PACS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與安全管理論文(2)
PACS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與安全管理論文篇二
《PACS中醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及管理方案的設(shè)計(jì)與研究》
摘要：醫(yī)學(xué)影像存儲(chǔ)與傳輸系統(tǒng)(PACS)實(shí)現(xiàn)了醫(yī)院臨床放射圖像的有效管理和共享，目前已在臨床中得到了比較廣泛的應(yīng)用。醫(yī)學(xué)影像具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型復(fù)雜、規(guī)定保存時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，要求PACS不僅具有海量的存儲(chǔ)空間，而且有比一般系統(tǒng)更高的讀取數(shù)據(jù)的能力。本文以計(jì)算機(jī)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?yàn)榍腥朦c(diǎn),是計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,加強(qiáng)醫(yī)療管理的例證和探索。
關(guān)鍵詞：醫(yī)學(xué)影像;存儲(chǔ)與傳輸系統(tǒng);PACS
一、PACS簡(jiǎn)介
隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)院的診療工作越來越多地依賴于現(xiàn)代化的檢查結(jié)果。像X光檢查、CT、B超、胃鏡腸鏡、血管造影等影像學(xué)檢查的應(yīng)用也越來越普遍。在傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)中，影像的存儲(chǔ)介質(zhì)是膠片、磁帶等，這樣使用中存在諸多問題。如圖像存儲(chǔ)介質(zhì)所占的空間不斷增加，給存放和查找?guī)砹藝?yán)重的問題;各種不同檢查的圖像分別存放，臨床醫(yī)生要同時(shí)參考一個(gè)病人不同檢查所產(chǎn)生的影像時(shí)往往借閱和查找困難;傳統(tǒng)圖像存儲(chǔ)和管理只在本院進(jìn)行，異地會(huì)診困難; CT等圖像硬拷貝到膠片上，保留的只是操作醫(yī)師認(rèn)為有用的信息，圖像無法做后期處理，固定的窗寬、窗位已經(jīng)丟失了大部分原始信息等。因此，傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)影像管理方法已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代醫(yī)院中對(duì)如此大量和大范圍醫(yī)學(xué)影像管理的要求。采用數(shù)字化影像管理方法來解決這些問題已經(jīng)得到公認(rèn)。醫(yī)學(xué)影像存儲(chǔ)與傳輸系統(tǒng)(即PACS)應(yīng)運(yùn)而生。
PACS由圖像信息的獲取、傳輸、存檔和處理等部分組成。圖像信息的處理由計(jì)算機(jī)中心完成。計(jì)算機(jī)的容量、處理速度和可接終端的數(shù)目決定著PACS的大小和整體功能。軟件則關(guān)系到檢索能力、編輯和圖像再處理的功能。
二、醫(yī)學(xué)影像存儲(chǔ)系統(tǒng)需求分析
醫(yī)學(xué)影像的存儲(chǔ)一直是PACS的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，也是制約PACS應(yīng)用與發(fā)展的瓶頸。近幾年計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展很快，新的技術(shù)和思想不斷出現(xiàn)。存儲(chǔ)設(shè)備的價(jià)格也以每年30%的速度下降。存儲(chǔ)技術(shù)理念已滲入到PACS解決方案中。
