2018PACS中医学影像数据存储及管理方案的设计与研究
摘要：医学影像存储与传输系统(PACS)实现了医院临床放射图像的有效管理和共享，目前已在临床中得到了比较广泛的应用。医学影像具有数据量大、数据类型复杂、规定保存时间长等特点，要求PACS不仅具有海量的存储空间，而且有比一般系统更高的读取数据的能力。本文以计算机和医学领域为切入点,是计算机技术应用于医学领域,加强医疗管理的例证和探索。/2/view-384826.htm
关键词：医学影像；存储与传输系统；PACS
一、PACS简介
随着现代医学技术的发展，医院的诊疗工作越来越多地依赖于现代化的检查结果。像X光检查、CT、B超、胃镜肠镜、血管造影等影像学检查的应用也越来越普遍。在传统的医学影像系统中，影像的存储介质是胶片、磁带等，这样使用中存在诸多问题。如图像存储介质所占的空间不断增加，给存放和查找带来了严重的问题；各种不同检查的图像分别存放，临床医生要同时参考一个病人不同检查所产生的影像时往往借阅和查找困难；传统图像存储和管理只在本院进行，异地会诊困难; CT等图像硬拷贝到胶片上，保留的只是操作医师认为有用的信息，图像无法做后期处理，固定的窗宽、窗位已经丢失了大部分原始信息等。因此，传统的医学影像管理方法已经无法适应现代医院中对如此大量和大范围医学影像管理的要求。采用数字化影像管理方法来解决这些问题已经得到公认。医学影像存储与传输系统（即PACS）应运而生。
PACS由图像信息的获取、传输、存档和处理等部分组成。图像信息的处理由计算机中心完成。计算机的容量、处理速度和可接终端的数目决定着PACS的大小和整体功能。软件则关系到检索能力、编辑和图像再处理的功能。
二、医学影像存储系统需求分析
医学影像的存储一直是PACS的一项关键技术，也是制约PACS应用与发展的瓶颈。近几年计算机存储技术发展很快，新的技术和思想不断出现。存储设备的价格也以每年30%的速度下降。存储技术理念已渗入到PACS解决方案中。
1.传统医学图像的保存和处理方式存在的问题
主要问题列举如下：①保存胶片需要很大的存放空间。为了提高胶片的利用价值，不得不建立胶片库来储存数量庞大的影像胶片，这就是所谓的“归档”，指对胶片的管理。管理难度与数量同步增长，耗费大量财力、物力和空间。②常规 X 射线摄影沿用胶片增感屏系统，成像后有胶片记录，需暗室冲洗，在显影、定影、冲洗、烘干、归档等环节上要耗费大量的人力和财力。③胶片库手工管理效率低，资料查询的速度慢，图像传递需要大量时间，效率低，不能满足临床需要，如遇急诊就更严重。④易将胶片归错档，使资料的查找和利用效率降低。⑤传统 X 射线胶片更不便实现实时或快速异地会诊。⑥胶片的丢失，损坏和变质所引起的信息丢失也是一个难以解决的问题。⑦即使是一个管理制度十分完善的医院，因借出、会诊等丢失胶片也不可避免，给资料的再次利用和科研工作带来不便。⑧把 CT等图像拷贝到胶片上，保留的只是操作医师认为有用的信息，图像无法后期处理，固定的窗宽、窗位已经丢失了大部分原始信息。
2.对存储介质容量的需求分析
临床上对病人影像的回溯按照访问量可以分成3类：第一是短期数据的回溯，无论影像科室自己还是临床方面最关心当前病人的影像，短期数据的标志为3个月内的数据，这些数据的回访占总访问量的90%；第二是对当前病人的前期存档图像的回访，病人又来医院看病了，临床医生需要翻阅他以前的影像资料，这种回访大约占9%；第三是个别的影像查询，占回访的不足1%。系统必须具备必要的响应速度，高响应速度是PACS系统是否具有生命力最为重要的因素之一。从点击病人姓名到显示出第一幅图像的时间，这段时间越短越好，应限制在10秒以内。
从信息源数据形态来看，可分为：原有 X 射片、CT 胶片等介质形态扫描转换为数字影像；直接由CR、CT、DSA 等数字化影像检查设备产生的数字影像；由胃镜、肠镜、腹腔镜、宫腔镜、喉镜、纤支镜等内窥镜及显微镜、B 超等检查设备产生的视频模拟影像转换为数字影像；从其他数据格式的数字影像转换而来。影像数据一旦形成就不会再改变，对影像的标注、解释等可通过另外保存数据实现。
三、医学影像存储系统系统设计
系统采用全院影像集中存储与管理结构，同时在各级工作站、分级管理服务器、分中心服务工作站冗余存储当前影像数据和进行影像管理。
1.存储系统硬件构成
①中心服务器：影像主服务器采用两台服务器构成，一台为主服务器，一台为备份服务器。二者均采用双CPU、4G内存的微机服务器。在硬件设计上采用全冗余策略，一旦主服务器出现硬件故障，系统自动切换到备份服务器，保证PACS的正常运行。②分中心服务器：分级管理服务器，设在放射科、核医学科、超声科三个主要影像检查科室。分中心服务器采用单CPU、3G内存、300G磁盘空间的微机服务器。③诊断工作站、采集工作站、游览工作站：CPU P4 3.0G、80G硬盘、512M内存，双屏或三屏显示器。显示器分三种档次：专业显示器、21 英寸 SONY500 显示器、普通 17 纯平显示器。④分发服务器：CPU P4 3.0G、80G硬盘、256M内存，单屏显示器。
