探索Linux在醫(yī)療行業(yè)中的應用

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

醫(yī)療行業(yè)是計算機業(yè)界爭相角逐的一個主戰(zhàn)場。由于醫(yī)療應用系統(tǒng)的特殊性，包括醫(yī)療衛(wèi)生法律的嚴肅性、醫(yī)務流程的復雜性和醫(yī)療數(shù)據(jù)的保密性，醫(yī)療應用系統(tǒng)在高可用、穩(wěn)定和安全性方面對系統(tǒng)提出了有別于其它行業(yè)系統(tǒng)的更高要求。

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

本文主要研討基于Linux的PACS技術設計，并總結這些技術的優(yōu)勢和需要拓展加強的薄弱環(huán)節(jié)，希望擴大Linux在醫(yī)療行業(yè)領域的應用范圍。

系統(tǒng)分析

系統(tǒng)組成包括：

◆ 標準DICOM設備

包括CT(X線計算機斷層)、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。這些設備傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)平臺一般是SGI、Sun、HP等廠商的Unix系統(tǒng)。從技術上說，Linux在高端應用方面完全具備醫(yī)學成像及后處理的科學計算功能，而且部分中小型設備可以采用Linux嵌入式系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集部分的工作?；贚inux的開源項目 MiniGUI作為圖形界面支持系統(tǒng)，可以應用于包括激光醫(yī)療設備、激光美容設備、CT設備等在內的眾多醫(yī)療設備。

◆ 非標準DICOM設備

包括不支持DICOM的模擬和數(shù)字成像設備。設備類型一般包括早期超聲、各種內窺鏡、各種顯微鏡(如病理切片、血液涂片等)。根據(jù)DICOM標準，對非標準格式圖像進行標準化，支持動態(tài)采集，得到視頻影像或序列圖像。因此，這種設備處理要通過視頻采集卡來實現(xiàn)。

國內視頻采集卡廠商目前還沒有對Linux提供硬件驅動，這樣，在Linux的應用推廣上受到了一定的限制，而單獨開發(fā)嵌入式Linux系統(tǒng)又大大增加了技術的復雜度和成本。

◆ DICOM網(wǎng)關部分

DICOM網(wǎng)關常與文件服務器合稱為DICOM服務器，其主要功能是遵循DICOM 3.0國際標準，完成醫(yī)學圖像的傳輸歸檔。DICOM標準參考ISO的七層協(xié)議，定義了DICOM物理層、DICOM數(shù)據(jù)鏈接和DICOM對話、傳輸、網(wǎng)絡層。針對IP網(wǎng)絡，還定義了DICOM基于TCP/IP的上層協(xié)議。目前國內已有完全支持DICOM 3.0、基于Linux的歸檔服務器，支持Linux下的影像存儲、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的領域內。但從信息一致性的設計角度，理想狀況是PACS與HIS的無縫集成。也就是說，PACS中的申請預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)復雜性和現(xiàn)實情況，科室級建立了獨立的RIS系統(tǒng)，為PACS中圖像及流轉過程提供病人和檢查的相關信息。使用RIS的情況下，要求全院PACS通信遵循HL7(醫(yī)療第七層)國際標準。

大的國際數(shù)據(jù)庫廠商Infomix和Oracle均推出了Linux版本，輕量級的可以選用MySQL等?；贚inux的 HIS/RIS系統(tǒng)也不斷地有報道。北京人民醫(yī)院放射科的PACS使用美國GE公司的Redworks系統(tǒng)，是一個國際上非常著名的PACS系統(tǒng)。在此基礎上，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，實現(xiàn)了放射檢查的預約、劃價、收費、報告共享及各種統(tǒng)計功能。

◆ 圖像庫系統(tǒng)

即PACS的海量存儲系統(tǒng)。美國1996年頒布HIPPA(健康保險便利及責任法案)要求所有病人資料保存長達7年之久，因而對MRI、PET、CT掃描的存儲量將是巨大的。一個病人做一次MRI圖像可以多達千幅，按一幅500KB計算，一次檢查可以達到500MB。

國內對醫(yī)療數(shù)據(jù)的管理驗證也將越來越強化和細化。一般設計良好的全院PACS系統(tǒng)從存儲角度會有兩級以上的在線庫，目前最新的研究倡導采用兩級永久在線，而不設離線存儲(如圖1所示)，或者隨著應用的復雜度進行增加?？梢哉f這將是一個海量的文件服務器，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)總容量及要求的訪問量來確定其使用的技術框架。

