PACS即服務的云平臺架構

溫永賢，杜偉業，王君琛，姜偉，李潔河北北方學院附屬第一醫院 醫學工程處， 河北 張家口 075000

PACS即服務的云平臺架構

溫永賢，杜偉業，王君琛，姜偉，李潔
河北北方學院附屬第一醫院 醫學工程處， 河北 張家口 075000

近年來，影像歸檔和通信系統（Picture Archiving and Communication System，PACS）的出現，使數字化醫學圖像的提取和處理以及現代化醫院影像科室對其他臨床科室的服務模式進入了一個新的時代。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，而且也為院內會診、遠程醫療、院際間協作的實現創造了一個非常好的平臺。據估計，2012～2015年中國PACS市場將繼續以＞20%的速度擴張，到2015年市場規模將達到26億元[1]。

然而，數字化醫學影像數據的增加必然會導致PACS運行維護成本的不斷增長。而云計算供應商的出現能夠很好地解決以上問題，云供應商提供的平臺可為醫院節省自身數據中心建設、軟件許可等一系列成本。云平臺具有彈性、可靠性等特點，并采用按需付費的服務模式。本質上來說，這是一種PACS的業務外包模式。這種外包模式主要有兩種類型: ① 僅將數字化醫學圖像的存儲服務交由云供應商管理，這些圖像數據被存放在云供應商的存儲服務器上，醫療機構按照需求獲取，這種模式主要用于數字化醫學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

的應用程序、數據庫和存儲數據等，是一個全面的解決方案。

基于以上分析，本文提出了一種PACS即服務的云平臺架構，以期能解決國內中小醫院PACS運行維護成本過高的問題。

1 PACS的作用

PACS由醫院數字化圖像獲取、大容量數據存儲及數據庫管理、圖像顯示和處理及用于影像傳輸的數據網絡等多個部分組成。PACS的作用在于促進數字化醫院的形成，提高診斷效率以及降低成本。相對于傳統的基于膠片的醫學成像系統而言，無膠片的PACS具有以下優勢[3]：① 根據診斷需要，可在不同地方同時調閱不同時期和不同成像系統產生的多幅圖像，并可進行圖像的再處理，為綜合影像診斷、多學科會診提供必要條件，也可以實現圖像數據在醫院內部甚至醫院之間的共享；② 優化醫生的工作模式，簡化工作流程，提高工作效率，縮短病人的候診時間，降低重拍概率； ③ 可對相關影像設備的工作狀態及工作量進行實時監控和管理，提高了影像設備的利用率。

在過去的十幾年里，國內各級醫院在PACS的建設方面投入了巨大的資金。由于醫院各類數字化成像系統所產生的數據量極大，因此數據存儲是首要解決的問題。例如，數字減影血管造影（Digital Subtraction Angiography，DSA）、多層螺旋計算機斷層掃描（Multi-slice Spiral Computed Tomography，MSCT）、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）、數字X線攝影（Digital Radiography，DR）和單光子發射型計算機斷層（Single Photon Emission Computed Tomography，SPECT）等均可產生大量的圖像數據。這些數據的高效率存儲和長期可用性以及系統的升級等持續增長的成本因素值得關注。

另外，PACS對客戶端計算機要求比較高： 由于醫學圖像數據量相對較大，這對客戶端計算機的運算能力也有較高的要求，而客戶端的系統部署、更新升級等維護工作量大，總體運行成本高，這些都是目前醫院信息化過程中遇到的瓶頸問題。

若醫院將PACS服務外包給云供應商，則可以解決以上問題，其主要優勢在于[4-5]：① 由于數據全部存儲在云供應商的服務器上，因此設備硬件老化和PACS升級全部由供應商負責；② 云端是一個龐大的資源池，包括數據計算、數據存儲等所有的應用都跑在云端，因此客戶端不需要太強的運算能力。

2 云計算技術

云計算是在互聯網的基礎上，通過虛擬化技術實現資源共享的計算模式，它將計算資源、存儲資源、網絡資源以及軟件資源等存放在云平臺，用戶按需向云平臺發送服務請求，而在這個過程中云供應商可以對用戶請求的服務進行一定的計費（通常按照所使用的流量）[6]。

