基于大數(shù)據(jù)時代的醫(yī)院PACS硬件基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計

王兆文 戴 捷 李 林

基于大數(shù)據(jù)時代的醫(yī)院PACS硬件基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計

王兆文①戴 捷①李 林①

目的：對大數(shù)據(jù)背景下的影像歸檔及傳輸系統(tǒng)(PACS)硬件基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行實驗性設(shè)計。方法：對實驗性PACS硬件基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計進(jìn)行醫(yī)學(xué)數(shù)字成像及通信(DICOM)試驗。結(jié)果：得到64排螺旋CT、1.5T MR和DR的DICOM試驗數(shù)據(jù)。結(jié)論：在數(shù)據(jù)爆發(fā)增長的背景下設(shè)計出合理、高效的PACS硬件基礎(chǔ)架構(gòu)，對保證大型醫(yī)院的PACS應(yīng)用至關(guān)重要。

影像存檔與傳輸系統(tǒng)；醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像通訊；大數(shù)據(jù)；存儲

[First-author’s address] Information Section, The Third Hospital of PLA, Baoji 721004, China.

影像存檔與傳輸系統(tǒng)(picture archive and communication system，PACS)源自20世紀(jì)80年代數(shù)字X線設(shè)備的應(yīng)用而來的完成醫(yī)學(xué)圖像傳輸、歸檔和共享系統(tǒng)；是通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)與醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的交叉，由計算機(jī)硬件和軟件構(gòu)成[1]。

PACS的核心是醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像通訊(digital image communication of medicine，DICOM)標(biāo)準(zhǔn)，即醫(yī)學(xué)影像通信的高層協(xié)議，其通信的基礎(chǔ)是基于計算機(jī)技術(shù)的TCP/IP協(xié)議[2-3]。PACS已經(jīng)成為醫(yī)院信息化建設(shè)重要的基礎(chǔ)系統(tǒng)，其管理數(shù)據(jù)量占全部醫(yī)學(xué)信息數(shù)據(jù)量的80%以上[4]。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和信息化技術(shù)的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用已經(jīng)成為現(xiàn)代PACS的技術(shù)特征之一[5]。如計算機(jī)斷層掃描圖像，20世紀(jì)初典型的胸部掃描層厚和層間距為5 mm，30 cm長的掃描形成最多60幅圖像，以每幅512 KB計算只有30 MB[6]。目前，常規(guī)的64排CT胸部掃描是1 mm層厚和層間距，30 cm長的掃描將形成300幅圖像，數(shù)據(jù)量為150 MB，增加了5倍，如果是更為精密的心臟冠脈掃描，則將達(dá)到10～20倍[7]。因此，在數(shù)據(jù)爆發(fā)增長的背景下，合理、高效的PACS硬件基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計對保證大型醫(yī)院PACS的使用至關(guān)重要[8]。

1 PACS架構(gòu)和硬件規(guī)劃

主流PACS軟件為3層架構(gòu)設(shè)計，即數(shù)據(jù)層、中間層和應(yīng)用層，與醫(yī)院信息系統(tǒng)(hospital information system，HIS)相比PACS數(shù)據(jù)層的計算能力要求低，但中間層服務(wù)眾多，主要包括文件存取服務(wù)、安全驗證服務(wù)、工作流管理服務(wù)、Web訪問服務(wù)、圖像后處理服務(wù)和接口服務(wù)等[9]。多數(shù)PACS軟件的中間層服務(wù)采用模塊化設(shè)計，依據(jù)數(shù)據(jù)量大小、應(yīng)用功能范圍配置中間層服務(wù)的硬件；應(yīng)用層需要滿足圖像顯示和處理的要求，相比HIS對客戶端計算機(jī)以及顯示設(shè)備的要求要高[10]。根據(jù)PACS軟件架構(gòu)簡述其工作原理(如圖1所示)。

