医学图像存储与传输系统概述

第十三章医学图像存储与传输系统,一、医学影像PACS系统概述 二、医学影像系统的发展历史概况 三、当前在PACS中应用的主要技术和设备 四、医学影像系统建设应采取的策略 五、PACS的影像存储和传递形式 六、PACS系统的组成 七、PACS类型及特征 八、PACS系统管理结构模式 九、PACS目前存在的问题 十、PACS的发展趋势 十一、医学数字图像通讯（DICOM）标准,一.医学影象系统概述,医学影像系统通常称为医学影像计算机存档与传输系统（Picture Archiving and Communication System 简称PACS），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,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： 影像做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内容，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： 对光胸片、乳腺片影像，几何精度要求为以上，灰阶分辨率为1024级至4096级； 对、影像，几何精度为512×512，灰阶分辨率为4096级； 对超声、内窥镜影像，几何精度为320级-512级，灰阶为256级彩色影像，这类影像还需要是1630幅/秒连续的动态影像； 对病理影像，几何精度为512×512或1K×1K，具有灰阶分辨率为256级的彩色图像。,随着光检查、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。 例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。,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下，使医院对PACS的需求也不断提高。,二、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。,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范； 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DICOM 3.0标准。,目前，一些主要的医疗仪器公司，如GE、PHILIPS、西门子、柯达等，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。,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内窥镜、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（Health Level Seven）等,三、 当前在PACS中应用的主要技术和设备,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。,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，其核心内容是： （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）定义了图像通过用点对点方式、网络方式、文件方式等进行交换的方法和规范。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。它目前有14章，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。,、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。 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。,、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住院病人的资料。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。,、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。,、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。 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列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。,激光照相机也是PACS中常用的设备，国内很多大医院已经为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。 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。,四、医学影像系统建设应采取的策略,建立PACS的一个目标是方便图像的存取，使临床医生能够随时随地读取所需要的图像。另一个目标是建立无胶片化医院，通过减少胶片的使用降低医院的消耗，提高经济效益。 对于医学影像系统的建设，医院应该进行全面统一的规划，充分考虑PACS与其他系统的信息沟通。,要达到上述两个主要目标，满足医院实际工作的需要，应该从影像质量、存储图像的数量、影像采集方式、显示设备的配备数量和范围等方面进行认真的论证。 通常需要有高质量的图像采集系统，要在临床科室配备大量的图像显示设备，有十几个TB（1TB=1024GB）的在线存储容量和高速度的网络通讯能力，才能够使系统替代传统胶片。,医院应该加强信息系统建设的统一规划。医学影像系统管理的是医院信息中的一个重要部分，由于其数据量巨大，对计算机系统、网络系统和存储等都带来了许多问题。因此，产生了许多应用技术，如图像的预取技术、图像压缩技术等。然而，作为医院信息系统中的一部分，图像信息与其他信息能够很好融合和连接是PACS建设中一个不能忽视的问题。各个医院通过做好统一规划，避免PACS与医院其他系统出现信息交换问题。,普及PACS应用技术。近年来，一些医院陆续建立起医院管理信息系统，完善了医院计算机网络，许多医院计划建立医学影像管理系统（PACS）。然而，由于我国PACS研究工作开展比较晚，许多医院急需比较全面和完整地了解相关的技术，需要通过各种形式的工作使医院能够正确认识PACS技术的应用目标、作用和建立方法等问题。建立医学影像系统的标准和规范。在数字影像的采集、显示，远程医疗等方面我国尚没有相应的标准，这不利于保障数字化影像在医疗工作中的可靠性和安全性。专业委员会力图通过积极组织研究、引进国外标准等方法，建立起适合我国PACS系统、远程医疗应用的技术标准和规范。,五、 PACS的影像存储和传递形式,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标准的文件存储格式，而12bit黑白图像则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。在PACS系统内部，影像通常是按自定义格式存放的文件。,医学影像的传递 。DICOM规定了影像文件传递和存储的标准，包括标准的存储介质和标准的网络通讯。标准的存储介质叫作DICOM STORAGE，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。,