1 概述
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)，是應用于醫(yī)院放射科或醫(yī)院及更大范圍的醫(yī)學圖像信息管理系統(tǒng),，圖像主要來源于醫(yī)院的放射醫(yī)療設備如CT,、MRI、PET,、B超等產生的影像,，在這里醫(yī)學影像又稱為醫(yī)學圖像。
PACS的起源和發(fā)展是與計算機科學的發(fā)展密切相關的,。傳統(tǒng)的放射科醫(yī)生的診斷方式主要是根據由特定影像設備產生的膠片,，憑借醫(yī)生多年的診斷經驗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方式隨著影像設備的不斷更新換代已經越來越不適應醫(yī)院的管理發(fā)展,，它的諸多缺點制約了數字化醫(yī)院實現的構想,。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)院內部,。定量信息的缺乏和醫(yī)學圖像資源的不可共享阻礙了醫(yī)療教學和醫(yī)生診斷水平的普遍提高。另外,，膠片的存儲和維護也帶來了很大的醫(yī)院費用難題,，膠片的易損壞性更不利于對它的再次利用。
隨著數字化技術尤其是計算機科學的飛速發(fā)展,，在醫(yī)療界使用計算機取代膠片保存手段應用于醫(yī)院管理的想法產生了,，PACS正是這種思想發(fā)展的結果。PACS主要利用計算機輔助診斷和存儲方式替代傳統(tǒng)的膠片手段,，通過計算機及其外圍設備對膠片進行數字化處理,，生成某種格式的數字圖像，利用先進的存儲介質保存圖像,，并且借助計算機圖像處理技術,，對圖像進行增強變換,、局部放縮、旋轉平移以及各種濾波分析,，得出更為清晰的圖像和有關的量化數據,，為醫(yī)療診斷提供了更客觀的依據，在很大程度上減小了主觀的因素,。更為重要的是,，利用計算機先進的存儲方式和強大的圖像壓縮功能以及網絡傳輸能力，可以實現醫(yī)院內部甚至遠程的醫(yī)院之間的醫(yī)學圖像信息的共享,，這種共享體現在時間和空間兩個主要方面,，首先，所有放射科的圖像不但在診斷科內部可以使用,，而且在整個醫(yī)院內部通過計算機網絡實現資源共享,，甚至支持遠程對圖像的調用，另一方面對于已經使用過的醫(yī)學圖像提供長期的可靠保存手段,，以供將來隨時的查詢和顯示,。在醫(yī)院內部信息共享的基礎上，把圖像數據庫的信息進行歸類和標識,，利用計算機局域網或遠程網進行醫(yī)療診斷技術的教學和培訓工作,，普遍提高醫(yī)生的診斷水平。因此,，PACS系統(tǒng)對醫(yī)院有以下幾個方面的意義：提高醫(yī)院的工作效率和生產率,；提供病人更好的服務；更有效的使用龐大的醫(yī)學圖像資源,；為醫(yī)生提供參考咨詢依據并用定量數據補充定性手段的不足,，提高診斷的正確率；為醫(yī)院減小影像保存的成本,。
2 PACS的體系結構
PACS根據其使用的范圍不同分為以下三個層次,，放射科內部PACS；醫(yī)院內部PACS和較大范圍的PACS(指醫(yī)院之間或跨地區(qū)之間的PACS),，當前國際上各個PACS生產廠商以放射科內部PACS和醫(yī)院內部PACS作為主要產品,，而更大范圍的PACS隨著計算機網絡的發(fā)展，尤其是Internet網性能的進一步提高,，也將會有相應的產品問世。
一般來說,，放射科內部的PACS系統(tǒng)實現相對容易,，利用以太網(Ethernet)，將科室或醫(yī)院內部圖像資源完全共享,，在現階段,，利用局域網在醫(yī)院內部傳輸文本、圖像甚至視頻、聲音等多媒體數據完全可以的,。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，兩者的接口的實現有一定的難度,，HIS和PACS的共同建設需要很高的經濟成本,，目前只限于在我國的大醫(yī)院推廣。而對于更大范圍的PACS,，受當前計算機網絡尤其是網絡帶寬的制約,，仍然處于研究階段。
