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p a c s 系统图像处理和通讯设计方法的研究 摘要 随着信息技术的飞速发展和计算机应用水平的不断提高，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( h o s p i t a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，h i s ) 、放 射信息系统( r a d i o l o g i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，r i s ) 等事务管理的模式，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。医学影像存档和通讯系统( 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 n s y s t e m ；p a c s ) 是综合化医院管理信息中的一个重要组成部分，代表着目前医疗 信息系统应用的最高水平，也是今后医院信息化发展的必然趋势。 本论文分析并研究了建立p a c s 系统过程中涉及到的若干关键技术。通过研 究国际医学影像通信标准- - d i c o m ( 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 si n m e d i c i n e ) 标准，详细讨论了通讯设计方法的研究：论述了医学影像压缩在p a c s 中的重要性及图像压缩的原理，并着重介绍了小波变化压缩及j p e g 压缩等算法： 最后，对系统所采用的一些医学影像的其他处理也作了一定的介绍。 本论文所描述的关键技术已应用于实际的p a c s 应用示范系统中，并取得了 良好的运行效果。 关键词：p a c s ；d i c o m ；压缩；图像处理：通讯 p a c s 系统图像处理和通讯设计方法的研究 a b s t r a ( 玎 a b s t r a c t w i mt h ef a s td e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n di m p r o v e m e n to ft h e c 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 y , t h en e wg e n e r a t i o n o fi n f o r m a t i o ns y s t e mf o r m e d i c i n eh a se 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 yi n f o r m a t i o ns 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 n s y s t e mw h i c hi 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 t i n f o r m a t i o ni i lm e d i c i n e p a c s 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 ) i sa n i m p o a 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 nw h i c hr e p r e s e n t st h e u p m o s tl e v e li nt h ea p p l i c a t i o no f m e d i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m t h ea r t i c l ea n a l y s e sa n ds t u d i e ss o m ek e yt e c h n o l o g i e si n v o l v e di l ls e t t i n gu pa p a c s i ti n t r o d u c e st h ed i c o m ( 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 si nm e d i c i n e ) s t a n d a r da n dd i s c u s s e sd e t a i l st h er e s e a r c ho fc o m m u n i c a t i v ed e s i g nm e t h o d ；i t d i s c u s s e st h ei m p o r t a n c eo fi m a g ec o m p r e s s i o ni np a c s ，a n dt h ea r t i c l ei n t r o d u