跨院級(jí)PACS存儲(chǔ)架構(gòu)設(shè)計(jì)與改造

姚宗碧，黃冰龍，張九妹*，施東翔

（1.寧夏回族自治區(qū)人民醫(yī)院（北方民族大學(xué)教學(xué)合作醫(yī)院），銀川 750021；2.北方民族大學(xué)，銀川 750021）

0 引言

寧夏回族自治區(qū)人民醫(yī)院共有5個(gè)院區(qū)，即院本部、西夏分院、寧夏醫(yī)療急救中心、寧夏眼科醫(yī)院和寧南醫(yī)院。2011年在院本部上線影像歸檔和通信系統(tǒng)（picture archiving and communication systems，PACS），2013年為眼科醫(yī)院和醫(yī)療急救中心上線PACS，2015年西夏分院上線PACS時(shí)一并將全院各院區(qū)PACS軟件版本進(jìn)行了升級(jí)。我院本次改造之前的PACS存儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)于2011年，該套存儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了我院銀川4個(gè)院區(qū)的PACS影像數(shù)據(jù)資源共享，是一套跨院級(jí)放射科信息系統(tǒng)（radiology information system，RIS）/PACS存儲(chǔ)架構(gòu)[1]。該架構(gòu)由2套存儲(chǔ)設(shè)備組成，分別為IBMDS4700和IBMDS5100存儲(chǔ)柜。其中IBMDS5100共配置3個(gè)IBM1814D1A磁盤(pán)柜，IBMDS4700配置1個(gè)磁盤(pán)柜，可用容量共約70TB。PACS的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器由2臺(tái)IBMX3850X5服務(wù)器構(gòu)成，以RAC（real application clusters）并行群集模式工作。

隨著我院業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，PACS數(shù)據(jù)量也日益增大，尤其是256層CT、雙源CT、512層CT的引進(jìn)，使當(dāng)前PACS存儲(chǔ)系統(tǒng)已無(wú)法滿足其業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的需求。因此，對(duì)PACS存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容或建設(shè)一套新的存儲(chǔ)系統(tǒng)迫在眉睫。

1 存儲(chǔ)架構(gòu)設(shè)計(jì)改造論證

1.1 存儲(chǔ)量需求分析

對(duì)2018年1—6月份存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到2018年上半年平均月存儲(chǔ)量為2 720.55 GB，其中CT影像占總存儲(chǔ)總量的81.45%，如圖1所示。將2018年上半年存儲(chǔ)量與2017年、2016年同期數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，2018年上半年總存儲(chǔ)量相比2017年同期增長(zhǎng)11.94%，CT影像存儲(chǔ)量相比2017年同期增長(zhǎng)14.66%；2018年上半年總存儲(chǔ)量相比2016年同期增長(zhǎng)35.50%，CT影像存儲(chǔ)量相比2016年同期增長(zhǎng)43.20%，具體如圖2所示。2016—2018年上半年同期各類設(shè)備存儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)如圖3所示。本次存儲(chǔ)系統(tǒng)升級(jí)與改造還將一并考慮到醫(yī)院未來(lái)發(fā)展規(guī)劃，即在今后1～2 a內(nèi)完成將寧南醫(yī)院影像、核醫(yī)學(xué)影像、腫瘤樓影像、兒科樓影像等正在籌建的院區(qū)或科室的影像數(shù)據(jù)一并存儲(chǔ)。

圖1 2018年上半年各類設(shè)備存儲(chǔ)量所占比例圖

圖2 2016—2018年上半年同期CT存儲(chǔ)量與總存儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)圖

圖3 2016—2018年上半年同期各類設(shè)備存儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)圖

1.2 在原IBM存儲(chǔ)設(shè)備上擴(kuò)容

之前我院存儲(chǔ)采用SAN[2]（storage area network）架構(gòu)，且DS5100存儲(chǔ)設(shè)備下只掛接3臺(tái)EXP擴(kuò)展磁盤(pán)柜。事實(shí)上，DS5100[3]存儲(chǔ)設(shè)備的擴(kuò)展能力很強(qiáng)，使用EXP5000機(jī)柜最多可擴(kuò)展至448個(gè)驅(qū)動(dòng)器，即最多可擴(kuò)展至960 TB。同時(shí)，DS5100存儲(chǔ)設(shè)備支持多種類型的驅(qū)動(dòng)器混合使用且支持熱插拔，所以單純從滿足擴(kuò)容需求來(lái)說(shuō)是符合要求的。但因IBM存儲(chǔ)設(shè)備于2011年上線，理論上已到了故障高發(fā)期，且相關(guān)設(shè)備和配件的購(gòu)買(mǎi)和維保已無(wú)法保障。

