PACS的发展概述.docx

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PACS的发展概述

·PACS的发展概述·

    一、医学影像系统

    医学影像系统通常称为医学影像计算机存档与传输系统（PictureArchivingandCommunicationSystem简称PACS），是医院信息系统中的一个重要组成部分，是使用计算机和网络技术对医学影像进行数字化处理的系统，其目标是用来代替现行的模拟医学影像体系。

它主要解决医学影像的采集和数字化，图像的存储和管理，数字化医学图像的高速传输，图像的数字化处理和重现，图像信息与其它信息的集成五个方面的问题。

    根据医学影像实际应用的不同目的，数字化的影像可分为三个精度等级：

影像作为医疗诊断的主要依据时，数字化后的影像必须反映原始图像的精度；作为医疗中的一般参考时，数字化影像可进行一定的压缩，以减少对信息资源的占用；作为教学参考时，数字化影像只要能够保留影像中教学所需要的部分容，允许对数字化的影像有比较大幅度的有损压缩。

    不同的医学影像对数字化的精度要求也不同，常见有：

对Ｘ光胸片、乳腺Ｘ片影像，几何精度要求为２Ｋ以上，灰阶分辨率为1024级至4096级；对ＣＴ、ＭＲＩ影像，几何精度为512x512,灰阶分辨率为4096级；对超声、窥镜影像，几何精度为320-512,灰阶为256级彩色影像，这类影像还需要是16-30幅／秒连续的动态影像；对病理影像，几何精度为512x512或1Kx1K,具有灰阶分辨率为256级的彩色图像。

    二、医院对PACS应用的需求

    随着现代医学的发展，医院的诊疗工作越来越多地依赖现代化的检查结果。

像Ｘ光检查、ＣＴ、ＭＲＩ、超声、胃肠镜、血管造影等影像学检查的应用也越来越普遍。

在传统的医学影像系统中，影像的存储介质是胶片、磁带等，这在使用中存在诸多问题[1]。

如，图像存储介质所占的空间不断增加，给存放和查找带来了严重的问题；各种不同检查的图像分别存放，临床医生要同时参考同一病人不同检查所产生的影像时往往借阅困难；传统图像存储和管理的独占性使得图像的丢失概率增加，利用率下降，异地会诊困难等。

因此，传统的医学影像管理方法已经无法适应现代医院中对如此大量和大围医学影像管理的要求。

采用数字化影像管理方法来解决这些问题已经得到公认。

    由于医学图像数据量大，需要大容量的存储设备，高性能的显示设备和高速的计算机网络，高昂的费用曾经是建立PACS的主要障碍。

随着计算机技术的发展，计算机和通讯设备的性能价格比迅速提高，高性能的计算机设备的价格已经可以逐步为一些经济条件较好的医院所接受。

这为数字化医学影像存储和传输奠定了基础。

在经济上和医疗质量上不断增长的要求，使医院对PACS的需求也不断提高。

    三、医学影像系统的发展历史概况

    PACS的概念提出于80年代初。

建立PACS的想法主要是由两个主要因素引起的：

一是数字化影像设备，如CT设备等的产生使得医学影像能够直接从检查设备中获取；另一个是计算机技术的发展，使得大容量数字信息的存储、通讯和显示都能够实现。

在80年代初期，欧洲、美国等发达国家基于大型计算机的医院管理信息系统已经基本完成了研究阶段而转向实施，研究工作在80年代中就逐步转向为医疗服务的系统，如临床信息系统，PACS等方面。

在欧洲、日本和美国等相继建立起研究PACS的实验室和实验系统。

随着技术的发展，到90年代初期已经陆续建立起一些实用的PACS。

    在80年代中后期所研究的医学影像系统主要采用的是专用设备，整个系统的价格非常昂贵。

到90年代中期，计算机图形工作站的产生和网络通讯技术的发展，使得PACS的整体价格有所下降。

进入90年代后期，微机性能的迅速提高，网络的高速发展，使得PACS可以建立在一个能被较多医院接受的水平上。

    早期的数字化医学影像设备所产生的数字图像格式都是由各个设备生产厂商自己确定的专有格式，别人无法利用。

这个问题极影响了PACS的发展，这引起广大致力于医学影像研究的学者、厂商和学术及行业团体的重视。

1982年美国放射学会（ACR）和电器制造协会（NEMA）联合组织了一个研究组，1985年制定出了一套数字化医学影像的格式标准，即ACR-NEMA1.0标准，随后在1988年完成了ACR-NEMA2.0。

