（精密仪器及机械专业论文）基于虚拟仪器的PACS系统(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

中北大学学位论文 基于虚拟仪器的p a c s 系统 摘要 随着现代计算机应用水平和信息集成技术的飞速发展，面向医疗的新一代信息系统 已由过去单纯的医院信息系统，发展成为面向医疗服务，集成病人信息、医学影像信息 和医疗管理信息的综合化医院管理信息系统。医学图像存档与通信系统p a c s ( p i c t u r e a r c h i v i n ga n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 以高速计算机设备为基础，凭借高速网络连接 各种影像设备和相关科室，实现了不同设备之间的互联和信息共享，提高了医疗诊断水 平与诊断率，逐渐成为综合化医院信息管理系统中的一个重要组成部分。p a c s 主要涉及 到标准化技术，图像显示、处理和存储技术等，而将以计算机为仪器的硬件支撑，利用 p c 机独具的运算、存储、回放、调用、显示、通信以及文件管理等智能式功能的虚拟仪 器技术，应用于p a c s 系统是一个全新的尝试。 本论文首先回顾了p a c s 系统的发展历史，论述了系统的分类、结构以及功能，介 绍了在建立基于虚拟仪器的p a c s 过程中涉及到的关键技术，分析研究了国际医学影像成 像和通讯标准- - d i c o m 3 0 ( d i g i t a li m a g i n ga n dc o m m u n i c a t i o n i nm e d i c i n e ) 所规 定的各种对象模型、数据结构以及传输协议。系统以图形化编程语言l a b v i e w 为主要软 件开发平台，结合c + + ，采用c s 结构，应用各种数字图像处理原理，设计了医学图像 读取、显示和各种处理模块，后台采用s o ls e r v e r2 0 0 0 开发了医院影像信息数据库管 理模块，论文最后论述了基于i n t e r n e t 远程医疗技术的发展及对现代医疗的意义。 关键词：p a c s ，d i c o m ，虚拟仪器，l a b v i e w ，数字图像处理 中北大学学位论文 p a c ss y s t e mb a s e do n t i a nl i j u n v ir t u alln s t r u m e n t s o n gw e n a i a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h ec o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g ya n df a s td e v e l o p m e n to f i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y , t h en e w g e n e r a t i o no f i n f o r m a t i o ns y s t e mf o rm e d i c i n e h a sb e e ne x p a n d e df r o mt h es e p a r a t eh i s ( h o s p i t a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，r i s ( r a d i o l o g y i n f o r m a t i o n s y s t e m ) i n t ot h ei n t e g r a t eh o s p i t a lm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mw h i c h i n c l u d i n gp a t i e n ti n f o r m a t i o n ，m e d i c a li m a g ea n dt h em a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ni nm e d i c i n e p a c s ( p i c t u r ea r c h i v i n ga n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) a c h i e v e dc o n n e c t i o no fd i f f e r e n t d e v i c e sa n di m p r o v e dl e v e la n de f l i e n c yo fm e d i c a lt r e a t m e n tb a s e do nh i g hs p e e d c o m p u t e r s i th a sb e e na l li m p o r t a n tp a r to f t h ei n t e g r a t eh o s p i t a lm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n p a c sr e l a t e sw i t ht e c h n o l o g i e so f s t a n d a r d i z a