圖1 PACS架構(gòu)圖

1.1 依托Oracle 10 g強(qiáng)大的后臺數(shù)據(jù)管理能力構(gòu)建數(shù)據(jù)層

基于.NET技術(shù)框架進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)開發(fā)，開發(fā)語言為C#、VB.NET等；采用ADO.NET實現(xiàn)對Oracle數(shù)據(jù)庫的存取訪問，采用DICOM、HL7、FTP等標(biāo)準(zhǔn)通訊技術(shù)實現(xiàn)對文件庫的存取訪問，實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問層；基于ASP.NET技術(shù)構(gòu)建Web服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器。Web Client/Server，PACS終端采用Internet Explorer訪問Web服務(wù)。Web服務(wù)器軟件采用Windows 2003 Enterprise Server自帶的IIS 6.0，并配置為可支持ASP.NET。DICOM Image Service實現(xiàn)DICOM影像的查詢、調(diào)閱及診斷。

1.2 系統(tǒng)管理軟件

無需單獨(dú)開發(fā)系統(tǒng)管理軟件，所有的系統(tǒng)管理功能都將集成在Web Server內(nèi)，以網(wǎng)頁形式提供。

2 PACS硬件規(guī)劃的要點

2.1 服務(wù)器規(guī)劃

基于PACS三層架構(gòu)、模塊化的特點，服務(wù)器規(guī)劃有3點：①比較穩(wěn)定、安全及滿足未來3～5年需要的數(shù)據(jù)層服務(wù)器，采用雙機(jī)熱備，計算性能、穩(wěn)定性適當(dāng)高配；②配置適當(dāng)數(shù)量、性能的中間層服務(wù)器，可以隨著醫(yī)院業(yè)務(wù)量、歸檔數(shù)據(jù)量和訪問量的增長擴(kuò)展相匹配的軟件模塊及中間層服務(wù)器；③針對虛擬化、服務(wù)器計算等趨勢，在有資金條件的情況下，實驗性地規(guī)劃虛擬化服務(wù)和服務(wù)器計算。

2.2 存儲規(guī)劃與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

PACS圖像是醫(yī)療證據(jù)，就法律而言需要長期保存，且要有災(zāi)備措施；就臨床診斷而言，短期圖像需要經(jīng)常調(diào)閱，長期圖像則調(diào)閱次數(shù)很少。因此，結(jié)合法律和臨床的需要應(yīng)合理規(guī)劃需求與投資合理性的關(guān)系。傳統(tǒng)PACS圖像存儲分為3個層次，即在線、近線和離線，分別采用高性能存儲、低成本存儲和介質(zhì)存儲設(shè)備[11]。隨著IT技術(shù)的發(fā)展，3個層次的邊界逐漸模糊，而主要向兩個方面進(jìn)行規(guī)劃：①根據(jù)成像時間軸劃分為短期圖像和長期圖像；②根據(jù)圖像的應(yīng)用劃分為診斷、研究數(shù)據(jù)和證據(jù)數(shù)據(jù)，其中診斷、研究數(shù)據(jù)要求為全面的原始圖像，而證據(jù)數(shù)據(jù)可以是部分關(guān)鍵圖像。結(jié)合上述兩種劃分方法提出短期存儲為原始圖像、長期存儲為證據(jù)圖像的概念，從而科學(xué)地對PACS存儲的關(guān)鍵問題提出硬件解決方案。

現(xiàn)代影像學(xué)的特征是數(shù)據(jù)量越來越大，同時無線正逐漸進(jìn)入影像學(xué)應(yīng)用的范疇，因此PACS網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃應(yīng)作前瞻考慮，將萬兆主干、千兆桌面和無線應(yīng)用納入規(guī)劃范圍。

2.3 客戶端規(guī)劃

根據(jù)PACS數(shù)據(jù)量大、需要進(jìn)行后處理運(yùn)算的特點，基于服務(wù)器計算和云計算的當(dāng)代IT技術(shù)發(fā)展趨勢，應(yīng)對客戶端作兩方面的規(guī)劃：①影像科應(yīng)采用高計算性能的客戶端，并能支持專用顯示器，支持千兆網(wǎng)絡(luò)通信；②臨床客戶端應(yīng)考慮使用具有服務(wù)器計算(未來云計算)、純B/S技術(shù)的PACS，從而避免臨床客戶端的計算性能不斷升級需求。

