探索Linux在醫療行業中的應用

過去幾年，Linux在服務器端的應用方面已經取得了很大成績。隨著國內軟件漢化和本地化開發的發展，包括辦公、多媒體、網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。經過這些年的發展和政府的推動， Linux解決方案在行業系統應用中不斷得到擴展和充實，在各行業中都有各具特色的Linux應用出現。

醫療行業是計算機業界爭相角逐的一個主戰場。由于醫療應用系統的特殊性，包括醫療衛生法律的嚴肅性、醫務流程的復雜性和醫療數據的保密性，醫療應用系統在高可用、穩定和安全性方面對系統提出了有別于其它行業系統的更高要求。

PACS(醫學影像存檔和傳輸系統)是醫院用于管理醫療成像設備(如CT、MRI、CR/DR、PET等)所產生的醫學圖像的信息系統。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協議(數字醫學圖像傳輸協議)，這是由ACR-NEMA(美國放射學會-美國國家電器制造學會)提出的主要用于醫學系統之間互連的通信協議，該協議建立在 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勢和需要拓展加強的薄弱環節，希望擴大Linux在醫療行業領域的應用范圍。

系統分析

系統組成包括：

◆ 標準DICOM設備

包括CT(X線計算機斷層)、MRI(磁共振)、PET(正電子發射成像)、CR/DR (數字X線)、DSA(數字剪影)、超聲等。這些設備傳統的操作系統平臺一般是SGI、Sun、HP等廠商的Unix系統。從技術上說，Linux在高端應用方面完全具備醫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嵌入式系統完成數據采集部分的工作。基于Linux的開源項目 MiniGUI作為圖形界面支持系統，可以應用于包括激光醫療設備、激光美容設備、CT設備等在內的眾多醫療設備。

◆ 非標準DICOM設備

包括不支持DICOM的模擬和數字成像設備。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DICOM標準，對非標準格式圖像進行標準化，支持動態采集，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。

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，而單獨開發嵌入式Linux系統又大大增加了技術的復雜度和成本。

◆ DICOM網關部分

DICOM網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，完成醫學圖像的傳輸歸檔。DICOM標準參考ISO的七層協議，定義了DICOM物理層、DICOM數據鏈接和DICOM對話、傳輸、網絡層。針對IP網絡，還定義了DICOM基于TCP/IP的上層協議。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(醫院信息系統/放射信息系統)數據庫系統

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來自同一個數據庫源，從而真正地保證信息的一致融合。考慮到系統復雜性和現實情況，科室級建立了獨立的RIS系統，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(醫療第七層)國際標準。

大的國際數據庫廠商Infomix和Oracle均推出了Linux版本，輕量級的可以選用MySQL等。基于Linux的 HIS/RIS系統也不斷地有報道。北京人民醫院放射科的PACS使用美國GE公司的Redworks系統，是一個國際上非常著名的PACS系統。在此基礎上，GE公司與人民醫院合作開發出本地化的RIS系統。該系統采用Linux操作系統及MySQL數據庫，實現了放射檢查的預約、劃價、收費、報告共享及各種統計功能。

◆ 圖像庫系統

即PACS的海量存儲系統。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。

國內對醫療數據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。可以說這將是一個海量的文件服務器，主要根據醫院的規模、每天產生的圖像數量、數據總容量及要求的訪問量來確定其使用的技術框架。

PACS系統中存儲設備的選擇是重頭。大型和特大型醫院(床位1000張或以上)一般采用SAN(存儲區域網絡)、光纖通道的磁盤陣列;中等醫院或大型醫院的一級存儲可以采用NAS、SCSI磁盤陣列、IDE磁盤陣列等。

PACS中存放數據的商用數據庫也是其中重要的部件之一，它將為每個PACS檢索點創建一條相應的記錄，以檢索到原始數據。

在存儲設備和數據庫之間，還有一個關鍵環節，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，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據庫并列，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，其結構與標準的 MIS系統沒有大的差別。通常這類內容管理軟件由系統集成商開發，或者使用第三方內容管理產品，它們將外存設備上的圖像文件與元數據建立有機連接，并提供友好易用的用戶界面，供用戶實現對各類數據的存儲操作。

數據遷移軟件融會PACS的智能。在醫療PACS系統中，分層存儲管理軟件是連接前端數據采集與后端數據存儲的中間環節，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據。

誕生于ATT貝爾實驗室的貝克軟件，其數據保護解決方案可以為PACS系統提供優秀的服務。因為醫療數據除了數量龐大，還兼有私有性、法律文書性質等特點，所以對數據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。

◆ 診斷醫生工作站和臨床醫生工作站

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、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的協同系統，其它功能還包括光盤刻錄、膠片打印等

◆ Web服務器

采用HTTP協議進行數據傳輸，具有完善的權限管理，組成全院的影像Intranet網絡，為將來接入Internet做好準備。網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，如同在局域網中，進行閱片及診斷工作，縮短距離，實現遠程會診。利用Linux Apache服務器可以很好地實現以上功能。

2.管理維護

作為醫院業務頻繁使用的局域網，即使是千兆以太網，當醫院PACS實施以后仍然會遇到帶寬不足、網絡阻塞的情況。之所以規劃二級在線存儲，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在網絡管理方面具有Windows無法比擬的優勢，iptables框架對數據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則，從流量特性上對數據包進行控制，實現對醫院網絡的帶寬調度，分時段將帶寬交給最重要、最緊急的部門使用。

系統開發

幾乎所有的PACS開發人員都從開源項目中獲益，包括DCMTK、eFilm等。目前，國內PACS開發一般采取三種途徑，一是按照標準完全自主版權開發，這種情況要求開發小組有較高的技術水平，第一軍醫大學網絡中心的JW-PACS就屬于這種情況;二是購買國外專業廠商的開發包，進行二次開發，只要根據開發包提供的API就可以實現原包所帶的各種特性，這種情況在技術實現上較容易，但是在購買和升級開發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，同樣要求開發人員有較高的讀碼能力。

基于Linux平臺的開發目前在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平臺上開發工具的熟悉程度，以及國內軟件公司對開發工具的選擇有關。落實到根本上，還是要對Linux平臺開發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，醫療行業內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在醫療行業也會取得驕人業績。