PACS组网设计应用于医院中

4.8　PACS在医院的组网设计

4.8.1　PACS通信网络设计

1）应用背景

PACS系统结构中，数字通信网络主要完成图像从获取设备到PACS控制器，然后再到显示工作站的传送。首先，图像由成像设备到达图像采集计算机，完成图像的格式化；格式化后的图像送往PACS控制器，永久地存储在光盘上并分类进入数据库；之后，图像可以送到输出工作站进行硬拷贝或软拷贝并可用于检索、管理和浏览。

只要满足TCP/IP通信协议，网络实现可以采用任何拓扑和物理结构，许多计算机和处理器用于图像通信，有些具有高速通信协议，有些则没有。因此，在网络设计中，要运用不同的通信技术，以适应各种计算和处理需要，目标是为临床提供最佳的图像吞吐能力。

只要经费许可，网络实现可以采用高速以太网、FDDI、ATM或由多种网络构成的混合网络，表4.3列出了现代放射科内各部分图像的传送速度需求。由于成像设备的成像速度慢，由成像设备到图像采集计算机间可以采用较慢速通信。由于成像设备的处理器一般不支持高速通信协议，因此，图像采集计算机与PACS控制器之间使用中速网络。然而，数字化医学图像的数据量非常巨大，一张2048×2048×12bit的CR图像为8MB，一次CT检查包括64张512×512×12bit的图像，容量达32MB。为了及时传送大容量的数字医学图像，PACS控制器与图像显示工作站间需要使用高速网络。例如，传送一张8MB的CR图像，为保证医生调阅图像的等待时间不超过2秒钟，则至少需要4MB/s的网络传输速度，一般，网络上会同时有多个通信事件，这大大降低了网络的通信能力。因此，要求高速网络不仅要有高性能的点对点图像传输能力，而且，当多个通信事件并发时，网络的通信能力也不至下降得太快。

表4.3　放射科内的图像通信特点

2）设计要点

特定的PACS系统的网络解决方案要考虑多方面的因素，包括使用范围、网络拓扑结构、性能价格比、目前及未来的通信带宽要求。数字通信网络设计中要考虑的5个因素是：通信速度、通信标准、容错性、安全性以及网络建设和维护费用。

①通信速度 从表4.3看出，以太网是用于成像设备到图像采集计算机的低速通信协议。如果图像采集计算机支持FDDI或ATM，可以在采集计算机与PACS控制器之间使用这些中速或高速通信协议，否则只能使用以太网网络集线器。而在PACS控制器与图像显示工作站间必须使用ATM高速网。

②通信标准 选择不同软件和操作系统参数会影响以上3种网络的性能。例如，如果增加用于以太网、FDDI和ATM网络的UNIX系统内核中的TCP发送和接收空间，将提高TCP/IP网络性能。同样，如果增加应用程序内存将提高网络的传输速度。因此，所有网络应使用标准TCP/IP协议，并使用相同硬件来配置。

③容错性 PACS通信结构应具有后备的设备，所以，光纤电缆应如以太主干网那样具有备用网络。由于标准TCP/IP协议可以用于以太网、FDDI和ATM，如果高速网络（ATM或FDDI）电路失效，基于Socket的通信软件会立即转向低速备用网络，直到所有的网络都失效。

④安全性 大型图像通信网络一般都有两套电缆系统。一套电缆系统连接大学校园、医院和网络专家，网络用户要遵守网络专家制订的规则，网络具有自己的安全服务和管理机制。另一套电缆系统由科室或PACS的内部电缆组成，电缆装入管道内，其终点位于网络集线室。网络集线室应该上锁，没有科室或PACS管理员的允许不得进入。

⑤网络建设和维护费用 数字通信网络是为临床设计的，应具有很强的鲁棒性和系统冗余性，在系统设计初期应考虑上面提到的3种通信技术。如果增加一个计算机来连接，使用FDDI和ATM的花费为使用以太网的10倍。因此，速度越高，则网络价格越贵。目前的通信网络，多数为多种网络的集成，系统的性能价格比最为合理。

3）PACS网络设计

用于图像传输的PACS网络一般可以分为3个部分：

①放射科内的高性能网络。

②医院内较低容量的网络。

③医院外的低速网络。

高速网络常采用FDDI和ATM，能达到100 MB/s通信能力，仅用于放射科与其他科室间（如急诊室）传送高速图像的需要。高速网络与医院内较低速的网络间隔离，能降低网络负载。医院外的通信连接可利用公共通信设施，如电话网等。

