基于海量視頻存儲(chǔ)技術(shù)的超聲動(dòng)態(tài)影像工作站系統(tǒng)

基于海量視頻存儲(chǔ)技術(shù)的超聲動(dòng)態(tài)影像工作站系統(tǒng)摘要：針對(duì)當(dāng)前超聲影像面臨的問(wèn)題及制約因素，詳細(xì)介紹了基于海量存儲(chǔ)技術(shù)的超聲影像工作站系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)，并全面分析了該新型工作站系統(tǒng)的主要功能和應(yīng)用效果。關(guān)鍵詞：海量存儲(chǔ)技術(shù)；超聲診療系統(tǒng)；超聲影像技術(shù)近年來(lái)隨著診療需求的不斷擴(kuò)展，傳統(tǒng)的輔助性的超聲診斷已經(jīng)不能滿(mǎn)足臨床開(kāi)展的需要，同時(shí)單純的圖文報(bào)告形式也不能滿(mǎn)足臨床對(duì)超聲影像的需求。隨著超聲影像檢查過(guò)程中發(fā)生醫(yī)療責(zé)任情況的日益增多，留存實(shí)時(shí)視頻的診查資料也成為臨床診療檔案管理的關(guān)鍵。一、超聲影像面臨的問(wèn)題及制約因素如何通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)實(shí)現(xiàn)超聲影像實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)錄取，并可以以此為根底進(jìn)展診斷、教學(xué)、以及后處理分析是一直困擾超聲醫(yī)生的難題。而影響解決這些問(wèn)題的主要制約因素有以下幾方面：一是超聲影像為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)影像，大量設(shè)備終端并不支持傳統(tǒng)的PACS的影像標(biāo)準(zhǔn)，即便是近年來(lái)支持該標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器也只能短時(shí)間存儲(chǔ)局部掃查影像，很難大量記錄掃差過(guò)程；二是掃差過(guò)程中不同人的掃查習(xí)慣不同造成掃差切面不標(biāo)準(zhǔn)，視頻信息難以全部動(dòng)態(tài)記錄；三是錄制的視頻信息格式不同且多為模擬信號(hào)導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法進(jìn)展后處理；四是錄制視頻占用空間較大，現(xiàn)有工作站系統(tǒng)無(wú)法存儲(chǔ)完好數(shù)據(jù)；五是錄制的資料回憶與分揀困難。針對(duì)上述問(wèn)題，用于臨床的基于海量云存儲(chǔ)技術(shù)的超聲動(dòng)態(tài)影像工作站系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)現(xiàn)了超聲影像的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集、存儲(chǔ)、后處理分析與教學(xué)。運(yùn)用現(xiàn)代視頻存儲(chǔ)壓縮技術(shù)可以在最小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)超聲動(dòng)態(tài)影像數(shù)據(jù)的海量存儲(chǔ)，這就為超聲診斷的數(shù)據(jù)分析與挖掘奠定了技術(shù)根底。二、超聲影像系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)動(dòng)態(tài)視頻采集單元又稱(chēng)編碼器，能即時(shí)采集不同超聲設(shè)備的動(dòng)態(tài)影像信息，并進(jìn)展數(shù)字轉(zhuǎn)換以無(wú)損壓縮技術(shù)數(shù)字化處理后進(jìn)展傳輸?！惨弧吵曇曨l的錄制與解析目前數(shù)字編解碼標(biāo)準(zhǔn)采用的根本方法大多是基于塊的混合編碼框架，其技術(shù)方式主要包括基于DCT變換編碼、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)念A(yù)測(cè)編碼和熵編碼，這是現(xiàn)代視頻編碼的關(guān)鍵技術(shù)。高清的超聲視頻的錄制與解析除了編碼外還要解決的三大核心問(wèn)題是帶寬問(wèn)題、顯示問(wèn)題、存儲(chǔ)問(wèn)題。1.帶寬問(wèn)題。由于院內(nèi)為局域網(wǎng)環(huán)境，因此網(wǎng)絡(luò)帶寬根本不受限制，但存儲(chǔ)設(shè)備在院外就需要專(zhuān)線(xiàn)接入以進(jìn)步帶寬。2.顯示問(wèn)題。相對(duì)于標(biāo)清視頻，相對(duì)高清視頻的信息量對(duì)解碼顯示性能要求也大大進(jìn)步。專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò)視頻效勞器可以很好地解決上述問(wèn)題，滿(mǎn)足醫(yī)院現(xiàn)有的視頻采源數(shù)量的要求。