TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO Đề tài QUẢN LÝ MẠNG CHO HỆ THỐNG LƯU TRỮ VÀ TRUYỀN THÔNG HÌNH ẢNH PACS Giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Thái Hà Sinh viên thực hiện MSSV Nội dung Nguyễn Xuân Huy 20131785 (trang 1 43) Bùi Ngọc Tuyên 20134352 (trang 43 73) Hà Nội, 12 – 2016 Tóm tắt nội dung Hệ thống lưu trữ và truyền thông hình ảnh (PACS) đã được triển khai nhanh chóng đến các bệnh viện trên toàn thế gới hơn 5 năm quá Mặc dù các hệ thống này nâng cao hiệu quả làm việc.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG - - BÁO CÁO Đề tài: QUẢN LÝ MẠNG CHO HỆ THỐNG LƯU TRỮ VÀ TRUYỀN THƠNG HÌNH ẢNH - PACS Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Nguyễn Xuân Huy Bùi Ngọc Tuyên TS Nguyễn Thái Hà MSSV Nội dung 20131785 (trang 1-43) 20134352 (trang 43-73) Hà Nội, 12 – 2016 Tóm tắt nội dung Hệ thống lưu trữ truyền thơng hình ảnh (PACS) triển khai nhanh chóng đến bệnh viện toàn gới năm Mặc dù hệ thống nâng cao hiệu làm việc bệnh viện cách đáng kể, kết nối hệ thống với thiết bị chẩn đốn hình ảnh khác nhiệm vụ đầy thử thách Do đó, chúng tơi phát triển hệ thống PACS Monitor dựa giao thức quản lý mạng đơn giản (Simple Network Management Protociol – SNMP) Hệ thống PACS Monitor sử dụng để xác định giải vấn đề kết nối hiệu Mặc dù xác định phát triển tập liệu quản lý PACS, thiết kế mở rộng để hỗ trợ toàn liệu quản lý sử dụng cho PACS Mục lục Giới thiệu Bệnh viện .10 2.1 Lịch sử bệnh viện 10 2.2 Hệ thống công nghệ thông tin bệnh viện .11 2.2.1 Hệ thống thông tin bệnh viện ( Hospital Information System - HIS ) 12 2.2.2 Hệ thống tự động hóa (Automation System) 12 2.2.3 Hệ thống thơng tin chẩn đốn hình ảnh (Radiology Information System - RIS) 13 2.2.4 Hệ thống lưu trữ truyền hình ảnh (Picture Archiving and Communication System PACS) .13 2.2.5 Phương thức (Modalites) .13 2.3 Giao thức truyền thông khung tích hợp (Communication Protocol and Integration Framework) 14 2.3.1 Số hóa truyền ảnh y tế (Digital Imaging and Communication in Medicine - DICOM) 14 2.3.2 Chuẩn HL7 (Health Level Seven - HL7) 15 2.3.3 Liên hợp doanh nghiệp chăm sóc sức khỏe ( - IHE) 15 2.4 Quy trình làm việc bệnh viện 15 Số hóa truyền ảnh y tế ( Digital Imaging and Communication in Medicine) 17 3.1 Dịch vụ DICOM Upper Layer (DICOM Upper Layer Service) 18 3.1.1 A-ASSOCIATE ( Liên kết A) 19 3.1.2 A-RELEASE ( Giải phóng – A) 20 3.1.3 A-ABORT and A-P-ABORT 20 3.2 Ứng dụng trao đổi tin nhắn DICOM (DICOM Application Message Exchange) 25 3.2.1 Các thành phần dịch vụ tin nhắn DICOM (DICOM Message Service Element) 25 3.2.2 DICOM Command Set Encoding 27 3.2.3 Trường tin nhắn dịch vụ DIMSE 28 3.2.5 Query Service Class – Lớp dịch vụ truy vấn 36 3.2.6 Retrieve Service Class – Lớp dịch vụ lấy lại 37 3.3 DICOM File 39 Phương thức