Nghiên cứu và xây dựng một hệ thống thu thập lưu trữ và xử lý dữ liệu hình ảnh y tế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI TUẤN NAM Bùi Tuấn Nam KỸ THUẬT Y SINH NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MỘT HỆ THỐNG THU THẬP, LƯU TRỮ VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU HÌNH ẢNH Y TẾ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh KHOÁ 2013B Hà Nội – Năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Bùi Tuấn Nam NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MỘT HỆ THỐNG THU THẬP, LƯU TRỮ VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU HÌNH ẢNH Y TẾ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh Hà Nội – Năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Bùi Tuấn Nam NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MỘT HỆ THỐNG THU THẬP, LƯU TRỮ VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU HÌNH ẢNH Y TẾ Chuyên ngành: Kỹ thuật Y sinh LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS VŨ DUY HẢI Hà Nội – Năm 2016 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC BẢNG v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vi LỜI GIỚI THIỆU CHƯƠNG 1.1 Kiến thức sở Lưu trữ hệ thống lưu trữ 1.1.1 Các thiết bị lưu trữ liệu 1.1.2 Các chuẩn giao tiếp thiết bị nhớ 1.1.3 Cấu hình kết nối thiết bị lưu trữ liệu 1.1.4 RAID 13 1.2 Mạng máy tính 15 1.2.1 Mơ hình kết nối hệ thống mở 15 1.2.2 TCP/IP 17 1.2.3 Kiến trúc mạng 25 1.2.4 Cáp sợi quang 28 1.3 Tổng quan PACS 30 1.4 Cấu trúc hệ thống PACS 30 1.4.1 Các thiết bị thu ảnh (tạo ảnh số) y tế 30 1.4.2 Máy tính giao tiếp thu nhận hình ảnh/dữ liệu 31 1.4.3 Máy chủ PACS & máy chủ lưu trữ 32 1.4.4 Display Workstation 38 1.4.5 Application Server 39 1.4.6 System Network 39 1.5 Quy mô PACS 40 1.6 Kiến trúc PACS 40 1.6.1 Các tiêu chuẩn công nghiệp 40 1.6.2 Kết nối mở kiến trúc mở 42 i 1.6.3 1.7 Độ tin cậy 42 Hoạt động PACS 43 1.7.1 Quy trình PACS 43 1.7.2 Kiến trúc PACS đơn quy trình hoạt động 45 1.7.3 Mơ hình PACS chủ - tớ quy trình hoạt động 47 1.7.4 Mơ hình WEB 50 1.8 HIS 50 1.9 RIS 51 1.10 HL7 51 1.11 DICOM 52 1.11.1 Cấu trúc chuẩn DICOM 54 1.11.2 Các lớp dịch vụ DICOM 55 1.11.3 Dịch vụ lưu trữ 56 1.11.4 Dịch vụ in 57 1.11.5 Danh sách công việc thiết bị tạo ảnh 57 CHƯƠNG Thiết kế hệ thống thu thập, lưu trữ xử lý liệu hình ảnh y tế bệnh viện K 59 2.1 Thực trạng hệ thống thiết bị hình ảnh bệnh viện K 59 2.1.1 Trang thiết bị chẩn đốn hình ảnh 59 2.1.2 Những tồn 59 2.2 Yêu cầu thiết kế 60 2.3 Mơ hình thiết kế 61 2.4 Phương án thực 61 2.5 Cài đặt hệ thống thử nghiệm 62 2.5.1 Cài đặt lưu trữ NAS 62 2.5.2 Cài đặt phần mềm eFilm 68 2.6 Triển khai hệ thống thực tế 69 CHƯƠNG Kết bàn luận 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn nghiên cứu, tìm tịi, tổng hợp khơng chép từ tài liệu khác Tác giả luận văn Bùi Tuấn Nam iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ARP CR CT DICOM DR GOF HIS IP LUN MAC MRI OSI PACS POF RAID RIS TCP UDP Address Resolution Protocol Computed Radiography Computed Tomography Digital Imaging and Communications in