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 ................................................................................................. 1

CHƯƠNG 1
1.1

Kiến thức cơ sở ............................................................................ 2

Lưu trữ và hệ thống lưu trữ..................................................................... 2

1.1.1

Các thiết bị lưu trữ dữ liệu ................................................................. 3

1.1.2

Các chuẩn giao tiếp thiết bị nhớ ......................................................... 7

1.1.3

Cấu hình kết nối các thiết bị lưu trữ dữ liệu ...................................... 9

1.1.4

RAID ................................................................................................. 13

1.2

Mạng máy tính........................................................................................ 15

1.2.1

Mơ hình kết nối các 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 về PACS ............................................................................... 30

1.4

Cấu trúc của 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 của PACS .................................................................................. 40

1.6

Kiến trúc của PACS ............................................................................... 40

1.6.1

Các tiêu chuẩn công nghiệp ............................................................. 40

1.6.2

Kết nối mở và kiến trúc mở ............................................................... 42

i


1.6.3
1.7

Độ tin cậy .......................................................................................... 42

Hoạt động của PACS .............................................................................. 43

1.7.1

Quy trình cơ bản của PACS.............................................................. 43

1.7.2

Kiến trúc PACS đơn và quy trình hoạt động .................................... 45

1.7.3

Mơ hình PACS chủ - tớ và 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 của thiết bị tạo ảnh ......................................... 57
CHƯƠNG 2

Thiết kế hệ thống thu thập, lưu trữ và xử lý dữ liệu hình ảnh y

tế tại bệnh viện K ................................................................................................. 59
2.1

Thực trạng hệ thống thiết bị hình ảnh ở bệnh viện K .......................... 59

2.1.1

Trang thiết bị chẩn đốn hình ảnh ................................................... 59

2.1.2

Những tồn tại .................................................................................... 59

2.2

u cầu thiết kế ...................................................................................... 60

2.3

Mơ hình thiết kế ..................................................................................... 61

2.4

Phương án thực hiện .............................................................................. 61

2.5

Cài đặt hệ thống thử nghiệm.................................................................. 62

2.5.1

Cài đặt bộ lưu trữ NAS ..................................................................... 62

2.5.2

Cài đặt phần mềm eFilm................................................................... 68

2.6

Triển khai hệ thống thực tế .................................................................... 69

CHƯƠNG 3

Kết quả và bàn luận .................................................................. 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 71

ii


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là do tơi nghiên cứu, tìm tịi, tổng hợp chứ
khơng sao chép từ tài liệu nào 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 dữ liệu .................................................................................... 2
Bảng 1-2 Tốc độ ghi của một số loại ổ đĩa quang học .............................................. 5
Bảng 1-3 Mô tả các xử lý của hệ thống PACS ....................................................... 35
Bảng 1-4 Các chức năng của máy trạm .................................................................. 38
Bảng 2-1 Dung lượng lưu trữ của một 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 ..................... 3
Hình 1-2 Ổ băng từ AIT-3 ....................................................................................... 4
Hình 1-3 Cấu tạo ổ cứng .......................................................................................... 6
Hình 1-4 Kết nối trực tiếp thiết bị lưu trữ ................................................................ 9
Hình 1-5 Hệ thống lưu trữ SAN............................................................................. 11
Hình 1-6 Bộ lưu trữ NAS ...................................................................................... 12
Hình 1-7 So sánh 3 hệ thống lưu trữ ...................................................................... 12
Hình 1-8 RAID 0 và RAID 1 ................................................................................. 13
Hình 1-9 RAID 3 và RAID 4 ................................................................................. 14
Hình 1-10 RAID 5 ................................................................................................. 15
Hình 1-11 Mơ hình 7 lớp OSI ................................................................................ 17
Hình 1-12 Kiến trúc phân lớp của giao thức TCP/IP .............................................. 18
Hình 1-13 Q trình đóng gói dữ liệu TCP/IP........................................................ 18
Hình 1-14 Cấu trúc dữ liệu ở các lớp ..................................................................... 19
Hình 1-15 Cấu trúc các lớp địa chỉ IP .................................................................... 23
Hình 1-16 Mặt nạ mạng con .................................................................................. 24
Hình 1-17 Mạng tuyến ........................................................................................... 26

