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PACS即服務(wù)的云平臺(tái)架構(gòu)

2015-04-17 01:59:39溫永賢杜偉業(yè)王君琛姜偉李潔河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程處河北張家口075000
中國(guó)醫(yī)療設(shè)備 2015年4期
關(guān)鍵詞:網(wǎng)關(guān)供應(yīng)商架構(gòu)

溫永賢,杜偉業(yè),王君琛,姜偉,李潔河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程處, 河北 張家口 075000

PACS即服務(wù)的云平臺(tái)架構(gòu)

溫永賢,杜偉業(yè),王君琛,姜偉,李潔
河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程處, 河北 張家口 075000

近年來(lái),影像歸檔和通信系統(tǒng)(Picture Archiving and Communication System,PACS)的出現(xiàn),使數(shù)字化醫(yī)學(xué)圖像的提取和處理以及現(xiàn)代化醫(yī)院影像科室對(duì)其他臨床科室的服務(wù)模式進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代。PACS不但能夠提高診斷效率、簡(jiǎn)化候診流程,減少膠片用量、完善圖像備份,而且也為院內(nèi)會(huì)診、遠(yuǎn)程醫(yī)療、院際間協(xié)作的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了一個(gè)非常好的平臺(tái)。據(jù)估計(jì),2012~2015年中國(guó)PACS市場(chǎng)將繼續(xù)以>20%的速度擴(kuò)張,到2015年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到26億元[1]。

然而,數(shù)字化醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的增加必然會(huì)導(dǎo)致PACS運(yùn)行維護(hù)成本的不斷增長(zhǎng)。而云計(jì)算供應(yīng)商的出現(xiàn)能夠很好地解決以上問(wèn)題,云供應(yīng)商提供的平臺(tái)可為醫(yī)院節(jié)省自身數(shù)據(jù)中心建設(shè)、軟件許可等一系列成本。云平臺(tái)具有彈性、可靠性等特點(diǎn),并采用按需付費(fèi)的服務(wù)模式。本質(zhì)上來(lái)說(shuō),這是一種PACS的業(yè)務(wù)外包模式。這種外包模式主要有兩種類型: ① 僅將數(shù)字化醫(yī)學(xué)圖像的存儲(chǔ)服務(wù)交由云供應(yīng)商管理,這些圖像數(shù)據(jù)被存放在云供應(yīng)商的存儲(chǔ)服務(wù)器上,醫(yī)療機(jī)構(gòu)按照需求獲取,這種模式主要用于數(shù)字化醫(yī)學(xué)圖像的長(zhǎng)期備份管理;② 完整的PACS租賃模式,包括全部

0 前言

的應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫(kù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等,是一個(gè)全面的解決方案。

基于以上分析,本文提出了一種PACS即服務(wù)的云平臺(tái)架構(gòu),以期能解決國(guó)內(nèi)中小醫(yī)院PACS運(yùn)行維護(hù)成本過(guò)高的問(wèn)題。

1 PACS的作用

PACS由醫(yī)院數(shù)字化圖像獲取、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)庫(kù)管理、圖像顯示和處理及用于影像傳輸?shù)臄?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)部分組成。PACS的作用在于促進(jìn)數(shù)字化醫(yī)院的形成,提高診斷效率以及降低成本。相對(duì)于傳統(tǒng)的基于膠片的醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)而言,無(wú)膠片的PACS具有以下優(yōu)勢(shì)[3]:① 根據(jù)診斷需要,可在不同地方同時(shí)調(diào)閱不同時(shí)期和不同成像系統(tǒng)產(chǎn)生的多幅圖像,并可進(jìn)行圖像的再處理,為綜合影像診斷、多學(xué)科會(huì)診提供必要條件,也可以實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)在醫(yī)院內(nèi)部甚至醫(yī)院之間的共享;② 優(yōu)化醫(yī)生的工作模式,簡(jiǎn)化工作流程,提高工作效率,縮短病人的候診時(shí)間,降低重拍概率; ③ 可對(duì)相關(guān)影像設(shè)備的工作狀態(tài)及工作量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理,提高了影像設(shè)備的利用率。

