探索Linux在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用

過去幾年，Linux在服務(wù)器端的應(yīng)用方面已經(jīng)取得了很大成績(jī)。隨著國(guó)內(nèi)軟件漢化和本地化開發(fā)的發(fā)展，包括辦公、多媒體、網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用軟件日益豐富，Linux在桌面應(yīng)用方面也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。經(jīng)過這些年的發(fā)展和政府的推動(dòng)， Linux解決方案在行業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用中不斷得到擴(kuò)展和充實(shí)，在各行業(yè)中都有各具特色的Linux應(yīng)用出現(xiàn)。

醫(yī)療行業(yè)是計(jì)算機(jī)業(yè)界爭(zhēng)相角逐的一個(gè)主戰(zhàn)場(chǎng)。由于醫(yī)療應(yīng)用系統(tǒng)的特殊性，包括醫(yī)療衛(wèi)生法律的嚴(yán)肅性、醫(yī)務(wù)流程的復(fù)雜性和醫(yī)療數(shù)據(jù)的保密性，醫(yī)療應(yīng)用系統(tǒng)在高可用、穩(wěn)定和安全性方面對(duì)系統(tǒng)提出了有別于其它行業(yè)系統(tǒng)的更高要求。

PACS(醫(yī)學(xué)影像存檔和傳輸系統(tǒng))是醫(yī)院用于管理醫(yī)療成像設(shè)備(如CT、MRI、CR/DR、PET等)所產(chǎn)生的醫(yī)學(xué)圖像的信息系統(tǒng)。PACS按照應(yīng)用范圍分為full-PACS(全院PACS)和mini-PACS(科室PACS)。目前，PACS中廣泛應(yīng)用了DICOM協(xié)議(數(shù)字醫(yī)學(xué)圖像傳輸協(xié)議)，這是由ACR-NEMA(美國(guó)放射學(xué)會(huì)-美國(guó)國(guó)家電器制造學(xué)會(huì))提出的主要用于醫(yī)學(xué)系統(tǒng)之間互連的通信協(xié)議，該協(xié)議建立在 TCP/IP基礎(chǔ)上，詳細(xì)定義了病人及相關(guān)圖像信息的存儲(chǔ)、傳輸、訪問格式和要求。

本文主要研討基于Linux的PACS技術(shù)設(shè)計(jì)，并總結(jié)這些技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和需要拓展加強(qiáng)的薄弱環(huán)節(jié)，希望擴(kuò)大Linux在醫(yī)療行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

系統(tǒng)分析

系統(tǒng)組成包括：

◆ 標(biāo)準(zhǔn)DICOM設(shè)備

包括CT(X線計(jì)算機(jī)斷層)、MRI(磁共振)、PET(正電子發(fā)射成像)、CR/DR (數(shù)字X線)、DSA(數(shù)字剪影)、超聲等。這些設(shè)備傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)平臺(tái)一般是SGI、Sun、HP等廠商的Unix系統(tǒng)。從技術(shù)上說，Linux在高端應(yīng)用方面完全具備醫(yī)學(xué)成像及后處理的科學(xué)計(jì)算功能，而且部分中小型設(shè)備可以采用Linux嵌入式系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集部分的工作。基于Linux的開源項(xiàng)目 MiniGUI作為圖形界面支持系統(tǒng)，可以應(yīng)用于包括激光醫(yī)療設(shè)備、激光美容設(shè)備、CT設(shè)備等在內(nèi)的眾多醫(yī)療設(shè)備。

◆ 非標(biāo)準(zhǔn)DICOM設(shè)備

包括不支持DICOM的模擬和數(shù)字成像設(shè)備。設(shè)備類型一般包括早期超聲、各種內(nèi)窺鏡、各種顯微鏡(如病理切片、血液涂片等)。根據(jù)DICOM標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)格式圖像進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，支持動(dòng)態(tài)采集，得到視頻影像或序列圖像。因此，這種設(shè)備處理要通過視頻采集卡來實(shí)現(xiàn)。

