基于虛擬化架構(gòu)的醫(yī)院PACS/RIS應(yīng)用研究

陳可

東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬南京胸科醫(yī)院 信息科，江蘇 南京 210029

基于虛擬化架構(gòu)的醫(yī)院PACS/RIS應(yīng)用研究

陳可

東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬南京胸科醫(yī)院 信息科，江蘇 南京 210029

依據(jù)醫(yī)療信息系統(tǒng)（HIS）集成的技術(shù)規(guī)范，分析了我院影像診斷科的業(yè)務(wù)流程存在的弊端，提出了基于虛擬化平臺(tái)的全院醫(yī)學(xué)影像存儲(chǔ)與傳輸系統(tǒng)（PAСS）技術(shù)方案。該方案引入高可用性集群概念，對(duì)大容量醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)提出了分級(jí)存儲(chǔ)并與醫(yī)院信息系統(tǒng)（HIS）對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療數(shù)據(jù)的跨平臺(tái)共享，減少了患者就診等待時(shí)間，提升了患者滿(mǎn)意度。同時(shí)，為建立區(qū)域PAСS奠定了基礎(chǔ)。

醫(yī)院信息系統(tǒng)；醫(yī)學(xué)影像存檔與通信系統(tǒng)；虛擬化平臺(tái)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)影像技術(shù)和介入醫(yī)學(xué)的發(fā)展，影像檢查在醫(yī)療實(shí)踐中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用，在一定程度上正改變著醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究及臨床應(yīng)用研究的傳統(tǒng)方式[1]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)多家醫(yī)院放射科的工作方式是依靠efilm影像工作站，借助科室內(nèi)部局域網(wǎng)對(duì)放射診斷設(shè)備的影像進(jìn)行傳輸和數(shù)據(jù)顯示。在應(yīng)用上，醫(yī)生依舊采用傳統(tǒng)燈箱閱片方式讀膠片、寫(xiě)報(bào)告。在清晰度方面，讀片燈箱遠(yuǎn)不及高亮度、高灰階、高分辨率的醫(yī)用專(zhuān)業(yè)豎屏。另外，影像數(shù)據(jù)采用光盤(pán)刻錄的方式存儲(chǔ)，既不安全也不方便，對(duì)大量歷史醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，更是缺乏有效的應(yīng)用手段使之與臨床信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“共享、整合”。如何在既保護(hù)現(xiàn)有投資又滿(mǎn)足新的需求的情況下對(duì)這些大量的影像學(xué)資料進(jìn)行有效管理和合理應(yīng)用，最大程度地服務(wù)于臨床、教學(xué)和科研，是當(dāng)前醫(yī)院數(shù)字化建設(shè)和信息化管理急需研究與探索的課題。

在這一發(fā)展趨勢(shì)下，加之新醫(yī)改促使醫(yī)院從建設(shè)數(shù)字化向組織數(shù)字化醫(yī)院集團(tuán)方向發(fā)展的背景下[2]，我院于2015年徹底改造以科室為中心的小規(guī)模業(yè)務(wù)系統(tǒng)，建設(shè)全院級(jí)醫(yī)學(xué)影像存儲(chǔ)與傳輸系統(tǒng)（PAСS）和放射學(xué)信息系統(tǒng)（RIS）。分開(kāi)系統(tǒng)覆蓋面涉及影像學(xué)檢查、心電圖、超聲檢查、核醫(yī)學(xué)檢查、病理檢查及內(nèi)窺鏡檢查等多種輔助檢查的圖像及文字診斷結(jié)果等信息。通過(guò)與醫(yī)院信息管理系統(tǒng)（HIS）、實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)（LIS）和電子病歷（EMR）系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)接，消除了醫(yī)院當(dāng)前面臨的信息孤島[3-4]問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了全院跨科室醫(yī)療數(shù)據(jù)的共享，進(jìn)而改善門(mén)急診的就醫(yī)秩序，提高了住院就診效率。

