医科达放疗软件云平台移植研究
张薇莎1，刘湘乡1，谢朝1，邹炼1,2
1. 四川省人民医院 肿瘤中心，四川 成都 610072；2. 中国科学院深圳先进技术研究院 医疗机器人与微创手术器械研究中心，广东 深圳 518055
[摘 要]目的探索一种经济实惠的放疗软件云平台化方案。方法先搭建支持GPU虚拟化的OpenStack私有云平台；然后将医科达放疗软件安装到虚拟机镜像中；最后应用NoMahine实现远程云终端访问。结果通过详尽的基本操作和数据对比测试，证明了云端Monaco工作站与单机的Monaco物理工作站完全等效。结论该方案提高了医科达放疗软件群的利用率，并为在放射肿瘤学领域中云计算技术的全面应用提供了可能。
[关键词]云计算；放疗；医科达；软件移植
引言
云计算是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源[1-4]。这是继1980年大型计算机到客户端-服务器的大转变之后的又一巨变，也是当前计算机领域的研究热点之一。云计算具有资源管理集中化，资源分配按需化，通过网络的资源访问移动化等特性。OpenStack是一个开源免费的云计算管理平台，目前已成为越来越多公司部署云设施平台的首选[5-9]。在医疗卫生行业中，除了IT企业搭建的商业化公共健康云平台，针对于一个医院区域，一个学科范围的私有云建设也逐渐成为了专业技术人员的主流选择[10-13]。
医疗行业中的放射肿瘤治疗学科一直都是率先应用新技术的优秀代表。目前放疗行业中治疗计划系统市场占有率最高的三家企业是飞利浦，瓦里安和医科达公司，他们为了提高客户的体验度，均各自研发为用户提供了商业私有云解决方案。这些商业私有云方案价格昂贵，只有规模极大的少数放疗中心才会考虑购买使用，而绝大多数的放疗单位基于经费的考虑都无法采用到新的云计算云平台解决方案。
我院在2016年已经成功实现瓦里安放疗软件群的云平台移植，此次将该方案移植到医科达的放疗软件Monaco上。医科达放疗平台中所有的业务软件与瓦里安放疗软件类似，都以分立的物理工作站的形式存在：Monaco医生工作站和Monaco物理师工作站。由于放疗的工作性质，工作人员常常流动在不同的工作区域。但是安装软件的计算机所在地点固定，且由于其价格高昂导致一般医院购买的操作终端数量无法满足临床工作需求。当员工集中在某一区域时，就会出现该区内放疗软件终端数量不足无法满足所有员工使用需求的情况，此时即使其他工作区域有闲置的软件终端，也无法让有空间距离的另一办公点的工作人员使用。
本文将完成医科达放疗软件群的OpenStack私有云平台移植，对云端的两种放疗软件均进行了详尽的功能测试，保证其各项功能及数据与单机软件没有差异，证明该方案能可靠、稳定的应用于临床工作，为放射肿瘤治疗领域中的云计算应用，探索一种经济实惠的解决方案。
1 材料与方法
1.1 OpenStack云平台建设及Monaco的安装
OpenStack是一个完全开源免费的云计算平台，可支持用户实现类似于Amazon EC2和S3的云基础架构服务（Infrastructure as a Service，IaaS）[14-15]。2016年 我 院已成功实现瓦里安放疗软件群包括ARIA信息系统客户端（ARIA Client，AC），医生工作站（Somavision，SV）和物理师工作站（Eclipse，EC）基于OpenStack云平台的移植，此次在相同的硬件配置下，使用相同的方法进行OpenStack云平台的搭建。搭建成功后，按照安装瓦里安软件群的步骤完成医科达放疗软件包括Monaco医生工作站和Monaco物理师工作站在云平台上的安装，并同样通过NoMachine（一款远程桌面访问工具）来远程访问放疗工作站[16]。
与瓦里安软件移植不同，针对医科达软件的特点，在安装中对其网络架构进行了重建。如图1所示，传统的Monaco物理工作站，病人数据存储在各个工作站本地，一台工作站要访问存储在另一台工作站中的病人需要对相应的数据进行拷贝传输。这种工作模式下病人数据处于各自分散存储的状态，不利于统一管理，数据在不同工作站之间频繁的拷贝传输过程也容易产生问题。
图1 原始Monaco工作站网络架构
新的网络架构如图2所示，Monaco的病人数据全部保存在专门的NAS存储服务器中，在OpenStack云平台上，安装有Monaco软件的系统被打包成一个模板主机，各个客户端的用户一旦发出调取数据的请求，云平台便会通过模板为其生成一个专门的Monaco工作站。该工作站可以长期运行，用户无需做其它任何配置即可使用。新的网络架构可统一管理病人数据，且大大提升了病人调取速度。
图2 新Monaco工作站网络架构
1.2 云端放疗软件群的验证方法
