医学信息学chapter6PACS课件

1、图像存储与传输系统Picture Archiving and Comuniations System， PACS主要内容常用医学成像设备简介PACS系统的概念及发展PACS的功能与业务流程实施PACS的关键问题第一节 常用医学成像设备简介宏观 微观体表 体内结构 功能静态 动态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。1895年，光的发现者伦琴，1901年获诺奖X线图像及成像设备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。计算

2、机X线摄影（CR) 利用激活荧光体，荧光体含有收集器，收集入射的X射线激活的电子构成潜影，并由激光读出成像信息，形成数字式平片图像。与常规胶片图像的形成过程相比，CR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)数字减影血管造影（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。DSA类型时间减影、能量减影、混合减影、数字体

3、层摄影减影等。应用脑血管瘤及血管畸形的检查介入手术基础辅助技术数字减影血管造影（ Digital Subtraction Angiography，DSA)X线CT图像是以测定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。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。X线CT图像（Computerized Tomog

4、raphy，CT）CR 、DR、 DSA和X机都是平面X线成像，X光机是胶片，CR采用ip板，DR是直接数字成像。 CT是断层扫描，可重构三维图像。体表-体内平面-立体伦琴对科学做出的伟大贡献，1901年被授予诺贝尔物理学奖。伦琴成为诺贝尔奖设立后的第一位获奖者。超声US图像频率高于2万赫兹的声波称为超声波。超声成像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。三维超声成像。具有强图像立体感.分为静态三维成像和动态三维成像，动态三维成像由于把时间的因素加进去，用

5、整体显像法重建感兴趣区域准确实时活动的三维图像（又称四维）。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。胶囊内窥镜(capsule endoscopy) 胶囊内窥镜由七部分组成，透明外壳、光源、成像元件、传感器、电池、发射和接收模块组成。图像、温度、pH值等传感器检测部件检测消化道内信息，该信息经过信号处理部件的处理经无线发射部件发送至体外

6、。体外接收机接受信号，经过体外处理单元的处理，在终端显示出来眼科光学相干断层扫描OCTOCT是近年迅速发展起来的一种光学诊断技术，可进行活体眼组织显微结构的非接触式、非侵入性断层成像。工作原理与超声非常相似，只是它使用的是光，而非超声波。用在视网膜检查，尤其是黄斑活体解剖结构的检测、眼底疾病定位和定性等方面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

7、素种类的不同，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。单光子发射成像(SPECT)心脏的三维重建脑骨骼正电子发射成像(PET)放射性同位素注入人体，同位素的正电子在湮灭时发射伽玛射线，经检测器阵列接收，根据接收强度成像。可以反映活体靶组织在某一时刻的血流灌注、糖/氨基酸/核酸/氧代谢或受体的分布及活性状况，可同时给出相应的活性生理功能参数GE公司SPECT/PET、CT组合

8、磁共振图像（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。磁共振波谱分析是MRI技术研究的热门课题，有可能在获得病人解剖结构信息的同时又得到功能信息。磁共振图像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）医学图像简介按信号方式区分： -模拟图像：人眼看到的景物图像及用照相机拍的照片和X线底片等利用光学、化学等技术方法和相应设备，对图像本身进行的加工和处理所得到的图像，如X胶片。 -数字图像：用数码相机或数字化仪器获得的能直接在计算机中进行处理的数字化的

9、图像数字图像相比模拟图像有三个优点：一是可以方便的改善图像质量，提高人眼对图像的视觉效果。例如对图像的亮度、对比度和彩色进行变换；增强感兴趣部分、抑制不感兴趣部分；对图像进行变形矫正等。二是可以灵活的提取图像中所包含的某种特征信息，如形状特征、纹理特征、灰度颜色特征、边界特征、频率特征等信息，供计算机分析图像时使用；三是可对图像数据进行变换、编码及压缩，以便图像处理、存储和传输等。按是否变化区分： -静态图像: 指一幅图像显示出来以后，在不对其进行修改时它在长时间内是不变的，是静止不动的 医学图像大部分是静态图像:CT,X,MRI -动态图像:超声、内镜 -视频图像数字医学图像的特点：二高一大

