醫科達放療軟件云平臺移植研究

張薇莎，劉湘鄉，謝朝，鄒煉,2

1. 四川省人民醫院 腫瘤中心，四川 成都 610072；2. 中國科學院深圳先進技術研究院 醫療機器人與微創手術器械研究中心，廣東 深圳 518055

引言

云計算是基于互聯網的相關服務的增加、使用和交付模式，通常涉及通過互聯網來提供動態易擴展且經常是虛擬化的資源[1-4]。這是繼1980年大型計算機到客戶端-服務器的大轉變之后的又一巨變，也是當前計算機領域的研究熱點之一。云計算具有資源管理集中化，資源分配按需化，通過網絡的資源訪問移動化等特性。OpenStack是一個開源免費的云計算管理平臺，目前已成為越來越多公司部署云設施平臺的首選[5-9]。在醫療衛生行業中，除了IT企業搭建的商業化公共健康云平臺，針對于一個醫院區域，一個學科范圍的私有云建設也逐漸成為了專業技術人員的主流選擇[10-13]。

醫療行業中的放射腫瘤治療學科一直都是率先應用新技術的優秀代表。目前放療行業中治療計劃系統市場占有率最高的三家企業是飛利浦，瓦里安和醫科達公司，他們為了提高客戶的體驗度，均各自研發為用戶提供了商業私有云解決方案。這些商業私有云方案價格昂貴，只有規模極大的少數放療中心才會考慮購買使用，而絕大多數的放療單位基于經費的考慮都無法采用到新的云計算云平臺解決方案。

我院在2016年已經成功實現瓦里安放療軟件群的云平臺移植，此次將該方案移植到醫科達的放療軟件Monaco上。醫科達放療平臺中所有的業務軟件與瓦里安放療軟件類似，都以分立的物理工作站的形式存在：Monaco醫生工作站和Monaco物理師工作站。由于放療的工作性質，工作人員常常流動在不同的工作區域。但是安裝軟件的計算機所在地點固定，且由于其價格高昂導致一般醫院購買的操作終端數量無法滿足臨床工作需求。當員工集中在某一區域時，就會出現該區內放療軟件終端數量不足無法滿足所有員工使用需求的情況，此時即使其他工作區域有閑置的軟件終端，也無法讓有空間距離的另一辦公點的工作人員使用。

本文將完成醫科達放療軟件群的OpenStack私有云平臺移植，對云端的兩種放療軟件均進行了詳盡的功能測試，保證其各項功能及數據與單機軟件沒有差異，證明該方案能可靠、穩定的應用于臨床工作，為放射腫瘤治療領域中的云計算應用，探索一種經濟實惠的解決方案。

1 材料與方法

1.1 OpenStack云平臺建設及Monaco的安裝

OpenStack是一個完全開源免費的云計算平臺，可支持用戶實現類似于Amazon EC2和S3的云基礎架構服務（Infrastructure as a Service，IaaS）[14-15]。2016年 我 院已成功實現瓦里安放療軟件群包括ARIA信息系統客戶端（ARIA Client，AC），醫生工作站（Somavision，SV）和物理師工作站（Eclipse，EC）基于OpenStack云平臺的移植，此次在相同的硬件配置下，使用相同的方法進行OpenStack云平臺的搭建。搭建成功后，按照安裝瓦里安軟件群的步驟完成醫科達放療軟件包括Monaco醫生工作站和Monaco物理師工作站在云平臺上的安裝，并同樣通過NoMachine（一款遠程桌面訪問工具）來遠程訪問放療工作站[16]。

與瓦里安軟件移植不同，針對醫科達軟件的特點，在安裝中對其網絡架構進行了重建。如圖1所示，傳統的Monaco物理工作站，病人數據存儲在各個工作站本地，一臺工作站要訪問存儲在另一臺工作站中的病人需要對相應的數據進行拷貝傳輸。這種工作模式下病人數據處于各自分散存儲的狀態，不利于統一管理，數據在不同工作站之間頻繁的拷貝傳輸過程也容易產生問題。