3.存儲(chǔ)問(wèn)題。動(dòng)態(tài)高清視頻必然會(huì)消耗更大的存儲(chǔ)空間?！捕炒鎯?chǔ)問(wèn)題通過(guò)對(duì)編碼方式的改良，可以極大地提升高清視頻的應(yīng)用性，目前已在產(chǎn)品中應(yīng)用的有感興趣區(qū)域壓縮編碼技術(shù)、可伸縮編碼技術(shù)和“智能前端〞動(dòng)態(tài)編碼自適應(yīng)技術(shù)。圖像感興趣區(qū)域壓縮編碼技術(shù)，即在圖像中對(duì)感興趣區(qū)域進(jìn)展無(wú)損壓縮或近無(wú)損壓縮，而對(duì)背景區(qū)域進(jìn)展有損壓縮。這樣既可使得重構(gòu)圖像有較高的視頻質(zhì)量，又可得到較高的壓縮比，很好地解決了壓縮比和圖像質(zhì)量之間的矛盾。這種編碼方式與目前使用的聯(lián)播編碼方式相比，滿(mǎn)足各種不同需要的才能更強(qiáng)，編碼效率也大大進(jìn)步。〔三〕分布式海量存儲(chǔ)技術(shù)基于云平臺(tái)的分布式海量存儲(chǔ)技術(shù)，是一種構(gòu)建于通用部件之上的高可用、高可靠、高可擴(kuò)展的新型分布式文件系統(tǒng)。應(yīng)用此系統(tǒng)，用戶(hù)可以采用廉價(jià)的通用效勞器、SATA/SAS硬盤(pán)以及以太網(wǎng)絡(luò)來(lái)構(gòu)建媲美企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)產(chǎn)品的存儲(chǔ)系統(tǒng)。根本原理是采用集群方式來(lái)整合物理上獨(dú)立的多個(gè)存儲(chǔ)資源，以軟件方式提供單一的名字空間；采用多副本的方式保證數(shù)據(jù)的高可用性，任意單一節(jié)點(diǎn)失效均不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)喪失和數(shù)據(jù)效勞的正常運(yùn)行；同時(shí)，將數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)在云端的多臺(tái)獨(dú)立的存儲(chǔ)空間上。通過(guò)良好設(shè)計(jì)的系統(tǒng)構(gòu)造和數(shù)據(jù)分布策略，可保證系統(tǒng)性能的高可擴(kuò)展性，并支持存儲(chǔ)容量/性能的在線(xiàn)擴(kuò)展。比照傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)采用集中的存儲(chǔ)效勞器存放所有數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)效勞器成為系統(tǒng)性能的瓶頸，也是可靠性和平安性的焦點(diǎn)，不能滿(mǎn)足大規(guī)模存儲(chǔ)應(yīng)用的需要。分布式網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)采用可擴(kuò)展的系統(tǒng)構(gòu)造，利用多臺(tái)存儲(chǔ)效勞器分擔(dān)存儲(chǔ)負(fù)荷，利用位置效勞器定位存儲(chǔ)信息，它不但進(jìn)步了系統(tǒng)的可靠性、可用性和存取效率，還易于擴(kuò)展。海量存儲(chǔ)系統(tǒng)包含3個(gè)主要邏輯部件：元數(shù)據(jù)效勞器〔MDS〕、數(shù)據(jù)效勞器〔DS〕以及客戶(hù)端〔Client/AccessServers〕。其系統(tǒng)構(gòu)造如圖1：1.元數(shù)據(jù)效勞器〔MDS〕存儲(chǔ)和管理文件的元數(shù)據(jù)信息及目錄構(gòu)造信息，并實(shí)現(xiàn)單一命名空間〔globalnamespace〕。2.數(shù)據(jù)效勞器〔DS〕用于存儲(chǔ)文件的內(nèi)容數(shù)據(jù)。3.客戶(hù)端〔Client〕那么是上層應(yīng)用訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)的接入點(diǎn)，所有上層應(yīng)用只有通過(guò)客戶(hù)端才能與MDS和DS進(jìn)展交互。在一次數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)流程中，Client首先通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)MDS完成名字解析和查找，得到文件的元數(shù)據(jù)信息〔其中包含文件的數(shù)據(jù)分布〕，通過(guò)這些信息，客戶(hù)端可以得到所有數(shù)據(jù)塊的詳細(xì)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，然后根據(jù)需要訪(fǎng)問(wèn)DS完成對(duì)文件數(shù)據(jù)的存取。