Hình 1-18 Mạng sao .............................................................................................. 26
Hình 1-19 Mạng vịng ........................................................................................... 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 và các xử lý của hệ thống PACS....................................... 34
Hình 1-24 Quy trình hoạt động cơ bản của PACS .................................................. 43
Hình 1-25 Quy trình hoạt động của PACS đơn ...................................................... 45
Hình 1-26 Quy trình hoạt động của mơ hình PACS chủ - tớ .................................. 48
Hình 2-1 Mơ hình Web Server Distribution ........................................................... 61
Hình 2-2 Cấu hình máy tính mơ phỏng NAS ......................................................... 62

vi


Hình 2-3 Bộ NAS khi khởi động xong ................................................................... 63
Hình 2-4 Thêm ổ cứng cho NAS ........................................................................... 64
Hình 2-5 Tạo bộ lưu trữ RAID 5 ........................................................................... 64
Hình 2-6 Ổ đĩa RAID 5 ......................................................................................... 65
Hình 2-7 Kết nối ổ đĩa RAID 5 vào hệ thống ......................................................... 65
Hình 2-8 NAS với ổ đĩa RAID 5 ........................................................................... 66
Hình 2-9 Địa chỉ 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 dữ liệu hình ảnh trên NAS........................................................ 68
Hình 2-13 Địa chỉ DICOM để nhận hình ảnh......................................................... 69

vii

LỜI GIỚI THIỆU
Hiện nay, trong tiến trình hội nhập với thế giới, Việt Nam đã có đầy đủ các
trang thiết bị y tế hiện đại để phục vụ chăm sóc sức khỏe nhân dân. Trong đó việc
sử dụng, khai thác hiệu quả là một yếu tố rất đáng quan tâm. Cần phải nâng cao
trình độ người sử dụng và nâng cao chất lượng, hiệu năng của hệ thống thiết bị. Là
một người làm kỹ thuật trong mảng thiết bị y tế, tôi nhận thấy cần phải khai thác
hơn nữa các tính năng của hệ thống thiết bị tránh lãng phí, nâng cao chất lượng,
hiệu quả điều trị cho người bệnh.
Trong q trình cơng tác tại bệnh viện K, tơi thấy rằng các dữ liệu hình ảnh y tế
của bệnh nhân chỉ được lưu tạm thời trong bộ lưu trữ của các thiết bị hình ảnh y tế
và cứ bị xóa dần để dành chỗ cho những hình ảnh mới. Trong khi đó các nhà kho
lưu trữ hồ sơ bệnh án kèm phim x-quang của bệnh nhân luôn chật cứng. Câu hỏi đặt
ra ở đây là: Tại sao ta không lưu trữ dữ liệu số? Dữ liệu số vừa gọn, dễ sao lưu, bảo
quản vừa dễ tìm kiếm, và một điều chắc chắn là chẩn đốn hình ảnh trên phim xquang khơng thể bằng hình ảnh trên màn hình độ phân giải cao được. Chính vì vậy
tơi thực hiện đề tài: Xây dựng một hệ thống thu thập, lưu trữ và xử lý dữ liệu
hình ảnh y tế. Và đến nay, việc thực hiện đề tài đã cơ bản hoàn thành, cần có thêm
thơng tin về lưu lượng bệnh nhân trên tồn bộ hệ thống thiết bị hình ảnh để có thể
triển khai thực tế tại cơ sở Tân Triều của bệnh viện K.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Vũ Duy Hải –Người thầy đã theo sát, giúp đỡ
và cho tơi nhiều ý kiến q báu trong q trình hồn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn KS Cát Văn Thi – TP. VTTB, TS Nguyễn Văn Thi
– PTK. CĐHA cùng toàn thể các đồng nghiệp tại bệnh viện K đã ủng hộ, hỗ trợ tơi
trong q trình thực hiện đề tài.
Tơi xin chân thành cảm ơn gia đình cùng tất cả các bạn bè, đồng nghiệp đã
quan tâm, động viên và giúp đỡ tơi trong q trình làm luận văn tốt nghiệp.
Bùi Tuấn Nam

1

CHƯƠNG 1 Kiến thức cơ sở
1.1 Lưu trữ và hệ thống lưu trữ
Thông thường trong hệ thống bệnh viện, các thơng tin cá nhân của bệnh nhân,
các chẩn đốn, các kết quả xét nghiệm, các ảnh chụp chiếu đều được ghi trên giấy
tờ hoặc trên phim. Tuy nhiên trong kỷ nguyên số, mọi thông tin y tế của bệnh nhân
cũng được lưu trữ số hóa. Với nhiều ưu điểm của hình ảnh y tế, lượng thơng tin y tế
cho mỗi bệnh nhân gia tăng đột biến.
Đơn vị thông tin nhỏ nhất là bit, được biểu diễn bằng 2 giá trị 0 và 1. Lớn hơn
bit là byte, gồm 8 bit. Các đơn vị thường sử dụng trong các hệ thống PACS1 hiện
nay là kilobyte, megabyte, gigabyte và terabyte.
Hệ số

