杉巖PACS影像系統(tǒng)分布式存儲架構(gòu)

該醫(yī)院創(chuàng)建于1999年，是深圳市政府投資建成的集醫(yī)療、教學(xué)、科研和預(yù)防為一體的現(xiàn)代化三級綜合性醫(yī)院。2017年通過三級甲等醫(yī)院復(fù)審。2018年，醫(yī)院年門急診總量約292萬人次，年出院病人近7.4萬人次，年手術(shù)量4.9萬臺次。 該院在深圳有較高的知名度和認(rèn)可度。

行業(yè)挑戰(zhàn)

隨著該醫(yī)院門診量的爆發(fā)式增長，放射科等科室新增了大量影像采集設(shè)備，PACS存儲了大量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，原有的存儲系統(tǒng)面臨如下挑戰(zhàn)：

l??訪問性能不足

大批影像采集設(shè)備產(chǎn)生的海量影像圖片需要經(jīng)過PACS的并發(fā)處理與存儲，會導(dǎo)致現(xiàn)有存儲面臨較大的性能壓力，并影響臨床科醫(yī)生調(diào)閱影像速度。

l??數(shù)據(jù)增長快，數(shù)據(jù)量大

影像文件每月新增數(shù)量接近1千萬，每年增長量達(dá)到上億，存儲空間高達(dá)PB級，且文件保存時間要求不低于15年，傳統(tǒng)存儲無法滿足需求。

l??數(shù)據(jù)無分級和歸檔

此前PACS系統(tǒng)設(shè)置的歸檔存儲設(shè)備品牌種類多，無統(tǒng)一的數(shù)據(jù)生命周期管理，需要存儲系統(tǒng)根據(jù)性能和容量的不同進(jìn)行合理分級和歸檔，滿足法規(guī)遵從要求。

l??影像文件無法實時調(diào)閱

此前影像存儲系統(tǒng)支持6個月內(nèi)的影像數(shù)據(jù)調(diào)閱，如超出6個月，臨床科醫(yī)生無法及時甚至不能調(diào)閱歷史影像文件，進(jìn)而影響看診效率，急需高效、智能的存儲系統(tǒng)滿足業(yè)務(wù)需求。

l??信息需集中管理和共享

此前PACS只能把處理好的影像手工復(fù)制到影像發(fā)布系統(tǒng)，并提供給臨床科醫(yī)生進(jìn)行調(diào)閱診斷，其他科室的數(shù)據(jù)存儲在各科室工作站，信息無法集中管理和共享。

解決方案

基于此，醫(yī)療單位必須通過升級傳統(tǒng)存儲架構(gòu)及數(shù)據(jù)調(diào)用模式，才能應(yīng)對當(dāng)下對于快速擴張的存儲的需求。經(jīng)過多次的行業(yè)調(diào)研及產(chǎn)品對比測試，該院最終采用杉巖數(shù)據(jù)分布式對象存儲解決方案，架構(gòu)如下圖所示：

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底層存儲改造成云存儲池架構(gòu)，并異構(gòu)原有的傳統(tǒng)存儲，進(jìn)行統(tǒng)一管理。影像發(fā)布系統(tǒng)直接讀取熱存儲池近一年的影像數(shù)據(jù)，并且無需生產(chǎn)PACS進(jìn)行影像復(fù)制，節(jié)省存儲資源，并加快了PACS系統(tǒng)和發(fā)布系統(tǒng)的運行效率。其他科室（皮膚科等）的文檔統(tǒng)一采用seafile文檔管理系統(tǒng)進(jìn)行集中管理和共享，數(shù)據(jù)集中存儲在溫存儲池。云存儲池可以直接設(shè)置歸檔策略，無需上層系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分級歸檔。

相關(guān)容量方案設(shè)計：

此前該三甲醫(yī)院PACS系統(tǒng)一天產(chǎn)生30萬張影像，每張CT圖像大小為500K，每張DR、胸片大小為12M。一天增長近200G的數(shù)據(jù)量，一年增長高達(dá)72T。