云計算技術的優勢在于：① 具有彈性。可以將分散的資源聚合成一個虛擬系統，且隨著需求的增加而增長[7]；② 節約成本。節省醫院建設PACS數據中心所需的架構成本（硬件、軟件、空調、消防警報、安保等），以及持續的IT設備更新、軟件授權許可和電力消耗等系列成本。

目前，云計算技術已經被國內外很多商業機構所使用。2014年的雙11購物狂歡節中，阿里云技術被用來支撐571億的交易，高達每秒鐘8萬筆，創下新的世界記錄[8]。國外在醫療產業的云計算方面投資巨大。英國的Image Exchange Portal（IEP）公司支持且大大改善了英國的國家衛生服務機構與獨立衛生服務機構之間的信息傳遞與共享。從2010年起，IEP基于平臺即服務（PaaS）云平臺的服務已經部署在英國大部分的衛生機構。IEP現在有超過335個站點積極使用這項服務，每天交換超過8000個研究對象[9]。TeraRecon公司在2014北美放射學會年會上展出了基于軟件即服務（SaaS）云平臺最新的iNtuition和iNteract+，該解決方案能夠實現多任務影像查看。iNtuition和iNteract+結合在一起，可立即利用醫院以前已經部署的PACS，避免造成資源浪費[10]。

隨著云計算技術在基礎架構即服務（IaaS）、PaaS、SaaS方向上的不斷發展，逐漸出現了各種形式的PACS云計算應用平臺[11]，這些應用平臺具備強大的計算能力和存儲能力，同時可以為醫院提供經濟、靈活、安全、功能強大的服務。

然而，云計算技術也存在一些的弱點：① 由于距離、網絡帶寬等原因而導致網絡時間延遲；② 缺乏供應商之間的互通性，即在沒有標準接口之前不可以隨意更換云供應商；③ 特別需要注意與數據安全有關的問題，即數據的私密性、耐久性和可用性。

3 PACS即服務的云平臺架構

傳統PACS主要由兩個部分組成：DICOM對象存儲庫和數據庫系統。其中對象存儲庫由巨大容量的存儲設備來支持，例如：FC-SAN高端存儲、IP-SAN近線存儲、NAS備份存儲方案等。而數據庫系統則是由數據庫管理系統（Database Management System，DBMS）來建立、使用和維護數據庫中與患者有關的信息及影像。

本文提出一種設想：將以上兩部分外包給云供應商。比較成熟的PACS云平臺解決方案主要由3個部分構成：PACS主索引數據庫（Master Index Database，MIDB）、云網關、云服務器。

（1）MIDB是PACS云平臺的核心架構，主要包括與患者相關的一些涉及隱私的信息。其數據主要來源于DICOM對象設備以及相關的云服務器。由于不同的DICOM對象設備可能來自不同的供應商，并且其架構、數據格式、編碼標準不同，導致了同一個患者的臨床信息不能夠實現共享。為解決此問題，可引入MIDB將患者的身份識別信息統一起來，這樣不僅有利于優化醫院內部的操作流程，也能夠為實現區域醫院間的資源共享打下堅實基礎[12]。而且MIDB還提供云網關的身份驗證服務，能夠注冊、驗證、登陸相關的云網關，而對于云服務器未經授權的訪問將被MIDB禁止，以確保數據信息的安全。

（2）云網關的部署：云網關安裝在醫院數據中心內，在DICOM對象系統和云服務之間構筑一座橋梁。公共云存儲供應商通過因特網協議，諸如HTTP上的基于RESTful協議的應用程序接口API來實現云服務與客戶端的連接，而非傳統的存儲區域網絡（SAN）或NAS協議。但是對于PACS云架構來說，應用程序接口API是一個障礙[13]，因為其不能將DICOM命令轉換為web服務（WS）請求，也無法實現DICOM對象設備連接云存儲服務的接口功能。因此需要開發一個DICOM to web云網關：提供存儲（DICOM C-STORE）、查詢/傳輸（DICOM C-FIND和C-MOVE）、獲取信息對象（DICOM C-ECHO）、找回功能（DICOM C-GET）等DICOM服務。

