一种医学影像数据的存储系统.pdf

本发明提供一种医学影像数据的存储系统，所述系统包括影像存储层，与所述影像存储层相连的元数据层以及与所述元数据层相连的应用客户端层，其中所述影像存储层包括多个影像存储节点，所述影像存储节点中含有多个影像数据块，用户通过所述影像存储节点存储／读取所述医学影像数据。本技术方案不仅能解决存储海量医学数据时的不稳定性和效率低的问题，还为医疗机构提供了高效、安全的海量医学影像存储和访问服务。

权利要求书1.  一种医学影像数据的存储系统，包括影像存储层，与所述影像存储层相连 的元数据层以及与所述元数据层相连的应用客户端层，其特征在于，所述 影像存储层包括多个影像存储节点，所述影像存储节点中含有多个影像数 据块。 2.  如权利要求1所述一种医学影像数据的存储系统，其特征在于，用户通过 所述影像存储节点存储／读取所述医学影像数据。 3.  如权利要求2所述一种医学影像数据的存储系统，其特征在于，所述影像 存储节点具有动态扩容机制。 4.  如权利要求1所述一种医学影像数据的存储系统，其特征在于，所述影像 数据块包括一个患者单次检查的所有医学影像数据。 5.  如权利要求4所述一种医学影像数据的存储系统，其特征在于，根据副本 冗余的原则分配所述影像数据块。 6.  如权利要求1所述一种医学影像数据的存储系统，其特征在于，所述元数 据层包括多个元数据节点，所述元数据节点用于处理所述应用客户端层的 请求以及分配／获取所述医学影像数据。 7.  如权利要求6所述一种医学影像数据的存储系统，其特征在于，根据网络 就近原则和所述影像存储节点的负载情况，分配所述医学影像数据。 8.  如权利要求6所述一种医学影像数据的存储系统，其特征在于，所述元数 据节点包括主元数据节点和从元数据节点。 9.  如权利要求6所述一种医学影像数据的存储系统，其特征在于，所述元数 据节点中的元数据为所述影像数据块的映射。 10.  如权利要求9所述一种医学影像数据的存储系统，其特征在于，所述元数 据包含患者ID、影像序列ID、所述影像数据块的大小和备份数以及所述影 像数据块所在的节点列表和路径。

说明书一种医学影像数据的存储系统
技术领域
本发明涉及信息存储领域，尤其涉及一种医学影像数据的存储系统。
背景技术
随着医疗信息化建设的推进，医院信息系统(Hospital information system， HIS)、放射信息系统(Radiology information system，RIS)以及影像归档和通 信系统(Picture archiving and communication system，PACS)在国内各大、中 型医疗机构逐渐得到普及。随着就诊细节、临床诊断和影像检查方法的不断 改进，医疗信息系统中存储的数据量爆炸式地增长。
随着医院各类医学影像设备的不断增加，医学影像的数据量也会越来越 大，对数据存储设备的规模和要求越来越大，对这些数据的存储、管理和利 用成了当前医院信息化的一个重点。如何安全保存这些非结构化医学影像数 据，为拥有不同使用权限的用户(如医生、病人、卫生监管机构等)提供快 速查询和调阅服务，实现区域医疗信息共享，成为医疗行业面临的重大挑战 之一。
现有医疗系统的影像存储都是存储于单台服务器上，它具有以下瓶颈， 一是当存储服务器宕机时，会影响医疗业务系统的正常使用，严重的情况如 出现磁盘数据损坏，一段时间难以修复数据，使得医疗设备和业务系统不可 用，严重影响医院的正常诊疗工作；二是随着医疗信息化的发展，使得影像 数据爆炸式地增长，单台服务器只能以添加磁盘的方式增加存储空间，但是， 单台服务由于受到内存和处理器的限制，存储容量扩容是有限的，并且在数 据量达到一定规模后，访问效率大大降低，影响医疗系统读取影像数据。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种医学影像数据的存储系统，不仅能解决存 储海量医学数据时的不稳定性和效率低的问题，还为医疗机构提供了高效、 安全的海量医学影像存储和访问服务。
为了解决上述问题，本发明提供了一种医学影像数据的存储系统，包括 影像存储层，与所述影像存储层相连的元数据层以及与所述元数据层相连的 应用客户端层，其中，所述影像存储层包括多个影像存储节点，所述影像存 储节点中含有多个影像数据块。
上述所述一种医学影像数据的存储系统，其中，用户通过所述影像存储 节点存储／读取所述医学影像数据。
上述所述一种医学影像数据的存储系统，其中，所述影像存储节点具有 动态扩容机制。
上述所述一种医学影像数据的存储系统，其中，所述影像数据块包括一 个患者单次检查的所有医学影像数据。
上述所述一种医学影像数据的存储系统，其中，根据副本冗余的原则分 配所述影像数据块。
