醫(yī)療行業(yè)的PACS存儲系統(tǒng)設計說明

1、醫(yī)療行業(yè)的PACS存儲系統(tǒng)設計方案相關容1.前言隨著醫(yī)療行業(yè)信息化水平的不斷提高，在當今的醫(yī)療保健環(huán)境中，計算機和信息技術已經(jīng)成為降低成本、提高效率以與提供較好患者護理的關鍵因素。借助可視化技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)代醫(yī)學已越來越離不開醫(yī)學影像信息，在放射學領域，數(shù)字成像中的創(chuàng)新促進了醫(yī)療影像存儲與傳輸系統(tǒng)（Picture Archiving and Communication System，PACS）的開發(fā)。目前，PACS已經(jīng)成為了現(xiàn)代醫(yī)學放射學實踐的基本技術和基礎設施中重要的一部分，在臨床診斷、醫(yī)學科研等方面正發(fā)揮著極其重要的作用。當前的 PACS 產(chǎn)品支持醫(yī)學圖像的全數(shù)字獲取、轉(zhuǎn)換、解釋、存儲、

2、傳輸和查閱。 PACS的發(fā)展也呈現(xiàn)出一個很大的特點: 醫(yī)院影像設備的發(fā)展使放射科影像數(shù)據(jù)量激增，影像的數(shù)據(jù)量為存儲容量帶來了很大的挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)需要進行分級存儲和歸檔，同時，數(shù)據(jù)需要備份容災和異構存儲環(huán)境的現(xiàn)狀也越加突出 ,因此PACS系統(tǒng)需要一種可靠、靈活的大容量存儲系統(tǒng)來滿足其應用和發(fā)展。2.醫(yī)療存儲PACS系統(tǒng)的現(xiàn)狀和問題：簡單分析一下目前存儲在醫(yī)院中PACS系統(tǒng)中運用的情況：部分醫(yī)院還采用DAS方式作為PACS系統(tǒng)的存儲系統(tǒng)，即采用分散存儲的模式，不僅數(shù)據(jù)分散、鏈路結構相對落后、容量擴展性差，還缺乏相應冗余保護手段，隨著醫(yī)院應用規(guī)模得不斷擴大，它們在數(shù)據(jù)管理方面的問題日益凸顯出來。同時，以

3、前的分級存儲系統(tǒng)的設計也存在較大問題，目前，隨著醫(yī)院數(shù)據(jù)量的激增，分級存儲設計逐漸發(fā)展為在線、近線、離線的三級存儲架構。但是很多醫(yī)院在離線甚至近線設備中多采用光盤庫和磁帶庫的方式，不僅數(shù)據(jù)安全可靠性較差、更不方便調(diào)取。目前，很多大醫(yī)院的PACS資源除了用戶診斷和醫(yī)療，越來越多地用于醫(yī)院的科研、教學，有很多PACS圖像都十分地珍貴。因此需要對本地重要的PACS圖像提供異地冗災備份，來應對可能發(fā)生的災難導致重要數(shù)據(jù)的丟失。醫(yī)院的PACS系統(tǒng)比較復雜，包括大量軟、硬件，存儲系統(tǒng)的應用需求和容量需求也在不斷發(fā)展和變化。3.PACS系統(tǒng)對存儲的需求:與其他行業(yè)相比，醫(yī)療行業(yè)對影像的要求更加苛刻，PACS

4、系統(tǒng)對存儲系統(tǒng)有著自身的特點和要求，我們認為主要有以下幾方面的特點：1 PACS系統(tǒng)的影像圖像主要是影像文檔，日常工作站并發(fā)訪問量小，但是文件比較大。2醫(yī)療PACS系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)保存量大，數(shù)據(jù)量增長快，醫(yī)療影像6-12個月之后大部分數(shù)據(jù)將作為歸檔數(shù)據(jù)，需要安全地保存和隨時方便地調(diào)用，數(shù)據(jù)需要通過分級策略進行存儲。3隨著醫(yī)院數(shù)據(jù)量的激增，分級存儲設計逐漸發(fā)展為在線、近線、離線的三級存儲架構。4隨著數(shù)據(jù)量的增長，診斷工作站和瀏覽工作站對在線圖像檢索速度要求越來越高，達到秒級。5部分影像資料用于科研和教學，重要性高，需要可靠有效的容災數(shù)據(jù)保護方案。6 PACS系統(tǒng)和HIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)各有特點，特別在存儲容