早期的PACS主要以醫(yī)院甚至放射科內部的應用為主,，因此PACS系統(tǒng)主要以集中式系統(tǒng)為主,，它的特點是將病人的影像數據(通過影像設備直接或間接獲取的)存儲在主服務器上，當PACS系統(tǒng)的其它客戶端需要進行顯示或查詢時,，通過服務器的數據庫管理系統(tǒng)(DBMS)調用數據到本地客戶端,，從它的基本工作流程可以看出，它容易實現,，管理和維護方便,，但是由于圖像數據量非常大，傳輸時間較長,，難以保證實時性,，并且所有的圖像數據都放置在一個服務器上，因此可靠性變得很差,，對服務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)就采用這種體系結構。
近幾年隨著計算機科學的發(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，圖像數據被分別存儲在不同的物理服務器上,，它們的數據可以被網絡的合法用戶共享,，分布式系統(tǒng)采用多點存儲代替一點存儲，提高了系統(tǒng)的可靠性,，但卻相應增加了系統(tǒng)的復雜性,，因此系統(tǒng)的實現和維護困難，所需經濟成本高,。采用這種體系結構的有瑞士Geneva大學附屬醫(yī)院開發(fā)的PACS,。PACS的兩種主要的體系，具體結構請見圖1,。
現以放射科內部的PACS為例,，介紹PACS的基本結構模塊和功能,，這些組成模塊包括圖像的數據獲取和預處理模塊、顯示/查詢模塊,、歸檔模塊,、數據庫模塊、工作流管理模塊,。各模塊之間的關系詳見圖2,。
圖像獲取和預處理模塊主要以直接接口或間接介質等方式獲取醫(yī)學影像設備產生的圖像數據，經過壓縮,、格式轉換等處理以便進一步分啻媧⒁窖?枷袷?菀員甘褂?；医?枷窆櫚的？槲?枷袷?菘馓峁┐筧萘看媧⒑蟊福?な奔?。磱约像?藎?ü?と〉裙δ薌涌於醞枷袷?蕕姆夢?；PACS數據庫部分模塊提供對數據庫的一些基本操作，并對數據庫進行維護和管理,；醫(yī)學圖像查詢,、顯示和診斷模塊為醫(yī)師提供對圖像數據的實時查詢服務，對不同設備的影像數據進行顯示和進一步處理,，輔助醫(yī)師進行診斷,；工作流控制模塊是協調各模塊之間的工作流程，提高系統(tǒng)的安全性,、穩(wěn)定性和可擴展性,。
以上就是PACS基本結構的介紹，這種模塊化的設計思想方便將來系統(tǒng)的功能擴充,，通過使用工作流模塊來協調其它各個模塊之間的工作,，提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。
3 與PACS相關的學科和技術
PACS是多學科交叉發(fā)展的產物,，它與計算機科學,、醫(yī)學、認知心理學及管理科學密切相關,。下面就具體探討這些學科的發(fā)展對PACS的影響,。
首先自PACS產生以來就一直受著計算機科學發(fā)展的影響，計算機的各種新技術的不斷出現促進了PACS的功能不斷強大,，應用范圍也越來越廣,。數字圖像處理技術為醫(yī)生的診斷提供更好的支持，也為解決數據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合的方式,，圖像增強、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出病變的方位。另外,，圖像壓縮的各種方法的出現,，典型的有小波變換壓縮等，為解決圖像數據量龐大問題發(fā)揮了很大的作用,，緩解了存儲和網絡傳輸的瓶頸因素,。當前醫(yī)學圖像的格式標準化和壓縮標準化工作為將來國際間醫(yī)學影像資源的共享打下了基礎。計算機網絡的發(fā)展一直制約著醫(yī)院之間和不同地區(qū)之間PACS的實現,，由于網絡帶寬的限制,，圖像的傳輸速度很低，實時性很難保證,。