在過(guò)去的十幾年里,國(guó)內(nèi)各級(jí)醫(yī)院在PACS的建設(shè)方面投入了巨大的資金。由于醫(yī)院各類數(shù)字化成像系統(tǒng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量極大,因此數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是首要解決的問(wèn)題。例如,數(shù)字減影血管造影(Digital Subtraction Angiography,DSA)、多層螺旋計(jì)算機(jī)斷層掃描(Multi-slice Spiral Computed Tomography,MSCT)、磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)、數(shù)字X線攝影(Digital Radiography,DR)和單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層(Single Photon Emission Computed Tomography,SPECT)等均可產(chǎn)生大量的圖像數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的高效率存儲(chǔ)和長(zhǎng)期可用性以及系統(tǒng)的升級(jí)等持續(xù)增長(zhǎng)的成本因素值得關(guān)注。

另外,PACS對(duì)客戶端計(jì)算機(jī)要求比較高: 由于醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)量相對(duì)較大,這對(duì)客戶端計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力也有較高的要求,而客戶端的系統(tǒng)部署、更新升級(jí)等維護(hù)工作量大,總體運(yùn)行成本高,這些都是目前醫(yī)院信息化過(guò)程中遇到的瓶頸問(wèn)題。

若醫(yī)院將PACS服務(wù)外包給云供應(yīng)商,則可以解決以上問(wèn)題,其主要優(yōu)勢(shì)在于[4-5]:① 由于數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)在云供應(yīng)商的服務(wù)器上,因此設(shè)備硬件老化和PACS升級(jí)全部由供應(yīng)商負(fù)責(zé);② 云端是一個(gè)龐大的資源池,包括數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等所有的應(yīng)用都跑在云端,因此客戶端不需要太強(qiáng)的運(yùn)算能力。

2 云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上,通過(guò)虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源共享的計(jì)算模式,它將計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源以及軟件資源等存放在云平臺(tái),用戶按需向云平臺(tái)發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求,而在這個(gè)過(guò)程中云供應(yīng)商可以對(duì)用戶請(qǐng)求的服務(wù)進(jìn)行一定的計(jì)費(fèi)(通常按照所使用的流量)[6]。

云計(jì)算技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于:① 具有彈性。可以將分散的資源聚合成一個(gè)虛擬系統(tǒng),且隨著需求的增加而增長(zhǎng)[7];② 節(jié)約成本。節(jié)省醫(yī)院建設(shè)PACS數(shù)據(jù)中心所需的架構(gòu)成本(硬件、軟件、空調(diào)、消防警報(bào)、安保等),以及持續(xù)的IT設(shè)備更新、軟件授權(quán)許可和電力消耗等系列成本。

目前,云計(jì)算技術(shù)已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外很多商業(yè)機(jī)構(gòu)所使用。2014年的雙11購(gòu)物狂歡節(jié)中,阿里云技術(shù)被用來(lái)支撐571億的交易,高達(dá)每秒鐘8萬(wàn)筆,創(chuàng)下新的世界記錄[8]。國(guó)外在醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的云計(jì)算方面投資巨大。英國(guó)的Image Exchange Portal(IEP)公司支持且大大改善了英國(guó)的國(guó)家衛(wèi)生服務(wù)機(jī)構(gòu)與獨(dú)立衛(wèi)生服務(wù)機(jī)構(gòu)之間的信息傳遞與共享。從2010年起,IEP基于平臺(tái)即服務(wù)(PaaS)云平臺(tái)的服務(wù)已經(jīng)部署在英國(guó)大部分的衛(wèi)生機(jī)構(gòu)。IEP現(xiàn)在有超過(guò)335個(gè)站點(diǎn)積極使用這項(xiàng)服務(wù),每天交換超過(guò)8000個(gè)研究對(duì)象[9]。TeraRecon公司在2014北美放射學(xué)會(huì)年會(huì)上展出了基于軟件即服務(wù)(SaaS)云平臺(tái)最新的iNtuition和iNteract+,該解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)影像查看。iNtuition和iNteract+結(jié)合在一起,可立即利用醫(yī)院以前已經(jīng)部署的PACS,避免造成資源浪費(fèi)[10]。

