PACS即服務的云平臺架構(gòu)

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

PACS即服務的云平臺架構(gòu)

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

近年來，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)學圖像的提取和處理以及現(xiàn)代化醫(yī)院影像科室對其他臨床科室的服務模式進入了一個新的時代。PACS不但能夠提高診斷效率、簡化候診流程，減少膠片用量、完善圖像備份，而且也為院內(nèi)會診、遠程醫(yī)療、院際間協(xié)作的實現(xiàn)創(chuàng)造了一個非常好的平臺。據(jù)估計，2012～2015年中國PACS市場將繼續(xù)以＞20%的速度擴張，到2015年市場規(guī)模將達到26億元[1]。

然而，數(shù)字化醫(yī)學影像數(shù)據(jù)的增加必然會導致PACS運行維護成本的不斷增長。而云計算供應商的出現(xiàn)能夠很好地解決以上問題，云供應商提供的平臺可為醫(yī)院節(jié)省自身數(shù)據(jù)中心建設、軟件許可等一系列成本。云平臺具有彈性、可靠性等特點，并采用按需付費的服務模式。本質(zhì)上來說，這是一種PACS的業(yè)務外包模式。這種外包模式主要有兩種類型: ① 僅將數(shù)字化醫(yī)學圖像的存儲服務交由云供應商管理，這些圖像數(shù)據(jù)被存放在云供應商的存儲服務器上，醫(yī)療機構(gòu)按照需求獲取，這種模式主要用于數(shù)字化醫(yī)學圖像的長期備份管理；② 完整的PACS租賃模式，包括全部

0 前言

的應用程序、數(shù)據(jù)庫和存儲數(shù)據(jù)等，是一個全面的解決方案。

基于以上分析，本文提出了一種PACS即服務的云平臺架構(gòu)，以期能解決國內(nèi)中小醫(yī)院PACS運行維護成本過高的問題。

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)存儲及數(shù)據(jù)庫管理、圖像顯示和處理及用于影像傳輸?shù)臄?shù)據(jù)網(wǎng)絡等多個部分組成。PACS的作用在于促進數(shù)字化醫(yī)院的形成，提高診斷效率以及降低成本。相對于傳統(tǒng)的基于膠片的醫(yī)學成像系統(tǒng)而言，無膠片的PACS具有以下優(yōu)勢[3]：① 根據(jù)診斷需要，可在不同地方同時調(diào)閱不同時期和不同成像系統(tǒng)產(chǎn)生的多幅圖像，并可進行圖像的再處理，為綜合影像診斷、多學科會診提供必要條件，也可以實現(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，簡化工作流程，提高工作效率，縮短病人的候診時間，降低重拍概率； ③ 可對相關影像設備的工作狀態(tài)及工作量進行實時監(jiān)控和管理，提高了影像設備的利用率。

在過去的十幾年里，國內(nèi)各級醫(yī)院在PACS的建設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)存儲是首要解決的問題。例如，數(shù)字減影血管造影（Digital Subtraction Angiography，DSA）、多層螺旋計算機斷層掃描（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)射型計算機斷層（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)的高效率存儲和長期可用性以及系統(tǒng)的升級等持續(xù)增長的成本因素值得關注。

另外，PACS對客戶端計算機要求比較高： 由于醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)量相對較大，這對客戶端計算機的運算能力也有較高的要求，而客戶端的系統(tǒng)部署、更新升級等維護工作量大，總體運行成本高，這些都是目前醫(yī)院信息化過程中遇到的瓶頸問題。

若醫(yī)院將PACS服務外包給云供應商，則可以解決以上問題，其主要優(yōu)勢在于[4-5]：① 由于數(shù)據(jù)全部存儲在云供應商的服務器上，因此設備硬件老化和PACS升級全部由供應商負責；② 云端是一個龐大的資源池，包括數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)存儲等所有的應用都跑在云端，因此客戶端不需要太強的運算能力。

2 云計算技術

云計算是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎上，通過虛擬化技術實現(xiàn)資源共享的計算模式，它將計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡資源以及軟件資源等存放在云平臺，用戶按需向云平臺發(fā)送服務請求，而在這個過程中云供應商可以對用戶請求的服務進行一定的計費（通常按照所使用的流量）[6]。

云計算技術的優(yōu)勢在于：① 具有彈性?？梢詫⒎稚⒌馁Y源聚合成一個虛擬系統(tǒng)，且隨著需求的增加而增長[7]；② 節(jié)約成本。節(jié)省醫(yī)院建設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、安保等），以及持續(xù)的IT設備更新、軟件授權許可和電力消耗等系列成本。