PACS系统网络一般包括外部和内部网络。外部网络与信息系统、成像设备和外部工作站相连，安全性低。内部网络的安全性高，必须通过安全认证后才能进入PACS控制器内部。

外部网络包括以下几个子网：

①生产厂家自己的图像获取设备网络 许多图像设备生产厂家具有自己的网络连接成像设备，以便更好地进行图像管理。大部分网络基于以太网；部分网络使用TCP/IP协议；其他采用专用网络协议，以提高网络性能。对于这种网络，需要通过采集计算机实现网络到PACS控制器的连接。任何有密码的用户都能进入网络访问所有信息。

②医院和放射科信息网络 PACS需要从HIS/RIS读取信息，但HIS/RIS由其他部门维护，PACS对其没有控制能力，因此都是PACS外部网络。

③研究和其他网络 PACS系统的一个重要功能是提供PACS数据库服务，因此，PACS系统一般连接研究用设备，进行PACS数据库的检索和查询，这类网络是PACS外部网络。

④互联网（Internet） 互联网是为PACS系统提供补充信息的外部网络，从电子邮件、信息库到通过FTP获得远地文件。

⑤显示工作站网络 有时将显示工作站组成一个信息共享子网，例如，将危重监护部门的显示工作站组成一个ICU网络，提供给所有医护人员使用，因此安全性低。

内部网络中的所有数据都是不能被破坏的临床存档数据，因此，PACS内部网络应具有最高的安全性。除了显示工作站，从采集设备和其他信息系统等外部网络来的文字和图像，都要经过网关计算机安全检查后才允许进入内部网络。一般在网关计算机上运行防火墙程序，拒绝未经授权的访问，以维护系统的安全。

4.8.2　医院局域网络系统结构设计

医院局域网（Local Area Network，LAN）要求传输图像以协助诊断，故而要求通信网络有平稳且较宽的频带宽度，所以医院局域网网络系统结构设计的第1步就是要设计和选择网络系统结构。

1）局域网络的系统结构

在局域网的发展过程中，存在着4种不同的系统结构，或称为运行环境，即：主机、工作站/文件服务器、客户机/服务器和对等网络。

①主机系统 主机系统属于传统的网络工作方式。

②工作站/文件服务器系统 工作站/文件服务器系统在国内目前局域网络中数量最多，局域网络的兴起就是以这种方式为基本工作方式，是将若干台微机工作站与一台或多台服务器通过通信线路连接的系统。在该系统中，工作站用户可以通过磁盘映像，像使用本机磁盘一样使用文件服务器上的硬盘。网上传递的只是文件，应用程序的所有功能仍是在工作站上来完成。目前，这样单纯的文件共享方式正在被替代，国外已基本不再使用。其发展趋势是向“客户机/服务器”结构的网络靠拢。

③客户机/服务器系统 客户机/服务器系统简称C/S系统，是由工作站/文件服务器系统发展而来的。因为技术的发展使得一部分应用的处理功能被分布到服务器上去。当用户需要服务时，由工作站发出请求，然后由服务器执行相应的服务，并将服务结果送回工作站，这时，工作站已不再运行完整的应用程序，其身份就从工作站变成了客户机。在这种模型中，数据处理被分割为在客户机上运行的部分（前台）和在服务器上运行的部分（后台），一般来说，客户机/服务器结构都可以由异种机（使用不同操作系统的计算机）构成。

④对等网络系统 对等网络系统（Peer-to-Peer Network）使用与客户机/服务器系统一样的硬件，其差别在于网络资源的逻辑编排和基础操作系统不同。前者没有专用的服务器，每个工作站既可起客户机的作用，也可起服务器的作用。

在对等网中，一台PC机在运行应用程序时，其他用户还可以访问该微机硬盘上的文件。同时，该机还可以作为此局域网络中其他微机的打印服务器。这点正好与客户机/服务器网络相反。在客户机/服务器网络中，特定的计算机专用于文件管理、打印和通信功能，即充当服务器，不能同时作客户机使用。从这个角度讲，对等网络有它独特的优点，但是这种灵活性是有代价的，即对等网络不能完成大量的高速处理工作。(www.chuimin.cn)

另外，对等网络在其文件管理、存储器管理和多任务处理方面有着固有的弱点。对等网络的优势是初建费用低、简单，并有足够的能力满足许多机构的需要，而且可以随着机构需要的增长而扩展，必要时加入专用服务器。对等网络系统目前在国内还不多见，但将会流行起来的。