quản lý mạng đơn giản (Simple Network Management Protocol) 41 4.1 Lịch sử SNMP .42 4.2 Đặc trưng SNMP 43 4.3 Cấu trúc SNMP 43 4.3.1 Thông tin quản lý sở định danh đối tượng 44 4.4 Hoạt động SNMP 46 4.4.1 Get Operation 47 4.4.2 Get-Next Operation .48 4.4.3 Thiết lập hoạt động 49 4.5 Kiểu thông điệp SNMP 50 4.6 SNMPv2 51 4.6.1 Hoạt động SNMPv2 51 4.7 SNMPv3 53 4.7.1 Xác thực 53 4.7.2 Bảo mật 54 4.7.3 Kiểm soát truy cập 55 Áp dụng SNMP vào hệ thống thông tin y tế .56 Thiết kế thực hệ thống PACS Monitor 57 6.1 Nền tảng phần cứng 57 6.2 Kiến trúc phần mềm 58 6.2.1 Giao diện PACS Monitor .59 6.2.2 Quản lý PACS SNMP 61 6.2.3 PACS 62 PACS SNMP Manger: hệ thống kiểm tra xác nhận .63 7.1 Mô-đun thử nghiệm 63 7.2 Thông báo kiểm tra .63 7.3 Kiểm tra hệ thống 64 Kết luận 65 Danh Sách Hình Ảnh Hình 1.Các tương tác hệ thống công nghệ thông tin bệnh viện bao gồm: modalities, hệ thống lưu trữ truyền thơng hình ảnh (PACS), hệ thống thơng tin chẩn đốn hình ảnh (RIS), hệ thống thơng tin y bệnh viện, hệ thống tự động hóa 12 Hình Quy trình làm việc bệnh viện điển hình: trình luồng tin chăm sóc bệnh nhân bệnh viện 17 Hình Giao thức mạng DICOM ngăn xếp phía mạng TCP/IP 18 Hình Thiết lập liên kết AEs qua dịch vụ A-ASSOCIATE 19 Hình Liên kết release AEs qua dịch vụ A-RELEASE 20 Hình Hủy bỏ liên kết AEs qua dịch vụ A-ABORT 21 Hình Dịch vụ UL cấp hủy bỏ liên kết qua dịch vụ A-P-ABORT 21 Hình Truyền liệu AEs qua dịch vụ P-DATA 22 Hình Cấu trúc mã hóa A-ASSOCIATE-RQ/A-ASSOCIATE-AC PDU sử dụng thiết lập liên kết 24 Hình 10 Cấu trúc mã hóa A-ASSOCIATE-RJ/A-RELEASE-RQ/A-RELEASE-RP/A-ABORT PDU sử dụng giải phóng liên kết 25 Hình 11 Cấu trúc mã hóa P-DATA-TF PDU sử dụng truyền liệu 25 Hình 12 Yêu cầu đáp ứng gốc tất hoạt động DIMSE 27 Hình 13 Cấu trúc tin nhắn DICOM sử dụng dịch vụ DIMSE 28 Hình 14 Giao tác lưu trữ thiết bị CT PACS: CT gửi ảnh đến PACS .35 Hình 15 Giao tác truy gửi trạm rà sốt PACS PACS trả lại kết phù hợp đến trạm rà soát .37 Hình 16 Giao tác lấy lại trạm rà sốt PACS: trạm rà sốt giao tác hình ảnh phù hợp từ PACS 39 Hình 17 Cấu trúc SNMP 44 Hình 18 Cấu trúc MIB với router Cisco 46 Hình 19 Xử lý yêu cầu người quản lí đại lý SNMP 48 Hình 20 Get-next-request .49 Hình 21 SNMP set-request .50 Hình 22 Định dạng thơng điệp SNMPv1 50 Hình 23 Ví dụ u cầu get-bulk 52 Hình 24 Sơ đồ khối mơ tả hoạt động thơng báo .53 Hình 25 Quá trình gửi trình xác thực (a), nhận trình xác thực (b) 54 Hình 26 Mã hóa thơng điệp SNMP: (a) q trình gửi mã hóa (b) nhận q trình giải mã .55 Hình 27 Minh họa kết nối vật lí 58 Hình 28 Sơ đồ kiến trúc phần mềm 59 Hình 29 Giao diện PCAS Monitor 60 Hình 30 Các lớp PCAS Monitor GUI 61 Hình 31 Các vịng lặp điều khiển quản lý PACS SNMP 61 Hình 32 Sơ đồ quản lý PACS SNMP .62 Hình 33 Các phần mở rộng PACS 63 Hình 34 SNMP kiểm tra thiết