HIS中的医学影像信息处理系统（PACSRISLIS）

第九章HIS中的医学影像信息处理系统

〔PACS、RIS、LIS〕一、医学影像PACS系统概述二、医学影像系统的开展历史概况三、当前在PACS中应用的主要技术和设备四、医学影像系统建设应采取的策略五、PACS的影像存储和传递形式六、PACS系统的组成七、PACS类型及特征八、PACS系统管理结构模式九、PACS目前存在的问题十、PACS的开展趋势十一、医学数字图像通讯〔DICOM〕标准一.医学影象系统概述医学影像系统通常称为医学影像计算机存档与传输系统〔PictureArchivingandCommunicationSystem简称PACS〕，是医院信息系统中的一个重要组成局部，是使用计算机和网络技术对医学影像进行数字化处理的系统，其目标是用来代替现行的模拟医学影像体系。它主要解决医学影像的采集和数字化，图像的存储和管理，数字化医学图像的高速传输，图像的数字化处理和重现，图像信息与其它信息的集成五个方面的问题。根据医学影像实际应用的不同目的，数字化的影像可分为三个精度等级：影像做为医疗诊断的主要依据时，数字化后的影像必须反映原始图像的精度；作为医疗中的一般参考时，数字化影像可进行一定的压缩，以减少对信息资源的占用；作为教学参考时，数字化影像只要能够保存影像中教学所需要的局部内容，允许对数字化的影像有比较大幅度的有损压缩。不同的医学影像对数字化的精度要求也不同，常见有：对Ｘ光胸片、乳腺Ｘ片影像，几何精度要求为２Ｋ以上，灰阶分辨率为1024级至4096级；对ＣＴ、ＭＲＩ影像，几何精度为512×512，灰阶分辨率为4096级；对超声、内窥镜影像，几何精度为320级-512级，灰阶为256级彩色影像，这类影像还需要是16~30幅/秒连续的动态影像；对病理影像，几何精度为512×512或1K×1K，具有灰阶分辨率为256级的彩色图像。随着现代医学的开展，医院的诊疗工作越来越多地依赖现代化的检查结果。象Ｘ光检查、ＣＴ、ＭＲＩ、超声、胃肠镜、血管造影等影像学检查的应用也越来越普遍。在传统的医学影像系统中，影像的存储介质是胶片、磁带等，这在使用中存在诸多问题。例如图像存储介质所占的空间不断增加，给存放和查找带来了严重的问题；各种不同检查的图像分别存放，临床医生要同时参考同一病人不同检查所产生的影像时往往借阅困难；传统图像存储和管理的独占性使得图像的丧失概率增加，利用率下降，异地会诊困难等。因此，传统的医学影像管理方法已经无法适应现代医院中对如此大量和大范围医学影像管理的要求。采用数字化影像管理方法来解决这些问题已经得到公认。由于医学图像数据量大，需要大容量的存储设备，高性能的显示设备和高速的计算机网络，高昂的费用曾经是建立PACS的主要障碍。随着计算机技术的开展，计算机和通讯设备的性能价格比迅速提高，高性能的计算机设备的价格已经可以逐步为一些经济条件较好的医院所接受。这为数字化医学影像存储和传输奠定了根底。在经济上和医疗质量上不断增长的要求下，使医院对PACS的需求也不断提高。二、医学影像系统的开展历史概况

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：一是数字化影像设备，如CT设备等的产生使得医学影像能够直接从检查设备中获取；另一个是计算机技术的开展，使得大容量数字信息的存储、通讯和显示都能够实现。在80年代初期，欧洲、美国等兴旺国家基于大型计算机的医院管理信息系统已经根本完成了研究阶段而转向实施，研究工作在80年代中就逐步转向为医疗效劳的系统，如临床信息系统，PACS等方面。在欧洲、日本和美国等相继建立起研究PACS的实验室和实验系统。随着技术的开展，到90年代初期已经陆续建立起一些实用的PACS。在80年代中后期所研究的医学影像系统主要采用的是专用设备，整个系统的价格非常昂贵。到90年代中期，计算机图形工作站的产生和网络通讯技术的开展，使得PACS的整体价格有所下降。进入90年代后期，微机性能的迅速提高，网络的高速开展，使得PACS可以建立在一个能被较多医院接受的水平上。1982年美国放射学会〔ACR〕和电器制造协会〔NEMA〕联合组织了一个研究组，1985年制定出了一套数字化医学影像的格式标准，即ACR-NEMA1.0标准，随后在1988年完成了ACR-NEMA2.0。随着网络技术的开展，人们认识到仅有图像格式标准还不够，通讯标准在PACS中也起着非常重要的作用。随即在1993年由ACR和NEMA在ACR-NEMA2.0标准的根底上，增加了通讯方面的标准，同时按照影像学检查信息流特点的E-R模型重新修改了图像格式中局部信息的定义，制定了DICOM3.0标准。这个标准已经被世界上主要的医学影像设备生产厂商接受，因此已经成为事实上的工业标准。目前，一些主要的医疗仪器公司，如GE、PHILIPS、西门子、柯达等，所生产的大型影像检查设备都配有支持DICOM标准的通讯模块或工作站，也有许多专门制造影像系统的公司生产支持DICOM标准的影像处理、显示、存储系统。

随着应用的不断开展，DICOM标准也在不断的更新，它所支持的医学影像种类也不断地增加，已经从原来ACR-NEMA标准只支持放射影像扩展到支持内窥镜、病理等其他影像。也有学者在研究处理医学图形、声音等信息，同时也有人研究DICOM与其他医学信息传输标准的沟通，如HL7〔HealthLevelSeven〕等。人们已经认识到医学影像系统应该是医院信息系统中的一个重要组成局部，PACS应该与其他系统相互沟通信息，形成一个医院信息的整体。三、当前在PACS中应用的主要技术和设备

