【毕业设计】医院pacs系统存储方案的设计与实施

学号4109005014泰山医学院毕业设计（论文）题目医院PACS系统存储方案的设计与实施院（部）系放射学院所学专业生物医学工程年级、班级09级1班完成人姓名王琪指导教师姓名专业技术职称鲁雯教授2013年6月10日论文原创性保证书我保证所提交的论文都是自己独立完成，如有抄袭、剽窃、雷同等现象，愿承担相应后果，接受学校的处理。专业生物医学工程班级一班签名2013年月日摘要近年来随着数字成像技术、计算机技术和网络技术的发展，图像存储与传输系统（PICTUREARCHIVINGANDCOMMUNICATIONSYSTEMS，PACS）已经成为影像科室的必然选择。同时由于医院需要长时间保存医学数字化影像、以较短的等待时间调阅任意时间的历史影像资料，并且医学数字化影像文件大、不允许使用有损压缩算法，使得医学数字化影像海量存储成为PACS十分重要的组成部分。它不仅关系到检索的方便程度，也关系到医院投资的大小。所以在建立PACS时，存储方案设计和存储介质选择，必须事先全面规划。存储方案的设计需要全面考虑到数据存储量、保存年限、调阅频率、数据库管理等多方面因素，这样才能建立出具有高性能价格比、高可扩展性并且安全可靠的海量图像存储系统。本论文的内容是来自所在实习单位天津市朗威科技发展有限公司关于建立医院PACS系统数据安全存储方案的需求，简要介绍了PACS系统，并根据医疗行业的特点，提出了一个适合PACS系统的海量存储方案，包括存储架构的选择、数据存放模式的确定、存储级别的划分和各级存储介质的确定以及与之对应的管理程序包括备份、恢复、归档、备份检索和监听报警功能的实现。关键字PACS；医学影像数据；海量存储；备份；归档ABSTRACTINRECENTYEARS,ALONGWITHTHEDIGITALIMAGINGTECHNOLOGY,COMPUTERTECHNOLOGYANDNETWORKTECHNOLOGYDEVELOPMENT,IMAGESTORAGEANDTRANSMISSIONSYSTEMPICTUREARCHIVINGANDCOMMUNICATIONSYSTEMS,PACSHASBECOMETHEINEVITABLECHOICEOFIMAGEDEPARTMENTANDBECAUSETHEHOSPITALNEEDLONGTIMETOSAVETHEMEDICALDIGITALIMAGEATANYTIME,WITHASHORTERWAITINGTIMEREADTHEHISTORYOFTHEIMAGEDATA,ANDMEDICALDIGITALIMAGEFILES,NOTALLOWEDTOUSELOSSYCOMPRESSIONALGORITHM,ANDMAKESTHEMEDICALDIGITALIMAGEMASSSTORAGEBECOMEVERYIMPORTANTPARTOFPACSITNOTONLYRELATESTOTHECONVENIENCEOFRETRIEVAL,ANDALSORELATEDTOTHESIZEOFTHEHOSPITALINVESTMENTSOWHENESTABLISHINGPACSSTORAGESOLUTIONDESIGNANDSTORAGEMEDIUMCHOICE,MUSTCOMPREHENSIVEPLANNINGINADVANCESTORAGESOLUTIONDESIGNNEEDSTOCOMPREHENSIVECONSIDERTHEFREQUENCYOFDATASTORAGE,SAVELIFE,READ,DATABASESMANAGEMENTANDSOONVARIOUSFACTORS,SOASTOCREATEAHIGHPERFORMANCERATIO,HIGHSCALABILITYANDSECURITYRELIABLEMASSIMAGESTORAGESYSTEMTHECONTENTOFTHISPAPERISFROMTHEINTERNSHIPUNITSOFTIANJINLANWAYTECHNOLOGYDEVELOPMENTCOMPANY,LTDONESTABLISHINGAHOSPITALPACSSYSTEMDATASECURITYREQUIREMENTSOFSTORAGESOLUTION,THISPAPERBRIEFLYINTRODUCESTHEPACSSYSTEM,ANDACCORDINGTOTHECHARACTERISTICSOFTHEMEDICALINDUSTRY,PUTFORWARDAMASSSTORAGESCHEMEFORPACSSYSTEM,INCLUDINGTHESELECTIONOFSTORAGEARCHITECTURE,THEDATASTORAGEMODE,STORAGELEVELSOFCLASSIFICATIONANDDETERMINATIONOFTHESTORAGEMEDIAATALLLEVELSANDTHECORRESPONDINGMANAGEMENTPROCEDURESINCLUDINGBACKUP,RESTOREBACKUP,ARCHIVING,RETRIEVALANDMONITORINGALARMFUNCTIONKEYWORDSPACSMEDICALIMAGEDATAMASSSTORAGEBACKUPTHEARCHIVE目录第一章