（计算机软件与理论专业论文）医学图像存档与通讯系统的分析与设计.pdf

摘要 本文详细地介绍了医学图像存档与通讯系统( p a c s ) 的产生，发展、 及其相关知识。 对当前比较流行的两种网络体系结构( c s 和b s ) 进行了对比研 究，并在此基础上设计了一种适用于大、中型p a c s 的，基于c s 和b s 相融合的分布式p a c s 体系结构模型。 针对p a c s 海量存储的特点，对系统数据的存储方法进行了研究与 设计。同时，根据p a c s 规模的大小，分别给出了适用于小型p a c s 的存 储策略模型和适用于大、中型p a c s 的存储策略模型，以及相应的p a c s 的存储结构的设计方案。 对系统进行了总体设计和详细设计。对系统的开发工具一可视化 工具包( v t k ) 进行了研究，并利用这种工具实现了d i c 0 m 图像的显示 和医学图像的三维可视化，并在此基础上完成了对系统的三维医学图像 可视化平台的开发。 关键词：p a c s ，体系结构，存储结构，v t k ，三维可视化 a b s t r a c t t h i sp a p e r 1 a si n t r o d u c e dt h ep 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 s y s t e mi nm a n ya s p e c t si nd e t a i l ，s u c ha s ，i t sg e n e r a t i o n ，i t sd e v e l o p m e n t ， a n di t sr e l a t i v el m o w i e d g e a st h et w op o p u l a rn e t a r c h i t e c t u r e s ，c 1 i e n t s e r v e ra 1 1 db r o w s e r ，s e r v e r h 酬eb e e nc o n t r a s t e di nm i sp a p c rb yt s t u d y ，w eh a v ed e s 培n e dan e w a r c h i t e c t u r eo fp a c st h a ti sb a s e do nt h em i xo fc s 锄db s i nt l l e1 i 曲to ft h ec h a m c 州s t i c so ft h eh u g es t o r a g eo fp a c s ，w eh a v e d e s i g n e dam e t h o do f t h es t o r a g eo f 出哇a ，t h ed i 矗色r e n ts t o 豫g e s t r a t e g ya n d s t o r a g e m u c t u r e f o rm i n i - p a c sa n dm l l s e r v i c ep a c sh a v eb e e na l s o g i v e n t h i sp 印e rh a sd e s i g n e dt h es y s t e mi nt o t a la n dd e t a i l s u a l i z a t i o n t b o l k i t( v t k )h a sb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e lw i t ht h i st o o i ，、v eh a v e r e a l i z e dt h ed i s p l a yo ft 1 1 ed i c o mp i c t u r ea n dt h e3 dv i s u a l i z a t i o no f m e d i c a li m a g e i nm ee n d ，w eh a v es u c c e e d e dt on n i s ht h en a to f3 d v i s u a l i z a t i o no f m o d i c a li m a g eo f t h es y s e m k e yw o r d s ：p a c s ，a r c h i t e c t u r e ，s t o r a g es t r u c t u r e ，v t k ，3 d s u a l i z a t i o n 第一章概述 1 1 课题来源 本论文选题来源于吉林省科技发展计划重点项目“分布式医学图像 分析与处理平台”。 德国物理学家伦琴于18 9 5 年1 1 月8 日发现x 线至今已有10 0 多年 “2 。