c e s s o m ei m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h mu s e di i ls y s t e m ，e s p e c i a l l yt h ew a v e l e tt r a n s f o r m a n dj p e gs t a n d a r d ，w h i c hh a v eb e e na d o p t e db yt h es y s t e m si nh o s p i t a l a tl a s t , s o m ei m a g ep r o c e s s i n gi np a c sa r ea l s oe x p l a i n e di nt h i sp a p e r t h ek e yt e c h n o l o g i e sh a v eb e e nu s e di ns o m ep r a c t i c a lp a c ss y s t e m s , a n d a c h i e v e de x c e l l e n te f r e c t k e y w o r d s ：p a c s ；d i c o m ；c o m p r e s s i o n ；i m a g ep r o c e s s i n g ；c o m m u n i c a t i o n p a c s 系统图像处理和通讯设计方法的研究 第一章前言 第一章前言 1 1 课题的提出 医学影像存档和通讯系统p a c s ( p i c t u r ea r e 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 ) 是近年来 随着数字成像技术、计算机技术和网络技术而迅速发展起来的、旨在全面解决医学图像的获 取、显示、存贮、传送和管理的综合系统。随着信息技术的飞速发展和计算机应用水平的不 断提高，面向医疗系统的新一代信息系统己由过去单纯的医院信息系统( h o s p i t a li n f o r m a t i o n s y s t e m ；h i s ) 、放射信息系统( r a d i o l o g i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，r i s ) 等事务管理的模式，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。p a c s 是综合化医院管理信息中的一个重要组成部分，代表着目前医疗信息系统应用 的最高水平，也是今后医院信息化发展的必然趋势。 1 1 1 传统的医学影像保存和处理方式存在的问题 随着医学影像技术的迅猛发展，传统的影像存取及摄影方式己逐渐显示出弊端，主要有 以下几点： 为了提高胶片的利用价值，放射科不得不建立胶片库来存贮数量庞大的胶片，井对胶片 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。 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时问，不能满足临床需 要。 传统x 线胶片不便于储存和传输，不便干影像资料的共享，无法实现实时或快速异地 会诊。 胶片的丢火、损坏和老化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夹极 大的不便。 把c t 、m r l 等图像硬拷贝到胶片上，保留的只是操作医师认为有用的信息，图像无法 后处理，采用固定的窗宽、窗位会丢失大部分原始信息。 1 1 2 p a c s 的优点 在医院内部实现p a c s 会提高整个医院的医疗水平、提高医生的就诊效率，主要优点表 现在以下几个方面： 通过医院的内部网络实现了影像信息的共享，加速了病人信息在医院各科室之间的流 p a c s 系统图像处理和通讯设计方法的研究 第一章前言 通，提高了医生的诊断效率。 通过数据库技术，使得医生可以对医学影像进行快速、综合的检索，提高了影像查询的 效率。 采用数字影像技术进行存储、管理，解决了胶片丢失、损坏和老化问题。 采用数字影像技术，可以实现医学影像的后处理，采用不同的窗宽和窗位对医学影像进 行高清晰度的显示，可以提高医生的诊断效果。 可以实现医学影像快速的异地传输，实现远程医疗和远程会诊，让更多的人得到医学专 家的诊治。 由此可见，在医院内建立p a c s ，对于提高医院的整体医疗水平、运转效率和节省资金有 着非常重要的意义。同时看到了p a c s 的实际意义和潜在的经济效益，贵州联科软件科 技发展有限公司成立了“p a c s 系统的设计与开发”项目，该项目从2 0 0 5 年1 月启动，至 2 0 0 6 年4 月结束，历时一年又四个月在项目组成员的共同努力下，项目进展顺利，按 期完成。以此项目为背景，以对其中关键技术的研究为主要内容，确定了我的论文。 1 2 研究内容 近年来随着计算机性能的大幅度提高以及高速通信网络的迅速发展，计算机的计 算能力和网络通信速度对p a c s 系统己有足够的支持能力。