ACS概念、技术概况与发展.ppt
参考教材,贾克斌.数字医学图像处理、存档及传输技术 M.北 京：科学出版社，2006年2月第一版.PACS and Imaging Informatics:Basic Principles and Applications.H.K.Huang.Wiley-Liss.PACS:A Guide to the Digital Revolution.Edited by Keith J.Dreyer,Amit Mehta,and James H.Thrall,第一章 PACS概念、技术概况与发展,主要内容,一 PACS基本概念二 PACS 所支持影像模式三 PACS的发展历史,一、医学图像存储与传输系统,PACS：Picture Archiving and Communications System(影像存档及通信系统)：医院中的医学影像管理系统，简称PACS，是使用计算机和网络技术对医学影像进行数字化处理的系统。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。概括起来，主要解决医学影像的采集和数字化，图像的存储和管理，数字化医学图像高速传输,图像的数字化处理和重现，医学图像信息与其它信息集成五个方面的问题。,PACS系统概念,Communication,System,Picture,Archiving,通讯与传输,计算机系统,数字医学影像,获取与存储,PACS,Communication,System,Picture,Archiving,通讯与传输,计算机系统,数字医学影像,获取与存储,PACS,PACS的作用,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。,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。,PACS 直观上的主要功能和应用,用图像服务计算机来管理和保存图像 医生用影像工作站来看片 用 DICOM 3.0 将医院各科室临床主治医师、放射科医师和专科医师以及各种影像、医嘱和诊断报告联成一网。用 Web、email 等现代电子通讯方式来做远程诊断和专家会诊 用专业二维、三维分析软件辅助诊断 用专业医疗影像诊断报告软件,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,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,PACS的种类 着眼于不同的系统目标、应用需求和系统结构可对PACS作如下分类：设备级PACS:纯图像的mini PACS,只包含患者基本信息、设备和位图信息等，尚未满足影像科的数字化工作流程。部门级PACS:连接影像科内所有影像设备，实现科室内数字化影像管理，具有患者信息登录、预约、查询、统计等功能，必须涵盖RIS功能，以放射科室为主，兼顾其它影像科室。全院级PACS:也成为Full PACS,涉及放射科、超声科、内镜室、病理科、导管室、核医学科等相关影像科室，必须和医院HIS系统融合。区域级PACS:医疗机构间共享资源，发展异地诊断和远程会诊。对PACS体系结构、传输、存储特别是安全认证、授权等方面提出了新的挑战。,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,二、PACS 所支持影像模式,PACS所支持影像模式具有多样性灰阶影像：CR/DR、CT 和 MR 超声波（彩色或灰度）：心脏超声波核医学和正电子扫描(PET)视频（如内镜）,医学图像成像,从显微镜到1895年的X线的发明，近100多年的历史证明，医学图像成像技术的每一重大进展都给医学诊断和治疗技术带来极大的改变和发展，医学图像的成像方式也不断增加，而计算机技术和数字图像处理技术的迅速发展和普及，则进一步扩大了医学图像的应用范围。经由计算机的医学图像成像有多种方法，但它们之间的相似之处是先用某种能量通过人体，与人体相互作用后对该能量进行测量，然后用数学的方法估计出该能量与人体组织相互作用（吸收、衰减、核磁扰动等）的二维、三维分布，并产生图像。,PACS所管理的医学图像类别,由于人体生命现象特殊的复杂性和多样性，医学图像涉及从分子到人体（微观到宏观），从结构到功能，从静态到动态等多个领域和方式，目前的各种医学成像设备只能反映人体某一方面的信息，且对人体内大到组织、小到分子原子各有不同的灵敏度和分辨率，因而有着各自的适用范围和局限性。