我国的医院信息系统开展较晚，现在所使用的信息系统平台、网络技术都能够支持信息系统的应用和PACS。因此，重要的一点就是需要做好医院信息化建设的整体规划，使信息系统能够和今后逐步建立的各个系统顺利地连接，防止国外系统所遇到的麻烦。尽量采用通用的信息交换标准，模块化设计，尽可能与信息系统一体化是PACS建设时在技术上要认真考虑的问题。1、标准化技术标准化技术的应用在建立PACS中是非常重要的，使用工业标准能够使所建系统充分利用各种先进的设备，并能够充分集成各个公司所开发的采集系统、图像管理系统、显示系统、打印系统等。DICOM标准是医学影像数据交换的主要标准，其核心内容是：〔1〕定义了包括病人信息、检查信息和相关图像参数的图像头数据以及图像本身数据的图像格式。〔2〕定义了图像通过用点对点方式、网络方式、文件方式等进行交换的方法和标准。DICOM标准采用了面向对象的方法，将真实世界的模型抽象成为不同层次的对象模型，使图像的采集、存储、通讯更加便于计算机进行处理。它目前有14章，同时DICOM采用分章节更新的方法，能够随应用的开展而不断开展。２、PACS与其他系统的信息交换问题医院信息系统是一个整体，我们建立PACS的主要目的也是为医生提供医疗、教学和科研所需要的信息。医生在看检查图像的同时，也非常需要了解检查报告、病人的病历等其他信息。因此，将PACS与医院其他信息系统结合是非常重要的。国外一些兴旺国家在处理这个问题时遇到了很大的麻烦。一方面由于欧美等兴旺国家原来已经建立了基于大型机的集中式医院管理信息系统，这在技术上与现在的图形工作站系统连接存在一定难度。另一方面由于在早期系统设计时并未考虑到要与这些新的系统交换信息，在整体规划上没有一个统一的信息交换标准，造成了各个系统之间连接难题。一些医院为了解决这个问题，或采取在医生面前放置多台设备的方法，或专门设计一些接口供系统之间进行信息交换和同步。３、图像预取技术医学图像因其数据量大，传输需要占用很宽的网络带宽资源。而医院工作的特点是对图像数据的突发性要求高，例如在病人刚入院时需要调用大量的病历数据，也包括图像数据，而平时那么主要局限于使用住院病人的资料。在这样的环境下，信息系统网络的平均带宽需求与顶峰时的需求差距非常大。要想既满足医疗的需要又降低整个系统的本钱，使用图像预取技术是能够充分利用信息系统网络资源的方法。预取技术的核心就是根据病人入出院以及预约的信息，利用网络通讯的低谷时间将所需要的病人图像事先传输到医生所需要的地方，以减少网络顶峰时间的压力，同时也提高医生存取图像时的速度。要实现图像预取的根底是PACS必须与医院的其他系统能够很好地进行信息沟通，同时也要研究一个合理的预测算法。４、图像压缩技术医学图像数据量之大是惊人的，建立PACS中的许多技术困难都与之有关，象图像的存储、传输、显示等。如何能够对医学图像进行压缩，是多年来图像处理技术中的一个重点研究的问题。随着计算机多媒体技术的开展，已经制定了许多图像压缩的标准算法，如静态图像的JPEG标准，动态图像的MPEG1、MPEG2、MPEG4算法等。这些算法在娱乐、游戏、INTERNET上得到了广泛的应用。但是，由于医学图像关系到医学诊断的可靠性，影响非常之大。因此，对于医学图像的有损压缩问题一般都讳莫如深。例如我们在INTERNET上常见JPEG图像压缩是一种有损的压缩算法，它是将HUFFMAN变换和数字余弦变换〔DCT〕相结合，得到了几十分之一到上百分之一这样很高的压缩比。而在DICOM标准中目前常用的也只是无损压缩的标准算法，即仅使用无损的JPEG压缩算法。这样医学图像的压缩比的通常只能到达三分之一左右。在一些厂商提供的设备中也仅仅在局部动态图像的存储中使用了有损的压缩，如使用MPEG1或MPEG2压缩动态图像，使保存的图像到达一般录像带的效果。５、当前建立PACS使用的主要设备医学图像的采集设备是PACS图像质量的第一关，除了象CT、MRI、CR、DSA等数字化影像设备的图像可以直接从机器中采集外，目前大量使用的胶片图像需要使用胶片扫描仪输入到PACS中。大容量的数据存储设备是图像管理系统的一个核心部件，通常大容量的硬磁盘阵列是进行在线存储的首选设备，一般可以使用RAID的方式将数个硬盘组成具有一定冗余的硬盘系统，它具有速度高、存取方便、可靠性好、价格较低的特点。通常每兆字节的存储费用仅在0.2元左右。激光照相机也是PACS中常用的设备，国内很多大医院已经为CT、MRI等大型设备配备了激光照相机用于产生胶片，这些设备同样可以与PACS连接。在医院建立的PACS所使用的其他设备，如微机、图形工作站、网络交换机等等，都是目前通用的计算机和通讯设备。目前计算机的高速开展，通用设备的性能也越来越高，已经能够满足大局部建设PACS的需求。四、医学影像系统建设应采取的策略

建立PACS的一个目标是方便图像的存取，使临床医生能够随时随地读取所需要的图像。另一个目标是建立无胶片化医院，通过减少胶片的使用降低医院的消耗，提高经济效益。对于医学影像系统的建设，医院应该进行全面统一的规划，充分考虑PACS与其他系统的信息沟通。我们应该认识到，PACS的建设不是建立1~2个能够显示图像的工作站，存储几百幅图像就能够满足医院需求的。要到达上述两个主要目标，满足医院实际工作的需要，应该从影像质量、存储图像的数量、影像采集方式、显示设备的配备数量和范围等方面进行认真的论证。通常需要有高质量的图像采集系统，要在临床科室配备大量的图像显示设备，有十几个TB〔1TB=1024GB〕的在线存储容量和高速度的网络通讯能力，才能够使系统替代传统胶片。医院应该加强信息系统建设的统一规划。医学影像系统管理的是医院信息中的一个重要局部，由于其数据量巨大，对计算机系统、网络系统和存储等都带来了许多问题。因此，产生了许多应用技术，如图像的预取技术、图像压缩技术等。然而，作为医院信息系统中的一局部，图像信息与其他信息能够很好融合和连接是PACS建设中一个不能无视的问题。各个医院通过做好统一规划，防止PACS与医院其他系统出现信息交换问题。普及PACS应用技术。近年来，一些医院陆续建立起医院管理信息系统，完善了医院计算机网络，许多医院方案建立医学影像管理系统〔PACS〕。