醫院影像云存儲的探索及應用

李先鋒，王晨亮，許健，黃黎明，尤超

上海市交通大學醫學院附屬新華醫院 信息管理部，上海 200092

引言

在傳統的醫院信息化建設管理中，對PACS系統的影像存儲通常采用定期不斷地進行存儲擴容的方式[1]。但隨著醫院醫療業務的快速發展，影像設備不斷更新，影像精細度不斷增加，導致圖像數據越來越龐大，據統計每年我院的圖像數據增量高達30 T[2-3]。為此我院探索采用云存儲的方式，將PACS系統進行升級改造，通過將影像資料上傳云端備份存儲的方式，達到減少機房壓力以及數據管理壓力的目的[4]。

1　現有醫院影像存儲架構現狀

1.1　影像設備分布情況

隨著醫院檢查業務的不斷開展，醫院影像設備不斷增加，目前設備包括：3臺磁共振成像機（Magnetic Resonance Imaging，MRI），4臺CT，5臺直接數字化X線攝影系統，2臺數字胃腸造影機，1臺數字乳腺機，22臺超聲設備；14臺內鏡設備，2臺發射型計算機斷層掃描儀、1臺PET-CT、心電系統、病理系統等。這些設備大部分采用DICOM協議傳輸；其中CT、MRI等設備所產生的數據量極大[5]。

1.2　影像存儲架構及描述

全院PACS服務器8臺，提供臨床訪問影像瀏覽節點2500多個。在線存儲近52 T，近線存儲近146 T，存放在PACS存儲器上的累計數據量為198 T。

我院的PACS系統是采用按時間分級存儲管理，使用“在線—近線”的二級存儲架構進行存儲，提供所有年份內的數據在線訪問[3]。兩年之前的數據將遷移至近線存儲。目前我院的影像全部采用磁帶的方式進行備份，系統存在單點故障，并沒有對該數據進行異地容災保護，一旦數據丟失或損壞，后果不堪設想[6]。

2　醫院影像存儲面臨的問題

2.1　影像存儲空間不斷增加

隨著醫院高端影像設備不斷增加，影像的精細程度不斷提升，需要存儲的影像數量不斷增加，存儲影像所需的存儲空間也不斷加大。由于影像數據需要長期保存，醫院需要不斷購買存儲設備來滿足不斷增長的影像存儲需求。如新華醫院每月的影像增量都在2 TB以上，還在不斷增長，導致醫院需要不停投入購買新的高端存儲設備，不僅投資巨大，而且每次擴容的實施難度很大，而性能卻越來越低[1]。

2.2　動態影像存儲需求顯現

由于業務的需要，目前有科室提出存儲動態影像的需求，動態影像對存儲空間的占用非常大，對網絡帶寬也帶來更高的要求，對數據中心的壓力會越來越大，如果多個動態影像同時訪問，很可能會引起訪問服務響應慢等問題[7]。

2.3　目前存在的管理問題

隨著數據不斷增長，在數據管理方面的問題日益凸顯出來，主要表現為：隨著醫院影像設備不斷增加，影像的精細程度不斷提升，需要存儲的影像數量不斷增加，且影像數據需要長期保存，單純依靠本地機房增加存儲設備的方式不僅持續占用醫院物理空間，耗電也不斷增加，造成資金壓力和物理空間的壓力，導致醫院信息化成本的增加；另外系統結構相對落后，容易造成數據丟失[2]，系統穩定性有待提高。

2.4　解決途徑

針對以上問題，我院對現有PACS系統存儲進行重新的部署和調整。在保證醫技科室對影像資料訪問速度不下降的前提下，將兩年之前的影像數據全部自動遷移到云平臺，進行云端的存儲及容災備份。兩年之內的保留在醫院本地的存儲上，依舊擔當調閱任務。為了保證業務數據的安全，數據云端容災備份的解決方法以實現以下目標為前提。

2.4.1實現海量數據文件億級別的云上存儲

隨著IT技術的飛速發展，企業業務信息化的程度也越來越高，而互聯網的發展更是將大量的業務轉移到網上。這樣的局面導致的結果是企業必須應對每時每刻產生的海量數據，如何更好的管理這些數據，更方便廉價地存儲這些數據受到了更廣泛的重視[8]。近年來基于先進的互聯網技術和理念的云存儲獲得飛速發展，正是緣于其能夠解決上述的需求。因為云存儲并不局限固定的物理存儲設備，而是通過強大的互聯網計算能力，將客戶的數據分布存儲在各個可利用的存儲地址[9]。從理論上講可以按需求無限擴容，來滿足客戶對數據的存儲和管理的需求。