在这期间，医学成像技术得到了迅速发展，各种医学影像设备如： c t ( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ，计算机体层摄影) 、d r ( d i g i t a l r a d i o g r a p h y ， 数字x 线摄影) 、d d r ( d ir e c td i g i t a lr a d i o g r a p h y ，直接数字x 线摄 影) 、d s a ( d i g i t a ls u b t r a c t i o na n g i o g r a p h y ，数字减影血管造影) 、 s p e c t ( s i n g l ep h o t o n e m is s i o nc o m p u t e dt o m o g r a p h y ，单光子发射体 层成像) ，m r i ( m a g n e ti cr es o n a n c ei 眦g e ，磁共振成像) 、p e t ( p o si t r o n e m issi o nt o m o g r a p h y ，正电子发射体层成像) 、u s g ( u l tr a s o n o g r a p h y ， 超声成像) 、y 闪烁成像( t s c i n t i g r a p h y ) 、c r ( c o m p u t e dr a d i o g r a p h y ， 计算机x 线摄影) 等相继应用于临床诊断，这些影像设备为临床提供了 丰富的影像学资料，极大地方便了医生的诊断，但与此同时所产生的大 量的影像资料对医院在影像的管理上提出了更高的要求。事实表明，使 用传统的人工管理方法已经越来越不能满足医院迅速增长的业务需要， 其主要的缺陷如下”1 ： 1 ) 医院为了保管胶片等影像资料，每年要花费大量的人力、物力 和财力。 2 ) 人工归档的管理方式效率低下，检索速度慢，不能及时地满足 临床诊治需要。 3 ) 由于图像在科室之间的传递是人工传递，所以往往需要较长的 时间，甚至有时会出现误传、丢失的情况。 4 ) 异地医生同时观察一幅图像的愿望不能实现( 即无法实现远程 会诊) 。 5 ) 由于胶片老化使胶片上的图像变得模糊不清，给再次查阅和科 研工作带来极大的不便。 6 ) 把图像硬拷贝到胶片上，固定的窗宽、窗位很可能已经丢失了 大部分原始信息，其保留的只是操作医师认为有用的信息，图像无法进 行后处理。因此，由于图像质量往往达不到所需要求而需要重摄，从而 给医生和患者带来麻烦和负担。 为了解决上述问题，提高医院的现代化医疗及管理水平，医学图像 存裆与通讯系统( p i c t u r ear 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 ，p a c s ) 应运而生。 目前，欧洲，美国等发达国家及地区对p a c s 的研究和应用已经日 趋成熟，而我国在这方面还处于刚刚起步阶段”1 。为了加快我国数字化 医疗建设的进程，缩短我国数字医疗软件研究与国外同类研究的距离， 吉林省科技厅立项支持长春理工大学开展“分布式医学图像分析与处理 平台”项目研究，其中医学图像存挡与通讯系统( p a c s ) 是该项目的重 要成部分。 1 2p a c s 简介 图像存档与通讯系统( p i c t u r ea r c h i v i n ga n dc o 咖u n i c a t i o n s y s t e m ，p a c s ) 是近年来随着数字成像技术、计算机技术和网络技术的 进步而迅速发展起来的，旨在全面解决医学图像的获取、显示、存储、 传送和管理的综合系统”1 。它是计算机通讯技术和计算机信息处理技术 相结合的产物，也是目前放射信息学( i n f o r 咀a t i o ni nr a d i o l o g y ) 的 一个重要组成部分，其最终的设想是完全由数字图像来代替胶片，从而 达到改进医院管理质量、提高医生工作效率、降低医疗成本的目的。 1 2 1p a c s 的产生 在2 0 世纪7 0 年代初期，p a u lc a p p 博士提出了“数字放射诊断学” ( d i g i t a lr a d i 0 1 0 9 y ) 一词”“。八十年代初，柏林技术大学( t e c h n i c a l u n i v e rs i t yo fb e r l i n ) 的h e i n zu l e m k e 教授提出了“数字图像通信 和显示”这一概念，为p a c s 的产生奠定了基础”1 19 8 2 年1 月，由国际光学工程协会( t h ei n t er n a t i o n a ls o c i e t yf o r 0 p t i c a le n g i n e e r i n g ，s p i e ) 主办，在美国加州n e p o r tb e a c h 召开了 第一届p a c s 国际会议，p a c s 概念的形成以此为标志。此后，p a c s 会议 和医学影像会议在每年2 月于南加州联合举办”1 。 同年7 月，日本举办了第一届关于p a c s 和p h d ( p e rs o n a lh e a l t h d a t a ) 的专题讨论会。该会议与医学戍像技术会议合办，也是每年召开 一次。 在欧洲，自1 9 8 3 年以来，e u r o p a c s ( p i c t u r ea r c h i v i n ga n d c o 咖u n i c a t i o ns y s t e mi ne u r o p e ) 组织每年都举办会议讨p a c 。 