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(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)展是與計算機科學(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(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，它的諸多缺點制約了數(shù)字化醫(yī)院實現(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(shù)字化技術(shù)尤其是計算機科學(xué)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(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(shè)備對膠片進行數(shù)字化處理,，生成某種格式的數(shù)字圖像,，利用先進的存儲介質(zhì)保存圖像，并且借助計算機圖像處理技術(shù),，對圖像進行增強變換,、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,，利用計算機先進的存儲方式和強大的圖像壓縮功能以及網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，可以實現(xiàn)醫(yī)院內(nèi)部甚至遠程的醫(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(nèi)部可以使用,，而且在整個醫(yī)院內(nèi)部通過計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)資源共享,，甚至支持遠程對圖像的調(diào)用，另一方面對于已經(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)庫的信息進行歸類和標(biāo)識，利用計算機局域網(wǎng)或遠程網(wǎng)進行醫(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(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隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,，尤其是Internet網(wǎng)性能的進一步提高，也將會有相應(yīng)的產(chǎn)品問世,。
一般來說,，放射科內(nèi)部的PACS系統(tǒng)實現(xiàn)相對容易，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(dāng)前計算機網(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)存儲在主服務(wù)器上，當(dāng)PACS系統(tǒng)的其它客戶端需要進行顯示或查詢時,，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,，它容易實現(xiàn)，管理和維護方便,，但是由于圖像數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)都放置在一個服務(wù)器上,，因此可靠性變得很差，對服務(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),。
近幾年隨著計算機科學(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)采用多點存儲代替一點存儲,，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)的實現(xiàn)和維護困難,，所需經(jīng)濟成本高。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,。各模塊之間的關(guān)系詳見圖2,。
圖像獲取和預(yù)處理模塊主要以直接接口或間接介質(zhì)等方式獲取醫(yī)學(xué)影像設(shè)備產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過壓縮,、格式轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)庫部分模塊提供對數(shù)據(jù)庫的一些基本操作，并對數(shù)據(jù)庫進行維護和管理；醫(yī)學(xué)圖像查詢,、顯示和診斷模塊為醫(yī)師提供對圖像數(shù)據(jù)的實時查詢服務(wù),，對不同設(shè)備的影像數(shù)據(jù)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(xié)調(diào)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(jié)構(gòu)的介紹,，這種模塊化的設(shè)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(xié)調(diào)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(guān)的學(xué)科和技術(shù)
PACS是多學(xué)科交叉發(fā)展的產(chǎn)物，它與計算機科學(xué),、醫(yī)學(xué),、認知心理學(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PACS的影響,。
首先自PACS產(chǎn)生以來就一直受著計算機科學(xué)發(fā)展的影響,，計算機的各種新技術(shù)的不斷出現(xiàn)促進了PACS的功能不斷強大，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,、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(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),。計算機網(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的實現(xiàn)，由于網(wǎng)絡(luò)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(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(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)的進一步智能化提供了理論基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)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(gòu)的原始數(shù)據(jù)有效地轉(zhuǎn)化為有用的知識信息,，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、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)的進步尤其是診斷技術(shù)和方法的發(fā)展對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(xué)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(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)院是一個社會經(jīng)濟實體,，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、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)計要考慮到管理科學(xué)的發(fā)展。
4 PACS的實現(xiàn)
4.1 與PACS實現(xiàn)相關(guān)的主要問題 首先,，實現(xiàn)PACS需要一個與各種不同硬件設(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公司定義不盡相同,，有的是模擬信號接口,；有的是數(shù)字信號接口，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(shù)據(jù)量大約有500M～2.5G之多,，這不但對網(wǎng)絡(luò)性能提出了更高的要求，也對存儲介質(zhì)提出了更高的要求,。另外設(shè)計一個醫(yī)院的PACS系統(tǒng)時,，在實現(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)可進一步擴展,，界面的設(shè)計也要考慮到使用者的專業(yè)習(xí)慣。在我國現(xiàn)階段,，實現(xiàn)PACS還要考慮到醫(yī)院的經(jīng)濟能力,，不能一步就設(shè)計一個大范圍的通用PACS，要與醫(yī)院的HIS結(jié)合來考慮,。
4.2 系統(tǒng)設(shè)計 在設(shè)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(shè)計思路：
(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)濟承受能力,，我們的PACS分為三個階段,，循序漸進的實現(xiàn)。第一階段,，首先實現(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、報告生成等,，利用數(shù)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(xiàn)醫(yī)院內(nèi)部的PACS，實現(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，并可以進行科室間的聯(lián)合診斷,，實現(xiàn)醫(yī)院管理的現(xiàn)代化,。徹底解決查詢實時性的問題，并將所有的接口都標(biāo)準(zhǔn)化為DICOM格式,；第三階段,，采用更先進的計算機網(wǎng)絡(luò)作為硬件基礎(chǔ)，擴展PACS的模塊結(jié)構(gòu),，實現(xiàn)遠程醫(yī)療和醫(yī)療教學(xué)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(shè)計和流行的客戶機/服務(wù)器的方式實現(xiàn)PACS,，這樣系統(tǒng)便于實現(xiàn)和維護，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,，可以采用雙機容錯的方式，也就是采用兩個服務(wù)器(Server),，其中一個作為備用服務(wù)器,，當(dāng)工作服務(wù)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(shè)計方法,，完全采用美國放射醫(yī)學(xué)學(xué)會及聯(lián)邦電機制造商協(xié)會(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)的擴充奠定了基礎(chǔ)。
(4)在數(shù)據(jù)庫設(shè)計時,，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,。為了真正實現(xiàn)輔助診斷的作用,，提供強大的數(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,、濾波等定性手段，此外為提高診斷質(zhì)量,，還提供測量任意一點密度值的功能,。
5 結(jié)束語
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)系對于實現(xiàn)PACS有很大的影響,。從系統(tǒng)總的設(shè)計原則來說就是要實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化,、模塊化、可擴展性,、靈活性,、實時性的目標(biāo)，根據(jù)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(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,，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(xiàn)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(nèi)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(shù)是兩個主要的問題，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現(xiàn)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(xiàn)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(xué)的發(fā)展。
對于未來的發(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)的遠程實時傳輸問題會得到解決。
