PACS的多級存儲設(shè)計

張曉東，范年豐，鐘洪濤，劉燕

1.中山大學(xué)附屬第三醫(yī)院，廣東　廣州　510630；2.中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院　計算機中心，廣東　廣州　510060

PACS的多級存儲設(shè)計

張曉東1，范年豐1，鐘洪濤1，劉燕2

1.中山大學(xué)附屬第三醫(yī)院，廣東廣州510630；2.中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院計算機中心，廣東廣州510060

醫(yī)院信息系統(tǒng)（Hospital Information System，HIS）近年來發(fā)展迅速，其中醫(yī)學(xué)影像存儲與傳輸系統(tǒng)（Picture Archiving and Communication System，PACS）在眾多醫(yī)院成功實施，已從1個科室部門級的Mi n i-PACS發(fā)展為全院甚至區(qū)域級的大型系統(tǒng)，成為現(xiàn)代化數(shù)字醫(yī)院不可或缺的重要組成部分[1]。PAC S在HIS中占有重要地位，其數(shù)據(jù)采集、存儲、訪問、備份等業(yè)務(wù)與以聯(lián)機事務(wù)處理為特征的HIS軟件顯著不同[2-4]。本文根據(jù)我院多年來PACS實施經(jīng)驗，設(shè)計出一套較為完善的多級存儲方案，對各醫(yī)院進(jìn)行PACS建設(shè)與升級有較好的參考價值。

1　PACS存儲簡介

1.1PACS常用存儲技術(shù)

早期建設(shè)的PACS限于當(dāng)時網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)以及成本等綜合因素，一般采用服務(wù)器上掛接磁盤陣列的直接連接存儲方式（Direct Attached Storage，DAS），后來采用網(wǎng)絡(luò)連接存儲架構(gòu)（Network Attached Storage，NAS），使用獨立的存儲服務(wù)器提高其性能。

隨著存儲技術(shù)的發(fā)展和業(yè)務(wù)需要，現(xiàn)在醫(yī)院大多采用存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（Storage Area Network，SAN）來構(gòu)建、升級PACS存儲系統(tǒng)，并采用多種雙冗余技術(shù)來消除單點故障，確保系統(tǒng)安全可靠。SAN一般基于光纖通道（Fiber Channel，F(xiàn)C）技術(shù)，其帶寬從1G B發(fā)展到2、4、8G B。采用光纖交換機和性能優(yōu)良的光纖硬盤，組建存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，從普通業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)中獨立出來，實現(xiàn)優(yōu)良的性能。后來又出現(xiàn)了基于iSCSI技術(shù)的IPSAN，它基于IP技術(shù)，同現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)兼容性好、造價比FCSAN低。

1.2PACS影像數(shù)據(jù)存儲和訪問特點

PACS實現(xiàn)了對各種影像的存儲、調(diào)閱和管理功能，如X線、CT、MRI（磁共振成像）、核醫(yī)學(xué)、超聲、血管造影、病理及各種內(nèi)鏡檢查產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)[5]。據(jù)統(tǒng)計，在一家大型綜合醫(yī)院的HIS存儲中，PACS圖像的容量約占80%[6]。圖像文件不但數(shù)量多，而且尺寸大，增長快。例如X光片數(shù)字化后可以達(dá)到20MB以上的數(shù)據(jù)量，臨床檢查中普通的CT就可能產(chǎn)生多達(dá)幾十至上百幅圖像，數(shù)據(jù)量也在10M以上；對于一些彩超、血管造影等記錄動態(tài)連續(xù)圖像的設(shè)備，每秒產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將達(dá)到10M以上[5]。

HIS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可以以碎片、分散方式進(jìn)行高頻度存取與訪問，而PAC S產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是以連續(xù)、集中、突發(fā)的方式進(jìn)行存儲與調(diào)閱[7]，其數(shù)據(jù)容量增長也是十分驚人的，它不但隨著門診量、床位數(shù)等業(yè)務(wù)的增長而增長，還隨著檢查設(shè)備的數(shù)量增多和精度提高而快速遞增。例如我院引進(jìn)320排CT后就對PAC S存儲容量產(chǎn)生了一定的壓力。