但是要开发一套完整的 p a c s ，需要对其中的关键技术进行分析和研究，本论文的研究内容包括： 对本系统中所涉及和所使用的主要的图像压缩算法进行了分析，提出了在小波变化 基础之上的基于混合编码的多分辨率编码压缩算法和对感兴趣区域的压缩算法。 医学影像工作站提供必须的图像后处理和分析功能。 对d i c o m 标准进行了深入、仔细地研究，讨论了信息对象和通信的封装，实现了 p a c s 系统中图像之间的通讯，这是p a c s 系统图像通讯设计方法的主要内容。 1 3 论文的安排 本论文的结构安排如下： 第一章为前言，概述课题的提出，研究内容以及论文的安排。 第二章为医学影像存档和通讯系统p a c s ，详细介绍了p a c s 的历史、国内外发展 现状、p a c s 的基本框架、p a c s 的关键技术以及和p a c s 相关的标准。 第三章为d i c o m 标准及其应用，主要介绍d i c o m 标准的组成部分，各部分的内容 以及d i c o m 标准的发展。 2 旦鉴旦至箜里堡竺墨塑望墨堡盐查些堕翌塞 笙二童萱宣 第四章为图像处理的研究，对本系统中所涉及和所使用的主要图像压缩算法进行 了分析，提出了在小波变化基础之上的基于混合编码的多分辨率编码压缩算法和对感兴 趣区域的压缩算法：对于医学影像工作站，还必须提供图像后处理和分析功能。文中对 此也作了简单介绍。 第五章为通讯设计方法的研究，对d i c o m 标准进行了深入、仔细地研究，并在此 基础上实现了图像的通讯。 第六章为总结，对图像处理和通讯设计的使用现状和存在的不足进行了讨论，也为 下一步的工作提出了几点设捅。 3 p a c s 系统图像处理和通讯设计方法的研究第二章医学影像存档和通讯系统( p a c s ) 第二章医学影像存档和通讯系统( p a c s l p a c s ( p i c t u r ea m 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 ) 即医学影像存档和通讯系统， 是医院为了管理医疗设备( 如c t , m r , d r 等) 而产生的医学影像信息系统。医学影像诊断在 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，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i ”。 p a c s 是实现医学图像信息管理的重要条件，它对医学影像的采集、显示、储存、交换 和输出进行数字化处理，最终实现图像的数字化存档管理和传输。p a c s 的目标是实现医 学影像在医院内外的迅速传输和共享，使医生或病人本人能随时随地获得需要的医学图像。 此外，通过对医学图像和信息进行计算机智能化处理后，可使影像诊断摒弃传统的肉眼观察 和主观判断，借助图像处理技术对图像的像索点进行分析、计算、处理，得出相关的完整数 据，为医学诊断提供更客观的信息。最新的计算机技术不但可以提供形态图像，还可以提供 功能图像，使医学图像诊断技术走向更深层次。 2 1p a c s 的历史 p a c s 的前身是“数字放射诊断学”( d i g i t a lr a d i o l o g y ) ，是由d r p a u lc a p p 在7 0 年代 提出的，而数字图像通信和显示的概念则是柏林技术大学( t e c h n i c a lu n i v e r s i t yo fb e r l i n ) 的 h e i n z u l e m k e 教授提出的。 第一次关于p a c s 的国际会议是1 9 8 2 年1 月由s p i e ( t h ei n t e r n a t i o n a ls o c i e t vf b r o p t i c a le n g i n e e r i n g ) 组织的，会议地点为加州。此后这项会议与医学成像会议( m e d i c a l i m a g i n gc o n f e r e n c e ) 合并，每年2 月在南加州举行。在日本。1 9 8 2 年7 月j a m i t ( j a p a n a s s o c i a t i o no f m e d i c a li m a g i n g t e c h n o l o g y ) 举办了第一次国际讨论会，这项会议与医学成 像技术会议( m e d i c a li m a g i n gt e c h n o l o g ym e e t i n g ) 合并后，每年举办一次。在欧洲，自1 9 8 3 年以米，e u r o p a c s ( p i c t u r e a r c h i v i n g a n d c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i n e u r o p e ) 组织每年都举 办会议讨论p a c s 。在美国，最早的与p a c s 相关的研究计划是1 9 8 3 年由美国军方赞助的 一个远程放射学研究计划。