1、PACSPACS系统系统图像存档及通信系统图像存档及通信系统1 知识点介绍图像存档与通信系统，Picture Archiving and Communication System，简称PACS。本节将介本节将介绍绍 PACS概念。概念。随着医学图像技术的发展和PACS的出现，需要在同一终端上显示不同设备的图像，建立统一的图像显示和传输标准，即DICOM标准标准。本节还将介绍本节还将介绍 PACS的关键技术及的关键技术及PACS系统结系统结构与功能。构与功能。2 第一节第一节 PACSPACS概念及目标概念及目标3 pPACSPACS的定义的定义PACS(Picture Archiving an
2、d Communication PACS(Picture Archiving and Communication Systems)Systems)中文全称为图像存档及通信系统，它是中文全称为图像存档及通信系统，它是专门为图像管理而设计的包括图像存档、检索、专门为图像管理而设计的包括图像存档、检索、传送、显示、处理和拷贝或打印的硬件和软件的传送、显示、处理和拷贝或打印的硬件和软件的系统。其目的是为了有效的管理和利用医学图像系统。其目的是为了有效的管理和利用医学图像资源。资源。第一节第一节 PACSPACS概念及目标概念及目标4 P PA AC CS S与与PACS与临床信息系统（与临床信息系统（
3、Clinical Information System,CIS）、放射学信）、放射学信息系统息系统(Radiology Information System,RIS)、医院信息系统、医院信息系统(Hospital Information System,HIS)、实验室信、实验室信息系统（息系统（Laboratory Information System,LIS）同属医院信息系统。）同属医院信息系统。5 6 PACS系统是利用计算机信息技术，将不同型号、系统是利用计算机信息技术，将不同型号、类别、地点的设备产生的图像，在统一的数字图像类别、地点的设备产生的图像，在统一的数字图像格式标准下，进行存
4、储，按用户需求检索、调阅，格式标准下，进行存储，按用户需求检索、调阅，用户可以在自己的终端上对图像作各种处理，辅助用户可以在自己的终端上对图像作各种处理，辅助诊断和治疗。诊断和治疗。图像保存的传统介质采用的是胶片、照片或纸张等，图像保存的传统介质采用的是胶片、照片或纸张等，其缺点是成本高，效率低；保存场地需不断增加，其缺点是成本高，效率低；保存场地需不断增加，保管不易；需防蛀、霉变、丢失；图像复制、传递保管不易；需防蛀、霉变、丢失；图像复制、传递不便，历史图像检索困难。不便，历史图像检索困难。PACS彻底改变了传统彻底改变了传统的图像保存和传递方式，数字图像保存在磁盘、磁的图像保存和传递方式，
5、数字图像保存在磁盘、磁带、光盘上，占地小，成本低，保存时间长。带、光盘上，占地小，成本低，保存时间长。7 利用计算机信息技术可以高速、高效的检索、利用计算机信息技术可以高速、高效的检索、复制、传递图像，真正实现了医学图像信息资复制、传递图像，真正实现了医学图像信息资源的共享。图像的跨科室、医院、地区流动，源的共享。图像的跨科室、医院、地区流动，减少了等待检查结果的时间，方便了医生检索减少了等待检查结果的时间，方便了医生检索相关图像，有利于迅速诊断和治疗，无损、高相关图像，有利于迅速诊断和治疗，无损、高效的图像传输，提高了远程会诊的质量。效的图像传输，提高了远程会诊的质量。计算机强大的图像处理功
6、能，可以在读片终端计算机强大的图像处理功能，可以在读片终端上对图像做各种处理，进行更细致的观察，具上对图像做各种处理，进行更细致的观察，具有更多的图像显示方式：三维重建、虚拟内窥有更多的图像显示方式：三维重建、虚拟内窥镜、图像融合等等，提供了更多的信息。将人镜、图像融合等等，提供了更多的信息。将人类在利用医学图像诊断和治疗上的知识积累，类在利用医学图像诊断和治疗上的知识积累，转变为计算机软件，使医学图像诊断治疗技术转变为计算机软件，使医学图像诊断治疗技术走向更深的层次。在图像信息越来越多的今天，走向更深的层次。在图像信息越来越多的今天，让计算机成为图像的第一读者，也将成为可能。让计算机成为图像
