医疗影像数据存储领域应用
案例概述
国科环宇公司通过土星云边缘服务器、土星云分布式存储等土星云系列产品和专业服务，为现代化医疗机构提供一整套完整的医疗影像数据存储、调阅、共享的解决方案。
项目背景
医疗影像对临床医生的诊断、手术方案和治疗方案的制定起到了重要的辅助作用。但是，随着计算机新技术的创新和高性能医疗影像设备的面世，影像数据也日益呈现快速增长趋势，影像数据是医院数据最大的一块，占比超过 90% 以上，由此带来了传输、存储、归档备份、数据迁移、扩容等压力。尤其是当存储硬件出现故障时，如何将数据丢失的风险降到最低，一直是医院信息管理者面临的难点问题。目前大多数医院数据存储系统普遍采用传统集中式存储架构，这种传统的存储架构存在诸多问题，制约医院信息化、智慧化的发展与建设。具体表现在：
● 运维成本控制的问题：
《医疗机构管理条例实施细则》第 53 条要求门诊影像数据保存期不少于 15 年，住院影像数据保存期不得少于 30 年。通常情况下，医院不会区分门诊和住院数据，超期的影像数据也大多选择保留，不考虑删除，长期保存占用空间较大，对医疗数据系统存储快速安全扩容提出了挑战。
● 性价比的问题：
大部分医院现有存储系统不具备存储介质分层的能力，只能将热数据（近期常用）和冷数据（即将进入归档周期）都放在同一个存储资源池内，造成存储设备性能的浪费。
● 数据迁移的问题：
影像数据需要长期保存，而存储硬件若运行五年以上，故障率将升高并且面临着设备停产问题，需要逐步更换存储硬件。存储硬件更换时，影像这种类似海量小文件的数据，迁移速度慢，通常耗费数月甚至一年，占用大量人力物力财力，迁移过程中的数据安全也难以保证，容易导致不必要的数据损失，造成业务系统中断。
● 归档扩容的问题：
进入归档期的影像数据逐年增加，需要长期保存，医院不断购买存储设备来满足不断增长的影像存储需求。传统集中式存储的扩展能力弱，扩容实施难度很大，难以满足随影像归档池同步扩容的需求。
详细解决方案
本方案采用分布式架从而实现通过横向扩展硬件节点线性增加医疗数据存储整体系统容量与性能，无需复杂的资源需求规划，满足医院业务规模增长需求。为院内各科室以及信息中心提供统一的标准接口，实现按需动态分配存储资源，并满足数据备份、数据归档等场景的需求，方案框图如下图所示：
图1 医疗影像存储解决方案框图
全院数据中心通过骨干网与每个科室互联。每个科室内部由科室前置边缘服务器、边缘分布式存储、医生工作站构成科室接入节点，向上通过科室前置边缘服务器与全院骨干网互联，向下通过科室内部局域网与检查设备相连。全院数据中心提供分布式存储系统的管理和文件索引服务，同时实现对数据的离线存储。
● 全院数据中心架构
全院数据中心为全院各科室分布式存储系统提供文件索引、备份管理等功能，由三部分构成：索引服务器、备份服务器、认证服务器，网络架构如下图所示：
图2 全院数据中心架构
索引服务器：提供医疗影像文件的索引建立与管理，为各科室的分布式存储系统提供注册、查询服务。注册服务：各科室的分布式存储系中数据经过注册后可以在全院系统内部发布。查询服务：车讯用户提供注册后数据在全院分布式系统中的具体位置。
备份服务器：将分布式系统中长时间不进行访问的数据进行集中备份。
认证服务器：建立患者个人信息与医疗数据的映射关系，通过患者个人信息可快速获取与之相关的医学影像数据。同时为医生访问提供接口。
● 源端科室架构
源端科室为医疗数据产生的科室，科室内部包含DICOM成像设备、分布式存储设备、科室前置边缘服务器、医生工作站，源端科室框架如下图所示：
图3 源端科室框架
DICOM成像设备：科室内部可以产生医疗影像数据的检查设备如：X光机、超声波检查设备、腔镜检查设备等。