lập: Một người quản lý PACS SNMP kết nối đến đại lý mở rộng PACS SNMP .64 Hình 35 Hệ thống thử nghiệm thiết lập: theo dõi hệ thống PACS quản lý kết nối hệ thống PACS ba mô phương thức 65 Danh Sách Bản Bảng Mô tả dịch vụ DIMSE gồm C-STORE, C-FIND, C-MOVE, C-GET, CECHO, N-EVENT-REPORT, N-GET, N-SET, N-ACTION, N-CREATE, and N-DELETE 25 Bảng Trường tin nhắn yêu cầu dịch vụ C-STORE 28 Bảng Trường tin nhắn đáp ứng dịch vụ C-STORE 29 Bảng Trường tin nhắn yêu cầu dịch vụ C-FIND 29 Bảng Trường tin nhắn đáp ứng dịch vụ C-FIND 30 Bảng Trường tin nhắn yêu cầu dịch vụ C-MOVE 31 Bảng Trường tin nhắn đáp ứng dịch vụ C-MOVE 32 Bảng Các mẫu liễu trừu tượng ảnh CT IOD 38 Bảng Thuộc tính sử dụng module khung tham chiếu 40 Thuật ngữ AE CCITT Application Entity – đối tượng áp dụng Consultative Committee For International Tetlgraph CMOT And Telephone Common Management Information Protocol Over CR CT DES DICOM TCP/IP Computed Radiography – X-quang điện toán Computed Tomography – Cắt lớp điện toán Data Encryption Standard – tiêu chuẩn mã hóa liệu Digital Imaging And Communication In Medicine – số DIMSE hóa truyền ảnh y tế DICOM Message Service Element – thành phần dịch vụ DLL HEMS HIS HL7 ICMP IAB HIE IOD ISO IT MAC MIB MPPS MRI MEMA NM OID PACS tin nhắn DICOM Dynamic Link Library High-Level Entity Managerment Protocol Hospital Information System – hệ thống thông tin y tế Health Level Senven Internet Control Message Protocol Internet Active Board Integrating The Healthcare Enterpries Information Object Definition International Organization For Standardization Information Technology – CNTT Message Authentication Code Management Information Base Modality Performed Procedure Step Magnetic Resonance Imaging National Electrical Manufacturers Association Nuclear Medicine – Y học hạt nhân Object Identifier – định danh đối tượng Picture Archiving And Communications System - hệ PDU PDV PET PING RFC RIS thống lưu trữ truyền thơng hình ảnh Protocol Data Units – đơn vị liệu giao thức Presentation Data Values – giá trị liệu bối cảnh Positron Emission Tomography Packet Internet Groper Program Request For Comment Radiology Information System SCP SCU SGMP Service Class Provider – lớp dịch vụ người cung cấp Service Class User – lớp dịch vụ người dùng Simple Network Management Protoco – giao thức mạng SNMP SOP TCP/IP UID UL US VACM VR đơn giản Simple Network Management Protoco Service-Object Pair Transmission Control Protocol/Internet Protocol Unique Identifier – định danh Upper Layers – lớp Ultrasound – siêu âm View-Based Access Control Model Value Representation Giới thiệu Với tiến công nghệ viễn thông, mạng liệu trở thành phần thiếu sống Các tổ chức sử dụng mạng để chia sẻ thơng tin, cịn cộng đồng nói chung sử dụng mạng để giao tiếp Ngày nay, hầu hết công