1、PACS影像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的挑戰(zhàn)

PACS影像數(shù)據(jù)占醫(yī)院信息化數(shù)據(jù)總量的80%以上。隨著CT/MR等檢查設(shè)備分辨率的不斷提高，如CT檢查設(shè)備從早期的64排已經(jīng)發(fā)展到256排，使用人工智能圖像分析術(shù)后將掃描切層從5mm減小到1mm， 這些因素使得醫(yī)院的PACS影像數(shù)據(jù)量急速增加。

急速增長(zhǎng)的PACS影像數(shù)據(jù)量使得醫(yī)院信息化面臨如下嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：

（1）PACS調(diào)圖時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1~2分鐘

十年前，患者檢查產(chǎn)生的圖像大約幾百?gòu)?，醫(yī)生調(diào)閱患者PACS圖像只需要10秒左右。

目前患者一次檢查產(chǎn)生的圖像數(shù)量達(dá)到2000幅以上，調(diào)圖時(shí)間普遍長(zhǎng)達(dá)1到2分鐘。調(diào)圖卡頓是常態(tài)，嚴(yán)重影響了醫(yī)生的工作效率。

（2）存儲(chǔ)架構(gòu)復(fù)雜，擴(kuò)容運(yùn)維困難

目前醫(yī)院普遍采用在線/近線/離線三層架構(gòu)，在線使用SAN存儲(chǔ)，近線/離線使用SAN/NAS或?qū)ο蟠鎯?chǔ)。

SAN存儲(chǔ)設(shè)備擴(kuò)容困難，需要?jiǎng)澐趾芏噙壿嬀?。使用小的邏輯卷，?shù)據(jù)風(fēng)險(xiǎn)小，但盤(pán)符數(shù)量多，而Windows 服務(wù)器對(duì)盤(pán)符數(shù)量又有限制；使用大的邏輯卷，盤(pán)符數(shù)量少，但是數(shù)據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)大，一旦發(fā)生文件系統(tǒng)損壞，檢查修復(fù)時(shí)間會(huì)長(zhǎng)達(dá)幾周。

傳統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備的擴(kuò)展能力有限，醫(yī)院需要不斷購(gòu)買新的存儲(chǔ)設(shè)備，需要不斷做數(shù)據(jù)遷移，存儲(chǔ)架構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)維負(fù)擔(dān)繁重。

2、性能瓶頸分析

PACS系統(tǒng)調(diào)圖涉及到多個(gè)環(huán)節(jié)，包括PACS客戶端軟件、醫(yī)生端電腦、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)設(shè)備，它們都對(duì)性能有重要影響。

（1）PACS軟件

本文不關(guān)注PACS軟件的核心功能，只從PACS軟件調(diào)圖性能角度分析。PACS軟件的并發(fā)度對(duì)調(diào)圖性能有很大影響。比如，用4個(gè)線程同時(shí)調(diào)取4個(gè)圖像文件，其性能就是1線程方式的4倍！

有一些廠商的舊版本PACS軟件是單線程模式，這時(shí)PACS軟件就是系統(tǒng)的主要性能瓶頸。對(duì)于這種場(chǎng)景，升級(jí)PACS軟件就成為必須要做的工作。

（2）醫(yī)生端電腦

醫(yī)生端電腦硬件配置對(duì)PACS調(diào)圖性能也有一定影響。如果啟用了AI輔助分析，則CPU/GPU的配置對(duì)性能就很關(guān)鍵。

由于每位患者的PACS影像數(shù)據(jù)量都比較大，無(wú)法全部存儲(chǔ)在內(nèi)存，因此PACS軟件都會(huì)把下載的PACS文件先寫(xiě)入本地硬盤(pán)，再?gòu)谋镜赜脖P(pán)讀取，本地盤(pán)的讀寫(xiě)性能往往會(huì)成為瓶頸。

醫(yī)生端電腦使用SSD固態(tài)盤(pán)會(huì)顯著提升性能。

（3）網(wǎng)絡(luò)帶寬

從網(wǎng)絡(luò)角度看，只要做到千兆到桌面，萬(wàn)兆到核心，網(wǎng)絡(luò)就不會(huì)成為性能瓶頸。

PACS服務(wù)器到網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備之間數(shù)據(jù)流量比較大，應(yīng)使用萬(wàn)兆以太網(wǎng)，而不是千兆以太網(wǎng)，否則網(wǎng)絡(luò)也會(huì)成為性能瓶頸。

（4）存儲(chǔ)設(shè)備

在大多數(shù)場(chǎng)景下，PACS系統(tǒng)的調(diào)圖性能瓶頸主要在于存儲(chǔ)設(shè)備，而不在于PACS軟件。目前普遍30~50幅/秒的調(diào)圖速度就是傳統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備的正常性能。

使用SAN存儲(chǔ)設(shè)備時(shí)，承擔(dān)數(shù)據(jù)管理功能的文件系統(tǒng)運(yùn)行在Windows 服務(wù)器上，該服務(wù)器往往會(huì)成為性能瓶頸，大幅增加該服務(wù)器的內(nèi)存會(huì)改善性能。

3、新一代PACS影像存儲(chǔ)解決方案

上海霄云信息科技是國(guó)內(nèi)軟件定義分布式存儲(chǔ)的引領(lǐng)者，為醫(yī)療PACS影像帶來(lái)了創(chuàng)新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案。

碧海分布式存儲(chǔ)通過(guò)萬(wàn)兆以太網(wǎng)接入數(shù)據(jù)中心，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無(wú)需調(diào)整。碧海分布式存儲(chǔ)所有功能都采用冗余設(shè)計(jì)，避免單點(diǎn)故障，保證高可用。具有獨(dú)有的智能自適應(yīng)修復(fù)技術(shù)，在磁盤(pán)發(fā)生故障進(jìn)行數(shù)據(jù)修復(fù)時(shí)可以保障業(yè)務(wù)性能不受影響。

