醫(yī)院影像云存儲的探索及應(yīng)用

李先鋒，王晨亮，許健，黃黎明，尤超

上海市交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院 信息管理部，上海 200092

引言

在傳統(tǒng)的醫(yī)院信息化建設(shè)管理中，對PACS系統(tǒng)的影像存儲通常采用定期不斷地進(jìn)行存儲擴(kuò)容的方式[1]。但隨著醫(yī)院醫(yī)療業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，影像設(shè)備不斷更新，影像精細(xì)度不斷增加，導(dǎo)致圖像數(shù)據(jù)越來越龐大，據(jù)統(tǒng)計(jì)每年我院的圖像數(shù)據(jù)增量高達(dá)30 T[2-3]。為此我院探索采用云存儲的方式，將PACS系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，通過將影像資料上傳云端備份存儲的方式，達(dá)到減少機(jī)房壓力以及數(shù)據(jù)管理壓力的目的[4]。

1　現(xiàn)有醫(yī)院影像存儲架構(gòu)現(xiàn)狀

1.1　影像設(shè)備分布情況

隨著醫(yī)院檢查業(yè)務(wù)的不斷開展，醫(yī)院影像設(shè)備不斷增加，目前設(shè)備包括：3臺磁共振成像機(jī)（Magnetic Resonance Imaging，MRI），4臺CT，5臺直接數(shù)字化X線攝影系統(tǒng)，2臺數(shù)字胃腸造影機(jī)，1臺數(shù)字乳腺機(jī)，22臺超聲設(shè)備；14臺內(nèi)鏡設(shè)備，2臺發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層掃描儀、1臺PET-CT、心電系統(tǒng)、病理系統(tǒng)等。這些設(shè)備大部分采用DICOM協(xié)議傳輸；其中CT、MRI等設(shè)備所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量極大[5]。

1.2　影像存儲架構(gòu)及描述

全院PACS服務(wù)器8臺，提供臨床訪問影像瀏覽節(jié)點(diǎn)2500多個(gè)。在線存儲近52 T，近線存儲近146 T，存放在PACS存儲器上的累計(jì)數(shù)據(jù)量為198 T。

我院的PACS系統(tǒng)是采用按時(shí)間分級存儲管理，使用“在線—近線”的二級存儲架構(gòu)進(jìn)行存儲，提供所有年份內(nèi)的數(shù)據(jù)在線訪問[3]。兩年之前的數(shù)據(jù)將遷移至近線存儲。目前我院的影像全部采用磁帶的方式進(jìn)行備份，系統(tǒng)存在單點(diǎn)故障，并沒有對該數(shù)據(jù)進(jìn)行異地容災(zāi)保護(hù)，一旦數(shù)據(jù)丟失或損壞，后果不堪設(shè)想[6]。

2　醫(yī)院影像存儲面臨的問題

2.1　影像存儲空間不斷增加

隨著醫(yī)院高端影像設(shè)備不斷增加，影像的精細(xì)程度不斷提升，需要存儲的影像數(shù)量不斷增加，存儲影像所需的存儲空間也不斷加大。由于影像數(shù)據(jù)需要長期保存，醫(yī)院需要不斷購買存儲設(shè)備來滿足不斷增長的影像存儲需求。如新華醫(yī)院每月的影像增量都在2 TB以上，還在不斷增長，導(dǎo)致醫(yī)院需要不停投入購買新的高端存儲設(shè)備，不僅投資巨大，而且每次擴(kuò)容的實(shí)施難度很大，而性能卻越來越低[1]。

2.2　動態(tài)影像存儲需求顯現(xiàn)

由于業(yè)務(wù)的需要，目前有科室提出存儲動態(tài)影像的需求，動態(tài)影像對存儲空間的占用非常大，對網(wǎng)絡(luò)帶寬也帶來更高的要求，對數(shù)據(jù)中心的壓力會越來越大，如果多個(gè)動態(tài)影像同時(shí)訪問，很可能會引起訪問服務(wù)響應(yīng)慢等問題[7]。

