一種基于云計算的醫(yī)學圖像存儲系統(tǒng)及方法
【專利摘要】該發(fā)明公開了一種基于云計算的醫(yī)學圖像存儲系統(tǒng)及方法。本發(fā)明包括存儲層、基礎(chǔ)管理層、應(yīng)用接口層和訪問層四部分。存儲層是醫(yī)學圖像云存儲最基礎(chǔ)的部分，包括醫(yī)學圖像存儲設(shè)備及存儲設(shè)備管理系統(tǒng)。基礎(chǔ)管理層實現(xiàn)醫(yī)學圖像云存儲中多個存儲設(shè)備之間的協(xié)同工作。應(yīng)用接口層按需為用戶分配權(quán)限。訪問層包括能夠訪問醫(yī)學圖像云存儲系統(tǒng)的用戶。該發(fā)明實現(xiàn)了一種基于云計算的具有一體化、跨平臺、高可用、低成本區(qū)域醫(yī)學圖像協(xié)同存儲，不僅能實現(xiàn)海量醫(yī)學圖像的快速存儲，而且能滿足用戶對醫(yī)學圖像的快速訪問，具有一定的實際意義。
【專利說明】—種基于云計算的醫(yī)學圖像存儲系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于云計算的醫(yī)學圖像存儲系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]大多數(shù)醫(yī)院CT、MR1、DSA、CR、DR等醫(yī)療設(shè)備都是采用數(shù)字成像，醫(yī)學圖像資料中常見的CT、MRI的圖像大小大多為512 KB左右，一次拍攝產(chǎn)生的圖像數(shù)量大約為100?200幅，如果直將這些大量的小文件直接存儲，采用傳統(tǒng)存儲架構(gòu)(如FC SAN/iSCSI等)費用極高。二是傳輸帶寬存在瓶頸，即使是高性能的FC SAN，其網(wǎng)絡(luò)帶寬和處理能力也難以達到PB級(即1024TB)數(shù)據(jù)的快速處理和傳輸要求；三是存儲模式采用“在線-近線-離線”，因此醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)不能實時獲取。
[0003]目前，國內(nèi)許多醫(yī)院將DICOM醫(yī)學圖像存儲在PACS系統(tǒng)(醫(yī)學圖像存儲與傳輸系統(tǒng))，PACS系統(tǒng)常用的存儲架構(gòu)主要包括(Network Attached Storage,網(wǎng)絡(luò)附加存儲)和SAN(存儲區(qū)域網(wǎng))，即便是性能和穩(wěn)定性最好的FC SAN,傳輸帶寬目前也只能達到4?8Gb/S,其傳輸帶寬和處理能力難以滿足PB級海量數(shù)據(jù)的處理和傳輸要求。需要大容量的存儲設(shè)備以及高性能的顯示設(shè)備和高速的計算機網(wǎng)絡(luò)，可高昂的費用是建立PACS海量存儲的主要瓶頸。小醫(yī)院沒有資金購買獨立的、私有的存儲設(shè)備，因此醫(yī)學圖像根本無法保存。
[0004]醫(yī)學圖像設(shè)備一次掃描能產(chǎn)生數(shù)百至數(shù)千幅圖像，病人帶走的膠片只包含其中極少一部分圖像，且無法進行參數(shù)調(diào)節(jié)和三維、動態(tài)顯示，診斷價值大打折扣。病人轉(zhuǎn)院時，醫(yī)生多會以此為由要求病人重新檢查，不僅耽誤了病人的治療時間，而且進一步加重了病人的醫(yī)療負擔。實現(xiàn)用戶對醫(yī)學圖像的共享和快速訪問是當務(wù)之急。
[0005]隨著DICOM標準的醫(yī)學圖像海量增長，傳統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)存儲管理方式PACS已不能滿足要求。目前的醫(yī)學圖像存儲，尚缺乏一體化、跨平臺、高可用的區(qū)域醫(yī)學圖像協(xié)同存儲應(yīng)用軟件。因此，如何實現(xiàn)實時、快速、有效地存儲和管理醫(yī)學圖像，存儲系統(tǒng)在吞吐率上滿足大規(guī)模用戶的并發(fā)訪問要求，以及實現(xiàn)資源共享是當前急需解決的問題。
