PACS系统存储管理功能的设计与实现

王仕凡，邱书波，毛树伟

1.山东轻工业学院 电子信息与控制工程学院， 山东 济南 250353；2.山东省胸科医院 医学工程部，山东 济南250013

PACS系统存储管理功能的设计与实现

王仕凡1,2，邱书波1，毛树伟2

1.山东轻工业学院 电子信息与控制工程学院， 山东 济南 250353；2.山东省胸科医院 医学工程部，山东 济南250013

现代化医院产生的海量医学图像给存储工作带来巨大挑战，如何解决存储问题成为PACS系统发展的关键问题之一。本文结合山东省胸科医院的PACS系统实际情况，对PACS系统的存储结构进行了一系列的改进和设计，保证了系统的数据安全。

HIS； PACS系统；分级存储；数据保护

影像设备的发展带来现代化医院放射科图像数据量剧增，这些海量的医学图像给存储工作带来了非常大的困难，这些数据要分级进行存储以及归档管理，同时这些数据还需要进行容灾备份，所以PACS系统就需要一种非常可靠、海量的存储设备来应对其应用和发展。

本文通过使用SAN、千兆以太网、光纤交换链路技术，使得阅片诊断工作站实时访问中心存储系统影像的速度高于直接访问本地硬盘的速度；使用在线、近线和离线三级存储结构，降低存储成本；采用了双机容错、冗余备份的措施，确保系统不会因意外情况发生而丢失数据。

1 PACS存储模式

PACS厂商提供的存储方案是多种多样的，但从内部技术角度上来讲应该都与这三种存储模式有紧密的联系：直接连接存储(DAS)、网络连接存储(NAS)以及区域网络(SAN)存储。医院需根据自身的实际情况：如投入的资金、对速度和安全性的要求等因素，选择最适合自己的存储模式。

1.1 直接连接存储(DAS)

DAS是一种将存储介质直接安装在服务器上或者安装在服务器外的一种存储方式。例如将存储介质连接到服务器的外部ISCSI通道上也可以认为是一种直接连接存储方式。

DAS存储方式在磁盘系统和服务器之间具有很快的传输速率，可以在一定程度上满足用户要求快速磁盘访问的情况。并且在DAS环境中，用户不需要担心应用程序问题。然而，DAS存储也存在着一定的缺陷，首要的是所谓的“空间问题”，需要考虑以下两个方面的情况：

(1)在架设存储设备之前，需要确定存储空间；

(2)如何在现有设备上扩展存储空间。

虽然目前市场上的一些选项可以帮助用户减轻与这些问题相关的存储负担，但是不管怎样，都需要用户对这种存储方式进行较好的评估。

另外，为了避免出现磁盘空间在工作日的中间出现不够用的情况，用户需要管理几乎所有基于服务器的DAS系统，这意味着用户需要监控服务器上每个物理单元的磁盘使用率。因而只有在如下情况下，DAS才是一种理想的选择：(1)用户需要能够快速访问存储系统，但是不具备采用SAN的资金和技术条件；

(2)用户对成本非常敏感。由于DAS价格低廉的结论只是考虑硬件物理介质成本的情况，如果与其他的技术进行综合比较（如管理开销和存储效率等），DAS将不再占有绝对的优势；

(3)对于那些非常小的不再需要其他存储介质的环境来说，这是一种理想的选择。

1.2 网络连接存储(NAS)

当用户必须将一些用于访问的存储空间放在网络中，并且需要较频繁地访问这些存储空间的时候，可以采用网络连接存储（NAS）这种解决方案。一般说来，NAS的安装工作非常简单，与DAS一样的是，必须在安装时明确需要多大的存储空间；与DAS不同的是，NAS能够非常容易地进行容量扩充。比如：现在市场上购买的DAS设备一般的能有4T Bytes的容量；而同样是现在市场上一些NAS设备有的却能够扩展到200T Bytes的容量。因而对于那些仅仅需要将存储空间放在网络中来解决问题的情形来说， NAS是非常完美的选择。

