医学影像云端远程协作服务系统的构建与实践*

李芹，郭文明，蔡荣杰，杨小燕，秦芳远

(1.南方医科大学生物医学工程学院,广州 510515；2.南方医科大学网络中心，广州 510515)

1 引 言

随着医学影像检查技术的发展，医学影像检查已经成为现代临床诊断与治疗的一个重要依据，医学影像诊断的准确率将直接影响临床疾病的治疗效果[1]。然而当下，我国优质的医疗资源主要集中分布在大城市、大医院，使得基层医院对医疗资源竞争力不足；同时由于基层医疗机构工作条件落后并且发展空间有限，很难留住高水平的影像诊断医师，使得基层医疗机构诊断水平一直很难得到突破性的提升，是造成看病贵和看病难的主要原因之一。

在新医改的大背景下，同时随着云计算技术的兴起[2-3]，云技术以其独特的扩展性、容错力以及廉价性在医学领域内扮演着越来越重要的角色。我们所研究的内容正是针对目前基层医疗机构所面临的这些问题，结合当前流行的云计算技术，设计并实现了一种开放、互联互通、资源共享、安全实用的影像云服务平台[4]。此平台不仅为基层医院的医学影像诊断帮扶提供了有效途径，提高基层医院的影像诊断水平，均衡医疗资源，还能为基层医院的医疗建设节省一部分的成本支出。

2 医学影像云服务平台的总体架构

2.1 影像云平台应用图解

医学影像云平台是一个复杂、涉及技术繁多的系统，见图1，主要包含了平台服务器、存储设备、医院网关(前置机)、公用访问接口、应用程序和客户端程序等。前置机一端通过医院内网与院内PACS或影像设备相连，另一端与Internet接通，通过前置机影像转发方式将患者影像提交至平台，并协作完成影像检查与诊断报告业务流程。

图1影像云服务平台架构图

Fig1Architectureofmedicalimagecloudserviceplatform

(1)主索引数据库：主索引数据库是影像云平台的核心架构，其中患者信息数据主要来源于医疗影像(DICOM对象)设备以及相关的平台服务器。由于不同的影像设备可能产自不同的厂商，这样就使得同一个患者临床信息的数据格式和编码标准存在差异，而使得这些信息无法实现共享。索引数据库的作用正是将同一患者的信息统一起来，另外，它还能禁止未经云服务器授权的访问，以确保数据信息的安全。

(2)前置机的部署：前置机部署在医院内，它是医学影像系统与云平台之间交流的一座桥梁。通常情况下，客户端通过HTTP上的基于RESTful协议的应用程序接口来与云服务取得连接[5]。但对于医学影像云架构来说，应用程序接口API是一个障碍,因为该应用程序接口无法将DICOM命令转换成为Web服务的请求，也无法实现医学影像的DICOM对象设备直接连接云存储服务的接口功能[6]。因此需要部署一个DICOM 到Web的网关(前置机)来提供以下功能：DICOM C-STORE(存储)、DICOM C-FIND(查询)、DICOM C-MOVE(传输)、DICOM C-ECHO(获取信息对象)等DICOM服务。

(3)云存储和云数据库：通过集群应用、网络技术或分布式文件系统等功能，将网络中大量DICOM对象设备产生的图像进行备份，拥有弹性扩容、无限存储的特点。除此之外，还提供了对DICOM元数据实施查询、修改和提取等功能。

3 影像云服务平台的功能设计

影像云服务平台以南方医院为中心平台，与基层医院及其它医疗机构互联互通，利用各级医院的影像信息，开展基于诊断影像的远程阅片诊断、在线会诊、疑难病例讨论、影像三维云处理等远程医学活动。

