海南省人民醫(yī)院信息管理處（海口 570311）

0.前言

近年來，醫(yī)療衛(wèi)生體制改革不斷深入，各級醫(yī)院以及醫(yī)療衛(wèi)生管理機構的信息化建設得到了很大的發(fā)展，創(chuàng)造了良好的社會效益和經濟效益。隨著信息技術的不斷發(fā)展，醫(yī)院信息化成為了為患者提供更優(yōu)質服務的一條途徑。在這樣的背景下，數字化醫(yī)院的概念應運而生。一方面，數字化醫(yī)院是通過寬帶網絡把數字化醫(yī)療設備、數字化醫(yī)學影像系統(tǒng)和數字化醫(yī)療信息系統(tǒng)等全部臨床作業(yè)過程納入到數字化網絡中，從而實現管理和臨床工作的無紙化和無片化運行，數字化醫(yī)院的建立，將會使我國目前“以收費為中心 ”的醫(yī)院信息系統(tǒng)走向“以病人為中心”的臨床信息系統(tǒng)[1]。另一方面，隨著醫(yī)改工作的深入進行，大型綜合醫(yī)院的規(guī)模和范圍不斷擴大，醫(yī)院已經出現了集團化建設的體現架構，這使得醫(yī)院的計算機網絡不能再局限于一種傳統(tǒng)意義上的局域網系統(tǒng)。因此，探討如何在集團化醫(yī)院的模式下，建設一個存儲和管理各個分支醫(yī)院患者的醫(yī)學影像信息，面向所有分支臨床醫(yī)療機構的一體化醫(yī)學影像信息系統(tǒng)（PACS），以滿足患者醫(yī)學影像信息為醫(yī)院各個分支醫(yī)療機構實時共享的需求，對于大型醫(yī)院的數字化建設尤為重要。

基于上述原因，海南省人民醫(yī)院從2005年起，開始進行醫(yī)院集團化架構下的醫(yī)學影像信息系統(tǒng)（PACS）建設。經過多年的努力，已經在全國率先建成了一套覆蓋醫(yī)院多個院區(qū)，聯入了30 余臺影像設備、80 多個影像診斷工作站和800 余臺臨床診斷工作站，并能實時進行醫(yī)學影像資料的集中存儲和統(tǒng)一臨床發(fā)布的基于廣域網平臺的醫(yī)學影像信息系統(tǒng)（PACS）。近年來，隨著醫(yī)院規(guī)模的擴大、高端醫(yī)療影像設備急劇增加，對PACS系統(tǒng)核心平臺的數據處理與通信能力提出了更高的要求。因此，我院在對PACS 系統(tǒng)進行整體改造的過程中，提出了建設基于負載均衡技術的核心服務器陣列的技術架構。

1.負載均衡技術的基本概念

負載均衡技術（Load Balance）建立在現有網絡結構之上，它提供了一種廉價、有效、透明的方法，來擴展網絡設備和服務器的帶寬、增加吞吐量、加強網絡數據處理能力、提高網絡的靈活性和可用性。負載均衡有兩方面的含義：首先，大量的并發(fā)訪問或數據流量分擔到多臺節(jié)點設備上分別處理，減少用戶等待響應的時間；其次，單個重負載的運算分擔到多臺節(jié)點設備上做并行處理，每個節(jié)點設備處理結束后，將結果匯總，返回給用戶，系統(tǒng)處理能力得到大幅度提高。

PACS 系統(tǒng)的各個核心部分隨著業(yè)務量的提高、訪問量和數據流量的快速增長，其處理能力和計算強度也相應增大，使得單一設備根本無法承擔，必須采用多臺服務器協(xié)同工作，提高計算機系統(tǒng)的處理能力和計算強度，以滿足當前業(yè)務量的需求。而如何在完成同樣功能的多個網絡設備之間實現合理的業(yè)務量分配，使之不會出現一臺設備過忙而其他設備卻沒有充分發(fā)揮處理能力的情況。要解決這一問題，可以采用負載均衡的方法。

