許 強(qiáng)

江蘇省江陰市人民醫(yī)院 信息科，江蘇江陰 214400

基于虛擬化環(huán)境的高可靠性PACS建設(shè)

許 強(qiáng)

江蘇省江陰市人民醫(yī)院 信息科，江蘇江陰 214400

本文介紹了江陰市人民醫(yī)院基于虛擬化環(huán)境下的高可靠性圖片存檔及通信系統(tǒng)（PACS）的虛擬化配置和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程，分析了虛擬化在醫(yī)療信息系統(tǒng)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)和不足，并為虛擬環(huán)境下PACS的建設(shè)提出了自己的觀點(diǎn)。

虛擬化環(huán)境；圖片存檔與通信系統(tǒng)；虛擬機(jī)；醫(yī)院信息系統(tǒng)

0 前言

江蘇省江陰市人民醫(yī)院是東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院、南通大學(xué)附屬醫(yī)院、徐州醫(yī)學(xué)院江陰臨床學(xué)院，是一所集醫(yī)療、教學(xué)、科研、預(yù)防保健、康復(fù)為一體的綜合性三級(jí)醫(yī)院，現(xiàn)開放床位2060張。我院從2004年開始使用放射科信息系統(tǒng)（RIS）和圖片存檔及通信系統(tǒng)（PACS），2007年臨床醫(yī)生使用Web影像信息發(fā)布系統(tǒng),并逐步升級(jí)、擴(kuò)容，到目前為止已經(jīng)連接了CT、MR、DR、CR、RF、MG等各類型的影像設(shè)備15臺(tái)，年存儲(chǔ)量約18TB，所有影像設(shè)備都遵從DICOM標(biāo)準(zhǔn)。隨著醫(yī)院信息化建設(shè)的深入，各信息系統(tǒng)都已經(jīng)逐步完善，并在臨床應(yīng)用中發(fā)揮著巨大的作用，使病人登記、檢查、報(bào)告一條龍服務(wù)效率得到了提高。

我院2008年就開始使用IBM服務(wù)器及基于存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)（SAN）架構(gòu)的光纖存儲(chǔ)，采用VMware服務(wù)器虛擬化技術(shù)構(gòu)建醫(yī)院虛擬化平臺(tái)，應(yīng)用VMware Vcenter Sever管理軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)行了集中監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)了資源自動(dòng)調(diào)配、虛擬機(jī)的自動(dòng)遷移、核心業(yè)務(wù)的高可用性，增強(qiáng)了醫(yī)院信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)的連續(xù)性，保證信息系統(tǒng)高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。除醫(yī)院信息系統(tǒng)（HIS）現(xiàn)已有100多個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行于虛擬化平臺(tái)中。這種虛擬環(huán)境打破了傳統(tǒng)的一個(gè)服務(wù)器只為一個(gè)操作系統(tǒng)、一種應(yīng)用服務(wù)的模式，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多操作系統(tǒng)、多應(yīng)用的模式。

1 我院原PACS架構(gòu)

隨著放射科設(shè)備的增加，檢查人次的增長，直到2013年底，放射科面對(duì)每天1000人次左右的檢查，原PACS已經(jīng)難以滿足醫(yī)生對(duì)系統(tǒng)高負(fù)荷、高效率運(yùn)行的要求。于是在2013年底全面升級(jí)現(xiàn)有PACS系統(tǒng)。

原PACS系統(tǒng)由3臺(tái)工作組服務(wù)器組成，其中2臺(tái)服務(wù)器分別對(duì)應(yīng)CT/MR工作組和普放工作組，另外1臺(tái)單獨(dú)的服務(wù)器作為歸檔服務(wù)器，將工作組服務(wù)器上的數(shù)據(jù)定時(shí)歸檔，以保證數(shù)據(jù)安全。舊系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于醫(yī)生只能在本工作組內(nèi)閱片，如果跨工作組調(diào)閱圖像，會(huì)產(chǎn)生額外的圖像傳輸負(fù)擔(dān)，并導(dǎo)致閱片調(diào)用速度下降。數(shù)據(jù)沒有實(shí)現(xiàn)集中存儲(chǔ)，往往醫(yī)生為找一個(gè)歷史記錄而在不同的服務(wù)器上查詢。系統(tǒng)硬件也由于使用時(shí)間太久而顯得配置過低，最終表現(xiàn)為系統(tǒng)響應(yīng)緩慢，原PACS系統(tǒng)服務(wù)器架構(gòu)，見圖1。

根據(jù)醫(yī)院現(xiàn)狀，實(shí)施PACS系統(tǒng)升級(jí)時(shí)，主要考慮以下兩個(gè)方面：一是節(jié)省硬件成本，最好能利用醫(yī)院目前已有的資源；二是項(xiàng)目實(shí)施周期要短。基于以上因素，設(shè)計(jì)采用基于虛擬環(huán)境的PACS系統(tǒng)，以縮短硬件采購和項(xiàng)目實(shí)施時(shí)間。

