云计算技术在医学影像计算领域的应用

唐辰

（天津市妇女儿童保健中心 天津市 300070）

1 云计算的概念

“云计算”一词是指通过互联网访问计算资源，利用计算算法和软件包对数据进行操作的能力,用于数据存储、聚合、综合及检索的用途[1]。云计算可按照需求，远程提供灵活且可扩展的计算资源。它在涉及不同机构的多名研究人员的研究应用以及临床医学等大规模数据处理应用研究中非常有用。它已经成为了生物医学中确定临床试验的替代措施来评估新药物和医疗器械的主要技术方式，许多云计算资源均应用于研究应用程序[2]。云计算正在成为互联网提供复杂服务和数据交换所面对问题和挑战的解决方案，云计算飞速发展是由于其成本不断降低以及无处不在的高速网络的存在，这使得远程和实时访问大量数据，从经济上完全可行。

2 云服务

云计算的主要概念是通过互联网向最终用户提供各种服务。这些服务涵盖信息和通信技术（ICT）的所有属性[3]，从虚拟硬件基础设施到软件应用程序。所有服务都可以由最终用户通过Web 浏览器远程访问和配置。

2.1 云分类

根据提供的服务类型，云可以分为三层，即基础架构（IaaS），平台（PaaS）和软件（SaaS）。IaaS 基础架构即服务（Infrastructure-as-a-Service），IaaS 会提供场外服务器，存储和网络硬件，也可以选择租用，节省了维护成本和办公场地，公司可以在任何时候利用这些硬件来运行其应用。PaaS 平台即服务（Platform-as-a-Service），所有的开发都可以在这一层进行，节省时间与资源。PaaS 可以提供各种开发和分发应用的解决方案，比如虚拟服务器和操作系统等，可以节省硬件上的费用。SaaS，软件即服务（Software-as-a-Service），在网络上任意一个远程服务器上的应用都是属于SaaS[4]。

2.2 办公室、公司和机构组织中的云计算

企业、政府机构，组织和个人消费者正在逐渐采用云技术来扩大其开发、服务和营销的潜力。但是，一些公司仍担心向云提供商转移他们的计算能力以及数据存储和检索需求会存在风险。阻碍公司或组织机构采用云解决方案的主要障碍有三个。

第一个问题是数据安全性：当数据存储在云中时，数据保护和隐私是云提供商必须面对的最重要问题之一。安全技术的不断改进使云提供商能够以更低的风险和更好的隐私保护为客户提供服务。

第二个问题是可靠性和性能。公司和机构担心，由于云服务在其需要时一旦出现无法使用而造成其访问数据中断[5]。通常情况下，使用者不能提前得知云服务何时不可用，发生访问数据中断是没有任何预警或征兆的，所以企业将服务和有价值的数据保存在自己的基础架构中仍具有极大优势，这样可以确保他们可以随时访问这些数据。

第三个问题是交换数据和应用程序编程接口（API）标准，在云计算这个新行业中，通用数据文件格式和互操作性标准仍然不成熟，这可能导致严重的供应商锁定问题。大多数云提供商都使用专有API 进行应用程序开发和数据存储，这阻碍了与供应商无关的应用程序的开发[6]。

2.3 医疗保健领域的云计算需求

医疗机构的医疗保健系统在不断使用云服务，并从中不断发展和受益。例如通过使用云技术可以极大地增强医学成像医疗保健系统的信息技术[7]。通过医疗机构之间共享医疗数据和图像的合作，患者疾病数据和医学影像图像可以轻松存储在不同医疗服务提供者可访问的虚拟档案中，从而促进数据共享并显著降低本地存储要求。

云也可以促进医学继续教育和教学工作的发展。教学文件可以由多个机构访问，并且可以共同组织培训课程以提供对学习工具的共享访问。例如软件、演示和临床医学图像。全球对医学成像研究的规模，特别是电子计算机断层扫描（CT）和核磁共振（MRI），正在以相当快的速度增长，每年相对应的存储需求从10%增加到25%[8]。

3 云计算和医学影像

在医学影像中使用云计算的潜在驱动力是原始数据管理、影像处理及共享需求，所有这些都需要大容量数据存储和计算能力。

医学图像重建是不同成像模式的快速发展领域，在未来几年内将需要对重建图像进行准确的定量分析。通过改进对影响医学图像定量分析的各种生物过程的理解，可以实现量化。还可以在相同的重建框架内，通过在两个或更多成像模式中考虑它们的生物学影响来进行改进。例如在断层重建中，在考虑检测器和患者的相互作用的同时，使用蒙特卡罗建模方法以准确地考虑与检测过程物理相关的效应[9]。这种计算效率在挑战通过使用云基础架构来共享计算设备的解决方案，在这种情况下，以高并发的多线程方式执行的重建算法和相结合的校正方法，是有明显优势的。

医学影像处理是云计算受益的另一个领域，在过去十年中对医学图像处理的不同领域的研究已使得相关算法持续改进。当今医学图像处理面临的挑战之一是基准测试的开发，它是允许在通用测量和标准下比较图像处理算法，云技术可以通过促进其创建以及广泛的可用性和使用，来为这些基准的评定做出贡献，这样的数据库组合了评估图像处理算法所需的不同数据集[10]。

4 云计算和医学影像系统（PACS）

基于云的医学影像系统，是通过基于互联网（Internet）的用户界面可供用户和管理员进行访问的医学影像系统[11]。云PACS 提供了访问位置和访问设备独立性的优势，也就是说，假设用户具有足够的网络连接和具有足够显示特性的适当的连接设备，用户可以从任何位置访问云PACS。同时PACS 客户还需要功能强大的工作站来进行成像研究，该要求是将放射科医师或心脏病专家与具有强大工作站和高性能网络连接的位置联系在一起。