1.傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)圖像的保存和處理方式存在的問題
主要問題列舉如下：
?、俦４婺z片需要很大的存放空間。為了提高膠片的利用價(jià)值，不得不建立膠片庫來儲(chǔ)存數(shù)量龐大的影像膠片，這就是所謂的“歸檔”，指對(duì)膠片的管理。管理難度與數(shù)量同步增長(zhǎng)，耗費(fèi)大量財(cái)力、物力和空間。
②常規(guī)X 射線攝影沿用膠片增感屏系統(tǒng)，成像后有膠片記錄，需暗室沖洗，在顯影、定影、沖洗、烘干、歸檔等環(huán)節(jié)上要耗費(fèi)大量的人力和財(cái)力。③膠片庫手工管理效率低，資料查詢的速度慢，圖像傳遞需要大量時(shí)間，效率低，不能滿足臨床需要，如遇急診就更嚴(yán)重。④易將膠片歸錯(cuò)檔，使資料的查找和利用效率降低。⑤傳統(tǒng)X 射線膠片更不便實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)或快速異地會(huì)診。⑥膠片的丟失，損壞和變質(zhì)所引起的信息丟失也是一個(gè)難以解決的問題。⑦即使是一個(gè)管理制度十分完善的醫(yī)院，因借出、會(huì)診等丟失膠片也不可避免，給資料的再次利用和科研工作帶來不便。⑧把 CT等圖像拷貝到膠片上，保留的只是操作醫(yī)師認(rèn)為有用的信息，圖像無法后期處理，固定的窗寬、窗位已經(jīng)丟失了大部分原始信息。
2.對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)容量的需求分析
臨床上對(duì)病人影像的回溯按照訪問量可以分成3類：第一是短期數(shù)據(jù)的回溯，無論影像科室自己還是臨床方面最關(guān)心當(dāng)前病人的影像，短期數(shù)據(jù)的標(biāo)志為3個(gè)月內(nèi)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的回訪占總訪問量的90%;第二是對(duì)當(dāng)前病人的前期存檔圖像的回訪，病人又來醫(yī)院看病了，臨床醫(yī)生需要翻閱他以前的影像資料，這種回訪大約占9%;第三是個(gè)別的影像查詢，占回訪的不足1%。系統(tǒng)必須具備必要的響應(yīng)速度，高響應(yīng)速度是PACS系統(tǒng)是否具有生命力最為重要的因素之一。從點(diǎn)擊病人姓名到顯示出第一幅圖像的時(shí)間，這段時(shí)間越短越好，應(yīng)限制在10秒以內(nèi)。
從信息源數(shù)據(jù)形態(tài)來看，可分為：原有 X 射片、CT 膠片等介質(zhì)形態(tài)掃描轉(zhuǎn)換為數(shù)字影像;直接由CR、CT、DSA 等數(shù)字化影像檢查設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)字影像;由胃鏡、腸鏡、腹腔鏡、宮腔鏡、喉鏡、纖支鏡等內(nèi)窺鏡及顯微鏡、B 超等檢查設(shè)備產(chǎn)生的視頻模擬影像轉(zhuǎn)換為數(shù)字影像;從其他數(shù)據(jù)格式的數(shù)字影像轉(zhuǎn)換而來。影像數(shù)據(jù)一旦形成就不會(huì)再改變，對(duì)影像的標(biāo)注、解釋等可通過另外保存數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。
三、醫(yī)學(xué)影像存儲(chǔ)系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用全院影像集中存儲(chǔ)與管理結(jié)構(gòu)，同時(shí)在各級(jí)工作站、分級(jí)管理服務(wù)器、分中心服務(wù)工作站冗余存儲(chǔ)當(dāng)前影像數(shù)據(jù)和進(jìn)行影像管理。
1.存儲(chǔ)系統(tǒng)硬件構(gòu)成
