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第九章PACS系统图像存档及通信系统,1,第九章PACS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。本节将介绍 PACS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。本节还将介绍 PACS的关键技术及PACS系统结构与功能。,2,知识点介绍图像存档与通信系统，Picture Archivi,第一节 PACS概念及目标,3,第一节 PACS概念及目标3,PACS的定义PACS(Picture Archiving and Communication Systems)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、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资源。,第一节 PACS概念及目标,4,PACS的定义PACS(Picture Archiving,PACS与医院信息系统,PACS与临床信息系统（Clinical Information System, CIS）、放射学信息系统(Radiology Information System, RIS)、医院信息系统(Hospital Information System, HIS)、实验室信息系统（Laboratory Information System, LIS）同属医院信息系统。,5,PACS与医院信息系统PACS与临床信息系统（Clinica,PACS作用,主要任务就是把产生的各种医学影像（包括核磁，CT，超声，各种X光机，各种红外仪、显微仪等设备产生的图像）通过各种接口（DICOM，网络）以数字化的方式海量保存起来，当需要的时候在一定的授权下能够很快的调回使用，同时增加一些辅助诊断管理功能。它在各种影像设备间传输数据和组织存储数据具有重要作用。,6,PACS作用 主要任务就是把产生的各种医学影像（包括核磁,PACS的功能,PACS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，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、传递不便，历史图像检索困难。PACS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、磁带、光盘上，占地小，成本低，保存时间长。,7,PACS的功能 PACS系统是利用计算机,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。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。,8,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,PACS的发展历史及当前的发展状况,从PACS的技术发展来看，可分为三个阶段第一阶段（80年代中期-90年代中期）第二阶段（90年代中期-上世纪末）第三阶段（上世纪末-现在）,9,PACS的发展历史及当前的发展状况从PACS的技术发展来看，,第一阶段（80年代中期-90年代中期）,计算机自身性能有限，CPU主频仅几十兆，内存只有64兆字节，而且价格昂贵。研究主要集中在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，DICOM标准开始出现。这一时期的PACS系统以单机为主，速度慢，功能单一，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软拷贝代替胶片。PACS显然不能满足临床的需要。,10,第一阶段（80年代中期-90年代中期）计算机自身性能有限，C,第二阶段（90年代中期-上世纪末）,计算机技术、网络技术的发展，特别是PC机性能的大大提高，使PACS用户终端的速度和功能加强了。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，PACS的诊断价值开始得到临床的认可。应诊断报告和信息保存的要求，RIS系统出现。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、诊断等等的步骤中PACS如何与RIS沟通，提高工作效率。,11,第二阶段（90年代中期-上世纪末）计算机技术、网络技术的发展,第三阶段（上世纪末-现在）,DICOM标准被广泛接受，PACS、RIS开始与HIS全面整合，PACS被用于远程诊断。显示质量控制软件技术的进一步发展，新的显示设备的出现，淡化了温度、寿命对显示器显示质量的影响。PACS系统中引进临床专用软件，以利于辅助诊断和治疗。无胶片化的进程，促使人们开始研究PACS系统的安全性。,12,第三阶段（上世纪末-现在）DICOM标准被广泛接受，PACS,PACS 建设目标,为医学影像管理服务为临床诊断服务为远程医疗服务,13,PACS 建设目标为医学影像管理服务13,PACS的相关标准,、DICOM标准：医学数字成像和通信标准。 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，无统一标准并相互保密。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。,14,PACS的相关标准 、DICOM标准：医学数字成像和通,医学数字成像和通信标准(Digital Imaging and Communication in Medicine，DICOM)是由美国放射学院（American College of Radiology ，ACR） 和美国国家电器制造学会（National Electrical Manufacturers Association ，NEMA）组成的联合委员会，于1982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。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PACS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问。,15,医学数字成像和通信标准(Digital Imaging an,该标准于1985年公布1.0版（ACR-NEMA V1.0）,1988年公布2.0版（ACR-NEMA V2.0），1989年因增加与HIS/RIS联接的内容而改名为DICOM。随着技术和应用的发展，DICOM标准也在不断扩充和更新，现在已公布的DICOM3.0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OSI (Open System InterConnection)以及TCP/IP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、病理等其他图像。HIS:Hospital Information System（医院信息管理系统，简称HIS）; LIS是laboratory information system(实验室信息系统的简称。),16,该标准于1985年公布1.0版（ACR-NEMA V1.0）,DICOM 标准内容,第1部分 给出了标准的设计原则。第2部分 介绍了DICOM标准的一致性概念。第3部分 描述了信息对象的定义方法。第4部分 服务类的说明。第5部分 数据结构及语意。第6部分 数据字典。第7部分 消息(message)交换。第8部分 消息交换的网络通讯支持。第9部分 说明DICOM如何支持点对点消息通信的服务和协议。第10、11、12部分 定义了DICOM文件的存储方式。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。,17,DICOM 标准内容第1部分 给出了标准的设计原则。