医院PACS系统的研究.docx
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医院PACS系统的研究
医院PACS系统的研究
摘要
医学图像诊断在现代医疗活动中占有极为重要的地位。
随着可视化技术的不断发展,现代医学已越来越离不开医学图像的信息,医学图像在临床诊断、教学科研等方面正发挥着极其重要的作用。
PACS是实现医学图像信息管理的重要条件,它对医学图像的采集、显示、储存、交换和输出进行数字化处理,最终实现图像的数字化储存和传送。
PACS的目标是实现医学图像在医院内外的迅速传递和分发,使医生或病人本人能随时随地获得需要的医学图像。
此外,通过对医学图像和信息进行计算机智能化处理后,可使图像诊断摒弃传统的肉眼观察和主观判断。
借助计算机技术,可以对图像的像素点进行分析、计算、处理,得出相关的完整数据,为医学诊断提供更客观的信息,最新的计算机技术不但可以提供形态图像,还可以提供功能图像,使医学图像诊断技术走向更深层次。
关键词
PACS；Web服务；医院信息系统
1、简介
1.1什么是PACS
PACS是PictureArchivingandCommunicationSystems的缩写，中文意为影像归档和通信系统，是医院用于管理医疗设备如CT,MR等产生的医学图像的信息系统。
PACS是应用在医院影像科室的系统，主要功能和任务就是把日常产生的各种医学影像（MRI、CT、超声、X光机、各种红外仪、显微仪等设备产生的图像）通过各种接口（模拟、DICOM、网络）以数字化的方式将图像和信息数据海量保存起来，在一定的授权下，需要的时候能够很快地调回使用，同时增加一些辅助诊断管理功能，在各种影像设备间传输数据和组织存储数据具有重要作用。
1.2PACS的历史
“数字放射诊断学”（digitalradiolo-gy）是Dr.PaulCapp在70年代提出的,而数字图像通信和显示的概念是柏林技术大学（TechnicalUniversityofBerlin）的HeinzU.Lemke教授提出的。
1982年1月,SPIE（TheInternationalSocietyforOpticalEngineering）在加州举行了第一次关于PACS的国际会议。
此后这项会议与医学成像会议（MedicalImagingConference）合并,每年2月在南加州举行。
在日本,1982年7月JAMIT（JapanAssociationofMedicalImagingTechnology）举办了第一次国际讨论会,这项会议与医学成像技术会议（MedicalImagingTechnologymeeting）合并后,每年举办一次。
在欧洲,自1983年以来,EuroPACS（PictureArchivingandCommunicationSystemsinEurope）组织每年都举办会议讨论PACS。
在美国,最早的与PACS相关的研究计划是1983年由美国军方赞助的一个远程放射学研究计划。
1985年,美国军方又资助了另外一项DIN/PACS（InstallationSiteforDigitalImagingNetworkandPictureArchivingandCommunicationSystem）计划,该项目由MITRE公司管理,华盛顿大学（UniversityofWashingtoninSeattle）、乔治敦与乔治华盛顿联合大学（GeorgetownUniversityandGeorgeWashingtonUniversityConsortiuminWashington,DC）具体实施,Philips医疗系统公司和AT&T参与。
同年,美国国家癌症中心（USNationalCancerInstitute）资助UCLA（UniversityofCalifornia,LosAngels）开始其第一个PACS相关的研究计划,该计划称为MultipleViewingStationsforDiagnosticRadiology。
1990年10月,NATOASI（AdvancedStudyInstitute）在法国Evian举行了一次关于PACS的国际会议,来自17个国家的大约100名科学家参加了会议。
