医学图像存储与传输系统概述

第十三章医学图像存放与传输系统

第1页一、医学影像PACS系统概述二、医学影像系统发展历史概况三、当前在PACS中应用主要技术和设备四、医学影像系统建设应采取策略五、PACS影像存放和传递形式六、PACS系统组成七、PACS类型及特征八、PACS系统管理结构模式九、PACS当前存在问题十、PACS发展趋势十一、医学数字图像通讯（DICOM）标准第2页一.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），是使用计算机和网络技术对医学影像进行数字化处理系统。其目标是用来代替现行模拟医学影像体系。它主要处理医学影像采集和数字化图像存放和管理数字化医学图像高速传输，图像数字化处理和重现图像信息与其它信息集成第3页依据医学影像实际应用不一样目标，数字化影像可分为三个精度等级：影像做为医疗诊疗主要依据时，数字化后影像必须反应原始图像精度；作为医疗中普通参考时，数字化影像可进行一定压缩，以降低对信息资源占用；作为教学参考时，数字化影像只要能够保留影像中教学所需要部分内容，允许对数字化影像有比较大幅度有损压缩。第4页不一样医学影像对数字化精度要求也不一样，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/秒连续动态影像；对病理影像，几何精度为512×512或1K×1K，含有灰阶分辨率为256级彩色图像。第5页伴随Ｘ光检验、ＣＴ、ＭＲＩ、超声、胃肠镜、血管造影等影像学检验应用也越来越普遍。在传统医学影像系统中，影像存放介质是胶片、磁带等。比如图像存放介质所占空间不停增加，给存放和查找带来了严重问题；各种不一样检验图像分别存放，临床医生要同时参考同一病人不一样检验所产生影像时往往借阅困难；传统图像存放和管理独占性使得图像丢失概率增加，利用率下降，异地会诊困难等。第6页因为医学图像数据量大，需要大容量存放设备，高性能显示设备和高速计算机网络，高昂费用曾经是建立PACS主要障碍。伴随计算机技术发展，计算机和通讯设备性能价格比快速提升，高性能计算机设备价格已经能够逐步为一些经济条件很好医院所接收。这为数字化医学影像存放和传输奠定了基础。在经济上和医疗质量上不停增加要求下，使医院对PACS需求也不停提升。第7页二、医学影像系统发展历史概况

PACS概念提出于80年代初。建立PACS想法主要是由两个主要原因引发：一是数字化影像设备，如CT设备等产生使得医学影像能够直接从检验设备中获取；另一个是计算机技术发展，使得大容量数字信息存放、通讯和显示都能够实现。第8页在80年代早期，欧洲、美国等发达国家基于大型计算机医院管理信息系统已经基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服务系统，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试验室和试验系统。伴随技术发展，到90年代早期已经陆续建立起一些实用PACS。第9页在80年代中后期所研究医学影像系统主要采取是专用设备，整个系统价格非常昂贵。到90年代中期，计算机图形工作站产生和网络通讯技术发展，使得PACS整体价格有所下降。进入90年代后期，微机性能快速提升，网络高速发展，使得PACS能够建立在一个能被较多医院接收水平上。第10页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年制订出了一套数字化医学影像格式标准，即ACR-NEMA1.0标准，随即在1988年完成了ACR-NEMA2.0。第11页伴随网络技术发展，人们认识到仅有图像格式标准还不够，通讯标准在PACS中也起着非常主要作用。随即在1993年由ACR和NEMA在ACR-NEMA2.0标准基础上，增加了通讯方面规范；同时按照影像学检验信息流特点E-R模型重新修改了图像格式中部分信息定义，制订了DICOM3.0标准。第12页当前，一些主要医疗仪器企业，如GE、PHILIPS、西门子、柯达等，所生产大型影像检验设备都配有支持DICOM标准通讯模块或工作站，也有许多专门制造影像系统企业生产支持DICOM标准影像处理、显示、存放系统。