1 2 2p a c s 发展的历程 p a c s 的概念产生以后，欧洲，美国和日本便立即在这个领域展开 了研究。第一个实用的p a c s 工程于1 983 年在美国开始，到了8 0 年代 末，全世界己经有许多p a c s 投入实际运行了，这些可称为第一代p a c s 。 第一代p a c s 多采用封闭的集中式体系结构”1 ，它在小范围内成功地实 现了医学影像文件的有效共享。但是各p a c s 所采用的信息格式各不相 同，使得它们之间相对孤立，无法进行数据交流。 随着医学成像技术以及计算机和网络技术的高速发展，9 0 年代初， 第二代p a c s 就诞生了”1 。从这时起，p a c s 开始遵从a c r n e m a 和早期的 d i c o m 标准，能够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。第二代p a c s 采用了基于c l i e n t s e r v er 的体系结构， 增强了p a c s 的互联性和开放性，使系统逐步走向大型化。 今天，正是第三代p a c s 蓬勃兴起的时代，其特征是对医学工业标 准的高度依赖，特别是对d i e o m ( d i g i t a li 眦g i n ga n dc o m m u n i c a t i o n s i nm e d i c i n e ) 标准和h l 一7 ( h e a l t hl e v e l7 ) 标准“的依赖。这些 医学工业标准使得p a c s 内部、各p a c s 之问以及p a c s 与h i s ( h o s p i t a l i n f o r m a ti o ns y s t e m ) 等医疗信息系统之间进行信息和数据的交换成为 可能。 1 2 3p a c s 的基本构成 由于规模或需求的不同，不同的p a c s 其系统结构的设计方案往往 不相同，但它们的基本构成是一致的。一般说来，p a e s 由图像采集子 系统、p a c s 控制器、图像显示子系统构成。如图1 1 所示。 图像采集子系统p a c s 控制器图像显示子系统 图1 1p a c s 基本构成示意图 图像采集子系统是医学影像进入p a c s 的电子入口，它将各种图像 设备所产生的图像信息采集到p a c s 中。当前，医学图像设备的接口有 三种，即模拟接口、非d i c 0 m 标准的数字接口和d i c 0 m 标准的数字接口。 对于不同的接口应采用不同的连接方式进行采集 1 ) 对于模拟接口，首先要通过扫描仪或视频采集卡采集图像，然 后通过各工作站上的静态动态d i c 0 m 重建器( d i c o m 网关) ，使其转 换为符合d i c 0 m 3 0 标准的文件。这种方法一般用于传统的x 光片、超 声、胃镜等设备。 2 ) 对于非d i c o m 标准的数字接口，一般要用专门设备或升级模块 将其图像转换为d i c o m 标准数据再接入p a c s ，对于1 日型号的c t 、m r i 等设备常采用这种方法。 3 ) 对于d i c o m 标准的数字接口，目前生产的新型c t 、m r i 、d d r 、 超声、胃镜等设备都有d i c o m 输出接口，可以直接与p a c s 连接。 采集的方式如图1 2 研示。 图1 2p a c s 的图像采集方式 p a c s 控制器是p a c s 的引擎，它有三个重要组件：数据流控制器、 数据库服务器和图像存档系统。 1 ) 数据流控制器是p a c s 系统数据流的控制单元，对图像数据进行 智能化管理。 2 ) 数据库服务器为己经归档的文件建立索引，提供查询服务。同 时它还可以通过h l 一7 接口与医院信息系统( h o s p i t a li n f o r m a t i o n s y s t e m ，h i s ) 和放射医学信息系统( r a d i o i o g yi n f o r m a t i o ns y s t e m ， r i s ) 进行数据交换。 3 ) 图像存档系统是p a c s 的核心，也是所有p a c s 实现中考虑的关 键因素。图像存档系统负责影像的大容量存储，它一般由短期、中期、 长期等不同时间跨度的存储构成，并且针对具体的存档策略，使用多种 存储介质，如冗余磁盘阵列( r a i d ) 、磁光盘( m 0 ) 、磁带、c d r 、d v d 等。 图像显示子系统包括显示预处理器、显示缓存和显示工作站。 1 ) 显示预处理器依照图像显示子系统中显示工作站的特性参数， 将p a c s 控制器获取的图像数据进行预处理，使其符合在本显示子系统 进行显示的要求。 2 ) 显示缓存用于存储很近时问内的图像数据，包括预处理前和预 处理后的图像数据。 3 ) 显示工作站是显示子系统的核心，有时显示子系统只由显示工 作站构成，这时显示工作站同时完成前两部分的任务。显示工作站是通 向p a c s 环境的窗口。显示工作站应该充分利用整个p a c s 的资源和处理 能力，同时提供一个良好的用户操作界面。 