10、（高分辨率、高精度和大数据量） 医学影像信息容量表 名 称一幅图像容量每次图像数总容量DSA512512815-404-10MBMRI25625612(16)608MBCT51251212(16)4020MBCR2048204812216MBDR2048204812216MB第二节 PACS系统的概念及发展历史一 PACS系统概念 PACS（Picture Archiving and Comuniations System）即图像存储与传输系统，是应用于医院的各种数字医疗影像设备如CT、MR、US、内镜、DSA、CR、DR等设备所产生的数字化医学图像信息的采集、存储、管理、诊断、信息处理的综合

11、应用系统。硬件和软件系统。随着技术的发展，许多概念、关键技术发生了很大的变化。从影像管理到影像诊断，从诊断到更大范围和更高层面管理和应用。影像管理-诊断-管理二 PACS系统的发展历史PACS的概念提出于80年代初。建立PACS的想法主要是由两个主要因素引起的：一是数字化影象设备，如CT设备等的产生使得医学影象能够直接从检查设备中获取；另一个是计算机技术的发展，使得大容量数字信息的存储、通讯和显示都能够实现。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）第一阶段（80年代中期-90年代中期）计算机自身性

12、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

13、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。Sta

14、ndalone Workstation Enterprise Image ManagementPACS Evolution1980s1990sCurrent GenerationModality archiving simple storage systemsIndividual modality based systemsNo workflowMulti-modality systemsFocus on workflowSimple RIS integration using interfaces/brokersLimited enterprise workflowNo IT integra

15、tionModality ArchiveDepartment WorkflowEnterprise solution hospitals, clinicsIntegrated RIS/PACS workstationWeb based connectivity with referring physiciansStandalone advanced clinical appsEnterprise WorkflowRISDBCRMR/CT, etc.Diagnostic WSWebIntegrated RIS/PACS WSAdvanced Apps1 医院2 管理3 患者4 医生三 建设PAC

16、S系统的意义四 PACS的发展现状制约PACS发展的技术和价格瓶颈已经被打破，网络、存储、显示、数据库等已经非常成熟。PACS的软件经过30年的发展，已经相当完善和实用，价格已经降到可以接受的水平。大部分医院已经上了HIS,有了相当规模的网络基础和技术队伍。影像设备都支持DICOM3.0接口。图像第三节 PACS的功能与业务流程影像采集影像存储影像传输影像显示影像处理一 影像采集医学影像非数字化接口采集卡DICOM网关数字化但非DICOM3.0格式的接口标准DICOM3.0接口DICOM网关影像服务器DICOM文件病人信息病人信息病人信息支持DICOM3.0的设备:不支持DICOM3.0但为数

17、字化的设备:骨密度测量仪热成像仪DICOM 网关胶片等其它图像:二 影像存储影像存储并不是单纯的影像存储，而是追求更为有效和安全管理的PACS系统的核心部门。在存储影像的数据库方面，要结合医院实际情况和业务,彻底分析影像信息及与影像相关的所有信息。为了管理如此大容量的信息，数据库管理系统(DBMS)必须使用通过安全性检验的商用产品。存储设备同样需要稳定性，可靠性和数据的管理方法，同时因多数用户同时接入设备中，所以对设备的性能，配置要求比较高。1 分级存储策略：本地存储：影像工作站本地硬盘。为了提高显示速度，通常在院和15d以内病人的影像信息以本地保存。影像工作站硬盘选择根据需求大小。在线存储(

18、短期)：保存医院全部病人的医学影像，供全院各科室在预先授权下，随时、快速调阅和查询，一般可以在线保存3-6个月的影像。近线存储(中期)：通常保存5年以内病人的影像信息。离线存储(长期)：超过5年的影像。短期存储设备(在线存储)RAID，是Redundant Array of Independent Disks的缩写，并行存储和传送RAID 1 ：由主硬盘和镜像硬盘各一半的结构，安全性增加，需要的费用较多。RAID 1的数据安全性在所有的RAlD级别上来说是最好的。但是其磁盘的利用率却只有50%，是所有RAID级别中最低的。使用RAID-1，写入到硬盘0的所有东西的副本被写入它的镜像硬盘。RAI