7、的第一读者，也将成为可能。8 pPACSPACS的发展历史及当前的发展状况的发展历史及当前的发展状况从从PACS的技术发展来看，可分为三个阶段的技术发展来看，可分为三个阶段第一阶段（第一阶段（80年代中期年代中期-90年代中期）年代中期）第二阶段（第二阶段（90年代中期年代中期-上世纪末）上世纪末）第三阶段（上世纪末第三阶段（上世纪末-现在）现在）9 第一阶段（第一阶段（80年代中期年代中期-90年代中期）年代中期）L计算机自身性能有限，计算机自身性能有限，CPU主频仅几十兆，内存主频仅几十兆，内存只有只有64兆字节，而且价格昂贵。研究主要集中在兆字节，而且价格昂贵。研究主要集中在如何用有限的
8、计算机资源处理大容量的数字图像，如何用有限的计算机资源处理大容量的数字图像，如用各种算法优化、硬件加速等。而显示技术也如用各种算法优化、硬件加速等。而显示技术也不能保证图像显示的一致性。因为没有统一的标不能保证图像显示的一致性。因为没有统一的标准，不同设备的图像交换困难，准，不同设备的图像交换困难，DICOM标准开标准开始出现。始出现。L这一时期的这一时期的PACS系统以单机为主，速度慢，功系统以单机为主，速度慢，功能单一，基本上没有能单一，基本上没有RIS(Radiology Information System),显示质量不高，人们普遍认为不可能用显示质量不高，人们普遍认为不可能用软拷贝代
9、替胶片。软拷贝代替胶片。PACS显然不能满足临床的需显然不能满足临床的需要。要。10 第二阶段（第二阶段（90年代中期年代中期-上世纪末）上世纪末）K计算机技术、网络技术的发展，特别是计算机技术、网络技术的发展，特别是PC机性机性能的大大提高，使能的大大提高，使PACS用户终端的速度和功能用户终端的速度和功能加强了。加强了。K而显示技术的发展和显示质量控制软件的出现，而显示技术的发展和显示质量控制软件的出现，图像显示质量基本达到读片要求，图像显示质量基本达到读片要求，PACS的诊断的诊断价值开始得到临床的认可。应诊断报告和信息价值开始得到临床的认可。应诊断报告和信息保存的要求，保存的要求，RI
10、S系统出现。系统出现。K临床的应用使人们关注工作流的问题，即在检临床的应用使人们关注工作流的问题，即在检查登记、图像获取、存储、分发、诊断等等的查登记、图像获取、存储、分发、诊断等等的步骤中步骤中PACS如何与如何与RIS沟通，提高工作效率。沟通，提高工作效率。11 第三阶段（上世纪末第三阶段（上世纪末-现在）现在）JDICOM标准被广泛接受，标准被广泛接受，PACS、RIS开始与开始与HIS全面整合，全面整合，PACS被用于远程诊断。显示被用于远程诊断。显示质量控制软件技术的进一步发展，新的显示质量控制软件技术的进一步发展，新的显示设备的出现，淡化了温度、寿命对显示器显设备的出现，淡化了温度
11、、寿命对显示器显示质量的影响。示质量的影响。JPACS系统中引进临床专用软件，以利于辅助系统中引进临床专用软件，以利于辅助诊断和治疗。诊断和治疗。J无胶片化的进程，促使人们开始研究无胶片化的进程，促使人们开始研究PACS系系统的安全性。统的安全性。12 pPACS 建设目标建设目标v为医学影像管理服务为医学影像管理服务v为临床诊断服务为临床诊断服务v为远程医疗服务为远程医疗服务13 pPACS的相关标准的相关标准 、DICOM标准：医学数字成像和通信标准：医学数字成像和通信标准。标准。早期的医学图像设备所产生的图像格式早期的医学图像设备所产生的图像格式是由生产厂商各自定义的，无统一标准是由生产