圖1 原始Monaco工作站網絡架構

新的網絡架構如圖2所示，Monaco的病人數據全部保存在專門的NAS存儲服務器中，在OpenStack云平臺上，安裝有Monaco軟件的系統被打包成一個模板主機，各個客戶端的用戶一旦發出調取數據的請求，云平臺便會通過模板為其生成一個專門的Monaco工作站。該工作站可以長期運行，用戶無需做其它任何配置即可使用。新的網絡架構可統一管理病人數據，且大大提升了病人調取速度。

圖2 新Monaco工作站網絡架構

1.2 云端放療軟件群的驗證方法

驗證云平臺上的醫科達放療軟件群分為兩個部分。第一部分是驗證安裝了NoMachine的普通辦公電腦通過局域網是否能正常訪問云平臺上的放療軟件，若驗證通過則證明云端軟件可以正常使用，普通辦公電腦可作為客戶端使用。第二部分是驗證云端醫科達放療軟件和物理工作站的等效性。隨機挑選兩組病人，每組含9個病例（3例頭頸部，3例胸部，3例腹盆部）。在云端軟件上對A組病例進行操作并記錄結果，在物理機上對結果進行核實；在物理機上對B組病例進行操作并記錄結果，在云端軟件上對結果進行比對。若兩次對比均結果一致，則證明云端軟件是等效于物理機軟件。

2 結果和討論

2.1 云端賬戶功能驗收

對OpenStack云平臺局域網內，安裝了NoMachine的普通辦公電腦按照以下8個項目進行測試并記錄結果：① 網絡連通性；② 遠程桌面激活；③ 同一云端賬號切換主機登錄；④ 同一主機，同一云端賬號，多用戶登錄放療軟件及單用戶多窗口登錄放療軟件；⑤ 不同主機，不同云端賬號，同一用戶登錄放療軟件；⑥ 未退出云端軟件，云客戶端關機或停電后開機能連續辦公；⑦ 云客戶端與服務器斷開連接（斷網）后重新連網能連續辦公；⑧ 未退出云端軟件，僅注銷賬號在其他主機登錄云端能連續辦公。其中，第4～5項在多臺主機上使用云端賬號均可登錄Monaco，說明普通辦公電腦可作為放療軟件終端使用，本方案可以擴展Monaco終端數量，解決臨床工作需求中終端不足的問題。第6～8項在不同情況下，只要未退出云端軟件，重新開機連網或在其他辦公區域的普通電腦重新登陸云端，會彈出之前Monaco軟件的使用界面，證明云端軟件能夠實現實時遷移并支持連續辦公。驗證期間訪問速度流暢，無卡頓出現。云端Monaco工作站圖像顯示清晰，3D渲染效果流暢。

2.2 Monaco醫生工作站軟件模塊驗收

對云端Monaco醫生工作站軟件模塊的基本操作驗證有以下8項：① 顯示是否正常；② 二維及三維圖像顯示和相關工具；③ 圖像融合及配準；④ 結構模板導入/導出；⑤ 輪廓勾畫相關工具；⑥ 相對和絕對劑量比較；⑦ 相對和絕對體積；⑧ 劑量體積直方圖的類型改變。這8項基本操作基本涵蓋了放療醫生日常工作所用到的所有功能，驗證均順利通過。其中第2項是關于圖像顯示的操作，如圖像的放大縮小平移及窗寬窗位的調節等；第3項是將各類型的圖像，如CT、MRI、PET-CT等進行融合配準的功能；第4～5項是醫生根據影像學知識和各類診斷結果在患者CT圖像上勾畫出正常組織器官和腫瘤靶區，既可手動勾畫也可根據不同組織的HU值差異讓Monaco自動勾畫；第6～8項醫生在計劃評估時需要用到的各種數據統計功能。