第13页DICOM标准也在不停更新，它所支持医学影像种类也不停地增加，已经从原来ACR-NEMA标准只支持放射影像扩展到支持内窥镜、病理等其它影像。也有学者在研究处理医学图形、声音等信息。同时也有些人研究DICOM与其它医学信息传输标准沟通，如HL7（HealthLevelSeven）等第14页三、当前在PACS中应用主要技术和设备

我国医院信息系统发展较晚，现在所使用信息系统平台、网络技术都能够支持信息系统应用和PACS。所以，主要一点就是需要做好医院信息化建设整体规划，使信息系统能够和今后逐步建立各个系统顺利地连接，防止国外系统所碰到麻烦。尽可能采取通用信息交换标准，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问题。第15页1、标准化技术标准化技术应用在建立PACS中是非常主要，使用工业标准能够使所建系统充分利用各种先进设备，并能够充分集成各个企业所开发采集系统、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主要标准，其关键内容是：（1）定义了包含病人信息、检验信息和相关图像参数图像头数据以及图像本身数据图像格式。第16页（2）定义了图像经过用点对点方式、网络方式、文件方式等进行交换方法和规范。DICOM标准采取了面向对象方法，将真实世界模型抽象成为不一样层次对象模型，使图像采集、存放、通讯愈加便于计算机进行处理。它当前有14章，同时DICOM采取分章节更新方法，能够随应用发展而不停发展。第17页２、PACS与其它系统信息交换问题医院信息系统是一个整体，我们建立PACS主要目标也是为医生提供医疗、教学和科研所需要信息。医生在看检验图像同时，也非常需要了解检验汇报、病人病历等其它信息。所以，将PACS与医院其它信息系统结合是非常主要。第18页国外一些发达国家在处理这个问题时碰到了很大麻烦。首先因为欧美等发达国家原来已经建立了基于大型机集中式医院管理信息系统，这在技术上与现在图形工作站系统连接存在一定难度。另首先因为在早期系统设计时并未考虑到要与这些新系统交换信息，在整体规划上没有一个统一信息交换标准，造成了各个系统之间连接难题。一些医院为了处理这个问题，或采取在医生面前放置多台设备方法，或专门设计一些接口供系统之间进行信息交换和同时。第19页３、图像预取技术医学图像因其数据量大，传输需要占用很宽网络带宽资源。而医院工作特点是对图像数据突发性要求高。比如在病人刚入院时需要调用大量病历数据，也包含图像数据，而平时则主要局限于使用住院病人资料。在这么环境下，信息系统网络平均带宽需求与高峰时需求差距非常大。第20页要想既满足医疗需要又降低整个系统成本，使用图像预取技术是能够充分利用信息系统网络资源方法。预取技术关键就是依据病人入出院以及预约信息，利用网络通讯低谷时间将所需要病人图像事先传输到医生所需要地方，以降低网络高峰时间压力，同时也提升医生存取图像时速度。要实现图像预取基础是PACS必须与医院其它系统能够很好地进行信息沟通，同时也要研究一个合理预测算法。第21页４、图像压缩技术

