夏洪偉， 夏洪星

(1.湖北工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，湖北 孝感 432000；2.湖北應(yīng)城東馬坊醫(yī)院，湖北 應(yīng)城 432407)

醫(yī)療影像已成為患者診療的重要手段。高級醫(yī)療影像處理和可視化能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量影像的讀取功能。通過評估不同方式獲取的影像，能對不同時(shí)間點(diǎn)獲得的醫(yī)學(xué)影像進(jìn)行比較與分析。醫(yī)療影像可視化提供了關(guān)于工作流、醫(yī)療設(shè)備和門診專科的完整工具鏈，可以執(zhí)行交互式影像分段和注冊，創(chuàng)建診療發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)癥狀評估的發(fā)展趨勢。該系統(tǒng)包含計(jì)算機(jī)輔助診斷算法和程序，不僅能提供3D和4D等后處理功能，而且能進(jìn)一步拓展到其他相關(guān)的醫(yī)療應(yīng)用。

工作流支持基于角色的處理模式。比如，技術(shù)人員首先采集圖像用于讀取，然后放射科醫(yī)生通過判讀醫(yī)療影像，建立臨床研究結(jié)果并生成報(bào)告。醫(yī)學(xué)影像可視化的解決方案能實(shí)現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備、醫(yī)院信息系統(tǒng)(HIS)以及放射科信息系統(tǒng)(RIS)之間的交互。該方案不同于傳統(tǒng)的基于PACS系統(tǒng)的解決方案。PACS方案主要用于建立醫(yī)學(xué)圖像的存儲庫，實(shí)現(xiàn)有限的2D/3D圖像顯示。圖1是包含多個(gè)功能單元(HIS / RIS系統(tǒng)、PACS系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備、基于客戶端/服務(wù)器部署醫(yī)療可視化解決方案)的醫(yī)院高級醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)的典型基礎(chǔ)設(shè)施。

傳統(tǒng)的醫(yī)療影像可視化系統(tǒng)通常采取基于客戶機(jī)/服務(wù)器模式的解決方案[1]，一般需要在醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中安裝昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施。目前，受初期昂貴的投入成本的限制，很多醫(yī)院很難實(shí)施這種醫(yī)療影像可視化解決方案。因此，PACS系統(tǒng)僅用于讀取醫(yī)療設(shè)備生成的圖像[2]。在系統(tǒng)中，案例判讀很大程度上依賴于放射科醫(yī)生的專業(yè)知識，且需要很長的時(shí)間，有時(shí)因缺乏相應(yīng)的解決方案和有效的可視化與測量的算法，導(dǎo)致產(chǎn)生很大的誤差。與傳統(tǒng)的醫(yī)療影像可視化方案相比，基于云計(jì)算的高級醫(yī)療可視化解決方案能以合理的成本將可視化納入日常工作流程，從而有利于協(xié)助一些小醫(yī)院，甚至是個(gè)體醫(yī)生提高病人診斷和護(hù)理的質(zhì)量。目前，將基于客戶端/服務(wù)器模式的醫(yī)學(xué)影像可視化系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為一個(gè)基于云計(jì)算的可視化系統(tǒng)未見相關(guān)報(bào)道。鑒于此，本文將探索基于云計(jì)算的高級醫(yī)療可視化解決方案，為醫(yī)學(xué)影像閱讀服務(wù)提供一條有效的解決途徑。

圖1 高級醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)的典型基礎(chǔ)設(shè)施

1 相關(guān)工作

云計(jì)算將對醫(yī)療保健領(lǐng)域產(chǎn)生里程碑式的影響，具有成本低、可用性高以及可擴(kuò)展性好的優(yōu)點(diǎn)。近年來，人們對基于云計(jì)算的PACS解決方案進(jìn)行了大量探索[3-7]。文獻(xiàn)[5]和[6]研究了基于云計(jì)算的3D醫(yī)療成像方案。由于該解決方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施均在云端進(jìn)行，因此并不適合開發(fā)復(fù)雜的基于客戶端/服務(wù)器模式的解決方案。另外一些商業(yè)解決方案，如Terarecon提出的直覺云[7]可解決這一問題，但仍需要現(xiàn)場服務(wù)器上傳案例和臨床結(jié)果，以整合醫(yī)院現(xiàn)有的PACS和其他醫(yī)療單元。鑒于此，本文提出一種新的醫(yī)療醫(yī)療影像可視化體系結(jié)構(gòu)，可使用戶在上傳病案到云端時(shí)，不僅能選擇所需的特定病案，而且能夠根據(jù)用戶需要提供個(gè)性化訂閱服務(wù)。例如，醫(yī)院的心臟病學(xué)專業(yè)的服務(wù)可以訂閱醫(yī)療可視化解決方案中關(guān)于心臟病學(xué)的應(yīng)用程序[8]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本節(jié)將介紹一種基于云計(jì)算服務(wù)的高級醫(yī)學(xué)可視化方案(Cloud-Based Advanced Medical Visualization， CBAMV)。該架構(gòu)將現(xiàn)有高級醫(yī)學(xué)可視化方案從客戶端/服務(wù)器模式擴(kuò)展到基于云計(jì)算模式，使高級醫(yī)學(xué)可視化方案支持任何客戶端設(shè)備(包括手持設(shè)備)的訪問。為實(shí)現(xiàn)這一目的，需要在客戶端和服務(wù)器之間建立適配，如有必要可以采用虛擬化的方式。通過添加組件用于處理病案上傳，從云端下載臨床結(jié)果，確保經(jīng)過云授權(quán)后訪問案例，實(shí)現(xiàn)基于云方案的遠(yuǎn)程可視化。圖2是本文所提出高級醫(yī)學(xué)影像可視化云架構(gòu)，其中包含了醫(yī)院現(xiàn)場和云數(shù)據(jù)中心所運(yùn)行的主要組件。高級醫(yī)學(xué)影像可視化的啟動面板部署在醫(yī)院，與HIS / RIS以客戶端/服務(wù)器模式和PACS系統(tǒng)進(jìn)行交互，其主要構(gòu)成部分如下：