Lũy thừa

Giá trị

Kilo

103

1 kilobyte (KB) = 1000 bytes

Mega

106

1 megabyte (MB) = 1000 KB

Giga

109

1 gigabyte (GB) = 1000 MB

Tera

1012

1 terabyte (TB) = 1000 GB

Peta

1015

1 petabyte (PB) = 1000 TB

Exa

1018

1 exabyte (EB) = 1000 PB

Zetta

1021

1 zettabyte (ZB) = 1000 EB

yotta

1024

1 yottabyte (YB) = 1000 ZB
Bảng 1-1 Các đơn vị dữ liệu

Ngành công nghiệp lưu trữ đã có những bước phát triển chóng mặt để có thể
đáp ứng yêu cầu quản lý khối lượng dữ liệu khổng lồ hiện nay. Việc gia tăng dung
lượng và hiệu quả lưu trữ là một điều kỳ diệu trong kỷ nguyên máy tính. Trong hơn

1

Picture Archiving and Communication System

2


50 năm qua, mật độ lưu trữ (số lượng bit có thể lưu trữ trong 1 inch vng) đã gia
tăng hơn 17 triệu lần.
Kỹ thuật lưu trữ gồm có online, near-line hoặc offline. Ổ cứng là cơng nghệ
online bởi nó có thể truy cập tức thời. Băng từ, đĩa quang học được xếp vào nearline vì chúng cần phải được nạp vào đầu đọc trước khi có thể truy cập, việc nạp vào
đầu đọc có thể được thực hiện tự động. Offline là khi các phương tiện lưu trữ không
được nạp tự động vào các đầu đọc để có thể truy cập thơng tin, cần phải có sự can
thiệp của con người.
1.1.1 Các thiết bị lưu trữ dữ liệu
1.1.1.1 Băng từ
Băng từ hiện vẫn được sử dụng trong một số hệ thống PACS làm bộ lưu trữ dài
hạn hoặc bộ sao lưu phụ của bộ lưu trữ dài hạn. Dữ liệu được ghi và đọc ra trên
băng nhựa được phủ lớp mỏng vật liệu từ tính.Việc ghi và đọc dữ liệu được thực
hiện khi băng từ được kéo từ cuộn này sang cuộn kia qua đầu từ đặt cố định. Kích
thước dữ liệu tối đa mỗi băng từ lưu trữ được cũng ngang với ổ cứng cùng thời

điểm, khoảng 0,5 đến 1TB dữ liệu không nén. Ưu điểm của băng từ lưu dữ liệu là
giá thành lưu trữ trên mỗi đơn vị dữ liệu tương đối thấp nhưng nhược điểm là thời
gian truy cập dài, chính vì vậy nó thường được dùng để sao lưu dữ liệu cho các hệ
thống PACS.

Hình 1-1 Băng từ AIT-3, dung lượng 100 GB, tốc độ truyền 12Mbps

3


Hình 1-2 Ổ băng từ AIT-3

1.1.1.2 Đĩa quang
Đĩa quang như CD, DVD và Blu-ray là các phương tiện lưu trữ dữ liệu số, dữ
liệu được ghi vào và đọc ra bằng tia laser. Đĩa quang và thư viện đĩa, còn gọi là
jukebox, có khả năng tự động nạp và đổi đĩa hiện vẫn được sử dụng rộng rãi để lưu
trữ hình ảnh y tế trong các hệ thống PACS.
Một đĩa CD tiêu chuẩn được làm bằng nhựa polycarbonate đường kính 120 mm
dày 1,2 mm. Đĩa CD có thể lưu trữ tới 700 MB dữ liệu. Đĩa được đúc sẵn một rãnh
xoắn ốc để dẫn tia laser. Mặt rãnh xoắn ốc được phủ một lớp rất mỏng để ghi dữ
liệu, trên đó được phủ một lớp phản xạ mỏng bằng bạc hoặc hợp kim bạc và trên
cùng được phủ một lớp sơn bảo vệ. Tia laser dùng để đọc có bước sóng 780 nm,
kích thước bit dữ liệu trên đĩa khoảng 1,6 µm. Có 2 loại đĩa CD là CD-R và CDRW, CD-R chỉ ghi được một lần và sau khi ghi thì khơng xóa được; CD-RW có thể
ghi xóa nhiều lần.
Đĩa DVD có kích thước giống như đĩa CD nhưng bao gồm 2 đĩa polycarbonate
dày 0,6 mm dán lại với nhau, một đĩa có cấu trúc giống như đĩa CD, đĩa còn lại để

