医院PACS信息系统分布式存储架构设计.docx

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1、图像采集，将采集的影像转换为标准DICOM影像并与病人信息进行整合后归档到PACS服务器.（如下图2所示）图1数据存储架构超声科工作站放射科科工作站PACS近线PACS离线存储存储医院的PACS存储设备为了满足国家对医疗数据存慵时效的要求，通常分为在线存储、近线存储和离线存储三种,对于在线存储设备，医院会根据自身业务的特点和数据量进行选择，满足15年的数据存储要求.对于近战存储设备，部分中小规模医院或者是PACS数据虽比较小的医院，这部分设备通常是缺失的，该类设备主要存储一些超过5年以上的历史数据，某些医院直接使用在线存储设备进行统一数据存储。对于离线存储设备，基本上所有医院都具备，因为重要的

2、医疗影像数据，要求存储时效为30年.对于超长时效的数据存储医院通常使用离坡存储设备（磁带库或光盘机等）进行归档保存。2 .系统数据存储医学影像的数据量通常很大，这个大不仅包括文件的容量，还包括文件的数量.对安全性、可用性和可维护性都是极大的挑战.主要的数据存储1如（表1）所示.表I数据在钻量对应表数据类型数据格式数据特点数据量DR/CT/MRI非结构化数据标准DlCe）M格式单个文件小（几百K）文件数量多（几百上千个）大，每个患者每次检查约几十兆数据和几百个文件超声/病理/传统X光机非结构化数据视频采集格式文件数量小，只有几个文件单个文件十几兆几十兆中，每个患者每次检查约十几兆几十兆PACS数

3、据库结构化数据存放患者基础信息小，每年约12TB每个医院根据业务类型不同，PACS系统1天可以产生数GB一数十GB的数据。按北京大型三甲综合性医院每年200多万的门诊髭计算，日门诊量约5500,平均30%的患者要做影像检查，那么CT/DR/MRI的日检查量就是1650/人次，平均每次检查常规CT扫描根据层级（16-256层）为十几MB量级，而X光机的胸片可以到几十MB,心血管或者脑部的造影图像可达近百MB以上.按平均50MB计算，那么每天就可能产生82.5GB数据，每年产生约30TB数据。如果是肿瘤类医院，那么拍片检查数量会更高，每年数据量会达到上百TBe如此大量数据的长期保存，对存储介质、保

4、存环境、爸理都是极大考验.3 .系统数据存储方式PACS系统对数据存储的容工、性能和安全性都带来了巨大的挑战.从医院PACS系统诞生开始，各个医院就在探索经济可靠的影像存储方式.现在主流的PACS系统一般把影像数据分为在线、近线和离线存储，这是根据数据的存储性质和需求方式来划分的，是现在PCAS系统存催的基本指导原则.目前大部分医院在线存储一般采用SSD/SAS高速硬盘，存硅架构基于SAN存储或NAS存储.近线存储则使用大容量低成本的SATA硬盘，商线归档设备则使用蓝光光盘库或磁带库，为医学膨像数据的长期保存带来了可实现的基础。由于分布式存储技术的发展，服务器设备和大容盘硬盘成本的下降.在线和

5、近线存储的界限在变得模糊。为J解决PACS系统数据存储的问题，也存在一些采用灵活性更高、扩展性更强的分布式存储系统替代医院PACS系统使用的SAN存储/AS存:储.二、PACS系统分布式存储架构设计在进行PACS系统的分布式存储架构设计时，应考虑访问协议、容量、性能、网络和应用访问等各个方面的要求，才能满足PACS的使用.分布式存储架构以X86服务器为节点，配置大容量数据盘和固态缓存盘，安装分布式存储软件系统，接入医院核心交换机网络，为PACS系统提供数据存储服务.1 .总体架构设计请见下图3总体架构设计CTMRIDR图2总体架构设计放射科室超声科室2 .存储访问协议医院PACS系统的数据存腐

6、类型主要采用两种方式.早期PACS软件系统使用FTP协议传输数据，多采用SAN存储架构.后来由于传埔效率问题，目前大部分PACS系统已经升级为基于NAS存储的数据访问方案，可以支持CIFS/NFS等多种文件存储协议，要求存储系统提供文件存储服务.PACS系统产生的影像数据文件以非结构化文件数据为主，文件数量多，且患者单次检直在单位时间内会产生大量文件.存储系统需要短时间处理海最影像文件数据，同时保持稳定高效地访问.而且存储系统还要支持长期的数据存储需求，满足PACS系统的设计，具备高扩展性和灵活性，支持容承按需扩展，在不断扩展的单个命名空间中，提供数百TB级的存储容量，帮助医院应对大量就诊数据

7、.不增加因扩容带来的常理开销.在存储容量方面，由于分布式存储系统的数据保护机制采用的是多副本或EC纠删码，需要根据实际容量和性能需求采用不同的数据保护机制。多副本性能优于EC纠删码，但是得盘率相对比较低.按三副本计算，只有33.3%.,如果采用EC纠删码，以三节点配2S4+2:1的EC策略进行计第,得盘率有66.6%.在存描性能方面，医生在调阅病人的医疗影像时，不能等待时间过长，否则会膨响患者的就诊体验，平均每次影像病例打开应控制在IOS以内.为了保证分布式存储系统的性能，需要做到两点，即保障数据盘的数量并配置固态缓存盘.每块数据盘大约可以提供80M-100M的读写性能，一个满配的4U节点可以