上述所述一种医学影像数据的存储系统，其中，所述元数据层包括多个 元数据节点，所述元数据节点用于处理所述应用客户端层的请求以及分配／获 取所述医学影像数据。
上述所述一种医学影像数据的存储系统，其中，根据网络就近原则和所 述影像存储节点的负载情况，分配所述医学影像数据。
上述所述一种医学影像数据的存储系统，其中，所述元数据节点包括主 元数据节点和从元数据节点。
上述所述一种医学影像数据的存储系统，其中，所述元数据节点中的元 数据为所述影像数据块的映射。
上述所述一种医学影像数据的存储系统，其中，所述元数据包含患者ID、 影像序列ID、所述影像数据块的大小和备份数以及所述影像数据块所在的节 点列表和路径。
与现有技术相比，本发明以影像数据块为最小存储单元，由于最小存储 单元的读写机制具有原子性，因此，降低了读写医学影像数据的复杂性，提 高系统的工作效率，减少了影像的存储空间，降低了对网络带宽的需求；
进一步地，使用元数据映射影像数据块，元数据仅包括了数据块的基本 存储信息，远小于实际影像数据块的大小，使得系统可以存储和管理海量医 学影像数据；
进一步地，采用元数据寻址映射和高效的数据分配策略，提高系统读写 影像数据块的效率，解决了高并发情况下，海量影像数据访问的效率问题；
进一步地，影像存储节点具有动态扩容的机制，用户可根据实际需求实 时、在线新增影像数据存储节点，具有较好的实用性。
附图说明
图1所示为本发明实施例一种医学影像数据存储系统的结构示意图；
图2所示为本发明实施例所述影像数据块的副本冗余示意图；
图3所示为本发明实施例客户端写数据的流程示意图；
图4所示为本发明实施例客户端读数据的流程示意图。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发 明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不 违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施 的限制。
其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便 于说明，所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。
下面结合附图和实施例对本发明一种医学影像数据的存储系统进行详细 地描述。本发明实施例医学影像数据存储系统如图1所示，所述医学影像数 据存储系统包括影像存储层3，与所述影像存储层3相连的元数据层2以及与 所述元数据层2相连的应用客户端层1。其中，所述影像存储层3包括多个影 像存储节点31，用户通过所述影像存储节点31存储／读取所述医学影像数据； 所述元数据层2包括多个元数据节点，所述元数据节点用于处理所述应用客 户端层的请求以及分配／获取所述医学影像数据，所述元数据节点包括主元数 据节点21和从元数据节点22。具体地，所述影像存储层3用于医学影像数据 的存储，包括多个影像存储节点，每个影像存储节点为一台医学影像存储服 务器。影像存储节点负责把医学影像数据存储于本地磁盘中，同时周期性地 向元数据层发送请求，以获得操作指令(如新建、删除、复制影像数据等)。 所述影像存储节点中含有多个影像数据块，一个影像数据块包括了一名患者 单次检查的所有影像数据，为最小存储单元。具体地，根据患者的ID和影像 的序列ID，识别出患者单次检查所有的影像数据，并将其压缩打包成一个数 据块，以减少影像数据块的存储空间。由于不同患者、不同检查包括的医学 影像文件大小不同，因此，影像数据块大小不是固定的。影像数据块是存储 的最小单位，读写所述影像数据块都是原子性的，不需要切分或合并，降低 了读写患者单次检查的医学影像数据的复杂性，提高了数据的读写效率。为 了避免因影像数据块损坏、磁盘或单台机器故障出现患者影像数据丢失的情 况，根据副本冗余的原则分配所述影像数据块，将医学影像数据分布存储于 多个影像存储节点31上，从而保证存储系统的安全性和可靠性。
在本实施例中，所设置的副本冗余为3，即每一个所述影像数据块都在其 它影像存储节点上有2个拷贝。如图2所示，机架(即一个局域网内数台服 务器组成的集群)1中的影像存储节点含有影像数据块1、2、3和4，对于每 一个影像数据块，在机架1和机架2的其它影像存储节点中各含有一个副本。 对于影像数据块1来说，存储在机架1的影像存储节点2中，而且在机架1 的影像存储节点3和机架2的影像存储节点M中各有一个副本。当机架1中 的影像存储节点2宕机时，仍然能够从机架1的影像存储节点3中获得所述 影像数据；当机架中的全部影像存储节点宕机时，可以从机架2的影像存储 节点M中获得所述影像数据。需要说明的是，用户可以通过配置文件更改副 本的数量，从而保证存储的安全性和可靠性。
