李芹，郭文明，蔡榮杰，楊小燕，秦芳遠(yuǎn)

(1.南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院,廣州 510515；2.南方醫(yī)科大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心，廣州 510515)

1 引 言

隨著醫(yī)學(xué)影像檢查技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)學(xué)影像檢查已經(jīng)成為現(xiàn)代臨床診斷與治療的一個(gè)重要依據(jù)，醫(yī)學(xué)影像診斷的準(zhǔn)確率將直接影響臨床疾病的治療效果[1]。然而當(dāng)下，我國優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療資源主要集中分布在大城市、大醫(yī)院，使得基層醫(yī)院對醫(yī)療資源競爭力不足；同時(shí)由于基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)工作條件落后并且發(fā)展空間有限，很難留住高水平的影像診斷醫(yī)師，使得基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)診斷水平一直很難得到突破性的提升，是造成看病貴和看病難的主要原因之一。

在新醫(yī)改的大背景下，同時(shí)隨著云計(jì)算技術(shù)的興起[2-3]，云技術(shù)以其獨(dú)特的擴(kuò)展性、容錯(cuò)力以及廉價(jià)性在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)扮演著越來越重要的角色。我們所研究的內(nèi)容正是針對目前基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)所面臨的這些問題，結(jié)合當(dāng)前流行的云計(jì)算技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種開放、互聯(lián)互通、資源共享、安全實(shí)用的影像云服務(wù)平臺(tái)[4]。此平臺(tái)不僅為基層醫(yī)院的醫(yī)學(xué)影像診斷幫扶提供了有效途徑，提高基層醫(yī)院的影像診斷水平，均衡醫(yī)療資源，還能為基層醫(yī)院的醫(yī)療建設(shè)節(jié)省一部分的成本支出。

2 醫(yī)學(xué)影像云服務(wù)平臺(tái)的總體架構(gòu)

2.1 影像云平臺(tái)應(yīng)用圖解

醫(yī)學(xué)影像云平臺(tái)是一個(gè)復(fù)雜、涉及技術(shù)繁多的系統(tǒng)，見圖1，主要包含了平臺(tái)服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、醫(yī)院網(wǎng)關(guān)(前置機(jī))、公用訪問接口、應(yīng)用程序和客戶端程序等。前置機(jī)一端通過醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)與院內(nèi)PACS或影像設(shè)備相連，另一端與Internet接通，通過前置機(jī)影像轉(zhuǎn)發(fā)方式將患者影像提交至平臺(tái)，并協(xié)作完成影像檢查與診斷報(bào)告業(yè)務(wù)流程。

圖1影像云服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)圖

Fig1Architectureofmedicalimagecloudserviceplatform

(1)主索引數(shù)據(jù)庫：主索引數(shù)據(jù)庫是影像云平臺(tái)的核心架構(gòu)，其中患者信息數(shù)據(jù)主要來源于醫(yī)療影像(DICOM對象)設(shè)備以及相關(guān)的平臺(tái)服務(wù)器。由于不同的影像設(shè)備可能產(chǎn)自不同的廠商，這樣就使得同一個(gè)患者臨床信息的數(shù)據(jù)格式和編碼標(biāo)準(zhǔn)存在差異，而使得這些信息無法實(shí)現(xiàn)共享。索引數(shù)據(jù)庫的作用正是將同一患者的信息統(tǒng)一起來，另外，它還能禁止未經(jīng)云服務(wù)器授權(quán)的訪問，以確保數(shù)據(jù)信息的安全。

(2)前置機(jī)的部署：前置機(jī)部署在醫(yī)院內(nèi)，它是醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)與云平臺(tái)之間交流的一座橋梁。通常情況下，客戶端通過HTTP上的基于RESTful協(xié)議的應(yīng)用程序接口來與云服務(wù)取得連接[5]。但對于醫(yī)學(xué)影像云架構(gòu)來說，應(yīng)用程序接口API是一個(gè)障礙,因?yàn)樵搼?yīng)用程序接口無法將DICOM命令轉(zhuǎn)換成為Web服務(wù)的請求，也無法實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)影像的DICOM對象設(shè)備直接連接云存儲(chǔ)服務(wù)的接口功能[6]。因此需要部署一個(gè)DICOM 到Web的網(wǎng)關(guān)(前置機(jī))來提供以下功能：DICOM C-STORE(存儲(chǔ))、DICOM C-FIND(查詢)、DICOM C-MOVE(傳輸)、DICOM C-ECHO(獲取信息對象)等DICOM服務(wù)。