随着网络技术的发展，人们认识到仅有图像格式标准还不够，通讯标准在PACS中也起着非常重要的作用。

随即在1993年由ACR和NEMA在ACR-NEMA2.0标准的基础上，增加了通讯方面的规，同时按照影像学检查信息流特点的E-R模型重新修改了图像格式中部分信息的定义，制定了DICOM3.0标准。

这个标准已经被世界上主要的医学影像设备生产厂商接受，因此已经成为事实上的工业标准。

目前，一些主要的医疗仪器公司，如GE、PHILIPS、西门子、科达等，所生产的大型影像检查设备都配有支持DICOM标准的通讯模块或工作站，也有许多专门制造影像系统的公司生产支持DICOM标准的影像处理、显示、存储系统。

近年来，在每年的北美放射学大会上还专门提供DICOM环境，组织各个厂商进行影像设备的互联。

    随着应用的不断发展，DICOM标准也在不断的更新，它所支持的医学影像种类也不断地增加，已经从原来ACR-NEMA标准只支持放射影像扩展到支持窥镜、病理等其他影像。

也有学者在研究处理医学图形、声音等信息，同时也有人研究DICOM与其他医学信息传输标准的沟通，如HL7等。

人们已经认识到医学影像系统应该是医院信息系统中的一个重要组成部分，PACS应该与其他系统相互沟通信息，形成一个医院信息的整体。

    四、当前在PACS中应用的主要技术和设备

    1.标准化技术

    标准化技术的应用在建立PACS中是非常重要的，使用工业标准能够使所建系统充分利用各种先进的设备，并能够充分集成各个公司所开发的采集系统、图像管理系统、显示系统、打印系统等。

DICOM标准是医学影像数据交换的主要标准，它目前有14章，其核心容是：

（1）定义了包括病人信息、检查信息和相关图像参数的图像头数据以及图像本身数据的图像格式。

（2）定义了图像通过点对点方式、网络方式、文件方式等进行交换的方法和规。

DICOM标准采用了面向对象的方法，将真实世界的模型抽象成为不同层次的对象模型，使图像的采集、存储、通讯更加便于计算机进行处理。

同时DICOM采用分章节更新的方法，能够随应用的发展而不断发展。

    ２.PACS与其他系统的信息交换问题

    医院信息系统是一个整体，我们建立PACS的主要目的也是为医生提供医疗、教学和科研所需要的信息。

医生在看检查图像的同时，也非常需要了解检查报告、病人的病历等其他信息。

因此，将PACS与医院其他信息系统结合是非常重要的。

国外一些发达国家在处理这个问题时遇到了很大的麻烦。

一方面由于欧美等发达国家原来已经建立了基于大型机的集中式医院管理信息系统，这在技术上与现在的图形工作站系统连接存在一定难度。

另一方面由于在早期系统设计时并未考虑到要与这些新的系统交换信息，在整体规划上没有一个统一的信息交换标准，造成了各个系统之间连接难题。

笔者见到的一些医院为了解决这个问题，或采取在医生面前放置多台设备的方法，或专门设计一些接口供系统之间进行信息交换和同步。

    我国的医院信息系统发展较晚，现在所使用的信息系统平台、网络技术都能够支持信息系统的应用和PACS。

因此，重要的一点就是需要做好医院信息化建设的整体规划，使信息系统能够和今后逐步建立的各个系统顺利地连接，避免国外系统所遇到的麻烦。

尽量采用通用的信息交换标准，模块化设计，尽可能与信息系统一体化是PACS建设时在技术上要认真考虑的问题。

    ３.图像预取技术

    医学图像因其数据量大，传输需要占用很宽的网络带宽资源。

而医院工作的特点是对图像数据的突发性要求高，例如在病人刚入院时需要调用大量的病历数据，也包括图像数据，而平时则主要局限于使用在院病人的资料。

在这样的环境下，信息系统网络的平均带宽需求与高峰时的需求差距非常大。

要想既满足医疗的需要又降低整个系统的成本，使用图像预取技术是能够充分利用信息系统网络资源的办法。

预取技术的核心就是根据病人入出院以及预约的信息，利用网络通讯的低谷时间将所需要的病人图像事先传输到医生所需要的地方，以减少网络高峰时间的压力，同时也提高医生存取图像时的速度。

