医学图像诊断在现代医疗活动中占有极为重要的地位。随着可视化技术的不断发展, 网络经济席卷全球, 现代医学已越来越离不开医学图像的信息, 医学图像在临床诊断、教学科研等方面正发挥着极其重要的作用。数字医学已跨入新世纪信息化管理高速发展阶段。PACS打破传统模式和时空限制, 以医疗信息资源的高度有秩序共享, 提高了医疗诊断水平与效率, 代表着新时代医疗服务质量, 开创了医学影像诊断与管理的新纪元。

1 PACS的应用与发展

PACS的中文概念为医学影像存储与传输系统(Picture Archiving and Communication System), 提出于上世纪80年代初, 建立PACS的设想主要是由两个主要因素引发的。一是数字化影像设备, 如DR、CR、CT、MR设备等广泛的应用医疗中使得医学影像能够直接从检查设备中获取; 另一是计算机的发展, 使得大容量数字信息的存储、通讯和显示都能够实现。在上世纪80年代初期和中期, 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的研究阶段, 逐步转向为医疗服务, 如临床信息系统、医学影像工作站等方面。在欧洲、日本和美国等相继建立起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。PACS是医学信息系统的一个重要组成部分, 是使用计算机和网络技术对医学影像实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, 主要解决医学影像采集和数字化图像存储、管理和高速传输。

1.1 对PACS应用的需求

随着现代医学的发展, 医院的诊疗工作越来越多依赖医学影像的检查(X射线、CR、DR、CT、MR、超声、窥镜、血管造影等)。传统的医学影像管理方法(胶片、图片、资料)大量日积月累、年复一年存储保管, 堆积如山, 给查找和调阅带来诸多困难, 丢失照片和资料时有发生。已无法适应现代医院中对如此大量和大范围医学影像的管理要求。采用数字化影像管理方法来解决这些问题已经得到公认。随着计算机和通讯技术发展, 为数字化影像和传输奠定基础。目前国内众多医院已完成医院信息化管理, 其影像设备逐渐更新为数字化, 已具备了联网和实施PACS的基本条件, 实现彻底无胶片放射科和数字化医院, 已经成为现代化医疗不可阻挡的潮流。

1.2 PACS的发展

PACS实施的技术关键在于医学影像数字化和医学图像通讯标准化(DICOM3.0)。PACS的构建是一项系统工程, 对医院需求进行科学分析和规划, 评估未来医院发展应预留空间策划, 才有可能设计出一套切实合理的PACS解决方案。在确定PACS发展模式时, 应根据实际情况制定总体规划, 循序渐进、分步实施、遵循DICOM3.0标准, 采用模块化结构去建设PACS。

(1) 建立小规模PACS(mini-PACS)。应用DICOM3.0标准为设备接口, 将数字化成像的医学影像设备连接入网, 实现医学影像部门放射学科信息资源共享。实现无胶片化管理。

(2) PACS通过医院局域网络实现供临床科室浏览(阅读)医学图像。

(3) PACS(DICOM3.0标准)建立医学影像信息库, 并通过高速网络传输, 实现医学影像中心和各个影像部门、医疗科室在网上共享, 高品质影像输出设备和影像信息资源, 进行医学影像会诊、教学、远程医疗和科研交流活动。

(4) PACS与RIS^[1]/HIS相结合, 提供面向医院和社会高品质医疗信息服务。在总体规划下结合实际, 采用模块化结构, 循序渐进去建设PACS及探讨PACS发展模式和实施策略。只有符合国情又符合国际标准, 不断自我完善, 才能使PACS满足医院需求、实用、稳定、未来性, 高效而低成本充分展示数字医学的优势, 对现代医疗技术发展和医院信息系统建设起到重大的推动作用。

2 实施PACS系统要解决的关键问题

PACS系统的概念已从原来将数字化的医学影像通过网络传送到连接在网络上的影像显示工作站上作一般显示和进行数字化存储, 发展成为以数字化诊断(无纸化、无胶片化)为核心的整个影像管理过程, 包括:数字影像采集、数字化诊断工作站、影像会诊中心、网络影像打印管理、网络影像存储、网络影像分发系统和网络影像显示计算机、网络综合布线和数据交换系统等。