2.3　目前存在的管理問題

隨著數(shù)據(jù)不斷增長，在數(shù)據(jù)管理方面的問題日益凸顯出來，主要表現(xiàn)為：隨著醫(yī)院影像設(shè)備不斷增加，影像的精細(xì)程度不斷提升，需要存儲的影像數(shù)量不斷增加，且影像數(shù)據(jù)需要長期保存，單純依靠本地機(jī)房增加存儲設(shè)備的方式不僅持續(xù)占用醫(yī)院物理空間，耗電也不斷增加，造成資金壓力和物理空間的壓力，導(dǎo)致醫(yī)院信息化成本的增加；另外系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對落后，容易造成數(shù)據(jù)丟失[2]，系統(tǒng)穩(wěn)定性有待提高。

2.4　解決途徑

針對以上問題，我院對現(xiàn)有PACS系統(tǒng)存儲進(jìn)行重新的部署和調(diào)整。在保證醫(yī)技科室對影像資料訪問速度不下降的前提下，將兩年之前的影像數(shù)據(jù)全部自動遷移到云平臺，進(jìn)行云端的存儲及容災(zāi)備份。兩年之內(nèi)的保留在醫(yī)院本地的存儲上，依舊擔(dān)當(dāng)調(diào)閱任務(wù)。為了保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全，數(shù)據(jù)云端容災(zāi)備份的解決方法以實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)為前提。

2.4.1實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)文件億級別的云上存儲

隨著IT技術(shù)的飛速發(fā)展，企業(yè)業(yè)務(wù)信息化的程度也越來越高，而互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展更是將大量的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到網(wǎng)上。這樣的局面導(dǎo)致的結(jié)果是企業(yè)必須應(yīng)對每時(shí)每刻產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，如何更好的管理這些數(shù)據(jù)，更方便廉價(jià)地存儲這些數(shù)據(jù)受到了更廣泛的重視[8]。近年來基于先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和理念的云存儲獲得飛速發(fā)展，正是緣于其能夠解決上述的需求。因?yàn)樵拼鎯Σ⒉痪窒薰潭ǖ奈锢泶鎯υO(shè)備，而是通過強(qiáng)大的互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算能力，將客戶的數(shù)據(jù)分布存儲在各個(gè)可利用的存儲地址[9]。從理論上講可以按需求無限擴(kuò)容，來滿足客戶對數(shù)據(jù)的存儲和管理的需求。

對于醫(yī)院而言，信息化的飛速發(fā)展對數(shù)據(jù)要求也是越來越高，然而由于醫(yī)療業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，安全性要求而較為特殊。相對而言對新技術(shù)、新方法的應(yīng)用更為謹(jǐn)慎。特別是國內(nèi)大部分醫(yī)院仍然停留在數(shù)據(jù)留在院內(nèi)使用的階段，滿足于實(shí)現(xiàn)在院內(nèi)各個(gè)科室間交互數(shù)據(jù)和信息。但是隨著分級診療和醫(yī)改的發(fā)展，需要醫(yī)院更多參與院間的合作，與不同機(jī)構(gòu)進(jìn)行協(xié)作。這需要醫(yī)院能夠?qū)⒏嗟臄?shù)據(jù)對外公開，進(jìn)而對于數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)據(jù)的質(zhì)量，數(shù)據(jù)的安全提出了更高的要求[10]。

于此同時(shí)，醫(yī)院內(nèi)部的數(shù)據(jù)也是飛速增加。其中最為突出的矛盾就是影像科室的數(shù)據(jù)。如前文提到，新設(shè)備，高分辨率，高清的圖像使的原先的存儲方式已經(jīng)無法滿足發(fā)展的需要。醫(yī)院為了存儲這些數(shù)據(jù)每年都要投入大量資金添置硬件設(shè)備，設(shè)備空間，管理和維護(hù)人員。但是其中大部分?jǐn)?shù)據(jù)，特別是多年前的數(shù)據(jù)使用頻率非常低[11]。這種低效率，高成本的存儲方式給醫(yī)院的發(fā)展造成了沉重的負(fù)擔(dān)。因此，提供海量數(shù)據(jù)文件億級別功能的云存儲成為了非常有針對性的解決方案。

