admin 发表于 2010-8-29 13:23:34

PACS的结构与实现

1 概述
  PACS (picture archiving and communication systems; PACS)又称IMAS(image archiving and communication systems),即图像归档与传输系统,是应用于医院放射科或医院及更大范围的医学图像信息管理系统,图像主要来源于医院的放射医疗设备如CT、MRI、PET、B超等产生的影像,在这里医学影像又称为医学图像。

  PACS的起源和发展是与计算机科学的发展密切相关的。传统的放射科医生的诊断方式主要是根据由特定影像设备产生的胶片,凭借医生多年的诊断经验判断是否有病变及其具体情况。这种利用胶片的诊断和存储方式随着影像设备的不断更新换代已经越来越不适应医院的管理发展,它的诸多缺点制约了数字化医院实现的构想。首先胶片诊断方式非常单一化,整张胶片的信息没有得到充分的利用,很难观察到更细微的局部信息,并且胶片诊断仅仅采用定性的方式,带有很大的主观性;胶片的使用一般也仅限于医院内部。定量信息的缺乏和医学图像资源的不可共享阻碍了医疗教学和医生诊断水平的普遍提高。另外,胶片的存储和维护也带来了很大的医院费用难题,胶片的易损坏性更不利于对它的再次利用。

  随着数字化技术尤其是计算机科学的飞速发展,在医疗界使用计算机取代胶片保存手段应用于医院管理的想法产生了,PACS正是这种思想发展的结果。PACS主要利用计算机辅助诊断和存储方式替代传统的胶片手段,通过计算机及其外围设备对胶片进行数字化处理,生成某种格式的数字图像,利用先进的存储介质保存图像,并且借助计算机图像处理技术,对图像进行增强变换、局部放缩、旋转平移以及各种滤波分析,得出更为清晰的图像和有关的量化数据,为医疗诊断提供了更客观的依据,在很大程度上减小了主观的因素。更为重要的是,利用计算机先进的存储方式和强大的图像压缩功能以及网络传输能力,可以实现医院内部甚至远程的医院之间的医学图像信息的共享,这种共享体现在时间和空间两个主要方面,首先,所有放射科的图像不但在诊断科内部可以使用,而且在整个医院内部通过计算机网络实现资源共享,甚至支持远程对图像的调用,另一方面对于已经使用过的医学图像提供长期的可靠保存手段,以供将来随时的查询和显示。在医院内部信息共享的基础上,把图像数据库的信息进行归类和标识,利用计算机局域网或远程网进行医疗诊断技术的教学和培训工作,普遍提高医生的诊断水平。因此,PACS系统对医院有以下几个方面的意义:提高医院的工作效率和生产率;提供病人更好的服务;更有效的使用庞大的医学图像资源;为医生提供参考咨询依据并用定量数据补充定性手段的不足,提高诊断的正确率;为医院减小影像保存的成本。
2 PACS的体系结构
  PACS根据其使用的范围不同分为以下三个层次,放射科内部PACS;医院内部PACS和较大范围的PACS(指医院之间或跨地区之间的PACS),当前国际上各个PACS生产厂商以放射科内部PACS和医院内部PACS作为主要产品,而更大范围的PACS随着计算机网络的发展,尤其是Internet网性能的进一步提高,也将会有相应的产品问世。

  一般来说,放射科内部的PACS系统实现相对容易,利用以太网(Ethernet),将科室或医院内部图像资源完全共享,在现阶段,利用局域网在医院内部传输文本、图像甚至视频、声音等多媒体数据完全可以的。但是医院范围的PACS还要涉及到与HIS系统的集成问题,必须考虑到HIS的发展情况,两者的接口的实现有一定的难度,HIS和PACS的共同建设需要很高的经济成本,目前只限于在我国的大医院推广。而对于更大范围的PACS,受当前计算机网络尤其是网络带宽的制约,仍然处于研究阶段。