要实现图像预取的基础是PACS必须与医院的其他系统能够很好地进行信息沟通，同时也要研究一个合理的预测算法。

    ４.图像压缩技术

    医学图像数据量之大是惊人的，建立PACS中的许多技术困难都与之有关，象图像的存储、传输、显示等。

如何能够对医学图像进行压缩，是多年来图像处理技术中的一个重点研究的问题。

随着计算机多媒体技术的发展，已经制定了许多图像压缩的标准算法，如静态图像的JPEG标准，动态图像的MPEG1、MPEG2、MPEG4算法等。

这些算法在娱乐、游戏、INTERNET上得到了广泛的应用。

但是，由于医学图像关系到医学诊断的可靠性，影响非常之大。

因此，对于医学图像的有损压缩问题一般都讳莫如深。

例如我们在INTERNET上常见JPEG图像压缩是一种有损的压缩算法，它是将HUFFMAN变换和数字余弦变换（DCT）相结合，得到了几十分之一到上百分之一这样很高的压缩比。

而在DICOM标准中目前常用的也只是无损压缩的标准算法，即仅使用无损的JPEG压缩算法。

这样医学图像的压缩比的通常只能达到三分之一左右。

在一些厂商提供的设备中也仅仅在部分动态图像的存储中使用了有损的压缩，如使用MPEG1或MPEG2压缩动态图像，使保存的图像达到一般录像带的效果。

    ５.当前建立PACS使用的主要设备

    医学图像的采集设备是PACS图像质量的第一关，除了象CT、MRI、CR、DSA等数字化影像设备的图像可以直接从机器中采集外，目前大量使用的胶片图像需要使用胶片扫描仪输入到PACS中。

在国外，对于胶片的扫描有严格的要求，以避免因扫描图像失真而影响到诊断的质量。

专门为医学图像扫描而设计的扫描仪在光密度，几何精度，噪声指标等方面有严格的要求。

我们在进行胶片图像输入时应该严格质量把关，避免因图像输入质量影响诊断而造成医疗纠纷或事故。

当然，高质量的胶片扫描仪价格也较高。

    大容量的数据存储设备是图像管理系统的一个核心部件，通常大容量的硬磁盘阵是进行在线存储的首选设备，一般可以使用RAID的方式将数个硬盘组成具有一定冗余的硬盘系统，它具有速度高、存取方便、可靠性好、价格较低的特点。