(3)云存儲(chǔ)和云數(shù)據(jù)庫：通過集群應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或分布式文件系統(tǒng)等功能，將網(wǎng)絡(luò)中大量DICOM對象設(shè)備產(chǎn)生的圖像進(jìn)行備份，擁有彈性擴(kuò)容、無限存儲(chǔ)的特點(diǎn)。除此之外，還提供了對DICOM元數(shù)據(jù)實(shí)施查詢、修改和提取等功能。

3 影像云服務(wù)平臺(tái)的功能設(shè)計(jì)

影像云服務(wù)平臺(tái)以南方醫(yī)院為中心平臺(tái)，與基層醫(yī)院及其它醫(yī)療機(jī)構(gòu)互聯(lián)互通，利用各級醫(yī)院的影像信息，開展基于診斷影像的遠(yuǎn)程閱片診斷、在線會(huì)診、疑難病例討論、影像三維云處理等遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)活動(dòng)。

3.1 遠(yuǎn)程閱片診斷業(yè)務(wù)

遠(yuǎn)程閱片診斷業(yè)務(wù)模塊采用一體化工作模式，利用影像數(shù)據(jù)中心對各院影像信進(jìn)行整合，建立患者主索引，使得影像診斷專家可以隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)影像的調(diào)閱、影像的診斷及報(bào)告審核。

3.2 在線會(huì)診業(yè)務(wù)

利用影像中心的數(shù)據(jù)平臺(tái)支撐，遠(yuǎn)程會(huì)診可多端同時(shí)在線，基層醫(yī)院發(fā)出會(huì)診請求，并將患者的影像資料及電子病歷上傳至數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)在線會(huì)診。平臺(tái)采用操作指令流同步的DICOM互操作和顯示技術(shù)，在低帶寬的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了無失真的醫(yī)學(xué)影像顯示傳輸，解決了傳統(tǒng)視頻會(huì)議存在的醫(yī)學(xué)影像顯示失真的問題，結(jié)合實(shí)時(shí)的語音、視頻、文本等交流工具，滿足醫(yī)生進(jìn)行異地疑難病例討論需求。

3.3 影像三維云處理

影像三維云處理是系統(tǒng)的特色功能，該功能采用“云計(jì)算”架構(gòu)，所有功能模塊均部署在影像云服務(wù)平臺(tái)端，利用云計(jì)算強(qiáng)大的處理能力，最大化的減少應(yīng)用終端的對圖像的處理負(fù)載，進(jìn)而使終端擺脫對本地硬件資源的依賴，避免了基層醫(yī)院及其它醫(yī)療機(jī)構(gòu)對硬件設(shè)備的高昂成本投入。三維重建圖像具有直觀、形象和易于理解的特征，在遠(yuǎn)程會(huì)診中可以幫助專家快速定位病灶位置，加強(qiáng)會(huì)診效果。影像三維云處理可以提供多平面重建、影像融合等多種高端影像處理功能。

3.4 在線查看診斷報(bào)告業(yè)務(wù)

患者可以通過注冊成為平臺(tái)的普通用戶，系統(tǒng)會(huì)將患者注冊時(shí)的信息與患者就診時(shí)的信息想關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)患者能夠在移動(dòng)設(shè)備上或者PC機(jī)上隨時(shí)查看自己病情的診斷詳情。

4 醫(yī)學(xué)影像云服務(wù)平臺(tái)功能關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的注冊

4.1.1標(biāo)準(zhǔn)影像文檔的注冊 影像數(shù)據(jù)產(chǎn)生后，唯一身份索引，方便資料的關(guān)聯(lián)和使用。生成的報(bào)告數(shù)據(jù)通過XDS規(guī)范上通過RIS系統(tǒng)向影像云平臺(tái)注冊病人信息，形成患者交叉索引和兼顧多家醫(yī)療機(jī)構(gòu)的傳至影像云平臺(tái)。對于某些醫(yī)療機(jī)構(gòu)的PACS系統(tǒng)中的影像文件可存儲(chǔ)在本地，只需上傳索引文件至影像中心注冊即可[7]。當(dāng)然也可將影像數(shù)據(jù)上傳至影像云平臺(tái)進(jìn)行集中存儲(chǔ)，影像查詢時(shí)只需向XDS-I注冊中心查詢相關(guān)信息，見圖2。

圖2標(biāo)準(zhǔn)文檔的注冊

Fig2Theregistrationofstandardimagedocument

4.1.2非標(biāo)準(zhǔn)影像文檔的注冊 對于有些醫(yī)院的檢查圖像并不是標(biāo)準(zhǔn)DICOM格式的情況(通常為JPG或BMP等文件)，在上傳至影像中心注冊前需要先進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。通常是將非標(biāo)準(zhǔn)影像數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換為DICOM格式，并在影像交換中心上進(jìn)行注冊及索引更新。非影像數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換成XDS規(guī)范格式并上傳至云平臺(tái)的CDR數(shù)據(jù)倉庫，從而完成非標(biāo)準(zhǔn)影像數(shù)據(jù)的注冊，見圖3。

