基于云計算的PACS現狀與發展

沈哲凡 徐秀芳 梁紅★

影像歸檔和通信系統（Picture Archiving and Communication Systems，PACS）是醫院用于管理醫療設備產生的醫學圖像的信息系統。PACS的主要組成部分包括一個圖像和數據采集網關﹑一個用于管理和存儲的檔案的PACS服務器以及一個顯示工作站。PACS以數字通信﹑顯示和信息技術為基礎，使放射學的實踐發生了革命性的變化，極大提高了臨床實踐水平［1］。云計算是一種新興的計算模式。這種模式提供方便﹑按需的網絡訪問，可配置的計算資源共享池（如網絡﹑服務器﹑存儲﹑應用和服務等）。用戶通過少量的管理工作，或與服務供應商少量的互動即可快速配置和發布資源［2］。醫學影像的數據文件通常較大，一次常規CT掃描圖像為10MB量級，X光機的胸片可達20MB，心血管造影的圖像＞80MB。普通三甲醫院放射科單個工作日產生的影像數據可達50G［3］。醫院傳統PACS一般通過服務器和硬盤來進行存儲，容量小﹑死板，難以進行功能擴展。而目前新興的云計算模式具有數據快速調用﹑網絡共享與應用拓展等特點，與PACS系統相結合可以解決上述問題，所以基于云計算的PACS將是未來影像發展的一大方向。

1 傳統PACS的現狀及存在問題

1.1 搭建成本高 傳統PACS的搭建十分復雜，除了需要服務器﹑存儲設備和維護網絡環境所需的大量配套硬件設備外，還需要專業的技術人員，充足的機房面積等。在這些易計算的顯性成本下，還有不可見的隱性成本［3］，例如：時間成本﹑培訓成本﹑維護成本﹑技術風險成本﹑可擴展性成本和轉換成本。導致了部分醫院無力承擔搭建PACS系統的費用。傳統PACS系統所需的高額成本使其在醫院中的推廣受到限制。

1.2 數據儲存的局限 隨著分級診療制度的全面推進，遠程會診需求量快速增加，區域性醫療服務中心也隨之迅速發展［4］。這些醫療機構的發展，使醫療影像數據呈指數增長。這些增長的數據逐漸暴露出了傳統PACS系統數據儲存的局限性—數據無法交流﹑系統傳輸速度慢﹑儲存容量小﹑搜索功能限制［5］。

1.3 “信息孤島”形成 醫院不同科室都有PACS系統，但這些系統大多是由科室根據科室內部標準自主搭建的，并沒有考慮到和醫院整體信息系統進行匹配。隨著醫院信息化的發展，這些科室內部的PACS成了孤立的系統，阻礙了信息的交流。即使醫院內部實現了信息集成，各地醫院間又常采用不同型號﹑品牌的醫療設備獲取醫學影像數據。而將這些醫院的醫學數字成像和通信（Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM）數據從傳統的PACS遷移至新的PACS非常復雜，需要醫院和供應商一起仔細規劃和測試，持續觀察過程［6］。這些因素都導致數據無法交流融合，也就形成了“信息孤島”。

2 云計算PACS的發展現狀

在國外，已有許多公司為PACS提供了云計算平臺。云計算可分為三種模式，本文以Dell﹑IEP﹑PACSDrive三家公司對應三種模式，介紹國外云計算PACS的發展現狀。

軟件即服務（Software as a Service，SaaS）模式，提供軟件服務，使用戶避免了搭建傳統PACS所需的高額費用，也不用安裝各種復雜軟件，是目前應用最多的云計算模式。以SaaS模式提供PACS云服務功能的Dell公司開展了聯合臨床存檔（Unified Clinical Archiving，UCA）業務。此外，BridgeHead公司與Dell公司合作的下一代供應商中立歸檔技術（HealthStoreVendor Neutral Archive，VNA）為醫院提供了一個完整的內置存儲管理的解決方案［7］。其包含了完整的生命周期管理功能，可以充分控制數據。而且，由于VNA與存儲供應商及其硬件設備無關，醫療機構可以采用分層存儲架構，將數據跨越現有或新的存儲資產，將存儲區域網絡（Storage Area Network，SAN）移動至更便宜的云盤。數據安全方面，BridgeHead公司可以利用高級備份技術來確保應用程序受到災難時的保護和恢復。

英國IEP公司則選擇平臺即服務（Platform as a Service，PaaS）模式，用戶不僅可以使用存儲空間，還可以使用平臺服務［8］。PaaS也是SaaS模式的一種應用，提供更好的服務和更便捷的數據轉移。IEP的平臺服務包括：（1）云平臺中的PACS數據可隨時下載至本地。（2）本地PACS數據極快速上傳至IEP的服務器。（3）數據可轉移至新的云平臺等。現在IEP公司的云服務已經在英國的衛生醫療機構中實現100%覆蓋。

