基于分布式架構的高可用PACS系統設計與實現

摘要：影像歸檔和通信系統（Picture Archiving and Communication System，PACS）是醫院信息系統的重要組成部分，其主要作用是采集、傳輸和處理影像設備所產生的圖像，實現全院的數字化存儲與共享。隨著醫院檢查業務的不斷增加，設備特別是高精密設備的投入以及第三方系統的影像接口需求導致了PACS存在傳輸慢、調閱慢的問題，影響了臨床的診斷和后續的治療。文章從系統分布式架構的后臺設計、應用的集群、數據庫的同步和存儲的設計這幾方面闡述了系統的設計，從而有效解決系統響應慢、性能弱的問題。

關鍵詞：PACS;分布式；高可用

中圖分類號：TP31文獻標志碼：A

0 引言

隨著信息技術的不斷發展，影像歸檔和通信系統（Picture Archiving and Communication System，PACS）已經成為醫院信息系統的重要組成部分。PACS系統是用于管理數字醫學圖像及相關數據的一套圖片存儲和通信系統。當PACS與放射信息系統（Radiology Information System，RIS）集成后，更是提高了放射科以至整個醫院內部影像通信的速度和一致性，它們組成了一個強大的信息工作流。然而面對高速增長的影像需求，大型設備的不斷增加以及大量高分辨率圖像的采集使得影像數據量呈現TB甚至PB級的增長，如何保證醫療業務的不間斷，保證系統高效的運轉，構建一套高可用、高并發、高性能的系統已經成為急需考慮的問題。本文提出了基于分布式架構的設計理念，從模塊化的后端服務、數據庫的冗余以及存儲的分層設計等方面闡述了系統的具體實踐與應用。

1 醫院面臨的問題與挑戰

1.1 醫療需求的不斷增加

近年來，隨著人口老齡化的問題日益嚴峻，老百姓的看病需求也日益增長，醫學影像檢查的需求也隨之增長。由于疫情的影響，國民的健康意識也進一步提高，特別是電子計算機斷層掃描（Computed Tomography，CT）檢查（尤其是肺結節CT檢查）數量成倍增加。

1.2 更多大型設備的投入

目前，大型設備不斷投入使用，其中高端醫療設備不斷投入使用，這使得大型設備的采購政策門檻降低，有更多的基層醫院能夠購置檢查設備。國家政策不斷鼓勵設備國產化，出現更多比進口設備有價格優勢的產品，也使得醫院相對容易采購國產化設備。更多的高端設備不僅產生了高分率的圖像而且生成了更多的圖像序列。此外伴隨著更多設備遵照醫學數字成像和通信（Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM）標準生產，更多的醫療設備（如正電子發射計算機斷層顯像CT（Positron Emission Tomography-CT，PET-CT）、口腔攝片機等）不斷接入院級PACS，使得PACS的傳輸和存儲面臨了新的壓力。

1.3 系統集成的壓力

第三方系統的集成增加了PACS系統的負載。諸如近年來不斷推廣的云影像，需要與院內PACS打通，抓取圖像上傳云端存儲。各省衛健委平臺推進的省影像中心以及各種后處理的工作站和人工智能也會頻繁地調取PACS的數據，常常影響PACS的性能，導致檢查圖像上傳慢，圖像加載慢，病人就醫體驗差。

2 分布式高可用PCAS系統的研究與設計

為了解決上述的困難與挑戰，設計一套高性能、高可用的系統已經成為必然趨勢。本文從系統架構、應用的冗余、數據庫的設計以及存儲的設計選型這4個方面闡述設計的理念。

2.1 系統架構設計

PACS的整體架構要遵循標準化的DICOM協議。在DICOM應用進行通信時，采用C/S模式來描述網絡傳輸：客服端（Client）連接到服務器（Server），然后使用服務端提供的各項服務（Services）。DICOM中的Server叫做Service Class Provider（SCP），Client叫做Service Class User（SCU）。主要的服務類型包含C-STORE、C-MOVE、C-FIND、C-ECHO、C-GET［1］。DICOM標準中的服務類如圖1所示。