医学图像数据量之大是惊人，建立PACS中许多技术困难都与之相关，象图像存放、传输、显示等。怎样能够对医学图像进行压缩，是多年来图像处理技术中一个重点研究问题。伴随计算机多媒体技术发展，已经制订了许多图像压缩标准算法，如静态图像JPEG标准，动态图像MPEG1、MPEG2、MPEG4算法等。这些算法在娱乐、游戏、INTERNET上得到了广泛应用。第22页不过，因为医学图像关系到医学诊疗可靠性，影响非常之大。所以，对于医学图像有损压缩问题普通都讳莫如深。比如我们在INTERNET上常见JPEG图像压缩是一个有损压缩算法，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么很高压缩比。而在DICOM标准中当前惯用也只是无损压缩标准算法，即仅使用无损JPEG压缩算法。这么医学图像压缩比通常只能到达三分之一左右。第23页５、当前建立PACS使用主要设备医学图像采集设备是PACS图像质量第一关，除了象CT、MRI、CR、DSA等数字化影像设备图像能够直接从机器中采集外，当前大量使用胶片图像需要使用胶片扫描仪输入到PACS中。大容量数据存放设备是图像管理系统一个关键部件，通常大容量硬磁盘阵列是进行在线存放首选设备，普通能够使用RAID方式将数个硬盘组成含有一定冗余硬盘系统，它含有速度高、存取方便、可靠性好、价格较低特点。通常每兆字节存放费用仅在0.2元左右。第24页激光摄影机也是PACS中惯用设备，国内很多大医院已经为CT、MRI等大型设备配置了激光摄影机用于产生胶片，这些设备一样能够与PACS连接。在医院建立PACS所使用其它设备，如微机、图形工作站、网络交换机等等，都是当前通用计算机和通讯设备。当前计算机高速发展，通用设备性能也越来越高，已经能够满足大部分建设PACS需求。第25页四、医学影像系统建设应采取策略

建立PACS一个目标是方便图像存取，使临床医生能够随时随地读取所需要图像。另一个目标是建立无胶片化医院，经过降低胶片使用降低医院消耗，提升经济效益。对于医学影像系统建设，医院应该进行全方面统一规划，充分考虑PACS与其它系统信息沟通。第26页要到达上述两个主要目标，满足医院实际工作需要，应该从影像质量、存放图像数量、影像采集方式、显示设备配置数量和范围等方面进行认真论证。通常需要有高质量图像采集系统，要在临床科室配置大量图像显示设备，有十几个TB（1TB=1024GB）在线存放容量和高速度网络通讯能力，才能够使系统替换传统胶片。第27页医院应该加强信息系统建设统一规划。医学影像系统管理是医院信息中一个主要部分，因为其数据量巨大，对计算机系统、网络系统和存放等都带来了许多问题。所以，产生了许多应用技术，如图像预取技术、图像压缩技术等。然而，作为医院信息系统中一部分，图像信息与其它信息能够很好融合和连接是PACS建设中一个不能忽略问题。各个医院经过做好统一规划，防止PACS与医院其它系统出现信息交换问题。第28页普及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，许多医院计划建立医学影像管理系统（PACS）。然而，因为我国PACS研究工作开展比较晚，许多医院急需比较全方面和完整地了解相关技术，需要经过各种形式工作使医院能够正确认识PACS技术应用目标、作用和建立方法等问题。

