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H3C医疗行业PACS存储系统设计

最新更新:2010-11-17 15:21来源:

1.     前言
随着医疗行业信息化水平的不断提高,在当今的医疗保健环境中,计算机和信息技术已经成为降低成本、提高效率以及提供较好患者护理的关键因素。借助可视化技术的不断发展,现代医学已越来越离不开医学影像信息,在放射学领域,数字成像中的创新促进了医疗影像存储与传输系统(Picture Archiving and Communication System,PACS) 的开发。目前,PACS已经成为了现代医学放射学实践的基本技术和基础设施中重要的一部分,在临床诊断、医学科研等方面正发挥着极其重要的作用。

当前的 PACS 产品支持医学图像的全数字获取、转换、解释、存储、传输和查阅。 PACS的发展也呈现出一个很大的特点: 医院影像设备的发展使放射科影像数据量激增,影像的数据量为存储容量带来了很大的挑战,数据需要进行分级存储和归档,同时,数据需要备份容灾和异构存储环境的现状也越加突出 ,因此PACS系统需要一种可靠、灵活的大容量存储系统来满足其应用和发展。

2.     医疗存储PACS系统的现状和问题:
简单分析一下目前存储在医院中PACS系统中运用的情况:

部分医院还采用DAS方式作为PACS系统的存储系统,即采用分散存储的模式,不仅数据分散、链路结构相对落后、容量扩展性差,还缺乏相应冗余保护手段,随着医院应用规模得不断扩大,它们在数据管理方面的问题日益凸显出来。

同时,以前的分级存储系统的设计也存在较大问题,目前,随着医院数据量的激增,分级存储设计逐渐发展为在线、近线、离线的三级存储架构。但是很多医院在离线甚至近线设备中多采用光盘库和磁带库的方式,不仅数据安全可靠性较差、更不方便调取。

目前,很多大医院的PACS资源除了用户诊断和医疗,越来越多地用于医院的科研、教学,有很多PACS图像都十分地珍贵。因此需要对本地重要的PACS图像提供异地冗灾备份,来应对可能发生的灾难导致重要数据的丢失。

医院的PACS系统比较复杂,包括大量软、硬件,存储系统的应用需求和容量需求也在不断发展和变化。

3.     PACS系统对存储的需求:
与其他行业相比,医疗行业对影像的要求更加苛刻,PACS系统对存储系统有着自身的特点和要求,我们认为主要有以下几方面的特点:

1.      PACS系统的影像图像主要是影像文档,日常工作站并发访问量小,但是文件比较大。

2.      医疗PACS系统中的数据保存量大,数据量增长快,医疗影像6-12个月之后大部分数据将作为归档数据,需要安全地保存和随时方便地调用,数据需要通过分级策略进行存储。

3.      随着医院数据量的激增,分级存储设计逐渐发展为在线、近线、离线的三级存储架构。

4.      随着数据量的增长,诊断工作站和浏览工作站对在线图像检索速度要求越来越高,达到秒级。

5.      部分影像资料用于科研和教学,重要性高,需要可靠有效的容灾数据保护方案。

6.      PACS系统和HIS系统数据各有特点,特别在存储容量、访问响应速度、访问频率、存储可扩展性等方面存在差异,需要分别考虑,有条件进行分类存储。

7.      随着医疗行业竞争日趋激烈,PACS存储系统的建设需要投资的总成本,降低总体拥有成本(TCO),提高投资回报率。

8.      PACS存储系统的设计需要具备高扩展性和灵活性,需要支持容量增长的高度可扩展架构 和对异构存储环境的支持。以实现将来无缝扩容,而且不增加因扩容带来的管理开销。

通过以上分析,我们认为现代医学PACS系统的存储系统设计应具备如下特点:

整个存储网络的数据共享

能够轻松管理的集中式存储管理

在线、近线、离线的三级或二级的分级存储架构

患者诊断数据的快速访问

支持容量增长的高度可扩展架构

对PACS系统和数据全方位的数据保护

实现业务连续性设计

支持更长的网络距离的连接

实现投资保护,提供对异构存储环境的支持,无缝扩容

4.     PACS存储系统设计
4.1.   分级存储系统设计

前面提到,医疗PACS存储系统目前采用分级存储的架构,通常根据医院具体情况分为二级或者三级架构,在标准的三级架构中:

一级存储作为在线存储用于PACS的数据库和短近期(通常6个月-12个月)的医疗图像的存储,需要满足大容量、高性能、高可靠性等特征。

二级存储作为近线存储用于存储不常用的历史数据,可帮助医院通过扩展自己的存储基础架构来跟上数据增长的脚步通常是采用数据迁移技术自动将在线存储中不常用的数据迁移到近线存储设备上,数据访问的访问频率不是很高,但保证数据共享和快速在线访问。