新的方案具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）性能優(yōu)異，PACS影像調(diào)圖速度提升3倍以上

碧海分布式存儲(chǔ)的性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)集中式SAN和NAS存儲(chǔ)，也高于某國(guó)際高端集群存儲(chǔ)Ixxxxx。PACS影像調(diào)圖速度可達(dá)到300幅/秒。

（2）一套存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)全部在線

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，碧海分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)能夠做到百億級(jí)文件性能衰減小于5%（傳統(tǒng)存儲(chǔ)可管理文件數(shù)在億級(jí)，Hadoop大數(shù)據(jù)平臺(tái)可管理文件數(shù)在10億級(jí)）。

對(duì)于PACS影像數(shù)據(jù)，100TB對(duì)應(yīng)的文件數(shù)量約為2億。目前國(guó)內(nèi)大型三甲醫(yī)院的歷史PACS影像數(shù)據(jù)一般在500TB左右，文件數(shù)約為10億。

因此，使用碧海存儲(chǔ)可以將幾十年的PACS影像數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)到一套存儲(chǔ)，PACS系統(tǒng)的存儲(chǔ)架構(gòu)得以極大簡(jiǎn)化，擴(kuò)容與運(yùn)維負(fù)擔(dān)大幅減輕。

（3）國(guó)產(chǎn)自主研發(fā)，非開(kāi)源存儲(chǔ)軟件，技術(shù)先進(jìn)

碧海分布式存儲(chǔ)是如何實(shí)現(xiàn)高性能的呢？

分布式元數(shù)據(jù)管理

碧海分布式存儲(chǔ)使用創(chuàng)新的技術(shù)，基于NoSQL分布式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)管理分布式文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)，消除了傳統(tǒng)集中式存儲(chǔ)的單點(diǎn)性能瓶頸。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，能夠存儲(chǔ)百億級(jí)以上的文件。

針對(duì)PACS海量小文件的定制優(yōu)化

碧海分布式存儲(chǔ)針對(duì)PACS小文件進(jìn)行了深度定制優(yōu)化，減少了小文件元數(shù)據(jù)規(guī)模，對(duì)于PACS影像等小文件場(chǎng)景，文件數(shù)可壓縮到1/100；將小文件的讀寫(xiě)合并后寫(xiě)盤(pán)，大幅提高了小文件讀寫(xiě)性能。

高效SSD緩存設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的SAN/NAS的SSD緩存方式在塊設(shè)備底層實(shí)現(xiàn)，無(wú)法獲得文件層的信息，比如哪些內(nèi)容是目錄，哪些是文件元數(shù)據(jù)inode等，只有當(dāng)數(shù)據(jù)被反復(fù)多次訪問(wèn)時(shí)才會(huì)保持在SSD中，因此SSD緩存的命中率比較低。

碧海分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中融入了SSD緩存設(shè)計(jì)，將目錄數(shù)據(jù)、文件元數(shù)據(jù)、熱點(diǎn)數(shù)據(jù)全部保持在SSD中，大幅提高了SSD緩存的命中率，從而能夠在節(jié)省成本的前提下大幅提高讀寫(xiě)性能。

對(duì)象和文件互通訪問(wèn)，性能無(wú)衰減

碧海分布式存儲(chǔ)的底層使用統(tǒng)一方式管理數(shù)據(jù)，文件和對(duì)象無(wú)需轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)就能夠互通訪問(wèn)，對(duì)象的讀寫(xiě)性能和文件一樣優(yōu)異，突破了對(duì)象存儲(chǔ)性能低的局限。

4、實(shí)踐案例

上海市胸科醫(yī)院是國(guó)內(nèi)最大的胸外科三甲醫(yī)院，所有的檢查與診斷都需要拍片，對(duì)PACS系統(tǒng)的調(diào)閱要求高于很多綜合性大型三甲醫(yī)院，每年新增PACS數(shù)據(jù)量壓縮后達(dá)到80TB。

之前使用高端存儲(chǔ)HP 3Par，PACS影像調(diào)圖速度為50幅/秒，影像科復(fù)核醫(yī)生在閱片時(shí)會(huì)發(fā)生卡頓。

為了更好地支持一線醫(yī)生的工作，上海市胸科醫(yī)院信息科不斷探索引進(jìn)新的先進(jìn)技術(shù)，組織PACS廠商衛(wèi)寧健康與霄云科技一起分析攻關(guān)，PACS軟件也進(jìn)行了深度優(yōu)化，增加了多種調(diào)圖模式，并針對(duì)分布式存儲(chǔ)的特點(diǎn)提高了并發(fā)調(diào)圖線程數(shù)。

新的方案獲得顯著的提升效果。調(diào)圖速度達(dá)到300幅/秒，1000幅的CT圖像可在4秒內(nèi)調(diào)閱完畢。影像科復(fù)核醫(yī)生每天審核的報(bào)告數(shù)提升了50%。

碧海分布式存儲(chǔ)上線2年之后，將歷史影像數(shù)據(jù)全部遷移到碧海分布式存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了一套存儲(chǔ)數(shù)據(jù)全部在線。截至2022年3月，在線數(shù)據(jù)量達(dá)到400TB，文件數(shù)達(dá)到9.4億。

權(quán)威第三方測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)在醫(yī)院現(xiàn)場(chǎng)對(duì)PACS影像調(diào)圖性能進(jìn)行了評(píng)測(cè)，結(jié)果如下：

審核編輯：符乾江