PACS 存储系统方案的选择

PACS存储系统方案的选择

① ① ①

陈蜀虎 李桂祥王放李刚荣李晴辉

①第三军医大学西南医院信息科，400038，

重庆市沙坪坝区高滩岩正街30号

①①

关键词 PACS 存储方案 医院信息系统

摘 要 对西南医院的PACS系统存储方案的选择过程进行了归纳，阐述了PACS

存储系统方案的相关概念、相关产品、方案的具体内容和选择依据。分析了PACS

存储方案选择过程中的思路，介绍了如何综合考虑了PACS系统应用的经验、存

储系统技术的发展、以及应用的实际需求，实现最经济合理方案的过程，对其它

医院PACS存储系统的建设也具有一定的借鉴意义。

1 概述

PACS系统是医院信息化的重要组成部分，目前已广泛应用于医院信息系统

中。在系统建设过程中，医院比较关注的是PACS系统软件的功能，而对系统的

硬件要求及存储方案没有一个清晰的认识，原因在于不能准确预测应用的发展。

在系统建设之初，由于系统的负荷不是很重，硬件方面的情况反映不出来，随着

系统的长期运行，多年以后，数据量的增加会超出当初的预计，硬件的性能也会

显得落后。从存储系统方面，如当初规划不当，会出现数据无法有序保存和有效

使用的问题，此时已有大量数据，再进行系统调整会很困难。我院PACS系统已

使用近6年，数据量呈加速增长的势头，产生的数据已近40T。通过对我院存储

方案的调整，我们感觉到在系统建设之初，应对存储方案进行有效规划，故对

PACS系统存储方案的选择提出一些看法，供大家建设时参考。

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2存储的方式及产品

2.1存储的相关技术与概念

2.1.1存储的结构方式

[1]

存储系统已广泛应用于用户信息化系统建设中，存储

系统容量成为用户信息化应用水平的体现。目前存储设备的主要使用方式为外部

直连存储(DAS)、文件服务器(NAS)方式和网络存储(SAN)。

DAS (Direct Attached Storage: 直接附加存储)。存储设备是通过电缆（通

常是SCSI接口电缆）直接到服务器的。DAS，也可称为SAS（Server-Attached

Storage，服务器附加存储）。它依赖于服务器，其本身是硬件的堆叠，不带有任

何存储操作系统。

NAS（Network Attached Storage：网络附属存储）。它是一种专用数据存

储服务器，将分布、独立的数据整合为大型、集中化管理的数据中心，以便于对

不同主机和应用服务器进行访问的技术。它以数据为中心，将存储设备与服务器

彻底分离，集中管理数据，其成本远远低于使用服务器存储，而效率却远远高于

后者。

SAN（Storage Area Network：存储区域网络）。它是一种类似于普通局域

网的一种高速存储网络，它通过专用的集线器、交换机和网关建立起与服务器和

磁盘阵列之间的直接连接。这种网络技术支持远距离通信，并允许存储设备真正

与服务器隔离，使存储成为可由所有服务器共享的资源。

2.1.2 存储的联接方式 存储产品的联接目前具有以下几种联接方式：SCSI、

Fable channel、Iscsi。

2.1.2.1 SCSI接口 英文全称为Small Computer System Interface，中文名“小

型计算机系统接口”。它是一种外设接口协议，广泛应用于服务器和高档PC中。

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目前SCSI存储设备普遍采用Ultra160 SCSI和Ultra320 SCSI协议。

2.1.2.2 FC接口 英文全称为(Fable channel)，中文名“光纤通道接口”。采

用FCIP（即光纤通道接口协议）的设备被称为FC存储或光纤通道存储。FC与

SCSI一样，都是一种数据传输协议和接口协议。FC存储产品从一开始诞生之日

就和SAN网络紧密地联系在一起，凡是采用FC存储的系统都会采用FC交换机组

成的SAN网络。因此很多人经常会把FC存储直接称之为SAN存储。

2.1.2.3 iSCSI接口 即internet SCSI(互联网小型计算机系统接口)，是一种在

Internet协议网络上，特别是以太网上进行数据块传输的标准。它是由Cisco 和

IBM两家发起的，并由IETF制订的一项标准，得到了IP存储技术拥护者的大力

支持。是一个供硬件设备使用的可以在IP协议上层运行的SCSI指令集。简单地

说，iSCSI可以实现在IP网络上运行SCSI协议。

2.1.3存储的介质形式

[2]

