基于分布式結(jié)構(gòu)的醫(yī)學(xué)影像歸檔和通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈強(qiáng)（浙江省人民醫(yī)院 放射科，浙江 杭州　310014）

基于分布式結(jié)構(gòu)的醫(yī)學(xué)影像歸檔和通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈強(qiáng)
（浙江省人民醫(yī)院 放射科，浙江 杭州310014）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，醫(yī)院的信息化建設(shè)也越來(lái)越受到大家的重視，將傳統(tǒng)的醫(yī)院建設(shè)成為數(shù)字化醫(yī)院已經(jīng)成為了趨勢(shì)。而在數(shù)字化影像管理的方法中，PACS系統(tǒng)逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位。本文通過(guò)分析醫(yī)院的實(shí)際需求，采用分布式的結(jié)構(gòu)模式，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一個(gè)全新的PACS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。并對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，服務(wù)器設(shè)計(jì)以及安全設(shè)計(jì)做出了詳細(xì)介紹，經(jīng)后期實(shí)際使用，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

PACS系統(tǒng)；HIS系統(tǒng)；數(shù)字化影像

醫(yī)院已經(jīng)成為人們生活中不可缺少的一部分，隨著醫(yī)院的發(fā)展，醫(yī)學(xué)成像設(shè)備已經(jīng)成為醫(yī)院必不可少的設(shè)施之一。其為醫(yī)生在進(jìn)行診斷時(shí)提供了直觀的圖像和數(shù)據(jù)依據(jù)，醫(yī)生通過(guò)對(duì)膠片的觀察，對(duì)病人的病情做出判斷。傳統(tǒng)的膠片管理方式是手工管理，但是這種管理方式存在很多明顯的問(wèn)題，比如人工管理的過(guò)程中，隨著病人人數(shù)的不斷增多，管理效率就會(huì)變得非常低，在查詢和咨詢的時(shí)間上就會(huì)浪費(fèi)掉許多時(shí)間。還有就是在面對(duì)比較多的病人時(shí)，人工傳遞膠片的速度會(huì)很慢，這不僅造成效率低，有時(shí)還會(huì)對(duì)病情造成影響。還有一個(gè)很關(guān)鍵的問(wèn)題就是，對(duì)已同一張膠片，在不同地方的醫(yī)生不能同時(shí)查看，這就為會(huì)診帶來(lái)了麻煩，延誤了病人得到好的治療方案的時(shí)間，不同科室甚至不同醫(yī)院的醫(yī)生無(wú)法實(shí)現(xiàn)同時(shí)查看和分析膠片，對(duì)建立數(shù)字化醫(yī)院也是必須跨過(guò)的一步。當(dāng)然，這種傳統(tǒng)方法的缺陷還有很多，這里就不一一提出了［1-2］。為了改變這種現(xiàn)狀，PACS系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。所謂PACS系統(tǒng)，就是醫(yī)學(xué)影像歸檔和通信系統(tǒng)。其是伴隨著計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，數(shù)字影像技術(shù)等的發(fā)展而出現(xiàn)的。目的就是通過(guò)數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)病人信息以及圖像的實(shí)時(shí)傳遞，采集，分析，顯示，管理等等的綜合系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以將醫(yī)院的各個(gè)科室連接到一起，還可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，將病人的信息與其他醫(yī)院經(jīng)行共享，實(shí)現(xiàn)科室與科室間，醫(yī)院與醫(yī)院間的信息共享。其最終目的就是效的提高醫(yī)學(xué)影像診斷的準(zhǔn)確度和工作效率，為醫(yī)院實(shí)現(xiàn)數(shù)字化打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。正式因?yàn)镻ACS系統(tǒng)有著如此關(guān)鍵和重要的作用，所以分析設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一個(gè)好的PACS系統(tǒng)就顯得非常重要以及十分有意義［3-4］。

1　分布式對(duì)象技術(shù)