Medicine Digital Radiography Glass Optical Fiber Hospital Information System Internet Protocol Logical Unit Number Media Access Control Magnetic Resonance Imaging Open Systems Interconnection Picture Archiving and Communication System Plastic Optical Fiber Redundant Arrays of Independent Disks Radiology Information System Transmission Control Protocol User Datagram Protocol iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1 Các đơn vị liệu Bảng 1-2 Tốc độ ghi số loại ổ đĩa quang học Bảng 1-3 Mô tả xử lý hệ thống PACS 35 Bảng 1-4 Các chức máy trạm 38 Bảng 2-1 Dung lượng lưu trữ số loại hình ảnh y tế 62 v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1-1 Băng từ AIT-3, dung lượng 100 GB, tốc độ truyền 12Mbps Hình 1-2 Ổ băng từ AIT-3 Hình 1-3 Cấu tạo ổ cứng Hình 1-4 Kết nối trực tiếp thiết bị lưu trữ Hình 1-5 Hệ thống lưu trữ SAN 11 Hình 1-6 Bộ lưu trữ NAS 12 Hình 1-7 So sánh hệ thống lưu trữ 12 Hình 1-8 RAID RAID 13 Hình 1-9 RAID RAID 14 Hình 1-10 RAID 15 Hình 1-11 Mơ hình lớp OSI 17 Hình 1-12 Kiến trúc phân lớp giao thức TCP/IP 18 Hình 1-13 Q trình đóng gói liệu TCP/IP 18 Hình 1-14 Cấu trúc liệu lớp 19 Hình 1-15 Cấu trúc lớp địa IP 23 Hình 1-16 Mặt nạ mạng 24 Hình 1-17 Mạng tuyến 26 Hình 1-18 Mạng 26 Hình 1-19 Mạng vòng 27 Hình 1-20 Mạng trung tâm 27 Hình 1-21 Mạng hình lưới 28 Hình 1-22 Cấu tạo cáp sợi quang 29 Hình 1-23 Mối quan hệ xử lý hệ thống PACS 34 Hình 1-24 Quy trình hoạt động PACS 43 Hình 1-25 Quy trình hoạt động PACS đơn 45 Hình 1-26 Quy trình hoạt động mơ hình PACS chủ - tớ 48 Hình 2-1 Mơ hình Web Server Distribution 61 Hình 2-2 Cấu hình máy tính mơ NAS 62 vi Hình 2-3 Bộ NAS khởi động xong 63 Hình 2-4 Thêm ổ cứng cho NAS 64 Hình 2-5 Tạo lưu trữ RAID 64 Hình 2-6 Ổ đĩa RAID 65 Hình 2-7 Kết nối ổ đĩa RAID vào hệ thống 65 Hình 2-8 NAS với ổ đĩa RAID 66 Hình 2-9 Địa đích lưu trữ tới NAS 66 Hình 2-10 Máy tính kết nối NAS qua iSCSI 67 Hình 2-11 Máy tính với ổ đĩa iSCSI 67 Hình 2-12 Lưu trữ liệu hình ảnh NAS 68 Hình 2-13 Địa DICOM để nhận hình ảnh 69 vii liệu SOP ảnh DICOM báo cáo chẩn đoán lưu trữ truy câp sau SCU định có xóa hay khơng liệu SOP sau SCP thực xong việc lưu trữ Dịch vụ thực lưu trữ dùng để xác định việc lưu trữ thành công lưu trữ cục từ xa Một máy trạm thiết bị hình ảnh sử dụng dịch vụ để xác định xem liệu an tồn để xóa hình ảnh khỏi nhớ cục hay chưa 1.11.4 Dịch vụ in Lớp dịch vụ quản lý in lớp dịch vụ mức ứng dụng dùng để in hình ảnh thơng tin liên quan lên phim Các hình ảnh gửi đến đích máy in DICOM in theo kích thước tiêu chuẩn, việc in ấn thực qua mạng 1.11.5 Danh sách công việc thiết bị tạo ảnh Các ứng dụng DICOM việc truyền lưu trữ hình ảnh y tế cịn nâng cao chất lượng, hiệu công tác y tế Danh sách công việc MWL1 cấu trúc biểu diễn thông tin liên quan đến loạt tác vụ mục danh sách Lớp SOP MWL lớp dịch vụ ứng dụng, cho phép kết hợp thiết bị tạo ảnh y tế với nhiều hệ thống thông tin khác RIS, hệ thống lưu trữ qua hệ thống mạng MWL kết nối bước thực cơng việc theo quy trình tới thiết bị tạo ảnh thực thể liên quan đến bước quy trình Một số thơng tin MWL