三级存储通常采用离线归档的方式,对整个医院长期的历史图像进行归档,要求设备可靠性、安全性好,大容量、成本低其管理方便。

根据一、二级存储的特点建议采用专有磁盘阵列,以保证数据能及时实现快速在线访问。而采用IP存储的方式,不仅兼容性强、可管理性强,能够降低总投资成本,很好地满足数据容量的快速扩张的需要,更重要的是通过IP存储方式,还可以很好地建设医院的异地容灾系统。同时配合虚拟化管理平台,可以轻松地整合医院异构存储设备。对一级在线存储,建议采用Neocean IX3000和IX1540系列存储系统,单台IX3000和IX1540的最大支持磁盘数量为448块和64块, 其中IX1540可通过前端交换机实现横向拓展,保障整个存储系统的性能和可靠性可线性增加。同时Neocean 的IX1540系列支持SAN和NAS一体化功能,满足PACS系统数据共享的需求。

在三级存储中,传统的方式多采用光盘库和磁带库来保存。但是光盘库和磁带库都有读取不及时、不方便的缺点,另外离线归档数据需要长期存放,但光盘和磁带库都易磨损、故障率较高,且对环境的要求较高。因此三级存储中也可以采用磁盘阵列或者VTL(虚拟磁带库),目前VTL(Virtual Tape Library,虚拟磁带库)技术发展很快,VTL用磁盘和磁盘技术模拟磁带驱动器和磁带库,使用户在使用和管理上和磁带库一样,但是具有磁带库不可比拟的好处:首先VTL的备份介质为磁盘阵列,大大快于磁带库性能,最大带宽通常可达几百兆MB/s,而磁带库一般在几十兆。可靠性更高,磁盘有RAID保护,出现故障可随时更换,保证备份数据安全。另外,VTL还增强了备份数据管理特性、提高备份和恢复的速度。

分级存储的设计架构如下图: 

H3C 为PACS系统设计的分级存储系统设计中,采用IX3000做主存储,使用虚拟化平台对把IX3000中数据镜像到IX1540/EX1500等存储设备上,对数据进行镜像保护,保证了在IX3000出现故障的情况下,PACS系统是数据流会自动透明的切换到IX1540/EX1500存储设备中。 在近线方面,采用相对配置较低的IX1540/EX1500通过归档软件,把不经常使用的数据迁移到近线存储设备,而对于几乎不访问必须保留的数据,可以通过备份软件把数据备份到离线设备IX3240-VTL上,保证数据在需要访问的时候可以迅速恢复供PACS系统使用。

分级存储系统可以根据数据的重要性按照信息生命周期对数据进行分类,把最新生成并且经常使用的数据存放到在线存储设备中,确保数据的可用性和PACS系统对数据快速查看能力,把不经常使用的数据存放在二级存储设备中,由于二级存储性能相对来说低于主存储并且又不经常被PACS系统访问,因此构建二级存储系统对于整个PACS系统来说投资更合理,对于不使用并且需要保留的数据存放在离线归档设备中,确保数据始终被保存。

4.2.   数据保护方案设计
4.2.1.    数据保护需求分析

权威数据显示,导致IT系统数据丢失和灾难发生的原因主要有硬件故障、软件故障(系统故障、计算机病毒、人为过失等)、站点灾难这几方面原因,当然,无论是哪种原因,我们认为数据的保护不仅是备份,其最终目的是在系统遇到人为或自然灾难时,能够通过备份内容对系统进行有效的灾难恢复。

目前PACS系统需要保护的数据主要有以下两方面:

对PACS/RIS的数据库(图像索引)和PACS图像数据的数据保护:需要对在线和重要的PACS图像进行备份、远程灾备等多种方式的数据保护,应对存储系统软故障(病毒、人为过失等)、硬件故障和可能发生的灾难导致重要数据的丢失。

PACS服务器、RIS服务器、重要影像诊断报告工作和重要工作站的操作系统备份恢复;

因此需要对PACS系统从系统备份、软件故障、硬件故障、远程灾备等各方面进行全方位的数据保护方案设计。
4.2.2.    数据保护方案设计:
1. 在线PACS/RIS的数据库(图像索引)和PACS图像数据的数据保护:采用CDP(连续数据保护)设计方案,针对PACS系统的可能的软故障、硬件故障、自然灾难几大方面问题实施有效的数据保护,

CDP(Continuous Data Protection)连续数据保护,可在数据发生任何变化时将数据有效地保护起来。CDP技术将传统着眼于“数据备份”的备份技术,推进到着眼于快速恢复、最少数据丢失的数据保护的新阶段。其最大的技术优势就在于可进行任意时间点上的数据恢复。

1) 在线数据保护:

 针对PACS系统的可能的计算机病毒、人为过失、系统故障等软故障问题导致的数据丢失。可采用在线CDP解决方案,利用TimeMark与快照代理功能,管理员可以为在线数据在任何时刻创建一个“TimeMark(时间标记)”,按照事先设定的时间间隔,将存储设备在线数据指定时刻点的数据视图保存下来。如果发生误操作、病毒侵袭等事件,导致在线的数据错误,通过IV5000/IX1540上的时间点标记功能就可以回溯并快速恢复到前面某一时刻数据良好的状态点,