图像显示子系统一般由完成不同功能的软件包组戍，如通信组件、 数据库、显示组件、资源管理组件及图像处理纽件等。 1 2 4p a c s 的分类 一般说来，p a c s 可以指任何一种放射医学图像管理系统。在实际 应用中，按着规模和应用功能可以把p a c s 划分为四类： ( 1 ) 一j 、型p a c s ( m i n i p a c s ) 小型p a c s 通常建立在单一医学影像部门范围内，如放射科。它可 以在影像科内部实现图像的数字化传输、图像的存档、显示、查询打 印及辅助诊断等功能。其目标是提高影像部门内医疗设备的使用效率。 小型p a c s 的系统结构如图1 3 所示。 图1 3 小型p c s 结构图 6 ( 2 ) 中型p a c s ( m i d p a c s ) 中型p a c s 通常在整个医院内部建立，医院各科室间用网络连接， p a c s 将医院内部所有的图像和文字报告存入计算机网络中，院内任何 一个终端显示器上都能十分方便地将病人的文字和图像资料取出来，将 各种资料和图像集中在一起显示。这样临床科室在进行诊断和会诊时， 医生坐在自己的显示器前就能够观察到病人的所有检查的图像，从而为 诊断和手术方案的制定带来极大的方便。 ( 3 ) 医院内部的图像分发系统 医院内部的图像分发系统的主要作用是帮助医院的其他部门，特别 是急诊室( e r ) 和监护室( i c u ) ，获得放射医疗部门生成的图像。 ( 4 ) 大型p a c s ( f u l l 一s e r v i c ep a c s ) 大型p a c s 涵盖了全放射科，包括所有医学成像设备，它有独立的 影像存储及管理子系统，有足够的软拷贝显示和硬拷贝输出设备，有完 备的临床影像浏览系统，会诊系统，同时它还具有远程工作站，支持远 程图像传输和显示，可以进行远程会诊。大型p a c s 功能齐全，但系统 造价昂贵。 1 3p a c s 的研究和发展 1 3 1 国外p a c s 的研究和发展 美国在p a c s 的研究和应用领域均处于领导地住。为规范数字医学 图像及其相关信息的交换，美国放射医学会( a m e r i c a nc o l l e g eo f r a d i o l o g y ，a c r ) 和美国的国家电子制造商联合会( n a t i o n a i e i e c tr i c alm a n u f a c t u r e r sa ss o c i a t i o n ，n e m a ) 先后在1 9 85 年和1 9 8 8 年正式推出了a c r n e m a 标准1 o 和2 0 版本。随后，在1 9 9 2 年将标准 更名为d i c o m ”“1 。1 9 93 年正式推出了d i c o 1 3 0 版本。目前d i c o m 标 准己成为p a c s 领域公认的国际标准。在美国，从事p a e s 及其相关技术 的研究和产品的开发的犬学、科研机构及公司不胜枚举，如华盛顿大学、 宾夕法尼亚大学、国际商业机器公司、惠普公司等安装和应用p a c s 的医院和医疗研究机构更是数不胜数。美国的军方对p a c s 在美国的发 展也起到了重要的促进作用。最早有关p a c s 的研究之一是1 9 83 年由美 国军方资助的远程放射项目”1 。1 9 85 年由美国军方出资并由m i t r e 公司 实施的数字化图像网络( d i g - t a li m a g en e t w o r k ，d i n ) 及其p a c s 点的 安装，当时西雅图的华盛顿大学和华盛顿特区的乔治城大学乔治华盛 顿大学联合体被选为安装点。19 9 2 年由美国陆军医疗司令部( u sa r m y m e d i c a lc o m m a n d ) 资助开始实施的医学诊断影像支持系统( t h em e d i c a l d i a g n o s t i ci 眦g i n gs u p p or ts ys t e m ，m d i s ) 。该系统旨在为美国国内 和海外的诸多医学节点安装p a c s 和远程医学放射系统，项目为期4 年， 为大型p a c s 的安装和实际应用提供了大量宝贵的经验。 比利时有3 家研究机构活跃于p a c s 领域：l e u v e n 大学( k u l ) 、 b r u ss e ls 大学医院( u l b ) 、p l u r i d is c i p l i n a r y 医学影像科学研究院。 k u l 的p a c s 项目主要用于支持影像获取技术和图像处理方法的研究活 动。u l b 和p r i m i s 小组合作，从事于有关多厂商设备接入p a c s 的项目。 另外，u l b 还负责远程放射学的评估项目。德国有3 个p a c s 研究机 构：h a m b u r g 大学、b er l i n 大学和r u d o l fv i r c h o w 大学医院。h a 吸b u r g 大学的项目与计算机x 线摄影( c o m p u t e dr a d i o g r a p h y ，c r ) 的应用有 关。