國(guó)內(nèi)視頻采集卡廠商目前還沒有對(duì)Linux提供硬件驅(qū)動(dòng)，這樣，在Linux的應(yīng)用推廣上受到了一定的限制，而單獨(dú)開發(fā)嵌入式Linux系統(tǒng)又大大增加了技術(shù)的復(fù)雜度和成本。

◆ DICOM網(wǎng)關(guān)部分

DICOM網(wǎng)關(guān)常與文件服務(wù)器合稱為DICOM服務(wù)器，其主要功能是遵循DICOM 3.0國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，完成醫(yī)學(xué)圖像的傳輸歸檔。DICOM標(biāo)準(zhǔn)參考ISO的七層協(xié)議，定義了DICOM物理層、DICOM數(shù)據(jù)鏈接和DICOM對(duì)話、傳輸、網(wǎng)絡(luò)層。針對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)，還定義了DICOM基于TCP/IP的上層協(xié)議。目前國(guó)內(nèi)已有完全支持DICOM 3.0、基于Linux的歸檔服務(wù)器，支持Linux下的影像存儲(chǔ)、歸檔和管理。

◆ HIS/RIS(醫(yī)院信息系統(tǒng)/放射信息系統(tǒng))數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

從概念上，HIS不在PACS的領(lǐng)域內(nèi)。但從信息一致性的設(shè)計(jì)角度，理想狀況是PACS與HIS的無縫集成。也就是說，PACS中的申請(qǐng)預(yù)約及采集圖像中的病人信息等都來源于HIS，讓 HIS/PACS來自同一個(gè)數(shù)據(jù)庫源，從而真正地保證信息的一致融合?？紤]到系統(tǒng)復(fù)雜性和現(xiàn)實(shí)情況，科室級(jí)建立了獨(dú)立的RIS系統(tǒng)，為PACS中圖像及流轉(zhuǎn)過程提供病人和檢查的相關(guān)信息。使用RIS的情況下，要求全院PACS通信遵循HL7(醫(yī)療第七層)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

大的國(guó)際數(shù)據(jù)庫廠商Infomix和Oracle均推出了Linux版本，輕量級(jí)的可以選用MySQL等?；贚inux的 HIS/RIS系統(tǒng)也不斷地有報(bào)道。北京人民醫(yī)院放射科的PACS使用美國(guó)GE公司的Redworks系統(tǒng)，是一個(gè)國(guó)際上非常著名的PACS系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，GE公司與人民醫(yī)院合作開發(fā)出本地化的RIS系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)及MySQL數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了放射檢查的預(yù)約、劃價(jià)、收費(fèi)、報(bào)告共享及各種統(tǒng)計(jì)功能。

◆ 圖像庫系統(tǒng)

即PACS的海量存儲(chǔ)系統(tǒng)。美國(guó)1996年頒布HIPPA(健康保險(xiǎn)便利及責(zé)任法案)要求所有病人資料保存長(zhǎng)達(dá)7年之久，因而對(duì)MRI、PET、CT掃描的存儲(chǔ)量將是巨大的。一個(gè)病人做一次MRI圖像可以多達(dá)千幅，按一幅500KB計(jì)算，一次檢查可以達(dá)到500MB。

國(guó)內(nèi)對(duì)醫(yī)療數(shù)據(jù)的管理驗(yàn)證也將越來越強(qiáng)化和細(xì)化。一般設(shè)計(jì)良好的全院PACS系統(tǒng)從存儲(chǔ)角度會(huì)有兩級(jí)以上的在線庫，目前最新的研究倡導(dǎo)采用兩級(jí)永久在線，而不設(shè)離線存儲(chǔ)(如圖1所示)，或者隨著應(yīng)用的復(fù)雜度進(jìn)行增加?？梢哉f這將是一個(gè)海量的文件服務(wù)器，主要根據(jù)醫(yī)院的規(guī)模、每天產(chǎn)生的圖像數(shù)量、數(shù)據(jù)總?cè)萘考耙蟮脑L問量來確定其使用的技術(shù)框架。

