基于MNSS的医学影像虚拟仿真实训平台设计

(徐州医科大学 医学信息学院，江苏 徐州 221004)

0 引言

医学影像诊断学是临床医学的重要分支学科，随着计算机科学与医学影像技术的迅猛发展，其在疾病的诊疗过程中发挥越来越重要的作用。医学影像诊断学是一门实践性较强的学科，不仅要学习书本的理论知识，更要接触大量的临床影像数据进行实践，理论与实践相结合才能达到更好的临床教学效果。然而学生临床见习时间比较少，见习时学生比较多，实践教学效果不够理想[1-3]。开发一套医学影像虚拟仿真实训平台，让学生足不出户就可以进行医学影像诊断的仿真练习，提高了实践教学效果。

系统采用C/S架构，需要安装客户端才能进行医学影像仿真实验，为了避免软件的安装和版本的反复更替带来的不便，以及客户端电脑的操作系统对医学影像仿真实验的影响，利用F5_BIG_IP 负载均衡技术和MNSS(Medical Network System Simulator)仿真软件，构建了一个分布式的医学影像虚拟仿真平台，实现多服务器协同工作[4-6]。学生通过浏览器可以登录远程桌面进行医学影像虚拟仿真练习，提高了学生学习效率，充分发挥医学影像虚拟仿真实训平台在教学中的作用。其中，MNSS仿真软件是徐州医科大学自主研发的，其提供一种简单的方法来设计和建造任何规模的网络架构，而不需要硬件的支持。将MNSS引入到医学影像虚拟仿真实训平台构建的仿真实验中，通过虚拟化技术模拟真实网络系统及服务器，可以很大程度降低实验成本[7-8]。

1 系统总体架构

本系统采用C/S架构。C/S 模式(Client/Server 客户/服务器模式)，它是软件开发系统架构，通过它可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到Client端和Server端来实现，降低了系统的通讯开销。C/S结构的长处是可以充分发挥了客户端方面计算机的处理能力，许多工作能够先在客户端电脑上处理一部分后再交给服务器端。它的优势是客户端程序的响应的速度快[9]。如图1所示，医学影像虚拟仿真实训平台由客户端、认证服务器、PACS影像服务器、诊断报告服务器四大部分组成。客户端采用Visual Studio 2012平台进行开发，界面友好，操作简便。认证服务器使用MySQL数据库存放与用户认证相关的数据以及实验数据，用于验证用户登录及返回实验列表。PACS影像服务器用于存放患者影像数据，包括用户空间和公共空间，其中用户空间存放用户标注的图像，公共空间存放患者原始图像及正确标注图像。诊断报告服务器用于存放患者的影像诊断报告，同样包括用户空间和公共空间，用户空间存放用户书写的诊断报告，公共空间存放标准的影像诊断报告。用户使用医学影像虚拟仿真平台客户端，输入用户名密码进行登录，验证成功后，获取实验列表并进入系统主界面。选择一个病例进行实验，获取改病例的原始图像进行诊断，对图像的病灶区域进行标注，标注完成后进行上传到个人的用户空间，同时可以与正确标注图片进行对比，检查自己的不足之处。根据影像图像的表现，书写诊断报告，书写完成后上传到个人的用户空间，在有疑惑的时候可以查看正确的诊断报告。

图1 系统总体架构

2 系统总体设计

通过可行性分析和需求分析，充分考虑系统的实用性，按照结构化程序设计的要求，医学影像虚拟仿真实训平台主要分为用户模块、信息采集模块、图像模块、报告模块。用户模块包括用户注册、用户登录；信息采集模块包括模拟病人登记、模拟图形采集；图像模块包括图像查看、图像处理、图像标注、图像上传；报告模块包括报告查看、报告书写、报告上传；具体功能如图2所示。

图2 系统功能模块图

2.1 用户模块设计

用户模块主要包含用户注册、用户登录；注册：在使用本系统之前，需要进行用户的注册，点击注册用户按钮，自动跳转到注册界面。输入用户名，密码，确认密码后，点击确认进行注册，如果注册成功则会弹出注册成功提示框，注册成功后，用户将获得个人云存储空间。登录：输入用户名、密码，点击登录即可登录，登录成功后进入主界面，登录失败会提示登录失败，用户需要检查用户名，密码是否正确，网络是否通畅。

