（信号与信息处理专业论文）基于PQRM的PACS系统的设计与实现.pdf

北京邮电大学硕士研究生学位论文 基于p q r m 的p a c s 系统的设计与实现 摘要 医学影像存档与通信系统( p a c s 1 系统一p i c t u r ea r c h i v i n ga n d c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 广泛应用于医院等医疗机构，用来获取、传 输数字医疗图像，以及数字化存储医疗图像。它很大程度上提高了医 疗系统的信息效率。如今，现代高级医疗应用需要p a c s 系统演变成 一个更精密的系统，使其可以与其他医疗系统进行有效的通信。但是， 现有的p a c s 系统被设计成仅仅应用在一个医院局域网路( l 蝌) 中。 而且在p a c s 系统中使用的d i c o m e 【2 标准，不能保证医疗资料文 件传输的q o s ，般和有狂何的安全保障功能。 本文中，我们研究了如何应用网格技术来满足高级医疗应用提出 的要求，尤其是如何把分布式的p a c s 系统有效得整合起来，并保障 0 0 s 和降低成本。 首先，我们研究了现有p a c s 系统和d i c o m 协议存在的问题。 然后，我们提出了一个和基于法定策略的资源管理系统( p q r m 系统 - - p o l i c yq u o r u mb a s e dr e s o u r c em a n a g e m e n t ) 相结合的p a c s 系统， 即p q r m b a s e dp a c s 系统。p q r m 系统可以根据策略有效地管理和 分配网格环境中的存储和计算资源，保证可靠医疗服务q o s 。最后， 我们测试在真实情况医疗情景下，p o i 蝴b a s e dp a c s 系统较原有的 p a c s 系统的优越性。结果表明：p q r m b a s e dp a c s 系统可以提供更 为先进医疗服务功能，通过最优资源选择和灾难恢复能力，提高了医 疗通信传输可靠性。 关键字：p a c sp q r md i c o m 协议 北京邮电大学硕上研究生学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fp q r m - b a s e dp a c ss y s t e m a b s t r a c t p i c t u r ea r c h i v i n ga n dc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ( p a c s 、) i sw i d e l y u s e di nh o s p i t a l st ot a k em e d i c a li m a g e s t os e n dt or a d i o l o g i s t so r d o c t o r sa n dt os t o r ei n t os t o r a g ei nad i g i t a lm a n n e r , t h a th a sb r o u g h th i g h e f f i c i e n c yi nam e d i c a lp r o c e s s r e c e n t l y , t h ep a c si sr e q u i r e dt oe v o l v e i n t oam o r es o p h i s t i c a t e ds y s t e mt h a ti sa b l et oc o m m u n i c a t ew i t ho t h e r m e d i c a ls y s t e r r t h ee x i s t i n gp a c sh a sal i m i t a t i o nt oe x t e n di t s e l f b e c a u s et h a ti t f i a sb e e nd e s i g n e dt ou s ei nal o c a la r e an e t w o r k ( l a n ) o fh o s p i t a la n dt h a td i c o m ，t h es t a n d a r du s e db yp a c s ，d o e s n th a v e o f p a c sb yg r i dt e c h n o l o g y ；e s p e c i a l l yh o wt oi n t e g r a t ed i s t r i b u t e dp a c s s y s t e mi n t oap a c sf e d e r a t i o nw i t hg u a r a n t e e dq o sa n dr e d u c e dc o s t t o d ot h a t w er e v i e w e da b o u tt h ep r o b l e m so fe x i s