19、D-1的好处是如果一个硬盘坏了，你有一个能够提取的完美工作备份，直到你更换了坏掉的硬盘。支持 “热替换”RAID 1中期存储设备(近线存储)解决方案(1)直接附加存储DAS （Direct Attached Storage DAS）(2)存储附加网络（Net Work Attached Storage NAS）(3)存储区域网络（Storage Area NetWork SAN）DASNASSAN优点结构简单实现容易成本低易于使用和管理可靠性高可靠性高扩展灵活存储量大高速存储缺点扩展性差占用服务器资源增加网络开销应用广泛通用性差实现较难成本高三种中期存储设备解决方案的比较长期存储设备(离线存储

20、)作为备份设备采用磁带库系统方式，定期进行数据备份, 以确保发生故障之后能够复原数据。磁盘阵列和磁带库的区别？磁盘阵列RAID:多个磁盘被同时读写，共同协作，用来存取数据，组成的高性能高可靠性的阵列磁带库:用来存数据，存好放起来，由于性能低下，并不能实时响应用户请求，就是作为个数据仓库，用来长久的存放数据。三 影像传输: 速度对整个PACS的成败有着非常重要的影响1 PACS影像传输流程影像服务器非数字化设备采集工作站DICOM网关数字化但非DICOM格式的设备DICOM设备磁带库/光盘库浏览工作站诊断工作站诊断工作站浏览工作站2 提高影像传输速度的方法：增加网络带宽：将检查科室和临床医生工作

21、站的网络带宽从l0 M升级到l00 M。将影像服务器设在影像楼，这样影像科室就能在1个网段内调阅病人影像服务器采用多网卡，增加服务器的网络带宽。影像后台自动传输：就是影像服务器根据HIS检查信息将生成的DIC0M文件由后台自动发送到诊断工作站和提出检查申请的临床浏览工作站。这样要调阅病人影像时其影像已在本地机器，从而提高医生浏览速度。分级调度管理：把诊断工作站或浏览工作站中的一台设为分中心。通常影像服务器只把影像分发到分中心，其余工作站的影像信息由分中心分发，这样既保证了医生能在任意一台工作站上调阅病人影像，又减轻了影像服务器压力，从而提高了影像传输速度。分级调度示意图影像服务器放射科分中心临

22、床科分中心分中心放射科1放射科3临床科1临床科53 图像压缩提高影像传输速度的另一方法是图像压缩图像压缩技术是PACS中优化数据存储和传输的、不可或缺的重要工具。图像压缩的目的： 在确保诊断准确性的基础上，通过减少图像数据的冗余度来节约储存管理的成本，提升传输的效率。图像压缩技术的分类无损压缩(lossless compression) 优点：可完整重建源图像而不导致任何图像信息损失缺点：图像压缩比1.5:1 4:1有损压缩(lossy compression) 优点：可达到相当高的图像压缩比缺点：重建的图像丢失部份信息，源图像不能完全重建显然，有损压缩在PACS传输中具有更大的实用价值。图像

23、压缩技术在医学临床上的应用鉴于有损压缩有可能丢失具诊断价值的信息，影响医学影像的诊断准确性，关于它在临床上是否适用，一直存有争议。美国放射学院(ACR)：ACR Standard for Teleradiology - 在确保临床诊断所需的图像质量前提下，由医师自行决定采用何种压缩方法(包括有损和无损压缩)。 - 凡压缩图像，必须标示所采用的压缩方法和压缩比率。 - 负责医师必须定期检查评估系统所用的压缩方法与比率，确保临床影像的质量。无损压缩无损压缩算法通常包括图像分解和编码两个步骤霍夫曼编码游程编码LZW编码有损压缩医学上常用的有损图像压缩算法包括：离散余弦变换(DCT)编码 -如：旧有的

24、JPEG压缩标准，目前应用最广小波(Wavelet)变换编码 -如：新颁布的JPEG2000压缩标准，有后来居上之势分形基(Fractal)编码 -适用于一般彩色图像医学图像压缩标准JPEG(joint photographic expert group，联合图片专家组)：静止图像的压缩编码MPEG(moving picture expert group，运动图像专家组)：运动图像的压缩编码DICOM标准与图像压缩技术DICOM3.0标准都支持JPEG图像压缩标准。DICOM标准委员会Work Group 4负责筛选适用于医学影像的图像压缩方法，它与联合专家小组(JPEG)保持密切联系，确保新

