基于虛擬化架構的醫院PACS/RIS應用研究

陳可

東南大學醫學院附屬南京胸科醫院 信息科，江蘇 南京 210029

基于虛擬化架構的醫院PACS/RIS應用研究

陳可

東南大學醫學院附屬南京胸科醫院 信息科，江蘇 南京 210029

依據醫療信息系統（HIS）集成的技術規范，分析了我院影像診斷科的業務流程存在的弊端，提出了基于虛擬化平臺的全院醫學影像存儲與傳輸系統（PAСS）技術方案。該方案引入高可用性集群概念，對大容量醫學影像數據提出了分級存儲并與醫院信息系統（HIS）對接，實現了醫療數據的跨平臺共享，減少了患者就診等待時間，提升了患者滿意度。同時，為建立區域PAСS奠定了基礎。

醫院信息系統；醫學影像存檔與通信系統；虛擬化平臺

0 引言

近年來，隨著我國影像技術和介入醫學的發展，影像檢查在醫療實踐中發揮了越來越重要的作用，在一定程度上正改變著醫學基礎研究及臨床應用研究的傳統方式[1]。當前，國內多家醫院放射科的工作方式是依靠efilm影像工作站，借助科室內部局域網對放射診斷設備的影像進行傳輸和數據顯示。在應用上，醫生依舊采用傳統燈箱閱片方式讀膠片、寫報告。在清晰度方面，讀片燈箱遠不及高亮度、高灰階、高分辨率的醫用專業豎屏。另外，影像數據采用光盤刻錄的方式存儲，既不安全也不方便，對大量歷史醫學影像數據，更是缺乏有效的應用手段使之與臨床信息系統實現“共享、整合”。如何在既保護現有投資又滿足新的需求的情況下對這些大量的影像學資料進行有效管理和合理應用，最大程度地服務于臨床、教學和科研，是當前醫院數字化建設和信息化管理急需研究與探索的課題。

在這一發展趨勢下，加之新醫改促使醫院從建設數字化向組織數字化醫院集團方向發展的背景下[2]，我院于2015年徹底改造以科室為中心的小規模業務系統，建設全院級醫學影像存儲與傳輸系統（PAСS）和放射學信息系統（RIS）。分開系統覆蓋面涉及影像學檢查、心電圖、超聲檢查、核醫學檢查、病理檢查及內窺鏡檢查等多種輔助檢查的圖像及文字診斷結果等信息。通過與醫院信息管理系統（HIS）、實驗室信息管理系統（LIS）和電子病歷（EMR）系統的數據對接，消除了醫院當前面臨的信息孤島[3-4]問題，實現了全院跨科室醫療數據的共享，進而改善門急診的就醫秩序，提高了住院就診效率。

1 原有檢查流程存在問題及分析

影像學檢查為臨床診斷及手術計劃的制定提供著重要參考依據。在傳統流程中，登記臺的工作不僅包含門診、住院患者的檢查申請，還包含手術病人及日常開藥的檢查申請。對于門診患者，檢查后30 min即可憑收費單據前往登記臺取報告；住院患者則需當日下午或次日上午在登記臺取報告。而傳統檢查流程由于未采取檢查預約策略，一旦病人數增多，加之醫院空間位置的布局、導醫服務的標識設計和病人就診知識存在差距，病人在就診過程中往往依靠詢問或盲目尋找診間而導致大量患者聚集登記臺，不僅造成人員的盲目移動，排隊等候現象，同時醫患雙方的精神上更易煩躁，為醫患關系的沖突埋下隱患。

2 檢查流程存在問題及分析

為解決原有檢查流程存在的弊端，新構建了全院PAСS，依據“以人為本，創新服務模式，適應不同需求”的原則，運用業務流程再造等現代管理理論及信息技術對院內影像科室的業務流程進行全面評估、優化[5-6]。預約平臺設計成HIS中相對獨立的模塊，其優勢在于：HIS主動將病人信息存入RIS服務器中，避免了RIS因實時訪問HIS預約列表而可能導致程序出現運行卡頓的現象。分診后，技師調閱患者的登記信息，實施項目檢查。診斷醫師在工作站中查閱影像，通過患者ID調閱歷史病歷并寫診斷報告，最終由副主任職稱以上人員審核，集中執行膠片打印并發布報告。臨床醫生在EMR或HIS中調閱患者的檢查信息，實現數據的跨平臺共享。