參照服務的不同類型，系統設計的核心思路就是功能分布式，提高系統的響應效率，并能帶來橫向擴展應用功能、數據冗余備份、系統自動重構的功能［2］。系統的架構布局如圖2所示，主要介紹如下功能模塊。

2.1.1 DAS（DICOM Application Server）服務器組

DAS服務器組是系統的前置服務器，主要功能為PACS系統和影像設備的連接橋梁，負責和影像設備的握手通信、圖像的傳輸、數據的緩沖、壓縮等。系統可根據實際連接的設備數量和數據流量進行動態擴展。所有DAS服務器采用負載均衡的架構設計，主要解決的是DICOM標準中C-FIND、C-MOVE的請求。

2.1.2 PACS主服務器組

2臺PACS主服務器是數據庫核心服務器，完成和設備、存儲器及各工作站的連接和控制，承擔整個系統管理、數據庫查詢、存取、工作站管理、圖像管理、圖像壓縮、流程調度等功能。

2.1.3 在線影像管理服務器組及歸檔服務器組

在線及歸檔服務器組都是解決DICOM規則中C-Store的問題。區別在于在線影像服務器也可以稱為短期存儲，是接收最近產生的圖像，配置了高性能的閃存固態硬盤。歸檔服務器組主要存儲的是時間較久的圖像，采用網絡附屬存儲（Network Attached Storage，NAS）的高性價比的存儲［3］。

2.2 應用的冗余設計

2.2.1 BIGIP 的運用

BIGIP是對負載均衡的實現，以在服務器停機期間提供高可用性。BIGIP使用共享網際互聯協議（Internet Protocol，IP）地址以冗余形式設置，保持業務不間斷。DAS服務器和PACS主服務器以虛擬IP對外提供服務，虛擬IP下對應物理服務器的邏輯組形成功能池。后臺主要按功能分成DICOM池和數據庫池。DICOM池由4臺DAS服務器組成，數據庫池由2臺PACS服務器構成。利用BIGIP一方面實現了應用的負載分流，另一方面實現了宕機故障下不影響對外服務的目的。

2.2.2 OpenSwitch的技術實現

OpenSwitch是Sybase創建的開放式的類似網關的應用程序，部署位于客戶端和2臺PACS數據庫服務器之間，用于維護客戶端與活動數據庫的連接。OpenSwitch可識別活動數據庫和熱備數據庫。OpenSwitch將所有客戶端數據庫通信定向到活動數據庫，并阻止客戶端訪問熱備數據庫。當活動數據庫故障并啟動活動數據庫到熱備數據庫的故障轉移時，OpenSwitch會將所有客戶端連接從活動數據庫遷移到熱備數據庫。在故障轉移中，客戶端不需要重新連接到數據庫，OpenSwitch會自動將客戶端登錄到熱備數據庫中。實現結構如圖3所示。

2.3 數據庫的復制

數據是任何業務系統的核心，保證數據的安全可靠是系統運轉的關鍵。當災難性的軟硬件故障或自然災害等情況發生時，一個甚至多個數據庫的副本能夠保證業務的連續性。生產的數據庫為活動數據庫，另一個數據庫為熱備數據庫。在活動數據庫執行的所有事務都將復制到熱備數據庫。如果生產數據庫發生故障，則熱備數據庫將作為新的活動數據庫［4］。如此結構提供數據的冗余和更高的數據可用性。Database Replication技術應用的實現具體而言，是捕獲一個數據庫中的數據庫事務，然后將它們應用到另一個數據庫中。

具體的實現步驟如下：通過對主數據庫啟動一個日志傳輸管理的進程，改變的數據的log從主數據庫傳送到復制服務器，最后由復制服務器將數據改變傳送給本地的數據庫。因為在復制系統中使用了穩定隊列，數據從源數據到目標數據庫的途徑中，能夠避免系統中任一部分失敗導致的數據丟失現象發生。