所述元数据层2中的元数据节点接受来自客户端的RPC(Remote  Procedure Call protocol，远程过程调用协议)请求，根据请求获得所述医学影 像所对应的元数据信息，并指派所述影像存储节点工作，且将操作结果返回 给客户端。而所述影像存储节点以心跳包的方式周期性地发送报告给所述元 数据层，告知所述元数据层其工作状态和负载状况(CPU、内存、磁盘1O、 磁盘存储空间、网络1O、进程资源等)，其中，心跳包的内容可根据用户的需 求通过配置文件来设置。具体地，所述医学影像的元数据为上述影像数据块 信息的映射，包含患者ID、序列ID、影像数据块的大小、影像数据块的备份 数、存储所述影像数据块的节点列表以及路径。一条元数据信息的大小约为 1KB，远小于实际影像数据块的大小。所述元数据通过元数据节点存储在内存 和固定硬盘中，若一个服务器有64GB的内存，可存储的元数据数目为64*1024 个，即系统可存储和管理的影像数据块为64*1024个，可满足一般医院的存 储需求。
为了防止宕机时，系统将不能使用，所述元数据层包括主元数据节点和 从元数据节点，主节点定时向从节点发送心跳信息包，心跳信息包的内容包 括主机时间和消息状态码。当从节点不能在指定时间接受到心跳包时，认定 主节点失效，从节点利用虚拟IP切换接管主节点的资源和服务进行工作。在 本实施例中，设置的时间间隔为10秒。
当元数据节点接受到来自客户端的存储请求时，元数据节点根据网络就 近原则和存储节点负载情况，进行数据分配，即元数据节点根据客户端所处 的网络位置和IP地址分配影像存储节点。由上述可知，影像存储节点以心跳 包的方式周期性发送报告给所述元数据层，告知所述元数据层其工作状态和 负载状况，从而所述元数据层中的元数据节点根据影像储存节点的负载情况 进行数据的分配。具体地，所述元数据节点根据影像存储节点定时发送的报 告信息，在机架内部(即和所述客户端在同一局域网内的机架)查找负载较 轻的影像存储节点，如果所述机架内所有影像存储节点都满载，则向其他机 架查找，若所述其他机架内的影像存储节点也都满载，则向系统管理员发出 告警信息，系统管理员通过在线添加节点的方式对影像存储扩容；若在机架 内部或其他机架内查找到负载较轻的节点，则所述元数据节点发送指令告知 负载重的影像存储节点把部分数据转移至所述负载较轻的影像存储节点上。
此外，根据网络就近原则，当客户端和影像存储节点是同一台服务器时， 则会在本地服务器中存储一个副本数据；如果不是同一台服务器，则在同一 网段或者局域网中选择存储节点存储副本数据；如果客户端和影像存储节点 都不是同一个网段或局域网时，则从广域网中选择存储节点存储。如图2所 示，两个备份在同一机架(机架1)内，一个备份在机架之外(即备份在机架 2)，从而保证数据的安全性和可靠性。从而在优先考虑负载，结合网络就近 原则的情况下，使得数据均匀地分布于影像数据存储节点上，提高系统的工 作效率。
在本实施例中，由上述可知，元数据节点对影像存储节点进行集中管 理，通过消息命令告知影像存储节点，影像存储节点根据消息包(即所述消 息命令)执行具体的任务(如数据拷贝和数据迁移等)，任务执行完成后，向 所述元数据节点发送任务报告。具体地，如图1所示，首先，所述元数据层 中的主元数据节点定时(在本实施例中，时间间隔为10秒)发送心跳信息包 给所述从元数据节点，若所述从元数据节点在心跳时间内(即10秒之内)接 受到来自所述主元数据节点的心跳信息，则所述主元数据节点负责任务调度； 否则，所述从元数据节点接管主节点的资源和服务，负责任务调度。其次， 影像存储节点向主元数据节点定期提交状态报告，由上述可知，若所述主元 数据节点负责调度任务，则主元数据节点根据所述影像存储节点的状态报告、 结合上述数据分配策略和数据迁移策略生成相应的任务计划，以消息方式发 送给影像存储节点执行。最后，所述影像存储节点接受所述主元数据节点分 配的任务，并在任务处理过程中定期返回任务处理报告给所述主元数据节点。 需要说明的是，若所述从元数据节点执行调度任务，则和主元数据节点的方 式一样，只是影像存储节点发送的报告只发给主元数据节点。
此外，元数据节点提供独立的服务，即新增影像存储节点时，只需绑定 元数据节点的IP地址和端号口，从而实现在线扩容。元数据节点可以根据节 点负载情况以及迁移规则，对负载较重的节点减负，转移部分影像数据块至 新增影像存储节点上，使得数据均匀地分布在系统的服务器中。