1 9 8 5 年，美国国家癌症中5 ( u sn a t i o n a lc a n c e ri n s t i t u t e ) 资助 u c l a ( u n i v e r s i t y o f c a l i f o r n i a ，l o s a n g e l s ) 开始其第一个p a c s 相关的研究计划，该计划 称为m u l t i p l ev i e w i n gs t a t i o n sf o rd i a g n o s t i cr a d i o l o g y 。 1 9 9 0 年1 0 月，n a t o a s i ( a d v a n c e ds m d yi n s t i t u t e ) 在法国e v i a n 举行了一次关于 p a c s 的国际会议。来自1 7 个国家的大约1 0 0 名科学家参加了会议。会议总结了当时在p a c s 研究开发方面的状况，并促使美国陆军医疗司令部( u s a r m y m e d i c a l c o m m a n d ) 资助了另 4 p a c s 系统图像处理和通讯设计方法的研究 第二章医学影像存档和通讯系统( p a c s ) 一项名为m d i s ( d i a g n o s t i c i m a g i n gs u p p o r t s y s t e m s ) 的计划，该计划的目标是在美国建立 一个大规模的军用p a c s 。 此外与p a c s 相关的重要会议包括c a r 和i m a c 。c a r ( c o m p u t e r a s s i s t e d r a d i o l o g y ) 是l e m k e 教授自1 9 8 5 年以来组织的年度会议，i m a c ( i m a g em a n a g e m e n t a n d c o m m u n i c a t i o n ) 自1 9 8 9 年以来每年举办两次，由乔治敦大学的s e o n gkm u n 教授组织。 2 2b c s 国内外发展状况 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禾【1 矧。从八十年代中期至今的二十年间，p a c s 技术的研究取得了令 人瞩目的成果。此外，大容量数字存储产品、商分辨率显示器的出现以及计算机性能价格 比的大幅提高，都极大地促进了p a c s 的发展。九十年代初期美国和欧洲等发达国家已有很 多p a c s 在医院投入实际应用。截止到2 0 0 5 年底，仅在日本已有规模大, j , t - t 厨的近五百套 p a c s 用于研究和应用。此外，在新加坡、台湾和韩国也都有相应的系统投入运行。 日前国内的p a c s 厂商( 例如北京中科、山东浪潮国强、深圳平衡科技) 大都在做工作 站，特别是一些模拟视频工作站。对于有c o m 接口或采用f t p 接口的工作站，也有几 家。但真正基于网络的p a c s 却没几个，并且都不走d i c o m 标准道路，根本就没有兼容性 可言。国内还有些系统集成商，代理国外的p a c s ，本身不具备开发维护能力。 2 3 p a c s 的整体结构 p a c s 主要由硬件：主机、显示系统、成像设备、存储设备、设备接口和通信网络：软 件：图像显示模块、数据库管理模块、存储管理模块、通信模块、数据接口驱动模块组成。 针对项目中的具体要求，设计了如2 1 所示的p a c s 整体结构图【1 c o o 。 p 垒堕着幽傻竺里型讯哒塑递笪研理第二章医学影像存档和通讯系统( p a c s ) 图2 1p a c s 整体结构图 2 4p a c s 的设计原则 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，也可以大到包括整个医院图像 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t l 特定环境的需要，但是并 没有解决不同模块之间互连与通信问题。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。这就引出了系统维护、稳定性、系统价格等问题。早期的p a c s 设计缺乏对大型 p a c s 的理解以及大型p a c s 的相关技术。 p a c s 的设计应着重于系统互连和集成技术。一个普通的多媒体数据管理系统应该具有 易扩展性、灵活性、通用性。可以很方便的进行医院各种信息的管理与综合。从管理角度讲， 医院决策者倾向于建立一个整个医院范围内的p a c s ，因为这样的系统更为经济划算1 1 6 】。 p a c s 支持者认为这个系统经济与否，不应该局限于对放射科的考察，应从整个医院的角度， 进行p a c s 的规划与管理。目前，世界范围内己经有若干家医院采用了大型p a c s ，运行情 况表明p a c s 对于提高诊断效率和节省医院运转费用有着显著的作用。从工程角度讲，p a c s 基本框架设计应考虑到标准性、开放性、扩展性、互连性以及可靠性。 