t i n gp i a c ss y s t e m sa n d t h el i m i t a t i o no fd i c o ms t a n d a r da tf i r s t t h e n w ep r o p o s eap a c s s y s t e mo v e rp o l i c yq u o r u mb a s e dr e s o u r c em a n a g e m e n t ( p q r m ) s y s t e m ，w h i c hm a n a g e st h es t o r a g er e s o u r c e sa n dc o m p u t i n gr e s o u r c e si n t h e 嘶de n v i r o n m e n tt op r o v i d es a t i s f y i n gs e r v i c e sf o ru s e rr e q u i r e m e n t s f i o m s l a f i n a l l y , w eh a n d l e ds e v e r a le x p e r i m e n t st o s h o wt h e s u p e r i o r i t yo fo u rn o v e ls y s t e mt oe x i s t i n gp a c ss y s t e m s a n dt e s tt h e r e a ls i t u a t i o nm e d i c a ls c e n a r i o t h r o u g ht h er e s u l t so ft h et e s t s 。w ec a l l s e et h a tw h i l ep q r m b a s e dp a c sp r o v i d i n gt h ec a p a b i l i t yf o ra d v a n c e d m e d i c a ls e r v i c e si tg u a r a n t e e st h eq o si ns e v e r a la s p e c t s k e yw o r d s ：p a c sp q r md i c o m 北京邮电大学硕士研究生学位论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期：塑蚴 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学 位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本 学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 区 堕 弓一班血： 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 近代，随着医学影像技术的发展，出现了各种医学成像的方法和设备，如x 线透视和摄影、x 线计算机断层术( x - c t ) 、数字减影血管造影术( d s a ) 、核医学 ( n m ) 、核磁共振( n m r ) 、超声成像( u s ) 等，这些成像设备产生的医学影像已成 为医生诊断疾病的重要依据，但同时也产生了一个新的问题：医疗图像数据文件 呈海量增长，需要占用大量的存储空间，如何处理和储存这些堆积如山的有价值 的信息。另一方面，各类图像常常需要在科室内部之间、医院之间进行传递，以 满足医疗诊断、治疗、远程会诊和教学的需要。但大部分图形显示在监视器屏幕 上，需要时硬拷贝到胶片或纸上，这就出现了需要高速检索、及时调用及有效利 用图像资源与人工检索速度慢、传送效率低之间的矛盾，有时还发生图片在传递 过程中的丢失、存档出错而无法查找等事件。于是，医学图像存储与通信系统 p a c s ( p i c t u r ea r c h i v i n ga n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ) 的出现，有效地解决了这些 问题。 早期的p a c s 系统多采用封闭的集中体系结构，它在医院影像科等有关科室 小范围内成功地实现了医学图像文件的共享。d i c o m 标准的提出和采用，使得 p a c s 能否直接从医学成像设备采集影像数据，并具备了初步的网络通信能力。 今年来，随着符合d i c o m 标准的数字化医疗设备在临床医学诊断中的大量采用， 医疗数据急剧增长，传统的基于客户机服务器模式的p a c s 系统在负载均衡、 扩展集成以及升级维护等方面遇到了很多难题。特别是随着网络技术的发展，如 何共享和利用现有的分散的、多模式的医学图像信息，以充分发挥其在医疗过程 中的作用变得越来越重要。因此，实现多种模式的医疗图像信息的整合，以及分 布式的系统的建立互联成为p a c s 技术的发展方向。 为了满足上述要求，国内外一些研究人员开始尝试将网格技术应用到p a c s 体系中。