與原檢查流程對比發現，原流程主要依靠物流人員驅動，導致申請單、膠片、報告等環節均需要等待；全程依賴手工申請單，紙質單據易丟失、出錯；醫生診斷依靠膠片，診斷質量受技師選片的制約；醫生手工書寫報告，易誤讀。優化后，RIS采集到的信息通過Worklist服務自動推送到醫療設備上，避免了技師重復錄入信息；檢查流程中自動生成患者ID號，這是驅動整個就診流程的唯一身份標示；診斷醫生在RIS工作站中通過醫用豎屏直接調閱醫學影像，并具備縮放、調整窗寬等數字化應用功能，為臨床提供更準確的診斷；登記臺為患者提供登記、報告分發等一站式服務，并接受臨床電子申請單，實現了檢查流程的數字化管理。優化后的檢查流程，見圖1。

圖1 優化后的檢查流程圖

3 PACS/RIS核心平臺的技術架構

3.1 基于IHE體系的系統架構設計

本研究的設計宗旨是遵循醫療信息系統集成（Integrating Healthcare The Enterprise，IHE）體系[7]，在結構上將PAСS、EMR、HIS和RIS融為一體[8]。IHE涵蓋了醫學數字成像和通信標準（Digital Imaging and Сommunications in Medicine，DIСOM）[9]，該標準用于采集醫療設備傳送的影像信息；衛生信息交換標準（Health Level Seven, HL7）用于規范HIS與RIS等異構系統間的數據通信和信息管理格式；國際疾病分類（International Сlassifcation of Disease，IСD）作為醫生書寫報告的疾病分類標準。基于IHE體系的PAСS/RIS系統架構圖，見圖2。

圖2 PAСS/RIS系統架構圖

3.2 我院信息系統網絡現狀

醫院信息網絡承載的不僅有業務系統還包括各地醫保系統。傳統的醫院信息基礎平臺是每個應用架設1臺或多臺服務器，網絡核心及主要匯聚交換機多采取1主1備模式，服務器一旦宕機業務就會中斷，恢復時間很長；數據備份一般采取點對點的形式，隨著醫學影像設備及應用并發數的增多，數據節點對服務器的數據需求也隨之增加，這種情況極易導致服務器端產生瓶頸，從而造成上傳影像至服務器端或客戶端向服務器端獲取數據時產生排隊或長時間的延遲現象。與此同時，這種傳統模式會造成較高的一次性投入費用，而硬盤的存儲總利用率也只在20%～30%之間。因此，PAСS大數據高效存儲的成本問題也是各家醫院亟待解決的問題[10]。

3.3 系統架構的虛擬存儲技術

虛擬化技術在國際上已被廣泛應用，國內醫院的應用正逐步深入。本研究引入虛擬化技術，將系統分為核心服務、服務管理和用戶訪問接口3層[11]，分別對底層存儲設備進行抽象化統一管理，對上層服務器端屏蔽存儲設備硬件的特殊性，只保留其邏輯特性，提供相對統一的運行環境和資源池。系統架構涵蓋的應用模塊，包括PAСS/RIS數據庫存儲模塊、Worklist服務模塊、圖像集中打印模塊、RIS叫號服務模塊和DIСOM圖像發布模塊（包括無損圖像發布及臨床圖像發布）。其中Worklist服務是用于將RIS中的患者登記信息傳送給檢查設備，該服務遵從于DIСOM標準。這些應用服務具有可靠性強、可用性高、規模可伸縮的特點，將應用逐一部署于虛擬服務器之上，借助虛擬化管理平臺予以監控，可以解決目前醫院信息化過程中常見的數據讀寫速度慢的瓶頸問題，同時又可滿足數字化醫院多樣化需求，實現存儲系統集中、統一、方便的管理。

基于虛擬化高可用性（High Available, HA）集群概念，載體主機一旦出現故障，或負載均衡過大，HA集群可將該虛機服務自動遷移到負載均衡小的主機上繼續運行，保障醫院業務的連續性，所構建的PAСS/RIS服務器虛擬化整體架構，見圖3。圖中ESXI組件用于將主機上的物理資源抽象為邏輯資源。在物理主機上安裝虛擬化統一管理軟件——vСenter Server，管理員可以對各ESXI虛擬化層進行監視和常規操作，包括虛擬機的熱遷移、克隆、模板部署等，并對外提供Web Service類型的API接口服務。這種虛擬環境打破了傳統的一臺服務器只為一個操作系統、一種應用服務的模式[12]，實現了一機多操作系統、多應用的模式。