2 5p a c s 相关的工业标准 由于医院采用不同的软件平台和医疗实体，从而导致不同格式的医疗信息( 影像和文本) 难以同时在网络上进行传输，从而出现了p a c s 的各个系统彼此孤立的局面。直到出现了相 6 p a c s 系统图像处理和通讯设计方法的研究第二章医学影像存档和通讯系统( p a c s ) 关的工业标准才可以将不同厂商生产的医疗器械通过网络连接在一起，并且可以按照工业标 准中规定的统一传输数据结构和协议在网络上传输医疗信息。目前与p a c s 相关的两个重要 的工业标准是h l 7 ( h e a l t hl e v e ls e v e n ) 和d i c o m ( 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 ni n m e d i c i n e ) 。h l 7 标准主要规定了医疗信息中文本的格式及通信标准，在h i s ( h o s p i t a l i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 中占有非常重要的地位：d i c o m 标准主要规定了医学影像信息数据 格式以及图像传输的通信协议，是建立p a c s 的基础。 2 5 1 h l 7 标准 h l 7 ( h e a l t hl e v e ls e v e n ) 组织成立于1 9 8 7 年，它主要目的是要发展各种医疗信息系统 ( 如临床、管理、行政及检验等) 之间的各项电子资料的标准。h l 7 通讯协议汇集了不同 厂商用来设计应用软件之间接口的标准格式，它允许各个医疗机构不同的系统之间，进行一 些重要资料的通讯。通讯协议的设计同时保留相当的弹性，使得一些特定需求资料的处理维 持一定的相容性。 h l 7 组织参考了国际标准组织( i s o ，i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d so r g a n i z a t i o n s ) 提出的开放 式系统互联( o s i ，o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 模型，将h l 7 纳为最高的一层，也就是 应用层。它的规范提供了如：关联性的分类、有效检查的产生、结构性交换资料的机制与协 商等功能。 h l 7 标准得到美国、澳大利亚、加拿大、德国、以色列、日本、新西兰、荷兰及英国 等很多国家的厂商及医院的支持与使用，并在1 9 9 4 年纳入美国a n s i 国家标准。 2 5 2d i c o m 标准 d i c o m ( 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 ni nm e d i c i n e ) 标准是由美国放射学会a c r ( a m e r i c a nc o l l e g eo fr a d i o l o g y ) 和国家电器制造商协会n e m a ( n a t i o n a le l e c t r i c a l m a n u f a c t u r e r sa s s o c i a t i o n ) 所形成的联合委员会于1 9 8 3 年以后陆续发展而成的数字影像及 传输标准，d i c o m 是医学图像及其相关信息的通讯标准。 d i c o m 标准建立的目的是推动开放式的数字影像的传输与交换，促使医学影像存档与 通讯系统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 ) 的发展，及其与各种医院信 息系统h 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 ) 的结合。允许诊断中心的诊断资料库能广泛地由 不同地方的，不同生产厂家的设备来访问。 a c r 及n e m a 联合委员会于1 9 8 5 年，发布了d i c o m i 0 标准版本。1 9 8 8 年，发布了 d i c o m 2 0 标准版本。1 9 9 3 年发布了d i c o m 3 0 标准，同前两个版本相比，d i c o m 3 0 标准 7 p a c s 系统图像处理和通讯设计方法的研究第二章医学影像存档和通讯系统( p a c s ) 主要增加了对网络的支持，前两个版本只支持点对点通信。 2 6p a c s 的关键技术 近年来随着计算机性能的大幅度提高以及高速通信网络的迅速发展，计算机的计算速度 和网络通信速度对p a c s 已有足够的支持能力。但是仍然存在一些因素影响p a c s 的功能和 性能，这些关键技术的解决对于p a c s 今后的发展有着重要意义，其中的关键技术【1 瑚j 可以 总结如下： 存储介质：包括存储容量和影像到p a c s 影像存取能力的存取速度； 影像数据的压缩：影像传输速度和存储能力都依赖干影像数据的压缩； 显示：高质量的显示设备是构成高性能p a c s 的必要部分； 数据通讯：遵循d i c o m 标准的图像数据之间的通讯以及转化； 数据获取：指从各种影像诊断设备( 例如：x 光机、c t 、m r i 等) 中获取数字影像 的方法，它关系到p ac s 的实用性； 人机界面和软件：智能化的人机界面可以提高人机交互的友好性； 系统集成：p a c s 最终要和r i s 、h i s 以及远程放射医学等其它系统相连，这涉及 到先进的系统集成技术。 