2.存储设计方案
在医院影像集中存储和管理的总体结构下，采用多级存储结构，即系统在影像集中存储与管理区域内，再分为影像在线存储与管理、影像近线存储与管理、影像离线存储与管理三级结构。①在线存储：用于存储正在使用的影像数据。采用磁盘阵列在线保存数据，容量为980GB，集中存储全院100天内在线影像。②近线存储：用于存储经常使用的影像数据。使用磁带库(LTO)保存近线数据，容量最少为18TB，集中存储全院5年内在线影像，供各科室医生快速地从网络中调阅、查询。③离线存储：用于存储归档的影像数据。使用LTO磁带，按需求选择无损压缩/有损压缩格式，人工将磁带按序存放在影像档案柜中，永久性海量存储影像数据。各科室医生对离线存储的病人历史影像及相关信息可以进行调阅。医生发出调阅指令，主服务器在判明指令权限后，由系统管理员从影像档案柜中取出相应磁盘，放入磁带库中，由主服务器自动发指令给来源工作站。若调阅指令无调阅权限,主服务器会提示管理员此调阅者缺少相应的操作权限，同时拒绝工作。
3.存储镜像管理
在服务器数据库中建立病人ID号与影像内容及存储位置对照表；当数据库不可用时，手工切换到替代数据库保证PACS的正常工作，待数据库恢复可用后同步更新数据。
4.存储管理策略
第一级，在线存储设备：存储介质以磁盘阵列和磁盘为代表，存储介质一直处于在线状态，随时可以存取，具有读取速度快，吞吐量大等优点，存储3个月内全院各类检查的影像。医院的网络结构宜采用扁平模式，所有的影像设备都直接连接到服务器，在服务器上统一管理和备份，避免了多级分布存储代理的数据迁移和备份造成过高的管理代价。由于这一级的查询速度是关键，所以选用磁盘阵列。
第二级，近线存储设备：存储介质以磁带库为代表，用于PACS系统和影像数据备份。其共同特点：第一，在任一时刻，设备中只有少数几个存储介质处于在线状态，而大多数存储介质是离线的，当需要的数据在这些离线的存储介质中时，需要把这些存储介质加载到驱动器里，与在线存储相比这往往需要较长的时间。第二，对数据的定位以及读取时间也比磁盘要长。第三，设备中的离线存储介质，通过控制机械手自动加载到驱动器中。我们认为磁带具有读写速度快，单盘超高容量，以及单位容量低成本的特点，是备份存储方案的首选。
第三级，为离线存储，海量存储，当磁带离开磁带库后，对磁带只能进行手工管理，当数据存储在这些介质上，需要手工将所需磁带加入磁带库中，数据才能读、写。对于这一级而言，一个完善的永久存档方案是PACS系统“长治久安”的重要保障，其容量变得非常重要，而且管理要高度自动化，查询速度也应保持在5min以内，因此存储方式的选择尤其重要。综合比较各种因素，选择具有使用寿命长、容量大、查询及读写速度快等性质的LTO磁带库作为永久存储设备。
4.可靠性和稳定性
为了保证系统的可靠性和稳定性，首先要采用UNIX系统，因为在目前Windows NT系统还不是很稳定的情况下，UNIX仍然是服务器上较理想的操作系统。其次采用功能强大、可靠稳定的商业数据库系统ORACLE来建立数据库。
在程序设计方面，则采用父/子多层进程的方法。
服务器在收到并承认一个应用请求后，就产生一个子进程，由子进程来处理这个请求。如果在通讯中产生任何网络问题或由于程序的漏洞，使得子进程异常中断,则父进程不受任何影响，服务器可以继续工作。另外将一个大的应用进行分割处理,中间通过一个队列来连接，例如图像存储就分为图像接收和数据插入数据库操作两部分。图像接收进程将接收的图像文件加入到一个队列,而数据插入进程从队列中取出图像文件。这样就降低程序漏洞出现的可能性和防止网络传输与数据库操作的相互干扰。同时,由于采用父、子进程和队列的方法，服务器的各个进程之间以流水线的方式工作。服务器根据进来的多个请求分别产生子进程，这些子进程和服务器主进程同时并发运行，由较大的应用分割产生的各个进程也是并发运行。这样就可最大限度消除图像通讯、存储及查询中的瓶颈效应，提高了服务器的工作性能。
作者单位：四川师范大学信息技术学院
参考文献：
林日增.PACS:数字化、无胶片化影像新纪元.临床放射学杂志，2002,1: 478-480.
晶辰工作室.最流行图像格式使用参考手册.北京:电子工业出版社，1998.128-130.
冯锡钢，江贵平.非DICOM设备标准化的实现技术.北京生物医学工程，2002,10: 38-39.
页:
[1]