对于这个经验法则来说，还是有一些例外情形，非常重要的一点是在那些对数据需要进行块级访问的情况中，例如：对Exchange存储和数据库信息存储这两种信息存储来讲，使用NAS（网络连接存储）就不是一种很好的执行方案，即便有一些NAS支持这些过程，但也只是强制让某个工具适合某项特定工作而已。其次，由于NAS中所有的数据要到网络中进行传输，有时可能网速的快慢限制了访问速度的快慢，NAS也无法满足高速访问服务器上的存储空间的需要。

NAS设备在以下两种情形中能发挥最大的优势：首先是网页服务；其次是常用文件的存储。这两种应用都需要大量的磁盘空间，但是很少要求直接对服务器进行数据访问。相反，通过这两种类型存储访问的大多数数据都是通过网络来实现的，所以究竟这些数据是来自于 NAS硬件还是来自于DAS硬件就变成了一个无关紧要的问题。

文件级数据访问和块级数据访问的差异性，说明NAS设备适合于网页服务和文件服务而不适合数据库存储和Exchange存储的重要原因。在文件级访问系统中，数据的访问是通过文件名字来实现的。而在块级访问系统中，数据的访问是通过数据块的地址来实现的，这个地址是特定数据存放的位置。在客户端/服务器的环境中，如果用户要从文件服务器读取一个文件，需要指定文件，服务器完成数据块的读取工作，并且将得到的数据返回给用户。数据库存储和Exchange存储在这种方式的通信过程中存在着很多问题。所以他们并不适合存储于NAS 设备中。使用DAS和SAN解决方案中提供的块级访问可以更为有效地实现数据库存储和Exchange存储中的数据访问。

总而言之，在需要将存储空间放在网络时，NAS是一个优秀的解决方案，但同时具有如下缺陷：

(1)在拥有相同的存储空间时，NAS的成本比DAS要高很多；

(2)对于数据库存储和Exchange存储这种要求高使用率的任务来说，不是很适合；

(3)连接到网络连接存储的网速会限制传输数据的最高速；

(4)有可能存在结点故障问题在存储设备中。

1.3 存储区域网络(SAN)

把它用作存储部分，存储区域网络价格较昂贵，也非常复杂。虽然存储区域网络在开始阶段需要大量的资金投入，但是存储区域网络却能够解决其他方案不能解决的问题，相对情况下可能会变相地为用户节省部分资金费用。

目前的存储区域网络解决方案一般有两种形式：一是ISCSI和光纤通道；二是基于IP的存储区域网络。光纤通道是存储区域网络解决方案中非常熟悉的类型，而基于ISCSI的SAN解决方案与光纤通道技术相比较而言，价格相对低廉，但性能要差很多。

存储区域网络集中了直接连接存储和网络连接存储这两种存储方案的优点。在存储区域网络解决方案中，用户能够得到一个完全冗余的存储网络，并且这个存储网络具有强大的扩展性。确切地说，用户只有得到NAS存储解决方案才能得到几百TBytes的存储空间，同时还可以得到块级数据访问功能。而相对于数据访问，还能够得到一个理想的速度，同时相对于那些需要海量磁盘来访问的操作，存储区域网络则就显得具有更加良好的性能。图1是SAN与NAS的结构原理对比图。

图 1 SAN与NAS结构原理对比图

SAN解决方案还可以实现存储的集中管理，从而能够充分利用那些处于空闲状态的空间。更进一步在光纤通道模式下，存储区域网络能够把服务器配置的内部存储空间设置为零，也就是没有内部存储空间，要求其他所有的系统都能够直接从存储区域网络来引导，实现即插即用。