然而，由于我国PACS研究工作开展比较晚，许多医院急需比较全面和完整地了解相关的技术，需要通过各种形式的工作使医院能够正确认识PACS技术的应用目标、作用和建立方法等问题。建立医学影像系统的标准和标准。在数字影像的采集、显示，远程医疗等方面我国尚没有相应的标准，这不利于保障数字化影像在医疗工作中的可靠性和平安性。专业委员会力图通过积极组织研究、引进国外标准等方法，建立起适合我国PACS系统、远程医疗应用的技术标准和标准。五、PACS的影像存储和传递形式医学影像的类型可以分成8bit黑白、12bit黑白、24bit彩色等。8bit黑白和24bit彩色可以使用WINDOWS标准的文件存储格式，而12bit黑白图像那么无法用任何现有的文件格式表达，也无法使用标准的图像浏览软件观看。在PACS系统内部，影像通常是按自定义格式存放的文件。医学影像的传递。DICOM规定了影像文件传递和存储的标准，包括标准的存储介质和标准的网络通讯。标准的存储介质叫作DICOMSTORAGE，是一种文件系统的结构标准。主要是用于在UNIX/MAC/WINDOWS等不同平台的PACS系统之间直接兼容存储介质。这种介质可以是CD、MO，也可以是DVD或者TAPE。DICOM网络通讯标准主要用于局域网内的通讯。在网络上，DICOM3.0十分类似于TCP/IP，不管两端的机器和操作系统如何，都可以透明地进行影像传递，就如同两个国家之间用美元作生意一样。DICOM网络通讯有缺乏平安认证的缺点，所以只适用于局域网中。DICOM存储和通讯中的影像可以按约定的方式进行压缩，但不是所有的PACS系统都支持这些压缩，所以大局部DICOM存储和通讯中的影像数据都是完全展开的，占据很大的空间。为了解决存储和节省空间，PACS系统内部通常使用自己独特的文件格式。这并不影响系统的兼容性，因为到了网上，大家都用DICOM协议通讯。就如同各个国家有自己的货币，但是作国际贸易时都使用美元一样。支持PACS的数据库系统比较简单。只有病人—检查—序列号和诊断、登记信息放在数据库中，大小不一的影像存储成文件交给文件系统去管理。为了保证图像的可浏览性，各PACS通常提供了独特的小程序，用于在自己的文件结构上进行影像检索、浏览和图像处理。理想中的PACS影像信息全部存在SERVER上，进行集中备份和管理。但是海量存储设备和管理软件的费用太高，所以目前还不能进入普及阶段。替代方案是分布存储，即在每个采集工作站上进行光盘刻录，独立进行检索。当然，这样检索同一个病人的全部信息的代价要高于集中存储。影像数据允许分布储存在不同机器的不同数据库中，不同目录中，不同结构的文件中。PACS的用途就是屏蔽掉系统的复杂性，使得不同地方存储的影像在平安机制认可的前提下自由地流动。六、PACS系统的组成一个PACS系统，主要包括的内容有图像采集、传输存储、处理、显示以及打印。硬件主要有接口设备、存储设备、主机、网络设备和显示系统。软件的功能包括通讯、数据库管理、存储管理、任务调度、错误处理和网络监控等。1、图像采集图像采集是本系统的“根〞，是系统能够正常运行的根本点。只有采集到图像后，才能进行后续的显示、处理等工作，采集的图像质量决定PACS系统是否可用以及是否具有实际意义。图像的采集可分为两种类型，一是静态图像，主要是单帧图片，例如腹部超声发现的结石图像；二是动态图像，为一段或多段连续的图像系列，如心脏超声可以采集一个或多个心动周期的图像。根据超声仪器的特点，决定了其图像采集的方式，目前大体有两种方式：数字图像以及视频图像的采集。〔1〕数字图像采集数字图像直接通过网络实现图像采集。以超声仪器为例，该方式的前提：一是超声仪器为数字化超声仪，二是其图像支持国际医学图像标准如DICOM〔DigitalImagingandCommunicationinMedicine〕或其它标准，三是开发支持对应格式的图像存贮、显示等软件。该方式实现起来比较简单，只要超声仪通过网络与图像存贮设备例如图像存贮工作站连接即可。该方式要求超声仪器本身支持DICOM或其它标准，但它是超声图像采集的最终方式，将来很可能是超声仪器的根本配置。〔2〕视频图像采集视频图像的采集是将超声仪器输出的视频信号通过计算机转化为数字信号。具体是通过图像采集卡将超声仪器的图像采集到工作站，然后保存到存贮设备中。该方式目前根本满足于所有的仪器，实现的条件也比较成熟。2、传输存储图像的传输存储过程是将采集到的位于超声工作站上的图像按一定的格式、一定的组织原那么存贮到物理介质上，如效劳器、光盘等，以备使用。必须考虑的问题：存贮格式、存贮空间、存贮介质等问题。可以使用的存贮格式为：TIF、TGA、GIF、PCX、BMP、AVI、MPEG、JPEG、DICOM，我们选择比较通用的AVI格式或DICOM格式。图像压缩方法很多，但医学图像必须保证图像能完全复原为原图式样。也就是说，必须为无失真压缩〔或称无损压缩，相对于有失真压缩〕。目前几种实用标准为ISO〔国际标准化组织〕和ITU〔国际电信联盟〕制定的如下三种：JPEG、H.261以及MPEG等。常用存储介质：〔1〕硬磁盘——用于临时存贮采集的图像或显示的图像，在图像采集工作站上或者专门的图像效劳器上皆配备该设备。〔2〕光盘存储器——即CD-R盘片，一张盘片存贮量可到达650MB或更大，多张光盘可组成光盘塔、光盘阵，以实现大量数据的存贮。〔3〕流磁带〔库〕。3、显示图像的显示必须满足(1)不依赖于硬件，也就是说通过软件实现图像显示；(2)动态图像可以动态显示，也可以静态显示；(3)图像方便地在院区网的工作站〔如医生工作站〕上显示，采集的图像能充分共享，以到达图像采集的目的。4、处理图像处理目前包括图像放大缩小、灰度增强、锐度调整、开窗以及漫游等，图像面积、周长、灰度等的测量。5、打印生成标准的、包括图像的超声诊断报告单。图像打印时用户可以选择一到四幅图像，呈方阵排列，如果配备彩色激光或喷墨打印机那么可打印非常漂亮、艳丽、根本满足医学需要的报告单。七、PACS类型及特征

