基于云计算的医学影像存储系统的设计与实现

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近几年，医疗行业加速信息化，医疗数据几何倍数增长，在医疗数据中占比例最大的医学影像数据有着信息共享和数字化传输困难，数据格式复杂等许多问题。为解决患者医学影像数据的共享和存储问题，本文利用云计算分布式技术及云存储虚拟化技术，研究实现了一个基于云计算的医学影像存储系统。另外，对医学影像存储系统的设计进一步提高了对医学影像存储与访问的性能。试用结果表明，基于云计算的医学影像存储系统在医院实际环境运行了数月，系统使用效果良好运行稳定。该系统可以提高医学影像数据的存储、传输稳定性与可靠性，进一步提高了基层医院的医学影像诊断水平。

1.引言

随着我国医学影像检查技术的发展，医学影像检查的结果已成为现代临床诊断与治疗的一个重要指标。然而，医学影像诊断的准确与否会直接影响临床疾病的治疗效果（永茂，徐道亮，居益君，等.构建区域医联体医学影像云平台的实践探讨：中国卫生质量管理，2016）。因为基层医疗单位运行落后并且发展空间小，高水平的影像诊断医师很难留下。导致基层医疗机构技术水平有限、影像诊断人才缺乏，使得更多的患者更倾向于去大医院就诊，从而来保证治疗的高水准，这也是为什么总是持续出现“大医院人满为患，小医院门可罗雀”的现象。

云计算技术是以服务的方式提供虚拟化资源的计算模式，它是通过Internet 的方式来提供服务，提供的服务是动态可伸缩的，它是传统计算机技术与网络技术发展融合的产物，它以其独特的扩展性、容错力以及廉价性而广受青睐。截止2016年，高德纳公司的全球云服务达到2040亿美元，而其中的大部分是来自于医疗云计算市场，这一点充分说明了大量的医疗护理机构和医疗服务人员对云医疗服务事业显示出了极大的兴趣。把云计算技术应用到医学影像系统领域，将给医学影像资源提供可持续发展的存储空间，而其中存储的医学影像数据，也为信息共享的实现提供了极大的便利。（永茂，徐道亮，居益君，等.构建区域医联体医学影像云平台的实践探讨：中国卫生质量管理，2016）

2.当前医学影像存储与传输系统存在的一些应用难题

由于受到网络、安全性及稳定性原因的影响，医院普遍建立了图像存储与传输系统来进行医院影像数据的归档、存储和通信。但随着数字化诊断设备精度的不断提升及就诊患者的不

断增加，传统的图像存储与传输系统使用明显存在很多的问题与不足。

(1)各大图像存储与传输系统软件厂商所采用的操作系统、数据库和存储设备不尽相同，这就使得每套图像存储与传输系统不仅在软硬件上完全异构，而且相互之间缺乏互操作性。

(2)医疗影像数据在医疗数据中占有很大的比例，随着医疗设备的不断进步，影像数据呈PB 级爆炸增长（徐敏，基于云计算的医院信息技术平台的构建与研究：厦门大学，2014）。这就使得大多数医院的图像存储与传输系统在几年中就要进行1次扩容处理，然而扩容工作不仅投资巨大，而且每次扩容工作难度大，性能也越来越低。

(3)由于每家医院的图像存储与传输系统存储平台不够统一，且存储接口也比较混乱，很难实现医院之间图像存储与传输系统信息的共享。若要实现图像存储与传输系统区域共享，则必须从医学数字成像和通信接口来进行数据共享，这样一来就会导致图像存储与传输系统应用的大量改动。

针对目前医学影像存储与传输系统所面临的普遍问题，本文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、安全实用的医学影像云平台存储系统，使得医学影像的存储性能得到提升。

3.基于云计算的医学影像存储系统整体架构设计

基于云计算的医学影像存储系统平台是一个复杂、涉及技术比较多的系统，该系统主要包含医院网关(前置机)、平台服务器、公用访问接口、应用程序、存储设备和客户端程序等，各部分协作完成影像检查业务流程，其中云存储是医学影像云平台的关键部分。3.1 总体架构

结合开源的医院信息系统，以及参考实际的应用场景，模仿图像存储与传输系统和分布式文件系统等等，综合上面因素搭建医学影像存储系统整体架构，并且参照标准医院里面信息系统中的应用，实现图像存储与传输系统与医院信息系统它们之间的接口，在此基础上设计出了“本地-云端”的存储模式，这样可以让用户通过医院信息系统直接调阅影像文件。（温永贤，杜伟业，王君琛，等.PACS 即服务的云平台架构：中国医疗设备，2015）

根据长期的参考国内外文献资料和实际的考察，使用和测试了两款国外医学信息系统管理软件，以及结合了当前我们国内医学影像系统的发展状况，对基于云计算的医学影像存储架构设计如图1所示。