12、厂商各自定义的，无统一标准并相互保密。随着医学图像技术的发展并相互保密。随着医学图像技术的发展和和PACS的出现，需要在同一终端上显示的出现，需要在同一终端上显示不同设备的图像，建立统一的图像显示不同设备的图像，建立统一的图像显示和传输标准。和传输标准。14 医学数字成像和通信标准医学数字成像和通信标准(Digital Imaging and Communication in Medicine，DICOM)是由美国是由美国放射学院（放射学院（American College of Radiology，ACR）和美国国家电器制造学会（和美国国家电器制造学会（National Electrical
13、 Manufacturers Association，NEMA）组成的联）组成的联合委员会，于合委员会，于1982年开始研制，并逐渐完善和发年开始研制，并逐渐完善和发展所形成的医学数字图像及传输标准。展所形成的医学数字图像及传输标准。目的是为推动在不同设备、型号或生产厂家之间目的是为推动在不同设备、型号或生产厂家之间的、开放式的医疗数字影像的传输与交换，促使的、开放式的医疗数字影像的传输与交换，促使PACS的发展并和其他各种医院信息系统的整合，的发展并和其他各种医院信息系统的整合，允许所产生的信息能广泛地经由不同的设备来访允许所产生的信息能广泛地经由不同的设备来访问。问。15 该标准于该标准于
14、19851985年公布年公布1.01.0版（版（ACR-NEMA V1.0ACR-NEMA V1.0）,1988,1988年公布年公布2.02.0版（版（ACR-NEMA V2.0ACR-NEMA V2.0），），19891989年因增加与年因增加与HIS/RISHIS/RIS联接的内容而改名为联接的内容而改名为DICOMDICOM。随着技术和应用的发展，随着技术和应用的发展，DICOMDICOM标准也在不断扩充和标准也在不断扩充和更新，现在已公布的更新，现在已公布的DICOM3.0DICOM3.0版，内容从只提供点版，内容从只提供点对点的通信标准，扩充到开放式系统互联对点的通信标准，扩充到开
15、放式系统互联OSI(Open OSI(Open System InterConnection)System InterConnection)以及以及TCP/IPTCP/IP等计算机网络等计算机网络的工业标准，从只支持放射图像到支持内窥镜、病的工业标准，从只支持放射图像到支持内窥镜、病理等其他图像。理等其他图像。HIS:Hospital Information System（医院信（医院信息管理系统，简称息管理系统，简称HIS）;LIS是laboratory information system(实验室信息系统的简称。)16 DICOM 标准内容标准内容第第1部分部分 给出了标准的设计原则。给出
16、了标准的设计原则。第第2部分部分 介绍了介绍了DICOM标准的一致性概念。标准的一致性概念。第第3部分部分 描述了信息对象的定义方法。描述了信息对象的定义方法。第第4部分部分 服务类的说明。服务类的说明。第第5部分部分 数据结构及语意。数据结构及语意。第第6部分部分 数据字典。数据字典。第第7部分部分 消息消息(message)交换。交换。第第8部分部分 消息交换的网络通讯支持。消息交换的网络通讯支持。第第9部分部分 说明说明DICOM如何支持点对点消息通信的服务和协议。如何支持点对点消息通信的服务和协议。第第10、11、12部分部分 定义了定义了DICOM文件的存储方式。文件的存储方式。第第
17、13部分部分 DICOM打印管理的点对点通信支持。打印管理的点对点通信支持。第第14部分部分 说明了灰度图像的标准显示功能。说明了灰度图像的标准显示功能。17 第1部分 给出了标准的设计原则，定义了标准中使用的一些术语，对标准的其它部分作了简要概述。第2部分 介绍了DICOM标准的一致性概念，如何制订并描述DICOM产品。包括选择什么样的信息对象(information object)、服务类(service class)以及消息传递（massage transfer）等。一致性是指遵守DICOM标准的设备能够互相连接、互相操作的能力。第3部分 描述了信息对象的定义方法，对数字医学图像存储和通