目前常用于数据存储的存储介质主要有磁盘（包括磁盘

阵列）、磁带（包括磁带机和磁带库）和光盘（包括一切CD-R、CD-RW、DVD-R、

DVD-RW等光盘塔和光盘库设备）。从性能上来说，磁盘是最好的，光盘次之，最

差的是磁带。而从价格上来说，单位容量成本上升磁盘最贵、光盘次之，磁带最

低。这就为我们不同的应用追求最佳性价比提供了条件，因为这些不同的存储媒

介可应用于不同的存储方式中。

2.1.4数据的存储模式 数据的存储一般采用分级存储管理(Hierarchical

Storage Management，HSM)，所谓分级存储，就是根据数据不同的重要性、访问

频次等指标分别存储在不同性能的存储设备上，采取不同的存储方式。这样一方

面可大大减少非重要性数据在一级本地磁盘所占用的空间，还可加快整个系统的

存储性能。数据的存储形式包括在线存储（OnStore）、近线存储（NearStore）

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和离线存储（OffStore）。

在分级数据存储结构中，磁带库等成本较低的存储资源用来存放访问频率较

低的信息，而磁盘或磁盘阵列等成本高、速度快的设备，用来存储经常访问的重

要信息。数据分级存储的工作原理是基于数据访问的局部性。通过将不经常访问

的数据自动移到存储层次中较低的层次，释放出较高成本的存储空间给更频繁访

问的数据，可以获得更好的总体性价比。

2.2存储的相关产品

2.2.1服务器 存储设备必须要有相应的服务器进行管理，在DAS和NAS联结方

式中，存储设备是和服务器直接相连，在SAN结构中，服务器是通过网络和存储

设备相连。对于存储设备的管理，在DAS和NAS中存储设备是作为一个附加设备

联连到服务器，主要作为一个空间的扩展，而SAN环境中，会存在多个服务器与

多个存储设备如何管理的问题，具体要看每个服务器的功能划分，存储管理服务

器有时会和应用服务器装在一台机器上，但建议还是将应用服务器和存储管理服

务器分开。

2.2.2磁盘阵列 磁盘阵列和磁带是存储的主要方式，而磁盘阵列又以容量大、

速度快作为在线数据的的存储设备。磁盘阵列又按磁盘类型分为光纤、SAS、SATA

各类高、中、低端产品，按联结方式又可分为SAS接口和光纤接口。

2.2.3磁带库 磁带库存储容量可达到数百PB(1PB=100万GB)，可以实现连续备

份、自动搜索磁带，也可以在驱动管理软件控制下实现智能恢复、实时监控和统

计，整个数据存储备份过程完全摆脱了人工干涉。

2.2.4网络设备 用于联结不同的存储设备组成一个存储区域网(SAN)，有交换

机、路由器等，联结协议有光纤通道协议、iSCSI协议。可以是交换式的，也可

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是共享式的。

2.2.5存储管理软件 存储管理软件在存储系统是主要起到以下三个方面的作

用。

2.2.5.1管理数据 存储的数据从性质上看不是一样的，体现在数据也是有生命

周期的，数据的生命周期决定其价值，在数据的生命周期中如何存储、使用、管

理数据---信息生命周期管理（ILM）需要存储管理软件。

2.2.5.2管理硬件 数据是有大小的，存储介质必然是多元的，可能有磁盘、阵

列、磁带机/库等。这些设备会是不同厂家的产品，这样一个异构的存储环境需

要存储管理软件来管理。

2.2.5.3保护数据 数据是有价值的，数据保护方法和应用有直接关系，另外，

数据是不能单独存在的，甚至存有数据的介质也不能单独存在，数据和介质必须

以服务器（也就是其所运行的平台或系统）为载体才能“活动”，那么数据保护

的另一个隐含问题就是：在保护数据的同时必须保护系统。数据的存储有备份和

归档两种形式。备份是对数据进行复制，是为了确保在出现数据丢失或系统灾难

时将复制的数据恢复回来；归档则是针对海量数据的应用，是对数据进行有计划

的迁移，当数据停止改变或不被频繁使用时，通过归档把它们转移到一个文档，