2）服务器的种类与选用

建立在网络上的信息系统，采用分类的多服务器开放思路比采用一个服务器来处理所有业务可以大大地减少风险，同时使整个系统具有更好的开放性与实用性。

（1）服务器的种类

按服务对象来分，可把服务器分为：

①面向计算类的服务器 该类服务器面向计算、分析、决策，要求具备很高的CPU计算能力，可以采用多CPU技术、支持对称与非对称多处理技术，对内存容量要求很大（512MB），需要较高的高速缓冲技术（科学计算，还要注意其浮点计算能力）。

②面向数据库的服务器 此类服务器通常要求有较好的并行处理能力，较高的磁盘流量与较大的磁盘容量，可以考虑采用磁盘阵列与数据备份设备。分布式数据库则要求较高的网络速率，安全要求可以根据系统的总体要求相应对服务器提出密钥芯片与可信赖操作系统的安全级别要求。

③面向应用系统的服务器 该类服务器是3层客户/服务器体系结构带来的应用。此类服务器如果作为OLTP服务器，则要求有一定的并行与异步处理能力以及浮点运算能力，对磁盘的容量要求不高，但对网络要求较高。通常没有实时要求，操作系统是分时的，一旦有实时要求，操作系统则是实时的（此类服务器如果作为OA服务器或文件服务器，则对安全的要求较高，对I/O的要求也较高）。

④面向通信与网络的服务器 此类服务器通常具有实时性要求，要求处理延时较短，有较大的高速I/O缓冲，磁盘流量要求高，对并行与异步处理也有较高要求。安全要求可以根据系统的总体要求相应对服务器提出密钥芯片与可信赖操作系统的安全级别的要求（此类服务器如果作为Internet的Web服务器，要求具备较高的通信传输能力以及较大的内存，还应当考虑安全问题）。

⑤面向多媒体与视频会议的服务器 此类服务器要求较大的磁盘（光盘）容量，对显示器、语音、图像、视频信息亦有相应的软硬部件的特殊要求。对于视频信息还要求较高的网络速率与磁盘流量，以及充分的带宽。同时应当考虑电视电话、语音信箱、电视会议大屏幕、多媒体视像编辑及多点控制（MCU）内容要求。视像会议系统有较高的实时要求，网络可以采用ATM交换机。

⑥面向可视化与虚拟现实应用的服务器（可视化工作站） 可视化工作站具有3D图形与视像动画能力，尤其要具备数据可视化的能力，对CPU要求有较高的并行计算与浮点计算能力。

一台计算机在系统中往往会兼作多种服务器，此时必须考虑各类指标的平衡问题，注意选用不同型号的部件。硬件的选择必须与网络操作和数据库管理系统的选择统筹考虑。

（2）服务器的选用

服务器选用的着眼点在于可管理性和可用性。可管理性指可提供同时管理多处工作、消除问题、智能管理的方法，表现在可通过网络或电话线在中心统一管理全部服务器；可时刻检查服务器运行状况；可在服务器发生故障时进行报警、寻呼并启动应用程序；可显示系统、存储器和网络的瓶颈问题；可保护服务器免遭未授权的访问。可用性表现在当磁盘阵列和磁盘复制时，可热插拔驱动；有奇偶检验和基于SIMM的高性能ECC内存；好的容错性（冗余组件、自动服务器恢复：冗余网卡、冗余CPU电源模块、双对等PCI总线）；并可开发多平台。

①服务器用作数据库与计算类服务器 宜采用双机Cluster备份体系结构。主数据库服务器系统配置两台磁盘阵列机作为信息系统的联机数据库系统存储和数据备份设备，可配置一台光盘阵列机作为信息系统的脱机数据库系统存储和数据备份设备。由于主数据库服务器系统配置有海量存储设备，因此将作为整个信息系统的数据存储和各服务器的系统备份设备。

②服务器用作备份服务器（OLAP）系统 作为主服务器系统的备份系统，其主要功能之一是保证在主数据库服务器系统出现硬件和软件故障时，能够及时地将主数据库服务器系统上运行的业务系统及时切换到备份服务器上，用备份服务器系统替换主数据库服务器系统来运行，从而保证整个信息系统的正常运行。另外一个主要功能是作为OLAP运行平台。

备份服务器系统除了系统与主数据库服务器相比可稍低外，操作、数据库管理和其他系统平台软件都应和主数据库的服务器系统一样。在信息系统的建设得到逐步完善时，使主备系统的备份方式从冷备份改成热备份。主备服务器系统的热备份工作可以采用主备服务器系统，以构成双机Cluster系统，即集群系统结构和采用交换设备构成并行服务器系统（EPS）这两种方式。