绪论11PACS系统简介111PACS系统的产生112PACS系统组成213PACS系统效益314医疗行业的特点及其对PACS系统存储的要求42本课题的主要内容53本论文的具体安排54课题的研究641课题研究范围642课题意义6第二章存储系统的相关原理71PACS存储系统简介72国内外研究现状与发展方向821国内外研究情况822发展方向9第三章存储方案的设计实施101现存的存储方案102存储介质的选择113存储方案设计1231系统存在的问题1232存储方案124存在的问题和解决方法155数据备份系统的实现1951备份的设置1952恢复操作22第四章总结和展望241PACS存储系统的总结242PACS数据存储系统的展望25参考文献26致谢27第一章绪论1PACS系统简介PACS系统是PICTUREARCHIVINGANDCOMMUNICATIONSYSTEMS的缩写，意为图像存储与传输系统。是对数字医疗设备所产生的数字化医学图像信息进行采集、存储、管理、诊断和信息处理的综合应用系统。它以高速计算机设备为基础，通过高速网络联接各种影像设备和相关科室,利用高容量磁、光存储技术，以数字化的方法存储、管理、传送和显示医学影像及其相关信息，具有影像质量高，存储、传输和复制无失真，传送迅速，影像资料可共享等突出的特点，是现代医学影像信息管理的重要条件之一，而存储部分则是其中十分重要的一个组成部分。11PACS系统的产生自从伦琴1895年发现X射线以后，X射线就被用于对人体检查以及物体的探察，对于人体主要用于疾病诊断，因而形成了放射诊断学的新学科，并奠定了医学影像学的基础。至今放射诊断学仍是医学影像学中的主要内容，应用非常广泛。50年代到60年代开始应用超声成像和Y闪烁成像。近20多年来，医学影像学成为了现代临床医学发展最为迅速的学科之一，由单一的X射线成像透视、摄像及造影扩展为包括超声B型、多普勒超声及CDFI等、放射线核素成像经历了点阵扫描、Y照相、SPECT和PET的发展阶段，X射线CT按其问世的先后排列，包括头部CT、全身CT、电子束CT、螺旋CT及多层螺旋CT等类型、核磁共振包括磁共振成像MRI、磁共振波谱MRS和功能磁共振FMRI、数字化成像DSA、CR、DR、PACS系统等多种影像技术，医学影像的地位已从“临床辅助检态手段”发展成为临床疾病诊断的主要方法之一。同时，现代医学影像诊断与治疗相结合形成的介入影像学，以其创伤轻、操作简便、疗效显著、价格低廉等优点，已经成为传统的外科手术、内科化学治疗并立的第三种主要治疗手段。这样经过近100年的时间形成了包含X线诊断的综合性医学影像诊断学。许多医院在过去的十多年期间，引进了大批量进口的先进医学图像设备，这对提高诊断水平，加强医院管理起到了积极的作用。但是由于资金的困扰及仪器设计水平的限制，大多数医学图像设备都没有考虑到图像存储和传输功能，充其量配置一部激光胶片打印机或X光胶片作图像记录。医生的诊断是通过对仪器屏幕图像或胶片进行肉眼观察，凭个人的经验进行分析和诊断，诊断结论往往主观成分比较多。然而随着电子计算机技术，特别是多媒体技术的飞速发展，使医学图像的存储和传输成为可能，尤其是大容量硬盘、图像信息压缩技术、可读写光盘的使用，使医学图像可以实现大容量存储。DICOM30标准的制定使医学图像及各种数字信息在计算机间的传送有了一个统一的标准，通过医疗设备的数据接口与互联网接通，就可以进行医学图像信息的远程传输，实现异地会诊。PACS系统则在此基础上应运而生，它实现了医学图像的采集、显示、存储、交换和输出功能并且可以进行数字化处理，在节省存储空间、胶片、显影剂和套药的同时，实现高效化的管理。PACS是临床医学、医学影像学、数字化成像技术与计算机技术、网络通讯技术结合的产物，它将医学信息转化为计算机能够识别的数字形式，通过计算机和网络通讯设备，完成对医学图像及相应信息的采集、存储处理和传输等功能，使医学信息资源得以共享，并充分应用。从临床医师的角度，PACS也可以理解为电子病案管理系统的主要组成部分。它使临床医师能够迅速、准确地获得所需要的医学影像信息及其相关的医学影像诊断报告、病历资料、病情记录、临床检查报告、治疗记录等信息，并且可以查询与该医学影像相关的多种影像设备的图像信息，以便对医学影像做全面综合分析，做出正确诊断或者拟定恰当的治疗方案。12PACS系统组成下图为PACS系统结构图13PACS系统效益PACS是计算机网络技术及影像处理技术在临床医学上的重要应用，是医学影像诊断领域的一场革命。它不仅提高了医学影像保存的质量，为临床和教学工作提供了更可靠的保证，还实现了极低成本的远科会诊功能，实现了广大区域内的电子病历和电子影像的传递，并实现远程医疗服务，这使得医疗服务的综合水平将得到空前的提高。除此之外，PACS系统更极大的提高了医院的管理水平，RIS/PACS系统深入到从登记、图像存储到报告、统计信息等影像科室工作的每个环节，提高了工作效率，减少人为误差，是医院实现规范化管理、进行质量控制的必备条件。PACS系统采用数字化影像技术，利用大容量存储管理方式和光盘永久存储医学影像实现无胶片化管理，节省大量的胶片费用。根据科学计算，光盘存储成本是胶片成本的1/88，仅此一项，每年就可以节省30万元到60万元的日常消耗以日工作量30人次计算，同时可以节省大量的存片空间。