下面介绍几种主要的医学图像。,光的发现者伦琴,X线图像及成像设备,(1)X线图像：利用人体器官和组织对X线的衰减不同，透射的X线的强度也不同这一性质，检测出相应的二维能量分布，并进行可视化转换，从而可获取人体内部结构的图像。,与常规胶片图像的形成过程相比，X线数字成像系统形成数字图像所需的X线剂量较少，能用较低的X线剂量得到清晰图像。可利用计算机图像处理技术对图像进行一系列处理，从而改善图像的清晰度和对比度等性能，挖掘更多的可视化诊断信息。,计算机X线摄影（computed radiography，CR)是X线平片数字化的比较成熟的技术。CR系统是使用可记录并由激光读出X线成像信息的成像板（imaging plate，IP）作为载体，经X线曝光及信息读出处理，形成数字式平片图像。,数字X线摄影(digital radiography，DR）是在X线影像增强器电视系统的基础上，采用模/数转换器将模拟视频信号转换成数字信号后送入计算机系统中进行存储、分析、显示的技术。数字X线摄影包括硒鼓方式、直接数字X线摄影（direct digital radiography，DDR）和电荷藕合器件（charge coupled device，CCD）摄像机阵列方式等。,数字减影血管造影（Digital Subtraction Angiography，DSA）是利用数字图像处理技术中的图像几何运算功能，将造影剂注入前后的数字化X线图像进行相减操作，获得两帧图像的差异部分被造影剂充盈的血管图像。目前DAS有时间减影（temporal subtraction）、能量减影（energy subtraction）、混合减影（hybrid Subtraction）和数字体层摄影减影（digital tomography subtraction）等类型。,(2)X线CT图像（Computerized Tomography，CT）是以测定X射线在人体内的衰减系数为物理基础，采用投影图像重建的数学原理，经过计算机高速运算，求解出衰减系数数值在人体某断面上的二维分布矩阵，然后应用图像处理与显示技术将该二维分布矩阵转变为真实图像的灰度分布，从而实现建立断层图像的现代医学成像技术。概括地说，X线CT图像的本质是衰减系数成像。,与传统的X线检查手段相比，CT具有以下优点：能获得真正的断面图像，具有非常高的密度分辨率，可准确测量各组织的X线吸收衰减值，并通过各种计算进行定量分析。,影像成像图,螺旋CT机是目前世界上最先进的CT设备之一，其扫描速度快，分辨率高，图像质量优。用快速螺旋扫描能在15秒左右检查完一个部位，能发现小于几毫米的病变，如小肝癌、垂体微腺瘤及小动脉瘤等。其功能全面，能进行全身各部检查，可行多种三维成像，如多层面重建、CT血管造影、器官表面重建及仿真肠道、气管、血管内窥镜检查。可进行实时透镜下的CT导引穿刺活检，使用快捷、方便、准确。,医学影像成像操作,磁共振血管造影(Magnetic Resonance Angiography，MRA)的研究也取得了重要进展，利用MRA可以发现血管的疾病，与三维显示技术相结合能够为诊断提供更多的可视化立体信息。,(3)磁共振图像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）系统通过对处在静磁场中的人体施加某种特定频率的射频脉冲，使人体组织中的氢原子受到激励而发生磁共振现象，当中止RF脉冲后，氢原子在驰豫过程中发射出射频信号而成像的。目前MRI成像技术的进一步研究仍主要集中在如何提高成像速度方面。另外，功能性MRI的出现进一步扩大了磁共振影像的临床应用范围。,磁共振波谱分析(Magnetic Resonance Spectroscopy，MRS)亦是MRI技术研究的热门课题，借助MRS技术，有可能在获得病人解剖结构信息的同时又得到功能信息，将MRS与MRI进行图像融合,能够获得更多的有价值的诊断信息。,(4)超声US图像,频率高于20000赫兹的声波称为超声波。超声成像(Ultrasound System,US)就是利用超声波在人体内部传播时组织密度不连续性形成的回波进行成像的技术。依据波束扫描方式和显示技术的不同，超声图像可分为：A型显示、M型显示、断层图像的B型显示和多普勒D型显示等。可能会给医学影像领域带来巨大影响的新的超声成像技术研究，是三维超声成像。