3.1 远程阅片诊断业务

远程阅片诊断业务模块采用一体化工作模式，利用影像数据中心对各院影像信进行整合，建立患者主索引，使得影像诊断专家可以随时随地实现影像的调阅、影像的诊断及报告审核。

3.2 在线会诊业务

利用影像中心的数据平台支撑，远程会诊可多端同时在线，基层医院发出会诊请求，并将患者的影像资料及电子病历上传至数据中心，实现在线会诊。平台采用操作指令流同步的DICOM互操作和显示技术，在低带宽的网络环境中实现了无失真的医学影像显示传输，解决了传统视频会议存在的医学影像显示失真的问题，结合实时的语音、视频、文本等交流工具，满足医生进行异地疑难病例讨论需求。

3.3 影像三维云处理

影像三维云处理是系统的特色功能，该功能采用“云计算”架构，所有功能模块均部署在影像云服务平台端，利用云计算强大的处理能力，最大化的减少应用终端的对图像的处理负载，进而使终端摆脱对本地硬件资源的依赖，避免了基层医院及其它医疗机构对硬件设备的高昂成本投入。三维重建图像具有直观、形象和易于理解的特征，在远程会诊中可以帮助专家快速定位病灶位置，加强会诊效果。影像三维云处理可以提供多平面重建、影像融合等多种高端影像处理功能。

3.4 在线查看诊断报告业务

患者可以通过注册成为平台的普通用户，系统会将患者注册时的信息与患者就诊时的信息想关联，从而实现患者能够在移动设备上或者PC机上随时查看自己病情的诊断详情。

4 医学影像云服务平台功能关键技术研究

4.1 医学影像数据的注册

4.1.1标准影像文档的注册 影像数据产生后，唯一身份索引，方便资料的关联和使用。生成的报告数据通过XDS规范上通过RIS系统向影像云平台注册病人信息，形成患者交叉索引和兼顾多家医疗机构的传至影像云平台。对于某些医疗机构的PACS系统中的影像文件可存储在本地，只需上传索引文件至影像中心注册即可[7]。当然也可将影像数据上传至影像云平台进行集中存储，影像查询时只需向XDS-I注册中心查询相关信息，见图2。

图2标准文档的注册

Fig2Theregistrationofstandardimagedocument

4.1.2非标准影像文档的注册 对于有些医院的检查图像并不是标准DICOM格式的情况(通常为JPG或BMP等文件)，在上传至影像中心注册前需要先进行数据转换。通常是将非标准影像数据通过标准转换网关转换为DICOM格式，并在影像交换中心上进行注册及索引更新。非影像数据，通过网关转换成XDS规范格式并上传至云平台的CDR数据仓库，从而完成非标准影像数据的注册，见图3。

图3非标准文档注册

Fig3Theregistrationofnon-standardimagedocument

4.2 区域影像数据中心存储方案

本研究将区域影像数据存储中心及影像诊断中心设立在南方医院，为其他五家基层医疗机构提供远程阅片、诊断、会诊及疑难病例的讨论。此外，影像数据存储中心通过整合各个医院院内的影像存储系统，实现影像信息的标准化集中存储与管理。影像数据中心采用了FC SAN和HDFS两相结合的数据存储结构，中心存储设备部署在佛山正骨医院，而基层医院患者的影像数据仍然存储在基层医院端，中心端只存储影像数据的资源定位存储信息，影像诊断中心再根据URL方式调取远端影像。这样一种混合式存储架构不仅具备低成本、高性能、高扩展性、高可靠、高冗余度等特点，且能改善医学影像的存储能力、影像传输的稳定及可靠性[8]。

影像数据中心将保留六个月内的原始DICOM图像文件，存储在高性能的FA SAN中，方便诊断调用。对于超过六个月的图像转换成为S-DICOM文件格式[9](S-DICOM格式克服了HDFS不适合存储和处理大量小文件的缺点)，转存到二级数据库HDFS集群中。对于大型综合型医院，都部署了院内PACS系统，则不需要经过影像云服务平台的FC SAN存储设备，阅片和诊断过程在院内PACS系统中完成即可。但要将需要长期存储的数据转换为S-DICOM文件存储到HDFS存储集群中，FC SAN主要是对基层医疗机构、社区医院的影像数据进行存储。

二级数据库是以“患者为中心”原则进行存储设计，将患者的全部医学影像S-DICOM文件按照成像设备、检查标志分类存储在同一个PatientID目录结构下，便于患者相关图像的分类检索，提高对影像的访问速度[10]。