大容量存储设备分为以下四类：磁介质，光介质，磁带及其它( 如全息存储) 仍在发展 中的介质。目前p a c s 使用的归档介质是d l t 磁带或m o d 可反复读写磁光盘，某些情况 下也使用c d r ( 一次写光盘) 。磁盘容量正在飞速增长，未来的方向是t b 级桌面磁盘。在光 学存储设备中。d v d 是目前的热点。d v o 目前可以作为备份介质，但作为存储介质仍有不 足之处，可擦写的d v d 还不成熟，也没有统一的标准。磁带的新进展包括多磁道记录、磁 阻式磁头和允许随机访问的新型格式等。磁带的价格很有吸引力，但不能防潮，也不能接近 磁场，对存放场所的要求比较严格。 影像压缩技术在p a c s 中占有重要的地位，影像经过压缩可以显著减少对传输带宽和存 储容量的需求，目前j p e g 压缩标准已广泛地应用于p a c s 中。在p a c s 的最初应用中，考 虑到医学影像对质量有特殊要求和法律的原因，一般采用无损压缩技术，压缩比可以达到l ： 2 至l ：4 。现在一些有损压缩算法也开始应用于p a c s 中，比如小波变换压缩、分形压缩等。 本文采用了一种感兴趣区域压缩技术( r o i ，r e g i o no f i n t e r e s t ) ，在保证影像主观质量的同时， 压缩比平均达到了l ：1 0 甚至更高。目前开展的工作主要是针对不同影像种类或病理组织区 域，优化压缩算法中的变量和参数，在保证质量的前提下达到最大的压缩比。 3 p a c s 系统图像处理和通讯设计方法的研究 第二章医学影像存档和通讯系统( p a c s ) 用干p a c s 影像显示的显示器对其亮度、分辨率都有很高的要求。加州大学洛杉矶分校 医学院放射学系通过实验指出，观察气胸和肺间质异常或骨骼的细微裂纹，需要分辨率为 4 0 9 6 x 4 0 9 6 象索，1 2 位深度的数字监视器；而要在乳房片上发现微钙化灶簇或对比度低的 乳腺肿瘤则要求高达6 l4 4 6 14 4 象素和1 2 位深度的数字显示点阵，这是一般工作站的显 示器无法替代的。国外已有分辨率达到1 7 k 2 0 k 、1 7 k x 2 3 k 或2 0 k 2 5 k 象素，光通量 达到5 0 、1 0 0 、1 5 0 t l ，甚至更高的专门用于医学影像的数字显示器。但是这类显示器的价 格是很昂贵的，对于应用于5 0 0 张以上床位的p a c s 来说，仅仅是显示器的投资就要占到总 费用的6 0 - - 7 0 ，这使得整个p a c s 的造价很高。目前，为了减少p a c s 成本，可以采用软 件的方法，弥补普通显示器显示精度不足的缺点。随着制造工艺的不断提商和新技术的广泛 使用。相信适合于医学影像显示、较便宜的显示器会在不久的将来出现 p a c s 系统中图像数据的通讯是非常重要的技术。要进行数据的通讯，首先必须对 d i c o m 标准有一个比较全面而透彻的了解，对信息对象和通信的封装要分析和研究，还要 在此基础上设计通讯程序，以满足d i c o m 各种服务类的需要。 影像数据的获取可采用几种方法：( 1 ) 通过专业扫描仪将医学影像数字化，采用这种方 式，可以节省胶片库存储空间，解除胶片管理的困扰。但是，高精度扫描仪的扫描时间过长， 工作效率较低；( 2 ) 用静态数字摄像机采集高分辨率的影像( 如远程病理图像) 或通过视频 数字化装置和模拟视频装置( 如视频摄像机、超声波图像装置或内窥镜) 的组合应用获得数 字影像，这种接入方式无需再购买专用的医疗仪器d i c o m 信号输出接口，成本较低。但是， 由r 存储的影像资料的基本单元为8 b i t , 有时会有失真现象发生，一般用来教学或咨询；( 3 ) 目前国外的医疗影像殴备如c t 、m r i 等绝大多数都带有标准数字接口，可以从中导出m r i 、 c t 、x 光等的数字图像，这种方式直接从设备的d i c o m 接口读取影像数据，在进行影像 的显示与处理时没有失真，影像数据的像素深度为1 2 b i t p i x e l ，因此医学影像的品质很好。 但是在研制p a c s 系统时，需要对d i c o m 标准进行深入的分析和研究，使得所设计的p a c s 系统可以支持该标准：特别值得指出的是，p a c s 应用中，对影像的质量有根高的要求，典 型的分辨率值为2 0 4 8 2 0 4 8 ，甚至更高，同时影像的深度要达到1 2 至1 6 位。因此，无论 采用哪种方式采集影像数据，都要确保其质量达到应用要求。 软件和系统集成涉及到系统结构的设计、人机交互界面和功能模块的开发、和其它系统 接口的设计等内容。p a c s 、h i s 及r i s 最终将完全融合在一起，并且远程放射学 ( t e l e r a d i o l o g y ) 将成为p a c s 的一个组成部分。因此，p a c s 的设计应具有容错能力和扩展 能力，要保证新的设备可以“无缝”地组合到新的系统中。