基于大數據時代的醫院PACS硬件基礎架構設計

王兆文 戴 捷 李 林

基于大數據時代的醫院PACS硬件基礎架構設計

王兆文①戴 捷①李 林①

目的：對大數據背景下的影像歸檔及傳輸系統(PACS)硬件基礎架構進行實驗性設計。方法：對實驗性PACS硬件基礎架構設計進行醫學數字成像及通信(DICOM)試驗。結果：得到64排螺旋CT、1.5T MR和DR的DICOM試驗數據。結論：在數據爆發增長的背景下設計出合理、高效的PACS硬件基礎架構，對保證大型醫院的PACS應用至關重要。

影像存檔與傳輸系統；醫學數字圖像通訊；大數據；存儲

[First-author’s address] Information Section, The Third Hospital of PLA, Baoji 721004, China.

影像存檔與傳輸系統(picture archive and communication system，PACS)源自20世紀80年代數字X線設備的應用而來的完成醫學圖像傳輸、歸檔和共享系統；是通信技術、計算機技術與醫學影像技術和生物醫學工程技術的交叉，由計算機硬件和軟件構成[1]。

PACS的核心是醫學數字圖像通訊(digital image communication of medicine，DICOM)標準，即醫學影像通信的高層協議，其通信的基礎是基于計算機技術的TCP/IP協議[2-3]。PACS已經成為醫院信息化建設重要的基礎系統，其管理數據量占全部醫學信息數據量的80%以上[4]。隨著現代醫學影像技術和信息化技術的快速發展，大數據管理和應用已經成為現代PACS的技術特征之一[5]。如計算機斷層掃描圖像，20世紀初典型的胸部掃描層厚和層間距為5 mm，30 cm長的掃描形成最多60幅圖像，以每幅512 KB計算只有30 MB[6]。目前，常規的64排CT胸部掃描是1 mm層厚和層間距，30 cm長的掃描將形成300幅圖像，數據量為150 MB，增加了5倍，如果是更為精密的心臟冠脈掃描，則將達到10～20倍[7]。因此，在數據爆發增長的背景下，合理、高效的PACS硬件基礎架構設計對保證大型醫院PACS的使用至關重要[8]。

1 PACS架構和硬件規劃

主流PACS軟件為3層架構設計，即數據層、中間層和應用層，與醫院信息系統(hospital information system，HIS)相比PACS數據層的計算能力要求低，但中間層服務眾多，主要包括文件存取服務、安全驗證服務、工作流管理服務、Web訪問服務、圖像后處理服務和接口服務等[9]。多數PACS軟件的中間層服務采用模塊化設計，依據數據量大小、應用功能范圍配置中間層服務的硬件；應用層需要滿足圖像顯示和處理的要求，相比HIS對客戶端計算機以及顯示設備的要求要高[10]。根據PACS軟件架構簡述其工作原理(如圖1所示)。

圖1 PACS架構圖

1.1 依托Oracle 10 g強大的后臺數據管理能力構建數據層

基于.NET技術框架進行系統架構設計和系統開發，開發語言為C#、VB.NET等；采用ADO.NET實現對Oracle數據庫的存取訪問，采用DICOM、HL7、FTP等標準通訊技術實現對文件庫的存取訪問，實現數據訪問層；基于ASP.NET技術構建Web服務器和應用服務器。Web Client/Server，PACS終端采用Internet Explorer訪問Web服務。Web服務器軟件采用Windows 2003 Enterprise Server自帶的IIS 6.0，并配置為可支持ASP.NET。DICOM Image Service實現DICOM影像的查詢、調閱及診斷。

1.2 系統管理軟件

無需單獨開發系統管理軟件，所有的系統管理功能都將集成在Web Server內，以網頁形式提供。

2 PACS硬件規劃的要點

2.1 服務器規劃

基于PACS三層架構、模塊化的特點，服務器規劃有3點：①比較穩定、安全及滿足未來3～5年需要的數據層服務器，采用雙機熱備，計算性能、穩定性適當高配；②配置適當數量、性能的中間層服務器，可以隨著醫院業務量、歸檔數據量和訪問量的增長擴展相匹配的軟件模塊及中間層服務器；③針對虛擬化、服務器計算等趨勢，在有資金條件的情況下，實驗性地規劃虛擬化服務和服務器計算。

