基于云存儲(chǔ)技術(shù)的區(qū)域PACS初探

龔海，錢大雁，陳國強(qiáng)，許強(qiáng)

1.江陰市人民醫(yī)院，江蘇 江陰 214400；2.江陰市衛(wèi)生局，江蘇 江陰 214400

基于云存儲(chǔ)技術(shù)的區(qū)域PACS初探

龔海1，錢大雁2，陳國強(qiáng)1，許強(qiáng)1

1.江陰市人民醫(yī)院，江蘇 江陰 214400；2.江陰市衛(wèi)生局，江蘇 江陰 214400

本文介紹了云存儲(chǔ)的概念，分析了傳統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)的不足，并詳細(xì)闡述了基于云存儲(chǔ)技術(shù)的區(qū)域圖片存檔及通信系統(tǒng)（Picture Archiving and Communication System，PACS）的特點(diǎn)、基本流程及其實(shí)現(xiàn)方式，該系統(tǒng)使得網(wǎng)絡(luò)中不同類型的存儲(chǔ)設(shè)備可通過應(yīng)用軟件協(xié)同工作，有效地提高了醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量。

云存儲(chǔ)技術(shù)；區(qū)域PACS；Hash法；管理服務(wù)器；存儲(chǔ)服務(wù)器；數(shù)據(jù)庫

我國在 2009 年 4 月啟動(dòng)的新一輪醫(yī)療體制改革中，提出要建立實(shí)用共享的醫(yī)療衛(wèi)生信息系統(tǒng)，以極力整合醫(yī)療資源。信息化的一個(gè)重要內(nèi)容就是要加速發(fā)展以居民健康檔案為基礎(chǔ)的區(qū)域衛(wèi)生信息化平臺(tái)。區(qū)域衛(wèi)生信息化系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)量大、存儲(chǔ)周期長、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、利用率高等特點(diǎn)，需要借助全新的技術(shù)平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)。云存儲(chǔ)技術(shù)的出現(xiàn)，為區(qū)域醫(yī)療信息化建設(shè)帶來了曙光。本文闡述了云存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展優(yōu)勢和潛在能力，分析了新的技術(shù)環(huán)境下醫(yī)院區(qū)域圖片存檔及通信系統(tǒng)（Picture Archiving and Communication System，PACS）的建設(shè)需求，介紹了基于云存儲(chǔ)技術(shù)的PACS 的基本流程及實(shí)現(xiàn)方式，為醫(yī)學(xué)圖像的獲取、顯示、存儲(chǔ)、傳送和有效管理等問題提供了新的解決途徑。

1 云存儲(chǔ)技術(shù)

醫(yī)學(xué)資源，特別是醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)存檔的集中存儲(chǔ)系統(tǒng)存在無法滿足高訪問量的問題，云存儲(chǔ)的出現(xiàn)為該問題的解決提供了新的方案。云存儲(chǔ)是在云計(jì)算概念上延伸和發(fā)展出來的，對(duì) PACS 的實(shí)現(xiàn)非常重要。云存儲(chǔ)是指通過集群應(yīng)用、網(wǎng)格技術(shù)或分布式文件系統(tǒng)，將網(wǎng)絡(luò)中不同類型的存儲(chǔ)設(shè)備通過應(yīng)用軟件集合起來，共同對(duì)外提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)訪問功能的技術(shù)。云存儲(chǔ)系統(tǒng)是一個(gè)以數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理為核心的云計(jì)算系統(tǒng)：當(dāng)需要對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理時(shí)，云計(jì)算系統(tǒng)就需要配置大量的存儲(chǔ)設(shè)備，那么云計(jì)算系統(tǒng)就轉(zhuǎn)變成了云存儲(chǔ)系統(tǒng)[1-4]。

2 傳統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)

傳統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)由三部分組成：服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、存儲(chǔ)陣列。收到數(shù)據(jù)文件時(shí)，系統(tǒng)先將文件存儲(chǔ)的位置信息錄入數(shù)據(jù)庫，然后再將文件存儲(chǔ)到陣列中；讀取數(shù)據(jù)文件時(shí)，系統(tǒng)先從數(shù)據(jù)庫讀取文件位置，然后根據(jù)指定位置讀取數(shù)據(jù)文件。傳統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)框架，見圖1。這種存儲(chǔ)系統(tǒng)存在以下缺點(diǎn)：

（1）隨著數(shù)據(jù)的增加，數(shù)據(jù)庫內(nèi)容也相應(yīng)增加，則訪問數(shù)據(jù)庫的速度也就越慢，數(shù)據(jù)文件的讀寫速度就越慢。