18、信方面的信息对象提供了抽象的定义。18 第4部分 服务类的说明。服务类可简单地理解为DICOM提供的命令或提供给应用程序使用的内部调用函数。第5部分 数据结构及语意。描述怎样对信息对象和服务类进行构造和编码。第6部分 数据字典。这样在DICOM设备之间进行消息交换时，消息中的内容具有明确的无歧义的编号和意义，可以相互理解和解释。19 第7部分 消息(message)交换。消息是两个符合DICOM标准的应用实体(application entity，AE)之间进行通讯的基本单元。该部分定义了DICOM命令的结构(该命令若结合相关数据即组成子一个DICOM消息)，同时也定义了在医学图像环境中的应用
19、实体用于交换消息的协议握手(association negotiation)方式。第8部分 消息交换的网络通讯支持。说明了在网络环境下的通讯服务和支持DICOM应用、进行消息交换的上层协议。第9部分 说明DICOM如何支持点对点消息通信的服务和协议。20 第10、11、12部分 定义了DICOM文件的存储方式，包括可移动存储介质、DICOM文件集、文件存储格式等。第13部分 DICOM打印管理的点对点通信支持。第14部分 说明了灰度图像的标准显示功能。现在，越来越多的医疗设备厂商宣布支持DICOM标准，遵从DICOM标准生产的设备，可以方便地与其他设备和系统进行通信和交换产生的图像。而PACS
20、系统以DICOM标准为基础，才能具有更好的开放性和扩展性。21 PACS系统在物理结构上采用各种网络将不系统在物理结构上采用各种网络将不同类型的计算机连接起来，包括医学成像设备、同类型的计算机连接起来，包括医学成像设备、图像采集计算机、图像采集计算机、PACS控制器控制器(包括数据库和存包括数据库和存档管理档管理)、以及图像显示工作站。下图为、以及图像显示工作站。下图为PACS系系统的组成及数据流。统的组成及数据流。第二节第二节 PACS的组成及功能的组成及功能HIS/LIS成像成像系统系统图像采集图像采集计算机计算机PACS控制器控制器图像图像显示显示22 23 24 25 26 PACSP
21、ACS结构结构27 q数据和图像的获取数据和图像的获取 图像采集工作站主要任务包括图像采集工作站主要任务包括:从成像设备获取图像数从成像设备获取图像数据，将图像数据转换成据，将图像数据转换成PACSPACS标准的格式，并将其送往标准的格式，并将其送往PACSPACS控控制器。制器。临床医学图像包括静止图像和运动图像。静止图像可以分临床医学图像包括静止图像和运动图像。静止图像可以分为三类为三类:v 符合符合DICOM3.0DICOM3.0的数字数据的数字数据;可以直接与采集计算机相连。可以直接与采集计算机相连。v 非标准的数字数据非标准的数字数据;设计者必须获得设备生产厂商关于数据设计者必须获得
22、设备生产厂商关于数据结构和接口协议的详细说明，才能设计应用软件，从设备的结构和接口协议的详细说明，才能设计应用软件，从设备的串行口或并行口读取非标准数据，并转换为标准化数据。动串行口或并行口读取非标准数据，并转换为标准化数据。动态医学图像态医学图像(如超声心动图和血管造影如超声心动图和血管造影)包括一系列随时间变包括一系列随时间变化的图像，通常采用帧捕捉的方式将其转换成数字图像。化的图像，通常采用帧捕捉的方式将其转换成数字图像。v 非数字数据非数字数据(如胶片、视频图像等如胶片、视频图像等)：一种方法是使用专用扫：一种方法是使用专用扫描仪直接得到数字图像。另一种则用摄像头获得模拟输出，描仪直接
23、得到数字图像。另一种则用摄像头获得模拟输出，然后用帧捕捉的方式将其转换成数字图像，这种方法也适用然后用帧捕捉的方式将其转换成数字图像，这种方法也适用于从医疗设备的监视器输出获得的数字图像。于从医疗设备的监视器输出获得的数字图像。28 q图像处理图像处理v图像预处理图像预处理v图像压缩图像压缩 图像数据压缩技术包括有损和无损压缩。图像数据压缩技术包括有损和无损压缩。1)1)无损压缩：能实现由压缩图像到原始图像的无损压缩：能实现由压缩图像到原始图像的完全恢复，因此也称为可逆压缩。其特点是：在压完全恢复，因此也称为可逆压缩。其特点是：在压缩过程中不会丢失重要信息，但压缩比小，一般在缩过程中不会丢失重