（3）云平臺供應商可以提供兩種相分離的服務：云存儲和云數據庫。其中云存儲用來對DICOM對象設備產生的加密圖像進行備份，擁有彈性擴容、無限存儲的特點，而云數據庫則可以對DICOM元數據實施查詢、修改、提取等功能。而傳統的關系型數據庫通過提交一個有效的鏈接字符串即可加入云數據庫。云數據庫解決了數據集中與共享的問題。但是值得注意的是，當涉及到隱私性的元數據時，例如：患者姓名、檢查項目、主治醫生等，云數據庫必須向主索引數據庫MIDB申請訪問這些私密數據。本文提出的PACS即服務云平臺架構，見圖1。

圖1 PACS即服務的云平臺架構圖

4 討論

隨著云計算技術的逐漸成熟，越來越多的醫療機構開始將目光聚焦在基于云平臺的可伸縮計算和海量存儲數據中心架構上。國內外很多云供應商，例如Google存儲、Amazon S3存儲等，這些不同的云平臺存儲與訪問的接口（應用程序接口API）并不兼用。因此，若想獲取絕對的數據安全，則要求將DICOM對象數據放在不同的云供應商處進行備份管理。數據冗余的實現不但能減少下載延遲，提高數據可用性，還可使用其他供應商進行還原，但接口的不兼容會形成一定障礙，因此開發出DICOM to web云網關顯得格外重要。此外，DICOM to web云網關對于基于云計算技術的區域型PACS架構、數據共享、遠程會診的開發也是不可或缺的。

另外，在PACS即服務的云平臺架構中查詢、提取相應的數據時會不可避免地產生時間延遲。MRI、CT等影像設備產生圖像的數據量非常大，并且臨床上對于圖像的精度要求又很高，導致服務器計算負荷過大，相關的圖像在客戶端的展現時間比較長。為解決上述問題，需要設計一個緩存服務器來解決DICOM對象數據的訪問延遲，通過引入緩存服務器以優化性能、減少網絡數據的響應時間。此外，還要求網絡帶寬要至少達到千兆以上[14-15]，網絡的高帶寬對于減少數據延遲也是非常必要的。

將數據服務外包給云供應商，可以減輕醫院PACS建設和維護的成本，但同時也帶來了與安全有關的問題，即數據的私密性、耐久性和可用性等等。而PACS云架構可以將PACS的對象數據復制到多個云供應商，允許數據冗余。這樣與僅使用單一的云供應商相比，影像數據的可用性將大幅提高。同時由于數據可以存儲在多個云供應商，還會增加醫療數據的安全性。主索引數據庫則提供云網關的登陸驗證服務，能夠注冊、驗證、登陸相關的云網關，而對于未經授權的訪問將被主索引數據庫禁止，以確保隱私數據的安全。

5 結論

PACS即服務（PACS-aas）的云平臺架構的思路不但可以很好地解決數據接口不兼容以及數據傳輸時間延遲等問題，而且能夠為醫院節省自身數據中心建設的成本，并獲得最大的投資回報率。同時，云平臺具有易擴展性和安全性等特點，并采用按需付費的服務模式，將使國內各級醫院特別是中小醫院以低成本運行PACS成為可能。然而，目前我國PACS即服務的云平臺架構的應用仍然處于起步階段，要達到世界先進水平，仍需繼續付出努力。

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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

由于傳統的PACS運行維護成本不斷增長，在一定程度影響到我國中小醫院的數字化進程，為了解決這一現狀，本文初步探索了PACS的業務外包模式，擬采用PACS即服務（PACS-aas）的云平臺架構，旨在使國內各級醫院以低成本運行PACS成為可能。

影像歸檔和通信系統；云計算；醫學數字成像和通信；云網關

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，正高級工程師。

通訊作者郵箱：wyth110@163．com