分布式對(duì)象技術(shù)實(shí)際上就是將分布在網(wǎng)絡(luò)上的不同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相互的作用，特別是在不同的操作環(huán)境中。中間件將物理層上相對(duì)分散的資源進(jìn)行組合后成為一個(gè)完整的整體。將分布式對(duì)象技術(shù)應(yīng)用在系統(tǒng)中可以大大簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)時(shí)的操作和步驟，將通信過(guò)程中的細(xì)節(jié)進(jìn)行弱化，使使用者可以繞過(guò)數(shù)據(jù)提取的服務(wù)器的位置，只需知曉使用對(duì)象的用戶名和接口即可。這就實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程調(diào)控與近程調(diào)控一樣的效率和方法。目前，分布式對(duì)象技術(shù)已經(jīng)在互聯(lián)網(wǎng)中體現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)的互聯(lián)性和開(kāi)放性都得到了提升［5］。分布式對(duì)象結(jié)構(gòu)如圖1所示。分布式對(duì)象技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵概念就是所謂的構(gòu)建概念。構(gòu)建可以不受語(yǔ)言，網(wǎng)絡(luò)，平臺(tái)，使用工具等的限制，將傳統(tǒng)的軟件模式進(jìn)行徹底的顛覆。之所以這么說(shuō)，是因?yàn)槠湓谲浖_(kāi)發(fā)的各個(gè)階段，比如軟件的定義，設(shè)計(jì)，集成，調(diào)試等各個(gè)環(huán)節(jié)中，對(duì)回因網(wǎng)絡(luò)和對(duì)象這兩個(gè)主要因素進(jìn)行巨大的變化。軟件之間也會(huì)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。這么做的優(yōu)勢(shì)就是可以大大提高用戶的使用效率，節(jié)約了軟硬件資源。如果采用了構(gòu)件程序設(shè)計(jì)思想，隨時(shí)可以把有問(wèn)題的模塊更換，使其維護(hù)成本降低［6-7］。

圖1　分布式對(duì)象結(jié)構(gòu)

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面主要就是體現(xiàn)在客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)中，客戶機(jī)主要包含了交互邏輯，信息數(shù)據(jù)處理邏輯以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)邏輯，而服務(wù)器只是一個(gè)DBMS。在本文介紹的三層客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)中，三層客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)就是分布式對(duì)象技術(shù)，這也是目前使用最多的結(jié)構(gòu)之一。在此模式中，程序被有條理的分為清楚地兩個(gè)部。客戶機(jī)由原來(lái)復(fù)雜的邏輯關(guān)系簡(jiǎn)化為只包含交互邏輯即用戶接口。而之前的信息數(shù)據(jù)處理邏輯與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)邏輯則在應(yīng)用服務(wù)器上體現(xiàn)。而客戶端此時(shí)的作用就變?yōu)榱藢?duì)用戶的控制和協(xié)調(diào)。三層客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)如圖2所示?？蛻魴C(jī)是負(fù)責(zé)用戶的交互以及會(huì)根據(jù)用戶的需求處理和協(xié)調(diào)各種指令工作，再交給專用的數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器進(jìn)行管理和操作。其中邏輯規(guī)則存在于一個(gè)或者多個(gè)服務(wù)器中，在對(duì)于具體的請(qǐng)求作出具體的不同的處理。在之前的雙層結(jié)構(gòu)中，客戶機(jī)可以不通過(guò)指令直接訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，而在三層客戶/服務(wù)器系統(tǒng)中的客戶機(jī)既可以是運(yùn)行在瀏覽器中的Java Applet或ActiveX控件，也可以是獨(dú)立的應(yīng)用程序?？蛻魴C(jī)在向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求的同時(shí)，應(yīng)用層會(huì)將數(shù)據(jù)直接從數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行提取，直接發(fā)給客戶機(jī)。而三層客戶/服務(wù)器被大力推廣的關(guān)鍵就是其基于分布式對(duì)象技術(shù)和組件技術(shù)，再加上數(shù)據(jù)處理器本身自帶的強(qiáng)大的管理功能。在醫(yī)學(xué)影像歸檔和通信系統(tǒng)中，由于醫(yī)院需要處理的圖像信息量非常的大，如果使用采用數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)庫(kù)可能會(huì)因?yàn)樨?fù)載過(guò)大出現(xiàn)崩潰的現(xiàn)象。而使用本文的系統(tǒng)，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分類，記錄其各自不同的特點(diǎn)，比如特征，數(shù)據(jù)精度等，這就使原來(lái)的混亂管理得到了改善。每個(gè)科室或者單位可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立的粗存，構(gòu)成獨(dú)立的子系統(tǒng)。在通過(guò)應(yīng)用服務(wù)組件使其進(jìn)行內(nèi)部的溝通和聯(lián)系［8-9］。

圖2　三層客戶/服務(wù)器邏輯結(jié)構(gòu)