生產(chǎn)PACS系統(tǒng)歷史歸檔數(shù)據(jù)總量為150T，其他科室（皮膚科、婦產(chǎn)科、神經(jīng)內(nèi)外科等）需要30T存儲空間進(jìn)行集中存儲和管理。云存儲裸空間需求為500T （熱存儲池裸容量200T, 溫存儲池250T,光存儲池50T），底層數(shù)據(jù)采用副本或糾刪的保護(hù)機制保障數(shù)據(jù)的安全。

最新設(shè)計的分布式存儲方案中，熱池和溫池分別按照存放1年和2年的數(shù)據(jù)進(jìn)行容量設(shè)計，即19年數(shù)據(jù)直接寫入熱池， 17年到18年兩年的數(shù)據(jù)直接遷移至溫池，17年以前的數(shù)據(jù)直接歸檔遷移到光存儲。數(shù)據(jù)在磁盤存儲停留3年之后，離線歸檔到冷存儲（光存）。按照目前的統(tǒng)計，該院每年新增約80TB影像數(shù)據(jù)，按照存放時間，熱池和溫池分別設(shè)計100TB和200TB的可用空間，后續(xù)業(yè)務(wù)增長，只需擴容光存儲即可。如果因業(yè)務(wù)增長，每年數(shù)據(jù)增速提高，則按需求和比例對熱、溫、冷進(jìn)行擴容。

存儲設(shè)備的最終裸容量P的計算應(yīng)該綜合考慮業(yè)務(wù)可用容量需求p，硬盤折損率r,以及副本或糾刪碼（4+1）的可用空間率s，其中，硬盤折損率r的計算公式為：r=(1000/1024)4 = 0.91

兩副本的可用空間率s1：s1=1/2=0.5；糾刪碼的可用空間率s1：s2=4/5=0.8

裸容量P和可用容量p，以及硬盤折損率r，糾刪碼可用空間率s之間的關(guān)系是：p=P*r*s

因此裸容量（按硬盤廠商的規(guī)格計算）可用通過如下公式進(jìn)行計算：P=p/(r*s)

按一年的數(shù)據(jù)增長量為72T-80T，并且考慮到未來影像數(shù)據(jù)的增加和影像清晰度的要求，影像需調(diào)閱原圖。 PACS系統(tǒng)規(guī)劃的熱存儲池可用容量100T（保存一年的數(shù)據(jù)），由于讀寫性能要求比較高，建議采用兩副本存儲方案。而且主要是小文件頻繁讀寫，為了綜合考慮成本，存儲主要采用SATA機械盤，利用兩塊SATA SSD做一些關(guān)鍵元數(shù)據(jù)存儲加速。

熱存儲池的可用容量計算公式如下：200T*0.91*0.5=91T

溫存儲池由于讀寫性能要求沒有熱存儲池高，采用EC糾刪碼存儲方案，另外其他科室（皮膚科等）的數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲在溫存儲池，存儲服務(wù)器可以考慮多盤位的服務(wù)器，降低存儲硬件成本。

可用空間計算公式：250T*0.91*0.8=182T（保存兩年數(shù)據(jù)），冷存儲池（光存儲）的可用空間為50T。

方案價值

通過此次方案改造，借助杉巖數(shù)據(jù)的海量對象存儲（SandStone MOS）解決方案，充分利用原有存儲設(shè)備，將PACS影像系統(tǒng)的文件存儲替換成SandStone MOS，生產(chǎn)系統(tǒng)將文件存儲在一個易擴展、容量大的存儲池，簡化架構(gòu)，便于統(tǒng)一管理和運維監(jiān)控。將1年的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到更低成本的硬件上；2年以上的數(shù)據(jù)歸檔到藍(lán)光存儲上永久保存，滿足法規(guī)15年以上保留要求。通過納管原有存儲系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中管理和無縫遷移。系統(tǒng)采用哈希計算替代索引查找訪問文件，在數(shù)據(jù)存儲方面采用創(chuàng)新性的文件合并方式，優(yōu)化了小文件的訪問性能。SandStone MOS內(nèi)置檢索引擎，打破數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，大大提升了PACS的運行效率。