2.2 信息采集模块设计

信息采集模块主要包含模拟病人登记、模拟图像采集；病人模拟登记：对病人信息进行登记，填写完整后，点击开始登记按钮完成病人登记，新登记的病人会显示在已登记队列中。图像模拟采集：病人登记完毕后，会显示在已登记队列中，需要对已登记的病人进行图像的模拟采集，选择要进行图像采集的病人然后点击图像采集按钮完成图像的模拟采集。这些模拟的图像存放在公共的云存储空间中，数量众多，案例典型。

2.3 图像模块设计

图像模块主要包含图像查看、图像处理、图像标注、图像上传；图像查看：图像采集完成后，可以对已经采集过图像的病人进行图像的查看，选择一个病人进行双击。采用双显示器，图像将显示在另一台显示器上，便于查看和分析。图像处理：图像处理是对图像的位置、窗宽、窗位、灰度、伪彩色、正相反相及比例的调整，使图像获得最佳的效果。如模糊不清的原始图像不利于对微小病灶的显示，直接影响诊断的准确率，而通过调整，则可以避免这一消极影响，提高准确性，避免误诊和漏诊。图像标注上传：利用医学影像虚拟仿真实训平台的标注功能，可以对图像的重要部分加上文字或图形标注，以便于教学演示和资料交换等。对图像的病灶进行标注并上传到用户的个人云储存空间，这样就有了图像的标注历史记录，用户可以查看自己的所有标注记录，在有疑问的情况下可以点击查看专家标注图像，以检查自己图像标注中的不足与错误。如图3所示。

2.4 报告模块设计

报告模块主要包括报告查看、报告书写、报告上传；报告书写：根据病人的图像进行报告的书写，在右侧的模板知识库中有相应的模板，可以辅助报告的书写，并可以与专家报告进行核对，以检查自己诊断报告中的不足与错误。报告上传：同时学生的诊断报告可以上传到云端，记录到个人报告学习记录中，方便教师和个人的查阅与批改。这大大调动了学生学习的积极性，增强了其实践动手能力，为以后进入临床工作打下坚实的基础[10]。如图4所示。

图3 图像模块

图4 报告模块

3 F5负载均衡技术的应用

3.1 拓扑设计

医学影像虚拟仿真实训平台采用C/S架构进行开发，可以充分利用两端硬件环境的优势，但是有其固有的缺点：(1)客户端电脑需要安装相应的软件(2)对客户端电脑的操作系统有一定的限制。为了解决这些问题，利用F5_BIG_IP 负载均衡技术和MNSS(Medical Network System Simulator)仿真软件，构建了一个分布式的医学影像虚拟仿真平台，将医学影像虚拟仿真平台封装在windows服务器中，每次实验课时，用户只需通过浏览器进行远程桌面的访问。F5_BIG_IP 会为每个用户分配一个桌面服务，用户独立拥有一个远程服务器，可以在远程桌面中打开医学影像虚拟仿真平台进行实验，系统运行流畅，达到了很好的教学效果。

负载均衡拓扑如图5所示：使用F5公司的BIG-IP镜像设备实现不同源IP地址的http服务请求的负载均衡，switch交换机使用Cisco IOS镜像将三台服务器PACS1、PACS2、PACS3流量汇总，同时处理通过BIG-IP设备的PACS访问请求，依照轮询机制将不同源IP的HTTP流量分配给三台服务器。PACS服务器是封装了医学影像虚拟仿真平台的windows系统，用户通过浏览器远程访问windows桌面。Cloud设备作为在MNSS虚拟仿真平台中BIG-IP设备等模拟网络设备与Internet网数据联通的桥接设备。BIG-IP设备与switch以及PACS服务器群组成一个小型局域网简称内网，BIG-IP设备作为Internet网与内网边界设备，负责将Internet网的流量按照源IP均衡分配给内网PACS服务器。