网格技术是近年来国际上兴起的一项重要技术。它的目标是改变互联网 上资源利用效率低的现状，实现网络虚拟环境上的高性能网络资源共享和协调工 作。网格技术和p a c s 结合的例子有：m a m m o g r i d 4 】是一个在英国和意大利广 泛应用的医疗网格构架。它通过“信息构架 连接各个放射图像工作站，并且使 用分布式存储模型来保存医疗数据。g l o b u sm e d i c u s 5 使用网格技术，把全球 范围网络上的独立的计算、存储、数据管理资源整合在一起。w 忡b 嬲e d t e l e p a c s 6 能使用户通过网络浏览器访问和提取医疗信息和图像。上述这些现 有的g r i d e n a b l e dp a c s 系统，虽然有一部分涉及到了存储管理，但是都没有涉 及到传输可靠性、最佳资源选择、网络突发灾难处理等问题。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 2 课题主要研究内容和工作目标 本文研究的目标是如何把现有分散的p a c s 系统有效整合起来，从而提高系 统功能效率和各项服务q o s 。首先，我们研究了现有p a c s 系统和d i c o m 协议 存在的问题。然后，我们提出了一个和基于法定策略的资源管理系统( p o l i c y q u o r u mb a s e dr e s o u r c em a n a g e m e n t - - p q r m 系统) 相结合的p a c s 系统，即 p q r m - b a s e dp a c s 系统。p q r m 系统可以根据策略有效地管理和分配网格环境 中的存储和计算资源，保证可靠医疗服务q o s 。为了实现p q r m 和p a c s 系统 的融合，我们使用w e bs e r v i c e 机制来构架分层的p q r m - b a s e dp a c s 系统。最 后，我们进行测试。在真实情况医疗情景下，把p q r m - b a s e dp a c s 系统于 p a c s o n l y 系统、s r b b a s e dp a c s 系统进行比较。结果表明：p q r m b a s e dp a c s 系统可以提供更为先进医疗服务功能，通过最优资源选择和灾难恢复能力，提高 了医疗通信传输可靠性。 1 3 论文结构 本论文的组织结构和内容安排如下： 第一章绪论 本章介绍了论文的研究背景、p a c s 系统的现状；然后介绍了本文的主要工 作，把现有分散的p a c s 系统有效整合起来，从而提高系统功能效率和各项服务 q o s ；最后介绍了本文的组织结构。 第二章p a c s 及其相关系统 本章首先介绍了p a c s 系统的由来和发展历程，分析了p a c s 系统的优缺点； 然后介绍了s r b b a s e dp a c s 系统以及其他一些实用的g r i d e n a b l ep a c s 系统； 最后介绍了基于法定策略的资源管理系统( p q r m 系统) 。 第三章p q r m - b a s e dp a c s 系统的设计与实现 本章首先介绍提出了p q r m - b a s e dp a c s 系统的结构框架，定义了 p q r m - b a s e dp a c s 系统几项重要功能：存储资源管理、计算资源管理、通信功 能、q o s 保障。然后介绍了资源监测系统及与p q r m 的整合，最后假定了一个 医疗应用场景，来叙述p q r m b a s e dp a c s 系统的应用。 第四章测试评估 北京邮电大学硕士研究生学位论文 本章通过实验测试，比较了p a c s - o n l y 系统、s r b b a s e dp a c s 系统以及 p q r m b a s e dp a c s 系统。通过实际通信传输测试，展现p q r m - b a s e dp a c s 提供 的q o s 保障功能：最佳资源路径选择、灾难恢复、成本优化，体现p q r m b a s e d p a c s 相比较前两种系统的优越性。 第五章总结 北京邮电人学硕j 二研究生学位论文 2 1 p a c s 系统 第二章p a c s 及其相关系统 2 1 1p a c s 系统结构 一个完整的医学图像存储与通信系统( p a c s ) 是由图像获取设备，打印设备， 存储和显示子系统及应用软件组成。p a c s 系统的构思就是将各种模式的图像转换 为大容量的数字档案格式，并月通过局域网( l a n ) 把从一方的图像档案传输到多 个p a c s 工作站上。p a c s 系统缩短了因为放射诊断和药物治疗而造成的信息流的延 误。此外，它大大降低了传统医疗图像存储带来的损失，并提高了医疗图像的查 找速度。图2 一l 给出了p a c s 的示意图，图2 2 描述了p a c s 系统的组成部分。 r a ，1 埠：t n “l 她m m 一晰h 图2 - 1 常见的p a c s 系统 近些年来，p a c s 系统的相关设备和技术已经日渐成熟，包括显示设备，工作站， 海量存储和d i c o m 标准。