跨院级PACS存储架构设计与改造

姚宗碧，黄冰龙，张九妹*，施东翔

（1.宁夏回族自治区人民医院（北方民族大学教学合作医院），银川 750021；2.北方民族大学，银川 750021）

0 引言

宁夏回族自治区人民医院共有5个院区，即院本部、西夏分院、宁夏医疗急救中心、宁夏眼科医院和宁南医院。2011年在院本部上线影像归档和通信系统（picture archiving and communication systems，PACS），2013年为眼科医院和医疗急救中心上线PACS，2015年西夏分院上线PACS时一并将全院各院区PACS软件版本进行了升级。我院本次改造之前的PACS存储系统架构设计于2011年，该套存储系统实现了我院银川4个院区的PACS影像数据资源共享，是一套跨院级放射科信息系统（radiology information system，RIS）/PACS存储架构[1]。该架构由2套存储设备组成，分别为IBMDS4700和IBMDS5100存储柜。其中IBMDS5100共配置3个IBM1814D1A磁盘柜，IBMDS4700配置1个磁盘柜，可用容量共约70TB。PACS的数据库服务器由2台IBMX3850X5服务器构成，以RAC（real application clusters）并行群集模式工作。

随着我院业务的飞速发展，PACS数据量也日益增大，尤其是256层CT、双源CT、512层CT的引进，使当前PACS存储系统已无法满足其业务增长的需求。因此，对PACS存储系统进行扩容或建设一套新的存储系统迫在眉睫。

1 存储架构设计改造论证

1.1 存储量需求分析

对2018年1—6月份存储数据进行统计分析，得到2018年上半年平均月存储量为2 720.55 GB，其中CT影像占总存储总量的81.45%，如图1所示。将2018年上半年存储量与2017年、2016年同期数据进行对比分析发现，2018年上半年总存储量相比2017年同期增长11.94%，CT影像存储量相比2017年同期增长14.66%；2018年上半年总存储量相比2016年同期增长35.50%，CT影像存储量相比2016年同期增长43.20%，具体如图2所示。2016—2018年上半年同期各类设备存储量统计如图3所示。本次存储系统升级与改造还将一并考虑到医院未来发展规划，即在今后1～2 a内完成将宁南医院影像、核医学影像、肿瘤楼影像、儿科楼影像等正在筹建的院区或科室的影像数据一并存储。

图1 2018年上半年各类设备存储量所占比例图

图2 2016—2018年上半年同期CT存储量与总存储量统计图

图3 2016—2018年上半年同期各类设备存储量统计图

1.2 在原IBM存储设备上扩容

之前我院存储采用SAN[2]（storage area network）架构，且DS5100存储设备下只挂接3台EXP扩展磁盘柜。事实上，DS5100[3]存储设备的扩展能力很强，使用EXP5000机柜最多可扩展至448个驱动器，即最多可扩展至960 TB。同时，DS5100存储设备支持多种类型的驱动器混合使用且支持热插拔，所以单纯从满足扩容需求来说是符合要求的。但因IBM存储设备于2011年上线，理论上已到了故障高发期，且相关设备和配件的购买和维保已无法保障。

1.3 PACS与存储架构的关系

2011年我院上线了PACS，并根据当时的软件版本采用了SAN存储架构和FTP[4]（file transfer protocol）服务主机。SAN是区域存储网，通过支持SAN协议的光纤通道交换机将主机和存储系统联系起来，组成一个“网络”。服务器访问存储系统时，不是通过以太网来访问存储设备，也不是通过直接连接在服务器上的外置存储系统来访问存储设备，而是通过一个光纤通道交换机来访问，且访问的这些存储设备都是基于逻辑单元号（logical unit number，LUN）[5]的。这就造成所有DICOM[5-6]应用服务器和影像诊断客户端只能通过一台FTP服务主机（基于FTP协议）读写存储设备上的文件数据，客观上在FTP服务主机产生了单点访问瓶颈，如图4所示。