24、要信息，但压缩比小，一般在2-32-3倍之间。倍之间。2)2)有损压缩：不能实现由压缩图像到原始图像有损压缩：不能实现由压缩图像到原始图像的完全恢复，压缩过程不可逆。其出发点是以图像的完全恢复，压缩过程不可逆。其出发点是以图像部分损失为代价换取高压缩比，得到视觉上可以接部分损失为代价换取高压缩比，得到视觉上可以接受的图像。能得到较高的压缩比，一般在受的图像。能得到较高的压缩比，一般在10-5010-50倍倍或更高。或更高。29 q网络系统网络系统 数字通信网络设计中要考虑以下五个因数字通信网络设计中要考虑以下五个因素素:通信速度、通信标准、容错性、安全性以通信速度、通信标准、容错性、安全性以及
25、网络建设和维护费用。及网络建设和维护费用。主要有以下三类主要有以下三类:(1)低速低速(=155Mb/s)异步传输模式异步传输模式(ATM)。30 q图像存储管理系统图像存储管理系统 图像存储管理系统能够实现对短期、中期和长图像存储管理系统能够实现对短期、中期和长期图像存档数据的分级管理。系统设计中的两个核期图像存档数据的分级管理。系统设计中的两个核心问题是数据完整性和系统效率。数据完整性是指心问题是数据完整性和系统效率。数据完整性是指PACS系统从成像设备获得的图像数据不能被丢失，系统从成像设备获得的图像数据不能被丢失，系统效率是指要缩短显示工作站对图像数据的访问系统效率是指要缩短显示工作站
26、对图像数据的访问时间。时间。PACS存档系统是存档系统是PACS系统的核心，主要由四系统的核心，主要由四部分构成部分构成:存档服务器、数据库系统、光盘库以及存档服务器、数据库系统、光盘库以及通信网络。采集计算机和显示工作站通过网络与存通信网络。采集计算机和显示工作站通过网络与存档系统连接。采集计算机从各种成像设备获得的图档系统连接。采集计算机从各种成像设备获得的图像首先被送到存档服务器，然后存储到光盘库，最像首先被送到存档服务器，然后存储到光盘库，最后送到指定的显示工作站。后送到指定的显示工作站。31 一家医院一天的图像数据总量至少几个一家医院一天的图像数据总量至少几个G，医，医疗资料安全长期
27、保存的要求使疗资料安全长期保存的要求使PACS系统的存储方系统的存储方案设计非常重要，高可靠性、超大容量和低成本的案设计非常重要，高可靠性、超大容量和低成本的图像存储方式是追求的目标。图像存储方式是追求的目标。为了平衡投资与应用之间的关系，为了平衡投资与应用之间的关系，PACS系统系统的图像存储通常都分层次存储，如按图像产生时间的图像存储通常都分层次存储，如按图像产生时间分为在线、近线、离线三类。分为在线、近线、离线三类。SCSI磁盘或磁盘阵列存取速度快，但目前容量磁盘或磁盘阵列存取速度快，但目前容量有限（数百个有限（数百个G），用于存储在线图像。），用于存储在线图像。近线图像多采用光盘库、磁
28、带库、近线图像多采用光盘库、磁带库、NAS和和SAN。网络接入存储（网络接入存储（Network-Attached Storage，简称，简称NAS）和存储区域网络（）和存储区域网络（Storage Area Network，简称简称SAN）32 33 34 q显示工作站显示工作站 显示工作站包括通信、数据库、显示、资源管显示工作站包括通信、数据库、显示、资源管理和处理软件。目前常用的显示设备是理和处理软件。目前常用的显示设备是CRTCRT监视器，监视器，根据每屏的扫描线数，可将显示器分成根据每屏的扫描线数，可将显示器分成512512显示器、显示器、1K1K显示器、显示器、2K2K显示器几种，
