MedicalImage16医学图像存档、读取与通信.ppt

1,医学图像处理,信自学院生医系,2,8.2 医学图像存档、读取与通信,8.2.1 PACS系统 8.2.2 DICOM标准,3,PACS系统,医学影像存档与通信系统(Picture Archiving and Communication Systems，PACS)将计算机技术和网络技术应用于医学图像储存和通信。,4,8.2.1 PACS系统 1、PACS概述,PACS的起源现代化医院信息的分类用一维数据表达的信息 用二维及二维以上数据（主要是图像）表达的信息。医院信息管理系统（HIS）属于对第一类数据的操作，承担对一维数据或图形的存储、传送与管理。,5,8.2.1 PACS系统 1、PACS概述,PACS的定义PACS Picture Archiving and Communication System图像存档及通信系统把从不同地点各成像装置（如传统的X射线摄影装置、核医学成像装置、CT、MRI、B超、数字放射摄影装置等）产生的图像经数字化（如原来是胶片等模拟图像）后，通过计算机网络送至中央数据管理系统（含数据库），再经计算机网络送至不同的显示工作站，供放射科医生、病房医生及其他医务人员调用。,6,8.2.1 PACS系统 1、PACS概述,PACS的背景 70年代初CT出现到80年代初磁共振成像装置推向临床，标志着现代医学成像技术日趋成熟。医学成像工作者面临的主要任务，已由成像技术本身的提高转向如何管理并充分利用急剧增加的医学图像数据。,7,8.2.1 PACS系统 1、PACS概述,PACS的背景PACS这一术语最初出现于1981年夏，由迈阿密大学医学院Duerinckx提出。为了强调管理，80年代中期出现了图像管理与通信（IMACImage Management and Communication）以及图像管理与通信系统（IMACSImage Management and Communication System）。90年代初又引入了综合诊断系统（IDSIntegrated Diagnosis System），这一概念强调了最终用户的重要性，将PACS由纯粹的工程实验研究转向强调临床实用需求。PACS、IMAC(S)和IDS等3个概念实际上代表了PACS系统发展的3个阶段。,8,8.2.1 PACS系统 1、PACS概述,几类图像的数据量 CT：51251212（bit）B超：5125128（bit）MRI：25625612（bit）DSA：5125128（bit）或102410248（bit）核医学：12812812（bit）数字化X线胶片：2000250012（bit）。,9,8.2.1 PACS系统 1、PACS概述,胶片存储的缺点借还费时。据统计，在住院的头34天内要借还10次左右，其余的住院时间内平均借还4次，出院的第一年内尚要借还3次。对于教学医院，胶片的借还更是频繁。这样不仅浪费了大量时间、人力、而且多次借还还容易造成混乱和丢失。据统计，无法找到的胶片约占胶片总数的10。一张胶片只能供一人借用，不能多人同时共享。通常由放射科医生负责放射科的事务，他们总希望将胶片集中在放射科，而临床医生则希望把胶片分散在病房或急诊室里，特别是放在危重病房里，整形外科医师更希望胶片放在唾手可得之处，以便更好地了解骨折情况。,10,8.2.1 PACS系统 1、PACS概述,胶片存储的缺点不能进行动态观察，即不能像CT显示器那样设置窗口与窗位以提高密度分辨率。不易对同一成像设备在不同时间所形成的像作前后比较，以便了解疾病的发展过程；也不易对同一病人用不同装置所成的像作横向比较，以便获得更多的信息。,11,8.2.1 PACS系统 1、PACS概述,胶片数字化必要性数字图像除便于存储外，可在瞬间进行任意复制，并在短时间内传送至远方多个站点以供共享。借助数字图像可充分发挥计算机图像处理的功能，如增强、分析、三维重建以及模式识别等。计算机技术与微电子技术的发展使PACS的引入成为可能。这些技术体现在：海量存储器件如光盘（包括可擦磁光盘及WORM）大量生产，使价格下降；计算机局域网技术成熟，网络速度提高；图像数据库技术成熟；高分辨率监视器问世。,12,8.2.1 PACS系统 2、PACS系统组成,医学图像存档及通信系统的组成,13,8.2.1 PACS系统 2、PACS系统组成,PACS的基本模块,14,8.2.1 PACS系统 2、PACS系统组成,采集计算机的引入许多成像设备制造商并不遵循美国放射学会/国家电气制造商协会（ACRNEMAAmerican College of Radiology/National Electrical Manufacturers Association）和医学数字成像和通信（DICOMDigital Imaging and Communications in Medicine）标准。一般成像设备按封闭体系设计，相互间不能直接通信，也不能直接入网，而需用采集计算机将成像系统与PACS的其他部分隔离。