PACS的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

PACS (picture archiving and communication systems; PACS)又稱IMAS(image archiving and communication systems)，即圖像歸檔與傳輸系統(tǒng)，是應(yīng)用于醫(yī)院放射科或醫(yī)院及更大范圍的醫(yī)學(xué)圖像信息管理系統(tǒng)，圖像主要來源于醫(yī)院的放射醫(yī)療設(shè)備如CT、MRI、PET、B超等產(chǎn)生的影像，在這里醫(yī)學(xué)影像又稱為醫(yī)學(xué)圖像。

　　PACS的起源和發(fā)展是與計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)的。傳統(tǒng)的放射科醫(yī)生的診斷方式主要是根據(jù)由特定影像設(shè)備產(chǎn)生的膠片，憑借醫(yī)生多年的診斷經(jīng)驗(yàn)判斷是否有病變及其具體情況。這種利用膠片的診斷和存儲(chǔ)方式隨著影像設(shè)備的不斷更新?lián)Q代已經(jīng)越來越不適應(yīng)醫(yī)院的管理發(fā)展，它的諸多缺點(diǎn)制約了數(shù)字化醫(yī)院實(shí)現(xiàn)的構(gòu)想。首先膠片診斷方式非常單一化，整張膠片的信息沒有得到充分的利用，很難觀察到更細(xì)微的局部信息，并且膠片診斷僅僅采用定性的方式，帶有很大的主觀性；膠片的使用一般也僅限于醫(yī)院內(nèi)部。定量信息的缺乏和醫(yī)學(xué)圖像資源的不可共享阻礙了醫(yī)療教學(xué)和醫(yī)生診斷水平的普遍提高。另外，膠片的存儲(chǔ)和維護(hù)也帶來了很大的醫(yī)院費(fèi)用難題，膠片的易損壞性更不利于對(duì)它的再次利用。

　　隨著數(shù)字化技術(shù)尤其是計(jì)算機(jī)科學(xué)的飛速發(fā)展，在醫(yī)療界使用計(jì)算機(jī)取代膠片保存手段應(yīng)用于醫(yī)院管理的想法產(chǎn)生了，PACS正是這種思想發(fā)展的結(jié)果。PACS主要利用計(jì)算機(jī)輔助診斷和存儲(chǔ)方式替代傳統(tǒng)的膠片手段，通過計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備對(duì)膠片進(jìn)行數(shù)字化處理，生成某種格式的數(shù)字圖像，利用先進(jìn)的存儲(chǔ)介質(zhì)保存圖像，并且借助計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)變換、局部放縮、旋轉(zhuǎn)平移以及各種濾波分析，得出更為清晰的圖像和有關(guān)的量化數(shù)據(jù)，為醫(yī)療診斷提供了更客觀的依據(jù)，在很大程度上減小了主觀的因素。更為重要的是，利用計(jì)算機(jī)先進(jìn)的存儲(chǔ)方式和強(qiáng)大的圖像壓縮功能以及網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)院內(nèi)部甚至遠(yuǎn)程的醫(yī)院之間的醫(yī)學(xué)圖像信息的共享，這種共享體現(xiàn)在時(shí)間和空間兩個(gè)主要方面，首先，所有放射科的圖像不但在診斷科內(nèi)部可以使用，而且在整個(gè)醫(yī)院內(nèi)部通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)資源共享，甚至支持遠(yuǎn)程對(duì)圖像的調(diào)用，另一方面對(duì)于已經(jīng)使用過的醫(yī)學(xué)圖像提供長期的可靠保存手段，以供將來隨時(shí)的查詢和顯示。在醫(yī)院內(nèi)部信息共享的基礎(chǔ)上，把圖像數(shù)據(jù)庫的信息進(jìn)行歸類和標(biāo)識(shí)，利用計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)或遠(yuǎn)程網(wǎng)進(jìn)行醫(yī)療診斷技術(shù)的教學(xué)和培訓(xùn)工作，普遍提高醫(yī)生的診斷水平。因此，PACS系統(tǒng)對(duì)醫(yī)院有以下幾個(gè)方面的意義：提高醫(yī)院的工作效率和生產(chǎn)率；提供病人更好的服務(wù)；更有效的使用龐大的醫(yī)學(xué)圖像資源；為醫(yī)生提供參考咨詢依據(jù)并用定量數(shù)據(jù)補(bǔ)充定性手段的不足，提高診斷的正確率；為醫(yī)院減小影像保存的成本。