隨著云計(jì)算技術(shù)在基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)(IaaS)、PaaS、SaaS方向上的不斷發(fā)展,逐漸出現(xiàn)了各種形式的PACS云計(jì)算應(yīng)用平臺(tái)[11],這些應(yīng)用平臺(tái)具備強(qiáng)大的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力,同時(shí)可以為醫(yī)院提供經(jīng)濟(jì)、靈活、安全、功能強(qiáng)大的服務(wù)。

然而,云計(jì)算技術(shù)也存在一些的弱點(diǎn):① 由于距離、網(wǎng)絡(luò)帶寬等原因而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲;② 缺乏供應(yīng)商之間的互通性,即在沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)接口之前不可以隨意更換云供應(yīng)商;③ 特別需要注意與數(shù)據(jù)安全有關(guān)的問(wèn)題,即數(shù)據(jù)的私密性、耐久性和可用性。

3 PACS即服務(wù)的云平臺(tái)架構(gòu)

傳統(tǒng)PACS主要由兩個(gè)部分組成:DICOM對(duì)象存儲(chǔ)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。其中對(duì)象存儲(chǔ)庫(kù)由巨大容量的存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)支持,例如:FC-SAN高端存儲(chǔ)、IP-SAN近線存儲(chǔ)、NAS備份存儲(chǔ)方案等。而數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)則是由數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(Database Management System,DBMS)來(lái)建立、使用和維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)中與患者有關(guān)的信息及影像。

本文提出一種設(shè)想:將以上兩部分外包給云供應(yīng)商。比較成熟的PACS云平臺(tái)解決方案主要由3個(gè)部分構(gòu)成:PACS主索引數(shù)據(jù)庫(kù)(Master Index Database,MIDB)、云網(wǎng)關(guān)、云服務(wù)器。

(1)MIDB是PACS云平臺(tái)的核心架構(gòu),主要包括與患者相關(guān)的一些涉及隱私的信息。其數(shù)據(jù)主要來(lái)源于DICOM對(duì)象設(shè)備以及相關(guān)的云服務(wù)器。由于不同的DICOM對(duì)象設(shè)備可能來(lái)自不同的供應(yīng)商,并且其架構(gòu)、數(shù)據(jù)格式、編碼標(biāo)準(zhǔn)不同,導(dǎo)致了同一個(gè)患者的臨床信息不能夠?qū)崿F(xiàn)共享。為解決此問(wèn)題,可引入MIDB將患者的身份識(shí)別信息統(tǒng)一起來(lái),這樣不僅有利于優(yōu)化醫(yī)院內(nèi)部的操作流程,也能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)區(qū)域醫(yī)院間的資源共享打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[12]。而且MIDB還提供云網(wǎng)關(guān)的身份驗(yàn)證服務(wù),能夠注冊(cè)、驗(yàn)證、登陸相關(guān)的云網(wǎng)關(guān),而對(duì)于云服務(wù)器未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)將被MIDB禁止,以確保數(shù)據(jù)信息的安全。

(2)云網(wǎng)關(guān)的部署:云網(wǎng)關(guān)安裝在醫(yī)院數(shù)據(jù)中心內(nèi),在DICOM對(duì)象系統(tǒng)和云服務(wù)之間構(gòu)筑一座橋梁。公共云存儲(chǔ)供應(yīng)商通過(guò)因特網(wǎng)協(xié)議,諸如HTTP上的基于RESTful協(xié)議的應(yīng)用程序接口API來(lái)實(shí)現(xiàn)云服務(wù)與客戶端的連接,而非傳統(tǒng)的存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(SAN)或NAS協(xié)議。但是對(duì)于PACS云架構(gòu)來(lái)說(shuō),應(yīng)用程序接口API是一個(gè)障礙[13],因?yàn)槠洳荒軐ICOM命令轉(zhuǎn)換為web服務(wù)(WS)請(qǐng)求,也無(wú)法實(shí)現(xiàn)DICOM對(duì)象設(shè)備連接云存儲(chǔ)服務(wù)的接口功能。因此需要開發(fā)一個(gè)DICOM to web云網(wǎng)關(guān):提供存儲(chǔ)(DICOM C-STORE)、查詢/傳輸(DICOM C-FIND和C-MOVE)、獲取信息對(duì)象(DICOM C-ECHO)、找回功能(DICOM C-GET)等DICOM服務(wù)。