（2）系統(tǒng)的運(yùn)行依賴個(gè)體設(shè)備性能，而隨著用戶的訪問量的增大，個(gè)體設(shè)備性能將無法滿足相應(yīng)需求。

（3）使用高配置的個(gè)體設(shè)備不利于系統(tǒng)的持續(xù)性能升級(jí)和數(shù)據(jù)量的擴(kuò)容。

圖1 傳統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)框架

3 基于云存儲(chǔ)技術(shù)的區(qū)域PACS

3.1 特點(diǎn)

基于云存儲(chǔ)技術(shù)的區(qū)域 PACS 不使用高性能的單體設(shè)備和數(shù)據(jù)庫，而采用統(tǒng)一的普通 X86架構(gòu)的存儲(chǔ)服務(wù)器作為 數(shù) 據(jù) 的 載 體， 應(yīng) 用 Hash 法 來 構(gòu) 建 索 引 庫 和 文 件 庫[5-7]。接收到數(shù)據(jù)文件時(shí)，由管理服務(wù)器通過 Hash 策略將數(shù)據(jù)分散保存到各個(gè)存儲(chǔ)服務(wù)器上[8]，然后將存儲(chǔ)服務(wù)器的位置信息記錄在管理服務(wù)器索引庫中；當(dāng)客戶端讀取數(shù)據(jù)文件時(shí)，首先從索引庫中讀取存儲(chǔ)服務(wù)器位置信息，然后通過客戶端直接到存儲(chǔ)服務(wù)器中獲取數(shù)據(jù)。基于云存儲(chǔ)技術(shù)的區(qū)域 PACS 框架，見圖 2。該系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)存儲(chǔ)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）通過 Hash 法構(gòu)建的索引庫和文件庫可以將數(shù)據(jù)均衡分散保存到各個(gè)存儲(chǔ)服務(wù)器中，使得數(shù)據(jù)的讀寫速度與數(shù)據(jù)量的大小無關(guān)。

（2）數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)使用戶的訪問也可以分散到各臺(tái)服務(wù)器，這樣就可以保證各服務(wù)器的處理相對(duì)均衡，使用普通的服務(wù)器就可以達(dá)到高效處理的目的。

（3）統(tǒng)一的服務(wù)器架構(gòu)可以方便的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能和數(shù)據(jù)量的升級(jí)，系統(tǒng)需要進(jìn)行擴(kuò)容的時(shí)候只需在原有基礎(chǔ)上追加服務(wù)器，無需調(diào)整原有環(huán)境。

（4）使用普通服務(wù)器可以大大降低數(shù)據(jù)中心的硬件成本。

圖2 基于云存儲(chǔ)技術(shù)的區(qū)域PACS框架

3.2 工作流程

（1）存儲(chǔ)流程。當(dāng)管理服務(wù)收到需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件時(shí)，采取 Hash 法將數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)任務(wù)分配給各存儲(chǔ)服務(wù)器，同時(shí)管理服務(wù)器記錄存儲(chǔ)服務(wù)器的索引信息，流程框架見圖3。

圖3 存儲(chǔ)流程框架

（2）讀取流程。當(dāng)客戶端讀取數(shù)據(jù)文件時(shí)，首先從索引庫中讀取存儲(chǔ)服務(wù)器位置信息，然后由客戶端直接到存儲(chǔ)服務(wù)器中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，具體框架見圖4。

圖4 讀取流程框架

3.3 分級(jí)存儲(chǔ)摸式的實(shí)現(xiàn)

（1）為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，存儲(chǔ)服務(wù)器需要具有高效管理海量文件數(shù)據(jù)的能力，還要具備快速索引文件的能力。為了實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)服務(wù)器的高效管理及快速索引，應(yīng)用Hash 法來實(shí)現(xiàn)樹形結(jié)構(gòu)的文件、目錄的分散分級(jí)存儲(chǔ)摸式，具體框架見圖5。該存儲(chǔ)模式將圖像以檢查目錄為單位進(jìn)行組織并進(jìn)行分類，能夠保證在文件數(shù)量快速增加時(shí)，訪問速度不受任何影響。

圖5 分級(jí)存儲(chǔ)摸式框架

（2）將圖像以檢查目錄為單位進(jìn)行組織并進(jìn)行分類，并不能解決文件服務(wù)器海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的問題。每天從設(shè)備上發(fā)送過來的數(shù)據(jù)巨大，不光是圖像數(shù)量多，檢查量也很大。如果將所有的檢查目錄放在同一級(jí)目錄下，隨著存放的數(shù)據(jù)量越來越多，檢查目錄有可能達(dá)到上百萬個(gè)或更多。這樣再強(qiáng)的操作系統(tǒng)也將無法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，更談不上高效存儲(chǔ)與索引了，較好的方法是用樹形結(jié)構(gòu)將他們分散到各級(jí)子目錄中，將各級(jí)子目錄的數(shù)據(jù)控制在一定數(shù)量內(nèi)（一般各種操作系統(tǒng)每一級(jí)目錄管理的文件或目錄數(shù)量最好＜1000 個(gè)）。