,15,8.2.1 PACS系统 2、PACS系统组成,采集计算机的功能从成像设备采集图像数据；将不同成像设备制造商各种规格的数据转换成符合ACRNEMA或DICOM的PACS标准格式（数据头格式、字节顺序、矩阵尺寸等）；将图像传送给PACS控制器。,16,8.2.1 PACS系统 2、PACS系统组成,PACS控制器来自成像设备的检查数据、病人信息等，经由采集计算机、HIS及RIS（放射科信息系统）汇集到PACS控制器。PACS控制器是整个系统的核心，包括数据库服务器和存档系统两部分。数据库服务器用来管理、存储病人的基本信息。存档系统包括图像存档服务器、图像数据库系统、光盘库及通信网络,17,8.2.1 PACS系统 2、PACS系统组成,数据库服务器,18,8.2.1 PACS系统 2、PACS系统组成,存档系统及PACS网,19,8.2.1 PACS系统 2、PACS系统组成,存档服务器的主要功能图像接收：从不同成像装置获得的图像，先由采集计算机转换成DICOM数据格式，然后以客户/服务器方式通过以太网或ATM(异步转移模式)传送给存档服务器。图像暂存：从不同的采集计算机送到存档服务器的图像先存放在存档服务器的本地磁盘上。存档服务器在其10GB30GB的磁盘上保存尽量多的图像，并按“时效准则”进行管理。例如，病人在住院期间，所有图像均保存在存档服务器的磁盘上，这是因为磁盘速度快，放射科医生和病房医生在不同的显示工作站上可很快检索到图像，病人出院或转院后再将这些图像转存至光盘上。,20,8.2.1 PACS系统 2、PACS系统组成,存档服务器的主要功能图像发送：到达存档服务器的图像被立即发送到目的显示工作站，发送过程由预定的发送表驱动。所有图像按检查类型（胸片头部CT等）分类，这些类型由RIS规定。目的显示工作站可以按地点分类，也可以按显示分辨率分类。如何通过以太网和ATM将图像传送到10001000像素或20002000像素工作站。图像存档：如前所示，从采集工作站向存档工作站传送的图像，先在服务器磁盘上临时存储。如要进行比较长期的存储，则将它复制到可擦写光盘上。一旦复制完成，存档服务器将对相应的采集计算机发出一个应答信号，允许该采集计算机的本地存储器删除这一图像，腾出存储空间。因此，在复制到光盘以前总有两个拷贝图像存储在位于不同地点的两个磁盘系统上。,21,8.2.1 PACS系统 2、PACS系统组成,存档服务器的主要功能分项检查编组：病人住院期间可以在不日期作不同的检查，每一次检查又由几个分项检查组成，在病人出院或转院后，这些分项检查所得的图像从可擦光盘上取出编组，一个接一个复制到同一张WORM光盘上，或复制到紧靠的WORM上，作为永久存储。一旦完成永久存档，即可将可擦光盘上的相应图像删除。,22,8.2.1 PACS系统 2、PACS系统组成,存档服务器的主要功能盘片管理：这是为了解决当病人出院后下次再来就诊时如何在WORM上预留存储空间的问题。为了减少为病人预留的盘片存储空间，存储管理软件应允许PACS存档进程将几张光盘在逻辑上编为一册。与RIS、HIS的接口：当病人要到放射科检查或当放射科病人入院、出院或转院时，HIS/RIS系统就将病人住院、出院、转院信息即ADT（Addmission Discharge Transfer）信息传送到PACS。此时存档服务器开始启动“预取”、“分项检查编组”、“盘片管理”等过程。,23,8.2.1 PACS系统 3、PACS的设计原则,标准化可连接性开放式体系可靠性安全性,24,8.2.1 PACS系统 3、PACS的设计原则,PACS系统标准化 PACS设计的首要原则是尽量采用现有的工业标准TCP/IP,DICOM通信协议符合ACRNEMA及DICOM标准的图像数据格式HL7医院数据交换协议遵循统一的标准后系统就易于扩展、维护、软件易于调试。,25,8.2.2 DICOM标准1、DICOM概述,DICOM标准的历史第1个版本ACRNEMA Version 1.0于1985年发布；第2个版本ACRNEMA Version 2.0于1988年发布；第3个版本DICOM 3.0是ACRNEMA的扩展，它由ACRNEMA的联合委员会制订，世界上其他一些标准化组织也参予制订。,26,8.2.2 DICOM标准1、DICOM概述,DICOM标准的目的标准不仅支持医学放射图像，实际上面向所有医学图像，并涉及HIS/RIS的行政管理和其他实验数据。该标准是医学信息领域的重要标准。制定DICOM标准的主要目的是促进不同医学成像设备间的互操作性。,27,8.2.2 DICOM标准1、DICOM概述,DICOM 标准的内容符合DICOM标准的仪器所必须遵循的一套协议；利用上述协议能在仪器设备间交换的命令以及相关的信息的语法和语义；一台符合标准的设备必须提供的信息。,28,目前DICOM 3.0标准由16个相关却又相对独立的部分组成,29,8.2.2 DICOM标准1、DICOM概述,DICOM标准并未给出对于要求符合标准的设备实现标准中任何特性的细节物体，也没有规定对一个由许多符合DICOM标准的设备一起实现的系统所期望达到的整体特效和功能，更没有给出用来评价仪器是否符合DICOM标准所需的测试/确认方法。