b e r l i n 大学从事于柏林通信项目b e r k o m ，该项目旨在为将来的宽 带通信、终端设备和应用提供测度环境。b e 州e r 是r u d o l fv i r c h o w 大 学医院，德国心脏研究院及t e c h n i c a lu n i v e r s i t y i nb e r n n 的合作 项目。意大利的研究活动包括经济评估、城域p a c s 、操作分析、r i s p a c s 集成及远程放射学。在瑞士，g e n e v a 大学医院正在开展一项医院范围 的p a c s 系统项目。 日本的p a c s 研究始于19 8 2 年，至19 9 8 年，在日本己经有超过2 0 0 0 套c r 正在临床使用，约1 0 0 家医院已经安装了不同规模的p a c s 系统， 其中有3 43 套左右的小型p a c s 和15 套大型p a c s 。日本国家癌症中心 负责的远程项目h i v is i o n 远程放射学系统和o s a k a 大学医院的h i s r i 一 成像设备一p a c s 集成项目较有影响。19 8 9 年，日本提出了图像保存和移 动系统( i 眦g es a v ea n dc a rr y ，i s a c ) 概念。它使用大量可移动记录 设备进行医学影像的存储和交换，i s a c 与p a c s 不同之处在于它是离线 系统，而p a c s 是在线系统。日本p a c s 协会( j a p a n e s ep a c ss o c i e t y ) 和医学信息系统开发中心( m e d i c a li n f o r m a t i o ns y s t e md e v e l o p i n g 8 c e n t e r ，m e d i s d c ) 负责i s a c 系统的标准化和发展工作。 目前，p a c s 在发达国家已进入实际应用阶段，成为许多大医院提 高图像诊断效率和节省成本的必备系统。科室内、科室间的小型p a c s 与医院内、医院间的大型p a c s ，同步交互发展，并与h i s 、r i s 集成， 相互协同，将现代化医院推进至数字化、网络化和信息化水平。 1 3 2 我国p a c s 发展现状 在我国，p a c s 概念的引入始于1 9 8 9 年。 进入9 0 年代，为了提高医院的现代化管理水平和工作效率，我国 的各级医疗机构对数字化医院的建设给予了极大的关注，许多医院已经 建立了不同规模的医院信息系统h i s 。就目前我国数字化医院信息系统 发展而言，主要集中在针对医院人员扣财务管理的医院信息系统h i s ， 而同样是数字化医院重要组成部分的p a c s 却发展相对迟缓。直到1 9 9 6 年以后，p a c s 才逐步进入实施启动阶段，d i c o m 标准也在国内开始得到 普及与推广。近几年，随着医学影像技术和网络技术迅速发展，对p a c s 的需求越来越大，p a c s 的应用前景十分诱人，实现彻底的无胶片放射 科和数字化医院己经成为医疗现代化不可阻挡的潮流。因此不少医院纷 纷启动h i s r i s p a c s 工程，不少厂商也开始p a c s 的研制开发。在北京、 上海、广州、深圳等地医院安装并运行有包括远程诊断在内的小型p a c s 系统。联想、安科、天键、友通等公司推出了自行设计开发的医院信息 管理系统和医学影像系统。清华大学、浙江大学、西安交大、上海交大 等高校相继加入p a c s 及其相关技术的基础研究和开发工作。但固国内 的p a c s 研究与应用起步晚，总体水平还不高，各个研究机构和开发公 司的水平参差不齐，p a c s 技术与应用仍然处于摸索和起步阶段“2 “”1 。 我们长春理工大学于2 0 0 0 开始从事医疗软件的研究和开发，曾经 与北京思科公司、吉大二院联合开发医疗软件，并取得了良好的成绩。 2 0 0 2 年5 月我校与日本日立医疗器械株式会社建立了医用软件共同研 究室，共同致力于医疗软件的研究与开发。2 0 0 3 年底，我校与吉林省 科技厅签署了开发“分布式医学图像分析与处理平台”的项目合同。通 过承担国际及省部级合作项目，我校在医疗软件研究与开发上正不断向 前发展。 1 4 本文研究的主要内容 根据项目需要，本丈对p a c s 涉及的几项关键技术进行了研究；给 出了系统的总体设计和详细设计方案：利用可视化开发工具一v t k 实现 了d i c 0 m 图像的显示和医学图像的三维可视化，并在此基础上完成了系 统的三维医学图像可视化平台的开发。具体如下： ( 1 ) 对p a c s 的体系结构进行了细致的分析和设计 p a c s 体系结构的设计是p a c s 研发的关键之一。优秀的体系结构能 有效缩短p a c s 的产品开发周期，并使得在此基础上开发的p a c s 能够具 有更高的运行效率、更大的灵活性和扩展性。现如今，p a c s 的体系结 构大多是b s 或c s 型的，但这两种结构都存在缺点，本文通过对b s 及c s 两种体系结构进行分析比较，提出了一种适用于大、中型p a c s 的，基于b s 和c s 两种结构相融合的新型p a c s 体系结构。 ( 2 ) 对p a c s 数据的存储方法及其存储结构进行了细致的分析和设计 p a c s 数据的存储方法及其存储结构的设计对p a c s 的研发也是至关 重要的。在构建p a c s 当中，这些因素将会直接影响到系统的性能。本 文对这些关键技术进行了详细地研究和设计，给出了p a c s 数据的存储 方法，同时本文根据p a c s 规模的不同，分别给出了适用于小型p c s 的 存储策略及其存储结构的设计方案，和适用于大、中型p a c s 的存储策 略及其存储结构的设计方案。 ( 3 ) 系统总体设计 在总体设计中，本文对系统的设计原则、系统的研制目标，系统的 构建原则和系统的网络结构进行了详细的说明和设计。 ( 4 ) 系统详细设计 对系统进行了详细设计。按照逻辑功能对系统进行了模块化设计， 并对系统进行了组件化设计。 ( 5 ) v t k 的研究及其在系统中的应用 对可视化开发工具包( v is u a l i z a t i o nt 0 0 1 k i t ) 进行了细致的研 究，利用这种可视化开发工具包( v t k ) 实现了d i c o m 图像的显示和医 学图像三维可视化的功能，并在此基础上完成了系统的三维医学图像可 视化平台的开发。 1 5 本文的结构安排 本论丈共计六章。 第一章为概述，主要介绍了课题的来源、p a c s 的相关知识、其国 内外研究发展状况及本文研究的主要内容和结构安排。 第二章为p a c s 体系结构的分析与设计。 第三章为p a c s 的图像存储及其存储结构的分析与设计。 第四章为p a c s 系统的总体设计。 第五章为p a c s 系统的详细设计。 第六章为v t k 的研究及其在系统中的应用。 第二章p a c s 体系结构的分析与设计 构建p a c s 是一项复杂的工程”“。对于p a c s 来说，p a c s 体系结构 的设计是p a c s 研发的关键之一。如果没有一个合适的体系结构而想实 现一个成功的系统几乎是不可想象的。 p a c s 经过多年的发展，己经被大量应用，并取得了很大的成功。 但是，随着p a c s 的大型化、复杂化以及在全球范围内的分布化，对其 可扩展性、灵活性、容错性、开放性、互联性等各方面性能提出了更高 的要求。基于传统单一的客户机服务器( c s ) 模式的体系结构或浏览 器服务器( b s ) 模式的体系结构已经越来越不能满足p a c s 发展的需 要。 本章细致地分析了客户机服务器( c s ) 和浏览器服务器( b s ) 两种体系结构，同时结合p a c s 自身的特点，设计出了一种新型的，基 于c s 和b s 相融合的分布式p a e s 体系结构。 2 1 客户机服务器( c ii e n t s e r v e r ) 体系结构 客户机服务器( c li e n t s e r v e r ) 结构“”，即c s 结构，是大家熟 知的软件系统体系结构。它广泛地采用了网络技术，将系统中的各部分 任务分配给分布在网络上的担任不同角色计算机，它把较复杂的计算和 管理任务( 如管理共享外设、控制对共享数据库的操纵、接受并应答客 户机的请求等) 交给网络上的高档机器一服务器( s er v e r ) ，而把一些 频繁与用户打交道的任务( 如管理用户接口、数据处理和报告请求等) 交给前端比较简单的计算机一客户机( c l t e n t ) ，通过这种结构实现网 络上信息资源的共享。 c l i e n t s e r v e r 系统( 如图2 1 ) 分为两层： 第一层为客户机。包括显示逻辑部分( 表示层) 和事务处理逻辑部分 ( 功能层) 。其中，表示层的功能是实现与用户的交互，功能层的功能是 进行具体的运算和数据的处理。 第二层为服务器。包括数据处理逻辑部分( 数据层) 和数据库，数据 层的功能是实现对数据库中的数据进行查询、修改、更新等任务。 客户机服务器 服务请求 处理广1 蕊i 显 刊i = ：! 兰：l 1 i 不 鍪冀目司 逻 辑 服务响应 图2 1c l i e n s e r v e r 体系结构示意图 2 2 浏览器服务器( b r o w s e r s e r v e r ) 体系结构 本质上说，浏览器服务器( b r o w s e r s e f v e r ) 结构也是一种 c li e n t s e r v er 结构“。它是一种由传统的二层c l i e n t s e r v e r 结构发 展而来的三层c li e n t s e r v e f 结构在w e b 上的应用。在b s 的系统中， 用户可以在客户端通过浏览器向分布在网络上的服务器发出请求。b s 结构极大地简化了客户机的工作。客户机上只需安装、配置少量的客户 端软件即可，服务器将担负更多的工作，应用程序的执行和对数据库的 访问将在服务器上完成。 在b s 三层体系结构下，表示层( p r es e n t a t i o n ) 、功能层( b u s i n e ss l o g i c ) 、数据层( d a t as er v i c e ) 被分割成三个相对独立的单元( 如图 2 2 所示) ： 1 ) 表示层：w e b 浏览器。 表示层是应用的用户接口部分，是用户与系统之间交互信息的界 面。