美國PACSDrive公司在基礎設施即服務（Infrastructure as a Service，IaaS）模式的基礎上，為用戶提供醫學影像在線存檔服務［9］。用戶只需支付租用空間的儲存費用，無需搭建服務器等硬件設備，明顯減少了衛生醫療機構搭建PACS系統的成本。為了保證數據的安全性，PACSDrive公司還在美國Dallas﹑Saint Louis﹑Amazon三處進行了數據備份，防止災害導致的數據丟失。

Saas﹑PaaS﹑IaaS模式緩解了由于臨床影像圖像持續指數增長帶來的存儲成本和難度問題。云計算模式可以在低成本下有效地存儲各個衛生醫療機構的圖像，并為信息查詢保留訪問權限。

除了提供充足的云儲存空間，由NexGenic公司推出的ImageInbox讓患者自己管理儲存醫療影像與診斷報告，根據需要安全上傳給專業醫療人員，能像發郵件一樣快捷方便，且軟件能無縫對接，符合HIPAA保密協議。同時醫生端也能通過文檔收發影像圖片，和同行以及患者交流。ImageInbox至今已被60多家國際設備采用，包括北美﹑歐洲和亞洲的頂尖兒科中心。其借助PACS能第一時間傳輸圖像，避免了傳統PACS系統數據信息之間不融合，信息傳輸慢的弊端。

在 移 動 端，Mobile MIM﹑Jack Imaging Medical Image Viewer﹑OsiriX HD等軟件不僅App的形式突破了PACS系統中的醫療影像數據無法在移動端下載觀看的局限，而且能在一定程度上部分模擬PACS工作站的功能。

3 國內云計算PACS的應用

在國內，盈谷公司早在2006年即啟動云計算項目，并于2010年推出了基于云計算架構的iMAGES圖像處理及分析引擎［10］。2014年，盈谷網絡全球發布第一個基于云計算和超算結合（也可以稱為云超算）的醫學圖像處理引擎。2017年8月5日，盈谷網絡發布集合化云平臺“醫真云”，為國內提供了可以實現信息交流的云計算平臺。

除了盈谷公司，成都影達公司是中國輕量級領域唯一一個獨立發布軟件開發工具包（Software Development Kit，SDK）云引擎吸引合作的技術團隊，致力于研發打造中國輕量級醫學影像開源引擎，實現Web﹑移動端輕松查看醫學影像。

盡管有如盈谷網絡等公司走在云計算PACS研發與應用的前列，國內市場上也有很多關于云計算PACS的討論，但大多數停留在理論探討階段，難以實施［11］。只有少數醫院在全院范圍內實現了基于云計算的PACS改造應用，例如嘉興市第一人民醫院基于電信天翼云存儲對PACS完成了架構改造和應用［12］。醫院在實現云計算PACS的改造后，10d內上傳了4.2T的圖像資料，平均速率5M/s，在云端各個節點及各服務器的瀏覽速度達秒級，完全能滿足醫院需要。

隨著影像中心等第三方影像診斷機構的建立，集團化或醫聯體形式的區域性醫療服務中心的快速發展。醫療機構除了在醫院范圍內實現云計算PACS，還要建立基于云計算的區域醫療信息共享平臺。例如“軍衛一號”系統數據接口一致［13］，可初步實現醫療信息在不同醫院間的共享和交換，逐漸打破傳統PACS形成的“信息孤島”。

4 云計算PACS的應用效果

4.1 降低成本，擴大儲存空間 云計算PACS相比傳統PACS無需昂貴的配套硬件設備，也不用付出時間﹑維護成本等隱形成本，顯著地降低了搭建PACS所需要的成本。并且云計算PACS對網絡環境的要求并不高，不同醫院可根據自身經濟狀況和數據量的不同自主選擇接入速率和方式［3］，省去了醫院進行自身備份數據和存儲冗余等防范措施產生的費用。普通三甲醫院放射科單個工作日產生的影像數據可達50G，但硬盤中儲存的醫療數據有限，已經難以滿足醫院需要的數據儲存空間。而云儲存系統的儲存容量幾乎無限制，為醫院解決了數據儲存難題。

4.2 統一標準，推進區域醫療發展 由于業務發展的不同，經濟實力的不同，醫院之間，醫院與科室之間，甚至科室與科室之間，PACS系統都會存在差異。傳統PACS在改造為云計算PACS時，可以在醫院﹑科室間規范技術標準和常見病診斷標準。統一標準的PACS在加速醫院放射科發展的同時，也提高了醫生的診斷水平。并且云計算PACS還增強了護理的及時性，提高了多發性疾病診斷的質量，使遠程診斷更易實現也更有意義。不同醫院可通過同一個云平臺對同一個患者進行在線同步診斷，提高了診斷報告的質量，也避免了對患者的重復傷害。