2.4.2實(shí)現(xiàn)存儲中存量數(shù)據(jù)文件的快速搬遷

現(xiàn)代云存儲的技術(shù)，不但能夠滿足醫(yī)院海量存儲的需要。而且網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和帶寬已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)文件的快速搬遷。醫(yī)院能夠快速的完成數(shù)據(jù)從本地到云端，以及從云端到本地的雙向傳輸。不僅節(jié)約了數(shù)據(jù)搬遷的成本。更為重要的是當(dāng)醫(yī)院需要利用在云端的數(shù)據(jù)時(shí)，可以得到快速響應(yīng)[12]。在新華醫(yī)院，為了更好的兼顧影像數(shù)據(jù)使用的便利性和安全性。醫(yī)院將根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)將數(shù)據(jù)區(qū)別對待，近兩年的數(shù)據(jù)仍存儲在醫(yī)院本地。兩年以上的歷史數(shù)據(jù)則存儲在云端。對醫(yī)院而言，硬件的投入只需要考慮近兩年數(shù)據(jù)的增加量，而不必負(fù)擔(dān)龐大的歷史數(shù)據(jù)的管理存儲負(fù)擔(dān)。

2.4.3實(shí)現(xiàn)后續(xù)新增數(shù)據(jù)的增量同步

醫(yī)療服務(wù)的一個(gè)重要的特點(diǎn)是持續(xù)性，病人的各類檢查結(jié)果和影像資料源源不斷產(chǎn)生并傳輸?shù)结t(yī)院的存儲空間。如果無法很好的對這些新增的數(shù)據(jù)增量進(jìn)行同步管理，必然會對臨床業(yè)務(wù)造成極大的困擾[13]。為此，云存儲的方案提供多種應(yīng)對方法。首先，近期（兩年內(nèi)）的數(shù)據(jù)仍然是存儲在醫(yī)院本地，便于醫(yī)院頻繁進(jìn)行管理、調(diào)閱、修改、更新。這與傳統(tǒng)的方式?jīng)]有根本的區(qū)別。同時(shí)，在云端，云存儲也提供了完善的同步機(jī)制，保證醫(yī)院不斷上傳的歷史的（使用頻率較少）數(shù)據(jù)的同步存儲，在需要時(shí)能夠有效的滿足醫(yī)院的需求。

2.4.4實(shí)現(xiàn)文件屬性的同步備份，保障用戶云災(zāi)備數(shù)據(jù)還原后真實(shí)可用

云存儲為用戶提供了完整的災(zāi)備份數(shù)據(jù)并校驗(yàn)以及還原功能。由于云存儲時(shí)實(shí)際的存儲地址是在不同的地方，供應(yīng)商對這些地址進(jìn)行統(tǒng)一管理，相對傳統(tǒng)的方式而言，當(dāng)需要災(zāi)備時(shí)，它可以更快還原備份[14]。于此同時(shí)，醫(yī)院由于減輕了負(fù)擔(dān)，可以騰出更多的設(shè)備和空間用于近期數(shù)據(jù)的不同地點(diǎn)存儲，有更多的精力實(shí)現(xiàn)災(zāi)備管理。

2.4.5實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的隨時(shí)恢復(fù)和訪問，保障生產(chǎn)端數(shù)據(jù)的安全

有了快速轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)和新增數(shù)據(jù)同步管理的強(qiáng)大支持，云存儲在用戶需要時(shí)，就能夠及時(shí)找到其存儲的數(shù)據(jù)，并及時(shí)提供給需要的用戶。從而保障了生產(chǎn)端數(shù)據(jù)的安全性。在新華醫(yī)院，經(jīng)過反復(fù)的測試，云存儲已經(jīng)證實(shí)能夠很好的響應(yīng)臨床的需要，保證臨床工作的需求。