對于醫院而言，信息化的飛速發展對數據要求也是越來越高，然而由于醫療業務數據的復雜性，安全性要求而較為特殊。相對而言對新技術、新方法的應用更為謹慎。特別是國內大部分醫院仍然停留在數據留在院內使用的階段，滿足于實現在院內各個科室間交互數據和信息。但是隨著分級診療和醫改的發展，需要醫院更多參與院間的合作，與不同機構進行協作。這需要醫院能夠將更多的數據對外公開，進而對于數據的標準化，數據的質量，數據的安全提出了更高的要求[10]。

于此同時，醫院內部的數據也是飛速增加。其中最為突出的矛盾就是影像科室的數據。如前文提到，新設備，高分辨率，高清的圖像使的原先的存儲方式已經無法滿足發展的需要。醫院為了存儲這些數據每年都要投入大量資金添置硬件設備，設備空間，管理和維護人員。但是其中大部分數據，特別是多年前的數據使用頻率非常低[11]。這種低效率，高成本的存儲方式給醫院的發展造成了沉重的負擔。因此，提供海量數據文件億級別功能的云存儲成為了非常有針對性的解決方案。

2.4.2實現存儲中存量數據文件的快速搬遷

現代云存儲的技術，不但能夠滿足醫院海量存儲的需要。而且網絡技術和帶寬已經可以實現存儲數據文件的快速搬遷。醫院能夠快速的完成數據從本地到云端，以及從云端到本地的雙向傳輸。不僅節約了數據搬遷的成本。更為重要的是當醫院需要利用在云端的數據時，可以得到快速響應[12]。在新華醫院，為了更好的兼顧影像數據使用的便利性和安全性。醫院將根據以往的經驗將數據區別對待，近兩年的數據仍存儲在醫院本地。兩年以上的歷史數據則存儲在云端。對醫院而言，硬件的投入只需要考慮近兩年數據的增加量，而不必負擔龐大的歷史數據的管理存儲負擔。

2.4.3實現后續新增數據的增量同步

醫療服務的一個重要的特點是持續性，病人的各類檢查結果和影像資料源源不斷產生并傳輸到醫院的存儲空間。如果無法很好的對這些新增的數據增量進行同步管理，必然會對臨床業務造成極大的困擾[13]。為此，云存儲的方案提供多種應對方法。首先，近期（兩年內）的數據仍然是存儲在醫院本地，便于醫院頻繁進行管理、調閱、修改、更新。這與傳統的方式沒有根本的區別。同時，在云端，云存儲也提供了完善的同步機制，保證醫院不斷上傳的歷史的（使用頻率較少）數據的同步存儲，在需要時能夠有效的滿足醫院的需求。

2.4.4實現文件屬性的同步備份，保障用戶云災備數據還原后真實可用

云存儲為用戶提供了完整的災備份數據并校驗以及還原功能。由于云存儲時實際的存儲地址是在不同的地方，供應商對這些地址進行統一管理，相對傳統的方式而言，當需要災備時，它可以更快還原備份[14]。于此同時，醫院由于減輕了負擔，可以騰出更多的設備和空間用于近期數據的不同地點存儲，有更多的精力實現災備管理。

2.4.5實現用戶數據的隨時恢復和訪問，保障生產端數據的安全

有了快速轉移數據和新增數據同步管理的強大支持，云存儲在用戶需要時，就能夠及時找到其存儲的數據，并及時提供給需要的用戶。從而保障了生產端數據的安全性。在新華醫院，經過反復的測試，云存儲已經證實能夠很好的響應臨床的需要，保證臨床工作的需求。

2.4.6容災備份服務進行時不能影響醫院業務正常運行

數據的容災備份服務分為兩個層面。在云端，在需要進行容災備份時，其過程完全是在云服務器之間進行數據交換和驗證，從多個不同的存儲地址調閱信息，保證數據的完整性。這種方式不會對醫院的業務產生任何影響[15]。在用戶端，醫院有了更多的資源對近期數據進行管理和維護，可以通過數據存儲在不同的物理地址和多次存儲進行容災備份，更好的支持醫院的臨床業務。

2.4.7積極響應、快速到達的運維服務

新華醫院經過嚴謹的分析，和充分的比較，選擇的云服務商，經驗豐富，技術實力雄厚，達到積極響應，快速到達的運維服務的要求。

3　基于云平臺的醫院影像存儲架構設計

隨著云計算技術不斷發展，將云計算技術與醫院信息化建設相結合是數字醫療的必經之路。在醫院現有IT架構的基礎上，云存儲能為用戶提供可擴展的、安全可靠的存儲服務，且容量可無限擴展，非常適合PACS系統的存儲與容災備份（圖1）。本院將云存儲與PACS系統相結合，探索基于云存儲的PACS存儲架構。

