PACS即服务的云平台架构

温永贤，杜伟业，王君琛，姜伟，李洁河北北方学院附属第一医院 医学工程处， 河北 张家口 075000

PACS即服务的云平台架构

温永贤，杜伟业，王君琛，姜伟，李洁
河北北方学院附属第一医院 医学工程处， 河北 张家口 075000

近年来，影像归档和通信系统（Picture Archiving and Communication System，PACS）的出现，使数字化医学图像的提取和处理以及现代化医院影像科室对其他临床科室的服务模式进入了一个新的时代。PACS不但能够提高诊断效率、简化候诊流程，减少胶片用量、完善图像备份，而且也为院内会诊、远程医疗、院际间协作的实现创造了一个非常好的平台。据估计，2012～2015年中国PACS市场将继续以＞20%的速度扩张，到2015年市场规模将达到26亿元[1]。

然而，数字化医学影像数据的增加必然会导致PACS运行维护成本的不断增长。而云计算供应商的出现能够很好地解决以上问题，云供应商提供的平台可为医院节省自身数据中心建设、软件许可等一系列成本。云平台具有弹性、可靠性等特点，并采用按需付费的服务模式。本质上来说，这是一种PACS的业务外包模式。这种外包模式主要有两种类型: ① 仅将数字化医学图像的存储服务交由云供应商管理，这些图像数据被存放在云供应商的存储服务器上，医疗机构按照需求获取，这种模式主要用于数字化医学图像的长期备份管理；② 完整的PACS租赁模式，包括全部

0 前言

的应用程序、数据库和存储数据等，是一个全面的解决方案。

基于以上分析，本文提出了一种PACS即服务的云平台架构，以期能解决国内中小医院PACS运行维护成本过高的问题。

1 PACS的作用

PACS由医院数字化图像获取、大容量数据存储及数据库管理、图像显示和处理及用于影像传输的数据网络等多个部分组成。PACS的作用在于促进数字化医院的形成，提高诊断效率以及降低成本。相对于传统的基于胶片的医学成像系统而言，无胶片的PACS具有以下优势[3]：① 根据诊断需要，可在不同地方同时调阅不同时期和不同成像系统产生的多幅图像，并可进行图像的再处理，为综合影像诊断、多学科会诊提供必要条件，也可以实现图像数据在医院内部甚至医院之间的共享；② 优化医生的工作模式，简化工作流程，提高工作效率，缩短病人的候诊时间，降低重拍概率； ③ 可对相关影像设备的工作状态及工作量进行实时监控和管理，提高了影像设备的利用率。

在过去的十几年里，国内各级医院在PACS的建设方面投入了巨大的资金。由于医院各类数字化成像系统所产生的数据量极大，因此数据存储是首要解决的问题。例如，数字减影血管造影（Digital Subtraction Angiography，DSA）、多层螺旋计算机断层扫描（Multi-slice Spiral Computed Tomography，MSCT）、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）、数字X线摄影（Digital Radiography，DR）和单光子发射型计算机断层（Single Photon Emission Computed Tomography，SPECT）等均可产生大量的图像数据。这些数据的高效率存储和长期可用性以及系统的升级等持续增长的成本因素值得关注。

另外，PACS对客户端计算机要求比较高： 由于医学图像数据量相对较大，这对客户端计算机的运算能力也有较高的要求，而客户端的系统部署、更新升级等维护工作量大，总体运行成本高，这些都是目前医院信息化过程中遇到的瓶颈问题。

若医院将PACS服务外包给云供应商，则可以解决以上问题，其主要优势在于[4-5]：① 由于数据全部存储在云供应商的服务器上，因此设备硬件老化和PACS升级全部由供应商负责；② 云端是一个庞大的资源池，包括数据计算、数据存储等所有的应用都跑在云端，因此客户端不需要太强的运算能力。