25、制定的图像压缩标准，如：JPEG2000，充分考虑医学影像的特殊需要。2001年9月，DICOM标准委员会批准将JPEG2000标准Part 1 纳入DICOM标准的补充文件。有损压缩和无损压缩对图像质量影响的对比研究-双盲法(上海第二医科大学附属瑞金医院)标准有损压缩(10:1)图像与无损压缩(3:1)图像质量比较(1947幅) -有损压缩与无损压缩的图像质量被判定为相同占97.35%； -有损压缩的图像质量被判定为优于无损压缩的图像质量25幅图像； -有损压缩的图像质量低于无损压缩的图像质量28幅图像，不过两位读片者均认为这些图像不影响诊断。高比率有损压缩(20:1)图像与无损压缩(3:1

26、)图像质量比较(1727幅) -有损压缩与无损压缩的图像质量被判定为相同占86.35%； -有损压缩的图像质量被判定为优于无损压缩的图像质量4幅图像 -高比率有损压缩的图像质量低于无损压缩的图像质量269幅图像，但两位读片者都认为这些图像不影响诊断。肉眼无法区分无损压缩(压缩比为3:1)和标准压缩比(10:1)的有损压缩图像，甚至较难区分部分高压缩比(20:1)的有损压缩图像。因此有损压缩的图像完全可以运用到临床影像诊断中去，适度的有损压缩不会影响临床诊断的准确性。PACS系统中的具体图像压缩方案医院PACS系统可以同时采用无损压缩和有损压缩，其中有损压缩算法采用JPEG标准。原则：根据临床工

27、作实际需求，对不同备份的影像采取不同的压缩方法与压缩比，从而既保证医学影像诊断所需要的图像质量，又可以增加主服务器上所能在线保存的影像数量。PACS系统中的具体图像压缩方案主服务器上的影像：3-6个月内(在线存储)取无损压缩，主要供放射科诊断及部分对图像质量要求较高的临床科室使用；6个月(近线存储)以后的图像取10:1的有损压缩，主要用于图像的回顾对照。前置服务器上的图像：取10:1的有损压缩，主要供一些对影像质量要求不高的临床科室使用，并可降低主服务器的压力。后备服务器上的影像：取无损压缩离线备份的影像：取无损压缩，以备长期存档和举证之用。四 影像显示与显示器传统医学图像诊断：“荧光屏-胶片

28、-灯箱”组合模式 PACS中图像诊断：“数字图像信息-监视器”或“胶片-数字化仪-监视器”组合模式 显示器是PACS组成中的一个重要部分，它直接关系到PACS所显示的图像质量并影响到软读片的准确性。另外显示器在整个PACS建设的投资中也占有相当的比例。因此如何合理选择和配置显示器，在PACS建设中具有重要意义。影响显示器显示图像质量主要因素1 显示器本身的性能 -灰阶：假设灰阶是10BIT，就表明从最黑到最百的变化过程是2*10=1024个变化。(医用专业高灰阶显示器) -图像几何形状:尺寸、位置、方向 -空间分辨率 -亮度 -稳定性:不出现过度闪烁 -伪影:叠影，黑白交换的叠影等 -与色彩相

29、关的性能:色彩稳定性,色平衡等2 环境条件-建议软读片室的环境: (1)保证软读片室有较暗的读片环境。 (2)软读片室灯光必须采用白炽灯或卤素灯。 (3)软读片室绝对不能使用荧光灯，以防止频闪，影响读片。 (4)软读片室内每个读片终端最好各自配备一个可调灯光，以确保满足每一个人的对环境亮度的个性需要，提高读片质量 (5)软读片室内的墙壁最好选用低反射的墙壁涂料。 (6)软读片室内的地板最好也选用暗的或亚光的油漆。 (7)读片终端的桌面最好也选用低反射的桌面，这不光是为了确保读片室的低亮度环境，也是为了防止影响光电鼠标的准确性。 (8)读片终端显示器必须远离高电磁辐射，以免影响显示器上显示的读片