據(jù)分析，大多數(shù)病人的住院周期是1～3個月，此時間段內(nèi)的PACS圖像會經(jīng)常被調(diào)閱；其次是1年內(nèi)的影像數(shù)據(jù)調(diào)閱比較頻繁；對于一些慢性病患者的影像數(shù)據(jù)可能在3年內(nèi)都要被調(diào)閱，但頻率不高；而3年以后的圖像調(diào)閱十分少，主要是用于科研用途的歷史查詢分析。PACS圖像存儲時間段與被訪問頻率關(guān)系，見表1。

表1　PACS圖像存儲時間段與訪問頻率關(guān)系

2　PACS存儲方案分析

PACS為醫(yī)療實時快速地提供臨床第一手重要檢查信息，使用者希望這類數(shù)據(jù)能永遠(yuǎn)在線并得到快速服務(wù)。但是所有影像數(shù)據(jù)全部在線顯然不符合實際，會受到存儲空間和造價成本的制約。

目前在線使用的FCSAN及其他更高級的存儲技術(shù)性能十分優(yōu)越，但造價也不菲。因此，必須對影像數(shù)據(jù)按其訪問規(guī)律進(jìn)行分類并分級存儲。不同階段的圖像數(shù)據(jù)在臨床應(yīng)用中被使用的頻率呈現(xiàn)出特定的規(guī)律，可以按影像產(chǎn)生時間分類：即最新鮮的數(shù)據(jù)使用最為頻繁，隨著時間的推移，越舊的數(shù)據(jù)被使用的概率越小。有研究者把數(shù)據(jù)按使用頻率從高到低依次分為“熱”、“次熱”和“冷”3個級別[8]，也就是常說的“在線”、“近線”、“離線”。有的中小型醫(yī)院為了簡化結(jié)構(gòu)和減少投資，把在線和近線合并，這也就是大多數(shù)醫(yī)院使用的“在線－離線”式二級存儲或“在線－近線－離線”式的三級存儲架構(gòu)[9-11]。

在標(biāo)準(zhǔn)的三級架構(gòu)中：一級在線存儲短期醫(yī)療圖像，容量較小，具有高性能、高可靠性等特征；二級近線存儲用于不常用的歷史數(shù)據(jù)和容量較大的數(shù)據(jù)的存儲，通常是采用數(shù)據(jù)遷移技術(shù)自動將在線存儲中不常用的舊數(shù)據(jù)遷移到近線存儲設(shè)備上，保證數(shù)據(jù)共享并能快速地被訪問；三級存儲通常采用離線歸檔的方式，對整個醫(yī)院長期的歷史圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔，要求存儲設(shè)備容量大、成本低，可靠性、安全性好。

3　PACS多級存儲結(jié)構(gòu)設(shè)計

我院PAC S始建于2004年，從1個科室級Mi n i-PAC S發(fā)展到現(xiàn)在的多院區(qū)全院級Ful l-PAC S系統(tǒng)。在2008年和2011年進(jìn)行過2次升級改造，從單一的DAS存儲方式發(fā)展為F CSA N和IPSA N相結(jié)合的多級存儲結(jié)構(gòu)，既保障了相關(guān)科室對影像數(shù)據(jù)的快速調(diào)閱，又保護(hù)了前期硬件投資，在數(shù)據(jù)傳輸性能與安全性和總體擁有成本（Total Cost of Ownership，TCO）之間找到了一個平衡點[12]，提出并實施了PAC S存儲系統(tǒng)多級存儲管理（Hot line - On line -Near line - Off line，HONO），即“熱線－在線－近線－離線”的結(jié)構(gòu)方式。

3.1PACS存儲的HONO分級設(shè)計

在醫(yī)院PACS中，放射科的影像數(shù)據(jù)占據(jù)了全院影像約90%的存儲容量。放射科檢查設(shè)備數(shù)量多而且集中，同時預(yù)約登記、計價、讀片工作站、打印報告工作站等網(wǎng)絡(luò)站點密度大，數(shù)據(jù)吞吐量大，需要較大的網(wǎng)絡(luò)帶寬。最初建設(shè)科室級PACS時，只在放射科設(shè)有網(wǎng)絡(luò)匯聚機房，放置相關(guān)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備。放射科的業(yè)務(wù)對影像文件使用頻度最高，訪問量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他臨床科室。針對以上特點，設(shè)計了“四級”級存儲。