對云端Monaco醫生工作站軟件模塊的數據對比驗證有以下4項：① 相同CT層面的坐標；② 相同位置的HU值；③ 結構命名、顏色、ID、類型、體積、CT值；④ 相同結構的劑量和體積統計。這4項數據驗證在云端Monaco和單機Monaco上結果完全一致。其中第4項是醫生在計劃評估時涉及到的數據，例如正常器官的最大劑量、平均劑量及特定的劑量體積，處方劑量覆蓋的腫瘤靶區體積等。

2.3 Monaco物理師工作站軟件模塊驗收

Monaco物理師工作站是物理師完成擴靶、添加輔助結構和計劃設計的軟件，也是整個Monaco軟件群中的核心模塊。因為物理師工作站涵蓋了醫生工作站的所有功能模塊，所以對物理師擴靶、添加輔助結構和計劃評估的相關基本操作和數據對比不再進行重復驗證。

對云端Monaco物理師工作站軟件模塊的基本操作驗證有以下9項：① 顯示是否正常；② 添加相應體部的床面；③ 選擇正確的CT-ED轉換曲線；④ 添加新計劃并設置新射束；⑤ 計劃模板導入/導出；⑥ 優化參數設置；⑦ 劑量計算；⑧ 打印計劃報告；⑨ 創建驗證計劃。9項驗證均順利通過。其中，第3項是根據CT圖像的掃描模式選擇相應的HU值到電子密度的轉換曲線，是劑量計算的基礎；第4項是設計計劃的首要步驟，需要根據處方要求設置合適的射束個數、類型、能量檔及入射方向等；第6項是按照處方和物理師的設計經驗給定恰當的目標函數進行優化，如正常組織的最大限量、劑量體積限量和腫瘤靶區的最小限量等；第7項會涉及到劑量算法的選擇、計算格點大小的設置等；第8項打印計劃報告可用于放射治療師及醫生在實施復位和治療時核查相關參數；第9項可根據臨床需求創建不同類型的驗證計劃。

對云端Monaco物理師工作站軟件模塊的數據對比驗證由于涉及到的計劃相關參數量極大，不采用從云端和單機Monaco上分別讀取數據記錄后再對比的方式，只需要從云端和單機Monaco物理師工作站分別打印A、B兩組病人的全套計劃參數報告，直接對比報告數據即可。該項數據對比結果一致，順利通過驗證。

通過各項基本操作和數據對比測試，云端上醫科達Monaco放療軟件和單機版的Monaco物理工作站相比沒有差異，測試結果均一致，證明云端的醫科達放療軟件群能夠穩定可靠的應用于臨床工作中。

3 結論

本研究中基于OpenStack開源云平臺，將醫科達放療軟件群移植到云平臺上進行安裝，通過云計算技術實現了資源的集約化，提高資源使用效率。通過NoMachine遠程訪問云端Monaco工作站，克服了物理空間的限制，支持用戶在局域網內任意位置使用普通辦公電腦訪問醫科達放療軟件。該方案與傳統的固定工作站模式相比，由于支持實時遷移連續辦公，讓用戶可以根據工作需求切換辦公地點或辦公電腦，并在任何情況下中斷辦公后快速恢復正常工作，極大提升了用戶使用的便捷性和工作效率。且該方案支持浮動分配軟件功能授權，將閑置的授權利用了起來，解決了臨床使用擁堵的問題，提高了專業醫療軟件的利用率。本研究中云端醫科達Monaco放療軟件和單機版的Monaco物理工作站各項基本操作結果相同，數據對比結果一致，可以安全穩定的應用于臨床工作。

未來可突破局域網的限制，在實現外網連接的前提下支持潛在腫瘤放療區域合作和遠程醫療?；谠破脚_，可實現多中心病例數據共享，專家知識庫指導臨床應用，支持多中心臨床試驗，突破地域限制，醫學專家可通過云平臺提供遠程醫療技術支撐等。