2 云计算技术

云计算是在互联网的基础上，通过虚拟化技术实现资源共享的计算模式，它将计算资源、存储资源、网络资源以及软件资源等存放在云平台，用户按需向云平台发送服务请求，而在这个过程中云供应商可以对用户请求的服务进行一定的计费（通常按照所使用的流量）[6]。

云计算技术的优势在于：① 具有弹性。可以将分散的资源聚合成一个虚拟系统，且随着需求的增加而增长[7]；② 节约成本。节省医院建设PACS数据中心所需的架构成本（硬件、软件、空调、消防警报、安保等），以及持续的IT设备更新、软件授权许可和电力消耗等系列成本。

目前，云计算技术已经被国内外很多商业机构所使用。2014年的双11购物狂欢节中，阿里云技术被用来支撑571亿的交易，高达每秒钟8万笔，创下新的世界记录[8]。国外在医疗产业的云计算方面投资巨大。英国的Image Exchange Portal（IEP）公司支持且大大改善了英国的国家卫生服务机构与独立卫生服务机构之间的信息传递与共享。从2010年起，IEP基于平台即服务（PaaS）云平台的服务已经部署在英国大部分的卫生机构。IEP现在有超过335个站点积极使用这项服务，每天交换超过8000个研究对象[9]。TeraRecon公司在2014北美放射学会年会上展出了基于软件即服务（SaaS）云平台最新的iNtuition和iNteract+，该解决方案能够实现多任务影像查看。iNtuition和iNteract+结合在一起，可立即利用医院以前已经部署的PACS，避免造成资源浪费[10]。

随着云计算技术在基础架构即服务（IaaS）、PaaS、SaaS方向上的不断发展，逐渐出现了各种形式的PACS云计算应用平台[11]，这些应用平台具备强大的计算能力和存储能力，同时可以为医院提供经济、灵活、安全、功能强大的服务。

然而，云计算技术也存在一些的弱点：① 由于距离、网络带宽等原因而导致网络时间延迟；② 缺乏供应商之间的互通性，即在没有标准接口之前不可以随意更换云供应商；③ 特别需要注意与数据安全有关的问题，即数据的私密性、耐久性和可用性。

3 PACS即服务的云平台架构

传统PACS主要由两个部分组成：DICOM对象存储库和数据库系统。其中对象存储库由巨大容量的存储设备来支持，例如：FC-SAN高端存储、IP-SAN近线存储、NAS备份存储方案等。而数据库系统则是由数据库管理系统（Database Management System，DBMS）来建立、使用和维护数据库中与患者有关的信息及影像。

本文提出一种设想：将以上两部分外包给云供应商。比较成熟的PACS云平台解决方案主要由3个部分构成：PACS主索引数据库（Master Index Database，MIDB）、云网关、云服务器。

（1）MIDB是PACS云平台的核心架构，主要包括与患者相关的一些涉及隐私的信息。其数据主要来源于DICOM对象设备以及相关的云服务器。由于不同的DICOM对象设备可能来自不同的供应商，并且其架构、数据格式、编码标准不同，导致了同一个患者的临床信息不能够实现共享。为解决此问题，可引入MIDB将患者的身份识别信息统一起来，这样不仅有利于优化医院内部的操作流程，也能够为实现区域医院间的资源共享打下坚实基础[12]。而且MIDB还提供云网关的身份验证服务，能够注册、验证、登陆相关的云网关，而对于云服务器未经授权的访问将被MIDB禁止，以确保数据信息的安全。

（2）云网关的部署：云网关安装在医院数据中心内，在DICOM对象系统和云服务之间构筑一座桥梁。公共云存储供应商通过因特网协议，诸如HTTP上的基于RESTful协议的应用程序接口API来实现云服务与客户端的连接，而非传统的存储区域网络（SAN）或NAS协议。但是对于PACS云架构来说，应用程序接口API是一个障碍[13]，因为其不能将DICOM命令转换为web服务（WS）请求，也无法实现DICOM对象设备连接云存储服务的接口功能。因此需要开发一个DICOM to web云网关：提供存储（DICOM C-STORE）、查询/传输（DICOM C-FIND和C-MOVE）、获取信息对象（DICOM C-ECHO）、找回功能（DICOM C-GET）等DICOM服务。