p a c s 系统所有档案的医学图像均用于医院日常的临床 诊断中。在美国，平均每个医院拥有3 0 0 5 0 0 张病床。每年需要大约有5 7t b 的存储空问用于存储各类的医学压缩图像。 北京邮电人学硕十研究生学位论文 ，| 、- 、一一一， 鬻麟缓剿麟鲫攀麟熬夔骥i 烈 一p a c sd a 怡c a nb ef i l t e r e di os 目停t a i l o r e di o rd i f i e r 自n la d d c o r b w e b b a s e di m a g e “e w l n g 倍d b 如nt h e r a p ys e r v e r ，a n de d u c t i o ns e r v e r 、，_，_，。-。_-，。_。，_-。_。-_-。-_，_，。-。_。_。，_。_-， 图2 - 2 常见的p a c s 系统组成部分 p a c s 的优点： l 、它可快速、方便地在临床、急诊科室随时调阅胶片图像进行读片与诊断， 提高了工作效率，避免了胶片在传递过程中丢失，成为医院现代化的管理手段。 2 、开展复合影像诊断、开展多学科会诊，克服时间和地域上的限制，使医 护人员能为各类患者提供及时的诊断、治疗和护理。 3 、便于图像传递和交流，实现数据共享，发挥教学医院的教学和支持作用， 从而在整体上提高医院的诊断质量、效率和教学、科研水平。 4 、极大地改变了传统影像科与其他科室的关系，它的大范围运用必将对放 射学实践产生极其深刻的影响，促进更加专业化的发展，迫使行业内出现更为激 烈的竞争。 5 、节约了胶片开支及其管理费用，从而进入无胶片时代。 目前，本地的p a c s 系统可以提供高速传输速率，大存储空间，高安全性和 可靠性等优良服务。而整合的p a c s 系统，一方面可以使得医学诊断和医学研究 领域进入一个全新的时代，但另一方面，通过m a n w a n 的传输降低了传输速率， 诱发安全问题，降低了系统的可靠性，并使得系统管理错综复杂。 在长远的观点来看，未来的医疗诊断领域，将需要不同的医疗设备之间以及 不同的医疗机构之问的庞大的数据交换。因此在数据搜索和传输过程中，应保证 较高的性能和安全性。从最终用户视角看，他们不需要知道系统的内部结构。这 个分布式整合系统应作为一个单一的系统展现在用户面前。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 2 1 2 医疗环境及其特点 对医疗环境的详细检测有助于充分认识这个领域今后的发展要求和趋势。 a 典型的医疗检测 在医疗机构中，典型的医疗检测就是我们所谓的“医疗检查 。他是按照 病人和病人的相关医师的要求而作一系列的测试。例如，影像学检查，数据信息 是由专业医生从病人的x 光图像的解读中获得。拟定一个典型的医学检查，从逻 辑上可分为四个步骤：转诊，检查，研究和报告。 1 0 b 医疗会诊 在病人的诊断治疗中，医疗会诊是最重要的环节之一。它是参与治疗的医师 和专家相互协商的一个过程。也就是说在会诊过程中，医生和专家交换针对病人 情况的信息和意见，如： 在早期阶段的保健治疗时，医师可征询一个或一个以上的专科医生做出 治疗计划； 医师在收到一份检查报告后，他可能需要专科医生给出的更深入的诊疗 信息。 在不同部门或医疗机构的同事之间进行协商。 目前，这样的协商过程可以通过很多途径。比如医生和专科医生之间面对面 的谈话，电话交谈，或者是一系列的书写方式交换的信息等。面对面的协商需要 双方在同一时间同一地点。一旦双方拥有多重职责，他们就很难安排时间来处理 此类会诊。时间因素是至关重要的，因为治疗需要等待协商结果。 8 9 c 多媒体一一医疗信息的本质 医疗系统中的数据有很多种类型。他们是各种症状信息，病人的个人统计资 料( 姓名，出生日期等) ，医疗记录( 如，血液) ，图像( x 光片，c 1 l 扫描或超声 图片) 。医学资料可以通过以计算机为基础的通讯系统，进行共享和分发。共享， 是可以允许同时存取，并且用户在不同的地方。分发是指我们远程地以数据的形 式收集和交换医疗信息。 数字化医学有若干种形式改善病人的治疗。第一，快速地进入所有的病人的 医疗信息，进而进一步了解病例，并加快诊断。第二，共享病人数据，可以简化 专家和主治医师之间的磋商，进而节省双方的时间和降低错误诊断的可能性。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 2 1 3p a c s 系统存在的问题 现有的p a c s 系统存在一些问题。首先，病人的病历信息可能不在当地医生 那里。这样就会导致延长了医生的诊疗时间，对病人的情绪也有一定影响。其次， 医生和专家直接的会诊也存在一定难度。跨地区的不同医生要对某个病人进行会 诊，要求双方能够时实通信，病人的医疗图像资料需要在医生直接共享、传送和 操作。这都是现有p a c s 系统难以做到的。再次，p a c s 系统通信使用的d i c o m 协 议没有对数据的管理和传输提供任何q o s 保障。下一部分我们将单独讨论d i c o m 协议。 