2 我院現(xiàn)PACS架構(gòu)

2.1 虛擬化方案

首先虛擬化平臺(tái)是在PACS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上搭建的，架構(gòu)圖見圖2。

為了滿足醫(yī)院生產(chǎn)環(huán)境所要求的7×24 h不停機(jī)的要求[1]，我們堅(jiān)持系統(tǒng)必須滿足高可靠性的要求。虛擬化硬件平臺(tái)搭建采用用2臺(tái)IBM服務(wù)器（4路CPU(每顆8核)、64G內(nèi)存）構(gòu)建為高可用（HA）集群，每臺(tái)IBM服務(wù)器配備雙HBA卡，分別與2個(gè)光纖交換機(jī)連接，服務(wù)器使用的共享空間都是通過Vplex（存儲(chǔ)虛擬化）設(shè)備掛載，保證1份數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在2臺(tái)存儲(chǔ)上，每臺(tái)服務(wù)器配置6個(gè)1000M網(wǎng)口，2個(gè)網(wǎng)口為1組，有利于管理網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡。PACS應(yīng)用服務(wù)器分配在2臺(tái)物理服務(wù)器構(gòu)建的HA集群中，通過群集的DRS(分布式資源調(diào)度程序)功能來實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)跨主機(jī)自動(dòng)平衡負(fù)載。在虛擬化平臺(tái)集群中任一臺(tái)物理主機(jī)存在硬件資源不足，則可以通過vMotion功能將正在運(yùn)行的虛擬機(jī)遷移到群集中的其他主機(jī)上去，而且不會(huì)對(duì)正在運(yùn)行的業(yè)務(wù)造成影響。即使群集中任一臺(tái)物理服務(wù)器出現(xiàn)故障，虛擬化集群的HA功能會(huì)將該主機(jī)上的虛擬機(jī)從其他正常運(yùn)行的主機(jī)上重新開啟。

考慮到系統(tǒng)的性能要求，我們?yōu)槊總€(gè)虛擬服務(wù)器劃分了500G虛擬硬盤空間，32G內(nèi)存以及12個(gè)CPU。在EMC存儲(chǔ)上則劃分了2T的硬盤作為數(shù)據(jù)和系統(tǒng)備份空間，而30T作為在線存儲(chǔ)，60T作為歸檔存儲(chǔ)。

2.2 HA機(jī)制

針對(duì)原PACS架構(gòu)，重新規(guī)劃了現(xiàn)PACS的軟、硬件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)完全支持虛擬化環(huán)境和Windows系統(tǒng)的HA模式。現(xiàn)PACS建立在SQL server2008 HA模式之上，并擁有自己的HA機(jī)制，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到自身服務(wù)在一定時(shí)間內(nèi)沒有響應(yīng)，就會(huì)自動(dòng)切換到另一臺(tái)服務(wù)器上，以實(shí)現(xiàn)高可靠性的目標(biāo)。為了使系統(tǒng)發(fā)揮出最大效能，將PACS的應(yīng)用放在第一臺(tái)服務(wù)器，而將SQL Server2008服務(wù)放在第二臺(tái)服務(wù)器上。

由于采用了新的規(guī)劃，PACS在圖像傳輸方面更加高效，用戶在客戶端閱片時(shí)，可以達(dá)到近200幅/s的CT圖像調(diào)閱速度，而接收設(shè)備圖像的速度也在150幅/s。系統(tǒng)所有影像設(shè)備和閱片工作站提供單一的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，避免了圖像的分散存儲(chǔ)和再次轉(zhuǎn)發(fā)?，F(xiàn)PACS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

基于虛擬化平臺(tái)的PACS，在遷入7T的部分?jǐn)?shù)據(jù)后開始投入臨床使用，現(xiàn)每天收存近1000人次檢查數(shù)據(jù)信息，與15臺(tái)設(shè)備相連，25臺(tái)報(bào)告終端連接，并通過Web功能向全院500臺(tái)臨床醫(yī)生工作站實(shí)時(shí)發(fā)布數(shù)據(jù)。

3 討論

從項(xiàng)目的方案制定到項(xiàng)目實(shí)施全過程來看，虛擬化平臺(tái)確實(shí)為我們提供了很多傳統(tǒng)模式無法提供的優(yōu)勢(shì)。

首先在硬件的投資上，虛擬化平臺(tái)可以通過回收舊系統(tǒng)硬件資源，然后重新分配而達(dá)到硬件資源的最大化利用[2-3]。在項(xiàng)目實(shí)施中，我們通過對(duì)已有硬件系統(tǒng)資源的重新規(guī)劃，僅通過系統(tǒng)資源的重新分配，就為新系統(tǒng)的操作環(huán)境準(zhǔn)備了足夠的硬件資源。

