,“数据分析” 已从 “加分项” 成为 “必修课 ...
2025-07-16MySQL 中 ADD KEY 与 ADD INDEX 详解:用法、差异与优化实践 在 MySQL 数据库表结构设计中,索引是提升查询性能的核心手段。无论 ...
2025-07-16解析 MySQL Update 语句中 “query end” 状态:含义、成因与优化指南 在 MySQL 数据库的日常运维与开发中,开发者和 DBA 常会 ...
2025-07-16如何考取数据分析师证书:以 CDA 为例 在数字化浪潮席卷各行各业的当下,数据分析师已然成为企业挖掘数据价值、驱动决策的 ...
2025-07-15CDA 精益业务数据分析:驱动企业高效决策的核心引擎 在数字经济时代,企业面临着前所未有的数据洪流,如何从海量数据中提取有 ...
2025-07-15MySQL 无外键关联表的 JOIN 实战:数据整合的灵活之道 在 MySQL 数据库的日常操作中,我们经常会遇到需要整合多张表数据的场景 ...
2025-07-15Python Pandas:数据科学的瑞士军刀 在数据驱动的时代,面对海量、复杂的数据,如何高效地进行处理、分析和挖掘成为关键。 ...
2025-07-15用 SQL 生成逆向回滚 SQL:数据操作的 “后悔药” 指南 在数据库操作中,误删数据、错改字段或误执行批量更新等问题时有发生。 ...
2025-07-14t检验与Wilcoxon检验的选择:何时用t.test,何时用wilcox.test? t 检验与 Wilcoxon 检验的选择:何时用 t.test,何时用 wilcox. ...
2025-07-14AI 浪潮下的生存与进阶: CDA数据分析师—开启新时代职业生涯的钥匙(深度研究报告、发展指导白皮书) 发布机构:CDA数据科 ...
2025-07-13LSTM 模型输入长度选择技巧:提升序列建模效能的关键 在循环神经网络(RNN)家族中,长短期记忆网络(LSTM)凭借其解决长序列 ...
2025-07-11