對(duì)于醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)目錄的分級(jí)管理，多數(shù)情況下使用的方法有 ：① 根據(jù)文件寫入服務(wù)器的時(shí)間來進(jìn)行分組，如以年為單位作為1級(jí)目錄，年下面以月為單位作為2級(jí)目錄，月下面再以天為單位作為3級(jí)目錄，3級(jí)目錄下進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)檢查 ；② 在文件服務(wù)器上建立一個(gè)累加器，根據(jù)分級(jí)目錄存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的大小進(jìn)行控制。如果某一級(jí)存儲(chǔ)目錄數(shù)據(jù)超過了累加器控制范圍，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)新建一個(gè)新目錄來存儲(chǔ)新的檢查數(shù)據(jù)。

分散存儲(chǔ)問題解決了，但是如何將這些數(shù)據(jù)重新讀取出來呢？由于使用以上方法創(chuàng)建的目錄都是根據(jù)文件服務(wù)器產(chǎn)生的信息為基礎(chǔ)生成的，外界無法知道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的位置，所以在保存數(shù)據(jù)的時(shí)候需要用數(shù)據(jù)庫來記錄文件索引。該方法可以解決文件服務(wù)器的基本問題，但是效果并不好，首先，文件索引信息和數(shù)據(jù)庫捆綁的很緊，如果數(shù)據(jù)需要遷移或者修改時(shí)，要同時(shí)對(duì)索引庫和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行修改；其次，由于數(shù)據(jù)的查找完全依賴數(shù)據(jù)庫的索引性能，當(dāng)數(shù)據(jù)量越來越巨大的時(shí)候數(shù)據(jù)庫的索引性能將成為文件服務(wù)器性能的瓶頸。

圖6 文件讀寫操作具體流程

為了解決以上問題，我們摒棄上述方法，不使用數(shù)據(jù)庫來記錄索引信息，而是采用文件本身引入的唯一標(biāo)識(shí)來計(jì)算 Hash 值，賦予每級(jí)目錄具體的語意特性。當(dāng)系統(tǒng)接收到圖像文件時(shí)，先進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，然后根據(jù)解析信息對(duì)圖像文件進(jìn)行分組、保存，同時(shí)通知后臺(tái)對(duì)文件進(jìn)行處理；當(dāng)客戶端需要讀取圖像文件時(shí)，服務(wù)器根據(jù)用戶的圖像請求確認(rèn)圖像文件的檢查目錄，然后根據(jù)目錄結(jié)構(gòu)生成信息列表，接著通過服務(wù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送圖像文件到用戶端。文件讀寫操作具體流程，見圖6。

4 結(jié)語

云存儲(chǔ)技術(shù)可解決 PACS實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生的存儲(chǔ)管理和并發(fā)訪問的技術(shù)瓶頸。基于云存儲(chǔ)技術(shù)的區(qū)域 PACS具有明顯的優(yōu)勢 ：① 具有強(qiáng)大的圖像后處理功能 ；② 簡便快速，改變了傳統(tǒng)的病人檢查后須花大量時(shí)間等待醫(yī)生通過膠片進(jìn)行診斷的局面 ；③ 解決了醫(yī)院必須購買昂貴的大型計(jì)算機(jī)和高端存儲(chǔ)系統(tǒng)來管理和存儲(chǔ)海量醫(yī)學(xué)影像文件的困擾?；谠拼鎯?chǔ)技術(shù)的區(qū)域 PACS的應(yīng)用，可有效改善醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量，推動(dòng)我國區(qū)域衛(wèi)生信息化平臺(tái)的發(fā)展[9-12]。

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Brief Analysis of Regional PACS Based on Cloud Storage Technology

GONG Hai1, QIAN Da-yan2, CHEN Guo-qiang1, XU Qiang1
1.The People's Hospital of Jiangyin, Jiangyin Jiangsu 214400, China; 2.Health Bureau of Jiangyin, Jiangyin Jiangsu 214400, China

This paper introduces the concept of cloud storage, analyzes the deficiencies of traditional storage system, and describes the characteristics, basic procedure and implementation method of regional PACS based on cloud storage technology in detail. Different storage devices can work collaboratively through application software with the application of regional PACS, which has improved the quality of medical service effectively.

cloud storage technology; regional PACS; Hash algorithm; management server; storage server; database

TP393.03

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.11.024

1674-1633(2013)11-0070-03

2013-10-15

作者郵箱：13915237388@139．com