会议总结了当时在PACS系统研究开发方面的状况,并促使美国陆军医疗司令部（USArmyMedicalCommand）资助了另一项名为MDIS（DiagnosticImagingSupportSystems）的计划,该计划的目标是在美国建立一个大规模的军用PACS系统。
此外,与PACS相关的重要会议包括CAR和IMAC。
CAR（ComputerAssistedRadiology）是Lemke教授自1985年以来组织的年度会议,IMAC（ImageManagementAndCommunication）自1989年以来每年举办两次,由乔治敦大学的SeongKMun教授组织。
随着计算机设备在医学成像领域的大规模应用,迫切地需要有一种在不同厂家制造的设备之间传输图像和其他信息的标准。
1983年,美国放射学院（AmericanCollegeofRadiology;ACR）和全国电器制造商协会（NationalElectricalManufacturersAssociation;NEMA）成立了一个联合委员会开发相关标准。
1985年,ACR-NEMA标准版本1.0发布,1986年10月和1988年1月分别颁布了两个修改版本;1988年,ACR-NEMA标准版本2.0发布。
目前,ACR-NEMA标准已经演变成为DICOM3.0（DigitalImagingandCommunicationsinMedicine）标准,在这个标准中,增强了对网络的支持,目前已经成为医学影像设备的标准通信协议。
1.3PACS的应用范围和功能
PACS可以指任何一种放射医学图像管理系统。
在实际应用中,可以把PACS应用划分为四类:
①在整个医院内实施的完整PACS系统,目标是支持在医院内部所有关于图像的活动,集成了医疗设备,图像存储和分发,数字图像在重要诊断和会诊时的显示,图像归档,以及外部信息系统;②在医院某个部门内实施的PACS,目标是提高部门内医疗设备的使用效率;③在医院内部的图像分发系统,目标是帮助医院的其他部门,特别是急诊室（ER）和监护房（ICU）获得放射医疗部门生成的图像;④远程放射医疗,目标是支持远程图像传输和显示。
根据医院的实际要求,一个实际的PACS系统可能包含了上述四类应用中的一类或多类。
完整的PACS系统应该包括图像获取、数据库管理、在线存储、离线归档、图像显示及处理、与外部信息系统的接口、胶片打印以及用于传输数据的高速局域网络和支持远程数据传送的广域网。
PACS系统一般具有以下几方面的功能:
（1）将医院中已有的医学图像设备产生的图像通过直接或间接的方式转换为系统能够存储和处理的数字化形式。
随着DICOM标准的逐步应用,未来的医学影像设备将统一使用DICOM标准接口,图像获取会更加方便。
（2）存储和管理检查所产生的图像数据,这是PACS系统最重要的功能。
由于PACS系统中存储的图像数据量特别巨大,医院每天生成的图像总量可以从几百M到几十个G,需要有能够管理超大规模数据库的数据库管理系统,当前尚无很成熟的产品。
受存储器容量的限制,PACS系统的数据通常要分级存储,常用数据存放在在线设备、过期数据存放在离线设备中,为减少存储容量,还要对数据进行压缩。
（3）图像显示和处理,这是医生接触和使用最多的功能。
在显示工作站上的软件应能满足医生最常用的功能,包括查询数据库中的图像记录,显示图像并且对图像进行一些简单的处理,如放缩、旋转等,有些工作站还有生成和操纵三维图像的能力。
在某些情况下,医生还要在工作站上写出诊断报告、注释等文本信息。
（4）与HIS/RIS的接口。
PACS系统在医院中不是孤立存在的RIS（radiologyinformationsystem）和HIS（hospitalinformationsystem）。
为了与其他系统互连,PACS系统应当遵循一个信息交换的标准。
目前国际上的HL7（HealthLevel7）标准已为多数厂商认可。
1.4PACS系统的工作流程
（1）检查信息登记输入
前台登记工作站录入患者基本信息及检查申请信息，也可通过检索HIS系统（如果存在HIS并与PACS/RIS融合）进行病人信息自动录入，并对病人进行分诊登记、复诊登记、申请单扫描、申请单打印、分诊安排等工作。
（2）WorkList服务
病人信息一经录入，其他工作站可直接从PACS系统主数据库中自动调用，无需重新手动录入；具有WorkList服务的医疗影像设备可直接由服务器提取相关病人基本信息列表，不具备WorkList功能影像设备通过医疗影像设备操作台输入病人信息资料或通过分诊台提取登记信息。