,30,8.2.2 DICOM标准2、ACR-NEMA 300标准,ACR-NEMA 300标准的历史美国放射设备的用户美国放射协会（ACR）和设备制造商有关组织电气制造商协会（NEMA）于1983年联合成立了一个联合委员会，开发数字成像与通信标准ACR-NEMA 300。联合委员会于1985年、1988年先后推出了ACR-NEMA 30085，ACR-NEMA 30088两个版本（俗称ACR-NEMA 1.0和ACR-NEMA 2.0，统称ACR-NEMA），并于1993年推出NEMA PS3医学数字成像与通信（DICOM）标准，简称DICOM 3.0。,31,8.2.2 DICOM标准2、ACR-NEMA 300标准,ACR-NEMA 300的宗旨促进数字图像信息间的通信，而不论提供这些信息的设备由何厂制造，也不论信息以何种数据格式表达；便于进一步开发和扩展PACS，使其与医院中其他信息系统连接；建立一个诊断信息数据库，让发布在各地的各种设备访问共享。,32,8.2.2 DICOM标准2、ACR-NEMA 300标准,ACR-NEMA标准规定的内容硬件接口，包括物理层的电气规范、信号的电气特性、插座插脚定义、插座机械尺寸、信号定时规范；最少软件命令组；成像设备与网络接口单元（NIU）间或两成像设备间通信的统一的数据格式集。,33,8.2.2 DICOM标准2、ACR-NEMA 300标准,为了实现不同医疗设备之间的互联，医学图像通信标准定义了基于ISO/OSI和TCP/IP网络模型的通信协议和消息交换机制。由于现在最新的DICOM标准去掉了OSI部分，所以DICOM采用了TCP/IP网络模型的形式。数字医学图像通信标准是在TCP/IP协议的基础上发展起来的，与传统的TCP/IP协议一样，包含了以下七层结构：物理层、数据链接层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。,34,8.2.2 DICOM标准2、ACR-NEMA 300标准,1、物理层本层包括硬件规格、接口访问与字交换协议，它定义了相互关连的信号时序，使数据能经由接口传输。数据链路层通过本层发送数据，进行流量控制与错误检测。,35,8.2.2 DICOM标准2、ACR-NEMA 300标准,2、数据链路层它的功能是把来自传输/网络层的数据加上控制字组装成帧，通过物理层发送出去。在从网络层接收数据时应去掉帧控制字，检查传输错误，并将数据送到传输/网络层。帧内第1个字为帧描述符字，最后一个字是帧校验序列。,36,8.2.2 DICOM标准2、ACR-NEMA 300标准,帧结构,37,8.2.2 DICOM标准2、ACR-NEMA 300标准,3（4）、传输/网络层本层的功能是将来自上一层的报文分成每块不超过2048字的数据块，随后在加上分组（包）序列号与描述头后进行分组，再传送给下一层数据链路层。在接收数据时，则将来自数据链路层的分组重组成报文后发送至上层（会话层）。如果某一装置欲利用这一接口通过外部网络进行连接，则需要明白地知道源地址与目的地址，这些地址参数是在建立通道时由会话层提供的。地址信息必须与虚拟通道号一起给出，并予存储，以支持虚拟通道的服务。所以要规定块序列号，是为了保证报文中的数据块能准确地重组。,38,8.2.2 DICOM标准2、ACR-NEMA 300标准,3（4）、传输/网络层它从分组描述符字开始。分组描述符字包括通道号、分组类型和服务类字段。第2个字是所需的数据块序列号，包括15位二进制数与表示最后一个数据块的标准位（1位）。第3个字是报文数据块，其长度在0到2048字之间。每一分组有一个8位的通道号。在传输/网络层功能中有一个保留通道“0”通道。它专门用来提供两个端端应用进程中处理ACR-NEMA报文的连接，以避免多通道的服务。“0”通道及其提供的连接在系统启动或两个端端进程工作后即被建立。,39,8.2.2 DICOM标准2、ACR-NEMA 300标准,5、会话层会话层定义了用来建立与断开同其他装置的应用程序作端端连接的协议。上面所述的各层协议提供了通向物理接口、完成帧差错控制以及经由规定的接口平面建立虚拟通道的约定。由于使用这一接口的装置可能担负着多个任务，并涉及外部网络，故需要一个协议，以便利用虚拟通道建立端端的报文连接。,40,8.2.2 DICOM标准2、ACR-NEMA 300标准,6（7）、表示层和应用层这是ACR-NEMA标准体系中最高的两层，ACR-NEMA标准通过报文格式来描述它们。表示层的功能是建立报文（完成建组并加以组合），把通过应用层程序进入设备的数据按ACR-NEMA标准重新组织成组和元素。ACR-NEMA标准还提供一些命令来调用某些操作，后者只在与另一设备连接情况下才行。表示层与应用层中的报文在进入会话层后，加上“目的地连接请求”后传送到传输/网络层。在传输/网络层中报文被分割成02048字的数据块，加上数据描述符字和块序列号成为分组，并传送到数据链路层，再加上帧描述符字和帧校验序列，组成一帧，然后经由物理层的电缆通过接口发送出去。,