PACS系统将医学影像设备资源和人力资源进行更合理和有效的配置, 通过计算机对影像进行数字化获取、处理、存储、调阅、检索, 使影像科室医生可以为病人提供更快和更好的服务; 临床医生通过网络快速调阅病人图像及诊断报告, 实现图像资源最大化共享。

以数字化诊断为核心的PACS系统可以节约胶片使用量, 节省胶片存储成本; 对影像科室进行科学的管理, 提高影像诊断水平和影像科室工作效率。而这种真正意义上的PACS系统必须要解决所有影像接口问题、系统的工作流程问题、与医院信息系统的融合问题以及可视化问题、压缩技术问题等。

2.1 所有影像接口问题

解决影像接口问题要考虑几方面的因素:纳入PACS系统的影像最终要符合DICOM标准^[2]; 影像的清晰度能满足PACS系统的诊断要求; DICOM重建过程要简洁, 不应给影像科医生带来太多额外工作负担; 解决影像接口的成本在适当的范围内。国内医院的影像设备有许多非DI- COM设备, 购买或升级成DICOM接口的费用很大。这就要求各PACS厂家针对不同的接口类型, 采取不同的接口技术, 解决诊断影像的获取。非DICOM设备分为模拟设备和非DICOM数字设备。

对于模拟设备一般采用视频采集技术, 视频采集包括标准视频的采集、非标准视频的采集; 包括彩色视频的采集、灰度图像的采集; 包括分量信号的采集、复合信号的采集等。许多PACS厂家采用视频压缩卡采集图像, 采集技术本身就有信息丢失, 应该尽量使信息丢失为最小, 而后再根据影像的用途, 在存储和传输时考虑压缩的问题。

非DICOM数字接口设备可分为有网络接口和无网络接口设备。PACS公司要研究众多厂商的协议, 例如东芝协议、INTERFILE协议等, 在系统级上要有一整套的解决方案, 可用不同的通讯方式, 获得设备的影像数据并解析成DICOM标准; 可在无网络的设备中加入网卡以实现通讯的目的从而获取影像, 可以专门定制一些硬件来实现设备于工作站的通讯等。

基于激光相机的PACS系统的研究及相关技术也是我们解决设备接口问题的一种方法; 另外DICOM光盘的读取也是解决数据获取的很有效的手段之一。

2.2 系统的工作流程问题

在设计PACS系统的工作流程时, 要注重原有的影像工作特征, 但提供的应是全新的数字化诊断工作模式, 要保证影像的传输速度和传输质量, 要能提高影像诊断的效率, 满足影像科室和临床科室全方位的需求。在系统设计时, 许多关键技术都要很好地应用, 才能保证PACS系统是真正可用的系统、方便灵活的系统、高效的系统。在影像诊断工作站的设计上, 除了病人的影像资料外, 病人的其他信息也能方便地获得, 诊断的过程和报告的书写要快速、便捷。

在PACS服务器系统的设计上, 要支持群集, 支持服务器的分级管理机制; 要实现不同系统之间的互联和数据交换; 要支持并发事件的处理并对网络流量实行控制。在通讯系统的设计上, 影像的分发和调度技术、自动路由和预取技术、查询技术等是保证通讯顺畅的重要手段。在系统内部的通讯协议方面, 不一定要采用DICOM, 而应采用一种效率更高的通讯协议。

在存储、归档方面, 设计在线、近线、离线存储; 根据影像的使用频率等设计存储、归档策略; 要区分存储、归档、备份的概念和相互之间的关系。

2.3 融合问题^[3]

ACS和HIS/RIS、LIS等信息系统之间的数据融合(DataFusion)是PACS系统要解决的首要问题。国内的信息系统没有统一的标准, 也没有采用HL7。许多系统对于PACS厂家是未知, 或者不提供数据交换的接口。现在采用的融合技术一般为数据库级的融合技术、中间件的融合技术。

设计PACS系统时, HL7网关是必要的。国内的信息系统正在逐步向HL7靠拢, 卫生部门正在制定HL7 FORCHINA的标准, 另外国外的HL7标准的信息系统也开始进入国内。同时, PACS系统的市场不光瞄准国内, 更要有国际竞争力, HL7网关尤为重要。

