基于大数据时代的医院PACS硬件基础架构设计

王兆文 戴 捷 李 林

基于大数据时代的医院PACS硬件基础架构设计

王兆文①戴 捷①李 林①

目的：对大数据背景下的影像归档及传输系统(PACS)硬件基础架构进行实验性设计。方法：对实验性PACS硬件基础架构设计进行医学数字成像及通信(DICOM)试验。结果：得到64排螺旋CT、1.5T MR和DR的DICOM试验数据。结论：在数据爆发增长的背景下设计出合理、高效的PACS硬件基础架构，对保证大型医院的PACS应用至关重要。

影像存档与传输系统；医学数字图像通讯；大数据；存储

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

影像存档与传输系统(picture archive and communication system，PACS)源自20世纪80年代数字X线设备的应用而来的完成医学图像传输、归档和共享系统；是通信技术、计算机技术与医学影像技术和生物医学工程技术的交叉，由计算机硬件和软件构成[1]。

PACS的核心是医学数字图像通讯(digital image communication of medicine，DICOM)标准，即医学影像通信的高层协议，其通信的基础是基于计算机技术的TCP/IP协议[2-3]。PACS已经成为医院信息化建设重要的基础系统，其管理数据量占全部医学信息数据量的80%以上[4]。随着现代医学影像技术和信息化技术的快速发展，大数据管理和应用已经成为现代PACS的技术特征之一[5]。如计算机断层扫描图像，20世纪初典型的胸部扫描层厚和层间距为5 mm，30 cm长的扫描形成最多60幅图像，以每幅512 KB计算只有30 MB[6]。目前，常规的64排CT胸部扫描是1 mm层厚和层间距，30 cm长的扫描将形成300幅图像，数据量为150 MB，增加了5倍，如果是更为精密的心脏冠脉扫描，则将达到10～20倍[7]。因此，在数据爆发增长的背景下，合理、高效的PACS硬件基础架构设计对保证大型医院PACS的使用至关重要[8]。

1 PACS架构和硬件规划

主流PACS软件为3层架构设计，即数据层、中间层和应用层，与医院信息系统(hospital information system，HIS)相比PACS数据层的计算能力要求低，但中间层服务众多，主要包括文件存取服务、安全验证服务、工作流管理服务、Web访问服务、图像后处理服务和接口服务等[9]。多数PACS软件的中间层服务采用模块化设计，依据数据量大小、应用功能范围配置中间层服务的硬件；应用层需要满足图像显示和处理的要求，相比HIS对客户端计算机以及显示设备的要求要高[10]。根据PACS软件架构简述其工作原理(如图1所示)。

图1 PACS架构图

1.1 依托Oracle 10 g强大的后台数据管理能力构建数据层

基于.NET技术框架进行系统架构设计和系统开发，开发语言为C#、VB.NET等；采用ADO.NET实现对Oracle数据库的存取访问，采用DICOM、HL7、FTP等标准通讯技术实现对文件库的存取访问，实现数据访问层；基于ASP.NET技术构建Web服务器和应用服务器。Web Client/Server，PACS终端采用Internet Explorer访问Web服务。Web服务器软件采用Windows 2003 Enterprise Server自带的IIS 6.0，并配置为可支持ASP.NET。DICOM Image Service实现DICOM影像的查询、调阅及诊断。

1.2 系统管理软件

无需单独开发系统管理软件，所有的系统管理功能都将集成在Web Server内，以网页形式提供。

2 PACS硬件规划的要点

2.1 服务器规划

基于PACS三层架构、模块化的特点，服务器规划有3点：①比较稳定、安全及满足未来3～5年需要的数据层服务器，采用双机热备，计算性能、稳定性适当高配；②配置适当数量、性能的中间层服务器，可以随着医院业务量、归档数据量和访问量的增长扩展相匹配的软件模块及中间层服务器；③针对虚拟化、服务器计算等趋势，在有资金条件的情况下，实验性地规划虚拟化服务和服务器计算。

2.2 存储规划与网络规划

PACS图像是医疗证据，就法律而言需要长期保存，且要有灾备措施；就临床诊断而言，短期图像需要经常调阅，长期图像则调阅次数很少。因此，结合法律和临床的需要应合理规划需求与投资合理性的关系。传统PACS图像存储分为3个层次，即在线、近线和离线，分别采用高性能存储、低成本存储和介质存储设备[11]。随着IT技术的发展，3个层次的边界逐渐模糊，而主要向两个方面进行规划：①根据成像时间轴划分为短期图像和长期图像；②根据图像的应用划分为诊断、研究数据和证据数据，其中诊断、研究数据要求为全面的原始图像，而证据数据可以是部分关键图像。结合上述两种划分方法提出短期存储为原始图像、长期存储为证据图像的概念，从而科学地对PACS存储的关键问题提出硬件解决方案。

现代影像学的特征是数据量越来越大，同时无线正逐渐进入影像学应用的范畴，因此PACS网络规划应作前瞻考虑，将万兆主干、千兆桌面和无线应用纳入规划范围。

2.3 客户端规划

根据PACS数据量大、需要进行后处理运算的特点，基于服务器计算和云计算的当代IT技术发展趋势，应对客户端作两方面的规划：①影像科应采用高计算性能的客户端，并能支持专用显示器，支持千兆网络通信；②临床客户端应考虑使用具有服务器计算(未来云计算)、纯B/S技术的PACS，从而避免临床客户端的计算性能不断升级需求。

2.4 附属配置规划

PACS不仅是图像的传输和显示，还包括对影像科室流程的管理和优化，因此涉及到流程管理和优化的附属设备应在规划中体现，其包括排队叫号的大屏、呼叫设备、各种识别设备(如磁卡、IC卡、RFID及条码等)和图像显示设备(如医用的竖屏、大屏、投影仪及DID等)。