圖1　總體拓撲圖

3.1　總體拓撲圖及描述

醫院利用云平臺架構優勢建立外部數據存儲節點，將PACS系統兩年之前的數據全部遷移至云存儲平臺，并將其作為醫院的同城DC數據中心，并通過萬兆專線鏈路讓PACS系統直接讀取云端數據，以保障數據讀取速度。

3.2　數據訪問策略設計

云存儲是指影像的異地存儲，實現支持在線調閱，從而達到影像永不離線的效果。云存儲采用了最新的持續數據保護智能化處理技術，來實時捕獲所有文件訪問操作。任何一次的文件數據變化都會被自動記錄，達到持續數據保護的效果[15]。

3.3　安全訪問策略設計

3.3.1專線鏈路

災備數據中心點對點裸光纖專線直連醫院數據機房。業務網絡物理隔離公網，保證數據傳輸安全。專線一主一備雙鏈路，當一條鏈路故障，由另外一條鏈路即時接管，提供無中斷的傳輸通道。專線是雙鏈路24芯祼光纖直連，速度快、延時低、高容錯。不會在數據備份時受公網波動影響傳輸速度，也不會受流量所限產生帶寬流量費用[16]。更可以在業務時間段安心使用備份或還原功能而不用擔心出口帶寬的使用。而千兆光纖傳輸速度理論上可以達到80～120 MB/s，那么100 TB的近線數據利用千兆光纖傳輸15～20 d就可以傳輸完成，比傳統數據備份效率高出2～3倍。

3.3.2數據加密

依據國標GB/T 20988-2007《 信息安全技術信息系統災難恢復規范》等級三的容災標準[17]，并配置AES-256位最高級別數據加密及SSL-128傳輸加密等技術手段保障數據在傳輸及存儲過程中數據的安全性，并在備份前后利用MD5技術進行數據校驗，保障備份數據的可靠性。數據在傳輸過程所有對數據的請求都必須通過數據訪問控制策略進行身份驗證，保障了數據在傳輸過程中的安全性。

3.3.3物理安全

在物理設施方面，我們采用有孚網絡的云存儲平臺，其在全國部署有多地數據中心，所有數據中心均通過ISO27001認證，確保物理層面和運維管理方面萬無一失[4]。

4　基于云平臺的醫院影像存儲架構實踐

（1）數據云存儲和校驗。我院已成功通過云平臺將兩年之前的影像數據自動遷移到云端，完成對影像數據的云存儲[8]。目前正在進行數據的校驗工作，具體方案采用人工校驗與機器校驗相結合的方式：① 人工校驗主要針對影像遷移的數據質量進行校驗，并隨機抽樣篩查，每日抽取20～30人的影像數據，進行影像的比對校驗；② MD5機器校驗：利用MD5技術進行數據校驗，保障備份數據的可靠性。

（2）云端影像直接訪問。等數據云存儲校驗完成，將對本地數據進行刪除，并將訪問鏈接指向云端，實現PACS對兩年前影像數據的云端訪問。

（3）本地數據的雙活保護。為進一步保護本地數據，對兩年之內的影像數據將采用雙活的方式進行保護。對超出兩年的本地數據將采取一定的策略自動遷移到云端。

5　結論

云存儲技術具有安全保障，數據加密，自動異地冗余，很低的讀寫延誤和幾乎無限大的擴展性，快速自愈和異地存儲等特點。醫院可運用云存儲技術將本地的影像存儲自動遷出到云端，將醫院的數據備份在云容災備份平臺，保障了數據的穩定、完整和安全，也為醫院解決了硬件運維壓力，通過更小的成本來完成更高效的運營?；谠拼鎯Φ尼t院PACS架構改造和應用是解決海量影像數據存儲安全可靠的有效途徑。

（1）解決影像存儲空間無法彈性使用問題：根據實際影像存儲量按需擴展，解決傳統硬件存儲擴容問題，實現故障自動恢復，保障數據可靠性。

（2）降低影像存儲費用：云存儲服務按需部署，彈性伸縮，根據實際使用量進行計費，既滿足峰值配置要求，又降低自建存儲平臺的成本投入。

（3）數據實時可用性不再受限：專線鏈路接入，保證訪問流暢，保證數據互通共享、便捷使用，醫務人員隨時訪問調閱影像信息不受限。

（4）醫療數據安全保證：通過專線與醫院專有云數據中心相連，達到傳統VLAN相同隔離效果，醫療數據的安全性和保密性大大提高。

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