t i o n ，i m a g ed i s p l a ym a dp r o c e s s i n g ，s t o r a g ee t c t h ef u n c t i o n so f c o m p u t e r w h i c hi n c l u d e o p e r a t i o n ，s t o r a g e ，t r a n s f e r ；d i s p l a y a n d c o m m u n i c a t i o na r eu t i l i z e db yv i r t u a li n s t r u m e n t ( v i ) t e c h n o l o g y v it e c h n o l o g yi san e w t r yw h i c h h a sb e e n a p p l i e d t op a c s f i r s t l y , w em a k ea no v e r v i e wo nt h ed e v e l o p m e n ta n dh i s t o r yo f p a c si nw o r l d w i d e t h ec l a s s i f i c a t i o n ，s t r u c t u r ea n df u n c t i o n so fp a c sa r ef u r t h e rs t u d i e d t h ek e yt e c h n o l o g i e s a r ei n t r o d u c e dd e t a i l e d l yd u r i n gs e t t i n gu pap a c sb a s e do nv i t h ei n t e r n a t i o n a lm e d i c a l i m a g i n g a n dc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d d i c o m ( d i g i t a li m a g e a n dc o m m u n i c a t i o n si n m e d i c i n e ) i si n t r o d u c e dw h i c h d e f i n e sm o d e l s ，d a t as t r u c t u r e s ，f i l ef o r m a ta n dc o m m u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 l a b v i e wi sm a i np l a t f o r mo f s o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，w h i c hi n t e g r a t ew i t hc + + t h ec ss t r u c t u r ei s a d a p t e db yt h es y s t e m a c c o r d i n g t o p r i n c i p a l s o fd i g i t a l i m a g e p r o c e s s i n g ，i m a g ea c q u i r i n g ，d i s p l a ya n dp r o c e s s i n g m o d u l e sa r ed e s i g n e d d a t am a n a g e m e n t o f h o s p i t a li m a g ei n f o r m a t i o ni sd e v e l o p e db yu s i n gr e l a t i o n a ls q l s e r v e r2 0 0 0 a tl a s t ，t h e d e v e l o p m e n ta n d v a l u ef o rm e d i c i n eo f t h et e l e m e d i c i n es y s t e ma r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：p a c s ，d i c o m ，v i ，l a b v i e w ，d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g 中北大学学位论文 本人声明 我声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成的，在完成论文时 所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 中北大学学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着现代计算机和信息集成技术的飞速发展，数字化与信息化成为时代潮流与发展 趋势，医学图像存档与通信系统p a c s ( p i c t u r ea r c h i v i n ga n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 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，以高速计算机设备为基 础，凭借高速网络连接各种影像设备和相关科室，提高了医疗诊断水平与诊断率，代表 着新时代医疗服务质量【l 】。 