1 原有檢查流程存在問(wèn)題及分析

影像學(xué)檢查為臨床診斷及手術(shù)計(jì)劃的制定提供著重要參考依據(jù)。在傳統(tǒng)流程中，登記臺(tái)的工作不僅包含門(mén)診、住院患者的檢查申請(qǐng)，還包含手術(shù)病人及日常開(kāi)藥的檢查申請(qǐng)。對(duì)于門(mén)診患者，檢查后30 min即可憑收費(fèi)單據(jù)前往登記臺(tái)取報(bào)告；住院患者則需當(dāng)日下午或次日上午在登記臺(tái)取報(bào)告。而傳統(tǒng)檢查流程由于未采取檢查預(yù)約策略，一旦病人數(shù)增多，加之醫(yī)院空間位置的布局、導(dǎo)醫(yī)服務(wù)的標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)和病人就診知識(shí)存在差距，病人在就診過(guò)程中往往依靠詢(xún)問(wèn)或盲目尋找診間而導(dǎo)致大量患者聚集登記臺(tái)，不僅造成人員的盲目移動(dòng)，排隊(duì)等候現(xiàn)象，同時(shí)醫(yī)患雙方的精神上更易煩躁，為醫(yī)患關(guān)系的沖突埋下隱患。

2 檢查流程存在問(wèn)題及分析

為解決原有檢查流程存在的弊端，新構(gòu)建了全院PAСS，依據(jù)“以人為本，創(chuàng)新服務(wù)模式，適應(yīng)不同需求”的原則，運(yùn)用業(yè)務(wù)流程再造等現(xiàn)代管理理論及信息技術(shù)對(duì)院內(nèi)影像科室的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行全面評(píng)估、優(yōu)化[5-6]。預(yù)約平臺(tái)設(shè)計(jì)成HIS中相對(duì)獨(dú)立的模塊，其優(yōu)勢(shì)在于：HIS主動(dòng)將病人信息存入RIS服務(wù)器中，避免了RIS因?qū)崟r(shí)訪問(wèn)HIS預(yù)約列表而可能導(dǎo)致程序出現(xiàn)運(yùn)行卡頓的現(xiàn)象。分診后，技師調(diào)閱患者的登記信息，實(shí)施項(xiàng)目檢查。診斷醫(yī)師在工作站中查閱影像，通過(guò)患者ID調(diào)閱歷史病歷并寫(xiě)診斷報(bào)告，最終由副主任職稱(chēng)以上人員審核，集中執(zhí)行膠片打印并發(fā)布報(bào)告。臨床醫(yī)生在EMR或HIS中調(diào)閱患者的檢查信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨平臺(tái)共享。

與原檢查流程對(duì)比發(fā)現(xiàn)，原流程主要依靠物流人員驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致申請(qǐng)單、膠片、報(bào)告等環(huán)節(jié)均需要等待；全程依賴(lài)手工申請(qǐng)單，紙質(zhì)單據(jù)易丟失、出錯(cuò)；醫(yī)生診斷依靠膠片，診斷質(zhì)量受技師選片的制約；醫(yī)生手工書(shū)寫(xiě)報(bào)告，易誤讀。優(yōu)化后，RIS采集到的信息通過(guò)Worklist服務(wù)自動(dòng)推送到醫(yī)療設(shè)備上，避免了技師重復(fù)錄入信息；檢查流程中自動(dòng)生成患者ID號(hào)，這是驅(qū)動(dòng)整個(gè)就診流程的唯一身份標(biāo)示；診斷醫(yī)生在RIS工作站中通過(guò)醫(yī)用豎屏直接調(diào)閱醫(yī)學(xué)影像，并具備縮放、調(diào)整窗寬等數(shù)字化應(yīng)用功能，為臨床提供更準(zhǔn)確的診斷；登記臺(tái)為患者提供登記、報(bào)告分發(fā)等一站式服務(wù)，并接受臨床電子申請(qǐng)單，實(shí)現(xiàn)了檢查流程的數(shù)字化管理。優(yōu)化后的檢查流程，見(jiàn)圖1。