隨著醫(yī)院信息化與數字化建設的深入進行，網上對PACS 的交易和訪問量會明顯增加。醫(yī)院的日常醫(yī)療業(yè)務都往上遷移，所傳送不僅是一般的文本信息，還有很多圖像和視頻信息，在這種情況下，勢必也會產生大量并發(fā)訪問，因此要求PACS 系統(tǒng)中心服務器必須具備提供大量并發(fā)訪問服務的能力。這樣，中心服務器的處理能力和I/O 能力已經成為提供服務的瓶頸。如果客戶的增多導致通信量超出了服務器能承受的范圍，那么其結果必然是宕機。顯然，單臺服務器有限的性能不可能解決這個問題，一臺普通服務器的處理能力只能達到每秒幾萬個到幾十萬個請求，無法在一秒鐘內處理上百萬個甚至更多的請求。但若能將10 臺這樣的服務器組成一個系統(tǒng)，并通過軟件技術將所有請求平均分配給所有服務器，那么這個系統(tǒng)就完全擁有每秒鐘處理幾百萬個甚至更多請求的能力。這就是利用服務器群集實現負載均衡的優(yōu)點。早期的服務器群集通常以光纖鏡像卡進行主從方式備份。由于關鍵性服務器或應用較多、數據流量較大的服務器一般檔次不會太低，往往花了1 臺服務器的錢卻只得到一臺服務器的性能。通過LSNAT（Load Sharing Network Address Transfer）將多臺服務器網卡的不同IP 地址翻譯成一個虛擬IP 地址，使得每臺服務器均時刻處于工作狀態(tài)。原來需要用小型機來完成的工作改由多臺PC 服務器完成，這種彈性解決方案對投資保護的作用是相當明顯的，既避免了小型機剛性升級所帶來的巨大設備投資，又避免了人員培訓的重復投資。同時，可以依據業(yè)務的需要隨時調整服務器的數量。

2.醫(yī)院PACS核心平臺的技術架構

海南省人民醫(yī)院是海南省規(guī)模最大，集醫(yī)療、教學、科研、預防、康復于一體的綜合性省級醫(yī)院。海南省人民醫(yī)院占地面積398 畝，建筑面積36 萬平方米，開放病床2100 張，在職職工4100 人，其中高級職稱人員578 人，中級職稱人員826 人；碩士302 人，博士43 人；國家、省級優(yōu)秀專家27 人。全院現設門診部5 個、臨床醫(yī)技科室67 個、醫(yī)學中心（部）8 個、研究室30 個、中心實驗室1 個，已成為海南省規(guī)模最大、學科最多、技術優(yōu)良、設備先進、服務較好、環(huán)境優(yōu)美的集醫(yī)療、急救、保健、康復和科研、教學于一體的現代化大型三級甲等醫(yī)院。

近年來隨著醫(yī)院的飛速發(fā)展，醫(yī)院的信息化與數字化建設也取得了長足的進步，一大批高端醫(yī)療影像設備先后投入使用，使得醫(yī)院原有的PACS 核心服務器系統(tǒng)負荷日益加重，對PACS 系統(tǒng)核心平臺的數據處理與通信能力提出了更高的要求，現在的系統(tǒng)無論在安全性還是在系統(tǒng)效能上都已經不能滿足醫(yī)院的使用需求（現在病人量及影像數據量是當年設計的近3 倍），系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性以及可用性面臨著嚴峻的考驗，因此急需改造升級。我院在對PACS 系統(tǒng)進行整體改造的過程中，提出了建設基于負載均衡技術的核心服務器陣列的技術架構。這種方案的優(yōu)點是：

