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时间:2010-01-22 10:20 作者:金金 来源:e医疗

数据网格PACS在企业级和区域PACS建设中的应用分析

[导读]数据网格PACS是一种专注于数据处理的网格计算系统很好使用功能强大,数据网格PACS符合标准的信息交换服务相比DICOM标准更加安全、高效和可扩展,并且容易实现与其它系统的集成。

标签:数据网格PACS

数据网格PACS的基本架构和关键技术

数据网格是一种专注于数据处理的网格计算系统,其目标是满足人们对高性能数据访问、大容量分布存储和分布处理能力的需求。数据网格PACS解决方案就是把数据网格的概念引入PACS系统设计,解决中心化PACS方案建设企业级和区域PACS过程中遇到的困难和瓶颈。数据网格PACS的基本系统架构策略就是使用分布式存储影像数据和集中式注册和发布元数据(Meta Data),其示意如图1所示。医学影像分布在各个网格节点(图1中的医院A、医院A分院、医院B和癌症中心)上。网格节点只需要把影像元数据注册到网格的“元数据注册/存储池”,而不需要把整个影像发送过去。影像的元数据包括DICOM头信息、网格节点上的访问路径和访问方式等等。网格中的用户可以向网格“元数据注册/存储池”发送查询和提取图像命令,“元数据注册/存储池”会快速计算影像的最佳提取“路径”和方式,并把提取请求转给最佳“路径”指向的网格节点。通过这个流程,用户就可以通过最佳“路径”直接访问到感兴趣影像数据。因此,数据网格PACS给用户提供了一个虚拟化的PACS系统平台,用户可以像操作单一PACS系统一样查询和提取感兴趣的影像,虽然影像可能分布在区域中不同的网格节点上。

实现数据网格PACS有以下几个关键技术:

1. 元数据目录的构建和管理

数据网格PACS中的元数据可以分为三个部分:

a)影像元数据。影像元数据是指包含在DICOM对象中的影像描述信息,比如影像所属的病人信息、检查信息、Series信息等等,这些信息描述了影像的本身属性。

b)系统元数据。系统元数据是对数据网格PACS结构组成和运行情况的描述信息,包括网格节点的配置信息(包括节点网络分布、所属组织等)、网格节点系统资源(包括CPU、磁盘、网络等)的使用情况等等。

c)应用元数据。应用元数据是指影像网格PACS服务相关的信息,包括影像在网格中存储的位置、影像的访问路径和方法、影像备份的数量和方式等等。

上述三种元数据共同组成了数据网格PACS的元数据目录,该目录必须采用统一的结构、全局的命名方式有效地管理来自于不同网格节点的影像注册信息。病人的全局管理可以结合病人标识交叉索引服务(Patient Identity Cross-reference, PIX)。数据网格PACS在保证元数据完整和正确的同时,也需要保证高可用性,这些都是数据网格PACS良好运行的前提。

在保留DICOM接口的前提下,数据网格PACS一般使用符合标准的服务(例如基于SOAP协议的WebService服务)作为元数据信息注册和发布的机制。符合标准的信息交换服务相比DICOM标准更加安全、高效和可扩展,并且容易实现与其它系统的集成。

2. 图像数据备份管理

数据网格PACS实现图像数据备份管理的目的有三个:

a)保证业务的连续性。图像数据分布在各个网格节点上,为了防止系统单点失败、确保系统业务连续,数据网格PACS中网格节点的图像应该有1个以上(包含1个)在其他网格节点上的备份。数据网格PACS可以在原始数据无法提供访问服务的时候,通过备份数据提供服务。

b)实现系统容灾。一旦原始影像数据遭到损坏(比如影像所在网格节点发生数据不可恢复的灾难),可以利用备份数据迅速恢复损坏数据,实现系统容灾功能。

c)优化用户提取影像的速度。虽然现在的网络带宽和速度在不断提高,但是要做到广域网快速访问和处理大量影像还是比较困难的。因此如果有异地的备份数据存储到本地PACS中,可以大大提高对这些数据的访问速度。比如图1中医院A分院的影像备份到医院A中,那么在医院A中访问分院的影像,这就可以通过直接访问这些备份数据提高影像提取速度。