5、量、訪問響應速度、訪問頻率、存儲可擴展性等方面存在差異，需要分別考慮，有條件進行分類存儲。7隨著醫(yī)療行業(yè)競爭日趨激烈，PACS存儲系統(tǒng)的建設需要投資的總成本，降低總體擁有成本（TCO），提高投資回報率。8 PACS存儲系統(tǒng)的設計需要具備高擴展性和靈活性，需要支持容量增長的高度可擴展架構和對異構存儲環(huán)境的支持。以實現(xiàn)將來無縫擴容，而且不增加因擴容帶來的管理開銷。通過以上分析，我們認為現(xiàn)代醫(yī)學PACS系統(tǒng)的存儲系統(tǒng)設計應具備如下特點：n整個存儲網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)共享n能夠輕松管理的集中式存儲管理n在線、近線、離線的三級或二級的分級存儲架構n患者診斷數(shù)據(jù)的快速訪問n支持容量增長的高度可擴展架構n對PACS系

6、統(tǒng)和數(shù)據(jù)全方位的數(shù)據(jù)保護n實現(xiàn)業(yè)務連續(xù)性設計n支持更長的網(wǎng)絡距離的連接n實現(xiàn)投資保護，提供對異構存儲環(huán)境的支持，無縫擴容4.PACS存儲系統(tǒng)設計4.1.分級存儲系統(tǒng)設計前面提到，醫(yī)療PACS存儲系統(tǒng)目前采用分級存儲的架構，通常根據(jù)醫(yī)院具體情況分為二級或者三級架構，在標準的三級架構中：2一級存儲作為在線存儲用于PACS的數(shù)據(jù)庫和短近期（通常6個月-12個月）的醫(yī)療圖像的存儲，需要滿足大容量、高性能、高可靠性等特征。2二級存儲作為近線存儲用于存儲不常用的歷史數(shù)據(jù)，可幫助醫(yī)院通過擴展自己的存儲基礎架構來跟上數(shù)據(jù)增長的腳步通常是采用數(shù)據(jù)遷移技術自動將在線存儲中不常用的數(shù)據(jù)遷移到近線存儲設備上，數(shù)據(jù)訪問

7、的訪問頻率不是很高，但保證數(shù)據(jù)共享和快速在線訪問。2三級存儲通常采用離線歸檔的方式，對整個醫(yī)院長期的歷史圖像進行歸檔，要求設備可靠性、安全性好，大容量、成本低其管理方便。根據(jù)一、二級存儲的特點建議采用專有磁盤陣列，以保證數(shù)據(jù)能與時實現(xiàn)快速在線訪問。而采用IP存儲的方式，不僅兼容性強、可管理性強，能夠降低總投資成本，很好地滿足數(shù)據(jù)容量的快速擴的需要，更重要的是通過IP存儲方式，還可以很好地建設醫(yī)院的異地容災系統(tǒng)。同時配合虛擬化管理平臺，可以輕松地整合醫(yī)院異構存儲設備。對一級在線存儲，建議采用Neocean IX3000和IX1540系列存儲系統(tǒng)，單臺IX3000和IX1540的最大支持磁盤數(shù)量為