验证云平台上的医科达放疗软件群分为两个部分。第一部分是验证安装了NoMachine的普通办公电脑通过局域网是否能正常访问云平台上的放疗软件，若验证通过则证明云端软件可以正常使用，普通办公电脑可作为客户端使用。第二部分是验证云端医科达放疗软件和物理工作站的等效性。随机挑选两组病人，每组含9个病例（3例头颈部，3例胸部，3例腹盆部）。在云端软件上对A组病例进行操作并记录结果，在物理机上对结果进行核实；在物理机上对B组病例进行操作并记录结果，在云端软件上对结果进行比对。若两次对比均结果一致，则证明云端软件是等效于物理机软件。
2 结果和讨论
2.1 云端账户功能验收
对OpenStack云平台局域网内，安装了NoMachine的普通办公电脑按照以下8个项目进行测试并记录结果：① 网络连通性；② 远程桌面激活；③ 同一云端账号切换主机登录；④ 同一主机，同一云端账号，多用户登录放疗软件及单用户多窗口登录放疗软件；⑤ 不同主机，不同云端账号，同一用户登录放疗软件；⑥ 未退出云端软件，云客户端关机或停电后开机能连续办公；⑦ 云客户端与服务器断开连接（断网）后重新连网能连续办公；⑧ 未退出云端软件，仅注销账号在其他主机登录云端能连续办公。其中，第4～5项在多台主机上使用云端账号均可登录Monaco，说明普通办公电脑可作为放疗软件终端使用，本方案可以扩展Monaco终端数量，解决临床工作需求中终端不足的问题。第6～8项在不同情况下，只要未退出云端软件，重新开机连网或在其他办公区域的普通电脑重新登陆云端，会弹出之前Monaco软件的使用界面，证明云端软件能够实现实时迁移并支持连续办公。验证期间访问速度流畅，无卡顿出现。云端Monaco工作站图像显示清晰，3D渲染效果流畅。
2.2 Monaco医生工作站软件模块验收
对云端Monaco医生工作站软件模块的基本操作验证有以下8项：① 显示是否正常；② 二维及三维图像显示和相关工具；③ 图像融合及配准；④ 结构模板导入/导出；⑤ 轮廓勾画相关工具；⑥ 相对和绝对剂量比较；⑦ 相对和绝对体积；⑧ 剂量体积直方图的类型改变。这8项基本操作基本涵盖了放疗医生日常工作所用到的所有功能，验证均顺利通过。其中第2项是关于图像显示的操作，如图像的放大缩小平移及窗宽窗位的调节等；第3项是将各类型的图像，如CT、MRI、PET-CT等进行融合配准的功能；第4～5项是医生根据影像学知识和各类诊断结果在患者CT图像上勾画出正常组织器官和肿瘤靶区，既可手动勾画也可根据不同组织的HU值差异让Monaco自动勾画；第6～8项医生在计划评估时需要用到的各种数据统计功能。
对云端Monaco医生工作站软件模块的数据对比验证有以下4项：① 相同CT层面的坐标；② 相同位置的HU值；③ 结构命名、颜色、ID、类型、体积、CT值；④ 相同结构的剂量和体积统计。这4项数据验证在云端Monaco和单机Monaco上结果完全一致。其中第4项是医生在计划评估时涉及到的数据，例如正常器官的最大剂量、平均剂量及特定的剂量体积，处方剂量覆盖的肿瘤靶区体积等。
2.3 Monaco物理师工作站软件模块验收
Monaco物理师工作站是物理师完成扩靶、添加辅助结构和计划设计的软件，也是整个Monaco软件群中的核心模块。因为物理师工作站涵盖了医生工作站的所有功能模块，所以对物理师扩靶、添加辅助结构和计划评估的相关基本操作和数据对比不再进行重复验证。
对云端Monaco物理师工作站软件模块的基本操作验证有以下9项：① 显示是否正常；② 添加相应体部的床面；③ 选择正确的CT-ED转换曲线；④ 添加新计划并设置新射束；⑤ 计划模板导入/导出；⑥ 优化参数设置；⑦ 剂量计算；⑧ 打印计划报告；⑨ 创建验证计划。9项验证均顺利通过。其中，第3项是根据CT图像的扫描模式选择相应的HU值到电子密度的转换曲线，是剂量计算的基础；第4项是设计计划的首要步骤，需要根据处方要求设置合适的射束个数、类型、能量档及入射方向等；第6项是按照处方和物理师的设计经验给定恰当的目标函数进行优化，如正常组织的最大限量、剂量体积限量和肿瘤靶区的最小限量等；第7项会涉及到剂量算法的选择、计算格点大小的设置等；第8项打印计划报告可用于放射治疗师及医生在实施复位和治疗时核查相关参数；第9项可根据临床需求创建不同类型的验证计划。
对云端Monaco物理师工作站软件模块的数据对比验证由于涉及到的计划相关参数量极大，不采用从云端和单机Monaco上分别读取数据记录后再对比的方式，只需要从云端和单机Monaco物理师工作站分别打印A、B两组病人的全套计划参数报告，直接对比报告数据即可。该项数据对比结果一致，顺利通过验证。
通过各项基本操作和数据对比测试，云端上医科达Monaco放疗软件和单机版的Monaco物理工作站相比没有差异，测试结果均一致，证明云端的医科达放疗软件群能够稳定可靠的应用于临床工作中。