分布式存储设备：存储科室内检查设备产生的医疗影像数据，供科室内部查看及外部科室调阅。
科室前置边缘服务器：与全院骨干网互联负责科室内医疗影像文件的注册与发布，响应外部科室的调阅请求。
医生工作站：为科室内医护人员提供对存储系统进行配置和管理的人机交互接口。
● 终端科室架构
终端科室为医疗数据的使用科室，科室内部包含取片机、阅片机、科室前置服务器、分布式存储设备、医生工作站，终端科室框架如下图所示：
图4 终端科室框架
● 医疗数据发布流程：
图5 医疗影像数据发布流程
1.DICOM成像设备如X光机、超声波等检查设备将生成的图像文件经过交换机上传到科室前置边缘服务器。
2.科室前置边缘服务器将图像文件保存在分布式存储设备中。
3.医生使用工作站选择需要发布的数据。
4.科室前置边缘服务器将医疗图像数据的网络地址在索引服务中进行注册。
5.注册完成之后索引服务器返回医疗图像的唯一索引号。
6.科室前置边缘服务器将索引号上传到认证服务与患者的ID进行关联。
● 医疗影像数据调阅流程：
图6 医疗影像数据调阅流程
1.医生阅片机、门诊取片机发起调阅申请将患者ID信息发送给科室前边缘置服务器。
2.科室前置服务器将调阅申请转发到认证服务器。
3.认证服务器根据患者ID信息查询到图像数据的索引号并返回给科室前置服务器。
4.科室前置服务器使用索引号到索引服务器中查询目标文件在分布式系统的中的地址。
5.索引服务器将索引号对应的目标在分布式系统中的文件地址返回给科室前置边缘服务器。
6.科室前置边缘服务器根据文件目的地址到目标科室前置边缘服务申请数据。
7.目标科室在本科室分布式存储设备中取出文件。
8.医疗图像文件回传到申请科室。
9.申请科室将文件缓存到该科室的分布式存储设备中。
10.医生阅片机、门诊取片机调阅本地数据。
11.医生工作站可对缓存数据定期清理。
● 医疗影像数据备份流程：
图7 医疗影像数据备份流程
1.医生使用工作站可以对本地已经发布过的数据并且未来长时间不会使用的数据进行备份。
2.科室前置边缘服务器取出分布式存储设备中需要备份的数据。
3.科室前置边缘服务器将需要备份数据上传到备份服务器。
4.备份服务器将数据转存到离线存储设备中。
5.备份完成后得到离线存储地址，该地址返回到索引服务器中替换掉当前备份文件索引号在索引服务器中对应的分布式存储设备的地址。
● 医疗影像数据备份调阅流程：
图8 医疗影像数据备份调阅流程
1.医生阅片机、门诊取片即发起调阅申请将患者ID信息发送给科室前置边缘服务器。
2.科室前置服务器将调阅申请转发到认证服务器。
3.认证服务器根据患者ID查询到图像数据的索引号并返回给科室前置边缘服务器。
4.科室前置边缘服务器使用索引号到索引服务器中查询文件在离线存储设备中的地址。
5.索引服务器将索引号对应的目标文件地址返回给科室前置边缘服务器。
6.科室前置边缘服务器根据目标文件地址到备份服务申请数据。
7.备份服务器在离线存储设备中取出文件。
8.医疗图像文件回传到申请科室。
9.申请科室将文件缓存到该科室的分布式存储设备中。
10.医生阅片机、门诊取片机调阅本地数据。
11.医生工作站可对缓存数据定期清理。
客户收益
数据是数字时代的新石油，为保证医疗影像数据存储系统长久、高效、安全运行，采用边缘分布式存储系统系统提高了数据交互的效率，可有效管理PB级的存储池，保证医疗影像数据的长久、安全、可靠。医疗影像大数据建设的持续发展可为医生提供便利的历史数据回溯工具，便于追溯患者久远的影像资料、为医疗科研提供大数据依据、避免形成数据孤岛，实现诊断、科研、数据共享等方面的共赢。