图5 负载均衡拓扑结构

3.2 相关网络设备IP地址

各网络设备IP地址配置如表1。

3.3 关键设备配置

下列步骤是核心设备上的具体配置如下。

BIG-IP：

1)在MNSS虚拟仿真平台的中单击BIG-IP设备图标，通过web浏览器远程登陆仿真设备，使用“config”命令将BIG-IP设备的管理IP地址从192.168.0.254更改为42.244.77.134。完成IP地址更改后，在浏览器中访问https://42.244.77.134进入BIG-IP的配置界面，通过“Network——VLANs——VLAN List”配置内网VLAN为200，端口号为1.1，外网VLAN为300，端口号为1.2，内外网端口均不标记。具体操作如图6所示。

表1 IP地址具体分配

图6 VLAN配置

2)内外网VLAN配置完成后，对内外网IP地址进行配置。在“Network——Self IPs——New Self IP”，其中IP地址如表1所示，配置内网IP地址中“VLAN/Tunnel”设置为“internal”模式，外网则配置为“external”模式。

3)内外网配置完成，建立Nodes节点，开启Pool池服务与Virtual Servers虚拟服务，提供公网请求的统一服务请求接口。通过配置界面中的“Local Traffic——Nodes——New Node”，配置过程中“Name”选项与“Address”选项填写PACS1服务器IP地址，此过程依次配置完三台服务器。与此同时，开启节点的“Default Monitor”功能，监控并检测PACS服务器与公网的ICMP报文发送与接收。

4)开启Pool池服务，将三台PACS服务器加入BIG-IP的管理池中，“Name”模块命名为“server”，开启BIG-IP对面向三台服务器的“HTTP”请求服务的放行，HTTP默认端口为80，将“Resources”中“New Members”选择“Node List”，将三台PACS加入服务中。

5)开启Virtual Server服务，将对于多服务器的访问提供唯一访问入口，在“Local Traffic——Virtual Servers”中将“Name”命名为server，“Type”设置为Performance(Layer 4)，“Destination”设置为10.0.0.198，“Default Pool”设置为“server”。

Switch：

配置vlan地址

switch(config) int f1/0

switch(config-if) no switch port

switch(config-if) ip add 192.168.1.2 255.255.255.0

switch(config-if) no shutdown

switc(config-if) exit

switch(config) no ip domain name

3.4 验证与实现

网络拓扑配置完成之后，右键启动所有节点。打开chrome浏览器，在地址栏中输入http://10.0.0.198，BIG-IP分发空闲的服务器给用户，用户通过远程桌面的形式对服务器进行操作，点击桌面上的系统快捷图标进入虚拟仿真实训平台。具体步骤如下。

1)下载最新版本的chrome浏览器，点击安装，完成基础环境的搭建；

2)任课教师进入后台拓扑界面，网络拓扑配置完成之后，右键启动所有节点，开启医学影像虚拟仿真实训平台服务；

3)学生使用chrome浏览器，在地址栏中输入http://10.0.0.198，点击回车，BIG-IP分发空闲的服务器给用户，用户登录进入远程windows桌面。

4)学生点击远程桌面上的医学影像虚拟仿真实训平台快捷图标，输入用户名密码，

点击登录按钮，验证成功后进入系统。

5)进入系统后可进行信息采集模块学习、图像模块学习、报告书写模块学习。

6)结束学习，点击退出系统按钮退出医学影像虚拟仿真实训平台。

系统操作简单便捷，除了课题教学外，在课余时间面向全校学生开放，只要有一台联网的计算机，学生就能进行自主学习，突破了时间和空间的限制，提高了学生学习的能动性。

4 结束语

医学影像诊断学是一门实践性较强的学科，学生仅仅通过书本理论知识的学习难以达到理想的教学效果，需要接触大量的临床影像病例来提高疾病诊断能力。针对此问题，本文设计了一套医学影像虚拟仿真实训平台。为了避免软件的安装带来不便，以及提高硬件资源的利用率，系统采用了F5_BIG_IP 负载均衡技术和MNSS(Medical Network System Simulator)仿真软件，构建了一个分布式的医学影像虚拟仿真平台。目前，该系统已应用于教学实践，提高了学生影像诊断的能力，获得了师生的一致好评，值得在医学高等院校中进行推广使用。