PACS 由三个主要部分组成：图像可视化应用程序、工作流引擎和图像归档系统，将所有这些组件移至云具有特定的优缺点，主要体现在如下三个方面：

4.1 基于云的可视化图像

图像查看是云PACS 的一个组成部分，为最终用户提供最直接的操作优势。影像学研究中随着数据量的不断增长，将研究移至诊断工作站的时间也在不断增加。云PACS 使用远程可视化（也称为远程渲染），其中云数据中心中的服务器负责用于渲染图像，然后将其发送到远程客户端或端点设备[12]。

4.2 基于云的工作流程

PACS 的第二个主要组成部分是工作流引擎。将引擎移至云端为改善医疗机构内部和跨平台的影像成像工作流程提供了许多机会。云PACS 还可以进行医疗保健系统和医疗保健系统之间的订购、转诊、咨询，患者转移也容易得多[13]。

4.3 基于云的图像存档

PACS 的第三个主要组件是图像存档，云计算为其也提供了改进的机会。云最富有成果的应用是将影像记录整合到医疗机构内、外部，涵盖了多个领域的地理位置[14]。

5 云计算在研究中的作用和优势

研究人员对基于云计算的研究应用，使得大型数据集并行计算在变得更容易的同时更具成本效益。原则上，临床试验研究非常适合云基础架构，因为临床试验中的每个参与者都被视为独立的基准。通过同时治疗每位患者，可以平行对试验进行分析。即使特定队列中的每个患者都需要进行复杂的计算，在基础架构用于促进分布的条件下，相同的操作也可以轻松的与处理器集群并行分布[15]。

用于临床试验的云平台可以按照如下方式运行：

（1）试验协调员（合作组，质量保证中心，商业合作伙伴）建立数据格式规则、数据存储和用于管理试验数据的基础设施。

（2）参与机构将数据上传到试验存储云，按照标准进行质量保证验证[16]。

（3）提供标准化分析引擎以用于对试验数据进行查询，促进初步分析（比较不同部门的结果）和批准的二级调查（关联主要研究目标的辅助变量）。

基于云的临床试验研究的主要好处是大大提高了数据的可访问性和分析的效率。除了数据存储和可访问性之外，云的关键组件是可以支持广泛数据查询的分析平台。

6 云计算应用的伦理和安全性

对研究数据的控制从机构转移到如云计算的服务提供商的第三方，最关心的问题是需要确保患者数据的隐私和安全性，并确保只有经过授权的个人才能访问数据[17]。云计算的服务提供商必须采取全面措施来防止安全漏洞，并且在上载、传输和下载患者数据期间应使用适当的加密措施。服务提供商必须提供书面保证，确保采取必要措施来保护数据免遭未经授权的使用。

医疗应用程序存储，交换和使用敏感的个人数据，以及保护数据免受未经授权的访问是一项持续的要求。用户身份验证和授权以及信息所有权是在考虑基于云的医疗服务时必须考虑的主要安全问题。保护个人医疗记录不被未经授权的第三方实体访问是一个重大的道德和法律问题[18]。对交换或存储的对象进行数据加密是最合适及有效的数据保护措施。对于存储的医疗数据的加密，最显著的方式是在数据传输到云之前进行加密措施。遵循这种做法，组织就可保存和管理数据加密或解密密钥，而无需与任何第三方实体共享。

信息系统安全性的另一个主要问题是服务和数据可用性。必须确保云计算基础架构和服务的所有级别的数据完整性。在云计算中，云提供商必须遵循特定的措施来保护患者数据，包括物理数据存储位置的安全性、数据可用性和完整性，数据访问控制和审计[19]。目前唯一有助于在医疗机构和云提供商之间建立正式且具有法律约束力的信任业务关系的业务工具是服务级别协议（SLA），服务级别协议清楚地描述了要遵循的所有措施、工具和程序，由云提供商提供安全的数据交换和存储，服务的可用性，对日志的访问以及存储数据的物理安全性[19]。服务级别协议必须包含额外的协议条款，明确定义云提供商如何访问存储的数据，将向客户提供哪些日志记录信息，如何在云中安全的与其他客户隔离数据，数据的地理位置，客户可以如何评估安全措施，以及云提供商如何遵守国家和国际法规等条款内容，以便云提供商可以安全交换和存储患者数据[20]。通过服务级别协议，医疗机构可以评估其提供的服务和安全措施，并决定是否使用该云提供商的服务以及哪种类型的云服务最符合其使用要求。

7 结论

云计算正在通过由原来的固定在信息和通信技术的行业服务逐渐转变为虚拟公共服务，由于云计算功能的增加和可实现的规模经济，在医疗保健领域使用云计算是具有极大潜力的。云计算为医疗和医学研究带来了不可忽视的重大优势，这些无疑将加速云计算的应用。云服务可以通过互联网向最终用户提供大量计算机资源，而用户无需购买和维护额外设备，这些服务的有效性和优势在存储、处理和共享医学图像的大型数据库方面特别有用[20]。通过使用云计算，科研人员可以获得涉及多个机构的执行大规模临床试验所需的数据资源。新兴的云计算技术已经吸引了研究人员、临床管理人员和软件开发人员将PACS 等医学图像档案迁移到云端，以提高可管理性、可访问性和存储可用性，这种迁移到云上方式的重要问题和障碍是伴随云计算使用而来的医疗数据的管理和数据在云端安全性、隐私问题，通过信息、通信技术加密技术和安全策略可以确保数据部分安全和隐私性。同时云提供商还必须确保其服务符合其国家和客户所在国家/地区的国家和国际法规。他们还必须采取适当措施，以保护存储在其系统中并由其系统处理的敏感患者数据的高度私密性。