目前，云計算技術已經(jīng)被國內(nèi)外很多商業(yè)機構(gòu)所使用。2014年的雙11購物狂歡節(jié)中，阿里云技術被用來支撐571億的交易，高達每秒鐘8萬筆，創(chuàng)下新的世界記錄[8]。國外在醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的云計算方面投資巨大。英國的Image Exchange Portal（IEP）公司支持且大大改善了英國的國家衛(wèi)生服務機構(gòu)與獨立衛(wèi)生服務機構(gòu)之間的信息傳遞與共享。從2010年起，IEP基于平臺即服務（PaaS）云平臺的服務已經(jīng)部署在英國大部分的衛(wèi)生機構(gòu)。IEP現(xiàn)在有超過335個站點積極使用這項服務，每天交換超過8000個研究對象[9]。TeraRecon公司在2014北美放射學會年會上展出了基于軟件即服務（SaaS）云平臺最新的iNtuition和iNteract+，該解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)多任務影像查看。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[10]。

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

然而，云計算技術也存在一些的弱點：① 由于距離、網(wǎng)絡帶寬等原因而導致網(wǎng)絡時間延遲；② 缺乏供應商之間的互通性，即在沒有標準接口之前不可以隨意更換云供應商；③ 特別需要注意與數(shù)據(jù)安全有關的問題，即數(shù)據(jù)的私密性、耐久性和可用性。

3 PACS即服務的云平臺架構(gòu)

傳統(tǒng)PACS主要由兩個部分組成：DICOM對象存儲庫和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。其中對象存儲庫由巨大容量的存儲設備來支持，例如：FC-SAN高端存儲、IP-SAN近線存儲、NAS備份存儲方案等。而數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)則是由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（Database Management System，DBMS）來建立、使用和維護數(shù)據(jù)庫中與患者有關的信息及影像。

本文提出一種設想：將以上兩部分外包給云供應商。比較成熟的PACS云平臺解決方案主要由3個部分構(gòu)成：PACS主索引數(shù)據(jù)庫（Master Index Database，MIDB）、云網(wǎng)關、云服務器。

（1）MIDB是PACS云平臺的核心架構(gòu)，主要包括與患者相關的一些涉及隱私的信息。其數(shù)據(jù)主要來源于DICOM對象設備以及相關的云服務器。由于不同的DICOM對象設備可能來自不同的供應商，并且其架構(gòu)、數(shù)據(jù)格式、編碼標準不同，導致了同一個患者的臨床信息不能夠?qū)崿F(xiàn)共享。為解決此問題，可引入MIDB將患者的身份識別信息統(tǒng)一起來，這樣不僅有利于優(yōu)化醫(yī)院內(nèi)部的操作流程，也能夠為實現(xiàn)區(qū)域醫(yī)院間的資源共享打下堅實基礎[12]。而且MIDB還提供云網(wǎng)關的身份驗證服務，能夠注冊、驗證、登陸相關的云網(wǎng)關，而對于云服務器未經(jīng)授權的訪問將被MIDB禁止，以確保數(shù)據(jù)信息的安全。

（2）云網(wǎng)關的部署：云網(wǎng)關安裝在醫(yī)院數(shù)據(jù)中心內(nèi)，在DICOM對象系統(tǒng)和云服務之間構(gòu)筑一座橋梁。公共云存儲供應商通過因特網(wǎng)協(xié)議，諸如HTTP上的基于RESTful協(xié)議的應用程序接口API來實現(xiàn)云服務與客戶端的連接，而非傳統(tǒng)的存儲區(qū)域網(wǎng)絡（SAN）或NAS協(xié)議。但是對于PACS云架構(gòu)來說，應用程序接口API是一個障礙[13]，因為其不能將DICOM命令轉(zhuǎn)換為web服務（WS）請求，也無法實現(xiàn)DICOM對象設備連接云存儲服務的接口功能。因此需要開發(fā)一個DICOM to web云網(wǎng)關：提供存儲（DICOM C-STORE）、查詢/傳輸（DICOM C-FIND和C-MOVE）、獲取信息對象（DICOM C-ECHO）、找回功能（DICOM C-GET）等DICOM服務。