ty kết nối với Internet qua nhà cung cấp dịch vụ Internet Các tập đoàn lớn chí có mạng riêng để trao đổi thơng tin Với tiến cơng nghệ, mạng kết nối với qua định tuyến cầu nối từ khu vực mạng cục khác nhau, Ethernet Tonken Ring Trong thập kỷ qua, nỗ lực làm chuẩn hóa giao thức mạng để thiết bị mạng triển khai mơi trường có nhiều nhà cung cấp Nhu cầu sử dụng giao tiếp mạng không giới hạn kinh doanh Kể từ năm 1990, bệnh viện bắt đầu liên kết thiết bị chẩn đốn hình ảnh với Với tiến công nghệ mạng, thiết bị kết nối với hệ thống lưu trữ trung tâm (PACS) PACS cung cấp kho lưu trữ dịch vụ quản lý chẩn đốn hình ảnh báo cáo Hệ thống giúp cải thiện quy trình làm việc bênh viện cách giảm thời gian chẩn đốn từ hàng xuống cịn vài phút Hơn nữa, trung tâm lưu trữ có khả làm giảm chi phí quản lý đáng kể Khi nghiên cứu khoa học tiếp tục, nhiều loại thiết bị chẩn đốn hình ảnh phát triển triển khai bệnh viện để giải nhu cầu khác Do số lượng thiết bị chẩn đoán hình ảnh tăng lên, kết nối với PACS khơng cịn theo dõi trì thủ cơng Để đáp ứng nhu cầu này, phát triển hệ thống giám sát PACS (PACS Monitor system) để cung cấp thu thập thống kê, quản lý cấu hình quản lý lỗi cho quản trị viên PACS Với hệ thống PACS Monitor, vấn đề kết nối xác định giải hiệu Trong thiết kế hệ thống PACS Monitor, sử dụng giao thức quản lý mạng đơn giản ( Simple Network Management Protocol – SNMP) cho hệ thống theo dõi y tế Trong dự án này, mục tiêu quản lý liệu PACS giới hạn dịch vụ lưu trữ, PACS cung cấp nhiều hoạt động dịch vụ cho thiết bị chẩn đốn hình ảnh, để vận hành chúng Nếu công cụ quản lý tập trung dựa SNMP có sẵn, quản trị viên PACS truy vấn giao diện mạng thẻ, router, PACS, phương thức thống kê mạng, tình trạng hệ thống, cấu hình thiết bị Bằng cách làm vậy, vấn đề mạng xác định cách nhanh chóng vấn đề giải cách hiệu Thiết kế thực hệ thống PACS Monitor 6.1 Nền tảng phần cứng Phần cung cấp nhìn tổng quan thiết kế thực Mục tiêu dự án phát triển hệ thống PACS Monitor mà thực việc quản lý PACS qua giao thức SNMP Hình 27 Minh họa kết nối vật lí 6.2 Kiến trúc phần mềm Kiến trúc phần mềm tổ chức thành nhiều lớp PACS hệ thống PACS Monitor Trong PACS, lớp bao gồm dịch vụ PACS, PACS SNMP đại lý mở rộng, dịch vụ Microsoft SNMP Microsoft TCP / IP stack Trong hệ thống PACS Monitor, lớp giao diện PACS Monitor, quản lý PACS SNMP, thư viện Microsoft SNMP, dịch vụ Microsoft SNMP Microsoft TCP / IP stack Thực 58 bao gồm hai lớp hệ thống PACS hệ thống PACS Monitor Chỉ SNMPv1 thực kể từ muốn có thiết kế đơn giản để chứng minh khái niệm quản lý thiết bị y tế Hình 27 minh họa kiến trúc phần mềm Hình 28 Sơ đồ kiến trúc phần mềm 6.2.1 Giao diện PACS Monitor Giao diện PACS Monitor tập tin phát triển sử dụng MFC Visual C + + Như thể hình 28, lớp cung cấp giao diện người dùng đồ họa cho