?、僦行姆?wù)器：影像主服務(wù)器采用兩臺(tái)服務(wù)器構(gòu)成，一臺(tái)為主服務(wù)器，一臺(tái)為備份服務(wù)器。二者均采用雙CPU、4G內(nèi)存的微機(jī)服務(wù)器。在硬件設(shè)計(jì)上采用全冗余策略，一旦主服務(wù)器出現(xiàn)硬件故障，系統(tǒng)自動(dòng)切換到備份服務(wù)器，保證PACS的正常運(yùn)行。②分中心服務(wù)器：分級(jí)管理服務(wù)器，設(shè)在放射科、核醫(yī)學(xué)科、超聲科三個(gè)主要影像檢查科室。分中心服務(wù)器采用單CPU、3G內(nèi)存、300G磁盤空間的微機(jī)服務(wù)器。③診斷工作站、采集工作站、游覽工作站：CPU P4 3.0G、80G硬盤、512M內(nèi)存，雙屏或三屏顯示器。顯示器分三種檔次：專業(yè)顯示器、21 英寸 SONY500 顯示器、普通 17 純平顯示器。④分發(fā)服務(wù)器：CPU P4 3.0G、80G硬盤、256M內(nèi)存，單屏顯示器。
2.存儲(chǔ)設(shè)計(jì)方案
在醫(yī)院影像集中存儲(chǔ)和管理的總體結(jié)構(gòu)下，采用多級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，即系統(tǒng)在影像集中存儲(chǔ)與管理區(qū)域內(nèi)，再分為影像在線存儲(chǔ)與管理、影像近線存儲(chǔ)與管理、影像離線存儲(chǔ)與管理三級(jí)結(jié)構(gòu)。①在線存儲(chǔ)：用于存儲(chǔ)正在使用的影像數(shù)據(jù)。采用磁盤陣列在線保存數(shù)據(jù)，容量為980GB，集中存儲(chǔ)全院100天內(nèi)在線影像。②近線存儲(chǔ)：用于存儲(chǔ)經(jīng)常使用的影像數(shù)據(jù)。使用磁帶庫(LTO)保存近線數(shù)據(jù)，容量最少為18TB，集中存儲(chǔ)全院5年內(nèi)在線影像，供各科室醫(yī)生快速地從網(wǎng)絡(luò)中調(diào)閱、查詢。③離線存儲(chǔ)：用于存儲(chǔ)歸檔的影像數(shù)據(jù)。使用LTO磁帶，按需求選擇無損壓縮/有損壓縮格式，人工將磁帶按序存放在影像檔案柜中，永久性海量存儲(chǔ)影像數(shù)據(jù)。各科室醫(yī)生對(duì)離線存儲(chǔ)的病人歷史影像及相關(guān)信息可以進(jìn)行調(diào)閱。醫(yī)生發(fā)出調(diào)閱指令，主服務(wù)器在判明指令權(quán)限后，由系統(tǒng)管理員從影像檔案柜中取出相應(yīng)磁盤，放入磁帶庫中，由主服務(wù)器自動(dòng)發(fā)指令給來源工作站。若調(diào)閱指令無調(diào)閱權(quán)限,主服務(wù)器會(huì)提示管理員此調(diào)閱者缺少相應(yīng)的操作權(quán)限，同時(shí)拒絕工作。
3.存儲(chǔ)鏡像管理
在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中建立病人ID號(hào)與影像內(nèi)容及存儲(chǔ)位置對(duì)照表;當(dāng)數(shù)據(jù)庫不可用時(shí)，手工切換到替代數(shù)據(jù)庫保證PACS的正常工作，待數(shù)據(jù)庫恢復(fù)可用后同步更新數(shù)據(jù)。
4.存儲(chǔ)管理策略
第一級(jí)，在線存儲(chǔ)設(shè)備：存儲(chǔ)介質(zhì)以磁盤陣列和磁盤為代表，存儲(chǔ)介質(zhì)一直處于在線狀態(tài)，隨時(shí)可以存取，具有讀取速度快，吞吐量大等優(yōu)點(diǎn)，存儲(chǔ)3個(gè)月內(nèi)全院各類檢查的影像。醫(yī)院的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)宜采用扁平模式，所有的影像設(shè)備都直接連接到服務(wù)器，在服務(wù)器上統(tǒng)一管理和備份，避免了多級(jí)分布存儲(chǔ)代理的數(shù)據(jù)遷移和備份造成過高的管理代價(jià)。由于這一級(jí)的查詢速度是關(guān)鍵，所以選用磁盤陣列。
