基于负载均衡技术的大型医院PACS系统建设

海南省人民医院信息管理处（海口 570311）

0.前言

近年来，医疗卫生体制改革不断深入，各级医院以及医疗卫生管理机构的信息化建设得到了很大的发展，创造了良好的社会效益和经济效益。随着信息技术的不断发展，医院信息化成为了为患者提供更优质服务的一条途径。在这样的背景下，数字化医院的概念应运而生。一方面，数字化医院是通过宽带网络把数字化医疗设备、数字化医学影像系统和数字化医疗信息系统等全部临床作业过程纳入到数字化网络中，从而实现管理和临床工作的无纸化和无片化运行，数字化医院的建立，将会使我国目前“以收费为中心 ”的医院信息系统走向“以病人为中心”的临床信息系统[1]。另一方面，随着医改工作的深入进行，大型综合医院的规模和范围不断扩大，医院已经出现了集团化建设的体现架构，这使得医院的计算机网络不能再局限于一种传统意义上的局域网系统。因此，探讨如何在集团化医院的模式下，建设一个存储和管理各个分支医院患者的医学影像信息，面向所有分支临床医疗机构的一体化医学影像信息系统（PACS），以满足患者医学影像信息为医院各个分支医疗机构实时共享的需求，对于大型医院的数字化建设尤为重要。

基于上述原因，海南省人民医院从2005年起，开始进行医院集团化架构下的医学影像信息系统（PACS）建设。经过多年的努力，已经在全国率先建成了一套覆盖医院多个院区，联入了30 余台影像设备、80 多个影像诊断工作站和800 余台临床诊断工作站，并能实时进行医学影像资料的集中存储和统一临床发布的基于广域网平台的医学影像信息系统（PACS）。近年来，随着医院规模的扩大、高端医疗影像设备急剧增加，对PACS系统核心平台的数据处理与通信能力提出了更高的要求。因此，我院在对PACS 系统进行整体改造的过程中，提出了建设基于负载均衡技术的核心服务器阵列的技术架构。

1.负载均衡技术的基本概念

负载均衡技术（Load Balance）建立在现有网络结构之上，它提供了一种廉价、有效、透明的方法，来扩展网络设备和服务器的带宽、增加吞吐量、加强网络数据处理能力、提高网络的灵活性和可用性。负载均衡有两方面的含义：首先，大量的并发访问或数据流量分担到多台节点设备上分别处理，减少用户等待响应的时间；其次，单个重负载的运算分担到多台节点设备上做并行处理，每个节点设备处理结束后，将结果汇总，返回给用户，系统处理能力得到大幅度提高。

PACS 系统的各个核心部分随着业务量的提高、访问量和数据流量的快速增长，其处理能力和计算强度也相应增大，使得单一设备根本无法承担，必须采用多台服务器协同工作，提高计算机系统的处理能力和计算强度，以满足当前业务量的需求。而如何在完成同样功能的多个网络设备之间实现合理的业务量分配，使之不会出现一台设备过忙而其他设备却没有充分发挥处理能力的情况。要解决这一问题，可以采用负载均衡的方法。

随着医院信息化与数字化建设的深入进行，网上对PACS 的交易和访问量会明显增加。医院的日常医疗业务都往上迁移，所传送不仅是一般的文本信息，还有很多图像和视频信息，在这种情况下，势必也会产生大量并发访问，因此要求PACS 系统中心服务器必须具备提供大量并发访问服务的能力。这样，中心服务器的处理能力和I/O 能力已经成为提供服务的瓶颈。如果客户的增多导致通信量超出了服务器能承受的范围，那么其结果必然是宕机。显然，单台服务器有限的性能不可能解决这个问题，一台普通服务器的处理能力只能达到每秒几万个到几十万个请求，无法在一秒钟内处理上百万个甚至更多的请求。但若能将10 台这样的服务器组成一个系统，并通过软件技术将所有请求平均分配给所有服务器，那么这个系统就完全拥有每秒钟处理几百万个甚至更多请求的能力。这就是利用服务器群集实现负载均衡的优点。早期的服务器群集通常以光纤镜像卡进行主从方式备份。由于关键性服务器或应用较多、数据流量较大的服务器一般档次不会太低，往往花了1 台服务器的钱却只得到一台服务器的性能。通过LSNAT（Load Sharing Network Address Transfer）将多台服务器网卡的不同IP 地址翻译成一个虚拟IP 地址，使得每台服务器均时刻处于工作状态。原来需要用小型机来完成的工作改由多台PC 服务器完成，这种弹性解决方案对投资保护的作用是相当明显的，既避免了小型机刚性升级所带来的巨大设备投资，又避免了人员培训的重复投资。同时，可以依据业务的需要随时调整服务器的数量。