2 2d i c o m 通信标准 d i c o m 标准的全称是医学数字成像与通讯( d i g i t a li m a g i n ga n d c o m m u n i c a t i o ni nm e d i c i n e ) 。d i c o m 3 0 标准是北美放射学院a c r 和美国电子 厂商协会n e i a ，联合于1 9 9 3 年发行的版本目前，各种最新生产的c tm r ib 超 和x 光机等一般都遵循d i c o m3 0 标准。在d i c o m 标准之前医院必须采用由厂 家提供的设备接口来获取特定放射医学设备的数字图象，同时当医院需要增加新 型设备时，由于不同厂家生产的设备存在实现上的差异，限制了设备间的互操作 性。这时医院为了保持与旧设备之间的兼容性，往往别无选择只能购买某一家的 医疗设备。但是有了这样一个标准之后，只要是符合该标准的医疗放射图象设备 均可以通过标准接口与网络通信设备互连。这样医院从此无需担心购买某厂家的 设备就得终身受制于它了。同时该标准保证了在不同的地区和国家医院之间方便 地交换医学图像信息，推动了远程医疗向地域化全球化发展。 1 0 d i c o m 标准的制定目的之一就是为了方便p a c s 中各种设备之间的互连，推 动p a c s 的发展。理论上讲如果使用d i c o m 标准实现支持d i c o m 3 0 标准的设备 间的互连，只需对其进行简单的配置就可以实现设备互连并可直接与符合工业标 准的计算机网络相连接，实现高效率的图像传输。通过d i c o m 3 0 可方便地连接 c tm r i 和其它核医学成像设备，也可与胶片数字化仪和计算机化a 光照相设备 相连。同时d i c o m 3 0 也保证了医学图像信息与r i s h i s 等信息系统之间的通 信。因此d i c o m 3 0 标准的推广与采用将有力地推动p a c s 远程会诊、远程医疗 等相关领域的发展。可以说无论在提高医疗水平方面，还是在提高与医学影像及 其信息有关的经济效益方面，d i c o m 3 0 标准的出现为医疗机构也为整个社会带 来了全新的机会。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 2 3s r b b a s e dp a c s 系统 实验室从2 0 0 6 年开始研究基于s r b b a s e dp a c s 系统，并设计了连接p a c s 和s r b 之间的接口 9 。其中，s r b 被看作是p a c s 的一个数据关系元件。该接口 软件叫做g r i di n t e r m e d i a t e ( 回，它由两个部分组成，分别连接p a c s 和s r b 。 图2 - 3s r b - b a s e dp a c s 系统结构 我们使用一个m c a t e n a b l e 的s r b 的服务器和五个n o n - m c a t 的s r b 的服务 器来研究s r b b a s e dp a c s 的性能。我们的服务器的系统实现如图所示。客户工 具包连接到支持m c a 服务器。在基于s r b 的p a c s 客户端可以从虚拟文件夹中查 看、操作这些文件。 我们在研究中测试了传输速率和复制功能。s r b 只能手动复制文件。存储资 源也没有被很好的方式监控并管理。最重要的是，虽然s r b 的p a c s 系统能够处 理远程通信进行数据交换，但是没有提供容错功能和成本优化，而这两点在一个 稳定的系统中是至关重要的。 2 4 现有的g r i d e n a b l ep a c s 系统 采用g r i d 技术联合d i c o m 和p a c s 形成一个虚拟组织现存都以下一种解决方 案。m a m m o g r i d 1 0 1 1 1 2 是这样一种架构，它采用一种“信息架构”管理 和存在于多个在意大利和英国的分布式数据库，雅隔连接网格中的放射工作站。 它采用网格服务管理分布式的胸部x 线照片。然而，它实际上是多个胸部x 线照 片的数据库的联合体。很多情况下，我们需要接入到各种类型的数据资源，比如 l i n u x 文件系统，m y s q l 数据库，o r a c l e 数据库等等。因此，一个能把这些资 源解析成上层中间件可读可写的通俗地接口是很有必要的。g l o b u sm e d i c u s 13 哥一堕匍一 北京邮电大学硕士研究生学位论文 利用网格技术，通过公共网络安全地联合全球范围内独立操作的运算，存储和数 据管理资源。网格管理的设计是基于网关的概念，在d i c o m 域和v o 建立桥梁。 图2 - 4m e d i c u sg a t e w a y 【13 】 这些元件自上而下与现有的g l o b u s 技术中融合： 1 m y p r o x y 用于创建委任的代理和网格认证管理( g r i d n e s a u i u c e d u m y p r o x y ) 。 