中国共有近7 万家医院，随着计算机技术的普及和推广，国内各大、中、小型医院 信息系统占总信息量的百分之七十以上，而传统放射科医生的诊断方式主要是根据由特 定影像设备产生的胶片，凭借医生多年的诊断经验判断是否有病变及具体情况。医院的 放射科必须建立各自的片库来储存数量庞大的胶片，这就是所谓“归档”或“存档”， 即对胶片的手工管理。这种利用胶片的诊断和存储方式随着影像设备的不断更新换代已 经越来越不适应医学的管理发展，它的诸多缺点制约了数字化医院实现的设想拉j 。 ( 1 ) 为了提高胶片的利用价值，放射科不得不建立胶片库来存储数量庞大的胶片， 并对胶片进行归档管理，管理难度与胶片数量同步增长，将耗费大量财力、物力和空间。 ( 2 ) 胶片库手工管理效率低，查询速度慢，医学影像的传递需要大量的时间，不能 满足临床需要； ( 3 ) 异地医生同时观察一幅图像( 如远程诊断或电话会诊) 的愿望不可能实现。胶 片的使用一般也仅限于医院内部。定量信息的缺乏和医学图像资源的不可共享阻碍了医 疗教学和医生诊断水平的普遍提高； ( 4 ) 硬拷贝的窗宽和窗位不能调节，因而质量达不到要求的胶片往往需要重摄，给 投资者和患者带来负担； ( 5 ) 胶片的丢失和变质也是一个难以解决的问题，即使一个管理制度十分完善的医 院，由于借出、会诊等，胶片的丢失也不可避免，这将给资料的再次利用和科研工作带 来极大的不便【3 j 。 中北大学学位论文 i 2 p a c $ 的功能及意义 针对上述问题，图像存储与通信系统p a c s 提出了解决方案。它将计算机与各种影 像设备相连接，利用高速大容量的光盘技术，以数字方式存储、管理、传送、显示病历 信息；它革命性地以数字方式存储和管理影像，将计算机网络和通信等各种最新技术引 入医学诊断中，大大降低了医生对传统硬拷贝技术的依赖，达到了高效率、低成本地观 察、存储、管理、回溯和传送医学影像的效果。p a c s 技术是进行全数字化影像诊断及管 理的重要基础，采用现代化数字方式的诊断环境，提高诊断效率和质量，是我国医院发 展的重要课题。以p a c s 网络技术为基础，进行医院p a c s 诊断胶片、图像及相关信息管 理网和远程诊断系统的建设，可以提高影像诊断的效率，降低诊断成本，实现全数字化 的现代诊断方式1 5 】。 综合起来，p a c s 系统具有如下几个基本功能： ( 1 ) 无胶片化、节省存储成本、图像可以长期保存、易于实现自动化管理、方便医生 查询、突破空间的限制，实现专家知识和经验的共享，为病人提供更加有效的诊治方案； ( 2 ) 自动存储和管理所产生的图像数据。由于医院每天产生的图像总量可达几百m 到 几十g ，图像数据量十分巨大，因此在p a c s 中通常采用多级存储体系结构和大型数据库 管理系统，可以实现图像管理自动化； ( 3 ) 图像显示和丰富的后处理功能。显示软件可以方便地查询数据库中的图像记录， 对图像进行复杂的处理，可以观察到传统读片方式不可能获得的信息，给医生的诊断提 供强有力的帮助，极大地提高了诊断的准确性和影像资料的利用率； ( 4 ) 提供与h i s r i s 的接口。p a c s 遵从h l 7 标准，可以实现与h i s r i s 系统的互连， 实现病人信息的共享和传播，最终实现医院信息系统。 从8 0 年代初提出概念到9 0 年代初，欧美国家和日本建造一些实用的数字医学影像 处理与通信系统，经历了1 0 年。当时p a c s 使用的是专用设备，造价十分昂贵；9 0 年代 中期，虽然计算机网络技术和图形工作站的发展使得系统的整体价格有所下降，但对大 多数医院来说仍难以接受；进入9 0 年代末期，微机性能的迅速提高以及高速网的快速 发展使得数字医学影像处理与通信系统终于可以建立在被部分医院接受的水平上。与西 方发达国家相比，我国经济水平尚有一定的差距，医院的经济能力较弱。在当前的经济 2 中北大学学位论文 条件下，绝大多数医院仍负担不起p a c s 的昂贵价格。国外生产的p a c s 系统一般需花费 几十万美元，不适合我国的国情。因此，建立适合我国医院实际情况，符合国际标准， 灵活的p a c s 系统，将会给医院带来新的活力，将会完全改变现有放射科的工作模式， 解决大量传统方式无法解决或要花费很高代价才能解决的问题【7 1 。 1 3p a c s 国内外发展状况及应用 西方发达国家从八十年代初就认识到p a c s 在医疗诊断和治疗过程中所处的重要地 位，并着手研究该系统中涉及的大容量影像存储、图像质量、图像传输速度以及影像通 信和存储格式的标准等关键技术。p a c s 的发展可分为三个阶段；第一阶段为探索时期， 仅在致力于一个系统，第二阶段主要是进行临床评估并着手解决一些技术难点问题，例 如通信方面、工作站设计和图像档案的组织等，同时产生了第一代p a c s 产品，现在已 经进入第三阶段，主要是在前期研究开发的基础上，进行大型工程开发。第二代p a c s 产品研究工作主要限于研究所内小型系统的实现，其主要部件大多处于规划期。现阶段 的p a c s 研究重点逐渐转向了与h i s r i s 集成的大型系统。1 9 9 2 年至1 9 9 8 年，p a c s 的 实践活动取得了实质性的进展，p a c s 进入实现阶段。