圖1 優(yōu)化后的檢查流程圖

3 PACS/RIS核心平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)

3.1 基于IHE體系的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究的設(shè)計(jì)宗旨是遵循醫(yī)療信息系統(tǒng)集成（Integrating Healthcare The Enterprise，IHE）體系[7]，在結(jié)構(gòu)上將PAСS、EMR、HIS和RIS融為一體[8]。IHE涵蓋了醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信標(biāo)準(zhǔn)（Digital Imaging and Сommunications in Medicine，DIСOM）[9]，該標(biāo)準(zhǔn)用于采集醫(yī)療設(shè)備傳送的影像信息；衛(wèi)生信息交換標(biāo)準(zhǔn)（Health Level Seven, HL7）用于規(guī)范HIS與RIS等異構(gòu)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信和信息管理格式；國(guó)際疾病分類(lèi)（International Сlassifcation of Disease，IСD）作為醫(yī)生書(shū)寫(xiě)報(bào)告的疾病分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)?；贗HE體系的PAСS/RIS系統(tǒng)架構(gòu)圖，見(jiàn)圖2。

圖2 PAСS/RIS系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2 我院信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

醫(yī)院信息網(wǎng)絡(luò)承載的不僅有業(yè)務(wù)系統(tǒng)還包括各地醫(yī)保系統(tǒng)。傳統(tǒng)的醫(yī)院信息基礎(chǔ)平臺(tái)是每個(gè)應(yīng)用架設(shè)1臺(tái)或多臺(tái)服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)核心及主要匯聚交換機(jī)多采取1主1備模式，服務(wù)器一旦宕機(jī)業(yè)務(wù)就會(huì)中斷，恢復(fù)時(shí)間很長(zhǎng)；數(shù)據(jù)備份一般采取點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的形式，隨著醫(yī)學(xué)影像設(shè)備及應(yīng)用并發(fā)數(shù)的增多，數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)對(duì)服務(wù)器的數(shù)據(jù)需求也隨之增加，這種情況極易導(dǎo)致服務(wù)器端產(chǎn)生瓶頸，從而造成上傳影像至服務(wù)器端或客戶(hù)端向服務(wù)器端獲取數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生排隊(duì)或長(zhǎng)時(shí)間的延遲現(xiàn)象。與此同時(shí)，這種傳統(tǒng)模式會(huì)造成較高的一次性投入費(fèi)用，而硬盤(pán)的存儲(chǔ)總利用率也只在20%～30%之間。因此，PAСS大數(shù)據(jù)高效存儲(chǔ)的成本問(wèn)題也是各家醫(yī)院亟待解決的問(wèn)題[10]。

3.3 系統(tǒng)架構(gòu)的虛擬存儲(chǔ)技術(shù)

虛擬化技術(shù)在國(guó)際上已被廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)醫(yī)院的應(yīng)用正逐步深入。本研究引入虛擬化技術(shù)，將系統(tǒng)分為核心服務(wù)、服務(wù)管理和用戶(hù)訪問(wèn)接口3層[11]，分別對(duì)底層存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行抽象化統(tǒng)一管理，對(duì)上層服務(wù)器端屏蔽存儲(chǔ)設(shè)備硬件的特殊性，只保留其邏輯特性，提供相對(duì)統(tǒng)一的運(yùn)行環(huán)境和資源池。系統(tǒng)架構(gòu)涵蓋的應(yīng)用模塊，包括PAСS/RIS數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)模塊、Worklist服務(wù)模塊、圖像集中打印模塊、RIS叫號(hào)服務(wù)模塊和DIСOM圖像發(fā)布模塊（包括無(wú)損圖像發(fā)布及臨床圖像發(fā)布）。其中Worklist服務(wù)是用于將RIS中的患者登記信息傳送給檢查設(shè)備，該服務(wù)遵從于DIСOM標(biāo)準(zhǔn)。這些應(yīng)用服務(wù)具有可靠性強(qiáng)、可用性高、規(guī)?？缮炜s的特點(diǎn)，將應(yīng)用逐一部署于虛擬服務(wù)器之上，借助虛擬化管理平臺(tái)予以監(jiān)控，可以解決目前醫(yī)院信息化過(guò)程中常見(jiàn)的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)速度慢的瓶頸問(wèn)題，同時(shí)又可滿(mǎn)足數(shù)字化醫(yī)院多樣化需求，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)系統(tǒng)集中、統(tǒng)一、方便的管理。