2.医院PACS核心平台的技术架构

海南省人民医院是海南省规模最大，集医疗、教学、科研、预防、康复于一体的综合性省级医院。海南省人民医院占地面积398 亩，建筑面积36 万平方米，开放病床2100 张，在职职工4100 人，其中高级职称人员578 人，中级职称人员826 人；硕士302 人，博士43 人；国家、省级优秀专家27 人。全院现设门诊部5 个、临床医技科室67 个、医学中心（部）8 个、研究室30 个、中心实验室1 个，已成为海南省规模最大、学科最多、技术优良、设备先进、服务较好、环境优美的集医疗、急救、保健、康复和科研、教学于一体的现代化大型三级甲等医院。

近年来随着医院的飞速发展，医院的信息化与数字化建设也取得了长足的进步，一大批高端医疗影像设备先后投入使用，使得医院原有的PACS 核心服务器系统负荷日益加重，对PACS 系统核心平台的数据处理与通信能力提出了更高的要求，现在的系统无论在安全性还是在系统效能上都已经不能满足医院的使用需求（现在病人量及影像数据量是当年设计的近3 倍），系统的稳定性、安全性以及可用性面临着严峻的考验，因此急需改造升级。我院在对PACS 系统进行整体改造的过程中，提出了建设基于负载均衡技术的核心服务器阵列的技术架构。这种方案的优点是：

（1）不需要增加大规模预算即可建立综合楼和保健中心的PACS 流程，能保证半年内不增加投入下的良好运行；

（2）是原PACS 系统的扩展，保障了原PACS系统的硬件和软件仍然可以继续使用，而且无须担心兼容的问题；

（3）安装时间快，在设备到货后2～3 周即可安装完成；

（4）负载均衡的设计不仅能加强整个PACS系统的安全性，更大大提高了PACS 系统的运行性能。

这种方案是通过多个主服务器的负载均衡模式来实现的。当数据从设备上传进PACS 系统时，数据将自动访问到工作量比较小的1 个服务器上。比如，当数据1 访问服务器1 以后，数据2 会自动访问服务器2 或者3，不会再去访问服务器1。这样，不仅能大大减缓目前服务器所承受的压力，而且是一种很好地解决单点故障的方案，如果1个服务器停机以后，另外2 个服务器仍然可以正常运行，保障了放射科的照常工作。系统结构如图1 所示。

采用上述解决方案，需要增加以下硬件：

（1）增加负载均衡架构；

（2）增加3 台主服务器来实现负载均衡架构，提高PACS 系统的性能，并且增加系统的安全性；

（3）将原PACS 系统的2 个服务器作为数据库服务器和归档服务器使用，提高系统的整体性能；

（4）增加新的存储设备（16TB），能保证近一年数据的良好存储。

图1.医院改造后PACS核心平台示意图

3.方案的初步评价

我院于2012年按照上述方案进行了全院 PACS 系统的整体改造，目前全院的PACS 系统有了一个很大的性能提升，系统的整体架构变得安全可靠，更加合理，归结起来，主要有以下几点：

3.1 核心平台的数据处理能力得到了大大提升。

按照上述方案，我院PACS 系统的核心平台的数据处理能力得到了很大的提升，PACS 核心服务器从原来的一主一备（只有单台在线工作）变成了四台PACS 的核心服务器全部在线工作，图像处理能力和数据交换能力得到了很大加强。目前医院PACS 系统上承载了全院三个院区（包括院本部、龙华院区和洋浦分院）共30 余台设备的医学影像处理任务，包括了4 排、64 排和256排的螺旋CT、3.0 的核磁共振以及PET-CT 等数据量极大的影像检查设备。由于系统采用了负载均衡的技术架构，保证了负载合理动态的均匀分配，使得整个系统具有很高的效率。

3.2 整个系统结构变得清晰，基本消除了核心平台的单点故障。

采用上述方案，将PACS 核心服务器、RIS服务器和数据库服务器按照其各自不同的功能交由不同的服务器来承担，使得整个系统的结构变得十分清晰。由于核心的图像存储和处理采用多台服务器以负载均衡的形式来处理数据，基本上消除了核心平台的单点故障，且独立出来的数据库服务器和RIS 服务器均采用双机热备的形式，进一步保证了系统稳定可靠的运行。在上述架构中，虽然数据库与RIS 共用了一套磁盘阵列（SAN），但是在其结构上划分成了两个各自不同的分区，分别管理，即保证了系统的稳定性，又节省了系统资源。

3.3 大大增强了在线数据存储的容量。

在上述方案中，由于对PACS 的核心存储设备采用了由多台NAS 共同工作的技术架构，使得系统的在线存储能力得到了很大的增强。NAS 由于存储容量较大，价格相对比较低廉得以广泛采用，而NAS 存储效率相对较低的问题可以通过多台设备并行运行来解决。目前，我院PACS 的核心存储容量已经达到了30TB，基本上保证了所有的数据均能在线运行。这样既保证了强大的数据存储与交换能力，又消除了单点故障，大大提升了整个系统的安全性能。

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