韓阿蒙，張彥秋，李金旺，李秀梅，顧濤，付占昭，毛羽，梁華剛

1.燕山大學(xué) 信息技術(shù)中心，河北 秦皇島 066004；2.秦皇島市第一醫(yī)院 a.腫瘤放療科；b.胸外科，河北 秦皇島 066000

引言

近些年來，云計(jì)算技術(shù)發(fā)展日臻成熟，其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[1]越來越廣泛，主要包括：用作計(jì)算和大型應(yīng)用程序系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)，輔助開展遠(yuǎn)程醫(yī)療活動(dòng)，醫(yī)療資料的保存及數(shù)據(jù)挖掘的深入，在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化以及“生物信號(hào)智能化”處理，輔助醫(yī)師進(jìn)行診斷及決策以及在醫(yī)學(xué)治療上的手段以及控制。根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院對(duì)于云計(jì)算的定義，它指的是一種通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)共享且可配置的計(jì)算資源池（包括計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)資源、存儲(chǔ)資源、應(yīng)用程序等資源）進(jìn)行無處不在的、便捷的、按需訪問的模式，提供者可以通過最簡化的管理工作進(jìn)行快速的配置和發(fā)布，使用者可以通過最小化的交互工作獲取相關(guān)計(jì)算服務(wù)[2]，其基本特征包括：按需服務(wù)，廣泛的網(wǎng)絡(luò)接入，資源池化，快速彈性和可控服務(wù)[3]。國內(nèi)外云計(jì)算平臺(tái)發(fā)展日新月異，主要包括：亞馬遜云、谷歌云、IBM藍(lán)云、百度云、阿里云和騰訊云[4]等。本文初步探討的ARC技術(shù)，即容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)技術(shù)[5]，其在劑量計(jì)算時(shí)是基于云計(jì)算技術(shù)，主要由分布式計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)。云計(jì)算用于計(jì)算平臺(tái)時(shí)，其計(jì)算速度和計(jì)算時(shí)間是臨床中關(guān)注的主要問題之一，這關(guān)系到臨床實(shí)踐中的工作效率。本文就本院放療中心基于云計(jì)算的分布式計(jì)算時(shí)間問題進(jìn)行初步探討，以期為臨床提供參考。

1 材料和原理

1.1 瓦里安Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)中分布式計(jì)算框架環(huán)境

瓦里安Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)中涉及的復(fù)雜計(jì)算，如劑量分布計(jì)算和劑量體積優(yōu)化，由分布式計(jì)算框架（Distributed Calculation Framework，DCF）執(zhí)行。DCF使用外部進(jìn)程（external processes），使得Eclipse能夠計(jì)算劑量[6-7]。這些進(jìn)程可以在Eclipse中相同工作站中和（或）網(wǎng)絡(luò)中其他的工作站中運(yùn)行[8]。由于計(jì)算工作由多臺(tái)工作站和多個(gè)處理器同時(shí)進(jìn)行，因此，DCF使得劑量計(jì)算的速度得到了提高。例如，External Dose Planning進(jìn)行多個(gè)射野的治療計(jì)劃的劑量計(jì)算時(shí)，Eclipse為每個(gè)射野分別分配計(jì)算線程（thread），對(duì)于每個(gè)計(jì)算線程，Eclipse發(fā)出需要的計(jì)算服務(wù)。如果沒有可用的計(jì)算資源，線程等待資源的到來。DCF環(huán)境中不同工作站配置的例子，見圖1。

圖1 DCF環(huán)境的例子

上面的例子中，類型1工作站裝有Eclipse，每個(gè)工作站包含一個(gè)本地的計(jì)算配置文件，使得該工作站能夠進(jìn)行計(jì)算。除了本地計(jì)算，這些工作站還可以在DCF網(wǎng)絡(luò)中的其他工作站上進(jìn)行遠(yuǎn)程計(jì)算[9]。類型1工作站還安裝了一個(gè)代理程序（Agent）作為系統(tǒng)服務(wù)。代理程序使得Eclipse能夠在其他工作站上執(zhí)行類型1工作站上的計(jì)算[10]。此外，代理程序使用位于DCF服務(wù)器上的DCF文件夾中的配置文件。類型2工作站沒有安裝Eclipse，用作計(jì)算服務(wù)器。每個(gè)類型2工作站都安裝有一個(gè)代理程序，意味著其他工作站上的Eclipse能夠在類型2工作站上進(jìn)行計(jì)算。代理程序使用位于DCF服務(wù)器上的DCF文件夾中的配置文件。