8、达到2-3GBs的峰值性能，配首3节点以上，基本可以保障PACS系统的性能要求。但是对于大并发的数据读写请求，仍需要配置固态缓存盘，提升数据读写速度.由于缓存盘写入速度快，数据盘写入数据慢，随若大量的数据写入，没有及时写入到数据盘上的数据是会堆积在缓存盘中的，为了避免缓存盘被写满的情况出现,最佳实践是5:1,即5块大容量N1.-SATA盘超舌1块固态硬盘，如果是NVMe协议的固态盘，可以配置8:1,在保证数据写访问时，缓存盘不会被溢出写满.由于采用了分布式存储架构，网络传馀带宽就额外电要.通常分布式存储系统网络分为数据网、业务网和爸理网.业务网和管理网可以根据医院现有的网络情况和规模进行选择，

9、至少采用千兆网络连接.业务网应尽可能采用万兆网络连接，提升高峰期多个业务科室在同时访问存阵系统时的数据传输效率.因为医院看病早高峰期只集中在上午四小时左右时间，大量的患者拍片检直医生阅片，下午医生只是进行报告书写等工作.当采用千兆网络时，除去其他系统业务开销，提供带宽按60%计算，只有75MBs.如果同时有多个医生调阅影像（按50MB计算）,只能同时支持打开大约2-3个文件，比较影响医生的工作效率，影响患者就医体验.在数据网，各个分布式存储系统之间需要进行大盘的数据交换，至少需要配盘万兆交换网络并做端口绑定聚合，最佳实践是采用25GE网络或40GInfiniBand网络进行连接，保证各个存储节

10、点之间的数据交换带宽.5.存储软件设计分布式存储系统软件主要分为三大技术路线的产品.主要包括基于Ceph的商业化软件产品，基于GIUSterFS的商业化软件产品和完全自研开发的产品.Ceph和GIusterFS都是开源存储解决方案,以上三大技术路线选用任何一个派系”的产品，基本上都可以满足存储使用要求.但是在实际的PACS应用测试过程中，还是会有一些区别，主要说明如下：5.1 关于存储软件的元数据架构大多数分布式存储软件产品都有元数据盘的概念.在大多数自研架构和Ceph架构中，要求必须有元数据盘（MDS）,用于提供数据索引来定位文件，同时还需要监控单元（MON）保障一致性.而在GIusterF

11、S架构，使用了完全去中心化结构，没有元数据的慨念,使用弹性哈希算法来定位文件.这种做法的好处是无需元数据服务和专门的索引数据，即可实现文件在各个节点上的读写以及均衡分布.并实现全局统一命名空间.采用元数据架构的好处是可以提升PACS系统的大量小文件的写入性能.由于每个患者的CT/MRI检查影像数据是由几百上千个小文件组成的,使用独立的元数据盘并配置NVMeSSD,可以有效的提升文件创建速度，提升同一时间创建多个小文件时的效率.采用完全去中心化结构的弹性哈希究法来定位文件，在文件创建效率上是不如独立的元数据架构的，因为每创建一个文件，都需要做一次哈希算法来定位文件.但是安全性相对较高，适合X光片

12、和超声等单个大文件即像数据的写入。5.2 关于存储软件的缓存策略关于分布式存储软件的缓存策略机制各个厂商都有，但是主要分为本地缓存策略和全局缓存策略两个技术路线.本地缓存策略是以单个节点为单位，单个节点的固态缓存盘只能给本地节点的数据盘做加速.全局缓存策略可以将各个节点上的固态缓存盘统一做成一个缓存存储池，缓存利用效率更高，性能更好.但是需要注意的是，网络带宽一定要保证，否则各个节点之间的带宽就会成为缓存加速效率的瓶颈.除了数据盘有数据保护机制，缓存盘也有多副本保护机制。只是有的厂商不支持个性化配置，默认采用三副本策略.有的厂商可以支持调整为二副本，虽然缓存得盘率只剩下50%,但是对于PACS

13、的读写性能有很大提升，在缓存盘配芭数量足够多情况下可以考虑采用.还有一个比较正要的缓存策略就是要求分布式存储软件的缓存盘和数据盘最好支持不同的策略配舌,如果只支持同一种策略,性能和容最就不可兼得.最佳实践的PACS系统分布式存储配迎场景是暧存盘采用全局架构配置二副本或三副木策略数据盘采用EC策略这样性能和容量都有保障.三、应用场景总结PACS应用在医院众多的数字化信息系统中是比较特殊的一个存储容量需求大，网络访问要求高，在智慈医院”建设的大环境下，在满足患者看病的同时，还需要满足临床应用、教学、会诊和科研的需要，满足数据安全保护的病要，有完善的数据保护机制.在做PACS系统存储系统时，需要充分考虑医院现有的网络基础设施、分级存储设备和数据存储要求.在保护医院原有投资的前提下进行合理配置.特别是采用了分布式存储架构，对网络要求比较高，需要额外配替10GE/25GE光交换机和万兆接入交换机，考虑扩展性，满足存储节点横向扩展凝求，否则会影响存储系统效率.在系统设计过程中应当遵循整体规划，分步实施，对原有SAN存储系统、冷备光盘库和磁带库等存储系统合理利用，避免形成新的信息孤岛。分布式存储系统用于医院PACS存储，能保证容量、可扩展性和性能，而且资金投入成本也相时比较低，只福要配置好网络、硬盘数外、类型并选择合适的分布式存储软件就可以完全满足医院业务的使用要求。