2.2 存儲規劃與網絡規劃

PACS圖像是醫療證據，就法律而言需要長期保存，且要有災備措施；就臨床診斷而言，短期圖像需要經常調閱，長期圖像則調閱次數很少。因此，結合法律和臨床的需要應合理規劃需求與投資合理性的關系。傳統PACS圖像存儲分為3個層次，即在線、近線和離線，分別采用高性能存儲、低成本存儲和介質存儲設備[11]。隨著IT技術的發展，3個層次的邊界逐漸模糊，而主要向兩個方面進行規劃：①根據成像時間軸劃分為短期圖像和長期圖像；②根據圖像的應用劃分為診斷、研究數據和證據數據，其中診斷、研究數據要求為全面的原始圖像，而證據數據可以是部分關鍵圖像。結合上述兩種劃分方法提出短期存儲為原始圖像、長期存儲為證據圖像的概念，從而科學地對PACS存儲的關鍵問題提出硬件解決方案。

現代影像學的特征是數據量越來越大，同時無線正逐漸進入影像學應用的范疇，因此PACS網絡規劃應作前瞻考慮，將萬兆主干、千兆桌面和無線應用納入規劃范圍。

2.3 客戶端規劃

根據PACS數據量大、需要進行后處理運算的特點，基于服務器計算和云計算的當代IT技術發展趨勢，應對客戶端作兩方面的規劃：①影像科應采用高計算性能的客戶端，并能支持專用顯示器，支持千兆網絡通信；②臨床客戶端應考慮使用具有服務器計算(未來云計算)、純B/S技術的PACS，從而避免臨床客戶端的計算性能不斷升級需求。

2.4 附屬配置規劃

PACS不僅是圖像的傳輸和顯示，還包括對影像科室流程的管理和優化，因此涉及到流程管理和優化的附屬設備應在規劃中體現，其包括排隊叫號的大屏、呼叫設備、各種識別設備(如磁卡、IC卡、RFID及條碼等)和圖像顯示設備(如醫用的豎屏、大屏、投影儀及DID等)。

3 醫院PACS硬件規劃和測試

根據PACS硬件基礎架構實驗性設計結果，醫院以影像科64排CT、1.5T MR、DR設備及檢查情況為研究的對象，通過分析現狀提出PACS硬件規劃(如圖2所示)。

圖2 PACS服務器端硬件架構圖

在測試階段，設計并連接測試的服務器、存儲、客戶端和醫療設備，所有設備生成的圖像格式為DICOM。在每個測試設備中設置DICOM通信參數IP地址、AE Title和Port，即可實現與PACS系統的DICOM通信。測試設備生成的DICOM文件平均大小對應不同檢查所產生的數量統計情況(見表1)。

表1 影像設備與數據量的關系

根據本設計的PACS架構，選取惠普公司DL580G7作為數據庫服務器，DL380G7服務器作為DICOM數據采集網關，服務器均使用微軟公司Windows 2003 Server標準版，并安裝Internet Information System7.0。選取惠普公司EVA P6350作為存儲，與數據庫和影像服務器采用6 Gbps光纖的HBA卡連接。使用CISCO3070純千兆交換機，配置4 Gbps光纖模塊連接服務器，千兆網口連接客戶端，并通過1000/100/100 Mbps HUB連接測試設備。