4.3 影像数据云端调阅的实现过程

影像云平台的实现让身处各地的医护人员随时调阅患者影像成为可能，影像诊断医生和临床医生只需通过影像云服务平台的认证页面进行身份验证，让客户端通过TCP与云端服务器取得连接，进入云平台的Web界面，见图5(A)。在此界面上有几个主要的功能块，医生可按照一定的条件(例如患者的检查号、姓名、检查类型等信息)对影像资料进行查询，随后CGI(兼容WADO标准的公共网关接口)程序对请求进行处理并返回患者的相关信息列表。

现在的MR、CT影像设备生成的影像数据量相当的大，如果医生直接将这些影像下载到本地再进行阅片，将要消耗相当长的时间来等待这些数据的下载完成。另外，再考虑客户端的配置以及CMOVE等传输协议所占的时间的话，将会消耗更长的时间。为了节省图像传输到客户端的等待时间，客户端不用直接将DICOM图像下载到本地机上进行处理，而是依赖云端的影像服务器直接在云端对患者影像进行处理，这样就节省了图像重新拷贝下载的时间。影像服务器再将处理后的DICOM图像通过WADO的方式转换为JEPG影像，通过JEPG2000压缩的方式返回到客户端显示[11]，见图4。影像诊断中心的医师会及时对基层医疗机构上传上来的医学影像进行诊断报告的书写及审核，然后系统协商报告回写的时机将诊断报告上传到影像云平台，基层医院通过云PACS报告服务器调阅云平台上的影像、报告及完成诊断报告和影像的打印。

图4影像的调阅过程

Fig4Theprocessofimageaccess

5 平台应用展现及成效分析

我们目前将这一云平台系统应用于佛山市正骨医院、水藤医院、合水医院、仁和中医院等六家医院，并将影像诊断中心设于佛山正骨医院，图5(A)为云平台Web界面。医学影像的调阅已在Windows操作系统下的IE、Google等浏览器上进行了测试，并在Android、IOS等系统下的移动端也进行了测试，均能得到良好阅片效果。图5中，(B)图是患者影像在IE浏览器上的显示效果图，(C)图是在Android操作系统下的显示效果。

图5影像云平台Web界面及客户端影像显示效果图

Fig5Webinterfaceofimagecloudplatformandthedisplayeffectofmedicalimage

自从建立影像云平台以来，南方医院影像诊断中心每天处理的患者影像的数量明显增加，见图6。影像云服务平台对患者图像的读取速度远远超过了传统存储架构的读取速度，见图7。医疗影像云平台使用的效果达到了其当初估计的效果，实现了将优质、高质量的医疗资源进行了共享，消除了时间和地域的跨度，极大地提高了基层医院的就诊水平。

图6每天处理的影像数量

Fig6Thenumberofmedicalimageprocessingforeveryday

图7医学影像在两种存储结构中的读取速率对比

Fig7Thecomparisonofmedicalimagereadingrateintwo

kindsofstoragestructures

6 总结与展望

我国医疗卫生资源80%分布在大、中城市，医疗水平发展极不平衡，利用医学影像云服务平台可以使乡镇小医院的患者接受大医院专家的影像诊断帮扶。这样不仅仅改善了大医院人满为患的现状，同时也明显节省了患者去大医院就诊所带来的经济负担和时间成本，实现了区域内患者影像资源的共享[12]。同时也提高了乡镇小医院的就诊水平，并为其节省了一定的成本支出，还能实现与其它信息平台的数据交互。今后，我们将在此基础上开展进一步的研究工作：(1)将该影像云平台的应用推向更多的医院，使得影像诊断规模能进一步加大。(2)继续研究医学影像在上传转换过程中可能出现的关键细节缺失问题。(3)将影像云与智能诊断相结合，通过对医学影像的阅片获取图片的结构化数据，提供给深度学习引擎进行计算。(4)将影像云与教学相结合，形成一种具有鲜明特色的教学模式。