30、质量。显示器的档次专用医学高分辨率高亮度CRT显示器(1K、1.5K、2K、及2K以上)等专用医学高分辨率高亮度液晶显示器(1K、 1 .5K 、2K)等普通的大屏幕CRT显示器(21、25)附：各种分辨率1024X768 / 768X10241280X1024 / 1024X1280 1M显示器1600X1200 / 1200X1600 2M显示器 俗称1KX1K，或简称为1K。2048X1536 / 1536X2048 3M显示器 2560X2048 / 2048X2560 5M显示器 俗称2KX2K，或简称为2K。多屏显示器单屏显示器：空间占有小，投资成本略低，适合临床科室的图像浏览及一

31、些空间较狭小读片室内使用。双屏显示器：投资成本略高，但较适合放射科诊断所用，因为它能较方便地提供双屏图像对照使用。48屏的多屏显示器: 在以前PACS刚推出时，是非常流行，但它空间体积大，投资成本高，目前的PACS已较少配置，目前主要用于会诊及读片讨论。不同种类的医学影像有不同的显示器要求影像空间分辨率要求灰阶分辨率要求光片、CR、乳腺片影像2以上1024级-4096级、影像512x5124096级超声、内窥镜影像320-512256级彩色影像病理影像512x512或1Kx1K256级彩色图像图像显示器的亮度是非常重要的。ACR建议最小亮度为50 foot-Lamberts(英制单位,1fL3

32、.426 nits,nits为每平方米的烛光亮度)一般可用的亮度为 65 foot-Lamberts 国外一些放射专家甚至要求120-140 foot-Lamberts显示器调节得越亮，则意味着，显示器的寿命越短，医生眼睛的疲劳程度也越大（图像很暗，也会增加眼睛的疲劳程度）注意：关于图像显示器的亮度五 影像处理图像和数据后处理功能: 如直方图均衡、图像平滑处理、边缘增强、窗宽、窗位的预设和连续调整、正负像旋转、漫游以及长度、角度、面积测量等，以坐标方式显示CT值。具有无级缩放功能。多幅图像同屏显示，显示矩阵可由用户自定义。支持图像黑白反转、伪彩色等显示功能。支持动态电影回放，并可同屏显示同一病

33、人不同设备检查的多个动态电影图像。同一屏幕可分格显示病人的不同影像供诊断比较。图像上可以添加任意形式的图形或文字标注，并可在激光相机上输出。多途径的图像查询和调阅(根据病人姓名、住院号、检查号、ID号、检查科室、检查医生、影像设备多种条件)。第四节 实施PACS的关键问题1、最充分的准备：市场调研、方案制定；2、最真实的图像；3、最快的速度；（采集、传输、存储、处理、显示）；4、最精确地的诊断；5、最安全的存储；6、最好的利用；最大的经济社会效益一 PACS实施前期的准备工作1、PACS系统的调研确定可选的PACS系统在大型医院的较长时间和较多病例的稳定使用具有自主版权和掌握PACS的核心技术

34、，这是工程实施个性化和具有生命力的基础。紧密贴近临床的工作流程和临床使用细节，功能丰富、操作简明、系统稳定，速度快。符合DICOM3.0和HL7等标准包括PACS全线产品：单机工作站，miniPACS, 全院PACS、WEB工作站、远程放射和影像教学资源库 。实现整体规划分布实施。能够方便的与HIS系统高度集成 。支持多子网混合结构，多级权限管理，多级存储管理. 提供权威、丰富的CT/MR/放射/超声/病理/内镜诊断报告模版库 ，支持图文一体化报告 支持智能匹配、纠错和人工纠错，敏感病人管理和急诊快速通道。2、对医院需连入PACS的影像设备进行全面地调研，掌握各影像设备的现有指标并绘制相应的表格。（设备接口、各独立网络状况）3、根据需连入设备每日生成的数据量（动态、静态）进行定量预测、计算、分析：确定医院在线、近线和离线数据保存的方案。可根据设备所在的物理位置及数据量，确定适合医院PACS的合理的网络结构。4、根据各影像设备及所在科室实际运作的特点，设计PACS和HIS中病人信息的融合方式及融合时机。（通