進幾年隨著各種高速廣域網技術的紛紛出現,，如ATM、SMS及禎中繼等,，尤其是ATM技術,，它即可以應用在局域網上，又可應用在廣域網上,。將來一旦網絡傳輸問題得到解決,，PACS不但可以實現圖像和文本數據的交流，也可以將聲音,、視頻等各種多媒體數據在全球領域共享,。Internet網的出現為實現廣域PACS提供基礎條件，支持網絡的數據庫技術已經伴隨著發(fā)展起來,，但是由于網絡帶寬的限制以及TCP/IP協議的效率不夠高,，醫(yī)學圖像資源并未實現大范圍的共享，有人提出Ipv6將是下一代的Internet網絡協議,，從Ipv4升級到Ipv6將帶來諸多的改進,，如簡化路由、擴大地址空間,，以更好的支持多媒體數據的傳輸,。當前數據庫向數據倉庫技術逐漸發(fā)展，為PACS系統(tǒng)的進一步智能化提供了理論基礎,，數據倉庫具有從多個分散的部門級系統(tǒng)中捕捉成千上百個GB的共享信息的能力,，它可以將機構的原始數據有效地轉化為有用的知識信息，KDD理論和數據庫技術的結合使PACS從現在簡單的存儲,、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)院服務的,，醫(yī)學的進步尤其是診斷技術和方法的發(fā)展對PACS提出了更高的要求,，醫(yī)療診斷新設備的不斷推出也要求PACS增添更多的功能,。
認知心理學的發(fā)展也為解決PACS中的一些難題找到了線索，例如認知中的特征分析研究,、多重資源理論以及注意的研究對于改進PACS作為輔助診斷手段有很大幫助,。另外對醫(yī)學圖像的有損壓縮是否會引起視覺信息的丟失問題也涉及到了認知心理學中的視覺方面的問題，當前醫(yī)學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，可達到5～12∶1,，如果有損壓縮問題獲得突破,，就可以解決當前醫(yī)學圖像數據量大帶來的諸多問題。
醫(yī)院是一個社會經濟實體,，主要作用是為病人提供周到的服務,，因此醫(yī)院的所有人、財,、物的配置和使用都要符合管理學的一般規(guī)律,，而PACS系統(tǒng)宗旨就是為醫(yī)院管理服務，所以PACS系統(tǒng)的設計要考慮到管理科學的發(fā)展,。
4 PACS的實現
4.1 與PACS實現相關的主要問題 首先,，實現PACS需要一個與各種不同硬件設備的接口以獲取原始數據，而現在醫(yī)院使用的影像設備如CT,、MRI,、CR、PET等類型復雜,，接口的圖像輸出格式各個公司定義不盡相同,，有的是模擬信號接口；有的是數字信號接口,，有的根本沒有接口,，因此影像數據的獲取將是一個難題。其次,，PACS中的數據以醫(yī)學圖像數據為主,，因此數據量非常大，以一個典型的中型醫(yī)院為例,，一個病人做幾項放射科檢查,，所需數據量大約有500M～2.5G之多，這不但對網絡性能提出了更高的要求,，也對存儲介質提出了更高的要求,。另外設計一個醫(yī)院的PACS系統(tǒng)時，在實現符合標準的前提下，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)可進一步擴展,，界面的設計也要考慮到使用者的專業(yè)習慣。在我國現階段,，實現PACS還要考慮到醫(yī)院的經濟能力,，不能一步就設計一個大范圍的通用PACS，要與醫(yī)院的HIS結合來考慮,。
4.2 系統(tǒng)設計 在設計PACS系統(tǒng)時，考慮到以上幾個方面問題,，我們采用以下的設計思路：