4

bảo vệ mặt ghi dữ liệu khỏi trầy xước. Đĩa DVD một mặt, một lớp có dung lượng
4,7 GB kích thước điểm ghi dữ liệu trên đĩa khoảng 0,74 µm, đầu đọc sử dụng
diode laser bước sóng 650 nm và khẩu độ thấu kính hội tụ lớn hơn so với đầu đọc
đĩa CD.
Đĩa Blu-ray – BD có kích thước giống như đĩa CD. BD sử dụng tia laser màu
xanh-tím bước sóng 405 nm với kích thước điểm dữ liệu trên đĩa 580 nm. Một đĩa
BD một mặt có thể lưu trữ tới 25 GB dữ liệu.

Bảng 1-2 Tốc độ ghi của một số loại ổ đĩa quang học

1.1.1.3 Ổ cứng
Ổ cứng có cấu tạo gồm một chồng đĩa được gắn đồng trục vào trục quay và
động cơ. Đĩa thường cấu tạo bằng nhôm hoặc thuỷ tinh, trên bề mặt được phủ một
lớp vật liệu từ tính là nơi chứa dữ liệu. Mỗi đĩa từ có thể sử dụng hai mặt, nếu có
nhiều đĩa từ, chúng gắn song song, quay đồng trục, cùng tốc độ với nhau khi hoạt
động. Tốc độ quay của đĩa từ 5.400 vòng/phút đối với các ổ đĩa tốc độ thấp và tới
15.000 vòng/phút với các ổ đĩa tốc độ cao.
Cụm đầu đọc để đọc/ghi dữ liệu. Cụm đầu đọc gồm có đầu ghi/đọc được gắn
trên cần di chuyển đầu đọc (head arm hoặc actuator arm). Đầu đọc đơn giản được
cấu tạo gồm lõi ferit (trước đây là lõi sắt) và cuộn dây (giống như nam châm điện).
Đầu đọc trong đĩa cứng có cơng dụng đọc dữ liệu dưới dạng từ hoá trên bề mặt đĩa

5


từ hoặc từ hoá lên các mặt đĩa khi ghi dữ liệu. Cần di chuyển đầu đọc/ghi có nhiệm
vụ di chuyển theo phương song song với các đĩa từ ở một khoảng cách nhất định,
dịch chuyển và định vị chính xác đầu đọc tại các vị trí từ mép đĩa đến vùng phía
trong của đĩa (phía trục quay).
Trên một mặt làm việc của đĩa từ chia ra nhiều vòng tròn đồng tâm thành các

track. Trên track chia thành những phần nhỏ bằng các đoạn hướng tâm thành các
sector. Các sector là phần nhỏ cuối cùng được chia ra để chứa dữ liệu. Theo chuẩn
thơng thường thì một sector chứa dung lượng 512 byte. Số sector trên các track là
khác nhau từ phần rìa đĩa vào đến vùng tâm đĩa, các ổ đĩa cứng đều chia ra hơn 10
vùng mà trong mỗi vùng có số sector/track bằng nhau. Tập hợp các track cùng bán
kính ở các mặt đĩa khác nhau thành các cylinder. Trên một ổ đĩa cứng có nhiều
cylinder bởi có nhiều track trên mỗi mặt đĩa từ.
Ổ cứng đầu tiên có dung lượng 5 MB được phát minh năm 1952 bởi IBM, cho
đến nay dung lượng của một ổ cứng đã lên tới con số 10 TB.