当然，SAN相对DAS和NAS也有其缺点，就是高成本和复杂性。

2 分级存储系统设计

PACS系统的存储系统部分，现在医院都是采取分级存储的方式，一般是依据医院的具体情况来采用二级或者三级的存储方式，下面简要介绍一下标准的三级存储方式大体架构：

一级存储是在线存储，主要用于PACS系统的数据库以及最近的医疗图像，它必须具有容量大和性能高以及可靠性高等特征；

二级存储是近线存储，主要用于存储那些不常用的数据，医院可通过扩展存储基础架构来满足数据增长的需要，一般情况采用数据迁移技术让那些在线存储中不经常使用的数据自动地迁移至近线存储的设备上，这些数据的访问频率比较低，但能够保证数据共享以及快速地实现在线访问等功能；

三级存储是离线存储，对全院以前的历史图像进行归档、整理、分类，它对存储设备的要求必须具备可靠性高并且安全性要好，还有就是容量要大、另外管理还要方便等特点。

我们根据在线存储、近线存储的各自特征，采用了专有磁盘阵列，来确保数据及时、快速实现在线访问。也可以采用IP存储的方法，它具有较强的兼容性，管理容易，不但能够降低医院的资金投入，还能够很好地应对数据量的快速增长，最为关键的是通过IP存储的方式，我们能够方便地建立异地容灾系统。配合虚拟化网络管理平台，能够方便地融合医院的异构存储设备。

在三级存储中，传统的方式多采用光盘库和磁带库来保存。光盘库目前有DVD光盘、MO磁光盘两种光存储介质。光盘存储是利用激光改变盘片介子状态来保存数据，电磁干扰、温度及湿度变化均不会影响数据保存，而且光盘的物理状态稳定，由此决定了它成为一种存储方式是最为安全的数据保存方案，是目前最安全的存储产品。光盘可以支持数据访问和随机读写，只是读写速度低于硬盘，但是要远远超过磁带，是数据安全性最高的介质，而且光盘库的单位存储成本随着数据量的增加而降低。PACS离线归档的特点是数据量大、保存后不经常调用、对数据安全要求高，因此光盘是较好的存储设备。

3 数据保护方案设计

根据权威部门的调查数据显示，通常致使IT系统的数据丢失以及灾难发生主要有两个方面的原因：软件故障和硬件故障。系统故障、计算机病毒、人为过失以及站点灾难属于软故障，然而不论是哪类故障，我们的目的是当系统在遇到人为因素或自然灾难的时候，能够通过备份来对故障系统有效地进行灾难恢复。

目前的PACS系统需要重点保护的数据有两部分：

(1) PACS系统和RIS系统的数据库以及PACS系统图像数据保护。这就要求对在线图像和非常关键的PACS系统图像备份以及容灾等各类方式方法对数据保护，以此来应对存储系统由于软故障原因或者硬件故障原因以及其他可能发生的灾难，从而导致了一些重要数据的丢失现象。

(2) PACS系统服务器和RIS系统服务器、影像诊断报告以及一些重要的工作站的操作系统进行必要备份，以便出现故障时进行恢复；

鉴于以上情况要对整个PACS系统从自然灾难、软故障和硬故障以及系统备份等，全方位地进行数据保护方案设计。

对在线PACS/RIS的数据库（图像索引）和PACS图像数据的保护采用CDP（连续数据保护）设计方案，针对PACS系统可能的软故障、硬件故障、自然灾难几方面问题实施有效的数据保护，CDP（Continuous Data Protection）就能够在数据发生变化时候把数据进行有效地保护起来。连续数据保护技术把传统观念的“数据备份”技术，发展到数据恢复快、数据丢失少的数据保护阶段，其技术优势在于能够进行任意某一时刻的数据恢复操作。

3.1 在线数据保护

我们对PACS系统遇到病毒、人为的误操作以及系统软故障等一系列问题而引起的信息丢失现象，可以采用在线连续数据保护的解决方式。连续数据保护里面有“快照代理”功能和“TimeMark”功能，系统管理员可以将在线数据在某一时刻建立一个“时间标记”，依照原先设定好的时间间隔，把存储设备上的在线数据“TimeMark”那一点的数据信息进行保存。一旦发生人为的误操作或者受到病毒攻击等情况而致使在线的数据发生错误或者丢失就可以通过“TimeMark”的功能恢复时间标记点以前的数据状态，类似我们日常应用的一键还原精灵。