按规模和应用功能将PACS分为三类：1、全规模PACS〔full-servicePACS〕：涵盖全放射科或医学影像学科范围，包括所有医学成像设备、有独立的影像存储及管理子系统、足够量的图像显示和硬胶片拷贝输出设备，以及临床影像浏览、会诊系统和远程放射学效劳。2、数字化PACS〔digitalPACS〕：包括常规X-线影像以外的所有数字影像设备〔如CT、MRI、DSA等〕，常规X线影像可经胶片数字化仪〔filmdigitizer〕进入PACS。具备独立的影像存储及管理子系统和必要的软、硬拷贝输出设备。3、小型PACS〔mini-PACS〕：局限于单一医学影像部门或影像子专业单元范围内，在医学影像学科内局部地实现影像的数字化传输、存储和图像显示功能。具备医学数字影像传输〔DICOM〕标准的完全遵从性，是现代PACS不可或缺的根本特征。在近年的文献中提出了“第二代PACS〞〔Hi-PACS，HospitalintegratedPACS〕的概念，其根本定义即指包括了模块化结构、开放性架构、DICOM标准、整合医院信息系统/放射信息系统〔HIS/RIS〕等特征的full-servicePACS范畴。八、PACS系统管理结构模式

PACE系统管理结构模式可以分为以下两种：1、集中管理模式〔CentralManagement〕：由1个功能强大的中央管理系统〔效劳器〕及中央影像存储系统〔CentralArchiving〕效劳于所有PACS设备和影像，提供集中的、全面的系统运行和管理效劳。该模式有利于对系统资源和效劳实施进行有效的管理，但该模式对网络带宽及传输速率、管理系统设备软件和〔或〕硬件性能及稳定性要求较高。2、分布式管理模式〔DistributedManagement〕：PACS由多个相对独立的子单元〔系统〕组成，每一子单元有独立的存储管理系统。可以设或不设中央管理效劳器，但通常应具有一个逻辑上的中央管理系统/平台。该模式也可以由多个mini-PACS整合形成。分布式管理模式有利于减轻网络负荷，但对资源和效劳的管理、利用效率可能不及集中模式高。九、PACS目前存在的问题

标准化技术的应用在PACS建立过程中关系重大，它关系到PACS与其他系统信息交换和各个不同厂商设备的连入。当前，有美国的ACR和NEMA两个组织共同制定DICOM标准已经成为业界实际采用的工业标准。这个标准使得各个医疗影像仪器生产厂的数字化检查设备能够容易地连接在一起。

由于医学影像系统中图像的质量关系到诊断和治疗的准确性，因此系统应该对图像质量有很高的要求，对图像质量产生较大影像的主要因素是胶片图像的采集过程。在诊疗中，通常对X胶片的影像质量、图像的几何分辨率、光密度、噪声等都有较高的要求，需要使用专用的胶片激光扫描仪进行图像的采集，而目前在很多远程医疗系统使用普通办公用扫描系统采集的图像往往达不到要求。当前计算机技术的开展为PACS建设提供了技术根底。大容量的磁盘已经大大降低了图像存储的费用。使用CD-R、光盘柜、光盘塔等设备，使系统的离线存储非常可靠与方便，同时费用也能够为广阔医院所接受。不同检查所产生的医学影像，在图像分辨率、光密度等方面有非常大的差异。我们应该认识到，大多数种类的检查影像是中低分辨率的。这些影像能够使用常用的通用微机设备进行处理和显示，只有少数种类的影像需要高分辨率的设备来处理。我们可以充分利用这个特点，在PACS建设中分阶段实施，逐步实现医院影像处理的自动化和无胶片化。十、PACS的开展趋势

PACS是临床医学、医学影像学、数字化图像技术与计算机技术、网络通讯技术结合的产物。它将医学影像资料转化为计算机能识别处理的数字形式，通过计算机及网络通讯设备，完成对医学影像信息及其相应信息〔资料〕的采集、存储、处理及传输等功能，使医学信息资源共享，并得到充分的利用。从临床医师的角度，PACS也可理解为多媒体〔电子〕病案管理系统的主要组成局部。在确定PACS开展模式时，应根据实际情况制定总体规划，循序渐进，分步实施；遵循DICOM3.0标准，并基于Internet的浏览器/效劳器体系，采用模块化结构去建设PACS及探讨PACS的开展模式和实施策略。在制订医院信息系统〔HIS〕总体规划时，应将PACS作为HIS的重要组成局部去考虑，特别是网络平台建设应考虑是否有足够的带宽满足PACS的需求，由于基于以太网的TCP/IP协议已成为Internet的标准，1998年6月又制订了千兆以太网标准，网络设备厂商先后将其千兆以太网设备投放市场，网络配置和升级都十分方便，多用性好，提供多种选择去构筑有足够带宽的网络平台。因此，从经济性、延续性、易扩展、易维护的角度出发，建议首选千兆以太网，其次为ATM〔异步传输模式〕选择基于浏览器/效劳器〔B/S〕体系的模块化结构组建PACS，在于充分利用WWW技术设计PACS。B/S体系结构，从分布式数据库管理系统角度来说，它是Client/Server〔C/S〕模式的扩展，是基于超链接Hyperlinks、HTM描述语言的多级C/S体系结构，易于解决跨平台问题，通过标准浏览器访问多个平台。B/S的客户端为标准的浏览器，环境单一，界面统一，易学易操作，易提高工作效率，版本更新易维护。由于B/S体系结构的代码分布不象C/S结构那样，要分布在客户端和效劳器端，B/S结构在版本更新时，只需考虑效劳器端代码，降低运行本钱和软件开发的工作压力。

