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醫療PACS影像的性能挑戰及解決方案

發布時間:2022-04-13 來源:本站

一、PACS影像數據存儲的挑戰

PACS影像數據占醫院信息化數據總量的80%以上。隨著CT/MR等檢查設備分辨率的不斷提高,如CT檢查設備從早期的64排已經發展到256排,使用人工智能圖像分析技術后將掃描切層從5mm減小到1mm, 這些因素使得醫院的PACS影像數據量急速增加。


急速增長的PACS影像數據量使得醫院信息化面臨如下嚴峻挑戰:

1、 PACS調圖時間長達1~2分鐘

十年前,患者檢查產生的圖像大約幾百張,醫生調閱患者PACS圖像只需要10秒左右。

目前患者一次檢查產生的圖像數量達到2000幅以上,調圖時間普遍長達1到2分鐘。調圖卡頓是常態,嚴重影響了醫生的工作效率。


2、存儲架構復雜,擴容運維困難

目前醫院普遍采用在線/近線/離線三層架構,在線使用SAN存儲,近線/離線使用SAN/NAS或對象存儲。

SAN存儲設備擴容困難,需要劃分很多邏輯卷。使用小的邏輯卷,數據風險小,但盤符數量多,而Windows 服務器對盤符數量又有限制;使用大的邏輯卷,盤符數量少,但是數據安全風險大,一旦發生文件系統損壞,檢查修復時間會長達幾周。

傳統存儲設備的擴展能力有限,醫院需要不斷購買新的存儲設備,需要不斷做數據遷移,存儲架構復雜,運維負擔繁重。


二、性能瓶頸分析


PACS系統調圖涉及到多個環節,包括PACS客戶端軟件、醫生端電腦、網絡、存儲設備,它們都對性能有重要影響。

1、PACS軟件

本文不關注PACS軟件的核心功能,只從PACS軟件調圖性能角度分析。PACS軟件的并發度對調圖性能有很大影響。比如,用4個線程同時調取4個圖像文件,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PACS軟件就是系統的主要性能瓶頸。對于這種場景,升級PACS軟件就成為必須要做的工作。


2、醫生端電腦

醫生端電腦硬件配置對PACS調圖性能也有一定影響。如果啟用了AI輔助分析,則CPU/GPU的配置對性能就很關鍵。

由于每位患者的PACS影像數據量都比較大,無法全部存儲在內存,因此PACS軟件都會把下載的PACS文件先寫入本地硬盤,再從本地硬盤讀取,本地盤的讀寫性能往往會成為瓶頸。

醫生端電腦使用SSD固態盤會顯著提升性能。


3、網絡寬帶

從網絡角度看,只要做到千兆到桌面,萬兆到核心,網絡就不會成為性能瓶頸。

PACS服務器到網絡存儲設備之間數據流量比較大,應使用萬兆以太網,而不是千兆以太網,否則網絡也會成為性能瓶頸。


4、存儲設備

在大多數場景下,PACS系統的調圖性能瓶頸主要在于存儲設備,而不在于PACS軟件。目前普遍30~50幅/秒的調圖速度就是傳統存儲設備的正常性能。

使用SAN存儲設備時,承擔數據管理功能的文件系統運行在Windows 服務器上,該服務器往往會成為性能瓶頸,大幅增加該服務器的內存會改善性能。


三、新一代PACS影像存儲解決方案

上海霄云信息科技是國內軟件定義分布式存儲的引領者,為醫療PACS影像帶來了革新的數據存儲解決方案。


碧海分布式存儲通過萬兆以太網接入數據中心,現有網絡架構無需調整。碧海分布式存儲所有功能都采用冗余設計,避免單點故障,保證高可用。具有獨有的智能自適應修復技術,在磁盤發生故障進行數據修復時可以保障業務性能不受影響。


新的方案具有如下優勢:

1、性能優異,PACS影像調圖速度提升3倍以上

碧海分布式存儲的性能顯著優于傳統集中式SAN和NAS存儲,也高于某國際高端集群存儲Ixxxxx。PACS影像調圖速度可達到300幅/秒。


2、一套存儲,數據全部在線

經過實際測試,碧海分布式存儲系統能夠做到百億級文件性能衰減小于5%(傳統存儲可管理文件數在億級,Hadoop大數據平臺可管理文件數在10億級)。

對于PACS影像數據,100TB對應的文件數量約為2億。目前國內大型三甲醫院的歷史PACS影像數據一般在500TB左右,文件數約為10億。

因此,使用碧海存儲可以將幾十年的PACS影像數據全部存儲到一套存儲,PACS系統的存儲架構得以極大簡化,擴容與運維負擔大幅減輕。


3、國產自主研發,非開源存儲軟件,技術先進

碧海分布式存儲是如何實現高性能的呢?

▲分布式元數據管理

碧海分布式存儲使用創新的技術,基于NoSQL分布式數據庫技術管理分布式文件系統的元數據,消除了傳統集中式存儲的單點性能瓶頸。經過實際測試驗證,能夠存儲百億級以上的文件。

▲針對PACS海量小文件的定制優化

碧海分布式存儲針對PACS小文件進行了深度定制優化,減少了小文件元數據規模,對于PACS影像等小文件場景,文件數可壓縮到1/100;將小文件的讀寫合并后寫盤,大幅提高了小文件讀寫性能。

▲ 高效SSD緩存設計

傳統的SAN/NAS的SSD緩存方式在塊設備底層實現,無法獲得文件層的信息,比如哪些內容是目錄,哪些是文件元數據inode等,只有當數據被反復多次訪問時才會保持在SSD中,因此SSD緩存的命中率比較低。

碧海分布式存儲系統在系統架構設計中融入了SSD緩存設計,將目錄數據、文件元數據、熱點數據全部保持在SSD中,大幅提高了SSD緩存的命中率,從而能夠在節省成本的前提下大幅提高讀寫性能。

▲對象和文件互通訪問,性能無衰減

碧海分布式存儲的底層使用統一方式管理數據,文件和對象無需轉換網關就能夠互通訪問,對象的讀寫性能和文件一樣優異,突破了對象存儲性能低的局限。


四、實踐案例


上海市胸科醫院是國內最大的胸外科三甲醫院,所有的檢查與診斷都需要拍片,對PACS系統的調閱要求高于很多綜合性大型三甲醫院,每年新增PACS數據量壓縮后達到80TB。

之前使用高端存儲HP 3Par,PACS影像調圖速度為50幅/秒,影像科復核醫生在閱片時會發生卡頓。

為了更好地支持一線醫生的工作,上海市胸科醫院信息科不斷探索引進新的先進技術,組織PACS廠商衛寧健康與霄云科技一起分析攻關,PACS軟件也進行了深度優化,增加了多種調圖模式,并針對分布式存儲的特點提高了并發調圖線程數。

新的方案獲得顯著的提升效果。調圖速度達到300幅/秒,1000幅的CT圖像可在4秒內調閱完畢。影像科復核醫生每天審核的報告數提升了50%。


碧海分布式存儲上線2年之后,將歷史影像數據全部遷移到碧海分布式存儲,實現了一套存儲數據全部在線。截至2022年3月,在線數據量達到400TB,文件數達到9.4億。


權威第三方測評機構在醫院現場對PACS影像調圖性能進行了評測,結果如下:






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