为了保证系统的性能和交互性， 9 p a c s 系统图像处理和通讯设计方法的研究第二章医学影像存档和通讯系统( p a c s ) 支持标准的通信协议是至关重要的。a t m 或i s d n 是目前p a c s 理想的通信平台，但为了 适应我国的国情和i n t e m e t 网络的广泛应用，还要考虑在p s t n 和i n t e m e t 上的影像传输。 无疑，软件和系统集成技术直接关系到系统的成败和其生命力，进行系统设计、软件功能模 块开发和解决上述问题，需要花费大量的人力和时间。 2 7p a c s 的发展趋势 目前的数字化放射医疗部门的工作流程在一定程度上仍然是根据基于胶片的工作流程 制定的，随着p a c s 和数字化影像技术的进一步引入，这样的工作流程会相应地做出改变， 从新的信息技术中获得更大的效益。医院范围内p a c s 已经在许多科室得到了初步应用，在 放射医疗科以外最需要图像显示的部门中已经采用了足够的显示技术，但还不能在任何地点 方便地获得影像。r i s 与p a c s 的集成允许在工作站显示诊断报告，p a c s 和r i s 通过掌握 病人在医院中的流动来实现影像和检查的自动预取，路由和分发。r i s 与p a c s 的进一步集 成仍在发展中。随着p a c s 的增长对于大容量存储设备，数据库技术，用户界面，图像压 缩和网络安全等方面的技术将有更高的要求。 1 0 p a c s 系统图像处理和通讯设计方法的研究 第三章d i c o m 标准及其应用 第三章d i c o m 标准及其应用 3 1d i c o m 标准介绍 p a n s 是一个基于网络通信和开放式的系统，为了影像信息的共享和互交，必须制定通 信接口和数据存储格式的标准，医学影像设备生产厂家和销售商都必须遵循该标准。 d i c o m 标准【3 4 4 2 1 是由美国放射学会和国家电器制造商协会联合制定的数字影像通信标 准，其主要目标是为了在各种医疗影像产品之间提供一致性接口，使设备之间实现互操作。 该标准规定了接口的硬件和软件规范，使各种医学影像产品可以通过网络互联，并相互交换 数据，共享硬件资源。目前，国际上美欧等主要的医疗设备生产厂家的p a c s 都采用该标准 作为医学影像设备互操作接口及医学影像数字接口，它己成为事实上的国际标准。日本放射 工业协会也采用该标准，并稍作修改形成了自己的医学影像存储和通讯标准i s & c o i n a g e s a v e a n d c a r r y ) 。该标准于1 9 9 4 年被日本政府公共健康和福利事业部在法律上所认可( 称 为普通标准2 ) ，作为除胶片之外的电子归档标准。 3 2d i c o m 标准的应用范围 如图3 1 所示，d i c o m 标准主要对医学图像的存储结构和通讯协议作了规定，同时还 涉及到一些化验数据和相关的病人信息。 图3 1d i c o m 标准的应用范围 d i c o m 应用范围 p a c s 系统图像处理和通讯设计方法的研究第三章d i c o m 标准及其应用 3 3d i c o m 标准的组成部分及各部分的关系 a c r n e m a 协会从1 9 8 5 年正式推出第一个标准到1 9 9 3 年的d i c o m 3 0 标准【】，经过 了两个版本的修改和扩充。d i c o m3 0 主要由九部分组成：( 1 ) 引言与概述；( 2 ) 兼容性； ( 3 ) 信息对象定义；( 4 ) 服务类定义；( 5 ) 数据结构和语义：( 6 ) 数据字典；( 7 ) 消息交 换协议：( 8 ) 消息交换的网络支持：( 9 ) 消息交换的点对点通讯的支持。 图3 2d i c o m 标准各部分关系 d 1 c o m 3 0 标准的各部分关系如图3 2 所示，其内容描述如下： 第一部分：引言与概述，简要介绍了d i c o m 的概念及其组成。 第二部分：兼容性，要求制造商精确地描述其产品的d i c o m 兼容性，即构造一个该产 品的d i c o m 兼容性声明，它包括选择什么样的信息对象、服务类、数据编码方法等，每一 个用户都可以从制造商处得到这样一份声明。 第三部分：信息对象定义，利用面向对象的方法定义了第四部分中所要的信息对象的 属性和结构，信息对象包括医学影像、研究结果以及病人信息等。 第四部分：服务类定义，定义了多种服务类，这些服务类将用来对第三部分定义的信息 1 2 p a c s 系统图像处理和通讯设计方法的研究第三章d i c o m 标准及其应用 对象实例进行操作，服务类包括存储、检索及打印等。 第五部分：数据结构及语义，描述了怎样对信息对象类和服务类进行构造和编码。 第六部分：数据字典，定义了各种信息对象( 由第三部分规定) 实例的信息属性。 第七部分：消息交换，定义了进行消息交换通讯的医学图像应用实体所用到的服务和协 议。 第八部分：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d i c o m 应用进行消息交换所必要的上层协议，从而支持第七部分的消息交换。 第九部分：消息交换的点对点通讯支持，说明了与d i c o m 2 0 兼容的点对点通讯的服 务和协议，从而支持第七部分的消息交换。 