[0006]隨著云計算技術(shù)的飛速發(fā)展，為構(gòu)建低成本、高可用、高性能的區(qū)域醫(yī)學圖像存儲協(xié)作平臺提供了一條有效的途徑。通過高性能、大容量云存儲系統(tǒng)，為無法單獨購買大容量存儲設(shè)備的醫(yī)院提供方便快捷的空間租賃服務(wù)，滿足不斷增加的海量醫(yī)學數(shù)據(jù)存儲和管理服務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于:針對現(xiàn)有醫(yī)學圖像存儲上述存在的問題，提出一種基于云計算的具有一體化、跨平臺、高可用的區(qū)域醫(yī)學圖像協(xié)同存儲系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)海量醫(yī)學圖像的快速存儲，而且能滿足用戶對醫(yī)學圖像的快速訪問。
[0008]本發(fā)明包括存儲層、基礎(chǔ)管理層、應(yīng)用接口層和訪問層四部分。[0009]所述存儲層是云存儲最基礎(chǔ)的部分，主要包括醫(yī)學圖像存儲設(shè)備及存儲設(shè)備管理系統(tǒng)，負責存儲設(shè)備的虛擬化管理、多鏈路冗余管理、硬件設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控和故障維護、設(shè)備升級等。采用虛擬化技術(shù)將醫(yī)學圖像分散到不同的虛擬服務(wù)器進行上存儲和管理，服務(wù)器虛擬化能快速實現(xiàn)動態(tài)遷移，HA(高可用)和負載均衡，提高服務(wù)器的CPU利用效率。所述存儲設(shè)備包括FC光纖通道存儲設(shè)備、NAS和iSCSI等IP存儲設(shè)備、SCSI或SAS等DAS存儲設(shè)備，彼此之間通過廣域同、互聯(lián)網(wǎng)或者FC光纖通道網(wǎng)絡(luò)連接在一起。
[0010]所述基礎(chǔ)管理層是云存儲最核心的部分，利用了集群系統(tǒng)、分布式文件系統(tǒng)和網(wǎng)格計算等技術(shù)，云存儲分布式文件系統(tǒng)將文件按照一定大小分割成數(shù)據(jù)塊，存儲多個節(jié)點中，保證了數(shù)據(jù)的安全。
所述基礎(chǔ)管理層能進行數(shù)據(jù)加密、權(quán)限管理等管理技術(shù)，以確保云存儲中的數(shù)據(jù)正確的用戶訪問權(quán)限，保證云存儲的穩(wěn)定和安全。所述分布式文件系統(tǒng)為并行虛擬文件系統(tǒng)(Parallel Virtue File Systems,簡稱 PVFS)。
[0011]實現(xiàn)云存儲中多個存儲設(shè)備之間的協(xié)同工作，并負責解決了醫(yī)學圖像的海量存儲，也能保證長時間在線圖像瀏覽。采用虛擬化快速為各醫(yī)療機構(gòu)提供IaaS模式的主機租用服務(wù)，為醫(yī)院門戶網(wǎng)站、服務(wù)器熱備、高性能計算等應(yīng)用提供硬件資源。
[0012]所述應(yīng)用接口層是云存儲最靈活多變的部分，能根據(jù)醫(yī)學圖像用戶訂購的服務(wù)為用戶分配權(quán)限，為不同的用戶提供不同的API接口及應(yīng)用軟件，同時提供網(wǎng)絡(luò)接入、用戶認證等功能。同時實現(xiàn)后端醫(yī)學圖像存儲設(shè)備的集群工作，利用系統(tǒng)的控制單元和管理單元實現(xiàn)整個系統(tǒng)的管理，數(shù)據(jù)的分發(fā)、處理，處理結(jié)構(gòu)的反饋。確保云存儲中的數(shù)據(jù)有效地存儲，盡量使用和占用更少的空間和占用更低的傳輸帶寬，從而為醫(yī)學圖像用戶提供更高效的服務(wù)。