8、448塊和64塊，其中IX1540可通過前端交換機實現(xiàn)橫向拓展，保障整個存儲系統(tǒng)的性能和可靠性可線性增加。同時Neocean 的IX1540系列支持SAN和NAS一體化功能，滿足PACS系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享的需求。在三級存儲中，傳統(tǒng)的方式多采用光盤庫和磁帶庫來保存。但是光盤庫和磁帶庫都有讀取不與時、不方便的缺點，另外離線歸檔數(shù)據(jù)需要長期存放，但光盤和磁帶庫都易磨損、故障率較高，且對環(huán)境的要求較高。因此三級存儲中也可以采用磁盤陣列或者VTL（虛擬磁帶庫），目前VTL（Virtual Tape Library，虛擬磁帶庫）技術發(fā)展很快，VTL用磁盤和磁盤技術模擬磁帶驅(qū)動器和磁帶庫,使用戶在使用和管理上和磁

9、帶庫一樣，但是具有磁帶庫不可比擬的好處：首先VTL的備份介質(zhì)為磁盤陣列，大大快于磁帶庫性能，最大帶寬通常可達幾百兆MB/s,而磁帶庫一般在幾十兆?？煽啃愿?，磁盤有RAID保護，出現(xiàn)故障可隨時更換，保證備份數(shù)據(jù)安全。另外，VTL還增強了備份數(shù)據(jù)管理特性、提高備份和恢復的速度。分級存儲的設計架構如下圖：H3C 為PACS系統(tǒng)設計的分級存儲系統(tǒng)設計中，采用IX3000做主存儲，使用虛擬化平臺對把IX3000中數(shù)據(jù)鏡像到IX1540/EX1500等存儲設備上，對數(shù)據(jù)進行鏡像保護，保證了在IX3000出現(xiàn)故障的情況下，PACS系統(tǒng)是數(shù)據(jù)流會自動透明的切換到IX1540/EX1500存儲設備中。在近線方

10、面，采用相對配置較低的IX1540/EX1500通過歸檔軟件，把不經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)遷移到近線存儲設備，而對于幾乎不訪問必須保留的數(shù)據(jù)，可以通過備份軟件把數(shù)據(jù)備份到離線設備IX3240-VTL上，保證數(shù)據(jù)在需要訪問的時候可以迅速恢復供PACS系統(tǒng)使用。分級存儲系統(tǒng)可以根據(jù)數(shù)據(jù)的重要性按照信息生命周期對數(shù)據(jù)進行分類，把最新生成并且經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)存放到在線存儲設備中，確保數(shù)據(jù)的可用性和PACS系統(tǒng)對數(shù)據(jù)快速查看能力，把不經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)存放在二級存儲設備中，由于二級存儲性能相對來說低于主存儲并且又不經(jīng)常被PACS系統(tǒng)訪問，因此構建二級存儲系統(tǒng)對于整個PACS系統(tǒng)來說投資更合理，對于不使用并且需要保留的數(shù)

11、據(jù)存放在離線歸檔設備中，確保數(shù)據(jù)始終被保存。4.2.數(shù)據(jù)保護方案設計4.2.1.數(shù)據(jù)保護需求分析權威數(shù)據(jù)顯示，導致IT系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失和災難發(fā)生的原因主要有硬件故障、軟件故障（系統(tǒng)故障、計算機病毒、人為過失等）、站點災難這幾方面原因，當然，無論是哪種原因，我們認為數(shù)據(jù)的保護不僅是備份，其最終目的是在系統(tǒng)遇到人為或自然災難時，能夠通過備份容對系統(tǒng)進行有效的災難恢復。目前PACS系統(tǒng)需要保護的數(shù)據(jù)主要有以下兩方面：n對PACS/RIS的數(shù)據(jù)庫（圖像索引）和PACS圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)保護：需要對在線和重要的PACS圖像進行備份、遠程災備等多種方式的數(shù)據(jù)保護，應對存儲系統(tǒng)軟故障（病毒、人為過失等）、硬件故障和