3　系統(tǒng)服務(wù)器設(shè)計(jì)方案

PACS可以依照應(yīng)用規(guī)模與數(shù)據(jù)流量的不同，靈活的進(jìn)行分配與組合。在小型的 PACS網(wǎng)絡(luò)方案里，一臺(tái)簡(jiǎn)單的服務(wù)器就可提供所有的數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)、DICOM等服務(wù)。但是在大型的PACS網(wǎng)絡(luò)中，其中的一個(gè)服務(wù)就可能是由兩臺(tái)或者更多的服務(wù)器同時(shí)對(duì)其進(jìn)行作用，所以，PACS可根據(jù)醫(yī)院的不同甚至環(huán)境的不同，靈活的調(diào)控系統(tǒng)的配置。服務(wù)器按功能分為：DICOM服務(wù)器、主要信息服務(wù)器、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、臨床WEB發(fā)布服務(wù)器、檔案管理服務(wù)器、動(dòng)態(tài)輸出服務(wù)器、二級(jí)緩存服務(wù)器，它們之間根據(jù)需求動(dòng)態(tài)的進(jìn)行組合，來(lái)滿足醫(yī)院不同的使用環(huán)境，即可基本滿足醫(yī)院目前的所有硬性需求，也可以為醫(yī)院未來(lái)的數(shù)字化及信息化建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［10-11］。在 DICOM服務(wù)器中，DICOM圖像首先通過(guò)檢查設(shè)備的分析處理傳入PACS，此時(shí)的圖像存儲(chǔ)在DICOM服務(wù)器中，服務(wù)器此時(shí)會(huì)對(duì)圖像進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確無(wú)誤，并與 PACS中之前登記過(guò)得數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，保證數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，數(shù)據(jù)在這里還可自行進(jìn)行壓縮處理，系統(tǒng)支持八種壓縮的模式。DICOM服務(wù)器具有的功能也十分強(qiáng)大。首先是DICOM服務(wù)，可提供包括DICOM Storage、DICOM send/receive、DICOMMPPS等所有標(biāo)準(zhǔn)DICOM服務(wù)。可實(shí)現(xiàn)影像的處理、中轉(zhuǎn)、打印等控制。其次就是網(wǎng)關(guān)作用，對(duì)影像進(jìn)行匹配和檢測(cè)工作，確保病人的信息與出來(lái)的圖像保持一致性。對(duì)于檢查中出現(xiàn)的錯(cuò)誤或無(wú)效數(shù)據(jù)，會(huì)自動(dòng)交給差錯(cuò)管理程序糾錯(cuò)。下面就是網(wǎng)絡(luò)均衡作用，檢查設(shè)備產(chǎn)生影像后會(huì)大量的向 PACS傳送，此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)流量很大，帶寬占用非常嚴(yán)重，DICOM服務(wù)器可以起到緩沖得作用，自動(dòng)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸速率。在網(wǎng)絡(luò)壓力恢復(fù)正常值時(shí)傳輸?shù)穆蕰?huì)自動(dòng)提高。還有就是影像壓縮作用，在原始圖像所占的字符特別大的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)占有率就特別高［12］。嚴(yán)重影響傳輸速度，系統(tǒng)可對(duì)影像進(jìn)行無(wú)損、有損多級(jí)別壓縮傳輸，保證了傳輸?shù)乃俣龋瑴p下了網(wǎng)絡(luò)的使用壓力。最后就是數(shù)據(jù)連接功能，可同時(shí)接收多個(gè)不同影像設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，并提供影像資料的存儲(chǔ)，同時(shí)完成數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接和多個(gè)不同種類的影像設(shè)備的鏈接。

4　服務(wù)器安全設(shè)計(jì)

系統(tǒng)服務(wù)器的安全設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮到兩個(gè)方面，首先是本地硬板在受到破壞時(shí)防止服務(wù)器的停止工作的情況，其次是服務(wù)器的硬件在損壞時(shí)服務(wù)無(wú)法繼續(xù)的情況。針對(duì)第一種情況，本文設(shè)計(jì)的PACS系統(tǒng)的服務(wù)器采用RAID技術(shù)，當(dāng)某一個(gè)硬盤出現(xiàn)問(wèn)題是，其余的硬板會(huì)自動(dòng)接手其工作，保證使用者的正常運(yùn)行，并對(duì)使用者發(fā)出更換硬板的提示。而針對(duì)第二種問(wèn)題，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用的是雙機(jī)熱備或集群技術(shù)，會(huì)自動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境與安全級(jí)別做出判斷進(jìn)而對(duì)其做出選擇。雙機(jī)熱備簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)其實(shí)就是使用互為備份的兩臺(tái)服務(wù)器同時(shí)執(zhí)行一項(xiàng)服務(wù)。一臺(tái)主機(jī)為工作機(jī)（Primary Server），另一臺(tái)主機(jī)為備份機(jī)（Standby Server）。