同时B/S可便于实现业务的分布式处理与代码的集中式维护，以利于目前医院缺乏高质素计算机技术人员的条件下，建立集中管理的网络中心，对医学信息系统的各种应用系统的效劳器群、网络核心交换设备、网络使用情况的监控设备，以及有关医院管理和临床诊疗信息的海量存取系统等，进行及时而全面的维护和管理，以提高医院信息系统的实用性，以及对付突发事件的应变能力。在上述制定医院信息系统总体规划的前提下，探讨PACS的开展模式：〔1〕建立小规模PACS〔mini-PACS〕或局部PACS〔PartialPACS〕。应用DICOM3.0标准为设备接口，将数字化成像的医学影像设备连接入网，实现医学影像部门信息资源共享。〔2〕通过医院局部网络，实现基于B/S和WWW技术的示教式的PACS。其PACS工作站显示器分辨率为1024×1024，10Bit，供各临床科室作非医学影像诊断的浏览〔阅读〕医学图像〔如CT、MRI、超声和X光线〕。它具有院内图像分配系统〔IHIDS〕的雏型。〔3〕面向医学影像学专业医师，用以进行医学影像会诊的PACS。具有完善的图像采集功能，除能通过DICOM3.0接口从CT、MRI、DSA、CR、DR等直接采集数字化图像外，还可通过数字化仪〔Digitizer〕，主要是激光扫描数字化仪和CCD数字化〔负片〕扫描仪，在确保影像质量的前提下，将胶片上记录的模拟信息数字化，间接采集图像信息。同时应用公认的图像压缩标准，如：“JPEG〞〔联合图片专家组〕无失真压缩算法，将数字化医学影像压缩存储。按DICOM3.0标准建立医学影像信息库，并通过高速网络传输，实现医学影像中心和各个影像部门在网上共享高质量的影像输出设备和影像信息资源；医学影像专业医师在〔2K×2K，12bit〕甚至更高分辨率的图像监视器上读片，进行医学影像会诊，以确保医学影像诊断的质量〔4〕PACS与不同传输速率组合，构成不同类型的远程放射学信息系统〔Tele-RadiologyInformationSystem，RIS〕。一般可分为三个类型：低速、窄带远程放射学信息系统以公共网〔PSTN〕为根底，用Modem〔传输速率在56Kbps之下〕相连接的多媒体PC为平台，提供CT、MR、静态超声图像以及个别体位的X线片的中低分辨率〔1K×1K，10Bit〕医学影像的远程会诊效劳。中速远程放射学信息系统以ISDN或DSLAM为骨干，采用高分辨率监视器〔2K×2K，12bit〕的图形工作站，以64Kbps至768Kbps传输速率传输图像信息，除提供CT、MRI、静态超声影像的远程会诊外，还包括几乎所有部位X线片及动态超声心动图、CT心血管图像的远程会诊效劳。高速、宽带远程放射信息系统采用ATM、卫星线路或E1电信专用线，其传输速率均在1Mbps以上，甚至可高达2400Mbps，提供包括实时动态医学影像会诊在内的涉及远程医学应用所有领域的远程信息效劳。〔5〕PACS与RIS和HIS〔医院信息系统〕以及个人健康档案卡相结合，提供面向社会的远程医学信息效劳。以上五种开展模式是相对而言，相互交叉，相互间无绝对的界限。我们应在总体规划下，结合实际，采用模块化结构，密切注视标准和高新技术，循序渐进；切忌无视医院需求和具备的条件，片面追求技术领先和高速开展，否那么欲速不达，造成人力财力浪费。十一、医学数字图像通讯〔DICOM〕标准DICOM是DigitalImagingandCommunicationsinMedicine的英文缩写，即医学数字成像和通信标准。它以开放式连结系统〔OSI〕参考模式为根底定下七层协议。DICOM是一种应用标准，存在于七层之间〔最上一层〕。DICOM标准以计算机网络的工业化标准为根底，为影像、公用信息、应用效劳及通讯协议提供了一种标准模式。它能帮助更有效地在医学影像设备之间传输交换数字影像，这些设备不仅包括CT、MR、核医学和超声检查，而且还包括CR、胶片数字化系统、视频采集系统和HIS/RIS信息管理系统等。见图9-1。图9-1DICOM应用范围从1995年开始，医学影像设备的生产商〔主要是美国电子制造业协会NEMA的会员〕与DICOM标准的潜在用户〔主要是美国放射学会ACR的会员〕就联合起来着手建立起这个标准，在这个过程中他们还得到了全球范围内其他标准化组织和保健机构的参与支持，这种广泛的合作最终保证了DICOM标准的成功。目前，世界医学影像设备的主要供给商都宣布支持DICOM标准。无论在提高医疗诊断水平方面，还是在提高与医学影像及其信息有关的经济效益方面，DICOM标准的出现为医疗机构带来全新的时机。1、DICOM标准的开展背景〔1〕DICOM标准简介DICOM〔DigitalImagingandCommunicationinMedicine〕标准是由ACR〔AmericanCollegeofRadiology〕及NEMA〔NationalElectricalManufacturersAssociation〕所形成的联合委员会，于1983年以后陆续开展而成的医疗数位影像及传输标准。简言之，DICOM是医学图像及其相关信息的通讯标准。此标准建立的目的为：推动开放式与厂牌无关的医疗数位影像的传输与交换。促使影像储存与传输系统PACS〔PictureArchivingandCommunicationSystems〕的开展与各种医院信息系统HIS〔HospitalInformationSystems〕的结合。允许所产生的诊疗资料库能广泛地被不同地方的设备来访问。DICOMVersion3.0，发表于1992年，原自ACR-MEMA两次发表的标准，分别为：CR/NEMAPSNo.300-1985，Version1.0，发表于1985年，1986年十月颁为标准；CR/NEMAPSNo.300-1988，Version2.0，1988年1月颁为标准，涵盖Version1.0。DICOM基于开放式互联参考模型，这是一种世界范围的通讯标准，定义了七层协议模型，分别是物理层、数据链、网络、传输、会议层、表达层、应用层。DICOM属于第七层即应用层范围，也就是同Email软件或文件传送〔ftp〕等软件一样，属于一种软件范畴的东西。因此，DICOM接口与设备中其它的接口〔如高压注射器接口〕是有区别的。其它设备的接口包括一些硬件，当然也有相应的软件，但软件必须基于特定的硬件才能实现其功能。而DICOM那么是一种纯软件的标准，不管在任何设备的计算机上，只要嵌入了DICOM软件，就能实现DICOM功能〔即拥有的DICOM接口〕。