2 g r i d s h i b 和i n t e r n e t 2s h i b b o l e t h ( s h i b b o l e t h i n t e r n e t 2 e d u ) 用于表述用户对于 基于角色的业务认证的声明。 3 o g s a d a i 作为目录，索引图像属性和存储密钥。 4 1 u s 用于把图像密钥映射到物理存储位置。 5 g r i df t p 作为存储供应者，用于数据传输。 可以看出，m e d i c u s 处理医疗健康保健图像管理，主要采用基于网格开放架 构的标准，由以下部分组成用户鉴定( m y p r o x y ) ：用户认证用户一角色认证 ( s 川l 声明) ，d i c o m 数据询问( o s g a - d a i ) 1 4 ，网格图像系列发现( r l s ) 和存储恢复( g r id 兀p ) 除了他们自身的限制，m a r m o g r i d 和g l o b u sm e d i c u s 都是为具体的用户案 例开发的工具和接口，m a m m o g r i d 是为分析x 线照片设计的，而g l o b u sm e d i c u s 是解决具体用户案例，例如a d h o c ，远程射线，图像引导医疗程序。他们不是 解决密集数据综合和实质问题的一般方法。 基于p q r m 的p a c s ，旨在融合p a c 系统和d i c o m 通信和其他没有d i c o m 接口 的数据资源。 2 5 基于法定策略的资源管理系统( p o r m 系统) 网格可以把所有不同种类的资源集合到一起，把他们高效地分配到应用中。 然而，网格中对于保证0 0 s 的资源管理的复杂度随着网格计算的增长而增长。有 几种方法解决这个问题。其中一个是基于政策的资源管理系统，它适用于复杂的 管理环境。为了管理网格中的资源，需要一种网格资源代理或调度者，管理虚拟 网格环境中的资源和任务。 北京邮电人学倾士研究生学位论文 为解决这个问题，d o n ss un a m 1 6 研究了建议基于政策的资源管理系统结 构。它是建立在网格s l a 和网格资源管理的抽象架构的基础上，并且定义了群体 的q o s 参数，基于保证q o s 的集合，提出了通过优良算法资源分配机制。b y u n g s a n g 1 7 的研究建议重置保证q o s 的群体的机制，基于时间域的群体评估复制 资源状态的变化。该论文讲述了基于时间估测时问执行的资源的重新配置算法。 资源的重新配置为维持资源的质量水平，对当前可用资源集合进行改组。而且在 重新分配任务时的代价也考虑在内。 图2 5p q m m 用于存储资源管理 p q r m 的任务是管理和选择备用资源来执行用户任务，分配用户任务给能保 证用户s l a 的最优的资源。如图2 6 所示，p q r m 由7 个子元件组成：业务认证 服务，群体管理服务，信息管理服务，任务管理服务，数据综合服务，错误管理 和资源监控服务。 首先，业务认证服务用于检查用户的权限。根据用户的等级，使用范围是不 同的。通过业务认证服务，p q r m 可以控制数据和资源的接入。资源监控服务收 集系统和网络信息，例如c p u ，内存，存储，带宽，缺失，远程管理中网格资源 阻塞。 为向群体管理服务提供资源状态信息，它每一至五分钟从资源收集信息。群 体管理业务是建立在基于m d p 群体发生器和资源分析器。基于m d p 的资源分析器 从资源监视服务器，采用网格资源的资源状态，例如c p u ，内存等其他。 p q r m 寻找代价最优的资源分组方法，我们需要它制定政策用来配置备用资 北京邮电大学硕士研究生学位论文 源中的可用资源集合。p q r m 此外，它把资源基于代价按降序排序，代价是指网 络资源分配代价和系统资源分配代价之和。 为产生最优代价判决点，有一些因素需要被考虑，在 1 8 里进行了讨论。资 源代理可以把任务分配给最优资源。然后，信息管理服务登记相关信息，例如起 始时间，结束时间，分配的资源，还有其他为d b 提供日志信息和任务转移。任 务管理服务有任务调度者、任务分配器，任务管理者组成。任务管理服务控制任 务配置和分配任务给网格虚拟组织中的资源。数据综合服务的任务是从其他远程 信息提供者处收集信息。近来，p o r m p 提供可靠的执行效果和由错误管理服务提 供可靠的容错能力。如果一个正在为一个用户服务的资源失败了，那么这个任务 就失败了。即使其他任务的剩下的部分正在进行，该任务还是没有被成功完成。 错误管理服务可以通过使用任务转移来保证用户任务的完整。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章p q r m b a s e dp a c s 设计与实现 本章，我们构思了p o r m - b a s e dp a c s 系统，用来统合分布式的p a c s 系统。 同时其拥有各种高端的医学功能并且能保证系统的o o s 。 3 1p q r m b a s e dp a c s 系统的设计需求 我们讨论了现有的p a c s 系统的问题，并且提出通过p q 跚解决的方案。以下 关键特征解释了现存p a c s 解决方案的欠缺，这也是开发整合p a c s 的驱动力。