以下为一个典型案例某医院有2台CT平均每日应诊量为100人次，假定平均每人每次需要拍摄2张胶片患者、存档备一张，在使用PACS系统之前，每年用于CT胶片的费用是E1PFPMPC10023651005051002365803000元（PF每张胶片的平均价格、PM每张胶片的洗片费用、PC每张胶片的袋装费）；如果使用PACS系统，按照该医院的业务量，每天大约需要一张光盘用于影像存储，大约可以节省50的胶片，因而使用PACS后的上述费用可以使用下面的方法计算E2PCD365EME1/21220365100000803000/2508800元（PCD每张光盘的价格、EMPACS系统年维护费用）。因而，PACS系统每年为该医院带来的直接经济效益可以用下面的方法计算PE2E1803000508800294200元。另外，PACS还很好的实现了院内数据传递，缩短患者候诊时间。建立PACS后，影像数据经过采集，临床医生可以立刻通过网络获得患者的影像信息，及时地做出诊断，从而极大限度地缩短了患者的就诊时间，提高整个医院的工作效率。因此，使用PACS系统可以极大地提高医院的管理水平，有效地改善小城市或边远地区缺乏专业医疗支持的现状，大量节省医院的日常消耗，全面改善各地区医疗技术水平分配不均的情况，是一件利国利民的好事。在医疗服务需求不断增长的今天，PACS的优越性最终将有利于提高医疗质量，缩短患者在医院的滞留时间，从而为医院和患者带来显著的经济效益和社会效益。14医疗行业的特点及其对PACS系统存储的要求第一，医学影像文件占用大量磁盘空间，PACS需要支持高达几十TB的海量存储管理。因为数字化医疗影像文件要用于诊断，为了保证诊断准确性，就必须达到一定分辨率和灰度值。下表是由放射医疗专家确定的符合诊断要求的数字化影像的分辨率与灰阶深度基本要求。由此可以推算出一个三级甲等医院的日图像产生量大约310GB，每年产生图像大约14TB，如表11所示。由于诊断的要求，对图像不能进行大比例的有损压缩。只能进行12或13的无损压缩。医疗影像文件需要长时间保存，通常医疗图像需要保存1020年，以便于患者和医生的调阅，而一些特殊病例需要保存更长时间，因此PACS系统存储方案必须满足海量存储管理的需要。表11数字化影像分辨率与灰阶深度的基本要求影像类型空间分辨率（像素数）灰阶深度（BITS）图像大小（MB）X线胸片或CR至少20482048128乳房照相至少409640961232CT512512121/2MRI512512121/2B超（冻结像）51251281/4血管造影（静态像）1024102481核医学25625681/16第二，影像调阅响应速度要求苛刻。和其它系统类似，用户不可能忍受较长时间的响应等待。因此，要求系统建有高效的存储索引，使用高速存储介质并且尽量平衡网络的负载，最高效率的利用网络。第三，图像增长速度快。由于医疗影像设备层出不穷，随着医疗现代化的临近，医院的医疗设备越来越多，医疗图像必将以更快的速度不断增长。这要求PACS存储系统必须具有无限扩展能力，可以根据需要随时扩充。由于硬件的不断发展，这同时可以节常省用户大量投资。另外，系统必须可以在不停机的情况下进行容量扩充，扩充应该简便、易操作。第四，信息存储必须安全稳定。系统必须提供完备的备份恢复和容灾方案，并且采用一定的机制保证数据的安全。2本课题的主要内容本课题是主要介绍了PACS存储方案的选择和实现的主要工作，包括存储方案的设计和PACS系统存储管理子系统的实现。存储方案的设计包括存储架构的选择和存储产品的选择两方面。目前存在的存储架构有SASSERVERATTACHEDSTORAGE，服务器附属存储、DASDIRECTATTACHEDSTORAGE，直接附属存储、SANSTORAGEAREANETWORK，存储区域网、NASNETWORKATTACHEDSTORAGE，网络附加存储等。在存储产品的选择方面，常见的存储产品有磁盘阵列、磁带库、光盘塔/库等。PACS系统存储管理子系统包括存储服务器信息维护；介质信息维护介质指图像存储单位，一个介质占有一定火小的空间，是备份、恢复、删除、归档等操作的数据单位，充满后不允许有其它添加和修改操作所以备份以后不需要重新备份；在线、近线数据检索；离线数据检索；数据备份、恢复、下载、归档、删除；介质监视；容量监视；制动规则设置；日志工具等功能。3本论文的具体安排第一章绪论主要介绍论文的工作背景包括PACS系统产生给医院带来的效益，系统的组成和对存储系统的要求和主要工作。同时说明文章总的结构，各章叙述的问题以及这个课题的意义和所包括的范围等。第二章相关知识主要介绍国内外研究开发的现状及主要的热点和难点。说明目前类似系统的其他开发方式以及各系统之间的比较和各自的特点。简单介绍系统开发中用到的基础知识。第三章存储方案设计与实施详细说明存储方案的设计过程，通过分析各种存储方案、存储介质和存储模式的特点，结合医疗影像数据特点的要求，设计一套满足需求的存储方案，并且明确系统采用的结构和开发模式。第四章总结和展望总结本文主要论述的问题和自己的工作，同时论述一下对课题的进一步考虑。4课题的研究41课题研究范围PACS存储方案的选择和实现就是根据医疗行业的特点，提出一个适合于PACS系统的海量存储方案，包括存储架构的选择、数据存放模式的确定、存储级别的划分和各级存储介质的确定以及与之对应的管理程序包括备份、恢复、归档、备份检索和监听报警功能的实现。