12、可能發(fā)生的災難導致重要數(shù)據(jù)的丟失。nPACS服務器、RIS服務器、重要影像診斷報告工作和重要工作站的操作系統(tǒng)備份恢復；因此需要對PACS系統(tǒng)從系統(tǒng)備份、軟件故障、硬件故障、遠程災備等各方面進行全方位的數(shù)據(jù)保護方案設計。4.2.2.數(shù)據(jù)保護方案設計：1在線PACS/RIS的數(shù)據(jù)庫（圖像索引）和PACS圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)保護：采用CDP（連續(xù)數(shù)據(jù)保護）設計方案，針對PACS系統(tǒng)的可能的軟故障、硬件故障、自然災難幾大方面問題實施有效的數(shù)據(jù)保護，CDP（Continuous Data Protection）連續(xù)數(shù)據(jù)保護，可在數(shù)據(jù)發(fā)生任何變化時將數(shù)據(jù)有效地保護起來。CDP技術將傳統(tǒng)著眼于“數(shù)據(jù)備份”的備份技

13、術，推進到著眼于快速恢復、最少數(shù)據(jù)丟失的數(shù)據(jù)保護的新階段。其最大的技術優(yōu)勢就在于可進行任意時間點上的數(shù)據(jù)恢復。1）在線數(shù)據(jù)保護：n針對PACS系統(tǒng)的可能的計算機病毒、人為過失、系統(tǒng)故障等軟故障問題導致的數(shù)據(jù)丟失?？刹捎迷诰€CDP解決方案，利用TimeMark與快照代理功能，管理員可以為在線數(shù)據(jù)在任何時刻創(chuàng)建一個“TimeMark（時間標記）”，按照事先設定的時間間隔，將存儲設備在線數(shù)據(jù)指定時刻點的數(shù)據(jù)視圖保存下來。如果發(fā)生誤操作、病毒侵襲等事件，導致在線的數(shù)據(jù)錯誤，通過IV5000/IX1540上的時間點標記功能就可以回溯并快速恢復到前面某一時刻數(shù)據(jù)良好的狀態(tài)點，n針對存儲設備硬件故障原因帶來

14、的數(shù)據(jù)丟失，可采用近線備份的方式，利用存儲系統(tǒng)的IP-based Replication復制功能模塊將在線存儲設備中的數(shù)據(jù)按照事先設定的策略復制到近線存儲（二級存儲）中，當在線存儲不可用時，業(yè)務可切換到近線存儲上，避免在線存儲的硬件故障而導致的數(shù)據(jù)丟失或業(yè)務中斷。2）容災方案設計：對PACS系統(tǒng)重要的圖像和數(shù)據(jù)，建立災備中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的異地備份，保證在發(fā)生災難時對數(shù)據(jù)進行快速恢復。同樣，利用存儲系統(tǒng)的IP-based Replication 遠程復制功能將本地中心機房的重要數(shù)據(jù)通過IP網(wǎng)絡線路傳輸?shù)竭h程容災IX1540存儲系統(tǒng)存儲池中。值得一提的是，在遠程容災方案設計中，IP存儲本身非常適合跨

15、廣域的數(shù)據(jù)備份，同時利用基于IP的塊增量復制技術、數(shù)據(jù)壓縮技術和加密技術，幾大技術完美結合，高效、安全地實現(xiàn)了跨廣域的數(shù)據(jù)備份。為了降低帶寬占用，每次數(shù)據(jù)復制只將上一次復制后的變量數(shù)據(jù)復制到遠程容災中心。由于采用了先進的塊增量掃描技術，數(shù)據(jù)變量不是基于文件級的變量，而是更小單位的基于磁盤塊的變量，這樣可以保障數(shù)據(jù)增量最小，對網(wǎng)絡帶寬的占用最低。同時，通過數(shù)據(jù)壓縮和加密的功能選項，來進一步保證備份數(shù)據(jù)穿越廣域網(wǎng)的高效性和安全性。數(shù)據(jù)直接通過存儲系統(tǒng)傳輸?shù)竭h程，不經(jīng)過應用服務器，因此是對應用服務器零干擾的數(shù)據(jù)遠程復制。2主機操作系統(tǒng)保護/恢復方案設計：PACS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)做保護，還需要對PACS/R