dùng cho thiết bị chẩn đốn hình ảnh, phần lại dành cho người vận hành thiết bị chẩn đốn Trước thực công tác chụp chiếu cho bệnh nhân, MWL cho phép thiết bị tạo ảnh tự động lấy thông tin riêng bệnh nhân, số kiểu chụp chiếu lịch chụp chiếu từ RIS, nhờ giảm nhiều thao tác lỗi sai sót người vận hành phải nhập tay thơng tin Ngay sau thiết bị tạo ảnh thực cơng việc, gửi yêu cầu dịch vụ tới RIS để báo bước cơng việc bắt đầu thực MWL cập nhật Sau việc tạo ảnh thực xong, danh sách công việc hiển thi Modality Worklist 57 máy trạm thị trạng thái hồn thành cho việc chụp chiếu cho phép bác sỹ chẩn đốn hình ảnh nhập báo cáo chẩn đốn Mục đích chức MWL để nâng cao hiệu hoạt động thiết bị tạo ảnh y tế 58 CHƯƠNG Thiết kế hệ thống thu thập, lưu trữ xử lý liệu hình ảnh y tế bệnh viện K 2.1 Thực trạng hệ thống thiết bị hình ảnh bệnh viện K Bệnh viện K trải rộng với sở, sở I 43 Quán Sứ, Hoàn Kiếm, Hà Nội; sở II Tam Hiệp; sở III Tân Triều Tại sở III, hệ thống thiết bị chẩn đốn hình ảnh kỹ thuật số hoàn toàn 2.1.1 Trang thiết bị chẩn đốn hình ảnh Cơ sở I có 01 máy X-quang DR, 03 máy X-quang CR, 03 máy X-quang chụp vú CR, 03 máy CT, 01 máy SPECT 01 máy chụp cộng hưởng từ MRI Cơ sở II có 01 máy X-quang CR, 01 máy X-quang chụp vú CR 01 máy CT Cơ sở III có 02 máy X-quang DR, 01 máy X-quang di động DR, 03 máy Xquang chụp vú DR, 03 máy CT 01 máy chụp cộng hưởng từ MRI Bệnh viện có hệ thống HIS, LIS chưa có RIS, liệu bệnh nhân vào rời rạc thiết bị chẩn đốn hình ảnh, chưa có đồng với HIS với tồn hệ thống chẩn đốn hình ảnh 2.1.2 Những tồn Hầu hết hệ thống chẩn đốn hình ảnh bệnh viện K kỹ thuật số việc sử dụng lại phim X-quang Kết sau chụp, thăm khám cho bệnh nhân in phim chuyển tới bác sỹ chẩn đốn hình ảnh đọc, ghi kết Sau tờ phim kết chuyển tới khoa khác trình điều trị cho bệnh nhân Việc chẩn đoán, nghiên cứu, kiểm tra bệnh sử bệnh nhân tiến hành phim X-quang, chưa tận dụng ưu hệ thống kỹ thuật số: khả tìm kiếm, thống kê, phóng to hình ảnh, liệu liên quan… 59 Hình ảnh y tế bệnh nhân lưu khoảng thời gian hữu hạn (khoảng tháng) thiết bị chẩn đốn hình ảnh sau bị thiết bị tự động xóa để dùng nhớ cho hình ảnh Dữ liệu lưu trữ có phim X-quang Việc đọc, điều chỉnh hình ảnh, in phim thực máy tính thiết bị hình ảnh làm giảm hiệu hoạt động thiết bị Lãng phí tài ngun hệ thống, lãng phí liệu bệnh nhân 2.2 Yêu cầu thiết kế Thiết kế hệ thống thu thập, lưu trữ xử lý liệu hình ảnh y tế cho sở Tân Triều bệnh viện K Yêu cầu thiết kế dựa yếu tố sau: Thứ nhất, tồn thiết bị chẩn đốn hình ảnh thiết bị số hóa hồn tồn; thiết bị mới, sản xuất từ năm 2012 trở đi, tương thích chuẩn DICOM 3.0 Các liệu hình ảnh y tế bệnh nhân lưu trữ thời gian hữu hạn bị tự động xóa gây lãng phí tài ngun liệu bệnh nhân, lãng phí cơng thiết bị Hệ thống mạng nội tương đối tốt Việc điều trị bệnh viện đa mô thức, tức để đạt kết điều trị cao, bệnh nhân phẫu thuật cắt bỏ khối u – thực khoa Phẫu thuật – Gây mê hồi sức, theo dõi, kiểm tra, điều trị - thực khoa ngoại, điều trị hóa chất – thực khoa nội, xạ trị - thực khoa xạ Các khoa xa liệu hình ảnh bệnh nhân có tờ phim