（3）影像获取
对于标准DICOM设备，采集工作站可在检查完成后或检查过程中自动（或手动）将影像转发至PACS主服务器。
（4）非DICOM转换
对于非DICOM设备，采集工作站可使用MiVideoDICOM网关收到登记信息后，在检查过程中进行影像采集，采集的影像自动（或由设备操作技师手动转发）转发至PACS主服务器。
（5）图像调阅
患者在检查室完成影像检查后，医师可通过阅片室的网络进行影像调阅、浏览及处理，并可进行胶片打印输出后交付患者。
需要调阅影像时PACS系统自动按照后台设定路径从主服务器磁盘阵列或与之连接的前置服务器中调用。
在图像显示界面，医师一般可以进行一些测量长度、角度、面积等图像后处理，在主流PACS中，除了测量功能外，都会提供缩放、移动、镜像、反相、旋转、滤波、锐化、伪彩、播放、窗宽窗位调节等图像后处理功能。
（6）报告编辑
患者完成影像检查后由专业人员对影像质量进行评审，并进行质量分析。
完成质量评审控制后的影像，诊断医生可进行影像诊断报告编辑，并根据诊断医师权限，分别进行初诊报告、报告审核工作。
在书写报告过程中，可使用诊断常用词语模版，以减少医生键盘输入工作量。
诊断报告审核过程中可对修改内容进行修改痕迹保留、可获得临床诊断、详细病史、历史诊断等信息、可将报告存储为典型病例供其它类似诊断使用，供整个科室内学习提高使用。
1.5PACS系统的优点
（1）减少物料成本：
引入PACS系统后，图像均采用数字化存储，节省了大量的介质（纸张，胶片等）。
（2）减少管理成本：
数字化存储带来的另外一个好处就是不失真，同时占地小，节省了大量的介质管理费用。
（3）提高工作效率：
数字化使得在任何有网络的地方调阅影像成为可能，比如借片和调阅病人以往病历等。
原来需要很长周期和大量人力参与的事情现只需轻松点击即可实现，大大提高了医生的工作效率。
医生工作效率的提高就意味着每天能接待的病人数增加，给医院带来效益。
（4）提高医院的医疗水平：
通过数字化，可以大大简化医生的工作流程，把更多的时间和精力放在诊断上，有助于提高医院的诊断水平。
同时各种图像处理技术的引进使得以往难以察觉的病变变得清晰可见。
方便的以往病历的调阅还使得医生能够参考借鉴以前的经验作出更准确的诊断。
数字化存储还使得远程医疗成为可能。
（5）为医院提供资源积累：
对于一个医院而言，典型的病历图像和报告是非常宝贵的资源，而无失真的数字化存储和在专家系统下做出的规范的报告是医院的宝贵的技术积累。
（6）充分利用本院资源和其他医院资源：
通过远程医疗，可以促进医院之间的技术交流，同时互补互惠互利，促进双方发展。
1.6PACS系统的发展方向
各国的PACS系统研究和发展各具特点：
美国PACS系统的研究和开发是在政府和厂商的资助下来进行的；欧洲的PACS系统由跨国财团、国家或地区的基金来支持，研究小组倾向于与某个主要厂商合作，着重于PACS建模和仿真及图像处理部件的研究；日本将PACS系统研究和开发列为国家计划，由厂商和大学医院来共同完成，厂商负责PACS系统集成和医院安装，医院负责系统临床评测，而且系统技术指标固定，没给医院研究人员留有多少修改的空间；韩国的PACS系统是在大型私营企业资助下所完成的。
PACS在国内发展方向重点在：
应严格遵守国际技术标准的系统设计和完全开放式的体系结构，基于IHE、DICOM3.0和HL-7（医疗保健）等国际标准；浏览器/服务器结构，应具有良好的兼容性；基于Internet/Intranet技术的网络结构，需支持局域网（LAN）、广域网（WAN），可远程会诊；采用TB级甚至PB级存储子系统，提高响应能力；提供容错、纠错能力及更好的数据安全性和灾难恢复能力，有高性能数据压缩技术；系统界面友好，有强大的中文支持能力，易学易用；有语音、图像和数据的传输等多种技术的无缝整合；有完整的系统解决方案，系统利于维护和技术支持。
一个大规模的PACS系统应当满足以下四个条件:
①系统在日常的诊断工作中使用;②至少有三到四个医学影像设备连接到系统;③系统中包含位于放射科内和其他科室的工作站;④系统每年至少能处理20000个检查。
2、基于Web服务的PACS系统的研究
2.1Web服务的引入历史背景