16、IS服務器、影像診斷報告工作站和重要PC做相應保護。通過H3C的Disksafe應用端軟件對應用服務器和PC機的Windows操作系統(tǒng)作保護，將主機應用數(shù)據(jù)或操作系統(tǒng)直接復制到存儲上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中備份和管理，可以在系統(tǒng)崩潰或硬盤損壞時遠程啟動操作系統(tǒng)和快速恢復受損數(shù)據(jù)，以與時恢復本地系統(tǒng)的運行。4.3虛擬化方案設計同時，我們看到醫(yī)院的PACS系統(tǒng)比較復雜，包括大量軟硬件，而系統(tǒng)的應用和數(shù)據(jù)存儲的需求也在不斷發(fā)展和變化，因此，PACS存儲系統(tǒng)的設計也需要具備高擴展性和靈活性，需要支持容量增長的高度可擴展架構和對異構存儲環(huán)境的支持。但目前醫(yī)院的PACS系統(tǒng)越來越多的呈現(xiàn)這樣的特點：設備異構化嚴重

17、、海量數(shù)據(jù)的移動困難、管理復雜、投資成本居高不下等等。在存儲設計中，解決上述問題的關鍵技術就是存儲虛擬化。虛擬化是解決異構體系架構最直接有效的技術，已廣泛應用于計算和網(wǎng)絡領域。就存儲領域而言，通過存儲虛擬化，用戶不用再去關心存儲環(huán)境中底層物理環(huán)境的復雜性，也不用再去關心設備異構與否、協(xié)議是否統(tǒng)一。虛擬化使存儲的統(tǒng)一管理成為現(xiàn)實，用戶可以通過選擇完善的存儲技術來滿足不斷增長的需要無論是哪一家的存儲設備都可以無縫集成到現(xiàn)有的基礎存儲架構中。在存儲虛擬化技術的基礎上，通過采用標準化的連接技術和統(tǒng)一的復制、鏡像、快照等存儲技術可以實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的快速移動和簡單管理，從而為提供標準化存儲服務打下堅實的架構

18、基礎。因此，在PACS存儲系統(tǒng)設計方案中，建議采用Neocean IV5000 虛擬化數(shù)據(jù)管理平臺。Neocean IV5000能夠提供存儲虛擬化、統(tǒng)一高效靈活的復制、連續(xù)數(shù)據(jù)快照、多模式鏡像、多鏈路負載均衡等豐富的存儲功能，可為用戶搭建堅固、靈活的存儲基礎架構，實現(xiàn)動態(tài)擴展存儲容量、高性能的數(shù)據(jù)處理、海量數(shù)據(jù)的快速移動、簡單易用的WEB管理，可以和 H3C的Neocean IX3000/IX1540存儲設備，以與和不同廠商、不同類型的存儲設備進行整合和聯(lián)動，統(tǒng)一形成各種實用的存儲解決方案，搭建一個堅固而又靈活的存儲基礎架構。整體的存儲系統(tǒng)設計如下圖：H3C為PACS系統(tǒng)設計的虛擬化方案設計中，通過IV5000虛擬化平臺把不同廠商、不同協(xié)議、不同系列的存儲在不改變原有數(shù)據(jù)結構的情況下進行統(tǒng)一分配管理，并且通過IV5000虛擬化平臺實現(xiàn)基于IP的復制功能，把數(shù)據(jù)中心的存儲數(shù)據(jù)復制到災備中心的存儲系統(tǒng)之上。虛擬化方案可以提升整個系統(tǒng)的存儲資源利用率，把最初建立的PACS系統(tǒng)的存儲系統(tǒng)和新建PACS系統(tǒng)的存儲系統(tǒng)存儲空間進行存儲資源整合，通過H3C虛擬化平臺也可以對PACS系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，結合H3C虛擬化平臺軟件功能方面的高級特性，可以對PACS系統(tǒng)進行更高級別的數(shù)據(jù)保護措施-建立災難備份系統(tǒng)，可以按照用戶需求把原有PACS系統(tǒng)無縫的改造成數(shù)據(jù)