针对存储设备硬件故障原因带来的数据丢失,可采用近线备份的方式,利用存储系统的IP-based Replication复制功能模块将在线存储设备中的数据按照事先设定的策略复制到近线存储(二级存储)中,当在线存储不可用时,业务可切换到近线存储上,避免在线存储的硬件故障而导致的数据丢失或业务中断。

2) 容灾方案设计:对PACS系统重要的图像和数据,建立灾备中心,实现数据的异地备份,保证在发生灾难时对数据进行快速恢复。同样,利用存储系统的IP-based Replication 远程复制功能将本地中心机房的重要数据通过IP网络线路传输到远程容灾IX1540存储系统存储池中。

值得一提的是,在远程容灾方案设计中,IP存储本身非常适合跨广域的数据备份,同时利用基于IP的块增量复制技术、数据压缩技术和加密技术,几大技术完美结合,高效、安全地实现了跨广域的数据备份。

为了降低带宽占用,每次数据复制只将上一次复制后的变量数据复制到远程容灾中心。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,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。

2.  主机操作系统保护/恢复方案设计:PACS系统的数据做保护,还需要对PACS/RIS服务器、影像诊断报告工作站和重要PC做相应保护。通过H3C的Disksafe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和快速恢复受损数据,以及时恢复本地系统的运行。


4.3虚拟化方案设计

同时,我们看到医院的PACS系统比较复杂,包括大量软硬件,而系统的应用和数据存储的需求也在不断发展和变化,因此,PACS存储系统的设计也需要具备高扩展性和灵活性,需要支持容量增长的高度可扩展架构 和对异构存储环境的支持。但目前医院的PACS系统越来越多的呈现这样的特点:设备异构化严重、海量数据的移动困难、管理复杂、投资成本居高不下等等。

在存储设计中,解决上述问题的关键技术就是存储虚拟化。虚拟化是解决异构体系架构最直接有效的技术,已广泛应用于计算和网络领域。就存储领域而言,通过存储虚拟化,用户不用再去关心存储环境中底层物理环境的复杂性,也不用再去关心设备异构与否、协议是否统一。虚拟化使存储的统一管理成为现实,用户可以通过选择完善的存储技术来满足不断增长的需要——无论是哪一家的存储设备都可以无缝集成到现有的基础存储架构中。 在存储虚拟化技术的基础上,通过采用标准化的连接技术和统一的复制、镜像、快照等存储技术可以实现海量数据的快速移动和简单管理,从而为提供标准化存储服务打下坚实的架构基础。

因此,在PACS存储系统设计方案中,建议采用Neocean IV5000 虚拟化数据管理平台。Neocean IV5000能够提供存储虚拟化、统一高效灵活的复制、连续数据快照、多模式镜像、多链路负载均衡等丰富的存储功能,可为用户搭建坚固、灵活的存储基础架构,实现动态扩展存储容量、高性能的数据处理、海量数据的快速移动、简单易用的WEB管理,可以和 H3C的Neocean IX3000/IX1540存储设备,以及和不同厂商、不同类型的存储设备进行整合和联动,统一形成各种实用的存储解决方案,搭建一个坚固而又灵活的存储基础架构。

整体的存储系统设计如下图:


H3C为PACS系统设计的虚拟化方案设计中,通过IV5000虚拟化平台把不同厂商、不同协议、不同系列的存储在不改变原有数据结构的情况下进行统一分配管理,并且通过IV5000虚拟化平台实现基于IP的复制功能,把数据中心的存储数据复制到灾备中心的存储系统之上。

虚拟化方案可以提升整个系统的存储资源利用率,把最初建立的PACS系统的存储系统和新建PACS系统的存储系统存储空间进行存储资源整合,通过H3C虚拟化平台也可以对PACS系统数据进行统一管理,结合H3C虚拟化平台软件功能方面的高级特性,可以对PACS系统进行更高级别的数据保护措施----建立灾难备份系统,可以按照用户需求把原有PACS系统无缝的改造成数据级灾备系统和应用级灾备系统。

5.     总结
H3C为医疗行业PACS系统提供了分级存储系统方案、数据保护方案和虚拟化方案一整套从在线存储、近线存储到离线归档存储、从数据保护到虚拟化方案。分级存储方案上确保满足PACS系统对数据存储和读取的要求,并且更合理了用户在PACS系统建设上的投资。数据保护方案结合H3C存储内部的高级保护功能,能够对PACS系统数据进行多个时间点、本地、异地的保护能力,提升了整个PACS系统数据的安全性。H3C 医疗行业PACS系统存储解决方案满足了用户PACS系统存储系统的新建、升级、扩容、数据统一管理和数据安全等需求,为用户提供了更好的PACS系统存储解决方案。
 

【责任编辑:阳光飞舞 TEL:(010)68476606】

 


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