3 医院PACS硬件规划和测试

根据PACS硬件基础架构实验性设计结果，医院以影像科64排CT、1.5T MR、DR设备及检查情况为研究的对象，通过分析现状提出PACS硬件规划(如图2所示)。

图2 PACS服务器端硬件架构图

在测试阶段，设计并连接测试的服务器、存储、客户端和医疗设备，所有设备生成的图像格式为DICOM。在每个测试设备中设置DICOM通信参数IP地址、AE Title和Port，即可实现与PACS系统的DICOM通信。测试设备生成的DICOM文件平均大小对应不同检查所产生的数量统计情况(见表1)。

表1 影像设备与数据量的关系

根据本设计的PACS架构，选取惠普公司DL580G7作为数据库服务器，DL380G7服务器作为DICOM数据采集网关，服务器均使用微软公司Windows 2003 Server标准版，并安装Internet Information System7.0。选取惠普公司EVA P6350作为存储，与数据库和影像服务器采用6 Gbps光纤的HBA卡连接。使用CISCO3070纯千兆交换机，配置4 Gbps光纤模块连接服务器，千兆网口连接客户端，并通过1000/100/100 Mbps HUB连接测试设备。

表2 测试的硬件配置参数表

PACS主要硬件配置表参考英飞达公司型号为INFINITT G3的PACS软件的要求，规划PACS软件与硬件的配置关系。①将安装了Oralce11g数据库、INFINITT ArchiveMan归档软件、INFINITT Web Server访问管理软件和INFINITT BackMan备份软件的服务器作为主服务器，为保证主要服务不中断，将上述服务器配置为双机热备；②在网关服务器安装INFINITT Network Gateway和Worklist网关，用于图像数据的采集、归档以及完成DICOM Worklist服务，根据数据量发生情况，规划每个服务器支持10 GB/d的数据量则配置两台网关服务器，未来可依据数据量发生的增长而增加网关服务器；③短期存储采用SAN架构的磁盘阵列，应采用光纤硬盘以提高IO性能；④长期存储采用较低成本的磁盘阵列或NAS存储，规划容灾长期存储，有条件的可以规划为异地灾备。医院放射科客户端在个人计算机上安装INFINITT PACS View图像访问软件。在INFINITT Network Gateway内设置DICOM通信参数后则可实现从测试的CT、MR和DR设备接收DICOM图像数据，临床客户端则利用当前的HIS医生工作站计算机，使用Web View图像访问软件[12]。

在开始测试时CT、MR和DR通过DICOM协议同时向建立在DL380G7的PACS网关传输图像，其中CT传输一个2000幅图像文件，MR传输一个1000幅图像文件，DR传输50个单幅图像。分别调取Network Gateway日志记录，寻找图像开始发送时间、传输完成时间、归档开始时间和归档完成时间并记录。在联想电脑上通过Interne Explore访问服务器网址，使用INFINITT PACS View分别打开传输完成的CT、MR和DR图像文件，记录图像全部下载并显示完成的时间。

测试中所记录的图像传输、归档时间测试记录见表3，记录的客户端图像访问时间记录见表4。

表3 图像传输、归档时间测试参数表

表4 图像访问、调阅时间测试参数表

4 讨论

本次测试实验在合理的硬件配置和架构下，即使连续发送DR图像，在1 min内可完成传输，在2 min内完成归档，客户端可立即进行访问和调阅图像，对于及时诊断尤其是骨外科的急诊具有重大意义。CT、MR产生的大数据，由于其图像文件数据极大，网关服务器需对每幅图像数据进行分析后再将图像进行归档，服务器工作压力较大，但仍可在5～10 min内完成传输、归档，归档后的客户端可立即访问和调阅图像。常规的CT检查间隔约10 min、MR检查间隔约30 min，因此测试传输、归档时间结果均在合理范围之内。

在客户端访问实验中，当前配置的客户端电脑访问影像服务器得到DR图像的时间为5 s内，能够满足医生的观察、诊断过程中的等待时间的需求。访问影像服务器得到CT、MR首屏30幅图像的时间为2～3 s之间，由于该PACS软件采用边下载边显示的渐进显示(Progressive)模式，首屏30幅图像后平均每屏显示时间＜3 s，能够满足医生诊断时快速翻屏的需求。

本实验结果显示，现有PACS系统采用的硬件架构和配置能够满足一般三级甲等医院的需求，将其应用于医院PACS系统硬件的架构设计和设备选型的参考，对于医院PACS系统的建设具有重要意义。

参考文献

[1]廖金红.PACS的发展和展望[J].医疗装备，2012，25(3)：16-18.

[2]梁存升，冯骥.DICOM标准分析及其应用[J].中国医学装备，2006，3(2)：18-20.

[3]皇甫立夏.PACS存储方案设计与实现[J].中国医学装备，2009，6(6)：10-12.

[4]钟国康，陈星荣.PACS硬件配置的探讨[J].中国计算机成像杂志，2000，6(3)：207-208.

[5]王凯.医疗行业大数据的应用[C].中华医院信息网络大会会议论文，2013.

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[8]王真.设想PACS的未来[J].数字技术与应用，2011(10)：199-200.

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[10]韩彬，王小敏，谢晋东，等.PACS系统的架构与展望[J].中国医学装备，2008，5(5)：1-4.

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[12]陈大同，曲博，王晓东，等.PACS在医学影像教学中的应用[J].中国医学装备，2013，10(8)：72-74.

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- ),硕士，工程师。解放军第三医院信息科主任，从事医院信息工作。

2013-10-23

①解放军第三医院信息科 陕西 宝鸡 721004