1.3 PACS與存儲(chǔ)架構(gòu)的關(guān)系

2011年我院上線了PACS，并根據(jù)當(dāng)時(shí)的軟件版本采用了SAN存儲(chǔ)架構(gòu)和FTP[4]（file transfer protocol）服務(wù)主機(jī)。SAN是區(qū)域存儲(chǔ)網(wǎng)，通過(guò)支持SAN協(xié)議的光纖通道交換機(jī)將主機(jī)和存儲(chǔ)系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，組成一個(gè)“網(wǎng)絡(luò)”。服務(wù)器訪問(wèn)存儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí)，不是通過(guò)以太網(wǎng)來(lái)訪問(wèn)存儲(chǔ)設(shè)備，也不是通過(guò)直接連接在服務(wù)器上的外置存儲(chǔ)系統(tǒng)來(lái)訪問(wèn)存儲(chǔ)設(shè)備，而是通過(guò)一個(gè)光纖通道交換機(jī)來(lái)訪問(wèn)，且訪問(wèn)的這些存儲(chǔ)設(shè)備都是基于邏輯單元號(hào)（logical unit number，LUN）[5]的。這就造成所有DICOM[5-6]應(yīng)用服務(wù)器和影像診斷客戶端只能通過(guò)一臺(tái)FTP服務(wù)主機(jī)（基于FTP協(xié)議）讀寫(xiě)存儲(chǔ)設(shè)備上的文件數(shù)據(jù)，客觀上在FTP服務(wù)主機(jī)產(chǎn)生了單點(diǎn)訪問(wèn)瓶頸，如圖4所示。

圖4 改造前的存儲(chǔ)架構(gòu)

隨著我院醫(yī)療影像設(shè)備數(shù)量的增多，診斷報(bào)告客戶端數(shù)量也在增多，這種架構(gòu)的弊端也越來(lái)越明顯，具體表現(xiàn)在所有設(shè)備的圖像上傳和下載均較之前慢、卡，尤其是西夏醫(yī)院的雙源CT和院本部的512層CT、256層CT等設(shè)備，經(jīng)常出現(xiàn)圖像無(wú)法及時(shí)上傳甚至無(wú)法上傳的問(wèn)題，這就導(dǎo)致閱片醫(yī)生無(wú)法及時(shí)觀看影像并書(shū)寫(xiě)報(bào)告。2015年升級(jí)后的新版本PACS有效改善了單點(diǎn)訪問(wèn)瓶頸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了基于HTTP（hypertext transfer protocl）[7]協(xié)議上傳和下載影像的應(yīng)用服務(wù)且均能夠進(jìn)行橫向擴(kuò)展與負(fù)載均衡，但也對(duì)PACS存儲(chǔ)系統(tǒng)提出了新的要求，要求所有上傳和下載影像的服務(wù)能夠同時(shí)讀寫(xiě)存儲(chǔ)設(shè)備，而NAS（network attached storage）[8-9]存儲(chǔ)架構(gòu)能夠很好地解決這一問(wèn)題，這也是本次升級(jí)改造最終決定采取NAS存儲(chǔ)架構(gòu)最重要的原因。NAS存儲(chǔ)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 NAS存儲(chǔ)架構(gòu)

1.4 NAS存儲(chǔ)架構(gòu)的特點(diǎn)

NAS即網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)[10]，是連接在局域網(wǎng)里的一個(gè)存儲(chǔ)服務(wù)器，其中同一個(gè)邏輯區(qū)域可以被多個(gè)服務(wù)器讀取和修改。NAS存儲(chǔ)是基于文件系統(tǒng)的，它將磁盤(pán)空間視為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)共享的文件系統(tǒng)，連接NAS的多臺(tái)主機(jī)間共享了同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)文件目錄。NAS與SAN存儲(chǔ)架構(gòu)的區(qū)別見(jiàn)表1[11]。