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信方面的信息对象提供了抽象的定义。,18,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,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4部分 服务类的说明。服务类可简单地理解为DICOM提供,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7部分 消息(message)交换。消息是两个符合DIC,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系统以DICOM标准为基础，才能具有更好的开放性和扩展性。,21,第10、11、12部分 定义了DICOM文件的存储方式，包,PACS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、图像采集计算机、PACS控制器(包括数据库和存档管理)、以及图像显示工作站。下图为PACS系统的组成及数据流。,第二节 PACS的组成及功能,22,PACS系统在物理结构上采用各种网络将,PACS示意图,23,PACS示意图23,PACS系统的组成,图像获取数据库管理在线存储离线归档图像显示及处理与外部信息系统的接口胶片打印高速局域网络支持远程数据传输的广域网络,24,PACS系统的组成图像获取24,PACS系统的组成,25,PACS系统的组成25,PACS结构,路由器,因特网,26,PACS结构视频采集B超图像采集X光机显示数据库千兆以太网内,PACS结构,27,PACS结构27,数据和图像的获取 图像采集工作站主要任务包括: 从成像设备获取图像数据，将图像数据转换成PACS标准的格式，并将其送往PACS控制器。 临床医学图像包括静止图像和运动图像。静止图像可以分为三类:符合DICOM3.0的数字数据; 可以直接与采集计算机相连。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。动态医学图像(如超声心动图和血管造影)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。非数字数据(如胶片、视频图像等)：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，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。,28,数据和图像的获取28,图像处理图像预处理图像压缩 图像数据压缩技术包括有损和无损压缩。 1) 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：在压缩过程中不会丢失重要信息，但压缩比小，一般在2-3倍之间。 2)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10-50倍或更高。,29,图像处理29,网络系统 数字通信网络设计中要考虑以下五个因素: 通信速度、通信标准、容错性、安全性以及网络建设和维护费用。 主要有以下三类: (1) 低速(=155Mb/s)异步传输模式(ATM)。,30,网络系统30,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PACS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时间。 PACS存档系统是PACS系统的核心，主要由四部分构成: 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，最后送到指定的显示工作站。,31,图像存储管理系统 31,一家医院一天的图像数据总量至少几个G，医疗资料安全长期保存的要求使PACS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，PACS系统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。 SCSI磁盘或磁盘阵列存取速度快，但目前容量有限（数百个G），用于存储在线图像。 近线图像多采用光盘库、磁带库、NAS和SAN。网络接入存储（Network-Attached Storage，简称NAS）和存储区域网络（Storage Area Network，简称SAN）,32,一家医院一天的图像数据总量至少几个G,CD-R,DVD-R,33,CD-RDVD-R33,磁盘阵列,34,磁盘阵列34,显示工作站 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CRT监视器，根据每屏的扫描线数，可将显示器分成512显示器、1K显示器、2K显示器几种，其扫描线分别为512线、1024线和2048线。(1)诊断工作站 (2.5k2k); (2)回顾工作站 (1k1k);(3)图像分析工作站; (4)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病案，也可以从PACS数据库获取历史图像。,35,显示工作站35,医用显示器,36,医用显示器36,目前，显示工作站一般都具备数字图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: 图像勾边(Outling)、边界检测(Boundary Detection)、去模糊(Deblurring)、消除噪声(Noise Cleaning)滤波(Filtering)。,37,目前，显示工作站一般都具备数字图像管理和图像处理功能,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: 缩放和移动(Zoom and Scroll)，窗口和灰阶(Window and Level)调整，直方图修正(Histogram Modification)，图像反转(Image Reverse)及距离、面积和平均灰度测量(Distance，Area，and Average Gray Level Measurements)等。,38,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,显示工作站,39,显示工作站39,40,40,41,41,42,42,43,43,PACS的效益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。方便医、教、研，提高诊断效率和诊断水平简化就医流程实现医学影像无损采集和传输，提高远程会诊质量,第三节 PACS的效益和实施基本条件,44,PACS的效益第三节 PACS的效益和实施基本条件44,实施PACS系统的基本条件影像设备条件信息系统条件技术条件经费条件,第三节 PACS的效益和实施基本条件,45,实施PACS系统的基本条件第三节 PACS的效益和实施基本条,PACS拓扑实例,46,PACS拓扑实例46,PACS拓扑实例,47,PACS拓扑实例47,PACS拓扑实例,48,PACS拓扑实例48,(1) 提高系统互连性: 如采用ACR-NEMA/DICOM标准; (2) 提高整个系统的智能化和协同处理能力: 通用信息处理模型研究;(3) 医学信息库: 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、分布式计算及图像和记录的真实性验证等; (4) 提高系统负载: 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;(5) 简化系统维护: 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;(6) 提高系统可靠性: 研究中心系统监视和恢复软件;(7) 提高临床可操作性: 临床质量控制。,第四节PACS发展趋势,49,(1) 提高系统互连性: 如采用ACR-NEMA/DICO,