使之存于日常的备份窗口之外，但仍需保证其可用性。数据的备份与容灾是存储

管理软件的一个重要功能。

2.3存储的应用情况 随着用户信息系统的应用越来越深入，越来越多的人逐渐

认识原来的数据存储变得非常低效, 它通常伴随着低利用率、存储孤岛、过多的

冗余备份、低访问速度、低效搜索以及中断性的传输和迁移等问题。要满足这些

不断变化的要求, 我们需要新型的存储体系结构, 它应该是一种能够无缝将性

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能、连接能力和容量提升到多PB等级的新型体系结构。而且这种新型存储结构

还必须能够提供新型的数据和存储服务。

3 PACS存储系统的特点

3.1 PACS存储系统的特点 投资大，存储系统的投资占整个PACS系统硬件投资

的很大一部分；数据量大，一般用户在使用系统几年后，数据量达到TB级；医

疗影像数据的存储要符合法律、业务部门的要求。从数据保留时限上，国家要求

数据保留15年，而临床科室对数据的查询也有时限上的要求。数据的存储只能

采用归档的方式。

3.2 PACS系统对存储子系统的要求

[3]

3.2.1安全性 不论从国家法律的要求、医院管理的要求、病人的角度来看,PACS

系统中保存的影像数据都必须保证安全性。

3.2.2高效性 医疗工作的时效性很强，对数据的查询要求高效性，对查询的

速度、查询的范围都有一定要求。

3.2.3可扩展性 由于医疗影像数据会随着医院的发展增长，而且增长的速度

会超出人们的预期，必然会存在系统的扩容问题，因此要求存储系统要具有良好

的扩展性，否则对数据的有效保存和使用带来问题。

4 PACS存储系统方案的选择

4.1可选择的方案 在PACS系统的存储方案中，同样需要采用分级存储的方式，

分级存储方式的采用，必然带来多种存储设备的组合，这种特点决定了存储系统

的联结方式，应采用SAN结构。可以采用的存储方案有以下几种。

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4.1.1采用磁盘阵列与磁带库结合的分级存储方式 磁盘阵列作为在线存储，磁

带库作为近线存储，磁盘阵列直接由应用服务器管理，磁带库由存储服务器管理，

联结方式采用光纤通道联结方式。

4.1.2在线与近线均采用磁盘阵列 近线的磁盘阵列由于容量较大，同样需要存

储服务器来管理，联结方式可采用iSCSI方式，目前IP网络的存储产品也比较

多。

4.1.3在线存储仍采用磁盘阵列产品，但近线产品采用目前比较新型的磁盘阵列

子系统 该系统的特点比较适合PACS系统大数据量的管理，而且能与PACS应用

程序结合。

4.2各个方案的特点

4.2.1第一种方案 在线存储速度快，单价成本高，只保留近期使用率高的数据；

近线存储容量大，但速度慢，单位成本低。如果磁带库容量能满足需求，则不会

出现数据离线的情况，如果磁带库容量不能满足要求，可以通过磁带库扩展，为

节约成本，也可更换磁带，使最早的数据离线。

4.2.2第二种方案 联结成本低，近线也采用磁盘阵列，速度较快。两级存储都

采用磁盘阵列而没有统一在一起，有以下方面的原因，一方面在线数据可以采用

价格更高、速度更快的阵列和硬盘，如光纤硬盘，近线阵列可以采用价格较低但

速度较慢的硬盘，如SATA硬盘；另一方面PACS应用服务器一般是WINDOWS平台，

32位的操作系统一个分区只能有2T，管理少量在线的数据还可以，如果是几十、

上百T的数据就无法管理，因此必须将近线数据单独由存储管理服务器来管理。

4.2.3第三种方案 是存储新技术、新产品发展的产物，以前用户的存储需求不

广泛，应用要求也比较单一，存储产品是通用型的，随着用户需求的多样化，越

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来越要求存储产品能和应用相结合。此方案近线数据采用的磁盘阵列子系统是针