图4 改造前的存储架构

随着我院医疗影像设备数量的增多，诊断报告客户端数量也在增多，这种架构的弊端也越来越明显，具体表现在所有设备的图像上传和下载均较之前慢、卡，尤其是西夏医院的双源CT和院本部的512层CT、256层CT等设备，经常出现图像无法及时上传甚至无法上传的问题，这就导致阅片医生无法及时观看影像并书写报告。2015年升级后的新版本PACS有效改善了单点访问瓶颈问题，实现了基于HTTP（hypertext transfer protocl）[7]协议上传和下载影像的应用服务且均能够进行横向扩展与负载均衡，但也对PACS存储系统提出了新的要求，要求所有上传和下载影像的服务能够同时读写存储设备，而NAS（network attached storage）[8-9]存储架构能够很好地解决这一问题，这也是本次升级改造最终决定采取NAS存储架构最重要的原因。NAS存储架构如图5所示。

图5 NAS存储架构

1.4 NAS存储架构的特点

NAS即网络附加存储[10]，是连接在局域网里的一个存储服务器，其中同一个逻辑区域可以被多个服务器读取和修改。NAS存储是基于文件系统的，它将磁盘空间视为一个网络共享的文件系统，连接NAS的多台主机间共享了同一个网络文件目录。NAS与SAN存储架构的区别见表1[11]。

表1 NAS与SAN存储架构的区别

1.5 论证结果

基于以上分析和论证，鉴于IBM存储设备已使用多年，故障频发，在本次升级改造中，保留其仅用于数据备份和历史数据查询。同时，基于新版本PACS的特点和今后存储扩容的需要，新购置NAS存储设备用于生产数据的存储。

2 改造与实施

在本次实施改造中，按照方案将原有的基于FC SAN网络的IBM存储设备予以保留并用于数据备份和历史数据查询，同时将新购置华为OceanStor 9000 Scale-out NAS存储设备接入网络，作为生产数据存储设备。应用服务器通过HTTP协议与存储设备直接进行存取数据。在实施时，还对归档服务器和DICOM应用服务器进行了改造，使之与华为Ocean-Stor 9000 Scale-out存储设备可以直接进行存储。改造后的架构如图6所示。

图6 改造之后的存储架构

鉴于4个院区（宁南医院因距离太远使用独立的一套PACS）都在使用PACS且业务量大，为保证存储架构改造的顺利完成，同时又不影响临床业务，项目组在实施前期做了充分的论证，并制订了详细的升级方案。先将OceanStor 9000上架并加电测试，随后分配IP地址并进行本地化软硬件部署和测试，同时规范存储路径。在一切准备就绪之后，项目组避开就诊高峰期，同时为确保万无一失，在中午将PACS影像存储路径进行了修改，完成了在线存储的瞬间切换，整个过程对临床使用没有造成任何影响。

华为OceanStor 9000采用全对称分布式架构，可实现大规模横向扩展，能以超大单一文件系统提供非结构化数据共享资源存储，具有较高的数据保护功能。因此，在综合考虑了目前存储量需求和存储性能要求后决定本次改造NAS存储系统共配置6个存储节点，冗余配比按照4+2∶1（即4个数据盘+2个校验盘+1块热备盘），裸容量260 TB，76%磁盘利用率，可用容量约200 TB，可满足目前和近期业务发展对系统容量和性能的需求。随着业务的发展，今后可按需在线扩容。

3 结语

本次改造完成后，彻底解决了临床使用中的卡、慢现象，有力保障了大数据量设备影像的上传和下载，提高了临床满意度。同时，该存储架构通过利旧，将SAN架构和NAS架构融合在一起，实现了SAN+NAS的架构一体化，实现了所有影像数据的持续在线、存储按需在线扩容；通过热备容量替代专门独立热备盘、以数据重构替代磁盘重构，数据恢复速度是传统磁盘阵列（redundant arrays of independent drives，RAID）的10倍，达到1 TB/h，提高了数据的安全性和可靠性。