表2 測試的硬件配置參數表

PACS主要硬件配置表參考英飛達公司型號為INFINITT G3的PACS軟件的要求，規劃PACS軟件與硬件的配置關系。①將安裝了Oralce11g數據庫、INFINITT ArchiveMan歸檔軟件、INFINITT Web Server訪問管理軟件和INFINITT BackMan備份軟件的服務器作為主服務器，為保證主要服務不中斷，將上述服務器配置為雙機熱備；②在網關服務器安裝INFINITT Network Gateway和Worklist網關，用于圖像數據的采集、歸檔以及完成DICOM Worklist服務，根據數據量發生情況，規劃每個服務器支持10 GB/d的數據量則配置兩臺網關服務器，未來可依據數據量發生的增長而增加網關服務器；③短期存儲采用SAN架構的磁盤陣列，應采用光纖硬盤以提高IO性能；④長期存儲采用較低成本的磁盤陣列或NAS存儲，規劃容災長期存儲，有條件的可以規劃為異地災備。醫院放射科客戶端在個人計算機上安裝INFINITT PACS View圖像訪問軟件。在INFINITT Network Gateway內設置DICOM通信參數后則可實現從測試的CT、MR和DR設備接收DICOM圖像數據，臨床客戶端則利用當前的HIS醫生工作站計算機，使用Web View圖像訪問軟件[12]。

在開始測試時CT、MR和DR通過DICOM協議同時向建立在DL380G7的PACS網關傳輸圖像，其中CT傳輸一個2000幅圖像文件，MR傳輸一個1000幅圖像文件，DR傳輸50個單幅圖像。分別調取Network Gateway日志記錄，尋找圖像開始發送時間、傳輸完成時間、歸檔開始時間和歸檔完成時間并記錄。在聯想電腦上通過Interne Explore訪問服務器網址，使用INFINITT PACS View分別打開傳輸完成的CT、MR和DR圖像文件，記錄圖像全部下載并顯示完成的時間。

測試中所記錄的圖像傳輸、歸檔時間測試記錄見表3，記錄的客戶端圖像訪問時間記錄見表4。

表3 圖像傳輸、歸檔時間測試參數表

表4 圖像訪問、調閱時間測試參數表

4 討論

本次測試實驗在合理的硬件配置和架構下，即使連續發送DR圖像，在1 min內可完成傳輸，在2 min內完成歸檔，客戶端可立即進行訪問和調閱圖像，對于及時診斷尤其是骨外科的急診具有重大意義。CT、MR產生的大數據，由于其圖像文件數據極大，網關服務器需對每幅圖像數據進行分析后再將圖像進行歸檔，服務器工作壓力較大，但仍可在5～10 min內完成傳輸、歸檔，歸檔后的客戶端可立即訪問和調閱圖像。常規的CT檢查間隔約10 min、MR檢查間隔約30 min，因此測試傳輸、歸檔時間結果均在合理范圍之內。

在客戶端訪問實驗中，當前配置的客戶端電腦訪問影像服務器得到DR圖像的時間為5 s內，能夠滿足醫生的觀察、診斷過程中的等待時間的需求。訪問影像服務器得到CT、MR首屏30幅圖像的時間為2～3 s之間，由于該PACS軟件采用邊下載邊顯示的漸進顯示(Progressive)模式，首屏30幅圖像后平均每屏顯示時間＜3 s，能夠滿足醫生診斷時快速翻屏的需求。

本實驗結果顯示，現有PACS系統采用的硬件架構和配置能夠滿足一般三級甲等醫院的需求，將其應用于醫院PACS系統硬件的架構設計和設備選型的參考，對于醫院PACS系統的建設具有重要意義。

參考文獻

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Research on hospital PACS hardware infrastructure design under big data environment

WANG Zhao-wen, DAI Jie, LI Lin

China Medical Equipment,2014,11(4):55-58.

Objective: To describe PACS hardware infrastructure experimental design and summary under big data environment. Methods: A real DICOM communication test of PACS hardware infrastructure experimental design. Results: Archive test figures of DICOM communication for 64 channel CT, 1.5T MRI and DR. Conclusion: Currently, an efficient, reasonable hardware infrastructure design is essential to guarantee large hospital PACS application.

Picture archive and communication system; Digital image communication of medicine; Big data; Storage

1672-8270(2014)04-0055-04

R197.324

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.04.018

王兆文,男,(1969- ),碩士，工程師。解放軍第三醫院信息科主任，從事醫院信息工作。

2013-10-23

①解放軍第三醫院信息科 陜西 寶雞 721004