1 9 9 8 年后，p a c s 逐渐进入了成熟 期，其中大容量数字存储产品、高分辨率显示器的出现以及计算机性能价格比的大幅度 提高，都极大地促进了p a c s 的发展【8 】【9 】。 1 3 1 国外成熟的p a c s 系统介绍 国外对p a c s 系统的开发应用比较早，比较有影响的系统有如下几种。 1 g e 公司的i i s 系统， 其主要部件包括： ( 1 ) 显示工作站( d i s p l a yw o r k s t a t i o n s ) 图像和诊断报告同时显示；工作流增强：默认显示控制、用户定义宏、简单直接的 界面；多显示器支持。 ( 2 ) 信息存储单元( i n f o r m a t i o ns t o r a g eu n i t ) 3 中北大学学位论文 任何图像、任何时间、任何地点存取；高速图像服务器，可支持与其他厂商产品的 互操作。 ( 3 ) r i s 集成( r i si n t e g r a t i o n ) r i s ，h i s ，p a c s 数据库间的直接通信同步：使用接口引擎技术为商业r i s h i s 系统 提供h l 7 接口；主控文件的轻松升级在企业范围内的信息系统中保持一致性。 ( 4 ) w e b 解决方案( w e bs o l u t i o n s ) 从客户端或浏览器与平台无关地访问p a c s ；简单的用户界面能轻易的访问图像、报 告、检查和病人信息；使用w w w 技术保证开放系统的互操作性；口令控制访问保证了安 全性。 2 a g f a 公司的i m p a x 系统 a g f a 公司的i m p a x 系统的主要功能是医学图像和病人信息的管理、通信和中长时间 数据存储，通过网络为放射科医生和门诊快速提供高质量的图像，支持数字化图像的电 子传输和检索。a g f a 的软件技术使系统适于医学工作者使用，用户可以有自己的个性化 设置，并且能够从多种医学设备中获取图像，如x 光，超生，c t ，m r i 等。i m p a x 支持 d i c o m 3 0 标准，能够与r i s h i s 无缝连接。目前，约有2 5 0 套i m p a x 系统安装在各类机 构中。 3 s i e m e n s 公司的i s as i e n e t i s as i e n e t 是德国西门子公司开发的应用于数字化医学影像处理的计算机网络体 系，它可以为放射检查中心生产的检查报告、文档和影像的保存和管理提供先进的手段。 在s i e n e t 体系中，i s a ( i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，s t o r a g ea n da r c h i v es y s t e m ) 完成 对信息的集中存储和管理功能。i s a 是被设计用来支持大中型s i e m e n t 系统的。 1 3 2 国外p a c s 应用实例。“ 1 巴尔的摩老兵医学中心b a l t i m o r ev a 医学中心约有2 0 0 张床位，所有检查都使用 p a c s 系统归档，并有与h i s r i s 系统的双向接口，使医学中心和联网的三家医院提高 了诊断效率并降低效率并降低了费用。 2 h a m m e r s m i t h 医院，有5 0 0 张病床，为1 0 万人提供服务，该医院的放射科自1 9 9 3 4 中北大学学位论文 年运行p a c s 系统以来，档案管理人员从8 个减少到1 个，放射科医生减少了3 个，胶 片不再保存。 3 u c s fp a c s 系统的很多开发人员参与了u c l a 的p a c s 系统开发，系统实现始于 1 9 9 2 年1 0 月，1 9 9 5 年2 月投入临床使用，由于该系统是在大学的研究机构中开发，使 用的技术相对先进，具有开放的体系结构和互连性、与h i s r i s 系统集成、系统模块化、 能够将图像分发到医师的桌面计算机，具有高度可伸缩性。 1 3 3 目前国际p a c s 系统的发展趋势为【1 1 1 ( 1 ) 接口技术标准化； ( 2 ) 显示、存储、通讯技术的发展； ( 3 ) h i s ( h o s p i t a l i n f o r m a t i o n s y s t e m ) 医院信息系统r i s ( r a d i o a c t i v e i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 放射信息系统开始与p a c s 融合； ( 4 ) w e b 成为技术潮流。 1 3 4 国内厂商的有益尝试 近年来，国内也有不少公司开展了p a c s 项目的研究和推广工作，并取得了一定的 成果。较有影响的公司有以下几个： 1 北京数字指通软件技术有限公司 公司以中科院自动化研究所为技术依托，主要从事指纹识别和医学图像处理方面的 软件系统的开发与推广，拥有完全自主知识产权的图像和图形处理技术，以及网络与存 储等方面的技术。其在p a c s 方面的产品主要有： ( 1 ) m i n i p a c s 系统，适用于科室与设备的联网，诊断工作站上有图像处理诊断系统、 诊断报告系统、小型数据库管理系统，可以为远程医疗提供各种操作处理的图像。 ( 2 ) 全院p a c s 系统，由医生诊断工作站、图像接收工作站、p a c s 服务器组成。