融合的目标是影像科室医生在诊断工作站书写影像诊断报告时, 可自动获取HIS中病人相关信息, 包括检查信息、病历、医嘱、检验结果等; 影像诊断报告在HIS医生工作站中能够直接调阅; 医生工作站直接调阅病人影像信息, 无须退出系统或从其他途径进入; PACS系统在授权的情况下可通过申请单、调度表等自动发送影像及相关信息, 科室调阅病人的在线静态影像不超过3s, 调阅病人近线静态影像不超过3min; 临床医生在发出申请后, 可自动将病人的历史影像传送到本地, 供临床参考比较; 影像及相关信息共同组成病人的电子病历。

2.4 可视化问题

PACS仍在不断发展和完善, 应用范围仍在不断扩展。医学影像的计算机可视化技术的研究是PACS系统广泛应用的前提。PACS系统作为提供给全院影像科室、临床科室乃至全医院的应用系统, 影像的质量、影像的诊断手段是关键的问题。

从物理的角度, 根据影像的用途选择显示器和显示卡, 要充分考虑空间分辨率、亮度范围、刷新频率等物理特性。同时理想的LUT(Look-Up Table, LUT)也至关重要。ACR-NEMA DICOM标准为放射学应用推荐了一个LUT。但不同类型的图像应该使用其他的LUT效果会更好。影像质量的控制至关重要。

从计算机技术角度, 图像后处理功能的开发和应用影像到整个影像诊断过程。常规的影像处理是必须的, 如反相、翻转、调窗、漫游、缩放、旋转、影像冻结、数字减影、标注、划线、距离及角度测量、面积测量、伪彩色等。专业的脱机测量(OFFLINE)工具也是必要的, 如在超声诊断中, 提供医生超声设备的所有测量工具, 并提供一些超声影像的研究方法等。三维重建技术的使用更利于临床诊断, 三维重建方法有Marching Cubes、最大强度投影(MIP)、基于表面的三维显示、基于体绘制的三维显示、内表面绘制的虚拟内窥镜等方法, 这些方法在医学影像领域有着广泛的应用前景。

2.5 压缩技术问题

PACS系统是一个实物系统, 它涉及计算机及其网络技术、通信技术和电子系统、图像处理和可视化技术, 它需解决数据传输和图像存储问题:如何利用有限的存储空间存储更多的图像, 如何利用有限的比特率传输更多的图像。在多媒体技术中, 视频、音频数据的压缩和解压缩是最关键的技术之一。由于PACS本身是一种专用的计算机网络, 对其中的信息流进行压缩是提高PACS效率的重要途径, 因此在ACR-NEMA标准的第二版中, 就已加入了图像压缩的标准, 它包括压缩、量化和编码三个部分。目前公认的图像压缩标准有JPEG(joint photographic expert group, 联合图片专家组)和MPEG(moving picture expert group, 运动图像专家组), 它们分别适用于静止图像和运动图像的压缩编码。医学图像大多为静止图像, 应根据JPEG标准实施压缩。JPEG不仅可以压缩数字X射线图像, 而且适用于CT、MRI、DSA及超声等一切灰度图像及真彩色图像的压缩。JPEG的另一特点是它极易应用于PACS。在PACS中医学图像压缩方法及软件的实现^[4], 要考虑编码速度、压缩效果、压缩效率、图像信噪比等因素。图像压缩包括有损压缩(Lossy)、无损压缩(Lossless)等, 编码、解码时间一般小于2s, 压缩效率一般在5 ~ 6倍, 压缩效果使图像质量不影响诊断。

医学图像诊断在现代医疗活动中占有极为重要的地位。随着可视化技术的不断发展, 网络经济席卷全球, 现代医学已越来越离不开医学图像的信息, 医学图像在临床诊断、教学科研等方面正发挥着极其重要的作用。而PACS是解决医院这种需求的软件系统, 建设好一个适合本院的PACS系统是数字化医院的必经之路, 但也不是一朝一夕就能完成的事情, 所以在建设PACS的时候, 院方要从全方位考察, 避免出现人力物力方面的浪费。