(3)云平臺(tái)供應(yīng)商可以提供兩種相分離的服務(wù):云存儲(chǔ)和云數(shù)據(jù)庫(kù)。其中云存儲(chǔ)用來(lái)對(duì)DICOM對(duì)象設(shè)備產(chǎn)生的加密圖像進(jìn)行備份,擁有彈性擴(kuò)容、無(wú)限存儲(chǔ)的特點(diǎn),而云數(shù)據(jù)庫(kù)則可以對(duì)DICOM元數(shù)據(jù)實(shí)施查詢、修改、提取等功能。而傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)提交一個(gè)有效的鏈接字符串即可加入云數(shù)據(jù)庫(kù)。云數(shù)據(jù)庫(kù)解決了數(shù)據(jù)集中與共享的問(wèn)題。但是值得注意的是,當(dāng)涉及到隱私性的元數(shù)據(jù)時(shí),例如:患者姓名、檢查項(xiàng)目、主治醫(yī)生等,云數(shù)據(jù)庫(kù)必須向主索引數(shù)據(jù)庫(kù)MIDB申請(qǐng)?jiān)L問(wèn)這些私密數(shù)據(jù)。本文提出的PACS即服務(wù)云平臺(tái)架構(gòu),見圖1。

圖1 PACS即服務(wù)的云平臺(tái)架構(gòu)圖

4 討論

隨著云計(jì)算技術(shù)的逐漸成熟,越來(lái)越多的醫(yī)療機(jī)構(gòu)開始將目光聚焦在基于云平臺(tái)的可伸縮計(jì)算和海量存儲(chǔ)數(shù)據(jù)中心架構(gòu)上。國(guó)內(nèi)外很多云供應(yīng)商,例如Google存儲(chǔ)、Amazon S3存儲(chǔ)等,這些不同的云平臺(tái)存儲(chǔ)與訪問(wèn)的接口(應(yīng)用程序接口API)并不兼用。因此,若想獲取絕對(duì)的數(shù)據(jù)安全,則要求將DICOM對(duì)象數(shù)據(jù)放在不同的云供應(yīng)商處進(jìn)行備份管理。數(shù)據(jù)冗余的實(shí)現(xiàn)不但能減少下載延遲,提高數(shù)據(jù)可用性,還可使用其他供應(yīng)商進(jìn)行還原,但接口的不兼容會(huì)形成一定障礙,因此開發(fā)出DICOM to web云網(wǎng)關(guān)顯得格外重要。此外,DICOM to web云網(wǎng)關(guān)對(duì)于基于云計(jì)算技術(shù)的區(qū)域型PACS架構(gòu)、數(shù)據(jù)共享、遠(yuǎn)程會(huì)診的開發(fā)也是不可或缺的。

另外,在PACS即服務(wù)的云平臺(tái)架構(gòu)中查詢、提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)不可避免地產(chǎn)生時(shí)間延遲。MRI、CT等影像設(shè)備產(chǎn)生圖像的數(shù)據(jù)量非常大,并且臨床上對(duì)于圖像的精度要求又很高,導(dǎo)致服務(wù)器計(jì)算負(fù)荷過(guò)大,相關(guān)的圖像在客戶端的展現(xiàn)時(shí)間比較長(zhǎng)。為解決上述問(wèn)題,需要設(shè)計(jì)一個(gè)緩存服務(wù)器來(lái)解決DICOM對(duì)象數(shù)據(jù)的訪問(wèn)延遲,通過(guò)引入緩存服務(wù)器以優(yōu)化性能、減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的響應(yīng)時(shí)間。此外,還要求網(wǎng)絡(luò)帶寬要至少達(dá)到千兆以上[14-15],網(wǎng)絡(luò)的高帶寬對(duì)于減少數(shù)據(jù)延遲也是非常必要的。