现 存的p a c s 系统在以下方面有潜在问题：存储、数据备份( 尤其是突发性医用图 像积压的情形下，原因是系统常在一个医院的内部网络运行) 、以及在多分支的 医疗机构内部发展不力的通信。 同样在现有的p a c s 系统中病人的临床信息和历史数据并不能在有需要的地 方被传输或搜索，这是因为各个p a c s 系统相互孤立，并且现有d i c o m 的通信不 能保证安全性。这会至使最终医师与专家间的会诊变得困难重重。因此，研究人 员进行了若干把网格技术应用与p a c s 的尝试来解决这些问题。也就是说，从q o s 的观点看，p a c s 系统在不仅需要提供可靠的存储服务，而且要支持实时可靠的 传输服务。 p a c s 系统使得大量的p a c s 图像能可靠地传输，在协作环境中能实现共享， 并且这些图像能被存于可靠的存储空间。但是，当提供这种服务时，成本有效性 必须考虑。所以，为了处理解决这些问题，我们考虑将p a c s 与p q r m 结合进来。 最后，我们提出p o r m - b a s e dp a c s 系统以处理这些问题。p o r m - b a s e dp a c s 系统 监控分布式的存储及计算资源，提供整合存储，通过网格通信与接入网格提供远 程图像分享及会诊，将数据与网格服务及网络服务技术相结合，通过验证模块保 证安全性，并且通过p q 跚提供容错性、最短路径选择、成本优化。示意图显示 了基于p q r m 的p a c s 模块。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 p a c s s l t e1 图3 - 1i n t e g r a t e dp a c s 模型 3 2 p q r m b a s e dp a c s 系统结构 p o p , m - b a s e dp a c s 系统是一个整合的p a c s 系统，它将分布式的本地p a c s 系 统连接并且通过网格技术整合。同时它也是提供整合的p a c s 系统的高级服务的 一个框架来。 我们将分四方面讨论这个系统，它们是分布式存储管理能力，运算资源管理 能力，跨w a n 通过a c c e s sg r i d 的通信能力，以及q o s 保证能力。对于p a c s 系 统，存储管理与通信能力是待解决的最重要问题。p q r m 管理的运算资源对于需 要处理大量数据的医学研究至关重要。鉴于此三种功能，我们设计了用于医院诊 所及其他医疗机构的诊断的高级应用功能。因为医学数据私密而重要，且会诊必 须保证通信方面无中断或传输故障，所以我们主要关注处理系统与网络灾难，并 并保证用户o o s 的能力。 北京邮电火学硕t ：g f 究生学位论义 s f r t dr o m e 啊c o n s u l t a t i o n 蒌翰 8 ：罂。辫謦 圆圈 磁鞠黝 d i s t r l b u _ b o r l 搿翰翰滟嘲糍 盈圈 疆目 j 图t _ 图3 - 2p q p d v l b a s ep a c s 系统分层结构 p q r m b a s e dp a c s 系统 h p a c s 单一系统改进而来。它在以下方面更为先进并 高效 ( i ) 高级功能一一全球数据搜索，不仅是d i c o b l 数据而且是各种类型的数 据交换，远程数据分享，视频会诊。 ( ii ) 传输保证一一基于网格传输功能保证传输即使在拥挤的网络环境亦 成功。 ( iii )最优资源路径选择一一根据s l a 要求，系统会选择最合适资源敷于应 用。色隐藏了系统或网络或两者皆有的来自客户的不稳定性。在不顺利的 系统或网络环境中，p q r m 资源分配能找到令用户满意的路径代替不利路 径。 ( i v ) 灾难后恢复一一灾难对于客户端用户是隐蔽的。当预定的资源不可 得，用户要求的工作将被用其他资源重新安排。 北京邮电大学硕j j 研究生学位论文 ( v )成本优化一每次客户端要求被与最低成本服务一起提供，因此整个系 统得到成本优化。 3 ，2 1 p q r m b a s e dp a c s 系统的分布式存储管理 医生们通常需要病人的临床医疗图像与相关医疗数据于作出诊断、制定治疗 计划和实施治疗。这造成医疗数据图像急剧地增长。这数据包括m r i 、c t 、超声、 x 光、或其他由仿真或分析产生的数据。并且这些图像需要计算机化的存档、处 理、与分析。网格提供了分布式数据管理服务，这种服务能够很好地解决地分布 于不同地理位置的各医疗中心的医疗数据的处置问题。 图3 - 3 医疗数据资源 现今，各种医疗操作功能需要海量的数据。不同数据资源问的协作性与他们 之问的平滑接入变成了亟待解决的问题。像o g s a - d a i 这种解决方式处理这一需 求。但是，我们安装并测试了o g s a d a i 性能，其性能对于不尽如人意。第一点， 如果我们要将o g s a d a i 插入p q r m ，o g s a - d a i 结构过于繁复而无法成为p q r m 的一个 组成部分。第二点，其性能仍有待发展的空问。