4.3 降低門檻，保證信息安全性 醫院查詢患者隱私信息的方式發生改變，由傳統的內部訪問轉變為通過互聯網和云平臺訪問。這樣的轉變下，患者信息是否安全成了云計算PACS最大的問題。目前，SaaS的云計算模式與用戶自建的傳統信息系統無明顯差異［2］，安全性幾乎沒有區別，而且大幅降低了信息系統搭建的門檻和成本。隨著數據加密技術和數據備份技術的發展，云平臺的安全性將進一步加強。

4.4 傳輸快速，節約醫患雙方時間 在醫學成像中，數據傳輸的速度和可靠性至關重要。數據傳輸應該具有強大的抗瓶頸能力，以便能夠可靠地傳輸圖像［14］。在醫院中，云計算PACS對于醫療圖像的瀏覽速度已達秒級，同時上傳和下載速度也超越傳統PACS，節約了從PACS提取數據所需要的時間。其還可以通過簡化診斷醫生和臨床醫生的交流，減少診斷報告的時間，從而降低治療的患者的總時間［15］。在醫院之間，遠程交流數據和圖像，可以減少交換圖像的時間，增加治療患者的數量［16］。在同一標準下的數據交流也能避免醫院對患者的重復性檢查和醫生對患者的重復詢問，顯著提高了診斷的效率和質量，也節省了患者看病的經濟成本和時間成本。

5 云計算PACS的未來

云計算PACS的推廣和發展可以解決部分傳統PACS的弊端，帶來諸多便利并加速影像發展，但是也對技術和標準提出了更高的要求。

PACS系統未來的發展趨勢，主要是解決兩個問題，Web網頁瀏覽PACS和移動端使用PACS［5］。其中基于Web的解決方案，類似SaaS模式，有由Benjamin提出的SuperPACS構想［17］，有關于豐富互聯網程序（Rich Internet Application，RIA）的研究等。后者不僅能克服傳統PACS對醫學圖像顯示的局限性，而且支持PACS用戶界面，為更好的圖像和信息顯示提供了額外的Web頁面應用程序。例如，Hsiao等［18］在2011年提出 RIA技術可以為臨床醫生提供一個基于瀏覽器的接口，允許他們查看多種形式的醫療數據，包括DICOM標準和非DICOM標準的圖像﹑患者報告和數據圖像。

隨著技術的發展，移動端已經具有足夠的分辨率和計算能力被用來作為一種醫療圖像觀看設備。醫生﹑護士﹑技術人員等通過移動端查看醫療圖像，是醫學診斷發展中的重要一步［19］。未來云計算PACS的數據可以直接下載至移動端，通過App呈現給用戶和在工作站上一樣的閱片體驗和操作服務，并實現在移動端的數據檢索。

數據安全技術的升級是未來發展的基礎。在醫療數據由醫院構建的內部網絡轉移至云平臺后，醫院只能依賴云平臺提供商來保證信息的完整性與安全性。盡管數據備份和加密技術發展迅速，但安全問題仍是傳統PACS向云計算PACS轉型的首要問題［20］。安全技術的發展需要總結不同作者在云安全上的相關工作，評估信息安全后提出解決方案［21］。未來云計算PACS的推廣和發展必須建立在能絕對保障信息安全的基礎上。

醫療信息共享是醫療發展的趨勢。Ross和Pohjonen提出共享醫療圖像或工作流程可以在不同的層次上實現，其中包括：組織內部﹑組織間﹑跨國界﹑醫療機構和公民之間［22］。未來云計算PACS將由一家醫院內各科室之間的信息共享逐漸發展至一個區域內的信息共享。這需要在同一云平臺提供商下的醫療機構統一標準，一起承擔轉型帶來的經濟問題和適應問題，而不再是醫院內各科室之間相對簡單的制定標準。在實現區域內信息共享后，即應著眼于區域間的信息共享，這對規范標準提出了更高要求，需要不同區域云提供商之間的規范標準統一。區域間信息共享的未來則是跨國界的信息交流。而隨著信息共享范圍的逐步擴大，分級診療﹑遠程診斷會更有效率，更有質量。

云計算PACS的大數據處理是最終也是最有價值的后期目標［23］。通過處理大量整合的醫療信息，醫療影像將從結構型影像過渡至功能型影像，醫生能對疾病發生進行預測并跟蹤病情的發展情況。未來，應用大數據進行輔助判斷疾病類型將成為常態。

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