它的主要功能是检查用户输入的数据，显示系统输出的数据。它的 任务是由w e b 浏览器向网络上的某一w e b 服务器提出服务请求，w e b 服 务器对用户身份进行验证后用h t t p 协议把所需的文件资料传送给客户 端，客户机接受传来的文件资料，并把它显示在w e b 浏览器上。 2 ) 功能层：具有应用程序扩展功能的w e b 服务器。 功能层是应用的主体，位于w e b 服务器端。它包括了应用中全部的 业务处理程序。换句话说，除了输入输出功能在表示层、数据库在数 据层以外，全部的统计、汇总、分析、打印功能全部存放在功能层。它 的任务是接受用户的请求，首先需要执行相应的扩展应用程序与数据库 进行连接，通过s q l 等方式向数据库服务器提出数据处理申请，而后等 数据库服务器将数据处理的结果提交给w e b 服务器，再由w e b 服务器传 送回客户端。 3 ) 数据层：数据库服务器。 数据层就是数据库管理系统，负责管理对数据库数据的读写，位于 数据库服务器端。它的任务是接受w e b 服务器对数据库操纵的请求，实 现对数据库查询，修改、更新等功能，把运行结果提交给w e b 服务器。 w e b 浏览器w e b 服务器数据库服务器 显 信息请柬数据请球 事物 处理f- 卜一1 不 处理 逻 逻辑 逻辑k 一一”j 辑 信息响应数据响应 图2 2b r o w s e s e r v er 体系结构示意图 2 3 两种体系结构的比较分析 c s 软件体系结构，即c “e n t s e r v e r ( 客户机服务器) 结构，是 一种基于资源不对等的体系结构，它是为实现资源共享而提出来的，并 且在2 0 世纪九十年代成熟起来的技术“。c s 结构将应用系统一分为 1 4 二，服务器( 后台) 负责数据管理，客户机( 前台) 完成与用户的交互 任务。其优点如下： 1 ) 专用性、交互性强。在这种模式中，客户端装有专用客户软件， 更有利于完成某一项专门的任务。 2 ) 存取数据安全。因为c s 模式的平台一般采用适于局域网、安全 性好的局域网络协议，所以数据的安全性有保证。 3 ) 网络通讯量低、速度快。因为c s 模式只有二层结构，因此网络 通讯量只包括客户机与服务器之间的通讯量。通讯量低使得运行速度 快，有利于处理大量数据。 c s 体系结构具有强大的数据操作和事务处理能力，模型思想简单， 易于人们理解和接受。但随着企业规模的目益扩大，软件的复杂程度不 断提高，c s 体系结构逐渐暴露出以下几个缺点： 1 ) 开发成本较高。c s 体系结构对客户端软硬件配置要求较高，增 加了整个系统的成本。 2 ) 客户端程序设计比较复杂。采用c s 体系结构进行软件开发，大 部分工作要放在客户端的程序设计上，客户端显得十分庞大。 3 ) 软件移植困难。采用不同开发工具或平台开发的软件，一般互不 兼容，不能或很难移植到其它平台上运行。 4 ) 软件维护和升级困难。服务器端与客户端都需要维护，如果要升 级，则开发人员必须到现场为客户机升级，每个客户机上的软件都需维 护。对软件的一个小小改动( 例如只改动一个变量) ，每一个客户端都 必须更新。 b s 体系结构主要是利用不断成热的w w w 浏览器技术，结合浏览器 的多种脚本语言，用通用浏览器就实现了原来需要复杂的专用软件才能 实现的强大功能，并节约了开发成本，是一种全新的软件体系结构。基 于b s 体系结构的软件，系统的安装、修改和维护完全可以在服务器端 得到解决。用户在使用系统时，仅仅需要一个浏览器就可运行全部的模 块。 相对c s 结构而言，b s 结构是一次深刻的变革，它具有如下突出 优董： 1 ) 客户端不再负责数据库的存取和复杂的数据计算等任务，其任务 只是对结果进行显示。大量的计算及处理工作交给了服务器，充分发挥 了服务器的强大作用，这样就大大的降低了对客户端的要求，从而降低 了投资和使用成本。 2 ) 易于维护，易于升级。维护人员不再为程序的维护工作奔波于每 个客户机之问，而把主要精力放在功能服务器上。由于用户端无需专用 的软件，当企业对网络应用进行升级时，只需更新服务器端的软件，减 轻了系统维护与升级的成本与工作量。 3 ) 用户操作使用筒便。8 s 结构的客户端只是一个提供友好界面的 浏览器，通过鼠标即可访问丈本、图像、声音、电影及数据库等信息， 用户无需培训便可直接使用，利于推广。 4 ) 更适合于网上发布信息。b s 结构使用的是i n t e r n e t 的e b 技 术，因而更适合网上信息的发布，拓展了传统的数据库应用的功能，更 适合i n t e r n e t 时代的需要， 然而，与c s 体系结构相比，b s 体系结构也有许多不足之处，主 要表现在： 1 ) 网络通讯量较大，响应速度慢。由于是三层的结构，网络通讯量 不仅包括客户机与w e b 服务器之间的通讯量，而且也包括w e b 服务器与 数据库服务器之间的通讯量，因而使网络的通讯量变得较大，从而使数 据查询等操作的响应速度要远远地低于c s 体系结构。 2 ) b s 体系结构的数据提交一般以页面为单位，因此数据的动态交 互性不强，不利于在线事务处理( o l t p ) 的应用。 