2.4.6容災(zāi)備份服務(wù)進(jìn)行時(shí)不能影響醫(yī)院業(yè)務(wù)正常運(yùn)行

數(shù)據(jù)的容災(zāi)備份服務(wù)分為兩個(gè)層面。在云端，在需要進(jìn)行容災(zāi)備份時(shí)，其過程完全是在云服務(wù)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和驗(yàn)證，從多個(gè)不同的存儲地址調(diào)閱信息，保證數(shù)據(jù)的完整性。這種方式不會對醫(yī)院的業(yè)務(wù)產(chǎn)生任何影響[15]。在用戶端，醫(yī)院有了更多的資源對近期數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和維護(hù)，可以通過數(shù)據(jù)存儲在不同的物理地址和多次存儲進(jìn)行容災(zāi)備份，更好的支持醫(yī)院的臨床業(yè)務(wù)。

2.4.7積極響應(yīng)、快速到達(dá)的運(yùn)維服務(wù)

新華醫(yī)院經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治觯统浞值谋容^，選擇的云服務(wù)商，經(jīng)驗(yàn)豐富，技術(shù)實(shí)力雄厚，達(dá)到積極響應(yīng)，快速到達(dá)的運(yùn)維服務(wù)的要求。

3　基于云平臺的醫(yī)院影像存儲架構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著云計(jì)算技術(shù)不斷發(fā)展，將云計(jì)算技術(shù)與醫(yī)院信息化建設(shè)相結(jié)合是數(shù)字醫(yī)療的必經(jīng)之路。在醫(yī)院現(xiàn)有IT架構(gòu)的基礎(chǔ)上，云存儲能為用戶提供可擴(kuò)展的、安全可靠的存儲服務(wù)，且容量可無限擴(kuò)展，非常適合PACS系統(tǒng)的存儲與容災(zāi)備份（圖1）。本院將云存儲與PACS系統(tǒng)相結(jié)合，探索基于云存儲的PACS存儲架構(gòu)。

圖1　總體拓?fù)鋱D

3.1　總體拓?fù)鋱D及描述

醫(yī)院利用云平臺架構(gòu)優(yōu)勢建立外部數(shù)據(jù)存儲節(jié)點(diǎn)，將PACS系統(tǒng)兩年之前的數(shù)據(jù)全部遷移至云存儲平臺，并將其作為醫(yī)院的同城DC數(shù)據(jù)中心，并通過萬兆專線鏈路讓PACS系統(tǒng)直接讀取云端數(shù)據(jù)，以保障數(shù)據(jù)讀取速度。

3.2　數(shù)據(jù)訪問策略設(shè)計(jì)

云存儲是指影像的異地存儲，實(shí)現(xiàn)支持在線調(diào)閱，從而達(dá)到影像永不離線的效果。云存儲采用了最新的持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)智能化處理技術(shù)，來實(shí)時(shí)捕獲所有文件訪問操作。任何一次的文件數(shù)據(jù)變化都會被自動記錄，達(dá)到持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)的效果[15]。

3.3　安全訪問策略設(shè)計(jì)

3.3.1專線鏈路

災(zāi)備數(shù)據(jù)中心點(diǎn)對點(diǎn)裸光纖專線直連醫(yī)院數(shù)據(jù)機(jī)房。業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)物理隔離公網(wǎng)，保證數(shù)據(jù)傳輸安全。專線一主一備雙鏈路，當(dāng)一條鏈路故障，由另外一條鏈路即時(shí)接管，提供無中斷的傳輸通道。專線是雙鏈路24芯祼光纖直連，速度快、延時(shí)低、高容錯(cuò)。不會在數(shù)據(jù)備份時(shí)受公網(wǎng)波動影響傳輸速度，也不會受流量所限產(chǎn)生帶寬流量費(fèi)用[16]。更可以在業(yè)務(wù)時(shí)間段安心使用備份或還原功能而不用擔(dān)心出口帶寬的使用。而千兆光纖傳輸速度理論上可以達(dá)到80～120 MB/s，那么100 TB的近線數(shù)據(jù)利用千兆光纖傳輸15～20 d就可以傳輸完成，比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)備份效率高出2～3倍。