对PACS系统大数据量管理来设计，同时也考虑到数据的安全性、稳定性，以及

医疗数据在法律上的相关要求，整个系统的使用、管理的方便程度都要好于通用

的存储产品，是比较新型、有一定专用设计的产品。

4.3如何选择方案 决定PACS系统存储方案的主要因素在于数据的增长量和数据

查询的要求，按国家规定，应保存15年的的数据，按我院系统使用的情况看，

从最初系统开始每天7-8 G的数据，增长到每天35个G左右，只用了5年的时

间，目前我们每年的数据量在10T左右，而且还在逐步增长，虽然增长的速率有

所下降，但数据总量的增长还是超出了我们的预期，对数据增长的估计以及如何

保存这些增长的数据，是在最初的方案里要考虑的问题，否则后来再来调整会很

不方便。除了如何保存这些数据外，如何查询这些数据也是在最初方案里要考虑

的问题，目前的存储管理都是存储系统的软件来管理，也就是说PACS应用软件

是无法直接管理存储系统的数据，这也是目前PACS系统软件普遍存在的问题，

解决的方式，是在PACS应用软件和存储管理软件中作接口，这样PACS应用软件

就能直接调用存储系统中的数据，由于不同厂家的产品不同，实现起来需要PACS

软件供应商和存储系统供应商之间进行配合。具体到上面三个方案我们可以这样

选择。

第一种方案中，采用磁盘阵列作为在线存储、磁带库作库近线存储是一种比

较通用的存储方案，由于磁带库容量大，采用最新的LTO4磁带，一个IBM3584

磁带库共有280个槽位，理论上压缩存储可达到440T，完全能够保存15年的数

据，在此方案中应配有一台存储管理服务器，装有存储备份软件来管理磁带库，

而且建议不要和PACS应用服务器装在一台机器，存储管理服务器的硬盘空间应

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比较大，因为在此服务器上要保留存储备份软件的数据库，需要注意的是，存储

备份软件要有LAN FREE模块，这样数据的备份就只在SAN网络上传输，不会影

响到以太网络中应用的性能。此种方案，对数据量比较大的单位还是比较适用的，

总的成本会比磁盘阵列低。为实现数据的方便查询，应在PACS应用软件和存储

备份软件有接口，以实现有效查阅带库的数据，如果超过15年的数据可以删除，

在备份策略上就要进行相应设置，以实现对过期数据的删除。也可在存储管理软

件中加入HSM模块，由HSM模块实现磁盘阵列和磁带库之间数据的迁移。

第二种方案全部采用磁盘阵列来存储。磁盘阵列的价格从单位成本来看要比

磁带库高，如果数据很大，当然投入会很高，但如果单位的数据量不是很大，采

用磁盘阵列还是可以接受的。在线数据一般保存在一个小的磁盘阵列上，由PACS

应用服务器来管理，而近线数据一般保存在一个磁盘阵列柜上，在此阵列柜上应

能进行扩展，而且由于数据量大， PACS应用服务器也无法管理，还应配有存储

管理服务器来管理近线数据，近线数据用的磁盘阵列柜一般就是一个机柜，第一

次购买有一个基础配置，可以存储2-3年的数据，以后按需要再进行扩展。此种

产品可以采用iSCSI产品，网络联结成本会比较低，但一般硬件厂家只是提供硬

件，如何管理这些硬件，需要第三方的存储管理软件，存储管理软件如何管理这

些阵列柜，以及以后扩展时如何配置，由于是不同厂家的产品，事先都要了解清

楚。由于是采用以太网联结，在成本低的情况下，会带来存储系统和应用共用网

络带宽的问题，因此应合理规划网络结构，使存储网络不要影响应用的网络。同

样数据的查询也是事先要做好方案，这也迁涉到PACS应用程序和存储管理软件

的接口问题。

第三种方案从本质上讲仍然是使用的磁盘阵列产品，而且一般采用的也是以

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太网联结，所不同之处在于，我们原来需要存储管理服务器来管理的磁盘阵列，