三维超声影像具有图像立体感强、可以进行B超图像中无法完成的三维定量测量、能够缩短医生诊断所需的时间等特点，是一种极具发展前景的超声成像技术。,(5)放射性核素图像,放射性核素成像技术是通过将放射性示踪药物引入人体内，使带有放射性核的示踪原子进入要成像的组织，然后测量放射性核素在人体内的分布来成像的一种技术。放射性核素成像技术能够反映人体内的生理生化过程，能够反映器官和组织的功能状态，可显示动态图像，是一种基本无损伤的诊断方法。按照放射性核素种类的不同，放射性核素图像可以分为单光子发射成像(Single Photon Emission Tomography，SPECT)和正电子发射成像(Positron Emission Tomography，PET)。因为SPECT和PET都是对从病人体内发射的射线成像，所以统称为ECT。,(5)放射性核素图像,(6)医用红外图像,人体是天然热辐射源，利用红外线探测器检测人体热源深度及热辐射值，并将其转变为电信号，送入计算机进行成像。红外图像用来诊断与温度有关的疾病。系统根据正常异常组织区域的热辐射差，得出细胞新陈代谢相对强度分布图，即功能影像图，用于对浅表部位肿瘤、乳腺癌及皮肤伤痛等疾病的诊断。,(7)内窥镜图像,内窥镜是一种直接插入人体的腔管内进行实时观察表面形态的光学诊断装置。光纤内窥镜使用的纤维束有两种，一种是传递光源以照明视场的导光束；另一种是回传图像的传像束。电子内窥镜的发明为内窥镜影像的临床应用提供了一种新的技术，具有轮廓清晰、可以定量测量等特点，三维立体内窥镜系统还可产生逼真的立体图像。,(8)显微图像,显微图像一般是指利用显微镜光学系统获得的关于细胞、组织切片的二维影像。目前处理和分析显微图像的主要工具是图像分析仪，它应用数字图像处理技术、计算机技术和形态计量学方法，实现对细胞、组织的定量分析，并可进行三维重组和动态显示。,(9)T射线成像,科学界正在开垦电磁光谱领域最后的一块处女地。一种强大的成像新技术将以兆赫兹辐射为基础，在安全、医学等领域发挥广泛的应用。T射线能穿透衣服，不仅能发现隐藏的武器和炸药，还能区分癌细胞和健康细胞。“正如100年前发现了X射线一样，科学界正在探索T射线许多新的用途，前景十分令人振奋，”剑桥大学物理学教授迈克尔佩珀(Michael Pepper)说。由于T射线对癌和其它疾病的含水量及化学标志相当敏感，因此T射线能在病体细胞和健康细胞间形成鲜明的对比。T射线并不像X射线那么容易穿透人的身体，所以，迄今为止，T射线医药应用上的研究还停留在表皮附近的组织。要将T射线应用在人体内部的医学成像上，研究人员必须开发出一种内窥镜T射线源和检测器。,医学影像成像设备,医学影像设备一般比较庞大，必须通过PACS进行分布式管理效率才可能提高。,（一）PACS发展历史背景回顾,1970 年代开始有了 Digital Radiography 这个名词。CT、超声波与核医学等数字医学影像模式在1970 代问世。1980 年代出现了核磁共振(MRI)、CR 和数字减影(DSA)。1980 大家有了 Digital Image Communication and Display(数字影像传输与显示)这个概念。1982 年开了第一届国际 PACS 研讨会。,三、PACS的发展历史,1983 年美国陆军开始了一个 teleradiology（远程放射诊断系统）项目。1985 年美国陆军开研制功 DIN-PACS。1985 年华盛顿大学西雅图分校 University of Washington(Seattle,WA)和Georgetown 大学(Washington DC)开始 PACS 研究。DICOM 3.0 标准在1993 年定形，为PACS的商业化奠定基础。1995 年第一代商业 PACS 产品问世,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）,（二）PACS技术发展历史,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(Digital Imaging Communications in Medicine)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。,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。,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。,