Web服务是可被描述、发布和定位的自包含的模块化应用并可通过网络被调用执行的技术和应用内容。
Web服务技术是为解决在网络环境下松散耦合的客户程序（客户端）与Web服务（服务器）间、Web服务（Web服务器）之间进行互相调用、互相集成而设计的技术模式和框架。
传统的PACS在体系结构上大多是封闭式集中式的2层C/S结构，在负载均衡、扩展集成以及升级维护方面存在着很大的局限性，分布式对象技术的引入，Web服务的应用使PACS系统设计大大得到简化，应用该技术进行PACS的设计屏蔽了对象通信的细节，将PACS系统中的各种服务从PACS系统功能中剥离出来以服务对象的形式进行封装，使得PACS系统具有更高的运行效率、更大的灵活性和可扩展性。
在体系结构方面的特征是浏览器/服务（B/S）结构取代2层的C/S结构，包括客户层、中间层和数据层。
客户层表现逻辑用户接口，中间层为事务处理逻辑和数据存取逻辑，数据层实现数据的存储和管理。
与传统的2层客户服务器体系结构相比，B/S结构将侧重点从关注数据转向关注服务，是PACS系统应用功能的一大进步。
大型PACS分布式应用开发的复杂度得到了简化，Web服务的应用的结构得到了优化，PACS应用的开发和服务质量得到了提高，应用的升级和动态伸缩灵活性增强。
2.2基于Web服务的PACS系统
在Web服务的体系结构中有三种角色：
服务提供者、服务注册中心（Serviceregistry）和服务请求者，构成PACS系统的Web服务的体系结构。
系统服务器等服务提供者实现并布Web服务，并提供标准的接口功能（以太网）供服务请求者调用Web服务提取PACS系统数据；服务注册中心提供一类方法使服务请求者发现Web服务；服务请求者通过服务注册中心访问PACS系统的服务提供者（数据库服务器等）得到所需的Web服务的接口，利用接口中提供的Web服务启动参数和返回结果的描述信息，直接调用得到服务请求者访问PACS系统的Web服务执行结果。
基于Web服务的PACS系统就是利用现有的网络资源和计算机网络技术、数据库技术等，有效地利用现有的Web资源，开发使用的PACS系统。
在PACS系统从数字化医院向局域性，全局性的PACS系统发展中具有重要的优势，在远程医疗发展中具有重要地位。
2.3基于Web服务的PACS系统的特点
2.3.1开放式
基于Web服务的PACS系统是一个开放式的系统，与HIS等信息系统有接口相连接融合，信息的，传输，组织，存储，回调是一个相对开放的过程。
利用Web技术，使远程终端的实现变得容易起来，远程诊断、远程医疗的实现利用Web技术，通过原有的网络技术手段，变得更实用化、便捷化。
基于Web服务的PACS系统是一个开放式的系统，与外部远程资源进行信息资源的交互。
2.3.2分布式
2000年至今，在PACS应用逐步从数字化医院迈向开发局域化，全局性的PACS系统，以适应远程医疗服务的要求。
HL7标准的形成，推动了医院信息化的标准化。
面对处理速度，用户体验与处于不同位置和地域的大量复杂图像处理的要求，采用基于Web的分布式架构的PACS系统成为一项现实要求。
2.3.3组件化
基于Web服务的PACS系统各功能组成部分相对独立，系统可以方便地拆分、升级，与外部信息系统方便地进行组合，以根据需要实现全部或部分功能要求，便捷地与外部信息系统实现连接融合，以最小的代价达到医疗资源充分共享的目的。
2.3.4面向服务
基于Web服务的PACS系统是面向服务的。
系统建立数据库以满足外部客户端访问的要求，这种要求是通过Web服务来实现的。
Web技术的采用，在很大程度上是适应信息化的要求，使基于Web的PACS系统能更好服务于客户对相关医疗信息的要求。
2.4基于Web服务的PACS系统需要解决的问题
2.4.1与HIS接口
PACS系统作为医学影像存储、传输、管理的系统是一个完整的系统，同时不应孤立与HIS（医院信息系统）之外，这样PACS系统的很多功能特点才有意义。
与HIS的接口建设，是基于Web服务的PACS系统的一项基本业务要求。
2.4.2标准化建设
由于影像在医院诊断中的重要地位，对医学影像的存档、通信和显示以及诊断在医院信息化的背景下，具有重要意义。
对PACS系统而言，两个层次的标准化是必须的。
第一层标准是在PACS中的多发送站设备，涉及处理信息访问和系统之间通信的数据和图像标准。
第二层的标准化在医学和使用层面，为了医学需求和数据的使用。