1.2 DCF工作的原理

DCF服務(wù)器包含一個(gè)分配器（Distributor）和一個(gè)計(jì)算配置文件，計(jì)算配置文件被DCF網(wǎng)絡(luò)中的代理程序使用[11]。分配器分配可用的計(jì)算資源用于計(jì)算。DCF服務(wù)器里的DCF文件夾包括計(jì)算算法、射野數(shù)據(jù)模板、配置的射野數(shù)、全局配置文件夾。此外，DCF服務(wù)器的位置在每個(gè)用于劑量計(jì)算的工作站上都必須定義。

由字及意，分布式計(jì)算框架配置定義計(jì)算的框架。在這個(gè)框架中使用安裝的計(jì)算算法進(jìn)行計(jì)算，需要配置安裝在你的治療計(jì)劃系統(tǒng)中的每個(gè)計(jì)算算法[12]，例如AAA算法或PBC算法[13-14]。配置包括把算法和合適的配置射束數(shù)據(jù)連接。這個(gè)連接的結(jié)果叫做計(jì)算模型。幾個(gè)計(jì)算模型可以基于一個(gè)計(jì)算算法。每個(gè)計(jì)算模型從一個(gè)具體的數(shù)據(jù)目錄中讀取配置的射野數(shù)據(jù)。一個(gè)四野計(jì)劃的計(jì)算在DCF中執(zhí)行的具體例子，見圖2。

圖2 四野計(jì)劃的計(jì)算在DCF中執(zhí)行的具體例子

2 方法和結(jié)果

2.1 局域網(wǎng)分布情況及其硬件配置

本放療中心局域網(wǎng)中包含一臺(tái)服務(wù)器，其硬件配置為：Intel(R) Xeon(R)CPU E5-2690 0 @2.90GHz 2.90GHz（2個(gè)處理器），RAM：32.0 GB，HDDM：4.08 TB，用于日常的計(jì)劃設(shè)計(jì)和劑量計(jì)算的有兩臺(tái)帶有Eclipse的工作站，其硬件配置為：處理器：Intel(R) Xeon(R)CPU E5-2620 0 @2.00GHz 2.00GHz（兩個(gè)處理器），RAM：32.0 GB，HDDM：829.9 GB；用于腫瘤靶區(qū)勾畫的帶有Eclipse的4臺(tái)電腦：其硬件配置為：處理器：Intel(R)Core(TM)DuoCPU E8400 @3.00GHz 2.00GHz，RAM：8.0 GB，HDDM：375 GB；局域網(wǎng)中還有2臺(tái)未裝有Eclipse的工作站，用于日常的排程和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，其利用率較低，其硬件配置為：處理器：Intel(R) Core(TM)i5-3470 CPU@3.20GHz 3.20GHz，RAM：8 GB，HDDM：464 GB。

2.2 15例鼻咽癌患者劑量計(jì)算時(shí)間測試結(jié)果

安裝有Eclipse的2臺(tái)電腦用于日常的劑量計(jì)算，為縮短計(jì)算時(shí)間，充分利用局域網(wǎng)中的硬件資源，在其它6臺(tái)工作站上安裝代理程序DCF_Agent.msi，使得在Eclipse工作站上劑量計(jì)算的時(shí)候，不僅可以調(diào)用另一臺(tái)裝有Eclipse的工作站，還可以調(diào)用其它6臺(tái)工作站。隨機(jī)選擇15例鼻咽癌患者，計(jì)劃方式選擇ARC技術(shù)，為使計(jì)算時(shí)最多能調(diào)用8臺(tái)工作站，射野選擇四個(gè)弧度，計(jì)算網(wǎng)格大小選擇2.5 mm，對(duì)于每一例患者劑量計(jì)算時(shí)，先選擇調(diào)用帶有Eclipse的2臺(tái)工作站，記錄劑量計(jì)算時(shí)間，再通過設(shè)置本地工作站中的DCF參數(shù)，劑量計(jì)算時(shí)依次選擇調(diào)用4，5，6，7，8臺(tái)工作站，并記錄劑量計(jì)算時(shí)間。相關(guān)數(shù)據(jù)，見表1及圖3。圖3是基于表1的數(shù)據(jù)做的圖，由表1和圖3可見，劑量計(jì)算選擇調(diào)用6臺(tái)工作站時(shí)計(jì)算時(shí)間最短，選擇7臺(tái)工作站和8臺(tái)工作站計(jì)算時(shí)間不但沒有縮短，反而略有增加。選擇調(diào)用6臺(tái)工作站比2臺(tái)工作站計(jì)算時(shí)間平均縮短約19′06″。同時(shí)，采用Mann-Whitney U檢驗(yàn)，6臺(tái)工作站分別與2，4，5，7，8臺(tái)工作站相比較，Z=-4.667，-2.634，-1.348，-0.415，-1.390，P=0.000，0.008，0.178，0.678，0.165?？梢娬{(diào)用6臺(tái)工作站時(shí)所用的計(jì)算時(shí)間短于2臺(tái)和4臺(tái)，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.05)；調(diào)用6臺(tái)工作站時(shí)所用的計(jì)算時(shí)間短于5臺(tái)、7臺(tái)和8臺(tái)，但不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05），詳見表2。