③Intranet Web和Internet Web服务器系统 如果在医院局域网系统规划时考虑要与国际互联网连接，可以选用Intranet Web和Internet Web服务器系统。

④客户机系统 客户机系统的选择范围非常大，因此对于客户机的机器选型不好进行规定，在总体设计中只明确客户机系统的基本标准，根据实际情况来进行配置。

3）医用局域网络的实施

设计和选择网络系统结构后要做的第2步是要选择网络实施方案，可以用表4.4总结前面介绍过的4种LAN网络实施方案的优缺点，供具体选择时参考。图4.25是一个粗缆、细缆和双绞线混用，以Novell为管理系统来成局域网的实例。用粗缆、细缆作为主干通信线路，双绞线连接办公室和工作站。

表4.4　几种局域网的比较

图4.25　一个以Novell为管理系统组成局域网的实例

（1）基于对带宽考虑的路由器交换机的选用

医院网络系统的带宽取决于系统管理的信息内容多少、系统结构以及实现的方法等多种要素。实践证明：以EISA总线网卡为例，在以太网情况下，对采用客户/服务器模式的前端用户工作站已经足够了（即使图像传送也够用）。

提高网络带宽有两种方式：

①靠绝对提高网络带宽。

②将网络分段或划分子网，通过提高并行度来提高网络的吞吐量。在目前常用的划分网络的方法是用交换机或路由器，前者实施较简单，对路由器而言，又涉及一个配置路由器的问题。

（2）医院局域网建设

图4.26是某医院的信息管理系统局域网模型。网络由高速开关式Hub来连接用户组、文件服务组、图像服务组以及远程服务组。组间的连接采用中高速混合集线器来连接。图像设备之间还以音、视频交换器进行连接，以实现实时音视频通信。根据实际需要可以增加多个工作组（如增加多个用户组满足更多的用户需求，增加图像服务组满足更多的仪器数据采集需要）。

其中视频和音频在传送中主要用于双方的交互操作，通常可采用压缩比较大的有损压缩，以得到较窄的通信带宽。

图4.26　医院网络结构示意

网络拓朴提供了3种信息通道，即100 Mbit/s高、10 Mbit/s中以及低等速度信息通道。实时图像信息还提供了一套音视频交换网络，直接实时传送100 MHz的RGB、复合视频和音频信号。由电话线路组成的低速网络建立了医疗诊所、病员家庭与医院多媒体网络的连接。医生或护士可通过远程服务器与诊所或病员交换信息，从而实现远程数据采集和护理。中速的10 Mbit/s网是医院内部的核心网。如果在一个10 Mbit/s网上同时有多个用户运行，每个用户的频带较窄，图像访问时间很长。但由于采用了10 Mbit/s与100 Mbit/s混合的方式，从而使每个用户10 Mbit/s的带宽得到了保证。一幅6MB的图像用10 Mbit/s速率传送约需5s。因此，10 Mbit/s的中速网络通信在数据交换和图像传输方面是可以接受的。在此基础上建立的网络优化以及数据库将提高网络的效率，100 Mbit/s的高速网提供了数据传递的高速通道，该通道的连接对象是各组的集线器、服务器以及图像显示工作站。由于采用了开关式的集线器，使得网络可同时有多个通道以100 Mbit/s的速率进行通信，所以网络的主通道具有较好的通信特性。

图像资源的存储媒体方面，可根据需要选择一个或几个不同容量的光盘库。如果只有一个图像服务器，可配备一个较大的光盘库。当图像服务器较多时，则可根据需要配置几个小规模的光盘库，以分布数据库的形式来进行图像管理。对于医疗会诊要求的实时音视频会话，可使用由分布式音视频交换器构成的音视频网络予以实现。在该网中，工作组之间、工作组与图像服务器之间都可以共享实时的音视频资源。分布式的音视频网络是实现实时音视频信息交换的关键。网络由音视频交换器作为主要控制单元，可实现同组内或组外多点的实时音视频双向通信。因此，在网络上可实现多组实时的音视频会议。

当进行组内会议时，可采用显示工作站作为会议的主计算机。参加会议的人员可利用该机的会议服务程序，同时观察图像结果，并通过数据网轮流进行操作和发言，从而实现可视会议的功能。在进行组外会议时，同样可通过分布的交换器选择最优路由进行音视频网的实时双向通信。

音视频网络还可以使得用户通过图像服务器预览高清晰图像，其操作过程是通过音视频网络连接图像服务器，这样就能使用户直接观察服务器的显示图像，最后通过远程操作调出所需的图像。