29、其扫描线分别为显示器几种，其扫描线分别为512512线、线、10241024线和线和20482048线。线。(1)(1)诊断工作站诊断工作站 (2.5k(2.5k2k);2k);(2)(2)回顾工作站回顾工作站 (1k(1k1k);1k);(3)(3)图像分析工作站图像分析工作站;(4)(4)高分辨率硬拷贝打印工作站。高分辨率硬拷贝打印工作站。每个工作站具有一个本地数据库用于管理当前每个工作站具有一个本地数据库用于管理当前病案，也可以从病案，也可以从PACSPACS数据库获取历史图像。数据库获取历史图像。35 36 目前，显示工作站一般都具备数字图目前，显示工作站一般都具备数字图像管理和图像处
30、理功能，图像处理会提高像管理和图像处理功能，图像处理会提高图像的诊断价值，主要包括以下处理工具图像的诊断价值，主要包括以下处理工具:v图像勾边图像勾边(Outling)(Outling)、v边界检测边界检测(Boundary Detection)(Boundary Detection)、v去模糊去模糊(Deblurring)(Deblurring)、v消除噪声消除噪声(Noise Cleaning)(Noise Cleaning)v滤波滤波(Filtering)(Filtering)。37 显示工作站还具有图像显示和测量功能显示工作站还具有图像显示和测量功能以辅助医生诊断，包括以辅助医生诊断，
31、包括:v缩放和移动缩放和移动(Zoom and Scroll)(Zoom and Scroll)，v窗口和灰阶窗口和灰阶(Window and Level)(Window and Level)调整，调整，v直方图修正直方图修正(Histogram Modification)(Histogram Modification)，v图像反转图像反转(Image Reverse)(Image Reverse)及距离、面积和平均灰及距离、面积和平均灰度测量度测量(Distance(Distance，AreaArea，and Average Gray and Average Gray Level Measu
32、rements)Level Measurements)等。等。38 39 40 41 42 43 qPACS的效益的效益v实现医学影像的无片化管理。节约胶片。实现医学影像的无片化管理。节约胶片。节省胶片管理所需要的空间。节省胶片管理所需要的空间。v方便医、教、研，提高诊断效率和诊断水方便医、教、研，提高诊断效率和诊断水平平v简化就医流程简化就医流程v实现医学影像无损采集和传输，提高远程实现医学影像无损采集和传输，提高远程会诊质量会诊质量 第三节第三节 PACSPACS的效益和实施基本条件的效益和实施基本条件44 q实施实施PACS系统的基本条件系统的基本条件v影像设备条件影像设备条件v信息系统
33、条件信息系统条件v技术条件技术条件v经费条件经费条件第三节第三节 PACSPACS的效益和实施基本条件的效益和实施基本条件45 46 47 48 (1)(1)提高系统互连性提高系统互连性:如采用如采用ACR-NEMA/DICOMACR-NEMA/DICOM标准标准;(2)(2)提高整个系统的智能化和协同处理能力提高整个系统的智能化和协同处理能力:通用信息处理通用信息处理模型研究模型研究;(3)(3)医学信息库医学信息库:包括医学图像数据库管理和服务器结构、包括医学图像数据库管理和服务器结构、高性能图像分析工作站、基于内容的医学图像检索、分布式高性能图像分析工作站、基于内容的医学图像检索、分布式
34、计算及图像和记录的真实性验证等计算及图像和记录的真实性验证等;(4)(4)提高系统负载提高系统负载:采用高速网络、大容量存储设备、多级采用高速网络、大容量存储设备、多级存储算法、数据压缩算法及快速计算存储算法、数据压缩算法及快速计算;(5)(5)简化系统维护简化系统维护:使用图形化计算机辅助软件工程工具，使用图形化计算机辅助软件工程工具，包括处理模型和系统设计包括处理模型和系统设计;(6)(6)提高系统可靠性提高系统可靠性:研究中心系统监视和恢复软件研究中心系统监视和恢复软件;(7)(7)提高临床可操作性提高临床可操作性:临床质量控制。临床质量控制。第四节第四节PACSPACS发展趋势发展趋势49