兩臺(tái)服務(wù)器采用的是交互、主從、聯(lián)通等不同的方式。在實(shí)際工作的過(guò)程中，兩臺(tái)服務(wù)器使用同樣的虛擬IP地址對(duì)外進(jìn)行服務(wù)，根據(jù)工作方式的不同，系統(tǒng)會(huì)將服務(wù)請(qǐng)求經(jīng)分析后發(fā)送給其中一臺(tái)合適的服務(wù)器進(jìn)行處理［13-14］。同時(shí)，服務(wù)器通過(guò)心跳線的形式 （目前采用的是建立私有網(wǎng)絡(luò)的方式）偵測(cè)另一臺(tái)服務(wù)器的工作和使用狀況。當(dāng)有一臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，另一臺(tái)服務(wù)器會(huì)根據(jù)心跳偵測(cè)的結(jié)果迅速的做出判斷，并自動(dòng)進(jìn)行切換，代替原服務(wù)器的工作。對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)，上述過(guò)程是全自動(dòng)的，會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)完成一些列指令，所以不會(huì)對(duì)業(yè)務(wù)造成影響。由于存儲(chǔ)設(shè)備在系統(tǒng)中是并行存在的，因此服務(wù)器之間所使用數(shù)據(jù)其實(shí)是沒(méi)有區(qū)別的，由控制或分析軟件對(duì)其進(jìn)行控制和管理。而系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的安全指的就是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的硬件、軟件與系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)受到保護(hù)，不會(huì)由于偶然或者惡意的原因而受到損壞、篡改甚至泄露，系統(tǒng)可以連續(xù)并穩(wěn)定的運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不會(huì)突然中斷。但是通常來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的安全性與其性能不能同時(shí)達(dá)到很高的標(biāo)準(zhǔn)，為了平衡兩者的關(guān)系，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，首先，根據(jù)醫(yī)院的具體情況進(jìn)行虛擬網(wǎng)絡(luò)的劃分，夠保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不會(huì)被隨意訪問(wèn)。其次，在多級(jí)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)時(shí)設(shè)置權(quán)限管理的操作［15］。最后可根據(jù)醫(yī)院的具體需求設(shè)計(jì)冗余網(wǎng)絡(luò)鏈路。

5　結(jié)　論

文中在綜合考慮和分析了現(xiàn)如今醫(yī)院對(duì)數(shù)字化及信息化高要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出了基于分布式結(jié)構(gòu)的醫(yī)學(xué)影像歸檔和通信系統(tǒng)，給出了具體的設(shè)計(jì)方案。并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和服務(wù)器設(shè)計(jì)方案，其中系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是在分布式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，而服務(wù)器的設(shè)計(jì)也是利用了分布式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了許多之前完全無(wú)法達(dá)到的功能，并對(duì)服務(wù)器的安全設(shè)計(jì)做出了說(shuō)明。經(jīng)后期實(shí)際使用的效果來(lái)看，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，安全性高，為未來(lái)醫(yī)院信息化，數(shù)字化建設(shè)提供了保障。

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Medical image archiving and communication system based on distributed structure design

SHEN Qiang
（Department of Radiology，Zhejiang Province People’s Hospital，Hangzhou 310014，China）

With the rapid development of computer technology，the hospital information construction is becoming more and more widely，will become a digital hospital traditional hospital construction has become a trend.In the digital image management methods，PACS system occupies the dominant position.In this article，through analyzing the actual needs of the hospital，adopts the distributed structure mode，is designed and developed a new design scheme of the PACS system.And the structure of system，server design and safety design has made the detailed introduction，late through actual use，has reached the design requirements.

PACS system；HIS system；digital image

TB99

A

1674－6236（2016）11-0035-03

2016-01-05稿件編號(hào)：201601021

沈 強(qiáng)（1980—），男，浙江嘉興人，碩士，工程師。研究方向：數(shù)字醫(yī)學(xué)或醫(yī)學(xué)信息化。