PACS系統(tǒng)中存儲(chǔ)設(shè)備的選擇是重頭。大型和特大型醫(yī)院(床位1000張或以上)一般采用SAN(存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò))、光纖通道的磁盤陣列;中等醫(yī)院或大型醫(yī)院的一級(jí)存儲(chǔ)可以采用NAS、SCSI磁盤陣列、IDE磁盤陣列等。

PACS中存放數(shù)據(jù)的商用數(shù)據(jù)庫也是其中重要的部件之一，它將為每個(gè)PACS檢索點(diǎn)創(chuàng)建一條相應(yīng)的記錄，以檢索到原始數(shù)據(jù)。

在存儲(chǔ)設(shè)備和數(shù)據(jù)庫之間，還有一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，那就是存儲(chǔ)管理軟件。該層面軟件的主要任務(wù)是在大型存儲(chǔ)設(shè)備上構(gòu)建虛擬的文件系統(tǒng)，讓面向用戶的應(yīng)用軟件可以在該層面上直接運(yùn)行，而無需考慮底層硬件設(shè)備的配置與控制。

在存儲(chǔ)管理軟件之上的內(nèi)容管理軟件與數(shù)據(jù)庫并列，只是該內(nèi)容管理軟件其實(shí)就是直接面向用戶的一個(gè)MIS系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)的 MIS系統(tǒng)沒有大的差別。通常這類內(nèi)容管理軟件由系統(tǒng)集成商開發(fā)，或者使用第三方內(nèi)容管理產(chǎn)品，它們將外存設(shè)備上的圖像文件與元數(shù)據(jù)建立有機(jī)連接，并提供友好易用的用戶界面，供用戶實(shí)現(xiàn)對(duì)各類數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)操作。

數(shù)據(jù)遷移軟件融會(huì)PACS的智能。在醫(yī)療PACS系統(tǒng)中，分層存儲(chǔ)管理軟件是連接前端數(shù)據(jù)采集與后端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的中間環(huán)節(jié)，它能夠把所有的外存和硬盤自動(dòng)共建為一個(gè)完整的虛擬存儲(chǔ)設(shè)備，使用戶能夠透明地訪問所需數(shù)據(jù)。

誕生于ATT貝爾實(shí)驗(yàn)室的貝克軟件，其數(shù)據(jù)保護(hù)解決方案可以為PACS系統(tǒng)提供優(yōu)秀的服務(wù)。因?yàn)獒t(yī)療數(shù)據(jù)除了數(shù)量龐大，還兼有私有性、法律文書性質(zhì)等特點(diǎn)，所以對(duì)數(shù)據(jù)的備份恢復(fù)和安全保護(hù)異常重要。貝克軟件還積極推動(dòng)Linux的發(fā)展，為國(guó)內(nèi)Linux廠商提供了集成的解決方案，有許多值得借鑒的地方。

◆ 診斷醫(yī)生工作站和臨床醫(yī)生工作站

這里對(duì)Linux提出了更多桌面功能的要求，如圖像處理的算法實(shí)現(xiàn)、圖像信息及病人信息操作和圖像界面及功能的實(shí)用。在支持會(huì)診模式的情況下，還必須具有多媒體功能，成為基于Linux的協(xié)同系統(tǒng)，其它功能還包括光盤刻錄、膠片打印等