  早期的PACS主要以医院甚至放射科内部的应用为主,因此PACS系统主要以集中式系统为主,它的特点是将病人的影像数据(通过影像设备直接或间接获取的)存储在主服务器上,当PACS系统的其它客户端需要进行显示或查询时,通过服务器的数据库管理系统(DBMS)调用数据到本地客户端,从它的基本工作流程可以看出,它容易实现,管理和维护方便,但是由于图像数据量非常大,传输时间较长,难以保证实时性,并且所有的图像数据都放置在一个服务器上,因此可靠性变得很差,对服务器硬件提出了很高的要求。目前国外的一些大公司如西门子的SIENET ISA系统就采用这种体系结构。

  近几年随着计算机科学的发展,分布式的思想逐步被许多开发PACS的厂商所采用,在这样的系统中,图像数据被分别存储在不同的物理服务器上,它们的数据可以被网络的合法用户共享,分布式系统采用多点存储代替一点存储,提高了系统的可靠性,但却相应增加了系统的复杂性,因此系统的实现和维护困难,所需经济成本高。采用这种体系结构的有瑞士Geneva大学附属医院开发的PACS。PACS的两种主要的体系,具体结构请见图1。
现以放射科内部的PACS为例,介绍PACS的基本结构模块和功能,这些组成模块包括图像的数据获取和预处理模块、显示/查询模块、归档模块、数据库模块、工作流管理模块。各模块之间的关系详见图2。

  图像获取和预处理模块主要以直接接口或间接介质等方式获取医学影像设备产生的图像数据,经过压缩、格式转换等处理以便进一步分啻娲⒁窖?枷袷?菀员甘褂茫灰窖?枷窆榈的?槲?枷袷?菘馓峁┐笕萘看娲⒑蟊福?な奔浔4嫱枷袷?荩?ü?と〉裙δ芗涌於酝枷袷?莸姆梦剩籔ACS数据库部分模块提供对数据库的一些基本操作,并对数据库进行维护和管理;医学图像查询、显示和诊断模块为医师提供对图像数据的实时查询服务,对不同设备的影像数据进行显示和进一步处理,辅助医师进行诊断;工作流控制模块是协调各模块之间的工作流程,提高系统的安全性、稳定性和可扩展性。

  以上就是PACS基本结构的介绍,这种模块化的设计思想方便将来系统的功能扩充,通过使用工作流模块来协调其它各个模块之间的工作,提高了系统的灵活性和可扩展性。
3 与PACS相关的学科和技术
  PACS是多学科交叉发展的产物,它与计算机科学、医学、认知心理学及管理科学密切相关。下面就具体探讨这些学科的发展对PACS的影响。

  首先自PACS产生以来就一直受着计算机科学发展的影响,计算机的各种新技术的不断出现促进了PACS的功能不断强大,应用范围也越来越广。数字图像处理技术为医生的诊断提供更好的支持,也为解决数据量大的问题不断提供新的方法,比如使医生从定性诊断发展到今天的定性与定量诊断相结合的方式,图像增强、滤波、分割等多种方法的使用不但提高了图像的清晰度,也可以更精确的检测出病变的方位。另外,图像压缩的各种方法的出现,典型的有小波变换压缩等,为解决图像数据量庞大问题发挥了很大的作用,缓解了存储和网络传输的瓶颈因素。当前医学图像的格式标准化和压缩标准化工作为将来国际间医学影像资源的共享打下了基础。计算机网络的发展一直制约着医院之间和不同地区之间PACS的实现,由于网络带宽的限制,图像的传输速度很低,实时性很难保证。进几年随着各种高速广域网技术的纷纷出现,如ATM、SMS及祯中继等,尤其是ATM技术,它即可以应用在局域网上,又可应用在广域网上。将来一旦网络传输问题得到解决,PACS不但可以实现图像和文本数据的交流,也可以将声音、视频等各种多媒体数据在全球领域共享。Internet网的出现为实现广域PACS提供基础条件,支持网络的数据库技术已经伴随着发展起来,但是由于网络带宽的限制以及TCP/IP协议的效率不够高,医学图像资源并未实现大范围的共享,有人提出Ipv6将是下一代的Internet网络协议,从Ipv4升级到Ipv6将带来诸多的改进,如简化路由、扩大地址空间,以更好的支持多媒体数据的传输。当前数据库向数据仓库技术逐渐发展,为PACS系统的进一步智能化提供了理论基础,数据仓库具有从多个分散的部门级系统中捕捉成千上百个GB的共享信息的能力,它可以将机构的原始数据有效地转化为有用的知识信息,KDD理论和数据库技术的结合使PACS从现在简单的存储、查询、显示的功能上升到更高阶段的智能化PACS。