因此，我考虑设计一个数据综合 结构，它能作为一个功能元素融入p q r m ，以提供数据资源标准化接口 北京邮电大学硕士研究生学位论文 运用面向服务型结构的数据资源统一接口 通过使用一个适合网格环境的并行i o 系统，来达到比0 g s a - d a i 更佳性 能。 通过w e bs e r v i c e 1 5 提供服务接口。 r a t i o n a l d a t a b a s e x m l d a t a b a s e 3 2 2p q r m - b a s e dp a c s 系统的计算资源管理 现代医疗要求强大的数据计算能力，特别是医学分析算法及医疗治疗仿真。 网格系统被证明为用于大量医学应用的极有效的基本结构。而且p q 脚能够管理计 算资源。迄今为止，我们主要关注p a c s 系统中的存储与通信问题，计算资源的管 理将在日后的工作中完成。 3 2 3 p q r m - b a s e dp a c s 系统中的通信功能 在医学诊断中，通信能力是医生们进行交换医疗数据与讨论的基本要求。医 疗数据是需要隐私保护的个人数据，并且必须保证能够成功传送。在医学讨论中， 如远程会诊，实时视频模式也是必要的。因此p a c s 系统中通信应当保证安全性与 可靠性 在p a c s 系统中，病人的个人信息，档案，诊断结果，图像，应该综合管理。 我们利用p a c s 数据库中信息提供全球目录。这种信息管理部分记录了文件物理位 置，通过将逻辑文件名映射到物理分布的段文件名，并且还记录文件状态信息， 北京邮电大学硕士研究生学位论文 包括文件体积，保护权，及接入修改改变时间标记 传统p a c s 系统使用d i c o m 标准通信。之前我们已讨论的此系统在安全，容错， 可量性及传输性能方面存在不足。因此我们通过网格通信改进它 a 自冒tp a c s p q i t mp m c e ud b 懈f 醯 r 嘲f a u o a n 妇n i t c i * 曩 - 翌， m 4 7 , df l o 胡呻o i i 誓- 明1 h i 多 一 图3 - 5p q r m - b a s c dp a c s 系统操作过程 3 2 4p q r m - b a s e dp a c s 的q o s 保障 一个系统只具有完善的功能设计使远远不够的，这些功能执行的q o s 和功能的 设计一样重要。在我们的系统中，根据p a c s 应用的要求我们处理四类问题，包括 可靠传输保障，最优资源路径选择，灾难恢复，成本优化 屯司靠传输保障 我们发现在p a c s o n l y 系统实验中，发生了文件丢失的情况。这个问题可以通 过网格传输解决。在p q p 6 1 p - b a s e dp a c s 系统测试中没出现过文件丢失。详细信息 将在4 2 4 4 中说明。 8 最佳资源路径选择 在实际状况中系统可以会很繁忙，网络也可能会发生拥塞。即使一名用户任 务能提交到繁忙的服务器，其执行效率也很难让人满意。当面对此状况，我们 的系统将选择最佳资源路径，将任务提交到当前效率最高的服务器执行。 北京邮电火学硕士研究生学位论文 c 灾难恢复 系统和网络资源对于用户来应该是不可见的。因此从天灾或人祸中恢复的能 力对高级系统很必要。需要灾难恢复的事件包括系统瘫痪，网络中断等。 我们通过任务转移来实现灾难恢复。它的意思是将任务从地理上重安置到另 一区域，这里指任务从一台机器到另一台的安置。 d 成本优化 在p q p d v i 中，通过m a r k o vd e c i s i o np r o c e s s ( m d p ) 和s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ( s l a ) ，我们可以对系统资源分配成本和网络资源分配成分进行优化。对于每个 用户请求，基于p q p d v l 的p a c s 系统会计算出每个服务器的成本，然后以最低的 成本提供合适的资源。 3 3 功能描述 在第三章提到的三个高级功能，全球数据搜寻与多种数据交换是以网格技术 整合的观点改进后的功能。远程数据分享与视频会诊是考虑整个医学体制对诊断 要求，使用a c c e s sg r i d 的新添加功能。 a 全球数据搜索 p a c s - o n l y 系统同时提供医疗数据的本地搜索和远程搜索功能。然而，它不支 持对一个子集或是全部存储资源的综合搜索。我们通过w e bs e r v i c e 提供此功能 b 多种数据交换 在本系统不仅d i c 0 b t 图像文件被交换，而且其它数据可以同样方式传输。这一 点满足了从仿真与分析中交换医用数据的需要。 c 数据存储 现今医学研究领域中，数t b 的大数据需被存为只读文件，以备未来之用或其 它学者参考。如此大的数据在本地存储并不现实，大型分布存储是最实际的方案。 北京邮电大学硕i j 研究生学位论文 依未来发展的观点，本系统处理p a c s 问题考虑这个需求。因此我们在分布式环境 中用网格基础结构设计并建造数据存储功能 3 4p q r m b a s e dp a c s 白, 0 实现 信。 此图显示的是p q r m b a