42课题意义近年来随着数字成像技术、计算机技术和网络技术的发展，PACS系统已成为影像科室的必然选择。同时由于医院需要长时间保存医学数字化影像，以较短的等待时间调阅任意时间的历史影像资料，并且医学数字化影像文件大，不允许使用有损压缩算法，使得医学数字化影像的海量存储成为PACS十分重要的组成部分，可以说，从PACS诞生的那天起，人们就致力于探索最经济、可靠的图像存贮方式。因此，PACS存储系统的设计和实现是PACS系统的一个重要组成部分。它不仅关系到检索的方便程度，也关系到医院投资的大小，所以在建立PACS时，存储方案设计和存储介质选择，必须事先全面规划。存储方案设计需要全面考虑到数据容量、保存年限、调阅频率、数据库管理等多种因素，这样才能建立高性能价格比、可扩展性好、较为安全可靠的海量图像存储系统。第二章存储系统的相关原理影像存储ARCHIVING是PACS的基本任务及功能要求。由于存储管理模式和应用设备的选择对系统的响应速率有着显著的影响，同时影像存储设备及其管理系统部分也是影响PACS总体投资的主要因素，因此对PACS系统存储管理设备的规划应该予以相当的重视。1PACS存储系统简介典型的PACS存储模式和管理流程通常分在线ONLINE、近线NEARLINE和离线OFFLINE三种。因此在规划PACS系统时要求系统提供数据在上述三种存储管理模式间迁移过程中的控制和维护功能，最好能够具有自动执行和管理能力，这是PACS数据存储管理的基本要求。通常情况，在线存储用磁盘阵列实现，一般采用RAID5方式，以提供良好的容错能力、较高的数据读取速率及最大的磁盘空间利用率。近线存储目前多采用光盘库CD/DVDJUKEBOX或磁带库DLTJUKEBOX实现。磁带库存储管理对环境要求较高，为保证数据存储的可靠性和良好的读取能力，可能需要对数据磁带执行定期的转录和重写操作。影像数据处于在线或近线存储时可以执行不需人工介入的自动查询和影像自动迁移、转存操作，离线存储指影像数据存储媒质单元如光盘、磁带等被放置于与系统分离的存放位置，系统不能执行离线存储媒质上的影像数据的自动读取操作过程，需要人工介入操作。目前流行的PACS系统存储架构为“磁盘阵列光盘库或磁带库”模式，这种模式比较好地兼顾了近期影像数据的快速响应能力、中远期影像的自动读取操作能力和对投资水平实施适当控制这三方面的要求。在线存储成本较高，应根据用户的投资水平设计合适的在线存储时间段，从而完成最贴近医院实际情形的PACS存储管理解决方案。近年来，随着磁盘阵列成本价格的显著降低，尤其是性价比较好的“SCSITOIDE”模式磁盘阵列在技术上的成熟，为PACS存储方案提供了一个非常具有吸引力的选择。医院现在可以刚接近普通PC存储的投资，获得性价比非常高的磁盘阵列在线存储，基于这类磁盘阵列，医院可以从容的规划PACS系统的“完全在线”存储方案，即能够以逐年扩展在线存储磁盘阵列容量的方式，真正实现所有影像全部处于在线状态，为系统的快速响应能力提供完全的保障。同时，因为所有影像均为在线状态，仅需配置简单的光盘刻录设备CD/DVDR作为影像数据“备份”解决方案即可，省去传统PACS存储方案中昂贵的光盘库或磁带库投资，使系统整体投资水平和执行效率可以同时优化。因此，许多PACS系统在线存储方案规划中选择“磁盘阵列CD/DVDR”方式，执行影像全部在线的存储管理模式。2国内外研究现状与发展方向21国内外研究情况PACS的开发是从80年代开始的，那时是从放射科的需求出发，主要目标是将图像表达为计算机信息流，存储在计算机存储装置上，放射科医生对计算机屏幕上的图像进行诊断。随着医学数字化影像设备的种类越来越多，计算机技术的突飞猛进，使得医学影像可以直接取自检查设备，而医学影像的存储、通讯和显示都成为可能。现在，PACS将从医院甚至整个医学界的需求出发，是医院走向数字化信息时代的重要标志之一。目前开发的PACS主要功能是提高影像保存质量，用计算机中存储的“活”图像替代胶片上的“死”图像，节省胶片无片化，产生经济效益。具体来说，在病人进行检查登记的时候，由电脑记录下相关信息，经相关的影像检查设备如CT、MR、DSA、DR、CR、US、内窥镜PET、NM和病理电子显微镜等得到病人的医学影像通过网络传送到PACS中来，自动与登记的相关信息融合。PACS系统要求图像必需遵循DICOM标准可与任何DICOM兼容的医学影像设备连接，但目前国内很多医院既有带DICOM接口的医学影像设备，也有非DICOM接口的数字输出或视频输出医学影像设备，后二者必需配以数据格式转换或相应的模/数转换装置。医生可以在PACS上进行图像处理，可以任意调节窗宽/窗位；书写诊断报告时，由于有模板库可轻松填写诸如检查方法、疾病表现、诊断结果等多个栏目，当然还可自定义新词组，可以插入相应的图像，最后打印签名后发给病人。在PACS上查找病人图像时可以是根据某些病人信息进行模糊查找，智能化的检索功能可以方便地定位影像。在PACS上也可以对时间、部位、年龄、人数、金额、诊断结果的阳性率和病种等多种医学信息进行统计和管理。上述工作过程组成了无胶片化工作流程，使得经济效益、临床工作和科室管理效率都得以提高。