Hình 1-3 Cấu tạo ổ cứng

6


1.1.1.4 Ổ rắn SSD
Ổ trạng thái rắn SSD (Solid-State Drive) lưu trữ dữ liệu sử dụng bộ nhớ trạng
thái rắn hay còn gọi là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) hoặc bộ nhớ nhanh (flash
memory). Các bộ nhớ RAM trên ổ SSD là loại nonvolatile RAM, khi mất nguồn
cung cấp, dữ liệu trên RAM không bị mất. Tốc độ truy cập dữ liệu của ổ SSD nhanh
hơn và độ tin cậy cao hơn ổ đĩa cứng vì khơng có các bộ phận cơ khí dịch chuyển.
Chức năng của SSD cũng giống như ổ đĩa cứng.
1.1.2 Các chuẩn giao tiếp thiết bị nhớ
1.1.2.1 ATA
ATA (Advanced Technology Attachment) là chuẩn giao tiếp song song của ổ
cứng, nó cịn được gọi là IDE (Integrated Drive Electronics) hoặc PATA (Parallel
ATA). Hiện nay ổ đĩa ATA ít được sử dụng trong các máy chủ PACS do tốc độ truy
cập dữ liệu tương đối chậm so với các chuẩn khác như SATA hay SCSI.
1.1.2.2 SATA
SATA (Serial ATA) thay thế chuẩn ATA với cáp kết nối tốc độ cao, chỉ có 8

chân. So với ATA chuẩn SATA truyền dữ liệu nhanh và hiệu quả cao hơn, và có thể
tháo lắp ổ cứng mà khơng cần phải tắt máy tính. Chuẩn SATA II có băng thơng
3Gbps, cịn chuẩn SATA 3 có tốc độ lên tới 6Gbps.
1.1.2.3 SCSI
SCSI là chuẩn có vài giao diện khác nhau dùng để kết nối máy tính chủ với các
ổ cứng, ổ băng từ, ổ đĩa quang. Cổng cắm SCSI có các loại 50 chân, 68 chân hoặc
80 chân để kết nối các ổ nhớ với máy chủ hoặc kết nối các ổ nhớ với nhau. Bus
SCSI song song thơng thường có thể kết nối tới 16 ổ nhớ như ổ cứng, ổ đĩa quang
hoặc ổ băng từ. Mỗi thiết bị trên cùng bus SCSI được phân biệt bởi một số định
danh SCSI duy nhất gọi là LUN1. Nói chung SCSI có giá thành cao hơn SATA
1

Logical Unit Number

7


nhưng có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn. Nhiều hệ thống PACS sử dụng các ổ đĩa
SCSI trong các máy chủ.
1.1.2.4 SAS
SAS (Serial Attached SCSI) là một bước phát triển của SCSI song song. Nó
được sử dụng hầu hết trong các máy chủ quan trọng như là máy chủ PACS. SAS có
tốc độ truy cập nhanh hơn hầu hết SCSI song song và cịn cho phép “cắm nóng”,
điều này cho phép thay thế những ổ nhớ hỏng mà không cần phải tắt máy chủ như
với hệ thống sử dụng SCSI song song.
1.1.2.5 iSCSI
iSCSI là một giao diện đầy hứa hẹn. Để tận dụng các chuẩn SCSI truyền thống,
Ethernet và TCP/IP cũng được sử dụng để kết nối từ xa các ổ cứng lại với nhau. Với
máy chủ, các ổ đĩa iSCSI được xem như kết nối cục bộ. Với mạng lưu trữ cục bộ
SAN (Storage Area Network) sử dụng iSCSI có thể sử dụng cấu trúc mạng và

chuyển mạch hiện tại mà không cần phải nối cáp riêng. Chuẩn này cũng đang ganh
đua với chuẩn FC-based SAN, có cùng chức năng nhưng cần có mạng FC Fabric
chuyên dụng đắt đỏ hơn. Trong hệ thống PACS, iSCSI có thể được sử dụng để truy
cập từ xa hệ thống lưu trữ.
1.1.2.6 Fibre Channel
Giữa hai bộ vi xử lý hoặc giữa bộ vi xử lý với thiết bị ngoại vi, có hai cách
truyền dữ liệu là kết nối mạng hoặc kết nối kênh truyền dữ liệu. Kết nối kênh là
cách truyền dữ liệu trực tiếp giữa một số ít thiết bị.
Giao thức Fibre Channel (FCP) là một giao thức máy tính có thể đạt được yêu
cầu truyền dữ liệu với khối lượng lớn. FC cung cấp một kết nối hay chuyển mạch
trực tiếp từ điểm đến điểm giữa hai thiết bị như máy chủ, thư viện băng từ, dãy ổ
cứng… Một khi kênh được thiết lập, đó là mơi trường phần cứng mạnh mẽ dùng để
truyền dữ liệu với tốc độ cao mà không cần nhiều sự can thiệp của phần mềm. Tuy
được gọi là kênh nhưng FC có thể chạy cả trên đôi dây xoắn cũng như cáp quang.

