PACS与医学摄影图像数字化管理

1、 PACS 与医学摄影图像数字化管理郭华源,薛万国(解放军总医院计算机应用与管理科,100853摘要:医学摄影图像是一种重要的医疗、教学和科研资料。为了进一步管好用好医学摄影图像资源,本文从剖析PACS 影像文件管理特点的角度积极探索医学摄影图像数字化管理方法。重点分析DICOM 文件结构、DICOM 图像信息模型、索引信息组织等技术原理和特点。最后,借鉴PACS 影像文件管理技术,针对医学摄影图像特点提出一种医学摄影图像数字化管理整体方案。关键词:PACS ;影像文件管理;医学摄影图像中图分类号:TP391文献标识码:A 文章编号:1009256242(2010022* 收稿日期:20102

2、01227作者简介:郭华源(19792,男,工程师,工学硕士,主要研究领域是PACS 应用,高性能计算。1引言医学摄影以光学、电子等摄影原理为基础,借助摄影的方法和手段对医学专业领域的人物、事件以及人体微观世界进行记录性拍摄1,2。医学摄影是摄影技术在医学领域里的具体应用。医学摄影为临床、科研、教学领域服务,在预防医学、健康教育、卫生知识普及和宣传等方面也发挥着极其重要的作用。为了进一步管理好医学摄影图像资源,提高图像查询检索服务质量,本文通过分析PACS 影像文件管理机制和特点,探讨医学摄影图像数字化管理方法。2PACS 系统组成PACS 是医学图像归档与传输系统(Pict ure Arch

3、iving and Co mmunication System 3的简称。它将影像采集设备(如CT 、磁共振等、存储设备和影像工作站通过计算机网络连接在一起,实现医学影像数字化采集、集中化存储、组合化检索和网络化调阅。PACS 是医院信息系统的一个重要组成部分。PACS 通过运用计算机、网络通信和数字图像处理等技术整合全院医学影像的获取、存储、传输、显示和管理,解决传统人工管理医学影像方法给影像资料的存储、查找和调阅带来的诸多问题。PACS 系统不仅为医院实现无胶片化管理和影像信息集成提供了解决方案,而且为实现远程医疗、计算机辅助医学影像诊断、数字化手术计划和导航等提供了支撑平台。PACS 按

4、照功能组成可划分为4部分(如图1所示,各部分的工作原理为:图1PACS 系统组成示意图Fig1The sketch map of PACS system95 211数据采集检查设备对患者身体进行扫描成像,并将成像数据以文件的形式临时存放在检查设备上。212影像上传为了实现集中存储和共享,检查设备需要把影像文件以标准格式通过网络传输到PACS 服务器中。通过设置,只要有新影像数据产生,检查设备就能自动将其上传到服务器。213文件归档服务器接收到影像文件后,根据预定的归档方案依次对每个文件进行解析,将提取的索引信息存入数据库,把文件存入磁盘阵列的相应目录下。214检索调阅用户在影像浏览终端(如诊断

5、工作站、医生工作站上通过网络向PACS 服务器提交检索申请。服务器根据检索条件,在数据库中查找相应数据,并把结果及时反馈给用户。用户通过检索结果从服务器取回影像文件,并在影像浏览终端上进行影像显示和处理。PACS 系统建设中需要解决的主要技术问题有大容量存储、高速网络传输、高分辨率显示、海量文件管理等等。经过多年的发展与探索,PACS 已经较圆满地解决了上述问题,形成独具特色的文件组织机制和使用管理模式,能够对系统中存储的各种影像数据进行安全有效管理,为临床提供方便快捷的影像检索和调阅服务。 3PACS 影像文件管理在PACS 系统中,医学影像数据是通过使用独立的格式,以文件的形式进行存储。其

6、中,DI 2COM 格式是最常用的影像文件存储格式。此外,还有其他的文件格式,例如AV I (Audio Video Interleve 、PDF (Portable Document Format 等,主要用于保存运动视频影像数据和报告扫描数据等。DICOM 文件是指按照DICOM 标准存储的医学文件。其中,DICOM 影像文件是DICOM 文件中最常见的一类文件,因此常被简称为DICOM 文件。PACS 系统中影像文件具有3大特点:一是影像数据量增长迅速;二是影像文件数目巨大;三是文件访问频率高。因此,为了保证PACS 整体系统性能,一方面积极采取增大网络带宽、提高服务器性能、扩充存储空间

7、等措施;另一方面从DICOM 文件结构、DICOM 图像信息模型、索引信息组织等方面对影像文件实施有效管理,确保PACS 系统平稳运行。311DICOM 文件结构一个DICOM 文件不仅包括影像检查的像素数据,而且还包括涉及此次检查的受检者基本信息、图像数据的组织编码方式、文件压缩方法、设备成像的技术参数和其他相关信息等。一个DICOM 文件能够包含如此丰富的信息,其根本原因就在于DICOM 文件采取了一种独特的文件结构。根据DICOM 标准,DICOM 文件从结构上可以分为文件头和数据集两部分4,如图2所示。其中,DICOM 文件头包括3部分,首先是128字节的前同步码,用于兼容其它通用计算