目前，PACS系统已开始出现大容量的存储装置如光盘塔或磁带库可以是RAID或MO、CD、DVD等；有完善的网络功能，通过网关还可与医院原来的HIS/RIS连通，实现影像共享；或通过MODEM拨号上网实现远程会诊；或通过WEBSERVER上互联网。22发展方向由于我国开发和引进PACS系统较晚，目前已经建立并有效运行的PACS系统并不多见。究其原因主要是标准化程度低、兼容性差、一般为封闭式的专用系统，既不经济、价格也昂贵，配置的硬件不够合理，对工作量大的医院缺乏强大的存储子系统，无法支持数据量巨大的常规放射影像，因此不能真正实现无胶片化管理。多数PACS系统也没有其有效的工作流程和自动化管理功能，也不能向临床诊断提供所需的全部功能，表现为在线信息少，响应速度慢。对网络安全、保密和符合法律要求方面还不可靠。现有的PACS系统设计人多数没有考虑技术发展和扩展需要的可能，很难与现有的HIS/RIS整合为一个系统。鉴于上述分析，PACS系统的发展方向是第一，系统设计严格遵守国际技术标准DICOM30和HL7医疗保健并且具有完全开放式的体系结构，具有良好的兼容性。第二，基于INTERNET/INTRANET技术的网络结构，需要支持局域网LAN、广域网WAN，可以实现远程会诊。第三，采用TB级甚至PB级存储子系统，提高系统响应能力。第四，提供容错、纠错能力以及良好的数据安全性和灾难恢复能力，采用高性能数据压缩技术。第五，进一步降低成本，系统界面友好，有强大的中文支持能力，易学易用。语音录入、图像处理和数据传输等多种技术的无缝集成。第六，提供完整的系统解决方案，利于维护和技术支持。第三章存储方案的设计实施1现存的存储方案目前存在的方案大都采用分级存储HIERARCHICALSTORAGEMANAGEMENT，HSM策略。HSM是一种经济而且有效利用存储设备的管理方式。HSM对用户是透明的，也就是说用户并不知道这种管理过程的存在。分级，其实就是意味着用不同的介质来实现存储，如RAID系统、光存储设备、磁带等，每种存储设备都有其不同的物理特性和不同的价格。例如，要备份的时候，备份文件一般存储在速度相对比较慢、容量相对比较大、价格相对比较低的存储设备上如磁带，这样做经济实用。根据用户需求不同，分级存储也可以有不同的实施方式。一般来讲，主要有三个层次和两个层次这两类分级存储的方式。第一类三个层次在线存储、近线存储和离线存储在线存储保存短期常用数据。一般由具有容错构型的磁盘阵列构成，其基本的功能是提供在线ONLINE影像快速提取过程的响应，其存储的功能尚居其次。近线存储主要功能是存储不频繁调用但需要在线的数据，需要有海量存储和无限扩展能力，通过硬盘阵列、光盘库或磁带库实现。离线存储存储整个系统的数据备份，需要安全稳定。通过光盘、磁带、光盘库或磁带库实现。第二类两个层次在线存储和离线存储在线存储在线存储指图像数据存储在计算机硬盘或其它在线存储设备光盘塔、磁带库上，PACS在线存储要求硬件设备足够保存全院一年所产生的影像资料。离线存储离线存储指把上述的图像数据刻录在光盘或其他备份存储器上。作为永久性资料保存。另外，从数据存放的物理位置可以分为集中模式和分布模式两种。集中存储模式是把各影像工作站采集的影像数据全部存放在服务器上，进行集中备份和管理，这种方式的管理成本低廉，目前被PACS厂商和客户公认为理想的PACS图像存储方式，但对网络速度的要求比较高，并要配备有相应的管理人员。而分布存储模式是各个不同科室的影像资料分别存放和管理，互相不干扰。优点是对目前的管理模式没有任何改变，缺点是管理的成本高，效率低。由上面的分析结合医疗行业的特点可以看出，分布模式的数据一致性难以保证，可以说是各科室自己组织的局部PACS系统，很难在医院整体实现快速信息共享和信息的整体分析。并且不能同时访问患者在不同科室所做得检查，不利于提高诊断的准确性。这有悖于开发PACS系统的初衷。因此不可取。虽然集中存储模式需要较大的带宽，但是PACS系统通常都运行于基于千兆主干、百兆终端的网络环境，因此带宽不成问题。所以建议使用集中存储方式。另外，三个层次的分级策略更适合于目前大多数医院的需要。主要有以几点原因一、三级存储将在线数据分为在线和近线两部分，满足影像数据访问频率随时间降低的情况。用户可以根据需要采用不同存储介质，可以节省投资并且提高效率。二、如果要在保证系统效率的基础上扩展，两级存储中的在线数据量达不到系统要求。三、容量的扩大，势必需要用户的投资。2存储介质的选择常用的存储介质有磁盘阵列、磁带库、光盘塔/库等。磁带库，既是网络存储设备的元老，又是网络存储设备最有生气的主力军。磁带库因为磁带可以不断更换，存储容量仅取决于所换磁带的多少，这就是说磁带库的存储容量是无限的。另外，磁带还可以作为一种半永久可更换的存储介质，在异地存储中可以选择更加安全可靠的保存环境，因而在大中型数据库系统中应用十分广泛。总之，磁带库是一种安全、可靠、易用和成本低廉的网络存储设备。磁盘阵列，最大特点是数据存取速度特别快，其主要功能是可提高网络数据的可用性及存储容量，并可将数据有选择性地分布在多个磁盘上，从而达到提高系统的数据吞吐率。另外，磁盘阵列还能够避免单块硬盘故障所带来的灾难后果，也可以通过把多个较小容量的硬盘连在智能控制器上，增加存储容量。显然，磁盘阵列是一种高效、快速、易用的网络存储设备。