2.4 附屬配置規(guī)劃

PACS不僅是圖像的傳輸和顯示，還包括對影像科室流程的管理和優(yōu)化，因此涉及到流程管理和優(yōu)化的附屬設(shè)備應(yīng)在規(guī)劃中體現(xiàn)，其包括排隊叫號的大屏、呼叫設(shè)備、各種識別設(shè)備(如磁卡、IC卡、RFID及條碼等)和圖像顯示設(shè)備(如醫(yī)用的豎屏、大屏、投影儀及DID等)。

3 醫(yī)院PACS硬件規(guī)劃和測試

根據(jù)PACS硬件基礎(chǔ)架構(gòu)實驗性設(shè)計結(jié)果，醫(yī)院以影像科64排CT、1.5T MR、DR設(shè)備及檢查情況為研究的對象，通過分析現(xiàn)狀提出PACS硬件規(guī)劃(如圖2所示)。

圖2 PACS服務(wù)器端硬件架構(gòu)圖

在測試階段，設(shè)計并連接測試的服務(wù)器、存儲、客戶端和醫(yī)療設(shè)備，所有設(shè)備生成的圖像格式為DICOM。在每個測試設(shè)備中設(shè)置DICOM通信參數(shù)IP地址、AE Title和Port，即可實現(xiàn)與PACS系統(tǒng)的DICOM通信。測試設(shè)備生成的DICOM文件平均大小對應(yīng)不同檢查所產(chǎn)生的數(shù)量統(tǒng)計情況(見表1)。

表1 影像設(shè)備與數(shù)據(jù)量的關(guān)系

根據(jù)本設(shè)計的PACS架構(gòu)，選取惠普公司DL580G7作為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，DL380G7服務(wù)器作為DICOM數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，服務(wù)器均使用微軟公司W(wǎng)indows 2003 Server標(biāo)準(zhǔn)版，并安裝Internet Information System7.0。選取惠普公司EVA P6350作為存儲，與數(shù)據(jù)庫和影像服務(wù)器采用6 Gbps光纖的HBA卡連接。使用CISCO3070純千兆交換機(jī)，配置4 Gbps光纖模塊連接服務(wù)器，千兆網(wǎng)口連接客戶端，并通過1000/100/100 Mbps HUB連接測試設(shè)備。

表2 測試的硬件配置參數(shù)表

PACS主要硬件配置表參考英飛達(dá)公司型號為INFINITT G3的PACS軟件的要求，規(guī)劃PACS軟件與硬件的配置關(guān)系。①將安裝了Oralce11g數(shù)據(jù)庫、INFINITT ArchiveMan歸檔軟件、INFINITT Web Server訪問管理軟件和INFINITT BackMan備份軟件的服務(wù)器作為主服務(wù)器，為保證主要服務(wù)不中斷，將上述服務(wù)器配置為雙機(jī)熱備；②在網(wǎng)關(guān)服務(wù)器安裝INFINITT Network Gateway和Worklist網(wǎng)關(guān)，用于圖像數(shù)據(jù)的采集、歸檔以及完成DICOM Worklist服務(wù)，根據(jù)數(shù)據(jù)量發(fā)生情況，規(guī)劃每個服務(wù)器支持10 GB/d的數(shù)據(jù)量則配置兩臺網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，未來可依據(jù)數(shù)據(jù)量發(fā)生的增長而增加網(wǎng)關(guān)服務(wù)器；③短期存儲采用SAN架構(gòu)的磁盤陣列，應(yīng)采用光纖硬盤以提高IO性能；④長期存儲采用較低成本的磁盤陣列或NAS存儲，規(guī)劃容災(zāi)長期存儲，有條件的可以規(guī)劃為異地災(zāi)備。醫(yī)院放射科客戶端在個人計算機(jī)上安裝INFINITT PACS View圖像訪問軟件。在INFINITT Network Gateway內(nèi)設(shè)置DICOM通信參數(shù)后則可實現(xiàn)從測試的CT、MR和DR設(shè)備接收DICOM圖像數(shù)據(jù)，臨床客戶端則利用當(dāng)前的HIS醫(yī)生工作站計算機(jī)，使用Web View圖像訪問軟件[12]。