通常每兆字节的存储费用仅在0.2元左右。

具有机械手换盘装置的大容量光盘柜可以作为离线存储的大容量图像的一个主要考虑方案。

由于目前可写的CD-R的价格低、可靠性非常好，可以用于半永久性地保存医学影像数据。

预计不久DVD-R将会普及应用，这将能够大幅度地提高存储密度，满足大容量存储的需要。

    图像的再现是PACS最终服务于医疗工作的最后环节。

对于不同的医学影像，对图像再现设备的要求也不同[6]，我们目前所使用的微机显示器能够显示大部分影像，如CT、MRI、超声、窥镜等。

而一些X线检查，如肺片、乳腺检查等，则需要有高清晰度显示器来显示2K或4K的图像。

这些专用设备的价格往往非常昂贵，通常每套设备费用高达5-7万美元。

    激光照相机也是PACS中常用的设备，国很多大医院已经为CT、MRI等大型设备配备了激光照相机用于产生胶片，这些设备同样可以与PACS连接。

通过DICOM标准中的打印控制规访问这些打印设备，将PACS图像服务器中的图像送往激光照相机产生胶片。

    在医院建立的PACS所使用的其他设备，如微机、图形工作站、网络交换机等等，都是目前通用的计算机和通讯设备。

目前计算机的高速发展，通用设备的性能也越来越高，已经能够满足大部分建设PACS的需求。

    五、我国医院的现状和对策

    我国医院从改革开放以后经济实力有了比较大的发展。

很多医院已经走完了购买大型医疗仪器设备、盖医疗楼房等外延发展的基本建设阶段。

目前已经开始重视涵发展建设，投资建立医院信息系统。

按照国外应用的经验，医院信息系统的建立通常是按照解决经济、管理、医疗中的文字信息、图像信息、多媒体信息的顺序发展的。

我国目前大多数医院处于解决经济、管理问题的阶段。

部分发展较快的医院使用一些大型的医院信息系统软件处理医疗中的文字信息。

极少数医院开始局部处理医学图像信息。

许多医院的领导越来越多地关注下一步医院的发展，很自然，他们对传统医学影像管理问题的解决也倍加关注。

    建设医院的影像管理系统应该有一个明确的目标，应该对达到这个目标要付出的代价有一个清醒的认识和估计。

很多医院把影像系统的建立作为一个设备引进工程来考虑的，对建立一个实用系统所需要付出的代价估计不足，最后建立一个演示性系统草草了事，花费了代价而未达到最终的目的。

在医院建立PACS是与建立医院其他信息系统一样，需要比较长时间的建设工作。

需要很好地进行规划、技术准备、设备和系统的论证、管理制度和工作流程的调整和改革。

我们认为，对建设PACS的目标可以从提高经济效益和提高医疗质量两个方面来认识。

    从经济目标上看，使用数字化图像系统代替传统的胶片图像系统主要是通过节省胶片和相应的洗印来节省经费。

要达到这个目标，首先要有足够的图像显示设备来代替灯箱，同时还要有充分大的图像存储容量来满足应用的需求。

国外有人做过分析，认为如果医院中图像检查的人次在每年5万以上时，应用PACS将更加经济。

一所大型医院的CT检查室，每年需要消耗胶片费用约120万元，如果应用PACS后能够减少一半的胶片消耗，每年也将是很可观的。

所以，要以经济目标来衡量PACS的效益，无胶片化是一个努力的方向。

在应用PACS的初期，医院可能还要花费较多的资金来进行自动化设备的投资，而此时胶片的费用尚不能减少。

因此需要有周到的实施计划，以节约经费。

    医院PACS的建设可以在统一规划下分步骤实施。

作者曾经在数年前统计过某医院中各种影像检查人次的数量，其中：

普通放射约占38.5%、超声约占15.5%、CT约占13.3%、病理约占12.6%、窥镜约占6.6%、核医学约占5.7%、MRI约占5.5%、血管造影约占2.2%。