所述应用客户端层1含有应用程序编程接口，其中，应用程序编程接口 分别为：GET，根据患者序列号下载医学影像的影像数据块；POST，新建并 上传影像数据块；DELETE，删除影像数据块；INFO，获取医学影像的元数 据信息(患者ID、序列ID、影像数据块大小、备份数)；LOCK，锁定文件， 禁止用户读写；COMPRESS，根据医学DICOM(Digital imaging and  Communications in Medicine)数字影像和通信标准协议，对一个患者单次检查 的所有影像数据进行压缩，打包成一个影像数据块；UNZIP，根据DICOM协 议，对一个影像数据块进行分析、解压成医学影像数据。所述应用客户端层 还提供了SDK(Software Development Kit，软件开发包)，且通过RPC(Remote  Procedure Call Protocol，远程过程调用协议)的方式与元数据层以及影像存储 层进行数据交互。
具体地，在本实施例中，客户端进行写数据的流程如图3所示，首先， 执行步骤S301，客户端向元数据节点发起创建请求。具体地，客户端的用户 使用患者ID、序列ID以及所要写入的影像数据的本地路径作为参数，调用应 用客户端层的POST接口，向元数据层的元数据节点发起创建请求。接着， 执行步骤S302，元数据节点根据所述请求确定是否创建，若是，则执行步骤 S303，元数据节点为所述请求创建元数据，并返回给客户端；若否，则执行 步骤S304，将所述异常情况返回给客户端，结束整个过程。具体地，元数据 节点根据传入的参数(患者ID和序列ID)检查要创建的影像数据块是否已经 存在，并检查用户是否有权限操作，从而确定是否创建影像数据块，若所要 创建的影像数据块并不存在，且用户有操作的权限，则元数据节点为所述影 像数据创建元数据，并返回给客户端；否则，抛出异常信号给客户端，结束 整个过程。
接着，执行步骤S305，客户端根据元数据，将影像数据压缩为影像数据 块，并将其写入目标路径。具体地，客户端获得返回的元数据，以传入的影 像数据的本地路径作为参数，调用COMPRESS接口，把所述影像数据压缩为 影像数据块，并且使用元数据中的影像存储节点的IP地址，访问该影像存储 节点，将压缩完成的影像数据块写入目标服务器的路径下。
接着，执行步骤S306，根据患者ID和序列ID，判断所述影像数据块是 否已经存在于目标服务器，若已存在，则执行步骤S307，影像存储节点返回 成功信息给客户端；若不存在，则执行步骤S304，将所述异常情况返回给客 户端，终止整个过程。具体地，根据患者ID和序列ID，确定影像数据块写入 目标服务器成功后，影像存储节点返回成功信息给客户端，并以报告的形式 将该影像数据块的文件信息定时告知元数据节点，并更新元数据信息。元数 据节点通过用户设置的备份数以及任务调度通知影像存储节点，分配影像存 储节点对副本进行存储；影像存储节点接受元数据提交的任务，根据任务需 求对该影像数据块进行拷贝，并将其异步的迁移至指定的服务器上存储。
客户端进行读数据的流程如图4所示，首先，执行步骤S401，客户端向 元数据节点发起请求。具体地，客户端以患者ID和序列ID作为输入参数， 通过调用GET接口向元数据节点发起读取与患者ID以及序列ID对应的影像 数据的请求。接着，执行步骤S402，根据所述请求，查找服务器中是否含有 所述元数据，若是，则执行步骤S403，将元数据返回给客户端；若否，则返 回错误信息给客户端。具体地，元数据节点根据传入的参数，即患者ID和序 列ID，查找服务器中是否含有元数据，若服务器中含有所述与传入参数相关 的元数据，则将查询到的元数据返回给客户端；否则，返回错误信息给客户 端，结束读取影像数据。
接着，执行步骤S405，客户端根据元数据，下载对应的影像数据块，并 对所述影像数据块进行处理，得到影像数据。具体地，客户端获得元数据节 点返回的元数据，所述元数据中包含了存储所要读取的影像数据的影像数据 块的所有服务器列表，根据网络就近原则，客户端从离客户端最近的影像存 储节点下载对应的影像数据块，并调用UNZIP接口，对所述影像数据块进行 分析、解压成医疗系统可识别的影像数据，即用户所需的影像数据。需要说 明的是，在调用UNZIP接口之前，对下载的影像数据块的大小与元数据中保 存的影像数据块大小进行比较，若所述影像数据块的大小不一致，则返回异 常信息给客户端。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任 何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的 方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱 离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何 简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。