在開始測試時CT、MR和DR通過DICOM協(xié)議同時向建立在DL380G7的PACS網(wǎng)關(guān)傳輸圖像，其中CT傳輸一個2000幅圖像文件，MR傳輸一個1000幅圖像文件，DR傳輸50個單幅圖像。分別調(diào)取Network Gateway日志記錄，尋找圖像開始發(fā)送時間、傳輸完成時間、歸檔開始時間和歸檔完成時間并記錄。在聯(lián)想電腦上通過Interne Explore訪問服務(wù)器網(wǎng)址，使用INFINITT PACS View分別打開傳輸完成的CT、MR和DR圖像文件，記錄圖像全部下載并顯示完成的時間。

測試中所記錄的圖像傳輸、歸檔時間測試記錄見表3，記錄的客戶端圖像訪問時間記錄見表4。

表3 圖像傳輸、歸檔時間測試參數(shù)表

表4 圖像訪問、調(diào)閱時間測試參數(shù)表

4 討論

本次測試實驗在合理的硬件配置和架構(gòu)下，即使連續(xù)發(fā)送DR圖像，在1 min內(nèi)可完成傳輸，在2 min內(nèi)完成歸檔，客戶端可立即進(jìn)行訪問和調(diào)閱圖像，對于及時診斷尤其是骨外科的急診具有重大意義。CT、MR產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)，由于其圖像文件數(shù)據(jù)極大，網(wǎng)關(guān)服務(wù)器需對每幅圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后再將圖像進(jìn)行歸檔，服務(wù)器工作壓力較大，但仍可在5～10 min內(nèi)完成傳輸、歸檔，歸檔后的客戶端可立即訪問和調(diào)閱圖像。常規(guī)的CT檢查間隔約10 min、MR檢查間隔約30 min，因此測試傳輸、歸檔時間結(jié)果均在合理范圍之內(nèi)。

在客戶端訪問實驗中，當(dāng)前配置的客戶端電腦訪問影像服務(wù)器得到DR圖像的時間為5 s內(nèi)，能夠滿足醫(yī)生的觀察、診斷過程中的等待時間的需求。訪問影像服務(wù)器得到CT、MR首屏30幅圖像的時間為2～3 s之間，由于該P(yáng)ACS軟件采用邊下載邊顯示的漸進(jìn)顯示(Progressive)模式，首屏30幅圖像后平均每屏顯示時間＜3 s，能夠滿足醫(yī)生診斷時快速翻屏的需求。

本實驗結(jié)果顯示，現(xiàn)有PACS系統(tǒng)采用的硬件架構(gòu)和配置能夠滿足一般三級甲等醫(yī)院的需求，將其應(yīng)用于醫(yī)院PACS系統(tǒng)硬件的架構(gòu)設(shè)計和設(shè)備選型的參考，對于醫(yī)院PACS系統(tǒng)的建設(shè)具有重要意義。

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Research on hospital PACS hardware infrastructure design under big data environment

WANG Zhao-wen, DAI Jie, LI Lin

China Medical Equipment,2014,11(4):55-58.

Objective: To describe PACS hardware infrastructure experimental design and summary under big data environment. Methods: A real DICOM communication test of PACS hardware infrastructure experimental design. Results: Archive test figures of DICOM communication for 64 channel CT, 1.5T MRI and DR. Conclusion: Currently, an efficient, reasonable hardware infrastructure design is essential to guarantee large hospital PACS application.

Picture archive and communication system; Digital image communication of medicine; Big data; Storage

1672-8270(2014)04-0055-04

R197.324

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.04.018

王兆文,男,(1969- ),碩士，工程師。解放軍第三醫(yī)院信息科主任，從事醫(yī)院信息工作。

2013-10-23

①解放軍第三醫(yī)院信息科 陜西 寶雞 721004