　　2　PACS的體系結(jié)構(gòu)

　　PACS根據(jù)其使用的范圍不同分為以下三個(gè)層次，放射科內(nèi)部PACS；醫(yī)院內(nèi)部PACS和較大范圍的PACS(指醫(yī)院之間或跨地區(qū)之間的PACS)，當(dāng)前國際上各個(gè)PACS生產(chǎn)廠商以放射科內(nèi)部PACS和醫(yī)院內(nèi)部PACS作為主要產(chǎn)品，而更大范圍的PACS隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，尤其是Internet網(wǎng)性能的進(jìn)一步提高，也將會(huì)有相應(yīng)的產(chǎn)品問世。

　　一般來說，放射科內(nèi)部的PACS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，利用以太網(wǎng)(Ethernet)，將科室或醫(yī)院內(nèi)部圖像資源完全共享，在現(xiàn)階段，利用局域網(wǎng)在醫(yī)院內(nèi)部傳輸文本、圖像甚至視頻、聲音等多媒體數(shù)據(jù)完全可以的。但是醫(yī)院范圍的PACS還要涉及到與HIS系統(tǒng)的集成問題，必須考慮到HIS的發(fā)展情況，兩者的接口的實(shí)現(xiàn)有一定的難度，HIS和PACS的共同建設(shè)需要很高的經(jīng)濟(jì)成本，目前只限于在我國的大醫(yī)院推廣。而對(duì)于更大范圍的PACS，受當(dāng)前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)尤其是網(wǎng)絡(luò)帶寬的制約，仍然處于研究階段。

　　早期的PACS主要以醫(yī)院甚至放射科內(nèi)部的應(yīng)用為主，因此PACS系統(tǒng)主要以集中式系統(tǒng)為主，它的特點(diǎn)是將病人的影像數(shù)據(jù)(通過影像設(shè)備直接或間接獲取的)存儲(chǔ)在主服務(wù)器上，當(dāng)PACS系統(tǒng)的其它客戶端需要進(jìn)行顯示或查詢時(shí)，通過服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)調(diào)用數(shù)據(jù)到本地客戶端，從它的基本工作流程可以看出，它容易實(shí)現(xiàn)，管理和維護(hù)方便，但是由于圖像數(shù)據(jù)量非常大，傳輸時(shí)間較長，難以保證實(shí)時(shí)性，并且所有的圖像數(shù)據(jù)都放置在一個(gè)服務(wù)器上，因此可靠性變得很差，對(duì)服務(wù)器硬件提出了很高的要求。目前國外的一些大公司如西門子的SIENET ISA系統(tǒng)就采用這種體系結(jié)構(gòu)。

　　近幾年隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，分布式的思想逐步被許多開發(fā)PACS的廠商所采用，在這樣的系統(tǒng)中，圖像數(shù)據(jù)被分別存儲(chǔ)在不同的物理服務(wù)器上，它們的數(shù)據(jù)可以被網(wǎng)絡(luò)的合法用戶共享，分布式系統(tǒng)采用多點(diǎn)存儲(chǔ)代替一點(diǎn)存儲(chǔ)，提高了系統(tǒng)的可靠性，但卻相應(yīng)增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，因此系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和維護(hù)困難，所需經(jīng)濟(jì)成本高。采用這種體系結(jié)構(gòu)的有瑞士Geneva大學(xué)附屬醫(yī)院開發(fā)的PACS。PACS的兩種主要的體系，具體結(jié)構(gòu)請(qǐng)見圖1。

　　現(xiàn)以放射科內(nèi)部的PACS為例，介紹PACS的基本結(jié)構(gòu)模塊和功能，這些組成模塊包括圖像的數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理模塊、顯示/查詢模塊、歸檔模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、工作流管理模塊?！?