2.4 存儲的設計

目前的存儲設計中，按照數據的產生時間和容量的不同，主要分成在線存儲、歸檔存儲、離線存儲3個部分。

在線存儲主要將最近獲取的圖像掛載到在線影像服務器上，由高性能固態硬盤（Solid State Disk，SSD）組成，可以在客戶端直接調閱，能高速地存儲與調閱。歸檔存儲主要考慮的容量問題，用大容量NAS組成存儲，主要由高性價比的機械硬盤（Hard Disk Drive，HDD）組成，用于存放歷史數據［5］。在線容量會設置有清除的監控程序，當容量超過某個設置值后會自動清理，由此保證有充足的容量來接收圖像。離線存儲所存儲的圖像是歷史非常久遠的檢查圖像，主要通過磁帶、光盤庫存儲，基本上利用率很低。

3 應用分析及不足之處

分布式的架構把后臺的服務組件模塊化，不同的功能部署在不同的硬件平臺，系統的性能得到了很大提升。主要體現在圖像的傳輸效率較以往提高了近一倍。在圖像的調閱方面，縮短了加載多幅圖像的等待時間，基本是秒級的加載速度，給醫生診斷帶來了極大的便利，優化了使用的體驗。另一方面，模塊化的優勢在于可擴展性有所提高。醫院如果有新增的設備，可以單獨增加DICOM服務器來滿足這一需求。如果存儲圖像的數量增多，單獨擴展在線服務器就能滿足這一需求。在高可用性方面，系統有實時的備份策略，保證數據的冗余。通過所應用的雙機以及類似DICOM應用的負載均衡技術支撐，所提方案保證了系統的不間斷運行，大幅減少了宕機發生的可能性。

雖然系統性能有所提高，但是較復雜的后臺對系統運維人員提出了新的要求。當系統出現故障時，運維人員需要快速定位到后臺的異常，這要求維護人員充分了解后臺結構及各部分功能，對各項技術了然于心。

4 結語

PACS系統以標準化的接口實現了與大型設備的通信，以數字化的方式將海量的數據集中存儲，通過與RIS的整合實現了醫療業務中影像檢查的全流程信息化管理，推動了醫院的快速發展，已經成為現代化醫院必不可少的重要信息系統。為了解決更多的醫療設備不斷接入院級PACS而造成PACS的傳輸慢和存儲量大的問題，本文主要從分布式的體系結構、后端的服務、數據庫和存儲4個方面提出了優化解決方案。這對提高醫生診斷效率、工作效率以及提供優質服務等具有十分積極的意義。

參考文獻

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［2］袁駿毅，尤麗玨，潘常青.分布式存儲在專科醫院PACS系統的應用研究［J］.計算機應用與軟件，2021（5）：32-36.

［3］繆競陶，陶勇浩，周翔平，等.放射科DICOM標準PACS的設計與實現［J］.中華放射學雜志，1998（8）：60-62.

［4］郭威，謝光偉，張帆，等.一種分布式存儲系統擬態化架構設計與實現［J］.計算機工程，2020（6）：12-19.

［5］賈克斌，沈波.實現醫學影像存檔和傳輸系統中的若干關鍵技術［J］.中國圖像圖形學報，2000（7）：3-8.

Design and implementation of high availability PACS system based on distributed architecture

Abstract： The picture archiving and communication system is an important part of the hospital information system， and its main role is to capture， transmit and process the images produced by the imaging equipment to realize the digital storage and sharing of the whole hospital. With the increasing business of hospital inspection， the investment of equipment， especially high-precision equipment， and the demand for image interface of third-party systems lead to the problem of slow transmission and access of PACS， which affects the clinical diagnosis and subsequent treatment. This paper describes the characteristics of the system from the backend design of the system’s distributed architecture， the clustering of applications， the synchronization of databases and the design of storage， so as to effectively solve the problem of slow response and weak performance of the system.

Key words： PACS; distributed; high availability