为了实现影像数据备份管理,数据网格PACS应该具备以下几个功能:

a)备份信息能够准确生成在元数据目录中,并且在服务中得到使用。

b)对于各网格节点中存储的数据能够创建至少一个完整的备份。

c)提供灵活的数据备份策略,例如备份目的地、备份数量、备份时间等等。

d)确保备份数据与原始数据一致。

3. 高速数据传输机制

数据网格PACS需要在网络上大量传输数据,尤其是影像数据备份和异地影像提取。因此,一种高速、安全、健壮的传输机制是数据网格PACS高效运行的保障。目前,数据网格解决方案中比较有特点的高速数据传输机制有:

a)GridFTP。GridFTP来源于Globus项目组,是一种安全可靠的高性能数据传输协议。GridFTP已经被很多网格项目采纳,事实上已经成为网格数据传输领域的标准。它基于FTP传输协议,并针对高带宽广域网进行了优化,主要特性是:多通道数据并行传输、文件分块传输、复用数据传输通道等。

b)RTF(Reliable File Transfer)。同样来源于Globus项目组,是GridFTP的改进型,主要特性是:第三方传输功能、兼容SOAP协议的传输任务、断点续传、传输过程可控。

c)CIFS(Common Internet File System)和NFS(Network File System)。Bycast[7]的StorageGRID[8]采用这两种协议作为存储节点间数据传输机制,其特点是通用、高效。

d)Net-VPN方案。AcuoTech[9]的AcuoMed使用Net-VPN方案构建异地网格节点间的网络,获得了较高的网络带宽和数据安全保障。

4. 网格资源调度优化

数据网格PACS中的资源调度优化包括客户请求调度和数据备份调度。客户请求调度是指数据网格PACS能够根据客户的请求,快速找到影像访问的最佳“路径”,并把请求定向给最佳“路径”所在网格节点。数据备份调度则是指数据网格PACS能够根据目前网格运行情况,通过最合理的策略实现数据备份。资源的调度优化能够最大限度地使用分布式系统的资源,提供高效、稳定的服务。实现上述功能需要数据网格PACS能够监控所有网格节点的系统负载和资源使用情况,根据预先制定的调度规则,实现调度优化。

5. 信息安全和审计技术

数据网格PACS中存储的是病人的受保护信息(Protected Health Information, PHI),具有高度的私密性。而且,数据网格PACS运行在广域网上,保护数据信息的安全和监控用户的行为就变得非常重要。数据网格PACS应该遵从HIPAA(The HealthInsurance Portability and Accountability Act)[10]法案和IHE相关的信息安全规范,并从网络的底层建立起安全保护和验证机制。ATNA (Audit Trails and NodeAuthentication)[11]是IHE最重要的信息安全共享解决方案,该规范详细介绍了节点认证和审计跟踪的实现机制和具体流程,对于构建安全的、符合HIPAA法案的医疗信息共享交换平台有很大的指导意义。

数据网格PACS与中心化PACS的特性比较

数据网格PACS采用了分布式存储和集中式元数据管理的架构,影像提取采用直接式,即直接从数据源提取影像,减少了图像共享所需要的传输次数;并且提取路径通过网格资源分析得到了优化,提高了影像提取的速度,有效解决了中心化PACS作为数据中心在网络带宽、磁盘I/O和存储容量等方面遇到的性能瓶颈。数据网格PACS的影像传输一般采用高速数据传输机制,针对目前的网络进行了优化,具有高效、安全和健壮的特点。由于数据网格PACS实现了影像数据备份管理,不仅可以防止系统单点失败,还可以提供系统容灾功能。医疗机构已有的PACS系统很容易与数据网格PACS进行集成,并通过数据网格PACS提供的高性能数据访问、数据备份和容灾等功能,降低PACS系统建设、维护和扩容升级的费用。表1为数据网格PACS和中心化PACS分别作为区域PACS的特性比较。