建立医学影像系统标准和规范。在数字影像采集、显示，远程医疗等方面我国尚没有对应标准，这不利于保障数字化影像在医疗工作中可靠性和安全性。专业委员会力图经过主动组织研究、引进国外标准等方法，建立起适合我国PACS系统、远程医疗应用技术标准和规范。第29页五、PACS影像存放和传递形式医学影像类型能够分成8bit黑白、12bit黑白、24bit彩色等。8bit黑白和24bit彩色能够使用WINDOWS标准文件存放格式，而12bit黑白图像则无法用任何现有文件格式表示，也无法使用标准图像浏览软件观看。在PACS系统内部，影像通常是按自定义格式存放文件。第30页医学影像传递。DICOM要求了影像文件传递和存放标准，包含标准存放介质和标准网络通讯。标准存放介质叫作DICOMSTORAGE，是一个文件系统结构标准。主要是用于在UNIX/MAC/WINDOWS等不一样平台PACS系统之间直接兼容存放介质。这种介质能够是CD、MO，也能够是DVD或者TAPE。第31页DICOM网络通讯标准主要用于局域网内通讯。在网络上，DICOM3.0十分类似于TCP/IP，不论两端机器和操作系统怎样，都能够透明地进行影像传递。DICOM网络通讯有缺乏安全认证缺点，所以只适合用于局域网中。DICOM存放和通讯中影像能够按约定方式进行压缩，但不是全部PACS系统都支持这些压缩，所以大部分DICOM存放和通讯中影像数据都是完全展开，占据很大空间。第32页为了处理存放和节约空间，PACS系统内部通常使用自己独特文件格式。这并不影响系统兼容性，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货币，不过作国际贸易时都使用美元一样。支持PACS数据库系统比较简单。只有病人—检验—序列号和诊疗、登记信息放在数据库中，大小不一影像存放成文件交给文件系统去管理。为了确保图像可浏览性，各PACS通常提供了独特小程序，用于在自己文件结构上进行影像检索、浏览和图像处理。第33页理想中PACS影像信息全部存在SERVER上，进行集中备份和管理。不过海量存放设备和管理软件费用太高，所以当前还不能进入普及阶段。替换方案是分布存放，即在每个采集工作站上进行光盘刻录，独立进行检索。影像数据允许分布储存在不一样机器不一样数据库中，不一样目录中，不一样结构文件中。PACS用途就是屏蔽掉系统复杂性，使得不一样地方存放影像在安全机制认可前提下自由地流动。第34页六、PACS系统组成一个PACS系统，主要包含内容有图像采集、传输存放、处理、显示以及打印。硬件主要有接口设备、存放设备、主机、网络设备和显示系统。软件功效包含通讯、数据库管理、存放管理、任务调度、错误处理和网络监控等。第35页1、图像采集图像采集是本系统“根”，是系统能够正常运行基本点。只有采集到图像后，才能进行后续显示、处理等工作，采集图像质量决定PACS系统是否可用以及是否含有实际意义。第36页图像采集可分为两种类型：一是静态图像，主要是单帧图片，比如腹部超声发觉结石图像；二是动态图像，为一段或多段连续图像系列，如心脏超声能够采集一个或多个心动周期图像。依据超声仪器特点，决定了其图像采集方式，当前大致有两种方式：数字图像以及视频图像采集。第37页（1）数字图像采集数字图像直接经过网络实现图像采集。以超声仪器为例，该方式前提：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，只要超声仪经过网络与图像存贮设备比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最终方式，未来很可能是超声仪器基本配置。第38页（2）视频图像采集视频图像采集是将超声仪器输出视频信号经过计算机转化为数字信号。详细是经过图像采集卡将超声仪器图像采集到工作站，然后保留到存贮设备中。该方式当前基本满足于全部仪器，实现条件也比较成熟。第39页2、传输存放图像传输存放过程是将采集到位于超声工作站上图像按一定格式、一定组织标准存贮到物理介质上，如服务器、光盘等，以备使用。必须考虑问题：存贮格式、存贮空间、存贮介质等问题。能够使用存贮格式为：TIF、TGA、GIF、PCX、BMP、AVI、MPEG、JPEG、DICOM，我们选择比较通用AVI格式或DICOM格式。第40页图像压缩方法很多，但医学图像必须确保图像能完全还原为原图式样。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）。当前几个实用标准为ISO（国际标准化组织）和ITU（国际电信联盟）制订以下三种：JPEG、H.261以及MPEG等。惯用存放介质：（1）硬磁盘——用于暂时存贮采集图像或显示图像，在图像采集工作站上或者专门图像服务器上皆配置该设备。（2）光盘存放器——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，以实现大量数据存贮。（3）流磁带（库）。第41页3、显示图像显示必须满足(1)不依赖于硬件，也就是说经过软件实现图像显示；(2)动态图像能够动态显示，也能够静态显示；(3)图像方便地在院区网工作站（如医生工作站）上显示，采集图像能充分共享，以到达图像采集目标。第42页4、处理图像处理当前包含图像放大缩小、灰度增强、锐度调整、开窗以及漫游等，图像面积、周长、灰度等测量。5、打印生成规范、包含图像超声诊疗汇报单。图像打印时用户能够选择一到四幅图像，呈方阵排列，假如配置彩色激光或喷墨打印机则可打印非常漂亮、艳丽、基本满足医学需要汇报单。第43页七、PACS类型及特征