[0013]所述訪問層包括能夠訪問云存儲系統(tǒng)的用戶，無論使用者在任何地方，都可以通過一個網(wǎng)絡(luò)接入線纜和一個用戶、密碼，就可以接入廣域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，享受云存儲服務(wù)，訪問想要看的醫(yī)學圖像。所述訪問云存儲系統(tǒng)的用戶包括病人、醫(yī)生、會診專家學者，所用的設(shè)備包括Ipad，手機、筆記本，PC機等。
[0014]利用上述系統(tǒng)進行存儲的方法:(1)醫(yī)院先將醫(yī)學圖像存儲在PACS系統(tǒng)，醫(yī)院再通過VPN和Internet與云連接，將醫(yī)學圖像傳輸?shù)皆贫朔?wù)器；采用圖片轉(zhuǎn)換大師將醫(yī)學圖像格式進行壓縮轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一 PNG格式；(2)由云端服務(wù)器對醫(yī)學圖像進行Iaas服務(wù)；
(3)在Ecalyptus私有云數(shù)據(jù)庫平臺，采用并行虛擬文件系統(tǒng)存儲海量醫(yī)學圖像。
[0015]本發(fā)明具有的有益效果是:
(I)該發(fā)明實現(xiàn)了一種基于云計算的具有一體化、跨平臺、高可用、低成本區(qū)域醫(yī)學圖像協(xié)同存儲方法，醫(yī)院無需要購置昂貴的設(shè)備，只需要將海量醫(yī)學圖像傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，采用并行虛擬文件系統(tǒng)統(tǒng)一存儲和管理，以便終端用戶能夠以極大的敏捷性和速度使用虛擬化IT服務(wù)和資源。具有低成本、高效、高敏捷和可擴展性的特點。
[0016](2)采用并行虛擬文件系統(tǒng)存儲海量醫(yī)學圖像資料，適合“流式”訪問，即一次寫入，多次讀取，用戶可以通過標準的公共應(yīng)用接口登錄云存儲系統(tǒng)，查看醫(yī)學圖像，即方便了醫(yī)生診斷，也避免了病人轉(zhuǎn)院時的不必要的重復檢查，從而減輕了居民的醫(yī)療負擔。
[0017](3)采用圖片轉(zhuǎn)換大師將DICOM格式進行壓縮轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的格式PNG格式進行存儲；如原DICOM大小為38M的醫(yī)學圖像，采用圖片轉(zhuǎn)換大師進行無損壓縮后期圖片大小僅僅 為229KB，可以大大縮小存儲空間和加快傳輸速度。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
[0019]圖1是本發(fā)明提供的基于云計算的海量醫(yī)學圖像存儲系統(tǒng)構(gòu)架；
圖2是醫(yī)學圖像DICOM壓縮方法流程圖；
圖3是圖1并行虛擬文件系統(tǒng)(PVSF)醫(yī)學圖像存儲結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0020]請參閱圖1，本發(fā)明實施例提供一種基于云計算的醫(yī)學圖像存儲系統(tǒng)。系統(tǒng)的架構(gòu)模型包括存儲層、基礎(chǔ)管理層、應(yīng)用接口層和訪問層。
[0021]如圖1中所示的醫(yī)院通過Intranet連接將收集到的DICOM (醫(yī)學數(shù)字圖像)存儲在PACS系統(tǒng)(醫(yī)學圖像存儲與傳輸系統(tǒng))，醫(yī)院再通過VPN (virtual private network)和Internet與云連接，將海量醫(yī)學圖像傳輸?shù)皆贫朔?wù)器。再由云端服務(wù)器對DICOM進行基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(Iaas, Infrastructure as a Service)、平臺即服務(wù)(Platform as aService,PaaS)和軟件即服務(wù)(Software as a Service, SaaS)。