另外，近年来随着IDE接口标准的升级，从UDMA33到UDMA66，再到ATA100，SATA，可以说，IDE的传输速度有了明显的提高串行ATA又可加大IDE硬盘连接数量，RAID产品逐步开始渗透到了所谓低端的IDE硬盘领域，这具有明显的价格优势，很高的性价比。光盘塔和光盘库，不仅容量大、速度高、价格低，而且信息容量可以随着承载信息的光盘数域的增加而增加。由于光盘基本上是只读媒介，一方面它是一种永久信息备份载体，另一方面它又限制了用户对光盘塔和光盘库中过时信息数据的修改与补充。显然，在网络海量存储备份系统中，磁带库、磁盘阵列、光盘塔或光盘库等存储设备因其信息存储特点的完全不同，应用环境也有较大区别。其中，磁带库更多的是用于网络系统中的海量数据的定期备份，而磁盘阵列则主要用于网络系统中的海量数据的即时存取，光盘塔或光盘库主要用于网络系统中的海量数据的访问。3存储方案设计31系统存在的问题首先通过对PACS系统存储需求的分析，可以总结出系统需要解决下面几个问题。问题一数据安全问题。数据安全问题包含两方面内容，一是采取措施尽可能防止数据损坏或丢失；另一方面是数据损坏或丢失后可以采取措施进行补救，不影响系统正常使用。问题二存储容量要易于扩充。由于系统安装初期不可能一次购买所有的存储设备，而医疗影像增长速度又快，因此要求系统必须提供方便简单的容量扩充方法。值得注意的是，容量扩充时要尽可能不影响系统的正常使用。问题三影像数据调阅速度应较快。提高影像调阅速度是这个存储系统设计的目的之一，因此在方案设计中必须重视。问题四用户投资需合理。用户投资是设计中最难把握的问题之一，也是体现一个存储系统好坏的重要因素。32存储方案第一，数据存放模式。根据对现有系统的调查分析，采用集中式存储更符合我国医院的现状。对于分布式的存储方式，目前使用的多是国外的大型的协作医院，各个医院需要独立的管理，只是在需要的时候进行信息的交换，没有统一管理的要求。而且分布式存储对于加强数据安全、提高影像调阅速度和控制用户投资等方面，会造成一定程度的困难。而且，分布式存储方式不利于系统的实时统计管理和信息共享。因此，为了便于满足我国医院PACS系统存储的要求，更多是采用集中式存放模式。另外，由于影像数据容量和增长速度问题，不可能直接存放在数据库中。因此选择在数据库中记录了图像存储的物理位置包括服务器和路径信息，用户查询的图像的存储位置后，直接对图像进行访问。文件的存储方式如下图所示第二，存储级别。可以将整个存储部分了三个层次一级在线存储使用少量的高端存储介质存储近期需要频繁访问的影像数据，既可以根据用户需要节省用户投资，又可以利用高端存储介质的特性提高用户访问的响应速度，同时高端存储介质本身还提供了一定的数据安全保护能力；二级近线存储使用大量的低端存储介质存储需要长期访问同时访问频率较低的影像数据，它的主要功能是在有效控制用户投资的基础上尽可能的提高各个系统的可访问存储量。它应该具有简单方便的扩展能力和一定的安全保护能力，同时它也是整个系统的访问响应速度的瓶颈，这部分是整个方案设计的关键部分。三级离线存储使用较便宜的离线存储设备存储系统中所有数据的备份。这部分不需要考虑访问响应的问题，但是必须具有相当高的可靠性和扩展性，同时应该尽可能使用增量备份以节省用户投资。第三，系统配置。一级存储采用具有容错构型的高端磁盘阵列RAID5。使用双机热备技术保证系统数据的安全，同时使系统具有一定的故障恢复能力。其中磁盘阵列的容量由用户根据实际需要进行选择，一般可以提供1015天的在线数据量。这样配置的原因有三点第一，系统对这部分数据的访问概率达到50左右，要求具有相当高的访问响应能力以保证诊断的顺利完成；第二，系统产生的数据全部保存在这里，且不能进行实时备份，所以必须采用一些容错技术来保证数据安全。通常使用磁盘镜像或RAID5技术，由于RAID5技术磁盘利用率比较高，所以在这里选择采用RAID5来节省用户投资。即使这样也不能保证数据的绝对安全，所以在设计备份软件时，为这部分数据设计了一定的备份方案来提高数据的安全性。第三，这是整个存储系统访问最频繁的部分，因此必须采取一定措施来保证服务器的稳定性。所以应采用双机热备技术以保证系统在一台服务器发生故障时仍能继续使用，同时要求配备大容量的UPS以防止电源故障引起系统瘫痪。可以说，这部分主要考虑的问题是系统的可靠性和系统的效率。二级存储是整个系统设计的关键部分，因为这里需要提供相当大的在线访问数据量，同时要提供近似于一级存储的访问响应速度以提高系统的平均图像调阅速度。另外在价格方面也必须具有相当的竞争优势。这部分设计包括存储介质和存储结构的设计。目前其他系统在这部分多采用磁带库、光盘库，但由于这些介质的价格或访问速度和需求有一定的差异，因此选用了具有高性能价格比的IDE硬盘。主要原因如下第一，在性能方面，光盘库、磁带库由于其中包含了机械转换机构，性能必然受到较大的影响。而IDE硬盘无论在寻道时间、内部传输速率还是外部传输速率上性能都要高于光盘库和磁带库。第二，在价格方面，光盘库、磁带库也不具有优势。磁带库每TB价格在12万元人民币左右，光盘库则更高，而使用IDE硬盘的工控机达到12TB目前只需要不到2万元。另外由于计算机技术的发展，IDE硬盘在性能、存储容量、可靠性等方面的发展远超过光盘库和磁带库，而价格的降幅也远高于光盘库和磁带库，因此用户的投资可以得到最大限度的保护。第三，在可靠性方面，IDE硬盘技术已经十分成熟，并且IDERAID和多种IDE硬盘数据保护技术的出现有效的提高了系统的可靠性。