按规模和应用功效将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，包含全部医学成像设备、有独立影像存放及管理子系统、足够量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服务。第44页2、数字化PACS（digitalPACS）：包含常规X-线影像以外全部数字影像设备（如CT、MRI、DSA等），常规X线影像可经胶片数字化仪（filmdigitizer）进入PACS。具备独立影像存放及管理子系统和必要软、硬拷贝输出设备。第45页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，在医学影像学科内部分地实现影像数字化传输、存放和图像显示功效。具备医学数字影像传输（DICOM）标准完全遵从性，是当代PACS不可或缺基本特征。在近年文件中提出了“第二代PACS”（Hi-PACS，HospitalintegratedPACS）概念，其基本定义即指包含了模块化结构、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full-servicePACS范围。第46页八、PACS系统管理结构模式

PACE系统管理结构模式能够分为以下两种：1、集中管理模式（CentralManagement）：由1个功效强大中央管理系统（服务器）及中央影像存放系统（CentralArchiving）服务于全部PACS设备和影像，提供集中、全方面系统运行和管理服务。该模式有利于对系统资源和服务实施进行有效管理，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。第47页2、分布式管理模式（DistributedManagement）：PACS由多个相对独立子单元（系统）组成，每一子单元有独立存放管理系统。能够设或不设中央管理服务器，但通常应含有一个逻辑上中央管理系统/平台。该模式也能够由多个mini-PACS整合形成。分布式管理模式有利于减轻网络负荷，但对资源和服务管理、利用效率可能不及集中模式高。第48页九、PACS当前存在问题

标准化技术应用在PACS建立过程中关系重大，它关系到PACS与其它系统信息交换和各个不一样厂商设备连入。当前，有美国ACR和NEMA两个组织共同制订DICOM标准已经成为业界实际采取工业标准。这个标准使得各个医疗影像仪器生产厂数字化检验设备能够轻易地连接在一起。第49页

因为医学影像系统中图像质量关系到诊疗和治疗准确性，所以系统应该对图像质量有很高要求，对图像质量产生较大影像主要原因是胶片图像采集过程。在诊疗中，通常对X胶片影像质量、图像几何分辨率、光密度、噪声等都有较高要求，需要使用专用胶片激光扫描仪进行图像采集，而当前在很多远程医疗系统使用普通办公用扫描系统采集图像往往达不到要求。第50页当前计算机技术发展为PACS建设提供了技术基础。大容量磁盘已经大大降低了图像存放费用。使用CD-R、光盘柜、光盘塔等设备，使系统离线存放非常可靠与方便，同时费用也能够为广大医院所接收。不一样检验所产生医学影像，在图像分辨率、光密度等方面有非常大差异。大多数种类检验影像是中低分辨率。这些影像能够使用惯用通用微机设备进行处理和显示，只有少数种类影像需要高分辨率设备来处理。我们能够充分利用这个特点，在PACS建设中分阶段实施，逐步实现医院影像处理自动化和无胶片化。第51页十、PACS发展趋势