数据网格PACS的典型案例

如前文分析,作为区域PACS解决方案,数据网格PACS相对中心化PACS有很大的优势,所以已经被不少厂商和研究机构采纳,目前比较有名的案例有:

1. Globus项目组的MEDICUS (Medical Image and Computing for Unified Information Sharing)项目。

Globus项目组由美国Argonne国家实验室数学与计算机分部、南加州大学信息科学学院和芝加哥大学分布式系统实验室合作开发。Globus项目组研发的网格计算工具软件Globus Toolkit已经成为事实上的网格标准,并于2002年和IBM一起倡议了全新的网格标准--开放网格服务体系(OSGA, Open Grid ServicesArchitecture)标准。MEDICUS项目是由南加州大学的凯克医学院和维特比工程学院信息科学研究所合作创立,基于Globus Toolkit工具,目的是促进重要的超宽带医疗信息和图像畅通无阻的交流,从而给全球的医疗服务带来革命性的变化。

2. AcuoTech的AcuoMed/AcuoStore产品

AcuoMed/AcuoStore是一种具有自适应功能的医学影像架构,可以智能定位用户感兴趣影像在网格中的最佳提取“路径”,并且非常容易实现与医院现有信息系统(HIS/RIS/PACS)的集成。

3. Bycast的StorageGRID

StorageGRID是市场领先的网格存储管理解决方案,并且被IBM和HP采纳为各自影像和数据归档产品的核心技术。

4. NDMA的National Digital Medical Archive(以前称为i3Archive)

该产品来源于宾夕法尼亚大学的研究项目,目标是建立一个开放、安全和全国范围的注册存储池,用于存放医学影像和医疗机构间其他可以共享协作的数据。NDMA可以与现有诊疗信息系统无缝集成,用户可以把医学影像交给NDMA存储和管理,同时可以从NDMA获取大量相关影像帮助医疗诊断。

虽然上述几种方案/产品所依赖的技术实现各有不同,但是它们的系统架构都是基于“网格”概念,扩展性好,容易与其他医疗信息系统集成,并具有高性能数据访问、数据自动备份和系统容灾等功能。同时,这些方案/产品都有DICOM接口,通过结合系统元数据和DICOM对象中的头数据信息,优化数据的存储、共享和管理。目前,基于数据网格的PACS系统已经在市场上取得了一些成功,比如:Globus的MEDICUS已经在COG(The Children’s Oncology Group)网格和NANT(The New Approaches to Neuroblastoma Therapy)网格中得到应用;Bycas t的StorageGRID被美国UHCS(University Health Care System)、VCH(Vancouver Coastal Health)和IHS (Iowa HealthSystem)等项目采纳,作为区域影像存储和共享交换的平台。

结论

医学影像存档与通讯系统(PACS)已经从最初的单机系统发展到局域网系统,并在最近几年随着集团医院内部和区域医疗机构之间对影像存储、共享和管理的迫切需求,快速发展为广域网系统。传统的中心化PACS解决方案应用到广域网分布式环境中会遇到系统应用(网络带宽、磁盘I/O等)瓶颈、单点失败、架构封闭难扩展和系统拥有总成本高等问题。而基于网格的PACS解决方案能够满足集团医院和区域医疗机构间对于企业级PACS和区域PACS的高性能访问、大容量分布存储、数据备份、系统容灾和降低系统拥有总成本的要求。目前国家正在大力推进三级医疗协同服务机制,减少病人的重复检查和大医院的医疗资源紧张,缓解病人的看病难、看病贵的问题。基于网格的PACS解决方案可以为我国医院集团企业级PACS和医疗机构间区域PACS的建设提供良好的借鉴和指导作用,提高我国医学影像信息存储、管理和共享水平的同时,让广大病人享受到高效医疗信息服务带来的便利和好处。

【责任编辑:钢铁小喷侠 TEL:(010)68476606】

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