quản trị viên để quản lý PACS Phần bên trái cửa sổ hiển thị tất phương thức kết nối với PACS Thông tin liên quan đến phương thức hiển thị hình Các cửa sổ phía (trap) thơng báo cho quản trị viên PACS lỗi Giao diện 59 PACS không thực nhiệm vụ chủ yếu khác khác ngồi chức có layer nằm bên Giao diện đồ họa phát triển cách sử dụng mơ hình hướng đối tượng Màn hình thực cách sử dụng lớp CMainFrame, có hai đối tượng CControlBar cho cửa sổ hệ thống cửa sổ bẫy Các đối tượng chứa cho phép cửa sổ hệ thống cửa sổ bẫy dock cạnh hình Hệ thống cửa sổ hiển thị phương thức sử dụng lớp CTreeCtrl, cửa sổ bẫy hiển thị thơng báo lỗi thơng qua lớp CListCtrl Hình 29 minh họa ngăn chặn lớp giao diện PACS Monitor 60 Hình 29 Giao diện PCAS Monitor Hình 30 Các lớp PCAS Monitor GUI 6.2.2 Quản lý PACS SNMP Quản lý PACS SNMP 32-bit Dynamic Link Library (DLL) phát triển với việc sử dụng Visual C ++ Lớp chịu trách nhiệm truyền tải yêu cầu SNMP từ hệ thống PACS Monitor Hơn nữa, người quản lý SNMP PACS xử lý bẫy SNMP nhận thông báo Để tránh điều kiện có thể, DLL thực phép tập tin đính kèm q trình Nếu tập tin đính kèm thứ hai bắt đầu, hộp thoại báo lỗi tạo Nói cách khác, người quản trị PACS không đồng thời mở hai GUI PACS Monitor Hạn chế thực bên hàm DllMain, nơi mà việc kiểm tra tiến hành tập tin đính kèm giao diện PACS 61 Moniror Khi tập tin đính kèm, giao diện PACS Monitor cấu hình PACS lấy số liệu thống kê qua vịng điều khiển quản lý PACS SNMP Người quản lý PACS SNMP giấu chi tiết SNMP (như OID) từ PACS Màn hình giao diện, đơn giản hóa việc thiết kế giao diện người dùng đồ họa Hình 30 cho thấy sơ đồ vịng điều khiển quản lý PACS SNMP Hình 31 Các vịng lặp điều khiển quản lý PACS SNMP Trong trình khởi động, DLL thêm chủ đề để xử lý bẫy SNMP Một chủ đề cần thiết tính chất khơng đồng SNMP Khi bẫy SNMP nhận, chủ đề thông báo cho PACS Monitor giao diện thông qua chức gọi lại đăng ký Tuy nhiên, chủ đề chấm dứt nhận kiện 62 gần Hình 31 minh họa sơ đồ chủ đề bẫy quản lý PACS SNMP Hình 32 Sơ đồ quản lý PACS SNMP 6.2.3 PACS Các mã nguồn cho PACS sử dụng dự án hồn tồn miễn phí McKesson Medical Imaging Group Trong dự án chúng tôi, mở rộng thêm PACS từ hỗ trợ dịch vụ lưu trữ để cung cấp sưu tập số liệu thống kê báo cáo lỗi Hơn nữa, đời PACS Monitor giao diện cho phép sửa đổi cài đặt lưu tập tin cấu hình Khi làm vậy, thiết lập có sẵn theo yêu cầu hiệp hội Hình 32 minh họa thiết kế phần mềm phần mở rộng PACS 63 Hình 33 Các phần mở rộng PACS PACS SNMP Manger: hệ thống kiểm tra xác nhận Để xác nhận chức hệ thống PACS Monitor, ba kiểm tra thực Chúng tơi trình bày tóm tắt q trình xác minh xác nhận 7.1 Mô-đun thử nghiệm Giai đoạn đầu q trình xác minh chúng tơi biên dịch tất mô-đun chế độ gỡ lỗi Bằng cách chèn breakpoint phần thích hợp mã nguồn, hoạt động khối chức xác nhận