PACS是临床医学、医学影像学、数字化图像技术与计算机技术、网络通讯技术结合产物。它将医学影像资料转化为计算机能识别处理数字形式，经过计算机及网络通讯设备，完成对医学影像信息及其对应信息（资料）采集、存放、处理及传输等功效，使医学信息资源共享，并得到充分利用。从临床医师角度，PACS也可了解为多媒体（电子）病案管理系统主要组成部分。第52页在确定PACS发展模式时，应依据实际情况制订总体规划，循序渐进，分步实施；遵照DICOM3.0标准，并基于Internet浏览器/服务器体系，采取模块化结构去建设PACS及探讨PACS发展模式和实施策略。第53页选择基于浏览器/服务器（B/S）体系模块化结构组建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）模式扩展，是基于超链接Hyperlinks、HTM描述语言多级C/S体系结构，易于处理跨平台问题，经过标准浏览器访问多个平台。第54页B/S客户端为标准浏览器，环境单一，界面统一，易学易操作，易提升工作效率，版本更新易维护。因为B/S体系结构代码分布不象C/S结构那样，要分布在客户端和服务器端，B/S结构在版本更新时，只需考虑服务器端代码，降低运行成本和软件开发工作压力。同时B/S可便于实现业务分布式处理与代码集中式维护，以利于当前医院缺乏高质素计算机技术人员条件下，建立集中管理网络中心，对医学信息系统各种应用系统服务器群、网络关键交换设备、网络使用情况监控设备，以及相关医院管理和临床诊疗信息海量存取系统等，进行及时而全方面维护和管理，以提升医院信息系统实用性，以及对付突发事件应变能力。第55页在上述制订医院信息系统总体规划前提下，探讨PACS发展模式：（1）建立小规模PACS（mini-PACS）或部分PACS（PartialPACS）。应用DICOM3.0标准为设备接口，将数字化成像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）经过医院局部网络，实现基于B/S和WWW技术示教式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疗浏览（阅读）医学图像（如CT、MRI、超声和X光线）。它含有院内图像分配系统（IHIDS）雏型。第56页（3）面向医学影像学专业医师，用以进行医学影像会诊PACS。含有完善图像采集功效，除能经过DICOM3.0接口从CT、MRI、DSA、CR、DR等直接采集数字化图像外，还可经过数字化仪（Digitizer），将胶片上统计模拟信息数字化，间接采集图像信息。应用公认图像压缩标准，如：“JPEG”（联合图片教授组）无失真压缩算法，将数字化医学影像压缩存放。按DICOM3.0标准建立医学影像信息库，并经过高速网络传输，实现医学影像中心和各个影像部门在网上共享高质量影像输出设备和影像信息资源；第57页（4）PACS与不一样传输速率组合，组成不一样类型远程放射学信息系统（Tele-RadiologyInformationSystem，RIS）。普通可分为三个类型：低速、窄带远程放射学信息系统以公共电话网（PSTN）为基础，用Modem（传输速率在56Kbps之下）相连接多媒体PC为平台，提供CT、MR、静态超声图像以及个别体位X线片中低分辨率（1K×1K，10Bit）医学影像远程会诊服务。第58页中速远程放射学信息系统 以ISDN或DSLAM为骨干，采取高分辨率监视器（2K×2K，12bit）图形工作站，以64Kbps至768Kbps传输速率传输图像信息，除提供CT、MRI、静态超声影像远程会诊外，还包含几乎全部部位X线片及动态超声心动图、CT心血管图像远程会诊服务。高速、宽带远程放射信息系统 采取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，提供包含实时动态医学影像会诊在内包括远程医学应用全部领域远程信息服务。第59页（5）PACS与RIS和HIS（医院信息系统）以及个人健康档案卡相结合，提供面向社会远程医学信息服务。我们应在总体规划下，结合实际，采取模块化结构，亲密注视标准和高新技术，循序渐进；切忌忽略医院需求和具备条件，片面追求技术领先和高速发展，不然欲速不达，造成人力财力浪费。第60页十一、医学数字图像通讯（DICOM）标准DICOM是DigitalImagingandCommunicationsinMedicine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）参考模式为基础定下七层协议。DICOM是一个应用标准，存在于七层之间。图9-1DICOM应用范围第61页