將醫(yī)學圖像分解成合適的模塊，以Web service的形式封裝后，部署在ESB (企業(yè)服務(wù)總線)上，作為基礎(chǔ)服務(wù)，然后通過業(yè)務(wù)流程執(zhí)行語言(BPEL)將基礎(chǔ)服務(wù)編排成具有一定功能的流程服務(wù)，再以Webservice的形式注冊到ESB上，然后在SOA架構(gòu)的基礎(chǔ)上開發(fā)SaaS模式的醫(yī)學圖像存儲應(yīng)用系統(tǒng)和PaaS模式的開發(fā)平臺。如圖2所示，采用圖片轉(zhuǎn)換大師將DICOM格式進行壓縮轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的格式PNG格式進行存儲；如原DICOM大小為38M的醫(yī)學圖像，采用圖片轉(zhuǎn)換大師進行無損壓縮后期圖片大小僅僅為229KB，可以大大縮小存儲空間和加快傳輸速度。
[0022]基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)Iaas，其關(guān)鍵技術(shù)是硬件資源的虛擬化。本發(fā)明中采用Eucalyptus 3.2開源的基礎(chǔ)構(gòu)架服務(wù)軟件。Eucalyptus選擇Xen和KVM作為虛擬化的管理程序。Eucalyptus包含5個主要組件,這些組件使用具有WS-Security的SOAP消息傳遞安全地相互通信，它們能相互協(xié)作共同提供所需的云服務(wù)。所述的5個主要組件為:存儲控制器(Walrus,簡稱 W)、云控制器(Cloud Controller (CLC 簡稱 CLC 或者 “cloud”)、集群控制器(Cluster Controller ,簡稱 CC)、節(jié)點控制器(Node controller,簡稱 NC)、存儲控制器(Storage Controller,簡稱 SC)。
[0023]客戶端依賴于解決方案，以瀏覽器腳本、一個用戶空間應(yīng)用程序、以及一個內(nèi)核模塊的形式出現(xiàn)。云控制器是從客戶端進入云的接口，并為云提供邏輯決定。云控制將客戶端的請求轉(zhuǎn)化為事務(wù)。集群控制器是一個節(jié)點控制器集合，負責狀態(tài)信息及虛擬機之間進行交互。節(jié)點自身是通過管理程序(Xen或者KVM)來與在線以及離線虛擬機進行交互的。一個Eucalyptus云安裝可以聚合和管理來自一個或多個集群的資源，在一個集群中可以有一個或多個NC實例，每個實例管理虛擬實例的實例化和終止。自動負載平衡功能，本次新增了存儲特性支持。存儲控制器SC將自動管理存儲資源的位置和虛擬機負載平衡，資源分配進行自動化管理。
[0024]以下是所述五個主要組件具體負責的功能:
云控制器負責管理整個系統(tǒng)，是所有用戶和管理員進入Eucalyptus云的主要入口。所有客戶機通過基于SOAP或REST的API只與CLC通信。由CLC負責將請求傳遞給正確的組件、收集它們并將來自這些組件的響應(yīng)發(fā)送回至該客戶機。這是Eucalyptus云的對外“窗口”。集群控制器負責管理整個虛擬實例網(wǎng)絡(luò)。請求通過基于SOAP或REST的接口被送至集群控制器，并開啟虛擬實例的請求路由到具有可用資源的節(jié)點控制器。節(jié)點控制器控制主機操作系統(tǒng)及相應(yīng)的Xen或最近的KVM。存儲控制器W管理對Eucalyptus內(nèi)的存儲服務(wù)的訪問。請求通過基于SOAP或REST的接口傳遞至Walrus。存儲控制器SC與Walrus聯(lián)合工作，用于存儲和訪問虛擬機映像、內(nèi)核映像、RAM磁盤映像和醫(yī)學圖像用戶數(shù)據(jù)。