8、机文件格式(如BM P 文件等;然后是4字节的文件前缀,内容为大写字符“DICM ”,通常被用作判断是否为DICOM 文件的依据;第3部分是文件元信息(meta information ,包括文件元信息版本、传输语法、媒体存储服务对象对类(实例唯一标识符等。图2DICOM 文件结构Fig2The structure of DICOMDICOM 文件的主要组成部分是数据集。数据集由很多数据元素组成,并按照数据标签值大小呈升序排列。数据元素主要有4部分组成:标签6 (Tag 、值表示类型(可选项、值长度、值域。DICOM 将所有数据元素进行统一分类编码,并在此基础上形成一个完整的数据字典。通过查询

9、标签值,就可以准确找到数据元素。其中,标签值为(7EE0,0110的数据元素是DICOM 文件中最重要的一个数据单元,该单元包含了DICOM 图像显示所必需的像素数据。例如,图3(a 为一幅头颅MR 影像,图3(b 为该影像文件的部分数据元素信息。 图3Fig3A skull MR image (a ;The date elements of MR image file312DICOM 图像信息模型DICOM 图像信息模型是源自对放射科日常处理图像工作方式的抽象。多种形态的图像都被收集到患者病历中。当集中不同来源的图像时,必须对图像数据进行分类排序。在DICOM 的信息模型中主要有四个层次5,

10、分别是患者、检查、系列和图像。31211患者层次患者层次包含一个或多个检查所属的同一患者标识及相关信息。患者层次是最高层次,一个患者可能存在多个检查。31212检查层次检查层次是信息模型中最重要的层次。每个检查都唯一对应某个患者的一次医学检查,一个检查可以包含一个或多个影像序列。同一检查内的每一个图像文件都有相同的St udy Instance U ID 值。31213序列层次通常一个检查请求可能会涉及不同形态的检查过程,这就会产生一个或多个图像序列。一个序列可以包含一幅或多幅图像,但每一个序列都唯一对应一个检查。序列以检查作为“根”将一次检查的所有图像数据集中在一起。同一序列内的每一个图像文

11、件都有相同的Serials Instance UID 值。31214图像层次图像文件用于存放影像的像素数据。一个图像文件可以存放单帧图像的像素数据,也可以存放多帧图像的像素数据。每一幅图像都唯一对应某一个检查下的某一个序列。每个图像文件都通过数据元素记录下该幅图像所属的患者标识、检查类型和检查项目、所属哪个检查/序列的标识,以及在该序列中的图像序号。这样,即使脱离数据库的支撑环境,仅仅依靠读取文件本身的数据元素,就可以准确了解影像文件的所属患者、所属检查等重要信息。这不仅保证图像信息的准确可靠,而且还为DICOM 文件的广泛传播与正确使用提供了技术保障。如图4所示,这是一个患者在某家医院多次检

12、查的影像信息。通过采用DICOM 图像信息模型的四级结构对影像文件进行分级分类管理。16 图4按照“患者2检查2序列2图像”四级层次组织影像检查信息Fig4The image information f ramwork of “patient 2study 2series 2image ”313索引信息组织 PACS 中针对影像文件的操作主要有增删、查找和取回等。对于海量影像数据的高频率检索等操作,关系数据库在性能上无法满足PACS 快速响应的需求。在关系型数据库中,通过建立索引等优化手段能够大幅提高查询速度。但如果直接对DICOM 文件进行检索,则需要对每个文件都按照DICOM 格式进行解析

13、和判断,操作步骤多、耗时长。此外,影像数据总量巨大,可达数十Ter 2abyte (TB ,而且增长迅速。如果直接在Oracle 或SQL Server 等关系型数据库中存储影像文件,则数据库文件的容量很容易就会突破操作系统的支持限度。因此,PACS 通常采用一种折中的办法6“数据库索引+文件实体”。如图5所示,将DI 2COM 影像文件所包含的病人、检查、设备等相关信息抽取出来,作为索引信息存储到关系数据库中。而将影像数据以文件的形式存放在图像存储阵列中。并且,把每一个影像文件的存放路径作为一个重要的文件属性也存入服务器,据此在数据库和图像存储阵列之间建立了对应关系。如果用户做一般的统计查询

14、或信息检索,则只要依托数据库就能完成工作;只有当需要调取影像文件时,才会根据文件路径信息,到存储阵列上取回对应的影像文件。这样,通过结合使用数据库技术和文件存储技术,达到取其所长,避其所短的互补效果。图5PACS 索引信息组织示意图Fig5The index structure of PACS另外,影像文件主要通过2种方式存放在存储阵列中。一种是用户根据实际需要自主定义目录结构,并把影像文件依次存放在预定的目录下;另一种是参照信息模型的四级结构来存放文件,其中患者、检查、序列具有目录的性质,而图像则是以文件形式出现。第1种方法的优点在于操作简单,可自主定义目录结构,适合于海量数据的存放;缺点是