由于这部分涉及到海量存储，因此必须设计一个合理的存储架构以满足系统的访问性能、可扩展性和可靠性的要求。DAS、SAN和NAS是目前流行的三种存储架构。本论文中借鉴了SAN和INAS中一些特点，利用优化过的工控机和IDE硬盘阵列RAID，提出一种适合PACS系统的、廉价的、扩展性强的仿NAS架构，命名为多PC机存储架构MPCS。MPCS是由经过优化的工控机配备使用RAID5技术的大容量IDE硬盘组成，各占独立的网络节点，使用廉价的LINUX操作系统。在数据共享方面，采用的是传统的FTP协议屏蔽各种访问平台的差异。由于IDE硬盘的损坏主要是来源于电源故障，因此要对工控机进行了优化，采用了双电源配置，内部集成了小型的UPS，可以保证电源的稳定。另外，采用IDERAID技术有效的提高系统的可靠性。除了这些，还需要在存储系统的设计中保证了这部分的数据全部经过备份，在出现故障后可以很快恢复。对存储容量的扩展，只需要对采购的工控机设置网络地址，设置FTP访问的端口、用户和口令，在备份系统中设置相关信息如IP地址，FTP访问端口、用户和口令，服务器的容量等信息即可使用，整个过程方便简单。另外在用户投资和系统的响应速度方面，均可以满足系统的要求。三级存储采用磁带备份系统的数据，这部分不直接访问，因此价格和稳定性是关键问题。而磁带在这两方面均可以满足要求，另外，由于管理的需要，还提供了光盘库和磁带库的接口。这部分，根据需要对数据应该进行多份备份以满足异地容灾的需要。4存在的问题和解决方法在方案的进一步设计过程中，有以下问题需要注意问题一海量存储的增量备份问题。由于无法对海量数据进行完全备份，所以需要设计一种增量备份的策略。按日期是一种有效的方法，但是每天产生的数据量太少并且容量不确定，备份磁带的容量不好掌握，并且不容易实现备份磁带的管理。问题二数据库访问问题。由于数据文件的路径和服务器等信息都保存在数据库中，所以对数据文件的备份、恢复和移动操作需要频繁的更新数据库信息，这对其它系统的数据库操作造成相当大的影响。问题三带宽占用问题。由于对数据文件的备份、恢复和移动操作需要长时间的访问数据，占用大量网络带宽，会影响系统的数据访问效率。问题四剩余存储空间问题。当二级存储空间不足并且没有及时扩充容量时，一级存储的数据无法移动到二级存储上，使一级存储空间不足，则会造成新生成影像数据无法上传，影响系统的正常使用。问题五服务器有效性问题。如果由于系统或存储介质原因造成数据存储空间无法访问，会影响系统的正常使用。问题六一级存储中未备份数据安全问题。由于一级存储的数据不断的增加，所以不能及时备份，这部分数据虽然有一定的安全保证，但是仍须采取一定措施对其备份。问题七备份速度问题。由于备份的数据比较多，同时需要长时间占用网络带宽，所以需要尽可能提高备份速度。经过对问题的分析，对设计的系统作了如下改进，以解决上面提到的问题。改进一引入介质的概念。介质简单地说就是具有固定容量的图像存储空间，内部用日期对文件进行分隔，它是所有操作的基本执行单位。引入这个概念可以解决以下几个问题。第一，使用具有固定容量的介质作为操作的基本单位，对介质的移动、备份和恢复操作不会影响介质的内容，另外对充满的介质不允许进行内容修改，这样对充满的介质备份后，就不需要再次备份。这样就解决了增量备份的问题。第二，采用介质作为存储单元，文件在数据库中只保存介质内部的相对路径，移动过程中不需要更改；而只需要对介质的所在服务器和介质路径信息进行更改即可，这样每次操作只需要修改一次数据库既可。同样道理的还有利于数据的备份恢复操作等。第三，采用介质作为存储单元，可以把介质映射到不同的物理硬盘上，更容易实现负载均衡和多线程下载技术，提高系统的访问响应。改进二修改数据库结构。引入了介质的概念以后，对数据库的结构进行了修改，以解决数据库访问的问题。数据库中包含三个表服务器、介质和文件。TABLEHOSTINFO服务器信息表HOSTID内部区分服务器的唯一标识HOSTTYPE服务器类型，分为一级存储、二级存储和三级存储三种IP服务器的IP地址PORTFTP端口号USERNAMEFTP用户名称PASSWORDFTP口令HOSTNAME用户设定的服务器名称HOSTSIZE服务器存储空间的总容量HOSTSPARESIZE服务器剩余存储空间容量，在介质添加、修改和删除过程中，对这个值修改REMARK备注HOSTPATH服务器上可以建介质的路径TABLEMEDIAINFO介质信息表MEDIAID内部区分介质的唯一标识HOSTID介质的服务器IDUSEDSIZE已用空间，由触发器自动管理PATH介质在服务器上的相对路径MEDIAFILENUM介质中保存的文件数，由触发器自动管理IFCURRENT介质类型包括当前介质、缓存介质、二级介质、默认恢复介质和三级介质MEDIANAME用户设定的介质名称MEDIASIZE介质容量IFFULL充满标志，由触发器自动管理，必要时可以通过备份管理系统设置IFBACKUP备份标志IFOFFLINE离线标志SERVERIP服务器IP，用于数据上传的负载均衡管理，指定该介质可用于那些采集服务器的数据上传介质信息一般由触发器自动建立，必要时可以通过备份管理系统建立。