提供 了全面的数据库管理功能；归档服务器提供了一整套的在线、近线、离线归档的策略； 其工作流控制模块，对病人影像的诊断流程进行了规范和控制，能够建立病人信息、诊 5 中北大学学位论文 断信息和图像的联系。 2 易和科技发展有限公司 其在医学方面的产品为易和医学影像p a c s 系统，其中包括：( i ) 医学影像管理系统； ( 2 ) 超声系统；( 3 ) 内窥镜系统；( 4 ) 放射科信息管理系统。 3 北京天健公司它是我国最早从事医学影像数字化技术开发、研制的专业化公司 之一。1 9 9 4 年开始从事医学影像工作站、医学影像存储与传输的开发和研究工作，先后 研制出“m e d v i s i o n 医学影像工作站”、“医学图像存档与通信系统”、“病理显微图像分 析系统”、“放射影像信息管理与存储系统”，并投入了市场。 随着我国医院建设的迅速发展，医疗影像设备的装备情况有了较大的改善。大多数 医院配备了各种先进的医疗影像诊断设备，通过医疗影像诊断设备获得有用信息已经成 为医院临床诊断的主要手段之一，因此，在国内发展以医学影像信息管理为主的p a c s 系统成为必然趋势。但是，由于经济水平的制约和一些关键技术没有得到很好的解决， 特别是有关配套的法规制度不健全，使得我国p a c s 的研究和应用仍然处于摸索和起步 阶段。目前国内尚未见一套完整的、运行正常并通过国家卫生部验收的p a c s 。随着对 p a c s 系统认识的深入，国内越来越多的医院和厂商逐渐开始p a c s 系统和相关技术的研 究和开发。 1 3 5 国内p a c s 发展趋势为： ( 1 ) 接口技术发展； ( 2 ) 本地化发展； ( 3 ) 局部扩展到整体的发展方式。 1 4本论文的结构安排 本文主要研究内容是使用虚拟仪器技术实现p a c s 系统中的一些功能模块，论文的 内容安排如下： 第二章对虚拟仪器技术和图形化编程开发语言进行了论述，介绍了它们各自的特点 6 中北大学学位论文 及优越性。 第三章论述了p a c s 系统的总体设计、分析，包括系统设计关键技术、设计原则、 遵循标准、研究目标、工作模式、影像存储管理等内容进行了总体说明，并详细介绍了 系统中对医学影像的数据库管理模块。 第四章首先对d i c o m 标准进行了概要论述，对d i c o m 标准的应用范围和领域，以及 标准的组成、目标和意义进行了介绍。然后对d i c o m 标准中的对象封装进行了详细的介 绍，包括d i c o m 文件的解析和d i c o m 通信的实现。 第五章论述了使用l a b v i e w 语言开发的医学影像处理方法及结果，主要包括图像滤 波、边缘检测、旋转、测量、伪彩色、区域剪切、灰度剪切等后处理和分析功能，是医 院医师进行影像诊断的工具，对整个p a c s 系统具有重要意义。 第六章论述了基于i n t e r n e t 的远程医疗的发展、研究价值和重要意义。 最后对本文论文所做的工作进行了总结。归纳总结了论文所完成的主要内容，论述 了论文工作的意义、存在的不足和需要进一步解决的问题、未来仍需要做的工作等。 7 中北大学学位论文 第二章虚拟仪器及l a b v i 酬语言介绍 2 1 虚拟仪器介绍 2 1 1 虚拟仪器技术的概念 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 的概念是美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s 简称n i ) 于8 0 年代中期提出来的。这一概念的核心是以计算机作为仪器 的硬件支撑，充分利用p c 机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等智 能型的功能，把传统仪器的专业化功能软件化，使之与p c 机结合起来融为一体，这样 便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了p c 机智能 资源的全新仪器系统，由于仪器的专业功能和面板、控件都是软件的形式，因此国际上 把这类新型的仪器成为虚拟仪器。所谓虚拟仪器，就是在通用计算机上加上一组软件或 硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台他自己设计的专用的传统电 子仪器，也就是说虚拟仪器是具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器，它由通用个人计算 机、模块化功能硬件和控制软件组成。在虚拟仪器硬件系统中，硬件仅仅是解决信号的 输入输出，软件才是整个仪器系统的关键。任何一个用户都可以通过修改软件的方法， 方便地改变、增减仪器系统的功能与模块。操作人员通过友好的图形界面及图形化编程 语言控制仪器的运行，完成对被测量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。因 此，虚拟仪器的基本思想就是利用计算机来管理仪器、组织仪器系统，进而代替仪器完 成某些功能，最终达到取代传统仪器的目的i l 。 2 1 2 虚拟仪器的优越性 任何仪器都是由三大功能块组成：信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的 表达与输出，传统仪器的这些功能模块都是以硬件的形式存在的。虚拟仪器系列化软件， 将传统仪器的三大功能全部放在p c 机上来实现，在p c 机上使用各种采集设备，在软件 生成的界面上显示结果，实现传统仪器功能。