8


Tất cả cơng việc một cổng FC phải làm đó là quản lý một kết nối từ điểm tới điểm
giữa cổng đó với tồn hệ thống.
Các thiết bị chuẩn FC có tốc độ dữ liệu 1Gbps, 2Gbps, 4Gbps và 8Gbps. Hiện
tại các thiết bị 1Gbps và 2Gbps đang được sử dụng rộng rãi.
1.1.3 Cấu hình kết nối các thiết bị lưu trữ dữ liệu
1.1.3.1 Kết nối trực tiếp
Kết nối trực tiếp thiết bị lưu trữ DAS (Direct Attached Storage) là cách kết nối
thẳng từ các thiết bị nhớ với máy tính hoặc máy chủ, thơng thường các thiết bị lưu
trữ này được lắp đặt ngay trong máy tính hoặc máy chủ. Kết nối DAS có thể sử
dụng một trong các giao diện ATA, SATA, SCSI với máy tính hoặc máy chủ.
SAS có ưu điểm dễ dàng lắp đặt triển khai, khơng địi hỏi kỹ thuật cao; có giá
thành thấp, chi phí hoạt động và bảo trì thấp; tốc độ truy cập dữ liệu cao chủ yếu là

phần cứng, tác động của phần mềm là tối thiểu.
Tuy nhiên SAS có nhược điểm là bị giới hạn về khả năng mở rộng: khoảng
cách kết nối với máy chủ, số lượng thiết bị kết nối với máy chủ; không thể chia sẻ
dữ liệu với các máy chủ khác.

Hình 1-4 Kết nối trực tiếp thiết bị lưu trữ

9


1.1.3.2 Storage Area Network
Nhu cầu quản lý tập trung, tốc độ truy cập dữ liệu, khả năng chia sẻ dữ liệu với
các máy chủ ở xa và các thiết bị khác, khả năng mở rông không gian lưu trữ dẫn đến
việc các thiết bị lưu trữ cần phải được kết nối mạng.
Với mạng máy tính, các thiết bị lưu trữ kết nối trực tiếp với máy tính hoặc máy
chủ, các máy tính hoặc máy chủ sau đó kết nối với nhau qua mạng LAN hoặc
WAN. Các máy chủ chạy trên các hệ điều hành khác nhau do đó việc truyền một
lượng dữ liệu lớn giữa các máy chủ sẽ làm giảm hiệu quả hoạt động mà còn vượt
quá giới hạn băng thông của kênh kết nối giữa thiết bị lưu trữ và máy chủ.
Một trong những công nghệ mới giải quyết được những vấn đề này đó là mạng
khu vực lưu trữ SAN. SAN là một hệ thống lưu trữ dữ liệu dùng để trao đổi dữ liệu
giữa các hệ thống máy tính và các thiết bị lưu trữ. Nó có các bộ chuyển mạch để kết
nối các thiết bị lưu trữ và rất nhiều máy chủ bằng một mạng chuyen dụng, do vậy
các thiết bị lưu trữ có thể kết nối trực tiếp với nhau và một thiết bị lưu trữ có thể
được truy cập bởi nhiều máy chủ.
Một thành tố quan trọng của cấu trúc SAN là topo FC của nó, cải thiện đáng kể
tốc độ dữ liệu, có thể lên tới 20Gbps. Mạng SAN sử dụng kiến trúc FC, kết cấu
SAN là một kết nối của nhiều chuyển mạch FC liên kết các thiết bị FC với nhau để
trao đổi dữ liệu, giảm lỗi, loại bỏ hỏng hóc gây ra tại một điểm, tăng tối đa khoảng
cách kết nối giữa các thiết bị. Trong số các topo FC, hiện nay cấu trúc chuyển mạch

thường được sử dụng hơn cả.
Một mạng FC có nhiều điểm tương tự như mạng LAN nhưng có sự khác biệt
đáng kể. Mạng FC có giá thành rất cao do đó khơng được sử dụng rộng rãi như
mạng LAN, nhưng với một hệ thống lớn như hệ thống PACS của bệnh viện thì khá
phù hợp. Trong mạng SAN khơng có máy chủ/tớ, lưu thơng trong mạng chỉ có dữ
liệu trao đổi giữa các máy chủ và các thiết bị lưu trữ. So với NAS, SAN có tốc độ

10


truy cập nhanh hơn và tin cậy hơn vì nó truy cập dữ liệu ở mức block và sử dụng
mạng FC chuyên dụng.
Hệ thống SAN cho phép sử dụng nhiều loại máy chủ hỗ trợ chuẩn SAN. Các
thiết bị lưu trữ trong SAN có thể là một mảng ổ cứng, mảng ổ quang hoặc một thư
viện băng từ.