  PACS系统主要是为医院服务的,医学的进步尤其是诊断技术和方法的发展对PACS提出了更高的要求,医疗诊断新设备的不断推出也要求PACS增添更多的功能。

  认知心理学的发展也为解决PACS中的一些难题找到了线索,例如认知中的特征分析研究、多重资源理论以及注意的研究对于改进PACS作为辅助诊断手段有很大帮助。另外对医学图像的有损压缩是否会引起视觉信息的丢失问题也涉及到了认知心理学中的视觉方面的问题,当前医学图像一般采用无损压缩,压缩比在2~3∶1之间,有损压缩压缩比则很高,可达到5~12∶1,如果有损压缩问题获得突破,就可以解决当前医学图像数据量大带来的诸多问题。

  医院是一个社会经济实体,主要作用是为病人提供周到的服务,因此医院的所有人、财、物的配置和使用都要符合管理学的一般规律,而PACS系统宗旨就是为医院管理服务,所以PACS系统的设计要考虑到管理科学的发展。
4 PACS的实现
4.1 与PACS实现相关的主要问题 首先,实现PACS需要一个与各种不同硬件设备的接口以获取原始数据,而现在医院使用的影像设备如CT、MRI、CR、PET等类型复杂,接口的图像输出格式各个公司定义不尽相同,有的是模拟信号接口;有的是数字信号接口,有的根本没有接口,因此影像数据的获取将是一个难题。其次,PACS中的数据以医学图像数据为主,因此数据量非常大,以一个典型的中型医院为例,一个病人做几项放射科检查,所需数据量大约有500M~2.5G之多,这不但对网络性能提出了更高的要求,也对存储介质提出了更高的要求。另外设计一个医院的PACS系统时,在实现符合标准的前提下,一定要考虑到医院的具体情况和要求,并且要随着科技的发展系统可进一步扩展,界面的设计也要考虑到使用者的专业习惯。在我国现阶段,实现PACS还要考虑到医院的经济能力,不能一步就设计一个大范围的通用PACS,要与医院的HIS结合来考虑。

4.2 系统设计 在设计PACS系统时,考虑到以上几个方面问题,我们采用以下的设计思路:

  (1)考虑到我国医学影像科学发展的客观情况以及医院的经济承受能力,我们的PACS分为三个阶段,循序渐进的实现。第一阶段,首先实现放射科内部的PACS,使医院内部的影像完全以数字化图像方式保存,实现无胶片化管理,并且完成PACS的基本功能如查询、显示、图像格式转换、报告生成等,利用数字图像处理手段,完成初步的计算机辅助诊断的功能,对病人信息的集中管理为医院提供了很大的方便并节省了开销;第二阶段,实现医院内部的PACS,实现与医院信息系统(hospital information system;HIS)的集成,使医院内部的信息共享,并可以进行科室间的联合诊断,实现医院管理的现代化。彻底解决查询实时性的问题,并将所有的接口都标准化为DICOM格式;第三阶段,采用更先进的计算机网络作为硬件基础,扩展PACS的模块结构,实现远程医疗和医疗教学功能。