表1 NAS與SAN存儲(chǔ)架構(gòu)的區(qū)別

1.5 論證結(jié)果

基于以上分析和論證，鑒于IBM存儲(chǔ)設(shè)備已使用多年，故障頻發(fā)，在本次升級(jí)改造中，保留其僅用于數(shù)據(jù)備份和歷史數(shù)據(jù)查詢。同時(shí)，基于新版本PACS的特點(diǎn)和今后存儲(chǔ)擴(kuò)容的需要，新購(gòu)置NAS存儲(chǔ)設(shè)備用于生產(chǎn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

2 改造與實(shí)施

在本次實(shí)施改造中，按照方案將原有的基于FC SAN網(wǎng)絡(luò)的IBM存儲(chǔ)設(shè)備予以保留并用于數(shù)據(jù)備份和歷史數(shù)據(jù)查詢，同時(shí)將新購(gòu)置華為OceanStor 9000 Scale-out NAS存儲(chǔ)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，作為生產(chǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。應(yīng)用服務(wù)器通過(guò)HTTP協(xié)議與存儲(chǔ)設(shè)備直接進(jìn)行存取數(shù)據(jù)。在實(shí)施時(shí)，還對(duì)歸檔服務(wù)器和DICOM應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行了改造，使之與華為Ocean-Stor 9000 Scale-out存儲(chǔ)設(shè)備可以直接進(jìn)行存儲(chǔ)。改造后的架構(gòu)如圖6所示。

圖6 改造之后的存儲(chǔ)架構(gòu)

鑒于4個(gè)院區(qū)（寧南醫(yī)院因距離太遠(yuǎn)使用獨(dú)立的一套PACS）都在使用PACS且業(yè)務(wù)量大，為保證存儲(chǔ)架構(gòu)改造的順利完成，同時(shí)又不影響臨床業(yè)務(wù)，項(xiàng)目組在實(shí)施前期做了充分的論證，并制訂了詳細(xì)的升級(jí)方案。先將OceanStor 9000上架并加電測(cè)試，隨后分配IP地址并進(jìn)行本地化軟硬件部署和測(cè)試，同時(shí)規(guī)范存儲(chǔ)路徑。在一切準(zhǔn)備就緒之后，項(xiàng)目組避開(kāi)就診高峰期，同時(shí)為確保萬(wàn)無(wú)一失，在中午將PACS影像存儲(chǔ)路徑進(jìn)行了修改，完成了在線存儲(chǔ)的瞬間切換，整個(gè)過(guò)程對(duì)臨床使用沒(méi)有造成任何影響。

華為OceanStor 9000采用全對(duì)稱分布式架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模橫向擴(kuò)展，能以超大單一文件系統(tǒng)提供非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)共享資源存儲(chǔ)，具有較高的數(shù)據(jù)保護(hù)功能。因此，在綜合考慮了目前存儲(chǔ)量需求和存儲(chǔ)性能要求后決定本次改造NAS存儲(chǔ)系統(tǒng)共配置6個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，冗余配比按照4+2∶1（即4個(gè)數(shù)據(jù)盤(pán)+2個(gè)校驗(yàn)盤(pán)+1塊熱備盤(pán)），裸容量260 TB，76%磁盤(pán)利用率，可用容量約200 TB，可滿足目前和近期業(yè)務(wù)發(fā)展對(duì)系統(tǒng)容量和性能的需求。隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展，今后可按需在線擴(kuò)容。

3 結(jié)語(yǔ)

本次改造完成后，徹底解決了臨床使用中的卡、慢現(xiàn)象，有力保障了大數(shù)據(jù)量設(shè)備影像的上傳和下載，提高了臨床滿意度。同時(shí)，該存儲(chǔ)架構(gòu)通過(guò)利舊，將SAN架構(gòu)和NAS架構(gòu)融合在一起，實(shí)現(xiàn)了SAN+NAS的架構(gòu)一體化，實(shí)現(xiàn)了所有影像數(shù)據(jù)的持續(xù)在線、存儲(chǔ)按需在線擴(kuò)容；通過(guò)熱備容量替代專門(mén)獨(dú)立熱備盤(pán)、以數(shù)據(jù)重構(gòu)替代磁盤(pán)重構(gòu)，數(shù)據(jù)恢復(fù)速度是傳統(tǒng)磁盤(pán)陣列（redundant arrays of independent drives，RAID）的10倍，達(dá)到1 TB/h，提高了數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。