也就是说利用p c 机强大的图形环境和在 8 中北大学学位论文 线帮助，建立适合用户需求和操作习惯的仪器面板，完成采集、分析和显示，代替传统 仪器，改变传统仪器使用方式，扩展仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器的价格。 与传统仪器相比，虚拟仪器具有很大的优越性：功能由用户定义；基于计算机的开 放系统可方便地同外设、网络及其他应用等连接：汉化图形界面、计算机读数、分析处 理；数据存储、编辑、打印；软件是关键部分；价格低廉；其功能模块可以进行集成， 技术更新快；软件结构大大节省开发和维护费用。 2 1 3 虚拟仪器技术的特点及核心 虚拟仪器的关键是计算机软件。虚拟仪器的前途取决于系统软件设计，虚拟仪器的 软件，除了必须实现诸如与标准数字接口总线的软件连线，对系统中仪器的直接控制等 与硬件有关的系统功能之外，还应该能够方便、灵活、充分地运用计算机工业领域现有 的大量使用的软件工具资源，从而真正地把仪器硬件与计算机软硬件有机地结合在一个 统一的系统中。 虚拟仪器的特点是： 1 ) 强调“软件就是仪器”的新概念，取代传统仪器“硬件为主体”的概念。 2 ) 打破传统仪器功能不全的现状，将信号的分析、显示、存储、打印和其它管理 集中由计算机来完成： 3 ) 仪器自己定义，根据用户自己的需要设计虚拟仪器的功能； 4 ) 仪器开发期短，升级容易，操作简单，节省了购买传统仪器的费用； 5 ) 便于组建系统，可利用计算机，对系统方案进行编程，并可实现远程管理及诊 断。 虚拟仪器技术包括界面友好、功能完善、显示美观等内容，其核心是计算机大量 丰富的软硬件资源的充分利用。只有当诸如计算机软件控制和处理能力、软件对系统整 体性能的优化能力、测试软件与通用软件的数据交换能力、测试资源的软件共享能力等 计算机能力得到了充分的发挥时，虚拟仪器才从真正意义上超越了传统仪器的范畴，完 全显示出其优越性。 9 中北大学学位论文 2 1 4 虚拟仪器开发研制的意义 作为2 l 世纪核心技术的重要分支，虚拟仪器的研制开发具有巨大的现实价值和重要 的科学意义。在学术界，这项研究将成为一个前沿学科的生长点，从而带出一个新兴的 前沿学科；在经济上，随着科研成果的转化将带出一个典型的低投入高产出的新兴高技 术产业，其经济效益将无可估量。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着 仪器发展的最新方向和潮流，是信息技术的一个重要领域，对科学技术的发展和工业生 产将产生不可估量的影响【1 4 】。 2 1 5 虚拟仪器与传统仪器的比较 表2 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 传统仪器虚拟仪器 功能由仪器厂商定义功能由用户自己定义 与其它仪器设备的连接十分有限可方便地与网络外设及多种仪器连接 图形界面小，人工读取数据，信息量小界面图形化，计算机直接读取数据并分析处理 数据无法编辑数据可编辑、存储、打印 硬件是关键部分软件是关键部分 价格昂贵价格低廉，仅是传统仪器的五至十分之一 系统封闭、功能固定、可扩展性差基于计算机技术开放的功能模块可构成多种仪器 技术更新慢技术更新快 开发和维护费用高基于软件体系的结构可大大节省开发费用 1 0 中北大学学位论文 2 1 6 虚拟仪器技术的研究动态和发展前景 8 0 年代以来n i 公司已研制和推出了多种总线系统的虚拟仪器，成为这类新型仪器 的世界第一生产大户。1 9 8 6 年l a b v i e w 的推出，开创了虚拟仪器的新纪元，虚拟仪器增 加了用户在标准的计算机上配以经济高效的硬件设备就可构建自己的仪器系统能力，将 数据采集，仪器控制硬件以及原有的仪器设备进行组合，来构成完全符合自己需要的虚 拟仪器系统。l a b v i e w 是一个完全的开发应用软件，利用它组建仪器系统和数据处理系 统可大大简化程序设计，达到省时、省力、高效的目的。进入9 0 年代，虚拟仪器技术 的发展方向是i 0 总线及硬件驱动程序的标准化，先进图形化编程平台的研制和设计更 加高速精密的硬件功能模块。 虚拟仪器系统技术得益于现代计算机技术的进步。所有p c 机主流技术的最新进展， 不管是c p u 的更新换代还是便携式计算机的进一步实用化，不管是操作系统平台的提升 还是网络乃至i n t e r n e t 的应用拓展，都能够为虚拟仪器系统技术带来新的活力和好处。 以p c 技术为基础的虚拟仪器系统的普及，也进一步坚定了用户抛弃旧的传统仪器，向 崭新的虚拟仪器系统进发的决心。现代计算机性能价格比的不断提高也使得越来越多 的用户认可并接受虚拟仪器系统。正是这些用户，过去由于传统仪器的不灵活，只能用 价格不菲的单台仪器完成单一的工作或固定的项目。而应用虚拟仪器系统技术，用户可 以用较少的资金、较少的系统开发和维护费用，用比过去更少的时间开发出功能更强、 质量更可靠的产品和系统。 2 2l a b v l e w 语言介绍 2 2 1l a b v i e w 编程语言的特点 美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 在1 9 8 6 年推出了一种革命性的图形编 程语言l a b v i e w ，开创了虚拟仪器的新纪元。它是实验室虚拟仪器集成环境( l a b o r a t o r y v i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 的简称，也是目前发展最快，功能最强 的图形化软件集成开发环境，现在已经发展到7 1 版本，可实现采集、控制、处理、显 中北大学学位论文 示等实际任务1 5 l 。 