3.3.2數(shù)據(jù)加密

依據(jù)國標(biāo)GB/T 20988-2007《 信息安全技術(shù)信息系統(tǒng)災(zāi)難恢復(fù)規(guī)范》等級三的容災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)[17]，并配置AES-256位最高級別數(shù)據(jù)加密及SSL-128傳輸加密等技術(shù)手段保障數(shù)據(jù)在傳輸及存儲過程中數(shù)據(jù)的安全性，并在備份前后利用MD5技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，保障備份數(shù)據(jù)的可靠性。數(shù)據(jù)在傳輸過程所有對數(shù)據(jù)的請求都必須通過數(shù)據(jù)訪問控制策略進(jìn)行身份驗(yàn)證，保障了數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性。

3.3.3物理安全

在物理設(shè)施方面，我們采用有孚網(wǎng)絡(luò)的云存儲平臺，其在全國部署有多地?cái)?shù)據(jù)中心，所有數(shù)據(jù)中心均通過ISO27001認(rèn)證，確保物理層面和運(yùn)維管理方面萬無一失[4]。

4　基于云平臺的醫(yī)院影像存儲架構(gòu)實(shí)踐

（1）數(shù)據(jù)云存儲和校驗(yàn)。我院已成功通過云平臺將兩年之前的影像數(shù)據(jù)自動遷移到云端，完成對影像數(shù)據(jù)的云存儲[8]。目前正在進(jìn)行數(shù)據(jù)的校驗(yàn)工作，具體方案采用人工校驗(yàn)與機(jī)器校驗(yàn)相結(jié)合的方式：① 人工校驗(yàn)主要針對影像遷移的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行校驗(yàn)，并隨機(jī)抽樣篩查，每日抽取20～30人的影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行影像的比對校驗(yàn)；② MD5機(jī)器校驗(yàn)：利用MD5技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，保障備份數(shù)據(jù)的可靠性。

（2）云端影像直接訪問。等數(shù)據(jù)云存儲校驗(yàn)完成，將對本地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行刪除，并將訪問鏈接指向云端，實(shí)現(xiàn)PACS對兩年前影像數(shù)據(jù)的云端訪問。

（3）本地?cái)?shù)據(jù)的雙活保護(hù)。為進(jìn)一步保護(hù)本地?cái)?shù)據(jù)，對兩年之內(nèi)的影像數(shù)據(jù)將采用雙活的方式進(jìn)行保護(hù)。對超出兩年的本地?cái)?shù)據(jù)將采取一定的策略自動遷移到云端。

5　結(jié)論

云存儲技術(shù)具有安全保障，數(shù)據(jù)加密，自動異地冗余，很低的讀寫延誤和幾乎無限大的擴(kuò)展性，快速自愈和異地存儲等特點(diǎn)。醫(yī)院可運(yùn)用云存儲技術(shù)將本地的影像存儲自動遷出到云端，將醫(yī)院的數(shù)據(jù)備份在云容災(zāi)備份平臺，保障了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、完整和安全，也為醫(yī)院解決了硬件運(yùn)維壓力，通過更小的成本來完成更高效的運(yùn)營?；谠拼鎯Φ尼t(yī)院PACS架構(gòu)改造和應(yīng)用是解決海量影像數(shù)據(jù)存儲安全可靠的有效途徑。

（1）解決影像存儲空間無法彈性使用問題：根據(jù)實(shí)際影像存儲量按需擴(kuò)展，解決傳統(tǒng)硬件存儲擴(kuò)容問題，實(shí)現(xiàn)故障自動恢復(fù)，保障數(shù)據(jù)可靠性。

（2）降低影像存儲費(fèi)用：云存儲服務(wù)按需部署，彈性伸縮，根據(jù)實(shí)際使用量進(jìn)行計(jì)費(fèi)，既滿足峰值配置要求，又降低自建存儲平臺的成本投入。

（3）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可用性不再受限：專線鏈路接入，保證訪問流暢，保證數(shù)據(jù)互通共享、便捷使用，醫(yī)務(wù)人員隨時(shí)訪問調(diào)閱影像信息不受限。

（4）醫(yī)療數(shù)據(jù)安全保證：通過專線與醫(yī)院專有云數(shù)據(jù)中心相連，達(dá)到傳統(tǒng)VLAN相同隔離效果，醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全性和保密性大大提高。

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