其次在項(xiàng)目實(shí)施過程中，由于虛擬化平臺(tái)能很好地屏蔽硬件的差異，因此無論是硬盤分區(qū)，RAID設(shè)置或者NAS的配置都顯得異常簡單。以往先要做好存儲(chǔ)空間硬盤RAID和NAS配置，在虛擬環(huán)境下，只需在虛擬設(shè)備資源池中劃分出足夠硬盤空間即可。因此，整個(gè)項(xiàng)目的前期準(zhǔn)備工作只用了1周，而PACS安裝也只進(jìn)行了1周，2周內(nèi)完成一個(gè)中等規(guī)模的PACS建設(shè)，是傳統(tǒng)模式所不能達(dá)到的[4]。

關(guān)于虛擬環(huán)境下的數(shù)據(jù)安全，我們對(duì)虛擬化系統(tǒng)定期做備份，同時(shí)也利用PACS系統(tǒng)自身的備份機(jī)制，定時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)、圖像這三個(gè)方面做定時(shí)備份。數(shù)據(jù)庫方面，PACS采用每小時(shí)備份1次，每天進(jìn)行1次差異備份，每周進(jìn)行1次完全備份；操作系統(tǒng)方面采用Windows自帶的備份機(jī)制，每天進(jìn)行1次系統(tǒng)和應(yīng)用程序備份；而圖像方面，PACS采用在線和歸檔機(jī)制，保證圖像都有2份拷貝，存于2個(gè)不同的存儲(chǔ)中。對(duì)于整個(gè)PACS的備份，我們采用了EMC公司的VPlex方案進(jìn)行備份[5]。

雖然虛擬機(jī)有諸多的好處，但是我們?cè)趯?shí)際運(yùn)行中也發(fā)現(xiàn)如果虛擬機(jī)所在的服務(wù)器中含有過多的其他虛擬服務(wù)器，那么系統(tǒng)也確實(shí)存在性能下降的可能。畢竟操作系統(tǒng)是在虛擬硬盤中以文件形式創(chuàng)建在服務(wù)器中的。其次，如果存儲(chǔ)中也有其他大量應(yīng)用占用磁盤陣列的讀寫操作，那么性能的下降會(huì)表現(xiàn)在圖像的存儲(chǔ)和調(diào)閱速度變慢。

所以針對(duì)PACS的應(yīng)用，我們對(duì)虛擬機(jī)的部署做了進(jìn)一步調(diào)整，減少PACS虛擬機(jī)所在服務(wù)器中虛擬服務(wù)器的數(shù)量，減少PACS所連接的EMC陣列中涉及到大量磁盤讀寫的應(yīng)用服務(wù)。經(jīng)過調(diào)整后，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期要求。

4 結(jié)語

我院PACS升級(jí)的成功實(shí)施和上線運(yùn)行，為虛擬化在醫(yī)療信息技術(shù)中的應(yīng)用又提供了一個(gè)新的案例。虛擬化是近來信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的方向[6-8]，它不但為我們?cè)陧?xiàng)目選型、實(shí)施方法中帶來了更多的選擇余地，而且節(jié)省了更多的硬件、時(shí)間和人力成本。

[1] 李先鋒,王凱蕓,李強(qiáng),等.三甲醫(yī)院虛擬化技術(shù)的研究與實(shí)踐,中國醫(yī)院,2012,16(2):12-14.

[2] 韓成.利用虛擬技術(shù)整合醫(yī)院服務(wù)器的探索[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2013,(3):227-229.

[3] 張剛偉.醫(yī)院PACS應(yīng)用虛擬化架構(gòu)的創(chuàng)新和發(fā)展[J].醫(yī)學(xué)信息,2010,23(8):21.

[4] 王康,鄭小林.虛擬化在PACS系統(tǒng)中的初步應(yīng)用[J].中國衛(wèi)生產(chǎn)業(yè),2011,(22):114.

[5] 魏明,羅希.虛擬化技術(shù)對(duì)PACS高可靠性支持[J].電子設(shè)計(jì)工程,2013,21(14):61-63.

[6] 馬錫坤,張穩(wěn).服務(wù)器虛擬化技術(shù)及其在醫(yī)院的應(yīng)用[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2013,28(5):60-62.

[7] 潘欣.服務(wù)器虛擬化技術(shù)在醫(yī)院信息系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國衛(wèi)生產(chǎn)業(yè),2013,(1):184-185.

[8] 馬鋆.基于vSphere平臺(tái)的服務(wù)器虛擬化技術(shù)應(yīng)用研究[D].南京:南京郵電大學(xué),2013.

High-Reliability PACS Based on Virtualization Environment

XU Qiang
Department of Information, Jiangyin People’s Hospital, Jiangyin Jiangsu 214400, China

This paper presents the virtualization configuration, structure design and implementation processes of PACS in Jiangyin People’s Hospital based on virtualization environment, analyzes the advantages and disadvantages of the application of virtualization in hospital information system, and puts forward the suggestions on PACS construction in virtualization environment.

virtualization environment; PACS; virtual machine; hospital information system

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.11.014

1674-1633(2014)11-0050-03

2014-05-08

作者郵箱：ygl17@126.com