3 结论
本研究中基于OpenStack开源云平台，将医科达放疗软件群移植到云平台上进行安装，通过云计算技术实现了资源的集约化，提高资源使用效率。通过NoMachine远程访问云端Monaco工作站，克服了物理空间的限制，支持用户在局域网内任意位置使用普通办公电脑访问医科达放疗软件。该方案与传统的固定工作站模式相比，由于支持实时迁移连续办公，让用户可以根据工作需求切换办公地点或办公电脑，并在任何情况下中断办公后快速恢复正常工作，极大提升了用户使用的便捷性和工作效率。且该方案支持浮动分配软件功能授权，将闲置的授权利用了起来，解决了临床使用拥堵的问题，提高了专业医疗软件的利用率。本研究中云端医科达Monaco放疗软件和单机版的Monaco物理工作站各项基本操作结果相同，数据对比结果一致，可以安全稳定的应用于临床工作。
未来可突破局域网的限制，在实现外网连接的前提下支持潜在肿瘤放疗区域合作和远程医疗。基于云平台，可实现多中心病例数据共享，专家知识库指导临床应用，支持多中心临床试验，突破地域限制，医学专家可通过云平台提供远程医疗技术支撑等。
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Research on Porting Radiotherapy Software of Elekta to Cloud Platform
ZHANG Weisha1, LIU Xiangxiang1, XIE Zhao1, ZOU Lian1,2
1. Cancer Center, Sichuan Provincial People’s Hospital, Chengdu Sichuan 610072, China;2. Research Center for Medical Robotics and Minimally Invasive Surgical Devices, Shenzhen Institutes of Advanced Technology,Chinese Academy of Sciences, Shenzhen Guangdong 518055, China
Abstract:ObjectiveTo develop a economical and practical cloud platform of radiotherapy software.MethodsFirst of all, a private cloud platform which was based on OpenStack and leveraged the virtual GPU hardware was built. Then all the Elekta radiotherapy softwares were installed to the virtual machine. Finally, the software on the cloud was accessed by NoMachine.ResultsThe results of detailed basic operation tests and data contrast tests showed that a cloud Monaco workstation was equivalent to an isolated physical Monaco workstation.ConclusionThe project not only improves the utilization rates of Elekta radiotherapy softwares, but also provides the possibility for the comprehensive application of cloud computing technology in the field of radiation oncology.
Key words:cloud computing; radiotherapy; Elekta; software transportation
通讯作者邮箱：zoulian_medphy@sina.com
通讯作者：邹炼，高级工程师，主要研究方向为图像引导放射治疗。
基金项目：国家重点研发计划（2016YFC0105107）。
修回日期：2018-06-06
收稿日期：2018-05-09
[文章编号]1674-1633(2018)11-0118-03
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2018.11.034
[文献标识码]C
[中图分类号]R730.55；TP399
本文编辑 李美松