系統(tǒng)對(duì)文件數(shù)據(jù)采用靈敏高效的多副本機(jī)制，將一個(gè)文件副本盡可能分散地存儲(chǔ)在多個(gè)不同的DS節(jié)點(diǎn)上，任意一個(gè)或多個(gè)DS失效，均不會(huì)影響該文件的可用性，客戶(hù)端可智能的選擇可用副本完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。不同于當(dāng)前的主流分布式文件系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用特殊的動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)分區(qū)機(jī)制，最多可支持64個(gè)節(jié)點(diǎn)的MDS集群，提供倍增的元數(shù)據(jù)效勞性能，并保證單一名字空間和良好的負(fù)載平衡。MDS的可用性采用雙機(jī)熱備方式實(shí)現(xiàn)，每個(gè)邏輯MDS由一對(duì)互為備份的節(jié)點(diǎn)組成，采用share-nothing的數(shù)據(jù)鏡像方式，無(wú)需使用共享存儲(chǔ)設(shè)備。系統(tǒng)的另外一個(gè)重要邏輯部件CMS〔集群管理系統(tǒng)〕主要負(fù)責(zé)整個(gè)集群的管理，其搜集集群內(nèi)節(jié)點(diǎn)硬件/軟件/效勞的相關(guān)信息，并通過(guò)基于閱讀器的圖形管理界面展現(xiàn)給用戶(hù)，同時(shí)處理來(lái)自用戶(hù)的控制懇求，完成系統(tǒng)管理。超聲設(shè)備由于品牌眾多，其視頻源的輸出形式不盡一樣，比照傳統(tǒng)超聲影像工作站采集卡，不同超聲視頻轉(zhuǎn)換后動(dòng)態(tài)影像的分辨率也會(huì)有所差異，但由于超聲自身分辨率都是在毫米及以上的，因此普通標(biāo)清與高清的視頻比照沒(méi)有明顯區(qū)別，對(duì)診斷及報(bào)告不會(huì)產(chǎn)生影響，在壓縮狀態(tài)下，數(shù)字影像可以以流媒體方式傳送到效勞器中進(jìn)展存儲(chǔ)，這樣不僅解決了圖文報(bào)告的功能，還為將來(lái)的存儲(chǔ)、教學(xué)、遠(yuǎn)程會(huì)診提供了根底?！菜摹吵曈跋竦闹饕δ茉谏鲜黾夹g(shù)架構(gòu)下，該系統(tǒng)為臨床診療提供許多全新的支持，主要功能包括：標(biāo)清圖像數(shù)據(jù)/分〔PAL〕=720×576×25×60/40〔壓縮率〕≈14M/分標(biāo)清圖像數(shù)據(jù)/分〔N〕=720×480×29.97×60/40〔壓縮率〕≈15M/分2.超聲動(dòng)態(tài)影像數(shù)據(jù)的后處理與分析。影像后處理技術(shù)是醫(yī)學(xué)影像開(kāi)展的的關(guān)鍵技術(shù)，傳統(tǒng)超聲影像由于屬于動(dòng)態(tài)影像缺少留存，因此超聲影像的后處理開(kāi)展緩慢，近年來(lái)隨著三維超聲、超聲造影等技術(shù)的開(kāi)展與普及影像動(dòng)態(tài)處理日趨重要。多模態(tài)影像交融也逐步開(kāi)場(chǎng)在介入治療領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。3.超聲圖像報(bào)告與質(zhì)控。新的超聲工作站工作形式可以實(shí)時(shí)檢查動(dòng)態(tài)影像的留存，不僅可以使掃查更加客觀化，還可以挑選出真正有問(wèn)題的典型病例進(jìn)展標(biāo)準(zhǔn)化診斷以及教學(xué)。隨著便攜式超聲設(shè)備的普及，實(shí)時(shí)采集的超聲影像的動(dòng)態(tài)傳輸與遠(yuǎn)程診療將使挪動(dòng)質(zhì)控成為可能，綜合來(lái)說(shuō)超聲質(zhì)控具有多種優(yōu)勢(shì)，主要包括：提升超聲診療的標(biāo)準(zhǔn)化程度；減少過(guò)失提升醫(yī)療質(zhì)量；提升超聲醫(yī)生的診療程度；加強(qiáng)管理實(shí)現(xiàn)挪動(dòng)管控。4.超聲動(dòng)態(tài)影像遠(yuǎn)程會(huì)診。有利于學(xué)術(shù)交流統(tǒng)一閱片；支持基層醫(yī)院〔連隊(duì)〕、偏遠(yuǎn)地區(qū)的醫(yī)療程度的提升；標(biāo)準(zhǔn)超聲診療；進(jìn)步信息化程度增加工作效率；提升高級(jí)人才的利用及超聲技術(shù)的推廣普及。5.超聲動(dòng)態(tài)影像挪動(dòng)終端效勞。海量的視頻影像管理及存儲(chǔ)為新的診療及管理形式提供了完善的物質(zhì)根底，通過(guò)實(shí)時(shí)視頻回放可以對(duì)報(bào)告進(jìn)展診斷、會(huì)診及質(zhì)控管理，使超聲診斷做到人機(jī)別離，從而實(shí)現(xiàn)超聲影像的“云〞診斷。甚至通過(guò)等挪動(dòng)終端就可以查詢(xún)患者信息，