医学影像数据在我院存储管理与利用

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1、医学影像数据在我院存储管理与利用中山大学附属第一医院石志杰摘要：PACS系统是医院信息系统的重要组成部份。在不断发展的过程中，中山大学附属第一医院实现了医学影像全院共享，工作流集成，在应用深度和广度上逐年进步，应用规模不断扩大，在医学影像的存储和利用方面积累了许多经验。本文介绍了我院运用信息生命周期管理的理念和方法，科学使得存储医学影像数据，使PACS系统得到高效经济应用。关键词 PACS系统，信息生命周期管理（Information Lifecycle Manager, ILM）中山大学附属第一医院是集医疗、教育、科研为一体的大型综合性医院，其放射医学部在国内有很高的学术地位，为配合临床、教

2、学及医院管理的要求，需建立和不断完善PACS系统，将先进的数字化技术运用到手术室的特定环境中，借此提高医院教管理水平。一、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

3、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: 医院影象设备的发展使放射科图象数据量激增，图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。应对不断增加的数据，首先要考虑的是存储的成本，也就是要根据信息的价值来管理信息；同时，还不应该忽视信息应用的有效性和效率。而这正是信息生命周期管 理（ILM）的核心。医院在实施PACS系统中，医疗机构必须懂得如何使用、保护和

4、保存他们的信息，而最重要的一个方面是理解ILM，否则大量生产的数据会增加系统建设、管理与维护成本。信息生命周期管理的主要目标是有效的将数据搜索的方式与存储技术所产生的成本相匹配。在存储PACS信息以及保证信息及时获取方面，通常有如下四个层面的存储/获取的需求： 立即获取信息立即获取病人的信息。信息的立即获取是PACS存储中最昂贵的介质上以便非常快速的信息获取。 快速信息获取这些信息可以存储在高速磁盘或者基于ATA的磁盘存储系统里。 存档信息对于不常访问的病人信息，磁带是最为经济有效的介质。如今先进的磁带解决方案拥有巨大的容量，同时能够满足快速数据访问的要求。 灾难恢复为了满足政府社会保障体系对

5、运作延续性的要求，医疗机构需要在信息管理架构中搭建灾难恢复机制。采用不同的存储技术来应对医疗信息的不同存取需求，医院的IT 人员可以将医护的有效性与成本相互平衡。这样一来，医生们可以在他们需要的时候，通过最合适的介质访问其所需的病人信息。二、我院PACS系统发展历程早在1998年就在MRI室进行基于设备的MiniPACS实验，研讨和实践PACS的数据流和科学的工作流。2002年10月我院和某国内公司签订合作协议书，正式开始实施和应用以来，已经走过了七年多的历程。系统从最初的接入放射科4台影像设备（CT、MRI和DSA），42套各类PACS工作终端，日数据量不到1.5G，发展到目前接入29台影像

6、设备的规模，包含放射科所有影像设备、内镜科、核医学科和病理科，103套各类PACS终端（不包括临床浏览终端），平均日数据量现已突破80G，是最初数据量的50多倍。中山一院的PACS系统采用“整体规划，分步实施”的建设方案，使得系统稳步发展壮大，具体发展历程如下：时间工作内容简介PACS规模每天数据平均增长量2002年正式签署合作协议书放射科科室级PACS2003年1月正式开始实施，同年8月完成放射科科室级验收CT/MRI/DSA及三台激光相机纳入PACS系统，各类服务器和终端设备共42台套，和HIS相联3G2004年将新购置两台CR，一台DR和一台数字胃肠机纳入PACS系统。实现最新的DICO

7、M Worklist支持功能，大大提高了整体工作效率，并和医院新更换的HIS再次实现互联。7G2005年将新购64排CT，3.0MRI纳入PACS系统 系统数据激增，对系统的数据存储和应用提出了新的挑战。存储扩容至4T，完成最新的SAN构架中心存储，数据统一存储在信息科中心机房，九台放射影像设备和六台激光相机纳入PACS网络，数据量激增到日平均45G。2006年将核医学ECT、内镜科、病理科纳入PACS系统；完成系统院级验收。实现了跨影像科的全院Full PACS的系统。中心管理服务器全面升级，数据发布到全院。30G2007年实现系统的软件升级，增加了多媒体排队叫号管理系统增加工作站终端和多媒

8、体排队叫号系统2008年将核医学PET影像数据纳入到PACS一体化存储系统；完成新的24T的存储；优化完善PACS临床发布系统。实现全新N1多服务器集群管理，多级在线存储，信息中心主磁盘阵列物理总容量为24T。50G2009年至目前对超声科DICOM系统实现了支持；将最新的Philips DSA方式接入PACS系统。开发完成八屏多排CT的读片显示系统。解决的超大容量动态图像传输和显示的技术难题。系统涉及的影像设备29台影像设备，6台激光相机，PACS系统工作终端数量达103台，日均数据量突破60G，80G通过七年多的系统建设和发展壮大，中山一院的PACS系统已从最初的建设基础上新增扩充接入了2

9、6台各类影像设备，新增各类PACS应用终端61台，从最初的放射科系统扩展到涵盖放射科、内镜科、核医学科和病理科，PACS系统和医院的HIS系统也实现了整合，可将PACS数据发布到HIS的医生工作站中，系统的日均数据量从1.5G发展到日均80G以上。可以说，中山一院的PACS系统无论是系统稳定性、系统规模、日均数据量，都堪称全国前列。三、我院PACS系统存储的现状与问题先让我们简单分析一下目前存储在医院中PACS系统中运用的情况： 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。 目前，医院的PACS资源除了用于诊断和医疗，越来越多地用于医院的科研、

10、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。 医院存在不同时期采购的存储系统，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。但是医院在离线甚至近线设备中多采用光盘库的方式，不仅存储成本高、调用也不方便。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

11、，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： PACS系统的影像图象主要是多媒体文档，并发访问量小，但是文件尺寸比较大。医疗PACS系统中的数据保存量大，数据量增长速度快，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，需采用分级存储策略。 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。 数据量大，达到海量存储，诊断工作站和浏览工作站对在线图象检索速度要求越来越高，达到秒级。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。 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、

12、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。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，降低总拥有成本（TCO），提高投资回报率。 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 实现容

13、灾高可用性配置 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 四、PACS存储系统设计 4.1分级存储系统设计 采用分级存储的架构，根据医院具体情况，我们采用了三级架构，如图所示： 一级存储作为在线存储用于PACS的数据库和短近期的医疗图像的存储，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

14、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。4.2数据保护方案设计 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、容灾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

15、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；因此需要对PACS系统从系统备份、软件故障、硬件故障、容灾等各方面进行全方位的数据保护方案设计。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，通过存储管理软件或者存储阵列的时间点标记功能就可以回溯并快速恢复到前面某一时

16、刻数据良好的状态点。对在线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。 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 Replicatio

17、n或者存储管理软件的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）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。通过裸机灾难恢复软件对应用服务器和PC机的操作系统作保护，将主机应用数据或操作系统克隆到备份存储上，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快速恢复操作系统和受损数据，以及时恢复本地系统的运行。 五、结论在整个系统不断壮大发展过程中，我们一边对于新影像设备的临床诊断、教学和科研所需的特殊功能软件，展开相关合作研究和开发，一边要保障系统的正常运行，探索出一条持续发展的路。今后我们还会坚持不懈地进行系统的完善开发和升级提高，以满足医院在PACS系统应用过程中不断涌现的新应用需求、引入新设备来带的新技术要求、系统扩展后的数据容量激增的现实要求，。