除了前面九个部分以外，d i c o m 标准还包括：第十部分，存储媒体和文件结构；第十一 部分，媒体存储应用介绍；第十二部分，媒体格式及物理媒体；第十三部分，点对点打印管理： 第十四部分，灰度显示函数标准。 3 4d i c o m 标准的信息对象模型 3 4 1 实体关系( e n t i t y - r e l a t i o n ) 模型 实体关系模型如图3 3 所示。实体代表一个实际的对象，可以是信息对象实例“列如一 台c t 机或一幅医学影像) ，可以是服务类实例( 例如图像传输服务类或图像打印服务类) 。 关系：用来定义有多少实体与该实体有联系。 图3 3 实体关系模型 3 4 2 信息对象模型 d i c o m 标准采用面向对象的数据定义方法，定义了很多信息对象( i n f o r m a t i o n o b j e c t s ) 和服务类( s e r v i c ed a s s e s ) ，并通过实体一关系模型( 图3 3 ) 表明工作环境中各种实体问 的关系。图3 4 显示了d i c o m 标准的信息模型，它清楚地表明了放射科工作中各种实体间 的关系。 p a c s 系统图像处理和通讯设计方法的研究 第三章d i c o m 标准及其应用 图3 4d i c o m 的信息模型 3 5d i c o m 标准关于网络通信的规定 d i c o m 的网络通信协议将i s o 的o s i 七层模型和t c p i p 协议相结合。图3 5 是该模 型的结构图。从图中可以看出，d i c o m 不仅支持点对点通信，而且从更广泛的意义上支持 网络连接使得d i c o m 信息可以在广域网上传播。由此带来的好处是多方面的，如可以对 设备进行远程诊断调试，远程医疗咨询和诊断，与i l l s 和h i s 的无缝连接等。d i c o m 标准 4 0 a i a 2 l 的第七、八、九部分对此进行了详细的介绍。 ，r、 会话| 传输， 网络 ( s t n ) 数据链路 物理 点到点 目 i s o 联合控制 服务元素 ( a c s e ) i s o 表示层 i s o 会话层 i s o 传输层 i s o 网络层 l l c 玉叵亘二 网络环境 图3 5d i c o m 的网络模型 1 4 p a c s 系统图像处理和通讯设计方法的研究 第三章d i c o m 标准及其应用 d 1 c o m 标准在应用实体与t c p i p 协议层之间定义了它的上层协议。该上层协议包括 七个协议数据单元( p d u ，p r o t o c o ld a t au n i t ) ，定义了一次通信过程( 请求连接，响应请求， 建立连接，传输，断开请求，断开响应，断开) 所须遵守的协议。分别是：a s s o c i a t e - - r q p d u ( 请求连接) 、a s s o c i a t e - - a cp d u ( 响应请求) 、a s s o c i a t e - - r jp d u ( 建立连 接) 、p d a t a t f p d u ( 传输) 、r e l e a s e - - r q p d u ( 断开请求) 、r e l e a s e - - r p p d u ( 断开响应) 、a b o r t p d u ( 断开) 。在图像传输过程中将t c p i p 数据包封装为协议数据 单元的格式即可实现图像传输对d i c o m 标准的支持。 3 6d i c o m 标准的应用 近年来由于a c r 与n e m a 在医疗数字影像传输规范的发展与努力，d i c o m 已成为 北美、欧洲及日本各国的医学影像应用的标准。这些协会除了a n s i ，o s i 外，还包括欧洲医 疗信息技术标准委员会( c e h r r c ，e m o p e mc o m m i t t e e f o rs t a n d a r d i z a t i o nt e c h n i c a l c o m m i t t e eo i lm e d i c a li n f o r m a f i c s ) 及日本放射仪器工业协会o m a ，j a p a ni n d u s t r i e so f a s s o c i a t i o nf o rr a d i a t i o na p p a r a t u s ) 。1 9 9 4 年，在美国芝加哥所举办的r s n a 年会上，就已 经有4 0 个以上的厂商参与d i c o m 的成果展示，他们利用d i c o m 标准，通过网络与各医 院连接，进行医学影像( 例如c r 、c t 、m r 、u s 各类型医学影像资料) 传输及处理。 目前，国际上主要的医疗设备生产厂家和p a c s 都采用该标准作为医学影像设备互操作 接口及医学影像数字接口，它已成为事实上的国际标准。因此在研制医疗影像设备，p a c s 。 h i s ，r i s 时，就必须对d i c o m 标准进行学习和研究。 p a c s 系统图像处理和通讯设计方法的研究 第四章图像处理方法的研究 第四章