（3）云平台供应商可以提供两种相分离的服务：云存储和云数据库。其中云存储用来对DICOM对象设备产生的加密图像进行备份，拥有弹性扩容、无限存储的特点，而云数据库则可以对DICOM元数据实施查询、修改、提取等功能。而传统的关系型数据库通过提交一个有效的链接字符串即可加入云数据库。云数据库解决了数据集中与共享的问题。但是值得注意的是，当涉及到隐私性的元数据时，例如：患者姓名、检查项目、主治医生等，云数据库必须向主索引数据库MIDB申请访问这些私密数据。本文提出的PACS即服务云平台架构，见图1。

图1 PACS即服务的云平台架构图

4 讨论

随着云计算技术的逐渐成熟，越来越多的医疗机构开始将目光聚焦在基于云平台的可伸缩计算和海量存储数据中心架构上。国内外很多云供应商，例如Google存储、Amazon S3存储等，这些不同的云平台存储与访问的接口（应用程序接口API）并不兼用。因此，若想获取绝对的数据安全，则要求将DICOM对象数据放在不同的云供应商处进行备份管理。数据冗余的实现不但能减少下载延迟，提高数据可用性，还可使用其他供应商进行还原，但接口的不兼容会形成一定障碍，因此开发出DICOM to web云网关显得格外重要。此外，DICOM to web云网关对于基于云计算技术的区域型PACS架构、数据共享、远程会诊的开发也是不可或缺的。

另外，在PACS即服务的云平台架构中查询、提取相应的数据时会不可避免地产生时间延迟。MRI、CT等影像设备产生图像的数据量非常大，并且临床上对于图像的精度要求又很高，导致服务器计算负荷过大，相关的图像在客户端的展现时间比较长。为解决上述问题，需要设计一个缓存服务器来解决DICOM对象数据的访问延迟，通过引入缓存服务器以优化性能、减少网络数据的响应时间。此外，还要求网络带宽要至少达到千兆以上[14-15]，网络的高带宽对于减少数据延迟也是非常必要的。

将数据服务外包给云供应商，可以减轻医院PACS建设和维护的成本，但同时也带来了与安全有关的问题，即数据的私密性、耐久性和可用性等等。而PACS云架构可以将PACS的对象数据复制到多个云供应商，允许数据冗余。这样与仅使用单一的云供应商相比，影像数据的可用性将大幅提高。同时由于数据可以存储在多个云供应商，还会增加医疗数据的安全性。主索引数据库则提供云网关的登陆验证服务，能够注册、验证、登陆相关的云网关，而对于未经授权的访问将被主索引数据库禁止，以确保隐私数据的安全。

5 结论

PACS即服务（PACS-aas）的云平台架构的思路不但可以很好地解决数据接口不兼容以及数据传输时间延迟等问题，而且能够为医院节省自身数据中心建设的成本，并获得最大的投资回报率。同时，云平台具有易扩展性和安全性等特点，并采用按需付费的服务模式，将使国内各级医院特别是中小医院以低成本运行PACS成为可能。然而，目前我国PACS即服务的云平台架构的应用仍然处于起步阶段，要达到世界先进水平，仍需继续付出努力。

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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

由于传统的PACS运行维护成本不断增长，在一定程度影响到我国中小医院的数字化进程，为了解决这一现状，本文初步探索了PACS的业务外包模式，拟采用PACS即服务（PACS-aas）的云平台架构，旨在使国内各级医院以低成本运行PACS成为可能。

影像归档和通信系统；云计算；医学数字成像和通信；云网关

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：温永贤，技师。

杜伟业，正高级工程师。

通讯作者邮箱：wyth110@163．com