(1)病案上傳客戶端。用于接收DICOM圖像，或者從醫(yī)療設(shè)備、PACS上獲取圖像，將其數(shù)字化后發(fā)送到案例上傳服務(wù)器，是一個(gè)獨(dú)立的桌面應(yīng)用系統(tǒng)。

(2)虛擬機(jī)視圖客戶端。用于啟動虛擬化AdvMedViz客戶端的PCoIP會話，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程AdvMedViz應(yīng)用。

(3)Riverbed Steelhead 移動客戶端。用于優(yōu)化從案例上傳客戶端到服務(wù)器的DICOM圖像傳輸，可減少了70%以上傳輸數(shù)據(jù)量。

(4)臨床結(jié)果下載客戶端。用于下載云中用戶產(chǎn)生的臨床結(jié)果到醫(yī)院，也能將結(jié)果發(fā)送到PACS存檔。這些功能集成在病案上載客戶端，以便使用統(tǒng)一的界面為用戶上傳病案和下載讀案結(jié)果。通過在手持設(shè)備如iPad或安卓設(shè)備上安裝虛擬機(jī)視圖，客戶端實(shí)現(xiàn)高級醫(yī)療影像的讀取。

圖2 高級醫(yī)學(xué)影像可視化云架構(gòu)框圖

在云數(shù)據(jù)中心，需要部署以下主要虛擬組件：

(1)高級醫(yī)療影像可視化服務(wù)器。

(2)高級醫(yī)療影像可視化客戶端。

(3)病案上傳服務(wù)器。用于接受來自案例上傳客戶端上傳的數(shù)據(jù)并觸發(fā)適當(dāng)?shù)念A(yù)處理。

(4)臨床結(jié)果下載服務(wù)器。用于在用戶獲取臨床結(jié)果的請求下，授予用戶獲取醫(yī)療結(jié)果的權(quán)限。

(5)Riverbed服務(wù)器。用于存儲傳入的DICOM數(shù)據(jù)，當(dāng)Riverbed Steelhead移動辦公客戶端檢測到重復(fù)案例時(shí)，將它們轉(zhuǎn)發(fā)到病案上傳服務(wù)器。

(6)其他支持云組件，主要包括：

a)活動目錄服務(wù)器。用于存儲用戶賬戶信息。

b)虛擬機(jī)視圖連接服務(wù)器。用于接受連接的用戶，并將其映射到虛擬機(jī)視圖池中的一個(gè)高級影像可視化客戶端。

c)虛擬機(jī)視圖內(nèi)容服務(wù)器。用于實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)客戶端的管理。

d)虛擬機(jī)視圖安全服務(wù)器。用于創(chuàng)建PCoIP連接的安全連接。

e)虛擬機(jī)視圖管理服務(wù)器。用于監(jiān)管高級影像可視化客戶端虛擬機(jī)。

AdvMedViz云與醫(yī)院其他實(shí)體，如HIS、RIS、PACS和成像醫(yī)療設(shè)備實(shí)現(xiàn)無縫集成，并進(jìn)入放射科的臨床日程。實(shí)現(xiàn)步驟如下：

a)醫(yī)院放射科采用不同的掃描儀，如CT、MR 和PET等方式，捕捉DICOM圖像，并利用DICOM協(xié)議將它們發(fā)送到病案上傳器。當(dāng)然圖像也可以從PACS發(fā)送到病案上傳器。HIS 和RIS上的必要信息通過HL7提供給病案上傳器。