  (2)系统若在一个中型医院运行,成本费用要符合医院具体情况,采用集中式PACS设计和流行的客户机/服务器的方式实现PACS,这样系统便于实现和维护,为提高集中式PACS系统的可靠性,尤其是服务器的可靠性,可以采用双机容错的方式,也就是采用两个服务器(Server),其中一个作为备用服务器,当工作服务器发生故障时,另一个备用Server监控到故障,并且代替它继续工作,在一定程度上提高了系统的可靠性。

  (3)为便于系统进行扩展,采用模块化的设计方法,完全采用美国放射医学学会及联邦电机制造商协会(ACR/NEMA)1993年通过的DICOM3.0标准,利用特殊的DICOM3.0标准转换接口,将所获取的所有数据都转换为DICOM格式,方便了与其它医院的共享影像数据。也为将来系统的扩充奠定了基础。

  (4)在数据库设计时,采用大型关系型数据库,将数据分为图像段和其他数据段分开考虑,方便了归档操作和数据库管理工作。为了真正实现辅助诊断的作用,提供强大的数字图像处理工具,例如尖锐化、窗口化、反置功能、旋转、预置、局部放缩、多窗口显示和任意切换功能,以及图像增强、滤波等定性手段,此外为提高诊断质量,还提供测量任意一点密度值的功能。
5 结束语
  上面论述了PACS的基本体系结构和与之相关的学科和技术,PACS模块之间的逻辑关系对于实现PACS有很大的影响。从系统总的设计原则来说就是要实现标准化、模块化、可扩展性、灵活性、实时性的目标,根据医院自身的情况,第一阶段我们将要在高性能微机上作出放射科内部的PACS系统,并且要在沈阳医大二院投入使用,这套PACS系统与国外同类产品相比有很多优点,首先它有非常丰富的图像处理功能,对于医生的诊断有很大的帮助。其次为低价位的高性能微机代替价格较高的工作站并且实现了PACS系统的基本功能,因此性能价格比很高,尤其适合在我国的中小医院推广。

  从国内形式上看,PACS系统并没有在各个医院广泛推广,资金和技术是两个主要的问题,目前国内从事PACS系统的开发的厂商不多,国外的很多厂商也主要采用高性能的工作站实现PACS系统,价格很高,妨碍PACS系统的在医疗系统的广泛推广和使用。随着微机性能的逐步提高和价格的下降,它代替工作站实现PACS系统成为发展PACS的趋势。并且这将有助于我国各个大医院广泛采用PACS系统代替传统的胶片方式并进一步促进中国影像科学的发展。

  对于未来的发展,有人提出用更简洁的网络协议如NETBLTD代替TCP协议,这样在底层上解决远程网络传输的速度问题。另外还可以采用更大的批量传输的方式加快网络速度,并且随着千兆以太网和ATM技术的逐步实用化和宽带ISDN技术的推广,医学多媒体数据主要是图像数据的远程实时传输问题会得到解决。
基金项目:本项目受国家自然科学基金和863项目资助。
作者简介:刘景春(1975—),男,黑龙江依兰县人,1997年毕业于北京航空航天大学,同年考入中国科学院自动化所研究生。
作者单位:刘景春(中科院自动化所人工智能实验室, 北京 100080)
     田捷(中科院自动化所人工智能实验室, 北京 100080)
     常红星(中科院自动化所人工智能实验室, 北京 100080)
     曹勇(中科院自动化所人工智能实验室, 北京 100080)
     邱峰(中科院自动化所人工智能实验室, 北京 100080)
[参考文献]
  [1] Bernard Gibaud,Herve Garfagni,et al.Standardization in the Field of Medical Image Management:The Contribution of the MIMOSA Model.In IEEE TRANSACTIONS ON MEDECAL.1998,17:2.
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  [5] 缪竟陶,等.放射科DICOM标准PACS的设计与实现.China J Radiol,1998,(32):8.

zssure 发表于 2012-6-21 13:43:31

很详细的PACS系统介绍,正在搞这方面的开发,就借鉴了,谢谢楼主
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