这些影像检查中，除普通放射（约占38.5%）需要有高清晰度的图像扫描、显示设备外，其他检查的图像（约占61.5%）均可以使用目前通用的微机显示系统来完整地表达。

作为分步实施的开始，可以先从CT、MRI、血管造影等已经数字化的影像开始建立PACS，然后逐步扩展到其他检查项目的图像管理。

    建设PACS的一个更重要的目的是提高医生诊疗病人的方便性和质量，从这个意义上来看，医学图像管理系统必须与医院的管理系统紧密结合。

PACS所提供的图像必须能够传送到临床医生工作的地方，在一些高层次的医院这一点显得尤为重要。

如果医学图像仅仅是给放射科医生或某个专科医生看，而临床医生只能看到检查报告等二手诊断，对于提高整个医院的医疗质量是不利的。

当然，要作到临床医生能够看到所需要的图像需要付出很大的努力。

很多国外的医院也并未作到这一点。

据日本1998年的统计[2]：

全日本有422家医院配置图像系统，其中能够在临床配备图像显示设备的仅有29家医院，占6.9%，许多医院设置的显示设备在5台以下，主要配置在检查科室。

我们分析，如果要在全部临床科室配备高清晰度显示设备所需要的费用太高，因而不能全面配置。

但如果我们换一个思路，利用各个临床科室配备的普通微机显示系统来显示如前面所述的占总数约61%的中低分辨率图像，这将能够解决医院临床医疗中的大部分问题。

为医疗质量的提高打下一个坚实基础。

·PACS的组成·

    在硬件上主要有接口设备、存储设备、主机、网络设备和显示系统。

软件的功能包括通讯、数据库管理、存储管理、任务调度、错误处理和网络监控等。

    1．图像获取：

对于新的数字化成像设备，如CT、MRI、DR、ECT等，多有符合DICOM3.0的标准接口，可以直接从数字接口采集图像数据，PACS的连接较为容易；对较早使用的数字化设备，由于无标准的DICOM接口，各个生产厂家的数字格式和压缩方式不同，需要解决接口问题才能进行连接。

对于模拟图像的采集，最近的DICOM标准也相应的规定。

大容量数据存贮：

    2.图像的存储需要解决在线浏览30天左右的所有住院病人图像，一般以大容量的阵列硬盘作为存储介质；对半年至一年的图像资料采用磁光盘存储；超过一年的图像资料一般以磁带、DVD或CD-R等介质存储，需手工检索。

    3.图像显示和处理：

需要相应的专业图像处理软件，具有对医学图像进行各种后处理和统计分析的各种功能，电影回放、三维重建、多切面重建等。

图像显示根据原始图像的不同需要不同显示分辨率的显示器，如DR需要2.5K以上的分辨率，对CT和MRI的要求相对较低。

    4.数据库管理：

图像数据库管理对PACS非常重要。

需要具有安全、可靠、稳定和兼容性好的大型的数据库系统如Orcale、SQLserver等。

对医学图像数据库应用管理程序的设计应根据工作流程、数据类型、分类、病人资料等需求做到高效、安全、稳定、易于使用。

同时和HIS、RIS进行良好的整合，实现真正的资源共享。

    5.影像传输的局域或广域网络：

要求标准化、结构开放、扩展性好、可连接性好、稳定性好。

需要100M高速以太网以上的连接带宽，使DICOM图像传输速度符合临床应用的要求。

同时根据需要配置Web服务器与Internet连接，作为远程会诊的窗口。

·PACS的影像存储及传递形式·

    1、医学影像的类型可以分成8bit黑白12bit黑白24bit彩色等。

8bit黑白和24bit彩色可以使用WINDOWS标准的存储格式，12bit黑白无法用任何现有的文件格式表达,也无法使用标准的图像浏览软件观看。

即使打开也丢失很多的信息,例如,现在有的数字影像板能产生12位的TIFF文件格式的图像,尽管有的软件能打开,但是打开的图像仍然是8位的图像,在图像的信息量上丢失了很多的信息。

    2、说起医学影像的传递，不能不提到DICOM。

DICOM规定了影像传递的标准，包括标准的存储介质和标准的网络通讯。

标准的存储介质叫做DICOMSTORAGE，是一种文件系统的结构标准。

主要是用于在UNIX/MAC/WINDOWS等不同平台的PACS系统之间直接兼容存储介质。

这种介质可以是CD、MO，也可以是DVD或者TAPE。

DICOM网络通讯标准主要用于局域网的通讯。

在网络上，DICOM十分类似于TCP/IP，不管两端的机器和操作系统如何，都可以透明地进行影像传递，就如同两个国家之间用美元做生意一样。

DICOM网络通讯有缺乏安全认证的缺点，所以只适用于局域网中。

DICOM存储和通讯中的影像可以按约定的方式进行压缩，但不是所有的PACS系统都支持这些压缩，所以大部分DICOM存储和通讯中的影像数据都是完全展开的，占据很大的空间。