b)病案上傳器(即DICOM接收機(jī))獲得圖像并匿名化，使用HTTPS協(xié)議將它們發(fā)送至運(yùn)行高級影像可視化方案的數(shù)據(jù)中心。

c)放射科醫(yī)生使用案例上傳器調(diào)用上傳的病案，并利用虛擬視圖客戶端進(jìn)行閱讀。

d)利用AdvMedViz應(yīng)用做遠(yuǎn)程病案閱讀時(shí)，放射科醫(yī)生在數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生臨床結(jié)果，這些信息通過臨床結(jié)果下載器傳回醫(yī)院。

e)下載完成后，臨床結(jié)果去匿名化并送往醫(yī)院的本地PACS系統(tǒng)，與醫(yī)療設(shè)備獲取的原始DICOM圖像合并。

3 性能分析

本文提出的云計(jì)算高級醫(yī)療影像可視化架構(gòu)可簡化醫(yī)院現(xiàn)場的部署，在不需要安裝額外的基礎(chǔ)設(shè)施的條件下，即可使用先進(jìn)的醫(yī)療影像可視化服務(wù)。圖3是傳統(tǒng)的基于客戶機(jī)/服務(wù)器與基于云計(jì)算的解決方案對比圖。

圖3 傳統(tǒng)方案和基于云的方案比較

通過上傳DICOM數(shù)據(jù)測試該方案的可用性和處理性能，測試網(wǎng)絡(luò)的平均下載速率為0.44 Mbits/s，平均上傳速度為0.29 Mbits/s。病例均自動采用先進(jìn)的可視化應(yīng)用程序進(jìn)行預(yù)處理和分析，以便放射科醫(yī)師閱讀。表1列出了采取匿名化處理后，上傳和預(yù)處理不同大小的數(shù)據(jù)集所花費(fèi)的時(shí)間。表1結(jié)果表明，即使在帶寬較低的網(wǎng)絡(luò)條件下，基于云的解決方案仍能滿足實(shí)際應(yīng)用要求。早上掃描的影像，放射科醫(yī)師下午即可獲得分析結(jié)果。此外，研究發(fā)現(xiàn)在緩慢的網(wǎng)絡(luò)條件下，執(zhí)行測量等基本交互操作響應(yīng)較快，但執(zhí)行3D運(yùn)算時(shí)響應(yīng)速度較慢。進(jìn)一步的評估表明，基于云計(jì)算模式的高級醫(yī)療影像可視化解決方案使用的最小網(wǎng)絡(luò)帶寬要求是下載帶寬2 Mbits/s，上傳帶寬1 Mbits/s，往返延遲100 ms。因此，醫(yī)院的網(wǎng)絡(luò)速度在滿足這一最低帶寬要求的情況下，本文提出的高級醫(yī)療影像可視化云計(jì)算解決方案可作為實(shí)現(xiàn)醫(yī)療可視化理想的、成本適中的解決方案。

表1 性能評價(jià)結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出了一種將基于客戶端/服務(wù)器模式的高級醫(yī)療可視化解決方案演化成基于云計(jì)算模式的醫(yī)療影像可視化方案的通用框架。不論云應(yīng)用的權(quán)限如何，該方案都能有效保證病人健康信息的安全，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的大數(shù)據(jù)量圖像的高效處理，實(shí)現(xiàn)與醫(yī)院的其他設(shè)備間的無縫整合，并最終進(jìn)入放射科醫(yī)生的臨床日常工作。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] iemens AG.Syngo.via-the 3D routine and advanced reading software[EB/OL].[2014-05-04].http://www.siemens.com/syngo.via.

[2] 龐云，常志鵬. 基于云計(jì)算的區(qū)域PACS醫(yī)療共享平臺的研究[J].科技視界,2013(36).

[3] Bastiao Silva L A,Costa C,Silva A,et al.A PACS gateway to the cloud[C]//The 6th Iberian Conference on Information Systems and Technologies,2011:1-6.

[4] Teng C C,Mitchell J C,et al.A medical image archive solution in the cloud[C]//IEEE International Conference on Software Engineering and Service Sciences,2010:431-434.

[5] Dorn K,Ukis V,Friese T.A cloud-deployed 3D medical imaging system with dynamically optimized scalability and cloud costs[C]//The 37th EUROMICRO Conference on Software Engineering and Advanced Applications,2011:155-158.

[6] Liu D Z,Hua K A,Sugaya K.A framework for web-based interactive applications of high-resolution 3D medical image data[C]//The 19th IEEE International Symposium on Computer-Based Medical Systems, 2006: 119-124.

[7] Terarecon iNtuition Cloud[EB/OL].[2014-05-04].http://www.terarecon.com/cloud/.

[8] Health Insurance Portability and Accountability Act [EB/OL].[2014-05-04].http://www.hhs.gov/ocr/privacy/.