將數(shù)據(jù)服務(wù)外包給云供應(yīng)商,可以減輕醫(yī)院PACS建設(shè)和維護(hù)的成本,但同時(shí)也帶來(lái)了與安全有關(guān)的問(wèn)題,即數(shù)據(jù)的私密性、耐久性和可用性等等。而PACS云架構(gòu)可以將PACS的對(duì)象數(shù)據(jù)復(fù)制到多個(gè)云供應(yīng)商,允許數(shù)據(jù)冗余。這樣與僅使用單一的云供應(yīng)商相比,影像數(shù)據(jù)的可用性將大幅提高。同時(shí)由于數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在多個(gè)云供應(yīng)商,還會(huì)增加醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全性。主索引數(shù)據(jù)庫(kù)則提供云網(wǎng)關(guān)的登陸驗(yàn)證服務(wù),能夠注冊(cè)、驗(yàn)證、登陸相關(guān)的云網(wǎng)關(guān),而對(duì)于未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)將被主索引數(shù)據(jù)庫(kù)禁止,以確保隱私數(shù)據(jù)的安全。

5 結(jié)論

PACS即服務(wù)(PACS-aas)的云平臺(tái)架構(gòu)的思路不但可以很好地解決數(shù)據(jù)接口不兼容以及數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間延遲等問(wèn)題,而且能夠?yàn)獒t(yī)院節(jié)省自身數(shù)據(jù)中心建設(shè)的成本,并獲得最大的投資回報(bào)率。同時(shí),云平臺(tái)具有易擴(kuò)展性和安全性等特點(diǎn),并采用按需付費(fèi)的服務(wù)模式,將使國(guó)內(nèi)各級(jí)醫(yī)院特別是中小醫(yī)院以低成本運(yùn)行PACS成為可能。然而,目前我國(guó)PACS即服務(wù)的云平臺(tái)架構(gòu)的應(yīng)用仍然處于起步階段,要達(dá)到世界先進(jìn)水平,仍需繼續(xù)付出努力。

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PACS-as-a-Service Cloud Platform Architecture

WEN Yong-xian, DU Wei-ye, WANG Jun-chen, JIANG Wei, LI Jie
Department of Medical Engineering, The First Affiliated Hospital of Hebei North University, Zhangjiakou Hebei 075000, China

由于傳統(tǒng)的PACS運(yùn)行維護(hù)成本不斷增長(zhǎng),在一定程度影響到我國(guó)中小醫(yī)院的數(shù)字化進(jìn)程,為了解決這一現(xiàn)狀,本文初步探索了PACS的業(yè)務(wù)外包模式,擬采用PACS即服務(wù)(PACS-aas)的云平臺(tái)架構(gòu),旨在使國(guó)內(nèi)各級(jí)醫(yī)院以低成本運(yùn)行PACS成為可能。

影像歸檔和通信系統(tǒng);云計(jì)算;醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信;云網(wǎng)關(guān)

An unceasing increase of the operation and maintenance costs for the traditional PACS (Picture Archiving and Communication System) has to a certain extent affected the digitization of small and medium hospitals in China. In view of the situation, this paper explores the PACS outsourcing model and proposes a PACS-aas (PACS-as-a-service) cloud platform architecture, which is intended to allow for the low-cost operation of PACS in the domestic hospitals at all levels.

picture archiving and communication system; cloud computing; digital imaging and communications in medicine; cloud gateway

TP393

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.04.021

1674-1633(2015)04-0071-03

2014-12-23

本文作者:溫永賢,技師。

杜偉業(yè),正高級(jí)工程師。

通訊作者郵箱:wyth110@163.com

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