DICOM是一种面向对象的架构〔或称之为环境〕，在这个环境中信息〔数据〕处理功能或操作程序〔方法〕是通过简便的便于维护的信息包〔称为对象〕方式组合起来。此方式的重要性在于由此产生的软件，相对于通过功能模块或编程生成的软件，运行简单而不复杂。网络中各台设备均有各自的地址，对象互相通讯中通过明确定义的消息，完成相应的功能就称为效劳。例如CT的计算机需要将图像打印到胶片上，只需要发一个消息到代表具有DICOM功能的激光相机的地址，得到回应的消息后，再将图像按一定的方式〔DICOM格式〕发送到此地址，即可由这台激光相机完成打印效劳。在DICOM的环境中，可以按照是提供效劳或者是使用效劳而把设备分为DICOM效劳提供者和DICOM效劳使用者，如CT，MRI，DSA等即为效劳使用者，激光相机是效劳提供者，也有既是效劳者又是使用者的设备，如影像工作站。DICOM标准是图像格式的标准，也是图像通讯的标准，DICOM2.0它适用于点到点环境，DICOM3.0那么适用于WEB形式的网络环境。符合DICOM标准的设备能够作为独立的节点连入PACS网络，与其它符合DICOM标准的节点进行信息交换。然而在我国，由于历史的原因，各医院里真正符合DICOM3.0标准的影像设备只占所有影像设备的一局部〔尽管这个比例越来越大〕。大量的老式影像设备往往只能输出胶片，或者只有普通的视频输出，或者使用专用的图像格式。因此，目前在建设PACS的时候必须考虑到这一点。为了使现有的大量不符合DICOM的影像设备进入PACS网络，需要使用一个通用的DICOM格式转换工具包。〔2〕DICOM3.0与NEMA2.0中的差异目前DICOMVersion3.0是完全根据ACR/NEMAPS3.1-1992由ACR验证，NEMA发表的标准，并新增加了局部功能：由原来只提供点到点〔PointtoPoint〕的通讯环境，扩充到像开放式系统互联OSI〔OpenSystemInterConnection〕及TCP/IP〔TransmissionControlProtocol/Internetprotocol〕工业标准的通讯环境。可以宣告系统或设备本身所提供标准的一致性，包括它所用的指令及资料格式的异动。为了配合未来新增订的内容能迅速地纳入标准，DICOM3.0的文件体系以多局部的结构所制成，藉由ISO的规定，DICOM3.0的文件已完全依照其标准的结构来建立。增加了一些除了影像图形之外的讯息控件，如：学术研究、诊断报告等。为每个唯一的讯息控件赋予一个可以运用的处理技术，如：DICOM定义了一系列操作和通知，叫做DICOM消息效劳元素。信息对象与这些效劳的复合叫做效劳器-对象对SOP〔ServiceObjectPair〕，这样当这些讯息控件通过网络来处理时，它们彼此之间的关联性才不致于混淆。DICOM标准与ACR-NEMA标准的最大差异在于建立标准的模型不同。ACR-NEMA标准的前两个版本建立在隐式的放射科信息模型根底上，数据元素是根据标准制订者的经验确定的。相比之下，DICOM标准基于一组显式的实体－关系模型〔Entity-Relationshipmodel，简称E-R模型〕，这些模型详细地描述了事物〔包括病人、图像和记录等〕在放射科内部的操作与相互关系。使用这些模型有助于制造商和用户理解DICOM标准中的数据结构，因为它们清楚地说明了实际应用中所需要的数据元素以及这些元素之间的关系。〔3〕DICOM3.0标准的开展现况近年来由于ACR与NEMA在医疗数位影像传输标准的开展与努力，DICOM3.0已成为北美、欧洲及日本各国在HealthCareInformatics影像应用的标准。这些协会除了ANSI、ISO外，还包括欧洲的EuropenCommitteeforStandardizationTechnicalcommitteeonMedicalInformatics〔CENTC251〕及日本的JapanIndustriesofAssociationforRadiationApparatus〔JIRA〕。1994年，在美国芝加哥所举办的RSNA年会上，就已经有40个以上的厂商参与DICOM的成果展示，他们利用DICOM3.0的标准，透过网络与各医院连线，进行医学影像传输及处理的功能显示，主题包括：CR，CT，MRI，US等各类型医学影像资料。2、DICOM标准文件内容概要第一局部：引言与概述，简要介绍了DICOM的概念及其组成。提供了整个DICOM标准的综述。包括历史、范围、目标和标准的结构，对标准的各局部都有简要的描述。第二局部：兼容性，精确地定义了声明DICOM要求制造商精确地描述其产品的DICOM兼容性，即构造一个该产品的DICOM兼容性声明，它包括选择什么样的信息对象、效劳类、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。第三局部：利用面向对象的方法，定义了两类信息对象类：普通型、复合型。普通型的信息对象种类只包括那些现实中实体表现出的固有的属性。复合的信息对象种类可以扩展的包括那些与现实中实体相关的但不是固有的属性。第四局部：效劳类，说明了许多效劳类，效劳类详细论述了作用与信息对象上的命令及其产生的结果。一个效劳类通过一个或多个命令控制一个或多个信息对象。效劳种类标准声明了命令元的需求以及应用于信息对象的命令执行结果。效劳种类标准既声明了供给者的需求又声明了通讯效劳使用者的需求。第五局部：数据结构及语意，描述了怎样对信息对象类和效劳类进行构造和编码。第六局部：数据字典，描述了所有信息对象是由数据元素组成的，数据元素是对属性值的编码。第七局部：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效劳和协议。第八局部：消息交换的网络通讯支持，说明了在网络环境下的通讯效劳和支持DICOM应用进行消息交换的必要的上层协议。第九局部：消息交换的点对点通讯支持，说明了与ACR—NEMA2.0兼容的点对点通讯的效劳和协议。