[0025]所述軟件即服務(wù)SaaS，SaaS提供跨平臺操作使用。對于使用不同操作平臺的用戶來說，不需要再擔心你使用的是Windows還是Linux操作平臺，通常只要用瀏覽器就可以連接到云服務(wù)平臺。用戶只要能夠連接網(wǎng)絡(luò).就能隨處可使用所需要的服務(wù)。另外，SaaS基于WAP (無線應(yīng)用協(xié)議)的應(yīng)用，當醫(yī)院規(guī)模擴大時只要開啟新的連接，無需購置新的基礎(chǔ)設(shè)施和資源，而一旦企業(yè)規(guī)?？s小只要關(guān)閉相應(yīng)連接即可，這樣，醫(yī)院可以避免被過多的基礎(chǔ)設(shè)施和資源所牽累。同時用戶也可以通過網(wǎng)絡(luò)使用軟件，不需一次性購買軟件、硬件，也不需要維護和升級。SaaS運營商統(tǒng)一安裝、升級、維護軟硬件。
[0026]所述平臺即服務(wù)PaaS，也是SaaS模式的一種應(yīng)用。是指將軟件研發(fā)的平臺作為一種服務(wù)，以SaaS的模式提交給醫(yī)學圖像用戶。即另一種層面的SaaS，它主要側(cè)重于系統(tǒng)平臺方面，包括開發(fā)環(huán)境、數(shù)據(jù)庫等。因此，通過遠程Web服務(wù)使用數(shù)據(jù)即服務(wù)(Data-as-a-Service:數(shù)據(jù)即服務(wù))，還可以使用可視化的API。醫(yī)學圖像用戶可以使用云計算提供商的軟硬件環(huán)境開發(fā)自己的程序并通過其網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器發(fā)布。
[0027]圖3是圖1所述并行虛擬文件系統(tǒng)(Parallel Virtue File Systems,簡稱PVFS)的醫(yī)學圖像存儲結(jié)構(gòu)圖，為Linux集群提供了高性能和可擴展行的并行文件系統(tǒng)。PVFS以文件形式存儲元數(shù)據(jù)，由一臺或多臺元數(shù)據(jù)服務(wù)器管理。PVFS采用分片的形式存儲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分片均勻連續(xù)的存儲在設(shè)有編號的存儲服務(wù)器ION上，這樣可以實現(xiàn)文件數(shù)據(jù)的并行存取，為用戶提供聚合帶寬。PVFS將醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)存儲到多個集群節(jié)點中，數(shù)據(jù)保存在這些節(jié)點的本地文件系統(tǒng)之中，然后多個客戶端可以并行同時訪問這些數(shù)據(jù)。
[0028]圖3所示為PVSF該部分用來對虛擬磁盤文件空間進行組織和分配存儲醫(yī)學圖像，具體地說它負責為用戶創(chuàng)建并格式化虛擬磁盤文件，建立文件，存入、讀出、修改以及刪除文件。醫(yī)學圖像存儲請求通過基于SOAP或REST的接口傳遞至Walrus，存儲控制器SC與Walrus聯(lián)合工作，與并行虛擬文件系統(tǒng)、計算結(jié)點、S3元數(shù)據(jù)庫相連，用于存儲和訪問虛擬機映像、內(nèi)核映像、RAM磁盤映像和醫(yī)學圖像用戶數(shù)據(jù)。
[0029]PVFS系統(tǒng)有4個主要的模塊:元數(shù)據(jù)服務(wù)器(mgr)、I/O服務(wù)器(iod)、PVFS本地API (Iibpvfs)和PVFS Linux內(nèi)核支持。PVFS使用了三種類型的節(jié)點:管理節(jié)點、I/O節(jié)點和計算節(jié)點。元數(shù)據(jù)服務(wù)器，稱為mgr，管理著PVFS文件的元數(shù)據(jù)。(元數(shù)據(jù)是描述文件信息的文件)；I/O節(jié)點運行I/O服務(wù)器，存儲文件系統(tǒng)的文件數(shù)據(jù)，負責數(shù)據(jù)的存儲和檢索，這些服務(wù)器在本地節(jié)點上創(chuàng)造真實的存在的文件。它們使用傳統(tǒng)的read O ,write O和mmap O訪問這些文件。這意味著能使用像本地文件一樣的格式來存儲數(shù)據(jù)。計算節(jié)點則處理應(yīng)用訪問，利用Iibpvfs這一客戶端的I/O庫，從底層訪問PVFS服務(wù)器。