3 討論

本研究中分布式計(jì)算框架是基于云計(jì)算，而不是真正意義上的云計(jì)算，云計(jì)算是由分布式計(jì)算技術(shù)、網(wǎng)格技術(shù)等發(fā)展起來的先進(jìn)技術(shù)。分布式計(jì)算又稱網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，它是充分利用網(wǎng)絡(luò)資源的計(jì)算模型。該模型旨在提供一套有組織的系統(tǒng)方法，以實(shí)現(xiàn)一種開放型的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使程序和數(shù)據(jù)都具有透明的分布能力和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)能力，以及互操作性和可移植性的能力[15]。本放療中心的瓦里安分布式計(jì)算主要由服務(wù)器根據(jù)分配器分配給網(wǎng)絡(luò)中有計(jì)算資源的工作站，而每個(gè)工作站之所以能夠被調(diào)用，是因?yàn)楸镜匕惭b了代理程序，否則就不能被調(diào)用。Na[16]等在驗(yàn)證了在亞馬遜云平臺(tái)環(huán)境中優(yōu)化和計(jì)算固定野調(diào)強(qiáng)計(jì)劃和容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃的可行性，實(shí)質(zhì)性的提高了計(jì)算速度，使得將來在線自適應(yīng)計(jì)劃成為可能。

圖3 15例鼻咽癌患者ARC計(jì)劃劑量計(jì)算時(shí)間柱狀圖

容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)技術(shù)由于劑量學(xué)上的優(yōu)勢，其在臨床上的應(yīng)用越來越廣泛，而劑量計(jì)算時(shí)間直接影響到臨床實(shí)踐中的工作效率[17-18]。本研究一定程度上縮短了劑量計(jì)算時(shí)間，約19′06″左右，隨所需計(jì)算時(shí)間的增加，縮短的計(jì)算時(shí)間越長。計(jì)算時(shí)間的長短一方面與本身的計(jì)算工作量有關(guān)，另一方面與調(diào)用的工作站數(shù)量和工作站本身的硬件配置有關(guān)。在具體臨床實(shí)踐中，四臺(tái)用于勾畫靶區(qū)的工作站上也安裝上代理程序，使得其也能夠被調(diào)用，提高閑置資源的利用率。值得注意的是，本地工作站在劑量計(jì)算時(shí)，并不是調(diào)用所有的閑置工作站，而是優(yōu)先調(diào)用硬件配置較高的工作站，以免某一進(jìn)程計(jì)算速度較慢而影響整體的計(jì)算時(shí)間。當(dāng)所需計(jì)算資源一定時(shí)，沒有必要無限制的增加工作站的數(shù)量。

表1 15例鼻咽癌患者ARC計(jì)劃劑量計(jì)算時(shí)間

表2 6臺(tái)工作站計(jì)算時(shí)間與其它各臺(tái)工作站計(jì)算時(shí)間的比較

總之，在本研究中，調(diào)用6臺(tái)工作站時(shí)所用的計(jì)算時(shí)間短于2臺(tái)和4臺(tái)，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異；調(diào)用6臺(tái)工作站時(shí)所用的計(jì)算時(shí)間短于5臺(tái)、7臺(tái)和8臺(tái)，但不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。局域網(wǎng)中增加一定數(shù)量用于計(jì)算調(diào)用的工作站，能夠一定程度的縮短劑量計(jì)算的時(shí)間，提高腫瘤放療計(jì)劃設(shè)計(jì)的效率。希望在不久的將來能夠在放射治療劑量計(jì)算方面能夠真正的實(shí)現(xiàn)云計(jì)算，促進(jìn)醫(yī)學(xué)的進(jìn)步。