(1)考慮到我國醫(yī)學影像科學發(fā)展的客觀情況以及醫(yī)院的經濟承受能力,，我們的PACS分為三個階段，循序漸進的實現,。第一階段,，首先實現放射科內部的PACS，使醫(yī)院內部的影像完全以數字化圖像方式保存,，實現無膠片化管理,，并且完成PACS的基本功能如查詢、顯示,、圖像格式轉換,、報告生成等，利用數字圖像處理手段,，完成初步的計算機輔助診斷的功能,，對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,，實現醫(yī)院內部的PACS,，實現與醫(yī)院信息系統(tǒng)(hospital information system;HIS)的集成，使醫(yī)院內部的信息共享,，并可以進行科室間的聯合診斷,，實現醫(yī)院管理的現代化。徹底解決查詢實時性的問題,，并將所有的接口都標準化為DICOM格式,；第三階段，采用更先進的計算機網絡作為硬件基礎,，擴展PACS的模塊結構,，實現遠程醫(yī)療和醫(yī)療教學功能。
(2)系統(tǒng)若在一個中型醫(yī)院運行,，成本費用要符合醫(yī)院具體情況,，采用集中式PACS設計和流行的客戶機/服務器的方式實現PACS，這樣系統(tǒng)便于實現和維護,，為提高集中式PACS系統(tǒng)的可靠性,，尤其是服務器的可靠性,，可以采用雙機容錯的方式，也就是采用兩個服務器(Server),，其中一個作為備用服務器,，當工作服務器發(fā)生故障時，另一個備用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)進行擴展,，采用模塊化的設計方法,，完全采用美國放射醫(yī)學學會及聯邦電機制造商協會(ACR/NEMA)1993年通過的DICOM3.0標準，利用特殊的DICOM3.0標準轉換接口,，將所獲取的所有數據都轉換為DICOM格式,，方便了與其它醫(yī)院的共享影像數據。也為將來系統(tǒng)的擴充奠定了基礎,。
(4)在數據庫設計時,，采用大型關系型數據庫，將數據分為圖像段和其他數據段分開考慮,，方便了歸檔操作和數據庫管理工作,。為了真正實現輔助診斷的作用，提供強大的數字圖像處理工具,，例如尖銳化,、窗口化、反置功能,、旋轉,、預置、局部放縮,、多窗口顯示和任意切換功能,，以及圖像增強、濾波等定性手段,，此外為提高診斷質量,，還提供測量任意一點密度值的功能。
5 結束語
上面論述了PACS的基本體系結構和與之相關的學科和技術,，PACS模塊之間的邏輯關系對于實現PACS有很大的影響,。從系統(tǒng)總的設計原則來說就是要實現標準化、模塊化,、可擴展性,、靈活性、實時性的目標，根據醫(yī)院自身的情況,，第一階段我們將要在高性能微機上作出放射科內部的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)與國外同類產品相比有很多優(yōu)點,，首先它有非常豐富的圖像處理功能,，對于醫(yī)生的診斷有很大的幫助。其次為低價位的高性能微機代替價格較高的工作站并且實現了PACS系統(tǒng)的基本功能,，因此性能價格比很高,，尤其適合在我國的中小醫(yī)院推廣。
從國內形式上看,，PACS系統(tǒng)并沒有在各個醫(yī)院廣泛推廣,，資金和技術是兩個主要的問題，目前國內從事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現PACS系統(tǒng)，價格很高,，妨礙PACS系統(tǒng)的在醫(yī)療系統(tǒng)的廣泛推廣和使用,。隨著微機性能的逐步提高和價格的下降，它代替工作站實現PACS系統(tǒng)成為發(fā)展PACS的趨勢,。并且這將有助于我國各個大醫(yī)院廣泛采用PACS系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的膠片方式并進一步促進中國影像科學的發(fā)展,。
對于未來的發(fā)展，有人提出用更簡潔的網絡協議如NETBLTD代替TCP協議,，這樣在底層上解決遠程網絡傳輸的速度問題,。另外還可以采用更大的批量傳輸的方式加快網絡速度，并且隨著千兆以太網和ATM技術的逐步實用化和寬帶ISDN技術的推廣,，醫(yī)學多媒體數據主要是圖像數據的遠程實時傳輸問題會得到解決,。