TABLEIMAGEDATAINFO影像信息表IMAGEDATAID内部区分影像的唯一标识CHECKSERIALNUM检查流水号，表示图像属于哪个检查SERIALID序列号，在检查中图像分成不同序列PATH图像在介质中的相对路径IFINREPORT图像是否被打印在报告中IMAGEDATATYPEID图像类型,包括DICOM，JPEG，BMP，AVI，MPEG等POSITIONSERIAL图像在序列中的位置IMAGESIZE图像大小MEDIAID图像所属的介质INSTANCEUID图像在CT等检查设备中的唯一标识号由此可以看出,对介质的备份、恢复、移动和离线操作只需要找到介质所在的服务器和路径，然后对路径下的所有文件操作，不需要逐个访问影像文件记录。操作完成后只需要修改介质信息记录即可。这样大大降低了操作过程中对数据库访问的次数。提高了数据库的使用效率。另外，将数据库和文件存储服务器分开，以避免它们之间数据访问的相互影响（如下图）。改进三设计备份管理系统。由上面的介绍可以得知，有一些功能必须设计一个备份管理系统来实现。系统中主要包括介质的备份、恢复、移动和离线操作。同时，为了解决上述问题设计了如下的功能。自动备份和移动由于备份和移动需要占用大量带宽，所以设计了自动功能，使备份和移动操作可以在凌晨这个带宽使用率低的时间执行，避免使用高峰期的带宽争用情况。监听报警功能为了解决剩余存储空间问题和服务器有效性问题，设计了监听、报警功能。系统按指定的时间间隔轮询各个介质和服务器，发现各级存储容量不够预定值，或者介质无法使用时，发出声音报警。临时备份功能这个功能是对不满足备份要求的当前介质，系统每天在用户指定的时间段里，按日期将其临时下载到管理工作站，实现增量备份，使其恢复的时间点可以达到某天，减少不必要的损失。同时当系统要对该介质备份时，可以只下载该介质没有备份在管理工作站上的部分数据，提高了备份的速度，但这要求备份工作站具有一定的存储容量。5数据备份系统的实现以下是使用所在实习单位的产品爱数存储柜实现的对PACS存储系统的数据备份的演示过程51备份的设置首先要配置客户端支持的数据库类型。以管理员身份进入管理控制台的首页（图1），单击左边树状结构的“系统管理”下属的“客户端管理”节点，进入相应的工作视图窗口，弹出“修改客户端配置”对话框，勾选数据库类型SQLSERVER，单击【确定】（图2）图1管理控制台首页图2修改客户端配置然后，需要新建任务。步骤一进入“备份恢复管理/备份管理/定时备份管理”页面，单击【新建任务】按钮，弹出的“新建备份任务向导”对话框中，选择备份数据库，在下拉列表中选择SQLSERVER备份，单击【下一步】（图3）。图3新建SQLSERVER备份任务步骤二进入【任务基本信息】对话框，输入任务名，选择任务所在任务组、备份目的和备份介质，选择数据类型。单击【下一步】。步骤三进入“选择数据源”对话框，勾选SQLSERVER的整个实例下的数据库。单击【下一步】（图3）。图3选择SQLSERVER备份数据源步骤四进入“设置计划及事件”对话框，可通过“添加、修改、删除”来设置详细图4设置SQLSERVER备份计划及事件的任务计划，也可单击右下方【选择】按钮，在弹出的对话框中设置数据压缩，安全设置，高级选项等。单击【确定】，完成任务的创建（图4）。52恢复操作步骤一登陆管理控制台，单击“备份恢复管理/磁盘数据恢复”节点奇瑞换进入相应操作视图。步骤二在任务列表中展开需要恢复的SQLSERVER备份任务，选择需要恢复的客户端。步骤三单击“时间点”下拉菜单选定某一备份时间点，在遍历的备份数据列表框中选择要恢复的SQLSERVER数据库（图5）。图5SQLSERVER恢复步骤四单击【恢复到客户端】，在弹出的“SQLSERVER数据库恢复”对话框中选择要将当前选定数据恢复到客户端，输入恢复后的新数据库名或者新的存储路径等（图6）。图6选择SQLSERVER数据恢复客户端步骤五单击【恢复】提交该恢复操作到执行队列。以上便完成了对数据的备份和恢复的操作，从而达到对PACS系统中所存储的影像数据保护的目的。第四章总结和展望1PACS存储系统的总结以上的介绍说明PACS存储系统的整套存储方案完全可以满足PACS系统整体需求，是一套安全、稳定、高性能价格比并且具有存储量无限扩展能力的系统。设计PACS系统利用NAS技术、MPCS架构的使用、图像压缩技术实现了海量存储，容易扩充容量；利用RAID技术、磁盘镜像技术、备份恢复技术实现了数据的安全稳定。在整个系统设计开发过程中，由于能力有限，以及时间上的原因，所作的工作还很不完善。尤其是针对多线程下载技术和负载均衡算法等部分都没有深入研究，只是提出了相应的设计或解决方向。目前的PACS系统大多采用SCSI硬盘或磁盘阵列作为在线存储设备来存储近期、中期图像数据，光盘库、磁带库作为二线存储设备存储长期数据。近2年来新兴的存储局域网，由于其高性能、高存储量作为海量存储的解决方案也逐步受到PACS供应商的关注。但是这些设备或方案作为二线存储或海量存储的性能价格比并不很理想。在性能方面，光盘库、磁带库由于其中包含了机械转换机构，性能必然受到较大的影响。如磁带库更换磁带的时间平均在1830S之间，对数据定位时间平均也要近15S。这样数据还没有开始读取就已经用去了30S以上，而且根据接口的不同传输速率通常不大于80MBYTE/S，再加上网络的影响，直接调用其上的影像数据的等待时间就可想而知了。光盘库的情