第一級“熱線”存儲，設(shè)計在放射科。在放射科室機房放置多臺影像服務(wù)器，每臺容量在2T B左右，針對不同的檢查設(shè)備各有分工，保存最近1年的影像數(shù)據(jù)。相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)放射科確認(rèn)后上傳至第二級存儲設(shè)備。

第二級“在線”存儲，放置在醫(yī)院數(shù)據(jù)中心機房，作為全院主影像庫，容量為18TB。采用性能優(yōu)越的4G B的F CSAN架構(gòu)，可以保存最近3年的影像數(shù)據(jù)。

第三級“近線”存儲，也在中心機房，作為副影像庫，容量為45TB，可以保存全院10年以上完整的影像數(shù)據(jù)。它使用iSCSI協(xié)議，由容量大、價格低的SATA磁盤陣列組成高性價比的IP S A N存儲架構(gòu)，向全院提供影像服務(wù)。

第四級“離線”存儲，使用光盤庫或磁帶庫作為全院所有影像數(shù)據(jù)的離線容災(zāi)備份，相當(dāng)于第三級存儲的1個完整拷貝，放置在異地或分院機房，平時不提供調(diào)閱服務(wù)。

3.2PACS存儲的HONO設(shè)計優(yōu)勢

相比其他醫(yī)院實施的PACS存儲管理策略，我院此套設(shè)計方案具有以下幾方面優(yōu)勢。

（1）熱線級存儲設(shè)置在放射科，充分滿足了該部門對影像文件的使用需求。這部分?jǐn)?shù)據(jù)只對放射科開放，相對獨立管理，不受其他臨床科室查閱影響。放射科對于訪問頻率最高的1年內(nèi)的數(shù)據(jù)都從科室影像庫中調(diào)閱，與臨床科室分流，極大地減輕了數(shù)據(jù)中心主影像庫的訪問壓力。對于1年前的數(shù)據(jù)系統(tǒng)會自動轉(zhuǎn)到主副影像庫中進(jìn)行調(diào)閱。

（2）保障了放射科核心業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性與連續(xù)性。即使在中心機房的主副影像庫或者核心網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時，也不會對放射科工作造成特別影響。因數(shù)據(jù)采集、判片診斷、寫報告等工作都能在放射科開展，待系統(tǒng)恢復(fù)正常后自動從科室影像服務(wù)器把未上傳的數(shù)據(jù)同步到中心主影像庫。我院經(jīng)歷了放射科和中心機房網(wǎng)絡(luò)故障、中心機房搬遷和放射科搬遷幾次大動作，都沒有對業(yè)務(wù)造成特別干擾，體現(xiàn)出了HONO的優(yōu)勢。

（3）優(yōu)化了不同科室對不同時間段數(shù)據(jù)的訪問性能。在線級存儲保存了近3年的影像數(shù)據(jù)，使用性能十分優(yōu)良的F CSAN存儲，完全勝任全院臨床科室及影像檢查科室調(diào)閱需求。臨床科室調(diào)閱的數(shù)據(jù)絕大部分是在線級主影像庫中最近3個月內(nèi)的數(shù)據(jù)，對于較舊的歷史數(shù)據(jù)從近線級副影像庫中訪問。近線數(shù)據(jù)由于訪問頻度不高，使用IPSAN也能達(dá)到良好的調(diào)閱體驗。對各級影像數(shù)據(jù)的訪問都由系統(tǒng)后臺自動處理，對用戶來說是透明的。

（4）優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)流量。根據(jù)前面的分析，PACS影像數(shù)據(jù)傳送會持續(xù)占用大量網(wǎng)絡(luò)帶寬，由于放射科有多臺獨立的服務(wù)器和存儲設(shè)備，只有訪問1年前的影像數(shù)據(jù)才會請求網(wǎng)絡(luò)核心層的數(shù)據(jù)中心來調(diào)閱。此方案優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)性能，釋放出網(wǎng)絡(luò)帶寬，讓HIS對實時性要求較高的聯(lián)機事務(wù)處理軟件得到便利，如掛號收費、入出院結(jié)算、醫(yī)囑電子病歷等。影像數(shù)據(jù)從在線到近線、再到離線的同步都由系統(tǒng)后臺調(diào)度完成，安排在夜間網(wǎng)絡(luò)及服務(wù)器空閑時進(jìn)行。