现在全部被厂商做在一个产品里去了，也就是说厂商提供的是一个磁盘阵列存储

子系统，在这个子系统里数据是如何保存的，对用户来说是透明的，用户只需把

数据往里放，至于放到什么地方，由此子系统自己管理，用户也不需要配置存储

管理服务器来管理磁盘阵列。此子系统不仅能够自己管理数据，而且还有相应的

安全、冗余措施来保证数据的安全，同时此子系统也提供软件的API接口，供

PACS应用程序调用，以便调用子系统中的数据，此产品提供给用户的也是一个

机柜，第一次安装的也是一个基础配置，有一定的基本容量，约在20-30T不等，

以后空间满后，再增加相应单元，而且增加单元的管理全部由系统自己处理，不

会影响到应用。从方便性和效率上看，此种产品是最好的，但价格也是最高的，

如果数据量不是很大，而且单位可以接受投入，采用此种方案是比较合适的选择。

4.4选择方案注意的方面 在选择方案的过程中，还有一些因素会影响到方案的

选择和实施。

4.4.1机房的情况 一般单位的机房在建设时都没有全面考虑以后应用的要求，

有些也是估计不足，而且PACS存储系统可以说是医院信息系统中占用空间最大，

耗电最多的一个子系统，方案选择后，机房空间够不够，UPS的功率够不够，机

器放到什么地方比较合适，特别是比较老的机房，可能要进行相应的电路、布线、

空调的改造才行，如果用磁带库，还要注意地面的平整和结实，因为磁带库不仅

要安装水平而且要求地面坚硬，不能抖动和晃动。

用户的分布及网络结构。PACS系统中产生数据最大的，使用数据最大的是

放射科，如果将PACS系统的服务器及存储系统与放射科的设备和工作站单独配

置在一个子网里，会减少对其它系统的影响。

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5 其它注意的问题

5.1人员的培训 一个系统的正常使用，除了在建设时需要综合考虑，日常的维

护也很重要，特别是PACS存储系统涉及的硬件产品和软件产品比较多，此系统

又保存了医院的大量数据，出问题后对医院影响比较大，所以需要对维护人员提

供相应的培训，以保障使用人员的规范操作。

5.2硬件的升级 我国IT建设存在着重建设、轻维护的弊病，在建设时单位有预

算进行投资，但对系统的维护不一定有预算，系统在运行多年后，会出现硬件性

能满足应用的要求下降，但单位对系统的要求反而会越来越高，特别在PACS系

统方面会出现这样的情况，作为单位信息工作的人员应对此有心理准备。

5.3容灾与恢复 PACS存储系统除了日常使用的一个子系统，出于安全的考虑，

应建立一个异地备份的子系统，以保障数据的安全。出于成本的考虑，异地备份

一般采用磁带备份的方式。

5.4存储新技术的发展及影响 存储领域是最近几年发展较快的领域，一方面用

户需求不断提高，另一方面新产品、新技术不断出现，用户在选择产品时，注意

关于相关产品技术的发展趋势，结合自己的实际情况，选择最适合自己的产品和

方案。

参考文献

[1]刘恩军.主流存储技术的研究和应用[J].实验室科学，2007，3：73-75.

[2]孙凯，赵志强.应用在PACS上的网络存储设备[J].医疗设备信息, 2001,7:22-23.

[3]李刚荣，方明金.数字化医院建设的思路与实践[M].北京：人民卫生出版社，2006：1.

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