◆ Web服務(wù)器

采用HTTP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有完善的權(quán)限管理，組成全院的影像Intranet網(wǎng)絡(luò)，為將來接入Internet做好準(zhǔn)備。網(wǎng)絡(luò)中的任何站點(diǎn)都可以瀏覽授權(quán)的影像資料，也可以查閱或編輯診斷報(bào)告(受權(quán)限保護(hù))。遠(yuǎn)程的用戶可以登入該服務(wù)器，如同在局域網(wǎng)中，進(jìn)行閱片及診斷工作，縮短距離，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程會(huì)診。利用Linux Apache服務(wù)器可以很好地實(shí)現(xiàn)以上功能。

2.管理維護(hù)

作為醫(yī)院業(yè)務(wù)頻繁使用的局域網(wǎng)，即使是千兆以太網(wǎng)，當(dāng)醫(yī)院PACS實(shí)施以后仍然會(huì)遇到帶寬不足、網(wǎng)絡(luò)阻塞的情況。之所以規(guī)劃二級(jí)在線存儲(chǔ)，就是考慮將檢查科室內(nèi)部對(duì)圖像的調(diào)閱直接在一組交換機(jī)上的一級(jí)在線庫進(jìn)行，這樣相對(duì)占用帶寬高的圖像傳輸不會(huì)擠占主干的帶寬，而臨床部分調(diào)閱圖像則可以從全院的二級(jí)在線庫調(diào)閱。

Linux在網(wǎng)絡(luò)管理方面具有Windows無法比擬的優(yōu)勢(shì)，iptables框架對(duì)數(shù)據(jù)包具有強(qiáng)大的過濾管理功能，加上TC (流量控制)功能模塊，通過如FIFO、令牌桶等算法定義規(guī)則，從流量特性上對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)的帶寬調(diào)度，分時(shí)段將帶寬交給最重要、最緊急的部門使用。

系統(tǒng)開發(fā)

幾乎所有的PACS開發(fā)人員都從開源項(xiàng)目中獲益，包括DCMTK、eFilm等。目前，國(guó)內(nèi)PACS開發(fā)一般采取三種途徑，一是按照標(biāo)準(zhǔn)完全自主版權(quán)開發(fā)，這種情況要求開發(fā)小組有較高的技術(shù)水平，第一軍醫(yī)大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心的JW-PACS就屬于這種情況;二是購(gòu)買國(guó)外專業(yè)廠商的開發(fā)包，進(jìn)行二次開發(fā)，只要根據(jù)開發(fā)包提供的API就可以實(shí)現(xiàn)原包所帶的各種特性，這種情況在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上較容易，但是在購(gòu)買和升級(jí)開發(fā)包方面會(huì)有比較大的投入，小型的軟件公司會(huì)有較大壓力;三是利用開源項(xiàng)目提供的代碼，進(jìn)行整合，不斷跟進(jìn)開源進(jìn)程，完善其功能特性，這種方式風(fēng)險(xiǎn)較低，同樣要求開發(fā)人員有較高的讀碼能力。

基于Linux平臺(tái)的開發(fā)目前在PACS領(lǐng)域相對(duì)比較少，這主要與各級(jí)程序員和軟件工程師對(duì)Linux平臺(tái)上開發(fā)工具的熟悉程度，以及國(guó)內(nèi)軟件公司對(duì)開發(fā)工具的選擇有關(guān)。落實(shí)到根本上，還是要對(duì)Linux平臺(tái)開發(fā)工具的普及和實(shí)用下功夫。

小結(jié)

通過上述對(duì)Linux平臺(tái)上PACS技術(shù)設(shè)計(jì)的分析可以看到，醫(yī)療行業(yè)內(nèi)Linux實(shí)用層面的準(zhǔn)入還有許多困難。不同技術(shù)領(lǐng)域存在不同程度的風(fēng)險(xiǎn)，這就要求廣大的Linux從業(yè)者深挖潛力，細(xì)化需求，與國(guó)際、國(guó)內(nèi)相關(guān)廠商建立友好合作關(guān)系。相信在不久的將來，通過廣大開源同仁的共同努力，Linux在醫(yī)療行業(yè)也會(huì)取得驕人業(yè)績(jī)。