Hơn nữa, cách chèn điểm dừng giao diện khối chức năng, tương tác phân hệ khác xác nhận 7.2 Thông báo kiểm tra Giai đoạn trình xác minh để xác nhận giao dịch 64 SNMP người quản lý PACS SNMP đại lý mở rộng PACS SNMP Bằng cách cài đặt gói sniffers ethereal hai thực thể, thông điệp SNMP gửi đến mạng bị bắt phân tích nội dung gói tin giao thức phức tạp Các thiết lập trình bày Hình 33 cấu hình để xác nhận giao dịch SNMP Hình 34 SNMP kiểm tra thiết lập: Một người quản lý PACS SNMP kết nối đến đại lý mở rộng PACS SNMP Trong trình kiểm tra, tất lệnh SNMPv1 sử dụng kết xác minh Một tập hợp bước là: [Khung 1-2] SNMP Get: có ứng dụng Entity PACS [Khung 3-4] SNMP Set: thiết lập ứng dụng Entity PACS [Khung 5-10] SNMP Get-Next: có tên máy chủ thiết bị hình ảnh y tế [Khung 11] SNMP Trap: thông báo xuất lỗi trình lưu trữ giao dịch thiết bị hình ảnh y tế PACS 7.3 Kiểm tra hệ thống Giai đoạn cuối q trình xác minh chúng tơi để xác nhận chức tổng thể hệ thống PACS Monitor Sử dụng chương trình kiểm tra từ McKesson Medical Imaging Group, máy tính chung sử dụng để mơ phương thức Hình 34 minh họa môi trường thử nghiệm hệ thống, nơi mà nhiều mô phương thức kết nối với PACS 65 Hình 35 Hệ thống thử nghiệm thiết lập: theo dõi hệ thống PACS quản lý kết nối hệ thống PACS ba mô phương thức Trong q trình kiểm tra hệ thống, mơ phương thức tạo yêu cầu dịch vụ lưu trữ để PACS Hệ thống PACS Monitor kết nối với PACS cho sưu tập Kết luận Mục tiêu dự án phát triển hệ thống PACS Monitor cung cấp số liệu thống kê thu thập, quản lý cấu hình quản lý lỗi cho người quản trị PACS Bài viết cung cấp nhìn tổng quan mơi trường bệnh viện, thông tin liên lạc DICOM, giao thức quản lý SNMP Hơn nữa, khám phá việc sử dụng SNMP giao thức truyền thông PACS hệ thống PACS Monitor Cuối cùng, chúng tơi trình bày thiết kế thực hệ thống PACS Monitor Chúng thực thành công dự án mà liệu quản lý yêu cầu dịch vụ lưu trữ xác định phát triển Hệ thống PACS Monitor lấy số liệu từ phương thức đăng ký, cấu hình bất lợi, nhận thông báo lỗi từ PACS 66 Thông qua loạt thử nghiệm, xác minh việc thực hệ thống PACS Monitor đề xuất, cải tiến tương lai dự án bao gồm định nghĩa dịch vụ PACS lại cung cấp hỗ trợ SNMPv3 67 ... tác hệ thống Hình 1.Các tương tác hệ thống công nghệ thông tin bệnh viện bao gồm: modalities, hệ thống lưu trữ truyền thơng hình ảnh (PACS) , hệ thống thơng tin 11 chẩn đốn hình ảnh (RIS), hệ thống. .. hình ảnh với Với tiến công nghệ mạng, thiết bị kết nối với hệ thống lưu trữ trung tâm (PACS) PACS cung cấp kho lưu trữ dịch vụ quản lý chẩn đốn hình ảnh báo cáo Hệ thống giúp cải thiện quy trình... chẩn đốn hình ảnh thực cách hiệu 2.2.4 Hệ thống lưu trữ truyền hình ảnh (Picture Archiving and Communication System - PACS) PACS sử dụng để giúp bệnh viện nắm bắt, quản lý, lưu trữ xem ảnh chẩn