圖3非標(biāo)準(zhǔn)文檔注冊

Fig3Theregistrationofnon-standardimagedocument

4.2 區(qū)域影像數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)方案

本研究將區(qū)域影像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心及影像診斷中心設(shè)立在南方醫(yī)院，為其他五家基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)提供遠(yuǎn)程閱片、診斷、會(huì)診及疑難病例的討論。此外，影像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心通過整合各個(gè)醫(yī)院院內(nèi)的影像存儲(chǔ)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)影像信息的標(biāo)準(zhǔn)化集中存儲(chǔ)與管理。影像數(shù)據(jù)中心采用了FC SAN和HDFS兩相結(jié)合的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，中心存儲(chǔ)設(shè)備部署在佛山正骨醫(yī)院，而基層醫(yī)院患者的影像數(shù)據(jù)仍然存儲(chǔ)在基層醫(yī)院端，中心端只存儲(chǔ)影像數(shù)據(jù)的資源定位存儲(chǔ)信息，影像診斷中心再根據(jù)URL方式調(diào)取遠(yuǎn)端影像。這樣一種混合式存儲(chǔ)架構(gòu)不僅具備低成本、高性能、高擴(kuò)展性、高可靠、高冗余度等特點(diǎn)，且能改善醫(yī)學(xué)影像的存儲(chǔ)能力、影像傳輸?shù)姆€(wěn)定及可靠性[8]。

影像數(shù)據(jù)中心將保留六個(gè)月內(nèi)的原始DICOM圖像文件，存儲(chǔ)在高性能的FA SAN中，方便診斷調(diào)用。對于超過六個(gè)月的圖像轉(zhuǎn)換成為S-DICOM文件格式[9](S-DICOM格式克服了HDFS不適合存儲(chǔ)和處理大量小文件的缺點(diǎn))，轉(zhuǎn)存到二級數(shù)據(jù)庫HDFS集群中。對于大型綜合型醫(yī)院，都部署了院內(nèi)PACS系統(tǒng)，則不需要經(jīng)過影像云服務(wù)平臺(tái)的FC SAN存儲(chǔ)設(shè)備，閱片和診斷過程在院內(nèi)PACS系統(tǒng)中完成即可。但要將需要長期存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為S-DICOM文件存儲(chǔ)到HDFS存儲(chǔ)集群中，F(xiàn)C SAN主要是對基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)、社區(qū)醫(yī)院的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

二級數(shù)據(jù)庫是以“患者為中心”原則進(jìn)行存儲(chǔ)設(shè)計(jì)，將患者的全部醫(yī)學(xué)影像S-DICOM文件按照成像設(shè)備、檢查標(biāo)志分類存儲(chǔ)在同一個(gè)PatientID目錄結(jié)構(gòu)下，便于患者相關(guān)圖像的分類檢索，提高對影像的訪問速度[10]。

4.3 影像數(shù)據(jù)云端調(diào)閱的實(shí)現(xiàn)過程

影像云平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)讓身處各地的醫(yī)護(hù)人員隨時(shí)調(diào)閱患者影像成為可能，影像診斷醫(yī)生和臨床醫(yī)生只需通過影像云服務(wù)平臺(tái)的認(rèn)證頁面進(jìn)行身份驗(yàn)證，讓客戶端通過TCP與云端服務(wù)器取得連接，進(jìn)入云平臺(tái)的Web界面，見圖5(A)。在此界面上有幾個(gè)主要的功能塊，醫(yī)生可按照一定的條件(例如患者的檢查號、姓名、檢查類型等信息)對影像資料進(jìn)行查詢，隨后CGI(兼容WADO標(biāo)準(zhǔn)的公共網(wǎng)關(guān)接口)程序?qū)φ埱筮M(jìn)行處理并返回患者的相關(guān)信息列表。