（5）多級存儲方案完善了影像數(shù)據(jù)備份，保障了數(shù)據(jù)安全。1年內(nèi)的影像數(shù)據(jù)在所有影像庫中有保存；1～3年的數(shù)據(jù)，在主副影像庫和離線庫中有多份拷貝；3年前的歷史數(shù)據(jù)在近線中可以實時訪問，在異地有離線備份。各級之間既有一定獨立性，又互相協(xié)調(diào)配合，通過完善的備份策略充分保障了數(shù)據(jù)的安全性和完整性。

（6）節(jié)約了前期投資，降低了總體擁有成本，靈活性大，擴展性強。本方案使前期Mini-PACS的硬件得到了充分應(yīng)用。為適應(yīng)放射科業(yè)務(wù)不斷地增加和檢查設(shè)備的增多，還可以在熱線級擴充服務(wù)器和存儲容量。相對而言，在線級存儲對性能要求較高，為降低成本，容量不能太大；近線存儲容量大，但訪問頻度低，性能差些也能接受，成本也不高；而離線只作為備份容災(zāi)用，對性能沒有過高要求，可以選用最廉價的硬件。

4　總結(jié)

通過對PACS進(jìn)行多級存儲升級改造，優(yōu)化了我院放射影像數(shù)據(jù)的存儲與管理，滿足了不同科室對影像數(shù)據(jù)的臨床業(yè)務(wù)和科研調(diào)閱需求，使PACS在高可用性、安全性、擴展性等方面都有了明顯的改善。隨著存儲技術(shù)的不斷發(fā)展，為降低存儲成本，還可以使用具有更好I/O性能和高速讀寫緩沖的固態(tài)硬盤（Solid State Drives，SSD）作為熱線或在線存儲。如果擔(dān)心離線的磁帶庫或光盤庫存放可靠性及年限問題，可以使用價格低廉的虛擬磁帶庫作備份[13]。

PACS存儲管理是一項比較復(fù)雜的工程，要針對不同的信息系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計，同時還要考慮容量大小及增長速度、總體投資預(yù)算等因素。例如存儲周期也可以按“3個月/半年/1年”靈活劃分，各級存儲容量也可以隨之適當(dāng)調(diào)整，方案可以不拘一格，適合自己的就是最好的。我院PACS存儲結(jié)構(gòu)清晰、層次分明、安全可靠、性價比高，已穩(wěn)定運行多年。隨著業(yè)務(wù)增長的變化，原來設(shè)計的容量會使1～3年的存儲周期逐漸縮短，今后還可以做進(jìn)一步地升級與優(yōu)化。

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本文作者：張曉東，碩士，主要從事醫(yī)學(xué)信息技術(shù)研究與應(yīng)用。

作者郵箱：zhangxd@139.com

[中圖分類號]TP333；TP302

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2014.02.013

[文章編號]1674-1633(2014)02-0050-03

收稿日期：2013-08-12修回日期：2013-10-16

基金項目：廣東省自然科學(xué)基金項目（S2012040008022）；廣東省科技計劃項目（2004B 30601002）。

Design of Multi-level Storage of PACS

ZHANG Xiao-dong1,FAN Nian-feng1,ZHONG Hong-tao1,LIU Yan2
1.The Third Aff i liated Hospital, Sun Yatsen University, Guangzhou Guangdong 510630, China; 2.Computer Center, Zhongshan School of Medicine, Sun Yatsen University, Guangzhou Guangdong 510060, China

[摘要]本文根據(jù)醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像存儲與傳輸系統(tǒng)（P A CS）影像數(shù)據(jù)的存儲特點、訪問特點和業(yè)務(wù)需求，提出了一個比較完善的P A CS多級存儲管理方案，即“熱線－在線－近線－離線”存儲，既滿足了臨床和科研業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)了很好的訪問性能，又降低了醫(yī)院的建設(shè)成本。

[關(guān)鍵詞]醫(yī)學(xué)影像存儲與傳輸系統(tǒng)；醫(yī)院信息系統(tǒng)；存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)；N A S存儲架構(gòu)

Abstract：According to the storage characteristics, access characteristics, business requirements of image data in the PACS system, this paper proposed a decent solution of multi-level storage (Hot line-On line-Near line-Off line). The multi-level storage solution with excellent access performance can satisfy the business requirements of clinical and scientif i c research while also can reduce the total cost of hospital construction.

Key words：picture archiving and communication system; hospital information system; storage area network; NAS storage architecture