Hình 1-5 Hệ thống lưu trữ SAN

1.1.3.3 Network Attached Storage
NAS là một thiết bị lưu trữ trên mạng thơng thường, NAS cũng có thể hiểu là
bất kỳ thiết bị lưu trữ nào được kết nối mạng. Phần cứng quan trọng nhất của NAS
tương tự như một máy chủ. Về bản chất NAS chính là một file server kết nối LAN,
ngoại trừ phần mềm NAS và các chức năng của nó chỉ phục vụ việc lưu trữ dữ liệu
và cho phép nhiều máy khách truy cập dữ liệu. Thiết bị NAS với máy chủ và hệ
điều hành giới hạn chỉ tập trung cung cấp dịch vụ truy cập và quản lý dữ liệu ở mức
file, nó được chia sẻ bởi các máy chủ ứng dụng và các máy khách trong toàn mạng.
Một thiết bị NAS có bảng mạch chủ, CPU, RAM, các chức năng giao tiếp và hệ
điều hành hạn chế do vậy nó không mạnh bằng một máy chủ thông thường. Người
quản lý lưu trữ có thể được truy cập và quản lý NAS từ xa. Nó cung cấp truy cập dữ
liệu ở mức file, các máy chủ hay máy trạm sử dụng file đó mà khơng cần xác định

địa chỉ để lấy file trên thiết bị lưu trữ. Không giống như DAS, các thiết bị lưu trữ
nằm trong máy chủ, ở NAS, các thiết bị lưu trữ có thể nằm ở bất kỳ đâu trên mạng.

11


Các máy khách và máy chủ ứng dụng lấy những file dữ liệu lưu trữ trên các thiết bị
NAS trên mạng như lấy trong ổ đĩa cục bộ. Nhiều thiết bị NAS có thể cung cấp dịch
vụ lưu trữ file dữ liệu cho một máy chủ sử dụng mạng Ethernet thơng thường với
các giao thức truyền file thích hợp. Hiệu suất của NAS phụ thuộc vào chất lượng
của mạng mà nó kết nối vào, tốc độ CPU, lượng RAM nó có. Hiệu suất của NAS
giảm đáng kể khi có quá nhiều người sử dụng, quá nhiều truy cập đồng thời và công
suất của CPU đạt giá trị giới hạn. NAS gần như là một thiết bị plug-and-play, khi
cần mở rộng khơng gian lưu trữ, có thể cắm thêm nhiều NAS vào mạng.

Hình 1-6 Bộ lưu trữ NAS

Hình 1-7 So sánh 3 hệ thống lưu trữ

12


1.1.4 RAID
Với nhiều công việc, dữ liệu luôn sẵn sàng là rất quan trọng bao gồm cả công
tác sao lưu để phục hồi dữ liệu. RAID1 là viết tắt của cụm từ Redundant Arrays of
Independent Disks, một công nghệ quan trọng được thiết kế cho các hệ thống quan
trọng để bảo vệ dữ liệu trong trường hợp ổ cứng hỏng. RAID dùng nhiều ổ cứng
cùng với việc phân tách, sao chép dữ liệu nhằm nâng cao độ tin cậy, cải thiện tốc độ
truy xuất, tăng không gian lưu trữ. RAID thực hiện việc kết hợp các ổ cứng bằng cả
phần cứng lẫn phần mềm. Với hệ thống được kết nối, RAID thể hiện là một ổ logic

đơn. Có nhiều cấu hình RAID, mỗi cấu hình có những ưu và nhược điểm riêng.
Mirroring là cơ chế để tất cả dữ liệu được sao chép trên tất cả các ổ cứng một
cách tự động. Striping là xử lý để phân tách dữ liệu thành nhiều phần nhỏ và lưu trữ
các phần này trên nhiều ổ đĩa. Hai kỹ thuật này được sử dụng độc lập hoặc kết hợp
với nhau trong rất nhiều mức RAID, phụ thuộc vào cách thiết kế hệ thống. Mục
đích của RAID nhằm cải thiện cả về độ tin cậy lẫn hiệu quả của bộ lưu trữ dữ liệu,
giảm lỗi và tăng tốc độ truy cập dữ liệu.
RAID 0 kết hợp ít nhất 2 ổ cứng, khi dữ liệu được lưu trữ, nó được phân tách
thành các phần bằng nhau để lưu trong các ổ cứng. Lợi ích của RAID 0 là máy chủ
có thể ghi đọc dữ liệu đồng thời vào mảng đĩa, do đó dữ liệu được truy cập nhanh
hơn, cải thiện tốc độ truy xuất. Tuy nhiên khả năng gặp lỗi của RAID-0 rất cao.