（3）云平臺供應商可以提供兩種相分離的服務：云存儲和云數(shù)據(jù)庫。其中云存儲用來對DICOM對象設備產(chǎn)生的加密圖像進行備份，擁有彈性擴容、無限存儲的特點，而云數(shù)據(jù)庫則可以對DICOM元數(shù)據(jù)實施查詢、修改、提取等功能。而傳統(tǒng)的關系型數(shù)據(jù)庫通過提交一個有效的鏈接字符串即可加入云數(shù)據(jù)庫。云數(shù)據(jù)庫解決了數(shù)據(jù)集中與共享的問題。但是值得注意的是，當涉及到隱私性的元數(shù)據(jù)時，例如：患者姓名、檢查項目、主治醫(yī)生等，云數(shù)據(jù)庫必須向主索引數(shù)據(jù)庫MIDB申請訪問這些私密數(shù)據(jù)。本文提出的PACS即服務云平臺架構(gòu)，見圖1。

圖1 PACS即服務的云平臺架構(gòu)圖

4 討論

隨著云計算技術的逐漸成熟，越來越多的醫(yī)療機構(gòu)開始將目光聚焦在基于云平臺的可伸縮計算和海量存儲數(shù)據(jù)中心架構(gòu)上。國內(nèi)外很多云供應商，例如Google存儲、Amazon S3存儲等，這些不同的云平臺存儲與訪問的接口（應用程序接口API）并不兼用。因此，若想獲取絕對的數(shù)據(jù)安全，則要求將DICOM對象數(shù)據(jù)放在不同的云供應商處進行備份管理。數(shù)據(jù)冗余的實現(xiàn)不但能減少下載延遲，提高數(shù)據(jù)可用性，還可使用其他供應商進行還原，但接口的不兼容會形成一定障礙，因此開發(fā)出DICOM to web云網(wǎng)關顯得格外重要。此外，DICOM to web云網(wǎng)關對于基于云計算技術的區(qū)域型PACS架構(gòu)、數(shù)據(jù)共享、遠程會診的開發(fā)也是不可或缺的。

另外，在PACS即服務的云平臺架構(gòu)中查詢、提取相應的數(shù)據(jù)時會不可避免地產(chǎn)生時間延遲。MRI、CT等影像設備產(chǎn)生圖像的數(shù)據(jù)量非常大，并且臨床上對于圖像的精度要求又很高，導致服務器計算負荷過大，相關的圖像在客戶端的展現(xiàn)時間比較長。為解決上述問題，需要設計一個緩存服務器來解決DICOM對象數(shù)據(jù)的訪問延遲，通過引入緩存服務器以優(yōu)化性能、減少網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的響應時間。此外，還要求網(wǎng)絡帶寬要至少達到千兆以上[14-15]，網(wǎng)絡的高帶寬對于減少數(shù)據(jù)延遲也是非常必要的。

將數(shù)據(jù)服務外包給云供應商，可以減輕醫(yī)院PACS建設和維護的成本，但同時也帶來了與安全有關的問題，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的對象數(shù)據(jù)復制到多個云供應商，允許數(shù)據(jù)冗余。這樣與僅使用單一的云供應商相比，影像數(shù)據(jù)的可用性將大幅提高。同時由于數(shù)據(jù)可以存儲在多個云供應商，還會增加醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全性。主索引數(shù)據(jù)庫則提供云網(wǎng)關的登陸驗證服務，能夠注冊、驗證、登陸相關的云網(wǎng)關，而對于未經(jīng)授權的訪問將被主索引數(shù)據(jù)庫禁止，以確保隱私數(shù)據(jù)的安全。

5 結(jié)論

PACS即服務（PACS-aas）的云平臺架構(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)傳輸時間延遲等問題，而且能夠為醫(yī)院節(jié)省自身數(shù)據(jù)中心建設的成本，并獲得最大的投資回報率。同時，云平臺具有易擴展性和安全性等特點，并采用按需付費的服務模式，將使國內(nèi)各級醫(yī)院特別是中小醫(yī)院以低成本運行PACS成為可能。然而，目前我國PACS即服務的云平臺架構(gòu)的應用仍然處于起步階段，要達到世界先進水平，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運行維護成本不斷增長，在一定程度影響到我國中小醫(yī)院的數(shù)字化進程，為了解決這一現(xiàn)狀，本文初步探索了PACS的業(yè)務外包模式，擬采用PACS即服務（PACS-aas）的云平臺架構(gòu)，旨在使國內(nèi)各級醫(yī)院以低成本運行PACS成為可能。

影像歸檔和通信系統(tǒng)；云計算；醫(yī)學數(shù)字成像和通信；云網(wǎng)關

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)，正高級工程師。

通訊作者郵箱：wyth110@163．com