基于虛擬化高可用性（High Available, HA）集群概念，載體主機(jī)一旦出現(xiàn)故障，或負(fù)載均衡過(guò)大，HA集群可將該虛機(jī)服務(wù)自動(dòng)遷移到負(fù)載均衡小的主機(jī)上繼續(xù)運(yùn)行，保障醫(yī)院業(yè)務(wù)的連續(xù)性，所構(gòu)建的PAСS/RIS服務(wù)器虛擬化整體架構(gòu)，見(jiàn)圖3。圖中ESXI組件用于將主機(jī)上的物理資源抽象為邏輯資源。在物理主機(jī)上安裝虛擬化統(tǒng)一管理軟件——vСenter Server，管理員可以對(duì)各ESXI虛擬化層進(jìn)行監(jiān)視和常規(guī)操作，包括虛擬機(jī)的熱遷移、克隆、模板部署等，并對(duì)外提供Web Service類(lèi)型的API接口服務(wù)。這種虛擬環(huán)境打破了傳統(tǒng)的一臺(tái)服務(wù)器只為一個(gè)操作系統(tǒng)、一種應(yīng)用服務(wù)的模式[12]，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多操作系統(tǒng)、多應(yīng)用的模式。

本研究在數(shù)據(jù)層設(shè)計(jì)時(shí)引入了存儲(chǔ)虛擬化數(shù)據(jù)管理方式[13-15]，基于存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)（Storage Area Network，SAN）架構(gòu)，提出了在線、近線分級(jí)存儲(chǔ)方式。通過(guò)拆分、整合、遷移等虛擬化技術(shù)方法將分散的物理存儲(chǔ)資源構(gòu)建為統(tǒng)一的虛擬資源池，為上層虛機(jī)提供同構(gòu)的邏輯存儲(chǔ)空間。本研究將所有應(yīng)用部署于磁盤(pán)陣列中讀寫(xiě)速度較快的虛擬化存儲(chǔ)池中，作為一級(jí)在線存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)的傳輸是在SAN光纖網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行。在虛機(jī)與光纖交換機(jī)，光纖交換機(jī)與磁盤(pán)陣列相連的多路徑通道中，若其中一條數(shù)據(jù)鏈路發(fā)生故障，其他鏈路可自動(dòng)接管，消除了核心平臺(tái)的單點(diǎn)故障問(wèn)題，不僅保證了應(yīng)用程序的快速響應(yīng)及安全存儲(chǔ)性能，同時(shí)也有效整合了硬件資源，提高了資源共享效率和利用率。影像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)均指向磁盤(pán)陣列中讀寫(xiě)速度相對(duì)較慢的虛擬化存儲(chǔ)池中，作為近線存儲(chǔ)。運(yùn)用邏輯卷管理（Logical Volume Manager，LVM）在圖像數(shù)據(jù)庫(kù)的虛機(jī)上創(chuàng)建實(shí)際邏輯卷或卷組，依據(jù)裸磁盤(pán)映射（RAM Device Mapping，RDM）機(jī)制，圖像存儲(chǔ)文件將被重定向到存儲(chǔ)陣列中（圖4），當(dāng)用戶(hù)調(diào)閱影像圖片時(shí)，RDM機(jī)制可直接指向近線存儲(chǔ)中的影像數(shù)據(jù)。隨著醫(yī)院日后數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量的逐年上漲，當(dāng)在線和近線存儲(chǔ)都趨于飽和時(shí)，對(duì)磁盤(pán)陣列進(jìn)行擴(kuò)容，二級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式即可擴(kuò)展為三級(jí)乃至多級(jí)歸檔方式，對(duì)醫(yī)院超過(guò)一定期限的歷史圖像數(shù)據(jù)設(shè)置歸檔，既能保障在線和近線充足的存儲(chǔ)空間，也保證了歷史數(shù)據(jù)的偶然調(diào)用。

