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，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。而云計(jì)算供應(yīng)商的出現(xiàn)能夠很好地解決以上問題，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)上來說，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)，以期能解決國內(nèi)中小醫(yī)院PACS運(yùn)行維護(hù)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(chǔ)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(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。

在過去的十幾年里，國內(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)和長期可用性以及系統(tǒng)的升級(jí)等持續(xù)增長的成本因素值得關(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)院信息化過程中遇到的瓶頸問題。

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?？梢詫⒎稚⒌馁Y源聚合成一個(gè)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(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)被國內(nèi)外很多商業(yè)機(jī)構(gòu)所使用。2014年的雙11購物狂歡節(jié)中，阿里云技術(shù)被用來支撐571億的交易，高達(dá)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(jì)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(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)部署在英國大部分的衛(wèi)生機(jī)構(gòu)。IEP現(xiàn)在有超過335個(gè)站點(diǎn)積極使用這項(xiàng)服務(wù)，每天交換超過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)庫和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。其中對(duì)象存儲(chǔ)庫由巨大容量的存儲(chǔ)設(shè)備來支持，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(hù)數(shù)據(jù)庫中與患者有關(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（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。為解決此問題，可引入MIDB將患者的身份識(shí)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?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)來說，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。其中云存儲(chǔ)用來對(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、無限存儲(chǔ)的特點(diǎn)，而云數(shù)據(jù)庫則可以對(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)庫通過提交一個(gè)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(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)庫必須向主索引數(shù)據(jù)庫MIDB申請(qǐng)?jiān)L問這些私密數(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)荷過大，相關(guān)的圖像在客戶端的展現(xiàn)時(shí)間比較長。為解決上述問題，需要設(shè)計(jì)一個(gè)緩存服務(wù)器來解決DICOM對(duì)象數(shù)據(jù)的訪問延遲，通過引入緩存服務(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)也帶來了與安全有關(guān)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(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(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，在一定程度影響到我國中小醫(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