DICOM标准还在不断地更新，目前已有14局部及许多补充局部。表3-1显示了DICOM标准的组成局部图。表9-1DICOM组成部分图3、DICOM实现策略〔1〕引言DICOM利用面向对象的技术，基于详细的信息模型〔实体-关系模型〕，给出了DICOM标准中的数据结构-信息对象定义〔InformationObjectDefinitions，IODs〕，以及对这些信息对象的操作-DICOM消息效劳单元〔DICOMmessageserviceelements;DIMSE〕；同时还定义了消息〔包含医学图像或相关信息以及对他们的操作〕交换的网络及点对点通讯的支持。应用这一标准的数字图像医疗设备以及PACS只需进行一些简单的参数设置就可以交换医学图像及其相关信息。通过对DICOM标准的设计模型和设计思想的分析可以看出，关系－实体模型和面向对象方法是其突出特点。例如，DICOM标准关于数据元素的抽象定义与分组有利于软件设计中的模块化。〔2〕DICOM实现策略实现DICOM标准往往是根据实际情况的需要，实现DICOM定义的某些特定功能而不是全集。例如，DICOM同时定义了网络传输和点对点通讯对DICOM消息交换的支持，实际应用中往往只选择一种通讯方式。所以，每个DICOM的具体实现是不尽相同的。虽然如此，实现DICOM还是有一定规律可循的。DICOM格式转换软件的设计中突出了面向对象的方法，以最大限度地与DICOM标准的设计思路相一致。主要具有以下功能：①DICOM格式与通用图像格式〔如BMP、TIFF、GIF、JPEG等〕之间的相互转换；②直接从标准视频输入获取图像数据并存为DICOM格式；③直接从扫描仪获取图像并存为DICOM格式。其中第一项功能使得非DICOM应用程序能够读取、显示、处理DICOM图像，第二项功能使得一些不具备DICOM接口的老式影像设备能够连入PACS网络，第三项功能使现有的胶片通过扫描就直接进入PACS。层次性由表9-1可见，DICOM是一种有层次的医学图像传输标准，它根据医学图像的传输以及面向对象的要求，将标准按层次定义，因此，DICOM的实现就应对应DICOM的各局部分层次实现。一般情况下实现DICOM要分以下三个层次进行。①DICOM消息交换的网络支持层〔DICOM第八局部〕。这局部是最低层次，是其它层次的根底。这局部主要定义了医学图像及相关信息的网络传输协议，它对应着开放系统互连〔OpenSystemsInterconnection，OSI〕定义的网络传输中的会话层、表示层及连接控制效劳单元，图9-2显示了DICOM标准的网络层次结构。②DICOM消息效劳〔DICOM第四、五、七局部〕。这几局部详细定义了DIMSE及对医学图像相关信息的操作，包括医学图像相关信息的查询、存储、打印等效劳，是对信息对象的操作。③DICOM信息对象〔DICOM第三、六局部〕。这两局部利用面向对象技术定义了信息对象定义及数据字典。它们是实现DICOM的最高层次。面向对象DICOM应用消息交换医学图像应用DICOM支持TCP/IP的上层协议TCP标准网络物理层〔Ethernet,FDDI,ISDN等〕OSI连接控制效劳单元IPOSI表示层OSI会话层OSI传输层OSI网络层链路层DICOM会话/传输/网络层〔STN〕DICOM数据链路DICOM物理层点对点环境

面向对象方法是一种系统设计的常用方法，要遵循几个原那么：数据抽象，数据封装，模块化，层次化。使用面向对象方法进行软件设计有助于增强软件模块的可重用性，提高系统对设计变化的适应能力，并且在结构上清晰易懂。DICOM标准的实体－关系模型与面向对象方法有机地结合在一起。在DICOM标准中，对象是由模型定义的实体〔或实体集〕，属性描述了对象的特性。这些对象被称为信息对象，而该模型以及属性表〔属性的集合〕被称为信息对象定义〔IODs〕。模型中的实体是抽象的，在其属性有了具体的值之后，该实体就成为一个实例〔Instance〕。由于面向对象技术在DICOM标准中的广泛应用，利用面向对象的编程语言来实现DICOM标准就成为理所当然的了。利用诸如C++、Smalltalk、Java等面向对象语言实现DICOM标准，将有利于工作的顺利开展。面向对象方法不仅描述了信息本身，同时说明了处理这些信息的方法。DICOM标准将一些操作〔如“存储图像〞〕定义为效劳，这些效劳由不同的DICOM消息效劳元素〔DIMSE〕组成。信息对象与特定效劳的组合构成了效劳－对象对〔SOP〕。同一信息对象与多个效劳相联系，形成了SOP类。SOP类是DICOM标准的根本功能单位，由参与效劳的双方构成：效劳类提供者〔SCP〕与效劳类使用者〔SCU〕。易于扩展DICOM是一个开放的、不断开展的标准。它从1993年至今已从九个局部开展到十四个局部，而且每局部都有所更正和补充，尤其是IODs不断增加，使DICOM标准不仅适用于放射学领域，而且扩展到其它医学信息学领域，其应用范围不断扩展。基于DICOM的易扩展性，实现DICOM就应注意使其能够充分扩展，适应DICOM开展的需要。层次性实现方式有利于DICOM实现的扩展。代码平台独立DICOM主要应用于各种不同的医疗设备之间进行医学图像及相关信息的交换，所以往往运行于各种操作平台。因此，实现通用的DICOM标准需要代码平台独立性。实现DICOM消息交换网络支持DICOM消息交换网络支持的实现是分两个层次实现的〔如图3-3〕。首先要实现平台独立的TCP/IP常用接口Berkeley标准套接字〔BSDsocket〕；其次，对DICOM定义的消息传递机制进行封装。图中，上层的DICOM消息传递机制通过调用封装后的TCP/IP套接字通过网络进行信息交换。①DICOM标准第八局部定义了通过TCP/IP传输DICOM对象的标准。它对应于OSI定义的网络传输中的会话层、表示层及连接控制效劳单元。这局部底层的信息交换，采用了TCP/IP常用接口BSD套接字。