in lần 60 2.3 Mơ hình thiết kế Để giảm thiểu thay đổi, giảm thiểu ảnh hưởng gây gián đoạn cơng việc khoa Chẩn đốn hình ảnh để đảm bảo nhu cầu lưu trữ liệu hình ảnh y tế, tơi lựa chọn mơ hình Web Server Distribution, máy chủ PACS máy tính cài đặt phần mềm DICOM server mã nguồn mở phần mềm eFilm tương tự kết nối iSCSI với lưu trữ NAS( máy tính cài phần mềm NAS mã nguồn mở) Hình 2-1 Mơ hình Web Server Distribution 2.4 Phương án thực Giai đoạn I: thiết kế, thử nghiệm hoạt động hệ thống máy chủ máy lưu trữ máy tính cài phần mềm DICOM server eFilm, đồng thời cài phần mềm VM để giả lập lưu trữ NAS Giai đoạn II: sở kết giai đoạn I kết hợp với số liệu thực tế khối lượng liệu hình ảnh y tế khoa Chẩn đốn hình ảnh để tính tốn, lựa chọn phần cứng phù hợp, đảm bảo yêu cầu thiết kế 61 Kích thước số loại hình ảnh y tế: Loại thiết bị tạo ảnh Kích thước ảnh (bit) Số lượng ảnh lần thăm khám Dung lượng ca thăm khám (MB) X-quang số 2048 × 2048 × 12 12 Mammo số 2560 × 4280 × 12 30 MRI 320 × 320 × 12 Trên 200 Trên 30 SPECT 512 × 512 × 12 10 CT 16 lát 512 × 512 × 12 10 Bảng 2-1 Dung lượng lưu trữ số loại hình ảnh y tế 2.5 Cài đặt hệ thống thử nghiệm 2.5.1 Cài đặt lưu trữ NAS Giả lập máy tính với ổ cứng, có ổ cứng 40GB dùng làm ổ lưu trữ RAID 5, ổ cứng 8GB ổ USB để cài phần mềm NAS4Free Hình 2-2 Cấu hình máy tính mơ NAS 62 Khởi động cài đặt phần mềm NAS4Free lên ổ cứng 8GB, cài đặt thành công, hình hiển thị sau: Hình 2-3 Bộ NAS khởi động xong Máy tính máy ảo subnet mạng, dải địa nên ta giữ nguyên địa mạng máy ảo Trên máy tính vào trình duyệt web vào địa http://192.168.1.250 nhập User name “admin” Password “nas4free” ta vào trang cài đặt phần mềm Chọn Tab Disk  Management thêm vào ổ cứng 40GB Sau chọn HDD Format để định dạng cho ổ với filesystem SoftRaid 63 Hình 2-4 Thêm ổ cứng cho NAS Sau thêm ổ cứng, ta vào Software RAID để tạo ổ lưu trữ RAID từ ổ cứng Hình 2-5 Tạo lưu trữ RAID 64 Và thu được: Hình 2-6 Ổ đĩa RAID Khi có ổ RAID 5, ta tạo kết nối lưu trữ đến ổ Vào Tab Disks chọn mục Mount Point Hình 2-7 Kết nối ổ đĩa RAID vào hệ thống 65 Hình 2-8 NAS với ổ đĩa RAID Khi hoàn thành xong việc tạo ổ RAID 5, ta cần tạo địa đích lưu trữ cho máy khách việc cài đặt NAS hồn thành: Hình 2-9 Địa đích lưu trữ tới NAS 66 Để kết nối với NAS, máy tính dùng làm PACS server (cài đặt phần mềm eFilm) ta vào Control Panel  System and Security  Administrative Tool chạy iSCSI initiator điền địa iqn.2007-09.jp.ne.peach.istgt:4eFilm vào Target kích vào nút Connect Khi máy tính kết nối thêm ổ lưu trữ Hình 2-10 Máy tính kết nối NAS qua iSCSI Hình 2-11 Máy tính với ổ đĩa iSCSI 67 2.5.2 Cài đặt phần mềm eFilm Cài đặt phần mềm eFilm vào máy tính Tiếp theo, ta cài đặt lại đường dẫn cho liệu hình ảnh mà phần mềm eFilm thu nhận lưu trữ: Hình 2-12 Lưu trữ liệu hình ảnh NAS Và toàn việc cài đặt hệ thống thu thập, lưu trữ xử lý liệu hình ảnh y tế hoàn thành Để thiết bị hình ảnh y tế gửi ảnh tới hệ thống, ta cần cài đặt địa DICOM phần mềm eFilm vào thiết bị hình ảnh 68 Hình 2-13 Địa DICOM để nhận hình ảnh Khi kết nối hệ thống thử nghiệm với số