15、没有体现信息模型分级分类的思想,不能直接根据目录结构方便的查找影像文件。第26 二种方法的优点是影像文件按照患者、检查、序列等层次对应存放,层次分明,查找方便,适合于少量数据的刻录或拷贝;缺点是文件目录结构庞大。4医学摄影图像数字化管理医学摄影图像从成像器材上可以分为微观摄影图像(如光学显微镜摄影、平面物体摄影图像(如心电图、脑电图、内窥镜摄影图像、红外光摄影图像、紫外光摄影图像等;从拍摄对象上可以分为行业人物摄像、患者摄影、手术摄影、标本摄影、图片摄影、社会活动摄影等。传统医学摄影图像管理主要采用人工管理,对摄影图片进行分类编号集中保管,使用手工方式检索图片。这种方式效率低下、图片资料易丢失

16、易损毁。近些年,出现了基于计算机的医学摄影图片管理系统7。这类系统采用信息技术对摄影图片进行分级分类管理、并在局域网上实现信息共享。极大提高了管理效率和服务质量,但还存在几大不足。一是没有与医院信息系统相连接,限制了摄影图像的使用。例如与手术、治疗相关的摄影图片没有作为重要的病历资料存入患者病历;、借阅图片而设计,缺乏从图片标识、存储、查询等诸多环节对摄影图片实施完整管理;三是对图像质量和来源缺乏有效管理。结合PACS 系统对影像文件的管理特点,我们从以下两个方面探讨医学摄影图像的数字化管理方法。一是从PACS 角度来看,一些医学摄影器械已经数字化(如X 光机、胃肠道内窥镜等,其拍摄的影像也已

17、数字化,可将数字化影像文件作为病历资料存入PACS 。如果影像文件为非DICOM 格式,则需要由DICOM 网关把文件转换为DI 2COM 格式。处理流程如图6所示。二是从医学摄影角度来看,需要一个可扩展、高效率的数字化摄影图像管理的完整解决方案。借鉴PACS 文件管理机制,医学摄影图像管理系统共分为四大模块,分别是文件转换、文件输入、文件归档、信息检索和取回,如图7所示 。图6数字化影像文件存入PACS 的处理流程Fig6The work flow of sending digital image file to PACS图7数字化摄影图像管理系统示意图Fig7The integrated

18、structure of digital image management for medical photography36 首先 , 如果影像文件为非数字化文件 , 则需 经过文件转换模块转换为数字化文件 。常见的文 件转换方式是文件扫描 、影像翻拍等 。在文件输 入模块中 , 不仅要输入影像文件 , 而且要把该文 件主要相关信息 ( 如拍摄内容 、主题 、时间 、人 物 、作者等 作为附属信息进行编目 。其目的一 是使影像文件的信息更丰富 ; 二是把附属信息存 入数据库 , 支持多种条件检索和分类 。然后 , 采 用 “数据库索引 + 文件实体”的方法进行文件归 档 , 即把文件的属性信

19、息以索引的形式存入数据 库 , 而影像文件实体则以文件方式存放在存储空 间内 。系统支持多种条件组合检索 。当用户通过 网络进行检索时 , 系统根据检索条件查找数据库 。 最后 , 根据索引信息找到对应的影像文件 。这个 方案主要实现 3 大功能 。第一 , 对摄影图像进行唯 一标识 , 对图像内容所反映的相关医疗 、科研信 息进行关联并支持多种条件的检索和分类 ; 二是 基于网络提供快速便捷的医学摄影图像检索和取 回服务 ; 三是提供对摄影图像文件的全生命周期 管理 , 包括图像导入 、导出 、存储 、查询等 。 广泛应用 , PACS 与医学摄影图像管理可能会出现 一定程度的融合 。其中

20、, 通过将部分数字化摄影 图像纳入到 PACS , 能够扩大 PACS 影像种类 , 丰 富数据资源 ; 另一方面 , 通过借鉴 PACS 影像文 件管理技 术 , 实 现医 学摄 影图 像的 数字 化管理 , 能够进一步提高摄影图像管理水平和服务质量 。 参 考 文 献 1 陈敏 ,孔令占 1 探讨医学摄影的发展趋势 J 1 信息记录 2 姜露嘉 1 关于医学摄影的性质与价值属性的思考 J 1 6 何博 ,曹晓光 , 杜振洲 1 DICOM 网关的设计与实现 J 1 7 柯新华 , 欧东 , 耿波 , 等 1 医学摄影图片的网络化管理 J 1 中国医学教育技术 ,2004 ,18 (6 :3

21、9123921 5 小结 随着信息技术的深入发展和医学摄影图像的 PACS and the Digital Management of Medical Photography GUO Hua2yuan ,XU E Wan2guo ( T he Com p uter De p art ment of PL A General Hos pi t al 100853 64 tio n , and scientific research1 In order to imp rove t he management and applicatio n of medical p ho2 tograp hy , t he image file management character s of PACS was summarized1 After paying more at 2 tentio n to t he analysis of t he DICOM file st ruct ure , DICOM image model and index st ruct ure , was a dig