参照国内用于管理医院信息数据的模式，本架构由三层组成：存储层、平台层和应用层，应用层由客户端组成，分别是医院信息系统客户端、图像存储与传输系统客户端。这些客户端负责向用户提供一些功能，例如：信息管理、影像查看、操作界面等。存储层是同本地端和云端组成的两级存储模式，本地端的任务是主要负责存储和管理结构化信息数据和影像数据；云端的主要任务是负责远期文件的永久性存储；这一存储层的数据会定期的从本地端上传到云端；由虚拟化技术实现的平

基于云计算的医学影像存储系统的设计与实现

南阳医学高等专科学校 李新献

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台层是一个虚拟平台，它是通过利用服务器资源从而便于提

供虚拟平台的云服务。

图1 基于云计算的医学影像存储架构

3.2 “本地-云端”两级存储模式

经过前期的研究分析和验证，本文组成的医疗信息及影像存储和管理架构体系，这个平台包括以下几个系统：分别是轻量级分布式文件系统，图像存储与传输系统，医院信息系统，通过整合以上几个系统，设计出“本地-云端”两级存储模式，并实现这样的医学数据存储模式，实现医学信息数据存储的永久保存和实时在线。（光玉，鲁雯，徐龙春，等.DICOM 格式医学图像显示方法研究：中国医学物理学杂志，2017）

本文改变了医学影像系统存储方式，把它从传统的存储方式改变为加入云平台的“本地-云端”存储模式，做了改变之后就不存在离线的数据，医院的医学数据、信息数据等都

可以通过网络实时访问，这些数据都是在线的。（李彭军，陈光杰，郭文明，基于HDFS 的区域医学影像分布式存储架构设计：南方医科大学学报，2011）

搭建在Orthanc 之上的数据库系统，它作为一个缓存系统，它仅仅负责存储近期的文件，并且，根据系统所定的时间阀值，该数据库系统定期地向云端分布式文件系统进行医学数据的传输。这种情况下，本地只存储一定大小的近期数据，云端则负责存储远期永久的所有数据，分布式文件系统可以实现很好的弹性扩容，充分地满足远期文件的存储需求。（刘秋彤，基于云平台的分布式医学影像数据存储技术的研究与应用：贵州大学，2016）

4.总结

我国医疗水平发展相当不平衡，针对基层医院信息化投入不足的现状，通过医学影像云平台能非常顺利地解决信息孤岛导致的资源无法共享问题，这样就可以改善大医院人满为患的现状，同时节省了一部分医疗信息系统的建设成本。

本文阐述了医学影像存储系统整体架构的设计和利用先进云计算关键技术实现医学影像存储服务的云平台。医院将患者影像数据存储在云平台服务器上，节省了对设备的管理及维护成本；云端是一个庞大的资源池，对数据的计算、存储等应用都直接在云端进行，因此客户端无须太过强大的运算能力，这便降低了对客户端硬件的要求。医学影像云平台中MIFAS 的设计使得平台更加可靠、稳定且易于管理，也解决了医学影像在实现共享、存储和交换过程中遇到的一些问题，并且能很好地克服硬件和网络故障，促进医学影像在互联网下的各种应用。

本文主要论述基于国产FPGA和铷原子钟的数字化的时统设备的设计，介绍了设计方案与原理。该设备具备通过1PPS/TOD方式接受外部时间授时信号，并通过1PPS/TOD方式对外部设备进行授时，分发精度优于100ns。

引言：时间是物理学的一个基本单位，是电子设备系统运行的一个重要指标。对整个电子系统而言，整个系统的时间统一性和精确性尤为重要。

时统设备具备接收外部时钟源，如卫导时间信号或其它设备时间信号的功能，并能通过本地频率源对系统中其它设备输出高度同步的时间和秒脉冲信号。设计时统设备需根据系统要求的时间同步精度、守时精度和频率稳定度等选择本地频率源。当前可选择的高精度本地频率源主要包括晶体振荡器、铷原子钟、铯原子钟等。

本文讲述了一种基于国产FPGA的数字化时统设备设计。以前时统设备多基于进口CPU+FPGA芯片实现，不利于国产化应用。本文设计的时统设备仅选用一片FPGA及其外围电路，实现了时统设备的全部功能，并且实现了时统设备的全国产化设计，具有电路设计简单、可靠性高、应用灵活等优点。

基于国产FPGA的数字化时统系统设计

中国电子科技集团公司第20研究所 李 欣

1 设计方案

1.1 系统硬件组成

时间信息处理软件通过RS422接口与外部设备实现通信。RS422接口选用国产3030和3096 RS-422串口收发芯片实现，数据采用差分方式传输。接收设备的串口连接后可以实现数据传递，波特率选择115200bit/s,通信无校验位，8位

数据位，1位停止位。

同时选用国产温度传感器，以及日历时芯片进行板上日历时守时功能，先用国产电源芯片作为板上电源。

具体硬件设计框图如图1。

图1 时统硬件设计框图

1.2 FPGA软件设计

FPGA软件主要完成接收时间、守时和时间分发的功能。