而对存储设备的硬件故障导致的数据丢失现象，我们可以采用近线备份的方法，采用存储系统的复制功能把在线存储设备中的数据信息依照原来设定的方案复制到近线存储设备中，而当在线存储设备不能使用时候，就可以切换至近线存储设备上，从而可以避免由于在线存储硬故障而引起的数据信息的丢失或者业务中断情况的发生。

3.2 容灾方案设计

针对PACS系统一些非常重要的数据信息和图像，应该建立灾备中心，对这些数据和图像实现异地备份，以此来保证当发生灾难时能够对数据进行快速恢复。采用存储系统的IP远程复制功能把本地中心服务器的一些重要数据通过IP网络传送给远程容灾存储系统的存储池中。

需要注意的是，在远程容灾方案设计时，IP存储非常适合进行跨区域的数据备份，同时采用基于IP的加密技术和数据压缩技术以及增量复制技术等功能，通过这几大技术完美融合，就能够实现跨区域的数据备份。

每一次数据复制以后只将上次进行复制以后的变量数据复制到远程容灾中心，作用是能够降低带宽占用问题。由于采用了先进的块增量扫描技术，数据变量不是基于文件级的变量，而是更小单位的基于磁盘块的变量，这样可以保障数据增量最小，对网络带宽的占用最低。同时，通过数据压缩和加密的功能选项，来进一步保证备份数据穿越广域网的高效性和安全性。数据直接通过存储系统传输到远程，而不经过应用服务器，因此是对应用服务器零干扰的数据远程复制。

3.3 主机操作系统保护/恢复方案设计

不但要对PACS系统的数据保护，还需要对PACS/RIS服务器、影像诊断报告工作站和重要PC机做相应保护。可以通过一些成熟的应用端软件对应用服务器和PC机的Windows操作系统作保护，将主机应用数据或操作系统直接复制到在线存储上，实现数据的集中备份和管理，可以在系统崩溃或硬盘损坏时远程启动操作系统快速恢复受损数据，以便及时恢复本地系统的运行。

4 PACS存储管理实现

图 2 医院PACS分布节点图

图2所示为山东省胸科医院东院PACS的分布节点图。在系统设计中，采用了双机容错、冗余备份的措施，以保证系统不会因意外情况而丢失数据。PACS在线、近线存储采用SIENET SKY群集存储服务器，其中在线部分为光纤通道SAN，近线部分为DAS，离线存储则采用DVD光盘塔存储方案。PACS数据存储流程如下：

(1)影像资料以DICOM方式发送到“SIENET SKY群集存储服务器”；

(2)“SIENET SKY群集存储服务器”将影像资料按照预先定义的路由规则将不同的影像资料发送到不同的“SIENET SKY工作组服务器”；

(3)“SIENET SKY群集存储服务器组”在接收到影像在存储到在线存储设备磁盘阵列的同时将数据保存到NAS近线存储设备，保证了数据安全。

(4)“SIENET SKY群集存储服务器组”定期将近线存储设备数据发送到光盘塔进行离线备份。

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Design and Implementation of Storage Management Function in PACS

WANG Shi-fan1,2, QIU Shu-bo1, MAO Shu-wei2
1. Electronic Information and Control Engineering Institute,Shandong Institute of Light Industry, Jinan Shandong 250353,China;2.Medical Engineering Department,Shandong Provincial Chest Hospital,Jinan Shandong 250013, China

TP333

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.10.008

1674-1633(2010)10-0021-04

2010-06-08

2010-07-05

作者邮箱：wangsf8063@163.com

Abstract:Mass medical images produced a great challenge to hospital storage work.How to solve the storage problem was one of the key problems.Combining with the actuality of PACS in our hospital,this paper introduces the improvement and design of PACS storage structure,thus to ensure the system data security.

Key words:HIS;PACS; classification storage;data protection