l a b v i e w 是一种基于图形编程语言( g 语言) 程序开发环境，与现在的文本语言有许 多相似之处，如：相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具以及模块化的编程 特点等，l a b v i e w 也包括常规的程序开发工具，如可以设置断点、生动的显示数据是怎 样在程序中运动，单步执行等，这些工具使开发得更容易。但二者最大的区别在于：传 统编程语言用文本编程；而l a b v i e w 使用图形语言( 即各种图标、图像符号、连线等) 编程。其特点主要表现在以下几个方面： ( 1 ) l a b v l e w 使用图标表示功能模块，使用图标之间的连线来表示各模块间的数据 传递。因为使用为大多数工程师和科学家熟悉的数据流程图式的语言书写程序代码，所 以编程过程和思维过程非常类似。这样不仅使编写程序变得简单而且写出来的程序更易 懂。 ( 2 ) l a b v i e w 继承了高级编程语言的结构化和模块化编程的优点。支持模块化层次 化设计。在一个v i 中可能包含了许多子v i 。这种层次结构的设计增强了程序的可读性。 ( 3 ) l a b v i e w 虽然使一种通用的程序开发系统，但由于它拥有大量数据采集和仪表 控制的功能模块和开发工具，可编出外观和功能都与真实仪表很相似的程序。 ( 4 ) 支持非常强大的网络处理功能，方便进行远程仪器开发，控制。 ( 5 ) 提供与其它编程语言的接口来完成复杂的分析处理任务。如l a b v i e w 能够与c ， , t a t l a b 等编程语言接口，来完成一些用l a b v l e w 无法完成的复杂的、特殊的数值分析任 务。 l a b v i e w 坚持和发展了模块化程序设计的概念。可以把一个完整的任务分解成一系 列的子任务，每个子任务还可以继续分解，直到分解为一个个简单的功能，然后再编程 来完成各个简单功能，每个功能模块都完成后，再将这些功能模块一级一级的组织起来， 最终成为一个完整的程序。 2 2 2l a b v i e w 语言结构介绍 一个v i 程序由三部分组成：前面板( 用户可以看到的界面) 、程序框图( 由开发者 编写，即通常说的程序代码) 、图标( 用于连接) 。 1 2 中北大学学位论文 前面板：用户看到的交互界面在v i 中称为前面板，它与实际仪表的前面板非常相 似，可通过鼠标和键盘输入数据，通过计算机的屏幕显示结果。 程序框图：对于编程人员来说，编写程序就是按l a b v i e w 的规则构造程序框图，这 个程序框图就是v i 的程序源代码。 图标：v i s 是分等级和模块化的，所编写的每一个v i 程序都可以用做最终的程序 来单独执行或作为其它程序的子程序使用。一个v i 程序用于其它的v i 程序中称为 s u b v i ，这时这个v i 程序就成为一个v i 程序模块，而程序的图标就是这个模块的标志， 它用于在其它的v i 程序( 或称主程序) 中与其它模块连接，并进行数据传递。 由于每一个s u b v i 都可以单独执行，而每一个完成功能v i 程序都可以直接作为 s u b v i 使用，所以模块的调试非常方便。还可以编制一些通用的功能模块，在以后的各 个任务中使用，就像l a b v i e w 模块库中提供的模块一样。l a b v i e w 语言最突出的优点就 在于此，同时由于l a b v i e w 的模块库中提供了大量的通用功能模块，使l a b v i e w 的编程 非常容易【1 6 l 。 2 2 3l a b v i e w 语言的编程方法 1 、l a b v i e w 语言的编程步骤 使用l a b v i e w 开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序，简称为v i 。v i 包括三个部 分：程序前面板、框图程序和图标连接器。 程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。在程序 前面板上，输入量被称为控制( c o n t r o l s ) ，输出量被称为显示( i n d i c a t o r s ) 。控制和 显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使这 得前面板直观易懂。每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用l a b v i e w 图 形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码，框图程序由端口、节点、图框和 连线构成，其中端口被用来同程序前面板的控制和显示传递数据，节点被用来实现函数 和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据 流，定义了框图内的数据流动方向。图标连接器是子v i 被其它v i 调用的接口，图标 是子v i 在其他程序框图中被调用的节点表现形式；而连接器则表示节点数据的输入输 1 3 中北大学学位论文 出口，与函数的参数相似。