由于BSD套接字在不同平台上的接口有些不同，所以采用了面向对象技术对BSD套接字进行了封装，以实现代码平台独立。②DICOM标准第八局部定义了建立、结束网络连接及传送DICOM对象的消息机制。在这里，第八局部定义的所有消息均被封装为对应它们名字的C++对象中，〔3〕用C++实现DICOMSOCKET类OpenAcceptListenReadBinarySendBinaryCloseGethostbyname…AAssociateRQAAssociateACAAssociateRJPdataTFAReleaseRQAReleaseRSPAAbortRQ目前国际上，DICOM标准已成为医学图像通讯界的工业标准。而我国目前在医学影像设备和PACS的开展上，往往无视标准化问题。为解决这一问题，已有一些公司借鉴了国外在实现DICOM上的一些经验，独立对DICOM作了多方面工作，已取得初步成果。其中之一就是利用C++实现了平台独立的基于TCP/IP的DICOM标准。完成DIMSE效劳实现了DICOM消息交换网络支持后，就应该完成更高层次的DICOM支持，这就是DIMSE效劳。DIMSE效劳包括DIMSE-C效劳和DIMSE-N效劳。DIMSE-C效劳允许一个DICOM应用实体要求另一DICOM应用实体对复合信息对象进行操作。DIMSE-N效劳仅用于一个DICOM应用实体通知另一DICOM实体某种事件的发生。SOP类与信息对象定义是结合在一起的，但它是通过DIMSE效劳来进行操作的。操作是主要由DICOM第四局部定义的，而信息对象定义是由DICOM第三局部定义的。实现DIMSE效劳关键是按DICOM的层次结构实现操作与信息对象定义的别离。这是通过实现抽象类来实现的，这些抽象类包括AbstractStorage，AbstractQuery，AbstractRetrieve。这些抽象类可以被继承生成特定的SOP类。这样做可以减少代码重复从而减少错误发生并且易于增加新的IOD从而扩展适用范围。而抽象SOP类是由DICOM定义的DIMSE-C效劳类抽象定义的。完成信息对象定义DICOM的信息对象定义是由模块组成的，每个模块是一个由一系列属性组成的数据结构。这样定义信息对象有利于DICOM应用范围的扩展。例如，要在DICOM中增加适用于牙科的信息对象定义，没有必要再重新定义病人对象〔PatientObject〕、研究对象〔StudyObject〕和系列对象〔SeriesObject〕，只需要定义那些DICOM中未定义的牙科图像特有的属性。根据DICOM构成信息对象定义的方式，将每个组成模块定义为一个基类，由分别继承相应基类的方式就可以组成信息对象。我们利用面向对象的方法，分三个层次实现了DICOM标准。这三个层次是紧密相连的，上一个层次需要继承下一个层次的类或调用下一个层次的函数，下一个层次返回数据给上一个层次。在实现过程中，采用了各种方法来保证代码的平台独立性，如封装了BSD套接字及一些操作系统敏感的函数。由于采用了层次实现方法，使得系统更易于扩展，既在每个层次上都可以建立自己的高层次应用。例如，可根据具体情况，基于第一层建立自己的DIMSE效劳；在各个层次的实现中也注意到使代码容易扩展，如第二层建立的抽象效劳类等。数据集〔DataSet〕与对这个数据集的操作〔即命令〕组成了消息〔Message〕，消息是影像设备之间相互交换的信息。消息的组成单位是数据元素〔DataElement〕，其按照逻辑关系分成不同的组，由相应的组号标识。同一组内不同的元素具有不同的元素号，组号与元素号构成了数据元素的标志〔Tag〕。Tag后面是类型表示〔valuerepresentation，简称VR〕，这是一个可选的域，是否出现由传输语法决定。其后是数据元素的长度与值。例如，病人的姓名就表示为表3-2〔十六进制数〕。组号元素号长度值E000012字节4A6F686E736F6E5D526F62657274〔Johnson^Robert〕〔4〕DICOM格式转换软件的设计与实现DICOM数据格式

DICOM格式转换软件中有以下几个值得注意的问题：①字节顺序〔byteordering〕字节顺序同样有传输语法决定。不同的计算机系统有以下两种字节顺序： A、LittleEndian:低位地址低位字节顺序； B、BitEndian:低位地址高位字节顺序。 DICOM格式转换软件的输入/输出流模块应该能正确地进行字节交换。 ②嵌套数据集〔nesteddataset〕 嵌套数据集中数据元素的值又是由零个或多个数据元素构成的。这样的数据集称为条目〔item〕，往往用于重复的简单数据集，或者构成复杂IOD的folder。条目的VR〔类型表示〕为SQ〔sequenceofitems〕。如果条目中的数据元素的VR也是SQ，那么构成了递归嵌套。 ③压缩图像数据〔encapsulatedpixeldata〕 图像数据可以是非压缩的〔nativeformat〕，也可以是压缩的〔encapsulatedformat〕。图像的编码方式也是由传输语法规定的。DICOM目前支持两种压缩方式： A、JPEG压缩，包括基于离散余弦变换〔DCT〕的有损〔lossy〕压缩和基于差分脉冲编码调制的无损〔lossless〕压缩。 B、游程编码〔RLElossless〕。 ④光度表示〔photometricinterpretation〕 光度表示规定了图像的显示特性，常见的值有： A、MONOCHROME1：灰度图像，象素最小值显示为白色； B、MONOCHROME2：灰度图像，象素最小值显示为黑色； C、RGB：RGB彩色图像； D、HSV：HSV彩色图像； E、PALLETECOLOR：使用调色板的彩色图像。 此外还有ARGB、CMYK、YBR－FULL等。格式转换软件在输出图像数据时，必须根据光度表示进行调整。 Windows〔95/98/NT〕操作系统，VisualC++开发环境，因为其支持面向对象编程。整个设计的核心是一组对DICOM数据集进行编