現(xiàn)在的MR、CT影像設(shè)備生成的影像數(shù)據(jù)量相當(dāng)?shù)拇?，如果醫(yī)生直接將這些影像下載到本地再進(jìn)行閱片，將要消耗相當(dāng)長的時(shí)間來等待這些數(shù)據(jù)的下載完成。另外，再考慮客戶端的配置以及CMOVE等傳輸協(xié)議所占的時(shí)間的話，將會(huì)消耗更長的時(shí)間。為了節(jié)省圖像傳輸?shù)娇蛻舳说牡却龝r(shí)間，客戶端不用直接將DICOM圖像下載到本地機(jī)上進(jìn)行處理，而是依賴云端的影像服務(wù)器直接在云端對患者影像進(jìn)行處理，這樣就節(jié)省了圖像重新拷貝下載的時(shí)間。影像服務(wù)器再將處理后的DICOM圖像通過WADO的方式轉(zhuǎn)換為JEPG影像，通過JEPG2000壓縮的方式返回到客戶端顯示[11]，見圖4。影像診斷中心的醫(yī)師會(huì)及時(shí)對基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)上傳上來的醫(yī)學(xué)影像進(jìn)行診斷報(bào)告的書寫及審核，然后系統(tǒng)協(xié)商報(bào)告回寫的時(shí)機(jī)將診斷報(bào)告上傳到影像云平臺(tái)，基層醫(yī)院通過云PACS報(bào)告服務(wù)器調(diào)閱云平臺(tái)上的影像、報(bào)告及完成診斷報(bào)告和影像的打印。

圖4影像的調(diào)閱過程

Fig4Theprocessofimageaccess

5 平臺(tái)應(yīng)用展現(xiàn)及成效分析

我們目前將這一云平臺(tái)系統(tǒng)應(yīng)用于佛山市正骨醫(yī)院、水藤醫(yī)院、合水醫(yī)院、仁和中醫(yī)院等六家醫(yī)院，并將影像診斷中心設(shè)于佛山正骨醫(yī)院，圖5(A)為云平臺(tái)Web界面。醫(yī)學(xué)影像的調(diào)閱已在Windows操作系統(tǒng)下的IE、Google等瀏覽器上進(jìn)行了測試，并在Android、IOS等系統(tǒng)下的移動(dòng)端也進(jìn)行了測試，均能得到良好閱片效果。圖5中，(B)圖是患者影像在IE瀏覽器上的顯示效果圖，(C)圖是在Android操作系統(tǒng)下的顯示效果。

圖5影像云平臺(tái)Web界面及客戶端影像顯示效果圖

Fig5Webinterfaceofimagecloudplatformandthedisplayeffectofmedicalimage

自從建立影像云平臺(tái)以來，南方醫(yī)院影像診斷中心每天處理的患者影像的數(shù)量明顯增加，見圖6。影像云服務(wù)平臺(tái)對患者圖像的讀取速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)存儲(chǔ)架構(gòu)的讀取速度，見圖7。醫(yī)療影像云平臺(tái)使用的效果達(dá)到了其當(dāng)初估計(jì)的效果，實(shí)現(xiàn)了將優(yōu)質(zhì)、高質(zhì)量的醫(yī)療資源進(jìn)行了共享，消除了時(shí)間和地域的跨度，極大地提高了基層醫(yī)院的就診水平。

圖6每天處理的影像數(shù)量

Fig6Thenumberofmedicalimageprocessingforeveryday

圖7醫(yī)學(xué)影像在兩種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中的讀取速率對比

Fig7Thecomparisonofmedicalimagereadingrateintwo

kindsofstoragestructures

6 總結(jié)與展望

我國醫(yī)療衛(wèi)生資源80%分布在大、中城市，醫(yī)療水平發(fā)展極不平衡，利用醫(yī)學(xué)影像云服務(wù)平臺(tái)可以使鄉(xiāng)鎮(zhèn)小醫(yī)院的患者接受大醫(yī)院專家的影像診斷幫扶。這樣不僅僅改善了大醫(yī)院人滿為患的現(xiàn)狀，同時(shí)也明顯節(jié)省了患者去大醫(yī)院就診所帶來的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和時(shí)間成本，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域內(nèi)患者影像資源的共享[12]。同時(shí)也提高了鄉(xiāng)鎮(zhèn)小醫(yī)院的就診水平，并為其節(jié)省了一定的成本支出，還能實(shí)現(xiàn)與其它信息平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互。今后，我們將在此基礎(chǔ)上開展進(jìn)一步的研究工作：(1)將該影像云平臺(tái)的應(yīng)用推向更多的醫(yī)院，使得影像診斷規(guī)模能進(jìn)一步加大。(2)繼續(xù)研究醫(yī)學(xué)影像在上傳轉(zhuǎn)換過程中可能出現(xiàn)的關(guān)鍵細(xì)節(jié)缺失問題。(3)將影像云與智能診斷相結(jié)合，通過對醫(yī)學(xué)影像的閱片獲取圖片的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，提供給深度學(xué)習(xí)引擎進(jìn)行計(jì)算。(4)將影像云與教學(xué)相結(jié)合，形成一種具有鮮明特色的教學(xué)模式。