用户必须指定连接器端口与前面板的控制和显示一一对应， 连接器一般情况下隐含不显示，除非用户选择打开观察它，在程序的编制遇到困难时， 或想更深入的理解一个例子程序时可以双击图标，观察其应用程序。 l a b v i e w 的强大功能归因于它的层次化结构，用户可以把刨建的v i 反复调用，以创 建更复杂的程序，而这种调用的层次是没有限制的1 7 】。 2 l a b v i g w 的操作模扳 l a b v i e w 具有多个图形化的操作模板，用于刨建和运行程序。这些操作模板可以随 意在屏幕上移动，并可以放置在屏幕的任意位置。操纵模扳共有三类，为工具( t o o l s ) 模板、控制( c o n t r o l s ) 模板和功能( f u n c t i o n ) 模板。 工具模板( t o o l sp a l e t t e ) ：工具模板为编程者提供了各种用予创建、修改和调试 v i 程序的工具。当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。 当从w i n d o w s 菜单下选择了s h o wh e l pw i n d o w 功能后，把工具模板内选定的任一种工 具光标放在框图程序的子程序( s u b v i ) 或图标上，就会显示相应的帮助信息。 控制模扳( c o n t r o l sp a l e t t e ) ：用控制模板可以给前面板添加输入控制和输出显 示。每个阻标代表一个子模板、该模块提供了编制虚拟仪器前面板所需的各种功能模块。 功能模板( f u n c t i o n sp a l e t t e ) ：功能模板是创建框图程序的工具。该模板上的每 一个顶层图标都表示一个子模板，提供了各种功能模块和函数。 3 程序调试技术 l a b v l e w 提供了四种程序调试的方法： ( 1 ) 指示语法错误 如果一个v i 程序存在语法错误，则在前面板工具条上的运行按钮将会变成一个折 断的箭头，表示程序不能被执行。这时这个按钮被称作错误列表。点击它，则l a b v l e w 弹出错误清单窗口，点击其中任何一个所列出的错误，选用f i n d 功能，则出错的对象 或端口就会变成高亮，便于程序员修改。 ( 2 ) 设置执行程序高亮 在l a b v i e w 的工具条上有一个画着类似灯泡的按钮，这个按钮叫做“高亮执行”按 钮。点击这个按钮使该按钮图标变成高亮形式，再点击运行按钮，v i 程序就以比较慢的 速度运行，没有被执行的代码灰色显示，执行后的代码高亮显示，并显示数据流线上的 1 4 中北大学学位论文 数据值。这样，你就可以在根据数据的流动状态跟踪程序的执行。 ( 3 ) 断点与单步执行 为了查找程序中的逻辑错误，你也许希望框图程序一个节点一个节点地执行。使用 断点工具可以在程序的某一地点中止程序执行，用探针或者单步方式查看数据。使用断 点工具时，点击你希望设置或者清除断点的地方，断点的显示对于节点或者图框表示为 红框，对于连线表示为红点。当v i 程序运行到断点被设置处，程序被暂停在将要执行 的节点，以闪烁表示。按下单步执行按钮，闪烁的节点被执行，下一个将要执行的节点 变为闪烁，指示它将被执厅。你也可以点击暂停按钮，这样程序将连续执行直到下一个 断点。 ( 4 ) 探针 可以用探针工具来查看当框图程序流经某一根连接线时的数据值。从t o o l s 工具模 板选择探针工具，再用鼠标左键点击你希望放置探针的连接线，这时显示器上会出现一 个探针显示窗口，该窗口总是被显示在前面板窗口或框图窗口的上面。在框图中使用选 择工具或连线工具，在连线上点击鼠标右键，在连线的弹出式菜单中选择“探针”命令， 同样可以为该连线加上一个探针【1 8 l 。 1 5 中北大学学位论文 3 1p a c s 的设计原则 第三章p a c s 系统设计 p a c s 系统在医院的应用必须结合医院的具体情况，必须以医院需求为根本的出发 点。首先应该清楚系统到底能为医院管理人员、医护人员以及患者解决哪些问题，提供 哪些服务。 一个p a c s 是由医学影像数据的获取、存储和显示子系统通过数字网络连接组成。 p a c s 可以小到一个数字化仪+ 图像显示工作站+ 小型图像数据库，也可以大到整个医院 图像数据的管理。8 0 年代末期，对于整个p a c s 的各个子系统分别进行开发、各个子系 统之间是孤立的，彼此之间无法进行通信，尽管各个子系统可以满足各自特定环境的需 要，但是并没有解决不同模块之间互联与通信问题。这一问题的存在导致了种类繁多的 p a c s 子系统涌入医院，这就引起了系统维护、稳定性、系统价格等问剐1 9 l 。 因此在设计p a c s 系统的时候应该遵循一些必要的原则，这些标准的提出或指定必 须是以满足用户的需求为前提。 1 系统必须具有很好的可扩展性和继承性，必须符合用户当前的需求和将来或者隐 含的需求。 因为在系统设计时，用户一般都很难全面的、清楚的提出自己的需求，往往需要靠 系统设计者与用户不断的沟通交流才能了解，同时一些隐含的需求可能用户也没有意识 到。另外，随着各方面环境的改变，新的用户需求也可能被提出。因此在系统设计初期 只能构造一个系统的原型，通过一定时期的改进与磨合，系统才能进一步满足用户的需 求，这就要求系统原型科学，结构合理。 2 系统必须具有很高的可靠性和数据完整性，可以为医生、患者提供可靠全面的可 共享信息资源。数据的可靠性由两个因素决定，其一是数据存储设备，其二是数据的存 储方案。对于第一点，可通过硬件的选型，根据医院的具体情况来配置，一般来说不存