PACS系統(tǒng)中存儲設備的選擇是重頭。大型和特大型醫(yī)院(床位1000張或以上)一般采用SAN(存儲區(qū)域網(wǎng)絡)、光纖通道的磁盤陣列;中等醫(yī)院或大型醫(yī)院的一級存儲可以采用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PACS檢索點創(chuàng)建一條相應的記錄，以檢索到原始數(shù)據(jù)。

在存儲設備和數(shù)據(jù)庫之間，還有一個關鍵環(huán)節(jié)，那就是存儲管理軟件。該層面軟件的主要任務是在大型存儲設備上構建虛擬的文件系統(tǒng)，讓面向用戶的應用軟件可以在該層面上直接運行，而無需考慮底層硬件設備的配置與控制。

在存儲管理軟件之上的內容管理軟件與數(shù)據(jù)庫并列，只是該內容管理軟件其實就是直接面向用戶的一個MIS系統(tǒng)，其結構與標準的 MIS系統(tǒng)沒有大的差別。通常這類內容管理軟件由系統(tǒng)集成商開發(fā)，或者使用第三方內容管理產(chǎn)品，它們將外存設備上的圖像文件與元數(shù)據(jù)建立有機連接，并提供友好易用的用戶界面，供用戶實現(xiàn)對各類數(shù)據(jù)的存儲操作。

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

誕生于ATT貝爾實驗室的貝克軟件，其數(shù)據(jù)保護解決方案可以為PACS系統(tǒng)提供優(yōu)秀的服務。因為醫(yī)療數(shù)據(jù)除了數(shù)量龐大，還兼有私有性、法律文書性質等特點，所以對數(shù)據(jù)的備份恢復和安全保護異常重要。貝克軟件還積極推動Linux的發(fā)展，為國內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Linux提出了更多桌面功能的要求，如圖像處理的算法實現(xiàn)、圖像信息及病人信息操作和圖像界面及功能的實用。在支持會診模式的情況下，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服務器

采用HTTP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，具有完善的權限管理，組成全院的影像Intranet網(wǎng)絡，為將來接入Internet做好準備。網(wǎng)絡中的任何站點都可以瀏覽授權的影像資料，也可以查閱或編輯診斷報告(受權限保護)。遠程的用戶可以登入該服務器，如同在局域網(wǎng)中，進行閱片及診斷工作，縮短距離，實現(xiàn)遠程會診。利用Linux Apache服務器可以很好地實現(xiàn)以上功能。

2.管理維護

作為醫(yī)院業(yè)務頻繁使用的局域網(wǎng)，即使是千兆以太網(wǎng)，當醫(yī)院PACS實施以后仍然會遇到帶寬不足、網(wǎng)絡阻塞的情況。之所以規(guī)劃二級在線存儲，就是考慮將檢查科室內部對圖像的調閱直接在一組交換機上的一級在線庫進行，這樣相對占用帶寬高的圖像傳輸不會擠占主干的帶寬，而臨床部分調閱圖像則可以從全院的二級在線庫調閱。

Linux在網(wǎng)絡管理方面具有Windows無法比擬的優(yōu)勢，iptables框架對數(shù)據(jù)包具有強大的過濾管理功能，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，從流量特性上對數(shù)據(jù)包進行控制，實現(xiàn)對醫(yī)院網(wǎng)絡的帶寬調度，分時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)人員都從開源項目中獲益，包括DCMTK、eFilm等。目前，國內PACS開發(fā)一般采取三種途徑，一是按照標準完全自主版權開發(fā)，這種情況要求開發(fā)小組有較高的技術水平，第一軍醫(yī)大學網(wǎng)絡中心的JW-PACS就屬于這種情況;二是購買國外專業(yè)廠商的開發(fā)包，進行二次開發(fā)，只要根據(jù)開發(fā)包提供的API就可以實現(xiàn)原包所帶的各種特性，這種情況在技術實現(xiàn)上較容易，但是在購買和升級開發(fā)包方面會有比較大的投入，小型的軟件公司會有較大壓力;三是利用開源項目提供的代碼，進行整合，不斷跟進開源進程，完善其功能特性，這種方式風險較低，同樣要求開發(fā)人員有較高的讀碼能力。

基于Linux平臺的開發(fā)目前在PACS領域相對比較少，這主要與各級程序員和軟件工程師對Linux平臺上開發(fā)工具的熟悉程度，以及國內軟件公司對開發(fā)工具的選擇有關。落實到根本上，還是要對Linux平臺開發(fā)工具的普及和實用下功夫。

小結

通過上述對Linux平臺上PACS技術設計的分析可以看到，醫(yī)療行業(yè)內Linux實用層面的準入還有許多困難。不同技術領域存在不同程度的風險，這就要求廣大的Linux從業(yè)者深挖潛力，細化需求，與國際、國內相關廠商建立友好合作關系。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)也會取得驕人業(yè)績。