Hình 1-8 RAID 0 và RAID 1

1

Redundant Arrays of Independent Disks

13


RAID-1 còn gọi là sao chép ổ đĩa, dữ liệu được sao y hệt nhau trên nhiều ổ
cứng. Mỗi ổ đĩa trong bộ đĩa đều chứa cùng một cơ sở dữ liệu hồn chỉnh do đó khi
một ổ đĩa bị hỏng, cả bộ đĩa vẫn hoạt động bình thường, bộ đĩa RAID-1 chỉ hỏng
khi tất cả các đĩa trong bộ bị hỏng. RAID-1 nâng cao độ tin cậy, cải thiện khả năng
chịu lỗi, tốc độ đọc cao nhưng tốc độ ghi chậm và giá thành cao.
RAID-3 sử dụng một tập dữ liệu được phân tách giống RAID-0 cùng với một ổ
đĩa dùng để kiểm tra tính tồn vẹn dữ liệu ở mức byte khi truyền hoặc truy cập dữ
liệu từ bộ lưu trữ. Như vậy RAID-3 cải thiện được hiệu suất và tăng khả năng chịu
lỗi. Nếu ổ đĩa parity hỏng RAID-3 cũng không bị ảnh hưởng nhưng lại gây ra hiệu

ứng thắt cổ chai đối với hoạt động ghi vì thơngtin kiểm tra tính tồn vẹn parity được
cập nhật mỗi khi dữ liệu được ghi vào.

Hình 1-9 RAID 3 và RAID 4

RAID-4 tương tự như RAID-3 ngoại trừ dữ liệu được phân tách ở mức block,
một block dữ liệu tiêu chuẩn có kích thước 512 byte. Thơng tin kiểm tra tính tồn
vẹn được tính tốn khi mỗi block dữ liệu được truy cập.
RAID-5 giống như RAID-4 ở chỗ dữ liệu được phân tách ở cấp độ block nhưng
khác ở chỗ các thơng tin về tính tồn vẹn parity được lưu xen kẽ cùng với các dữ
liệu được phân tách trên tất cả các đĩa trong bộ đĩa. Nếu một đĩa bị hỏng, dữ liệu
trên đó sẽ được khơi phục lại từ những đĩa còn lại. Với RAID-5, nếu một đĩa thứ 2
bị hỏng trước khi đĩa hỏng thứ nhất được thay thế và khơi phục lại dữ liệu thì việc
mất dữ liệu là khơng thể tránh khỏi do đó trong hệ thống thường gắn sẵn một ổ sơ

14


cua nóng. Ổ này được cấp nguồn nhưng khơng tham gia vào hoạt động của bộ đĩa,
hệ thống phát hiện ra một đĩa hỏng, ổ đĩa sơ cua lập tức được sử dụng để khơi phục
dữ liệu. Khi q trình khơi phục hồn tất, ổ sơ cua sẽ thay thế ổ đĩa hỏng. RAID-5
tối ưu dung lượng lưu trữ của bộ đĩa, cải thiện hiệu suất, đảm bảo dư thừa dữ liệu
nên được sử dụng rộng rãi trong cấu hình phần cứng của các hệ thống PACS hiện
nay.

Hình 1-10 RAID 5

1.2 Mạng máy tính
Mạng máy tính là một tập hợp các đường truyền dẫn và các thiết bị liên quan
cho phép trao đổi thơng tin giữa các máy tính được kết nối bởi các đường truyền

dẫn này. Ứng dụng của mạng máy tính đối với hệ thống PACS đã cải thiện đáng kể
hoạt động của bộ phận chẩn đốn hình ảnh trong bệnh viện. Ngày nay, việc liên kết
giữa các bộ phận trong bệnh viện trở nên cực kỳ quan trọng đối với công tác khám
chữa bệnh, và các liên kết này phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của mạng thơng
tin bệnh viện.
1.2.1 Mơ hình kết nối các hệ thống mở
Mơ hình tham chiếu OSI1 định nghĩa một mơ hình 7 lớp dùng cho việc truyền
dữ liệu. Cách tiếp cận theo lớp là cách tổ chức mềm dẻo xuyên suốt các giao diện đã
định nghĩa. Các giao diện này cho phép một số lớp có thể thay đổi, trong khi một số
1

Open Systems Interconnection

15