　　以上就是PACS基本結(jié)構(gòu)的介紹，這種模塊化的設(shè)計(jì)思想方便將來系統(tǒng)的功能擴(kuò)充，通過使用工作流模塊來協(xié)調(diào)其它各個(gè)模塊之間的工作，提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。

　　3　與PACS相關(guān)的學(xué)科和技術(shù)\r

　　PACS是多學(xué)科交叉發(fā)展的產(chǎn)物，它與計(jì)算機(jī)科學(xué)、醫(yī)學(xué)、認(rèn)知心理學(xué)及管理科學(xué)密切相關(guān)。下面就具體探討這些學(xué)科的發(fā)展對(duì)PACS的影響。

　　首先自PACS產(chǎn)生以來就一直受著計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展的影響，計(jì)算機(jī)的各種新技術(shù)的不斷出現(xiàn)促進(jìn)了PACS的功能不斷強(qiáng)大，應(yīng)用范圍也越來越廣。數(shù)字圖像處理技術(shù)為醫(yī)生的診斷提供更好的支持，也為解決數(shù)據(jù)量大的問題不斷提供新的方法，比如使醫(yī)生從定性診斷發(fā)展到今天的定性與定量診斷相結(jié)合的方式，圖像增強(qiáng)、濾波、分割等多種方法的使用不但提高了圖像的清晰度，也可以更精確的檢測(cè)出病變的方位。另外，圖像壓縮的各種方法的出現(xiàn)，典型的有小波變換壓縮等，為解決圖像數(shù)據(jù)量龐大問題發(fā)揮了很大的作用，緩解了存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)钠款i因素。當(dāng)前醫(yī)學(xué)圖像的格式標(biāo)準(zhǔn)化和壓縮標(biāo)準(zhǔn)化工作為將來國際間醫(yī)學(xué)影像資源的共享打下了基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展一直制約著醫(yī)院之間和不同地區(qū)之間PACS的實(shí)現(xiàn)，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，圖像的傳輸速度很低，實(shí)時(shí)性很難保證。進(jìn)幾年隨著各種高速廣域網(wǎng)技術(shù)的紛紛出現(xiàn)，如ATM、SMS及禎中繼等，尤其是ATM技術(shù)，它即可以應(yīng)用在局域網(wǎng)上，又可應(yīng)用在廣域網(wǎng)上。將來一旦網(wǎng)絡(luò)傳輸問題得到解決，PACS不但可以實(shí)現(xiàn)圖像和文本數(shù)據(jù)的交流，也可以將聲音、視頻等各種多媒體數(shù)據(jù)在全球領(lǐng)域共享。Internet網(wǎng)的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)廣域PACS提供基礎(chǔ)條件，支持網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)已經(jīng)伴隨著發(fā)展起來，但是由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制以及TCP/IP協(xié)議的效率不夠高，醫(yī)學(xué)圖像資源并未實(shí)現(xiàn)大范圍的共享，有人提出Ipv6將是下一代的Internet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，從Ipv4升級(jí)到Ipv6將帶來諸多的改進(jìn)，如簡化路由、擴(kuò)大地址空間，以更好的支持多媒體數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)前數(shù)據(jù)庫向數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)逐漸發(fā)展，為PACS系統(tǒng)的進(jìn)一步智能化提供了理論基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)倉庫具有從多個(gè)分散的部門級(jí)系統(tǒng)中捕捉成千上百個(gè)GB的共享信息的能力，它可以將機(jī)構(gòu)的原始數(shù)據(jù)有效地轉(zhuǎn)化為有用的知識(shí)信息，KDD理論和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的結(jié)合使PACS從現(xiàn)在簡單的存儲(chǔ)、查詢、顯示的功能上升到更高階段的智能化PACS。

　　PACS系統(tǒng)主要是為醫(yī)院服務(wù)的，醫(yī)學(xué)的進(jìn)步尤其是診斷技術(shù)和方法的發(fā)展對(duì)PACS提出了更高的要求，醫(yī)療診斷新設(shè)備的不斷推出也要求PACS增添更多的功能。

　　認(rèn)知心理學(xué)的發(fā)展也為解決PACS中的一些難題找到了線索，例如認(rèn)知中的特征分析研究、多重資源理論以及注意的研究對(duì)于改進(jìn)PACS作為輔助診斷手段有很大幫助。另外對(duì)醫(yī)學(xué)圖像的有損壓縮是否會(huì)引起視覺信息的丟失問題也涉及到了認(rèn)知心理學(xué)中的視覺方面的問題，當(dāng)前醫(yī)學(xué)圖像一般采用無損壓縮，壓縮比在2～3∶1之間，有損壓縮壓縮比則很高，可達(dá)到5～12∶1，如果有損壓縮問題獲得突破，就可以解決當(dāng)前醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)量大帶來的諸多問題。