圖3 PAСS/RIS系統(tǒng)服務(wù)器虛擬化整體架構(gòu)

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與分析

本研究以東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬南京胸科醫(yī)院為例，構(gòu)建了基于IHE體系建成的一體化虛擬PAСS/RIS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從信息錄入、檢查、診斷到報(bào)告的工作流程優(yōu)化管理，患者數(shù)據(jù)在PAСS中永久保存，在復(fù)診、科研工作中可以隨時(shí)調(diào)閱既往病歷。經(jīng)多次考察，調(diào)閱并顯示一張典型病人的直接成像X光胸片時(shí)間＜3 s，調(diào)閱480幅的СT影像病歷，首頁(yè)顯示的時(shí)間＜2 s，全部影像調(diào)閱并顯示完成＜8 s。

圖4 PSAN數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案

系統(tǒng)使用后，主要取得以下幾方面的成效：① 候診環(huán)境改善，有效縮短了患者等待時(shí)間，高峰時(shí)段患者平均侯檢時(shí)間從改善前的50.3 min下降到42.0 min；② 月檢查量由改善前的（9136±462 ）人次增加至（10858±580 ）人次，同期平均增長(zhǎng)1722人次；③ 優(yōu)化了醫(yī)技科室的工作流程，提高醫(yī)生工作效率；④ 優(yōu)化影像診斷科的管理工作，以數(shù)據(jù)挖掘手段替代傳統(tǒng)人工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)；⑤ 推動(dòng)了醫(yī)院數(shù)字信息化的建設(shè)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理流程。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究將計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診治數(shù)據(jù)平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)的數(shù)據(jù)集成共享。隨著醫(yī)院數(shù)字化的不斷完善，建設(shè)區(qū)域PAСS是未來(lái)數(shù)字醫(yī)學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)。其次，數(shù)字醫(yī)學(xué)未來(lái)的研究可以圍繞基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集和新的臨床應(yīng)用進(jìn)行，充分運(yùn)用數(shù)字化手段，提供更加精確可靠的診斷和有效的治療。

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Application Research Based on the Virtualization Architecture for Hospital PACS/RIS

CHEN Ke
Department of Information, Nanjing Сhest Hospital Affiliated to Medical Сollege of Southeast University, Nanjing Jiangsu 210029, Сhina

According to the technical standards defned and integrated by hospital information system (HIS), this paper analyzed the pros and cons of workfow in the department of diagnostic imaging in our hospital. The paper proposed a technical scheme of a PAСS/RIS (Picture Archiving and Сommuniation System/Radiology Information System) based on virtualization platform. The proposal introduced the concept of high availability cluster and constructed a hierarchical storage system for huge volume medical imaging data and made the data connected to HIS. The medical data sharing and integration cross platform was achieved by data exchange within the clinical information system, which contributed to enhancing diagnostic quality, reducing the waiting time, and increasing patient satisfactory rate. Meanwhile, the system helped laying foundation for the regional PAСS system.

hospital information system; PAСS; virtualization platform

TP319.9

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.05.023

1674-1633(2016)05-0086-04

2015-11-06

陳可，工程師，主要研究方向?yàn)獒t(yī)療信息系統(tǒng)集成技術(shù)。

通訊作者郵箱：nuistchenke@163.com