2 ，4 基于c s 和b s 相融合的分布式p a c s 体系结构设计 2 4 1 分布式p a c s 体系结构 在大、中型p a c s 中，客户端即医生工作站类型多样，有数字胶片 室、超声图像工作站、与m r i 、c t 等各种放射影像设备相连的放射医学 图像工作站等等，它们都进行大量图像输入和输出，由于数字图像的数 据量是很大的，如果采用集中式数据库，则会显现出很多弊端： 首先，网络负荷过重。众多不同类型的工作站通过服务应用访问一 个后端数据库，后端数据库输入输出的网络带宽限制将成为数据吞吐的 瓶颈。 其次，数据服务器的负载过重。集中式数据库管理系统的数据服务 器无法进行负载均衡，如此大的数据吞吐量，由一个数据服务器来完成 是不现实的。 最后，数据源管理不方便。在医院系统中，对各种数据的管理在行 政、人员、资源配置上都是分开的，数据完全集中，将会给管理带来不 便。 解决这些问题的办法就是将集中式数据库进行分割，将系统中所有 的数据项分成若干子数据项，并把这些子数据项分布到不同的网络结点 上，并使其与最频繁使用它们的应用距离最近，最终形成一些互相联系 的局部数据库系统。系统结构如图2 3 所示。 卜射线爿 匡碧 b 纠x 射线i 作站 l c t 爿譬= 剖 c t j i ：作站 i m r l h ：= 刊 m r if ：作站 图2 3 分布式p a c s 结构图 这种分布式系统的优势在于： 1 ) 系统开发的并行性强。由于各子系统的相对独立性，可以将一个 大的系统开发工程轻而易举地划分成一些子系统分别进行开发。 2 ) 系统的健壮性强。在实际运行中，某一个子系统的故障不会波及 其它子系统。 3 ) 数据存取具有并发性。当某一应用需要同时存取多类图像时，各 子系统并行存取图像，大大提高了存取速度。 4 ) 更有利于系统扩展。对于己有的异构数据库系统，不用改变其原 有的d b m s ，只要将其加入到大系统中即可，而对于原有大系统几乎不 需要做什么改变。 5 ) 系统安全性更高。每一个局部数据库只为其所在的子系统的服务 应用提供数据服务，与其它任何服务应用不发生直接的关系，大大减少 了受到非法攻击的机会。 p a c s 的信息数据以及海量的图像数据具有先天的可分性“。医院 中的数字胶片室、超声图像工作站、与m r i 、c t 等各种放射影像设备相 连的放射医学图像工作站，它们的医学影像生成、录入、保存和管理本 来就是相对独立的。这样，每个医学成像和管理的独立单位就成为了图 2 3 中的一个子系统。而且，在实际应用中，每个医院的情况会有所不 同，并不是每个医院都具备所有类型的医学影像生成部门，对于不同医 院，只要增减子系统的个数就可以了。如果今后医院发展了，增加子系 统要比修改总体结构简单多了。 2 4 2c s 和b s 相融合的分布式p a c s 体系结的设计 本章第三节对c s 结构和b s 结构进行了细致的分析和比较，从中 可以看出，c s 体系结构和b s 体系结构各有各的优点，同时也存在各 自的不足。另一方面，也不难看出，p a c s 本身是一个复杂的系统，它 的功能不仅仅局限于对医学图像的存储，它还需要具有对医学图像进行 处理、计算，浏览及远程会诊等功能，以达到方便医生诊断的目的。因 此，根据p a c s 的功能特点，按着其分布式的结构，将p a c s 的不同部分， 按着它们不同的功能，分别设计成c s 结构或b s 结构，从而达到c s 结构和b s 结构优势互补的目的。 具体地说： 1 ) 各种供医生诊断使用的工作站，由于它们的专用性和交互性通 常比较强( 这类工作站需要对医学图像进行处理、计算等复杂的操作) ， 因此把这类工作站设计成以c s 体系结构的方式介入p a c s 系统。 2 ) 各种用作浏览医学图像的工作站，由于它们的主要用途是浏览 图像，不需要对医学图像进行复杂的处理和计算，因此把这类工作站设 计成以b s 体系结构的方式介入p a c s 系统。 3 ) 对于远程医疗工作站，由于需要通过i n t e r n e t 介入p a c s 网络， 因此采用b s 体系结构的设计方式。 这种基于c s 和b s 相融合的分布式p a c s 体系结构，按着p a c s 的自身特点，综合了两种体系结构的优点，合理地将c s 和b s 体系结 构融为一体，使p a c s 系统更灵活，更稳定。具体如图2 4 所示。 图2 4c s 和b s 相融合的分布式p a c s 体系结构原理囤 第三章p a c s 的数据存储及其存储结构的分析与设计 关于对p a c s 的数据存储方法及对p a c s 存储结构的设计是p a c s 研 发的另一个关键”。详细地说，由于p a c s 中的数据量比较大，而且法 律上要求医院对病人的图像档案要至少保留1 0 年以上的时间，因此要 求p a c s 要有海量存储的能力；另一方面，为了方便医生的诊断，还要 求p a c s 能够快速的检索、传输和浏览病人的图像。因此，使用什么方 法来存储图像和p a c s 存储结构是否合理都将直接关系到p a c s 的性能。 本章对此进行了细致的分析和设计，具体如下。 3 1p a c s 的数据存储方法的设计 现将p a c s 中的数据分为两部分： 1 ) 医学图像的