第二級(jí)，近線存儲(chǔ)設(shè)備：存儲(chǔ)介質(zhì)以磁帶庫為代表，用于PACS系統(tǒng)和影像數(shù)據(jù)備份。其共同特點(diǎn)：第一，在任一時(shí)刻，設(shè)備中只有少數(shù)幾個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)處于在線狀態(tài)，而大多數(shù)存儲(chǔ)介質(zhì)是離線的，當(dāng)需要的數(shù)據(jù)在這些離線的存儲(chǔ)介質(zhì)中時(shí)，需要把這些存儲(chǔ)介質(zhì)加載到驅(qū)動(dòng)器里，與在線存儲(chǔ)相比這往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間。第二，對(duì)數(shù)據(jù)的定位以及讀取時(shí)間也比磁盤要長(zhǎng)。第三，設(shè)備中的離線存儲(chǔ)介質(zhì)，通過控制機(jī)械手自動(dòng)加載到驅(qū)動(dòng)器中。我們認(rèn)為磁帶具有讀寫速度快，單盤超高容量，以及單位容量低成本的特點(diǎn)，是備份存儲(chǔ)方案的首選。
第三級(jí)，為離線存儲(chǔ)，海量存儲(chǔ)，當(dāng)磁帶離開磁帶庫后，對(duì)磁帶只能進(jìn)行手工管理，當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在這些介質(zhì)上，需要手工將所需磁帶加入磁帶庫中，數(shù)據(jù)才能讀、寫。對(duì)于這一級(jí)而言，一個(gè)完善的永久存檔方案是PACS系統(tǒng)“長(zhǎng)治久安”的重要保障，其容量變得非常重要，而且管理要高度自動(dòng)化，查詢速度也應(yīng)保持在5min以內(nèi)，因此存儲(chǔ)方式的選擇尤其重要。綜合比較各種因素，選擇具有使用壽命長(zhǎng)、容量大、查詢及讀寫速度快等性質(zhì)的LTO磁帶庫作為永久存儲(chǔ)設(shè)備。
4.可靠性和穩(wěn)定性
為了保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，首先要采用UNIX系統(tǒng)，因?yàn)樵谀壳癢indows NT系統(tǒng)還不是很穩(wěn)定的情況下，UNIX仍然是服務(wù)器上較理想的操作系統(tǒng)。其次采用功能強(qiáng)大、可靠穩(wěn)定的商業(yè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)ORACLE來建立數(shù)據(jù)庫。
在程序設(shè)計(jì)方面，則采用父/子多層進(jìn)程的方法。
服務(wù)器在收到并承認(rèn)一個(gè)應(yīng)用請(qǐng)求后，就產(chǎn)生一個(gè)子進(jìn)程，由子進(jìn)程來處理這個(gè)請(qǐng)求。如果在通訊中產(chǎn)生任何網(wǎng)絡(luò)問題或由于程序的漏洞，使得子進(jìn)程異常中斷,則父進(jìn)程不受任何影響，服務(wù)器可以繼續(xù)工作。另外將一個(gè)大的應(yīng)用進(jìn)行分割處理,中間通過一個(gè)隊(duì)列來連接，例如圖像存儲(chǔ)就分為圖像接收和數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)庫操作兩部分。圖像接收進(jìn)程將接收的圖像文件加入到一個(gè)隊(duì)列,而數(shù)據(jù)插入進(jìn)程從隊(duì)列中取出圖像文件。這樣就降低程序漏洞出現(xiàn)的可能性和防止網(wǎng)絡(luò)傳輸與數(shù)據(jù)庫操作的相互干擾。同時(shí),由于采用父、子進(jìn)程和隊(duì)列的方法，服務(wù)器的各個(gè)進(jìn)程之間以流水線的方式工作。服務(wù)器根據(jù)進(jìn)來的多個(gè)請(qǐng)求分別產(chǎn)生子進(jìn)程，這些子進(jìn)程和服務(wù)器主進(jìn)程同時(shí)并發(fā)運(yùn)行，由較大的應(yīng)用分割產(chǎn)生的各個(gè)進(jìn)程也是并發(fā)運(yùn)行。這樣就可最大限度消除圖像通訊、存儲(chǔ)及查詢中的瓶頸效應(yīng)，提高了服務(wù)器的工作性能。
作者單位：四川師范大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院
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