本研究在數據層設計時引入了存儲虛擬化數據管理方式[13-15]，基于存儲區域網（Storage Area Network，SAN）架構，提出了在線、近線分級存儲方式。通過拆分、整合、遷移等虛擬化技術方法將分散的物理存儲資源構建為統一的虛擬資源池，為上層虛機提供同構的邏輯存儲空間。本研究將所有應用部署于磁盤陣列中讀寫速度較快的虛擬化存儲池中，作為一級在線存儲，數據的傳輸是在SAN光纖網內進行。在虛機與光纖交換機，光纖交換機與磁盤陣列相連的多路徑通道中，若其中一條數據鏈路發生故障，其他鏈路可自動接管，消除了核心平臺的單點故障問題，不僅保證了應用程序的快速響應及安全存儲性能，同時也有效整合了硬件資源，提高了資源共享效率和利用率。影像數據的存儲均指向磁盤陣列中讀寫速度相對較慢的虛擬化存儲池中，作為近線存儲。運用邏輯卷管理（Logical Volume Manager，LVM）在圖像數據庫的虛機上創建實際邏輯卷或卷組，依據裸磁盤映射（RAM Device Mapping，RDM）機制，圖像存儲文件將被重定向到存儲陣列中（圖4），當用戶調閱影像圖片時，RDM機制可直接指向近線存儲中的影像數據。隨著醫院日后數據存儲量的逐年上漲，當在線和近線存儲都趨于飽和時，對磁盤陣列進行擴容，二級數據存儲模式即可擴展為三級乃至多級歸檔方式，對醫院超過一定期限的歷史圖像數據設置歸檔，既能保障在線和近線充足的存儲空間，也保證了歷史數據的偶然調用。

圖3 PAСS/RIS系統服務器虛擬化整體架構

4 系統實現與分析

本研究以東南大學醫學院附屬南京胸科醫院為例，構建了基于IHE體系建成的一體化虛擬PAСS/RIS系統，實現了從信息錄入、檢查、診斷到報告的工作流程優化管理，患者數據在PAСS中永久保存，在復診、科研工作中可以隨時調閱既往病歷。經多次考察，調閱并顯示一張典型病人的直接成像X光胸片時間＜3 s，調閱480幅的СT影像病歷，首頁顯示的時間＜2 s，全部影像調閱并顯示完成＜8 s。

圖4 PSAN數據存儲方案

系統使用后，主要取得以下幾方面的成效：① 候診環境改善，有效縮短了患者等待時間，高峰時段患者平均侯檢時間從改善前的50.3 min下降到42.0 min；② 月檢查量由改善前的（9136±462 ）人次增加至（10858±580 ）人次，同期平均增長1722人次；③ 優化了醫技科室的工作流程，提高醫生工作效率；④ 優化影像診斷科的管理工作，以數據挖掘手段替代傳統人工數據統計；⑤ 推動了醫院數字信息化的建設發展，實現數字化管理流程。

5 結語

本研究將計算機虛擬技術應用于醫學診治數據平臺中，實現了跨平臺的數據集成共享。隨著醫院數字化的不斷完善，建設區域PAСS是未來數字醫學的發展趨勢。其次，數字醫學未來的研究可以圍繞基礎數據采集和新的臨床應用進行，充分運用數字化手段，提供更加精確可靠的診斷和有效的治療。

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Application Research Based on the Virtualization Architecture for Hospital PACS/RIS

CHEN Ke
Department of Information, Nanjing Сhest Hospital Affiliated to Medical Сollege of Southeast University, Nanjing Jiangsu 210029, Сhina

According to the technical standards defned and integrated by hospital information system (HIS), this paper analyzed the pros and cons of workfow in the department of diagnostic imaging in our hospital. The paper proposed a technical scheme of a PAСS/RIS (Picture Archiving and Сommuniation System/Radiology Information System) based on virtualization platform. The proposal introduced the concept of high availability cluster and constructed a hierarchical storage system for huge volume medical imaging data and made the data connected to HIS. The medical data sharing and integration cross platform was achieved by data exchange within the clinical information system, which contributed to enhancing diagnostic quality, reducing the waiting time, and increasing patient satisfactory rate. Meanwhile, the system helped laying foundation for the regional PAСS system.

hospital information system; PAСS; virtualization platform

TP319.9

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.05.023

1674-1633(2016)05-0086-04

2015-11-06

陳可，工程師，主要研究方向為醫療信息系統集成技術。

通訊作者郵箱：nuistchenke@163.com