（1）不需要增加大規(guī)模預算即可建立綜合樓和保健中心的PACS 流程，能保證半年內不增加投入下的良好運行；

（2）是原PACS 系統(tǒng)的擴展，保障了原PACS系統(tǒng)的硬件和軟件仍然可以繼續(xù)使用，而且無須擔心兼容的問題；

（3）安裝時間快，在設備到貨后2～3 周即可安裝完成；

（4）負載均衡的設計不僅能加強整個PACS系統(tǒng)的安全性，更大大提高了PACS 系統(tǒng)的運行性能。

這種方案是通過多個主服務器的負載均衡模式來實現的。當數據從設備上傳進PACS 系統(tǒng)時，數據將自動訪問到工作量比較小的1 個服務器上。比如，當數據1 訪問服務器1 以后，數據2 會自動訪問服務器2 或者3，不會再去訪問服務器1。這樣，不僅能大大減緩目前服務器所承受的壓力，而且是一種很好地解決單點故障的方案，如果1個服務器停機以后，另外2 個服務器仍然可以正常運行，保障了放射科的照常工作。系統(tǒng)結構如圖1 所示。

采用上述解決方案，需要增加以下硬件：

（1）增加負載均衡架構；

（2）增加3 臺主服務器來實現負載均衡架構，提高PACS 系統(tǒng)的性能，并且增加系統(tǒng)的安全性；

（3）將原PACS 系統(tǒng)的2 個服務器作為數據庫服務器和歸檔服務器使用，提高系統(tǒng)的整體性能；

（4）增加新的存儲設備（16TB），能保證近一年數據的良好存儲。

圖1.醫(yī)院改造后PACS核心平臺示意圖

3.方案的初步評價

我院于2012年按照上述方案進行了全院 PACS 系統(tǒng)的整體改造，目前全院的PACS 系統(tǒng)有了一個很大的性能提升，系統(tǒng)的整體架構變得安全可靠，更加合理，歸結起來，主要有以下幾點：

3.1 核心平臺的數據處理能力得到了大大提升。

按照上述方案，我院PACS 系統(tǒng)的核心平臺的數據處理能力得到了很大的提升，PACS 核心服務器從原來的一主一備（只有單臺在線工作）變成了四臺PACS 的核心服務器全部在線工作，圖像處理能力和數據交換能力得到了很大加強。目前醫(yī)院PACS 系統(tǒng)上承載了全院三個院區(qū)（包括院本部、龍華院區(qū)和洋浦分院）共30 余臺設備的醫(yī)學影像處理任務，包括了4 排、64 排和256排的螺旋CT、3.0 的核磁共振以及PET-CT 等數據量極大的影像檢查設備。由于系統(tǒng)采用了負載均衡的技術架構，保證了負載合理動態(tài)的均勻分配，使得整個系統(tǒng)具有很高的效率。

3.2 整個系統(tǒng)結構變得清晰，基本消除了核心平臺的單點故障。

采用上述方案，將PACS 核心服務器、RIS服務器和數據庫服務器按照其各自不同的功能交由不同的服務器來承擔，使得整個系統(tǒng)的結構變得十分清晰。由于核心的圖像存儲和處理采用多臺服務器以負載均衡的形式來處理數據，基本上消除了核心平臺的單點故障，且獨立出來的數據庫服務器和RIS 服務器均采用雙機熱備的形式，進一步保證了系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運行。在上述架構中，雖然數據庫與RIS 共用了一套磁盤陣列（SAN），但是在其結構上劃分成了兩個各自不同的分區(qū)，分別管理，即保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又節(jié)省了系統(tǒng)資源。

3.3 大大增強了在線數據存儲的容量。

在上述方案中，由于對PACS 的核心存儲設備采用了由多臺NAS 共同工作的技術架構，使得系統(tǒng)的在線存儲能力得到了很大的增強。NAS 由于存儲容量較大，價格相對比較低廉得以廣泛采用，而NAS 存儲效率相對較低的問題可以通過多臺設備并行運行來解決。目前，我院PACS 的核心存儲容量已經達到了30TB，基本上保證了所有的數據均能在線運行。這樣既保證了強大的數據存儲與交換能力，又消除了單點故障，大大提升了整個系統(tǒng)的安全性能。

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