　　醫(yī)院是一個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)體，主要作用是為病人提供周到的服務(wù)，因此醫(yī)院的所有人、財(cái)、物的配置和使用都要符合管理學(xué)的一般規(guī)律，而PACS系統(tǒng)宗旨就是為醫(yī)院管理服務(wù)，所以PACS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要考慮到管理科學(xué)的發(fā)展。

　　4　PACS的實(shí)現(xiàn)

　　4.1　與PACS實(shí)現(xiàn)相關(guān)的主要問題　首先，實(shí)現(xiàn)PACS需要一個(gè)與各種不同硬件設(shè)備的接口以獲取原始數(shù)據(jù)，而現(xiàn)在醫(yī)院使用的影像設(shè)備如CT、MRI、CR、PET等類型復(fù)雜，接口的圖像輸出格式各個(gè)公司定義不盡相同，有的是模擬信號(hào)接口；有的是數(shù)字信號(hào)接口，有的根本沒有接口，因此影像數(shù)據(jù)的獲取將是一個(gè)難題。其次，PACS中的數(shù)據(jù)以醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)為主，因此數(shù)據(jù)量非常大，以一個(gè)典型的中型醫(yī)院為例，一個(gè)病人做幾項(xiàng)放射科檢查，所需數(shù)據(jù)量大約有500M～2.5G之多，這不但對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能提出了更高的要求，也對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)提出了更高的要求。另外設(shè)計(jì)一個(gè)醫(yī)院的PACS系統(tǒng)時(shí)，在實(shí)現(xiàn)符合標(biāo)準(zhǔn)的前提下，一定要考慮到醫(yī)院的具體情況和要求，并且要隨著科技的發(fā)展系統(tǒng)可進(jìn)一步擴(kuò)展，界面的設(shè)計(jì)也要考慮到使用者的專業(yè)習(xí)慣。在我國現(xiàn)階段，實(shí)現(xiàn)PACS還要考慮到醫(yī)院的經(jīng)濟(jì)能力，不能一步就設(shè)計(jì)一個(gè)大范圍的通用PACS，要與醫(yī)院的HIS結(jié)合來考慮。
4.2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)　在設(shè)計(jì)PACS系統(tǒng)時(shí)，考慮到以上幾個(gè)方面問題，我們采用以下的設(shè)計(jì)思路：

　　(1)考慮到我國醫(yī)學(xué)影像科學(xué)發(fā)展的客觀情況以及醫(yī)院的經(jīng)濟(jì)承受能力，我們的PACS分為三個(gè)階段，循序漸進(jìn)的實(shí)現(xiàn)。階段，首先實(shí)現(xiàn)放射科內(nèi)部的PACS，使醫(yī)院內(nèi)部的影像完全以數(shù)字化圖像方式保存，實(shí)現(xiàn)無膠片化管理，并且完成PACS的基本功能如查詢、顯示、圖像格式轉(zhuǎn)換、報(bào)告生成等，利用數(shù)字圖像處理手段，完成初步的計(jì)算機(jī)輔助診斷的功能，對(duì)病人信息的集中管理為醫(yī)院提供了很大的方便并節(jié)省了開銷；第二階段，實(shí)現(xiàn)醫(yī)院內(nèi)部的PACS，實(shí)現(xiàn)與醫(yī)院信息系統(tǒng)(hospital information system;HIS)的集成，使醫(yī)院內(nèi)部的信息共享，并可以進(jìn)行科室間的聯(lián)合診斷，實(shí)現(xiàn)醫(yī)院管理的現(xiàn)代化。解決查詢實(shí)時(shí)性的問題，并將所有的接口都標(biāo)準(zhǔn)化為DICOM格式；第三階段，采用更先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)作為硬件基礎(chǔ)，擴(kuò)展PACS的模塊結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療和醫(yī)療教學(xué)功能。