    3、为了解决存储和节省空间，PACS系统部通常使用自己独特的文件格式。

这并不影响系统的兼容性，因为到了网上，大家都用DICOM协议通讯。

就如同各个国家有自己的货币，但是作国际贸易时都使用美元一样。

    4、支持PACS的数据库系统比较简单。

只有病人—检查—序列和诊断、登记信息放在数据库中，大小不一的影像存储成文件交给文件系统去管理。

为了保证图像的可浏览性，各PACS通常提供了独特的小程序，用于在自己的文件结构上进行影像检索、浏览和处理。

    5、理想中的PACS影像信息全部存在SERVER上，进行集中备份和管理。

但是海量存储设备和管理软件的费用太高，所以目前还不能进入普及阶段。

替代方案是分布存储，即在每个采集工作站上进行光盘刻录，独立进行检索。

当然，为了检索同一个病人的全部信息的代价要高于集中存储。

    6、影像数据可能分布在不同的机器的不同的数据库中，不同的目录中，不同结构的文件中。

PACS的用途就是屏蔽掉系统的复杂性，使得不同地方存储的影像在安全机制认可的前提下自由地流动。

PACS实施的相关技术·

    1、DICOM3.0标准：

采用DICOM标准并完全拥有DICOM底层的开发能力至关重要。

    2、图像的存储技术：

由于数字化后的图像数据容量巨大，在建立PACS时，存储方案设计和存储介质选择，事先必须全面规划。

存储方案关涉到数据容量、保存年限、调阅频率、数据库管理等多种因素；存储介质要根据存储方案的设计加以选择。

    3、计算机的选择：

作为医生使用的计算机由于需要对图像进行处理和显示，所以对计算机的运算速度和显示器的分辨率有较高要求，通常要求奔4以上CPU和至少17寸的高分辨率显示器。

    4、网络物理结构及网络应用结构：

由于图像数据量较大，网络的物理结构的主干网应选用光纤，终端工作站选用100兆以太交换网；图像数据容量不是很大的医院，100兆主干网，10兆到终端工作站即可满足要求。

网络应用结构最好采用C/S结构。

    5、计算机图像处理技术：

利用先进的数字图像处理技术，对图像进行处理，突出病灶，结合各种统计数据，为医生做出更精确的病情诊断提供帮助。

因此完整的PACS要具备较强的图像处理功能。

    6、非标准信号的采集和转换。

    7、系统集成及综合布线。

·DICOM介绍·

    在医学影像信息学的发展和PACS的研究过程中，由于医疗设备生产厂商的不同，造成与各种设备有关的医学图像存储格式、传输方式千差万别，使得医学影像及其相关信息在不同系统、不同应用之间的交换受到严重阻碍。

为此，美国放射学会（ACR）和全美电子厂商联合会（NEMA）认识到急需建立一种标准，以规医学影像及其相关信息的交换，DICOM（DigitalImagingandCommunicationsinMedicine）标准就是在这样的背景下产生的。

　　1．DICOM标准

　　ACR和NEMA联合组成委员会，在参考了其他相关国际标准（CNET251、JIRA、IEEE、HL7、ANSI等）的基础上，联合推出了医学数字图像存储与通信标准，即DICOM标准。

它从最初的1.0版本（ACR-NEMAStandardsPublicationsNo.300-1985）到1988年推出的2.0版本（ACR-NEMAStandardsPublicationsNO.300-1988），到1993年发布的DICOM标准3.0，已发展成为医学影像信息学领域的国际通用标准。

　　DICOM标准中涵盖了医学数字图像的采集、归档、通信、显示及查询等几乎所有信息交换的协议；以开放互联的架构和面向对象的方法定义了一套包含各种类型的医学诊断图像及其相关的分析、报告等信息的对象集；定义了用于信息传递、交换的服务类与命令集，以及消息的标准响应；详述了唯一标识各类信息对象的技术；提供了应用干网络环境（OSI或TCP/IP）的服务支持；结构化地定义了制造厂商的兼容性声明（ConformanceStatement）。

　　DICOM标准的推出与实现，大大简化了医学影像信息交换的实现，推动了远程放射学系统、图像管理与通信系统（PACS）的研究与发展，并且由于DICOM的开放性与互联性，使得与其它医学应用系统（HIS、RIS等）的集成成为可能。

　　2．DICOM数据结构和文件格式

　　DICOM标准的第五部分介绍它的数据结构，它定义了数据集（DataSet）来保存前面所介绍的信息对象定义（IOD），数据集又由多个数据元素（DataElement）组成。

每个数据元素描述一条信息（所有的标准数据元素及其对应信息在标准的第六部分列出），它由对应的标记是8位16进制数，如（0008，