基于Web服务的PACS系统中一层标准化遵循DICOM和HL7标准，另一层是网络通信的标准化。
另外，在数据的现实层面也要尽量做到标准化。
2.4.3安全性
信息数据的安全性是基于Web服务的PACS系统必须重视的问题。
一般包括PACS系统内信息访问的安全性和与外部资源共享的安全性。
系统数据库的信息数据安全和利用Web技术进行与外部数据资源共享时网络通信的安全是必须考虑的。
系统服务器的安全防护，通讯安全在Web技术的使用下必须加强，可以设置权限、角色、防火墙等来实现。
在系统的设计中，由于Web技术的特点和基于Web服务的PACS系统的特点，必须考虑来进行安全性的设计。
3、PACS系统的未来展望
现行的数字化放射医疗部门的工作流程在一定程度上仍然是根据基于胶片的工作流程制定的,随着计算机信息系统的进一步引入,这样的工作流程应当相应地作出改变,从新的信息技术中获得更大的效益。
3.1PACS系统的发展挑战
目前,企业范围内图像分发已经在许多部门得到了初步应用。
在放射医疗科以外最需要图像显示的部门中已经采用了足够的显示技术,但还不能在任何地点方便地获得图像。
RIS与PACS的集成允许在工作站显示诊断报告,PACS和RIS掌握病人在医院中的流动也很重要,这有利于图像和检查的自动预取,路由和分发。
RIS与PACS的进一步集成仍在发展中。
随着PACS的增长,数据库的高可用性将变得越来越关键。
PACS系统的发展向以下一些技术提出了挑战:
大容量存储设备,数据库技术,用户界面,压缩和网络。
大容量存储设备分为以下四类:
磁介质,光介质,磁带及其它（如全息存储）仍在发展中的介质。
目前PACS使用的归档介质是DLT磁带或MOD可反复读写光盘,某些情况下也使用CDR（一次写光盘）。
磁盘容量正在飞速增长,未来的方向是TB级桌面磁盘,2000年时价格下降到3美分/MB。
在光学存储设备中,DVD是目前的热点,DVD目前可以作为备份介质,但作为存储介质仍有不足之处,可擦写的DVD还不成熟,也没有统一的标准。
磁带的新进展包括多磁道记录、磁阻式磁头和允许随机访问的新型格式等。
磁带的价格很有吸引力,但不能防潮,也不能接近磁场,对存放场所的要求比较严格。
数据库的性能,可靠性和容量与PACS系统的性能直接相关。
PACS系统中图像的每一次流动都与数据库有关,但目前对PACS的数据库技术还需要有大量的研究工作。
当PACS集成到HIS系统中时,其重要性将会进一步体现。
随着用户对PACS的依赖性增强,数据库的高可用性技术将会越来越重要。
分布式数据库将会得到广泛的应用。
在用户端,分析功能的增强和图像增强技术的集成非常重要。
语音识别可以将自然语言转换为正文存储在系统中,对生成诊断报告的效率有很大的影响。
基于组件的软件将会出现,软件工具（如三维显示应用）可以在应用程序和系统之间进行拖放操作,这是个人用户界面的新发展。
用户界面和应用程序能根据需要分布,基于Web的显示方式是其中一例。
Web技术和基于组件的软件（瘦客户端技术）将缓慢集成。
PACS需要高速通信网络支持,尤其是在放射医疗部门内部,而在临床监护时可以用低速网络。
目前的发展方向之一是使用ATM,但ATM的功能还没有完全利用起来,特别是ATM传输活动影像以及影像与静止图像同传的能力。
随着通信技术和Internet的发展,远程连接可以使用2M/s或更高的带宽,这将改变PACS的应用范围,特别是在家庭领域的应用将会有较大的发展。
在医院内,将开发更高的带宽用于活动影像和其他信息的传输。
有人认为随着带宽和存储能力的增长将不会再有压缩的要求,但医学图像技术的发展将不断地提高对网络带宽和存储能力的要求,压缩技术也一直会体现出它的重要性。
小波技术将成为标准,在归档和数据传输中得到应用。
4、总结
随着信息技术和网络技术的广泛发展,信息化建设已经成为了各行业都需要大力研究和重视的崭新方向，医院信息系统已成为现代化医院必不可少的重要基础设施与支撑环境。
建设医院信息系统是一个复杂过程，如今我国已经具备了相应的技术，但是在这个过程中仍然存在着很多问题。
对这些问题应该采取积极的态度，敢于面对它们，并作出全面的分析，然后采取相应的措施，这对于医院的长久发展是十分有益。
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