　　(2)系統(tǒng)若在一個(gè)中型醫(yī)院運(yùn)行，成本費(fèi)用要符合醫(yī)院具體情況，采用集中式PACS設(shè)計(jì)和流行的客戶機(jī)/服務(wù)器的方式實(shí)現(xiàn)PACS，這樣系統(tǒng)便于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)，為提高集中式PACS系統(tǒng)的可靠性，尤其是服務(wù)器的可靠性，可以采用雙機(jī)容錯(cuò)的方式，也就是采用兩個(gè)服務(wù)器(Server)，其中一個(gè)作為備用服務(wù)器，當(dāng)工作服務(wù)器發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)備用Server監(jiān)控到故障，并且代替它繼續(xù)工作，在一定程度上提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　(3)為便于系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，完全采用美國放射醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)及聯(lián)邦電機(jī)制造商協(xié)會(huì)(ACR/NEMA)1993年通過的DICOM3.0標(biāo)準(zhǔn)，利用特殊的DICOM3.0標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換接口，將所獲取的所有數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換為DICOM格式，方便了與其它醫(yī)院的共享影像數(shù)據(jù)。也為將來系統(tǒng)的擴(kuò)充奠定了基礎(chǔ)。

　　(4)在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)時(shí)，采用大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)分為圖像段和其他數(shù)據(jù)段分開考慮，方便了歸檔操作和數(shù)據(jù)庫管理工作。為了真正實(shí)現(xiàn)輔助診斷的作用，提供強(qiáng)大的數(shù)字圖像處理工具，例如尖銳化、窗口化、反置功能、旋轉(zhuǎn)、預(yù)置、局部放縮、多窗口顯示和任意切換功能，以及圖像增強(qiáng)、濾波等定性手段，此外為提高診斷質(zhì)量，還提供測(cè)量任意一點(diǎn)密度值的功能。

　　5　結(jié)束語\r

　　上面論述了PACS的基本體系結(jié)構(gòu)和與之相關(guān)的學(xué)科和技術(shù)，PACS模塊之間的邏輯關(guān)系對(duì)于實(shí)現(xiàn)PACS有很大的影響。從系統(tǒng)總的設(shè)計(jì)原則來說就是要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、可擴(kuò)展性、靈活性、實(shí)時(shí)性的目標(biāo)，根據(jù)醫(yī)院自身的情況，階段我們將要在高性能微機(jī)上作出放射科內(nèi)部的PACS系統(tǒng)，并且要在沈陽醫(yī)大二院投入使用，這套PACS系統(tǒng)與國外同類產(chǎn)品相比有很多優(yōu)點(diǎn)，首先它有非常豐富的圖像處理功能，對(duì)于醫(yī)生的診斷有很大的幫助。其次為低價(jià)位的高性能微機(jī)代替價(jià)格較高的工作站并且實(shí)現(xiàn)了PACS系統(tǒng)的基本功能，因此性能價(jià)格比很高，尤其適合在我國的中小醫(yī)院推廣。

　　從國內(nèi)形式上看，PACS系統(tǒng)并沒有在各個(gè)醫(yī)院廣泛推廣，資金和技術(shù)是兩個(gè)主要的問題，目前國內(nèi)從事PACS系統(tǒng)的開發(fā)的廠商不多，國外的很多廠商也主要采用高性能的工作站實(shí)現(xiàn)PACS系統(tǒng)，價(jià)格很高，妨礙PACS系統(tǒng)的在醫(yī)療系統(tǒng)的廣泛推廣和使用。隨著微機(jī)性能的逐步提高和價(jià)格的下降，它代替工作站實(shí)現(xiàn)PACS系統(tǒng)成為發(fā)展PACS的趨勢(shì)。并且這將有助于我國各個(gè)大醫(yī)院廣泛采用PACS系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的膠片方式并進(jìn)一步促進(jìn)中國影像科學(xué)的發(fā)展。

　　對(duì)于未來的發(fā)展，有人提出用更簡潔的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如NETBLTD代替TCP協(xié)議，這樣在底層上解決遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣葐栴}。另外還可以采用更大的批量傳輸?shù)姆绞郊涌炀W(wǎng)絡(luò)速度，并且隨著千兆以太網(wǎng)和ATM技術(shù)的逐步實(shí)用化和寬帶ISDN技術(shù)的推廣，醫(yī)學(xué)多媒體數(shù)據(jù)主要是圖像數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸問題會(huì)得到解決。