[0030]PVFS的運行機理如下:當打開、關(guān)閉、創(chuàng)建或刪除文件時，計算節(jié)點上的一個應(yīng)用便通過Iibpvfs與元數(shù)據(jù)服務(wù)器通信。在管理節(jié)點定位到一個文件之后，應(yīng)用Iibpvfs直接聯(lián)系相應(yīng)的I/O節(jié)點進行讀寫操作，而不必與元數(shù)據(jù)服務(wù)器通信，元數(shù)據(jù)信息采用分布存儲和管理的方式，消除了 PVFS中元數(shù)據(jù)集中存儲和管理而導致的訪問瓶頸，因此用戶訪問效率大大提高。
【權(quán)利要求】
1.一種基于云計算的醫(yī)學圖像存儲系統(tǒng)，其特征在于:包括存儲層、基礎(chǔ)管理層、應(yīng)用接口層和訪問層四部分； 所述存儲層是醫(yī)學圖像云存儲最基礎(chǔ)的部分，包括醫(yī)學圖像存儲設(shè)備及存儲設(shè)備管理系統(tǒng)，龐大的存儲設(shè)備分布在不同地域，通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起；負責醫(yī)學圖像存儲設(shè)備的虛擬化管理、多鏈路冗余管理、硬件設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控和故障維護、設(shè)備升級； 所述基礎(chǔ)管理層是醫(yī)學圖像云存儲最核心的部分，利用了集群系統(tǒng)、分布式文件系統(tǒng)和網(wǎng)格計算技術(shù)，實現(xiàn)醫(yī)學圖像云存儲中多個存儲設(shè)備之間的協(xié)同工作，并負責醫(yī)學圖像的海量存儲，為用戶提供更大更強更好的醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)訪問性能，并且保證長時間在線圖像瀏覽； 所述應(yīng)用接口層是醫(yī)學圖像云存儲最靈活多變的部分，按需為用戶分配權(quán)限，為不同的用戶提供不同的API接口及應(yīng)用軟件、網(wǎng)絡(luò)硬盤引用平臺、遠程數(shù)據(jù)備份應(yīng)用平臺等，同時提供網(wǎng)絡(luò)接入和用戶認證等； 所述訪問層包括能夠訪問醫(yī)學圖像云存儲系統(tǒng)的用戶，只要通過一個網(wǎng)絡(luò)接入線纜和一個用戶、密碼，就可以接入廣域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，享受醫(yī)學圖像云存儲服務(wù)，訪問想要看的醫(yī)學圖像； 所述存儲設(shè)備包括FC光纖通道存儲設(shè)備、IP存儲設(shè)備、DAS存儲設(shè)備，彼此之間通過廣域同、互聯(lián)網(wǎng)或者FC光纖通道網(wǎng)絡(luò)連接在一起。
2.利用權(quán)利I要求所述的系統(tǒng)進行醫(yī)學圖像云存儲的方法，其特征在于該方法包括以下步驟: 步驟(I)醫(yī)院先將醫(yī)學圖像存儲在PACS系統(tǒng)，醫(yī)院再通過VPN和Internet與云連接，將醫(yī)學圖像傳輸?shù)皆贫朔?wù)器；采用圖片轉(zhuǎn)換大師將醫(yī)學圖像格式進行壓縮轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一PNG格式； 步驟(2)由云端服務(wù)器對醫(yī)學圖像進行Iaas服務(wù)； 步驟(3)在Ecalyptus私有云數(shù)據(jù)庫平臺，采用并行虛擬文件系統(tǒng)存儲海量醫(yī)學圖像。
【文檔編號】H04L29/08GK103607435SQ201310542567
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月5日
【發(fā)明者】袁友偉, 俞東進, 李萬清, 鄢臘梅 申請人:杭州電子科技大學