thiết bị hình ảnh y tế khoa Chẩn đốn hình ảnh bệnh viện, hệ thống hoạt động theo yêu cầu đặt 2.6 Triển khai hệ thống thực tế Tại thời điểm tại, số lý khách quan nên chưa thực hệ thống thực tế Tuy nhiên, với kết đạt giai đoạn thử nghiệm, chắn việc triển khai thực tế thành công Trong thời gian tới, tơi tiếp tục thực hồn thành hệ thống thu thập, lưu trữ xử lý liệu hình ảnh y tế sở Tân Triều bệnh viện K 69 CHƯƠNG Kết bàn luận Trong giai đoạn I, hệ thống thử nghiệm hoạt động tốt, thực yêu cầu đặt ra, thu nhận hình ảnh từ thiết bị hình ảnh y tế; lưu trữ liệu vào lưu trữ NAS mạng nội bộ; xem lại, hiệu chỉnh hình ảnh đó… Tại thời điểm thử nghiệm, hệ thống thu nhận đồng thời liệu chuyển đến từ thiết bị hình ảnh( MRI Echelon 1,5T, CT Scenaria 64 Slices CT Eclos 16 Slices) qua mạng HUB tốc độ 100Mbps Do việc bố trí, lắp đặt thiết bị hình ảnh hệ thống mạng nội bệnh viện không thuận lợi cho việc thử nghiệm nên tạm thời chưa kết nối tất thiết bị hình ảnh y tế khoa Chẩn đốn hình ảnh với hệ thống thử nghiệm, thời gian thử nghiệm chưa nhiều để có đánh giá tổng hợp Tuy nhiên, với kết thực được, cho việc xây dựng hệ thống thu thập, lưu trữ xử lý liệu hình ảnh y tế cho sở Tân Triều bệnh viện K giai đoạn II hoàn toàn khả thi Để thực giai đoạn II, cần thu thập số liệu thực tế khoa Chẩn đốn hình ảnh số lượng ca chụp trung bình ngày thiết bị hình ảnh y tế, nhu cầu phát triển khoa, bệnh viện để lựa chọn thiết bị phần cứng phần mềm, lựa chọn tốc độ mạng phù hợp Bệnh viện K có sở, tơi cịn cần phải nghiên cứu thêm việc cài đặt kết nối với hệ thống NAS qua mạng Internet để lưu trữ liệu hình ảnh y tế sở Quán Sứ sở Tam Hiệp hai sở truy vấn liệu hình ảnh y tế sở Tân Triều Trong hệ thống này, sử dụng phần mềm eFilm để làm máy chủ lưu trữ Cần phải nghiên cứu thêm liệu sở liệu eFilm có mở, sử dụng cho phần mềm khác, hệ thống PACS khác hay khơng, kết nối với hệ thống HIS bệnh viện không 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO Huang, H K (2010), PACS and imaging informatics: basic principles and applications, John Wiley & Sons , Inc., Hoboken, New Jersey Oleg S Pianykh (2012), Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM): A Practical Introduction and Survival Guide, Springer Heidelberg Dordrecht London New York Yu Liu and Jihong Wang (2011),PACS and digital medicine : essential principles and modern practice, Taylor & Francis Group, USA 71 ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Bùi Tuấn Nam NGHIÊN CỨU VÀ X? ?Y DỰNG MỘT HỆ THỐNG THU THẬP, LƯU TRỮ VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU HÌNH ẢNH Y TẾ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THU? ??T... Quản lý lưu trữ đĩa từ m? ?y chủ lưu trữ (DICOM) wsreq Giải y? ?u cầu truy vấn xử lý display từ m? ?y trạm (DICOM) display Báo cho m? ?y chủ lưu trữ việc nhận hình ảnh (DICOM) Bảng 1-3 Mơ tả xử lý hệ thống. .. kết xử lý xen kẽ chương trình ch? ?y m? ?y chủ PACS m? ?y chủ lưu trữ Bảng sau mơ tả chức q trình xử lý Các tác vụ mà hệ 33 thống m? ?y chủ thực bao gồm nhận hình ảnh, xếp ảnh, định tuyến ảnh, lưu trữ ảnh,