DICOM标准以计算机网络工业化标准为基础，为影像、公用信息、应用服务及通讯协议提供了一个标准模式。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，这些设备不但包含CT、MR、核医学和超声检验，而且还包含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。第62页从1995年开始，医学影像设备生产商（主要是美国电子制造业协会NEMA会员）与DICOM标准潜在用户（主要是美国放射学会ACR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它标准化组织和保健机构参加支持，这种广泛合作最终确保了DICOM标准成功。。第63页1、DICOM标准发展背景（1）DICOM标准介绍DICOM（DigitalImagingandCommunicationinMedicine）标准是由ACR（AmericanCollegeofRadiology）及NEMA（NationalElectricalManufacturersAssociation）所形成联合委员会，于1983年以后陆续发展而成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通讯标准。第64页此标准建立目标为：推进开放式与厂牌无关医疗数位影像传输与交换。促使影像储存与传输系统PACS（PictureArchivingandCommunicationSystems）发展与各种医院信息系统HIS（HospitalInformationSystems）结合。允许所产生诊疗资料库能广泛地被不一样地方设备来访问。DICOMVersion3.0，发表于1992年，原自ACR-MEMA两次发表标准，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。第65页DICOM基于开放式互联参考模型，这是一个世界范围通讯标准，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、表示层、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，属于一个软件范围东西。DICOM接口与设备中其它接口（如高压注射器接口）是有区分。其它设备接口包含一些硬件，当然也有对应软件，但软件必须基于特定硬件才能实现其功效。而DICOM则是一个纯软件标准，不论在任何设备计算机上，只要嵌入了DICOM软件，就能实现DICOM功效（即拥有DICOM接口）。第66页DICOM是一个面向对象架构（或称之为环境），在这个环境中信息（数据）处理功效或操作程序（方法）是经过简便便于维护信息包（称为对象）方式组合起来。此方式主要性在于由此产生软件，相对于经过功效模块或编程生成软件，运行简单而不复杂。网络中各台设备都有各自地址，对象相互通讯中经过明确定义消息，完成对应功效就称为服务。比如CT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含有DICOM功效激光相机地址，得到回应消息后，再将图像按一定方式（DICOM格式）发送到此地址，即可由这台激光相机完成打印服务。第67页在DICOM环境中，能够按照是提供服务或者是使用服务而把设备分为DICOM服务提供者和DICOM服务使用者，如CT，MRI，DSA等即为服务使用者，激光相机是服务提供者，也有既是服务者又是使用者设备，如影像工作站。DICOM标准是图像格式标准，也是图像通讯标准，DICOM2.0它适合用于点到点环境，DICOM3.0则适合用于WEB形式网络环境。符合DICOM标准设备能够作为独立节点连入PACS网络，与其它符合DICOM标准节点进行信息交换。第68页然而在我国，因为历史原因，各医院里真正符合DICOM3.0标准影像设备只占全部影像设备一部分（尽管这个百分比越来越大）。大量传统影像设备往往只能输出胶片，或者只有普通视频输出，或者使用专用图像格式。所以，当前在建设PACS时候必须考虑到这一点。为了使现有大量不符合DICOM影像设备进入PACS网络，需要使用一个通用DICOM格式转换工具包。第69页（2）DICOM3.0与NEMA2.0中差异当前DICOMVersion3.0是完全依据ACR/NEMAPS3.1-1992由ACR验证，NEMA发表标准，并新增加了部分功效：由原来只提供点到点（PointtoPoint）通讯环境，扩充到像开放式系统互联OSI（OpenSystemInterConnection）及TCP/IP（TransmissionControlProtocol/Internetprotocol）工业标准通讯环境。能够宣告系统或设备本身所提供标准一致性，包含它所用指令及资料格式异动。为了配合未来新增订内容能快速地纳入标准，DICOM3.0文件体系以多部分结构所制成，藉由ISO要求，DICOM3.0文件已完全依照其标准结构来建立。第70页增加了一些除了影像图形之外讯息控件，如：学术研究、诊疗汇报等。为每个唯一讯息控件赋予一个能够利用处理技术，如：DICOM定义了一系列操作和通知，叫做DICOM消息服务元素。信息对象与这些服务复合叫做服务器-对象对SOP（ServiceObjectPair），这么当这些讯息控件经过网络来处理时，它们彼此之间关联性才不致于混同。第71页DICOM标准与ACR-NEMA标准最大差异在于建立标准模型不一样。ACR-NEMA标准前两个版本建立在隐式放射科信息模型基础上，数据元素是依据标准制订者经验确定。相比之下，DICOM标准基于一组显式实体－关系模型（Entity-Relationshipmodel，简称E-R模型），这些模型详细地描述了事物（包含病人、图像和统计等）在放射科内部操作与相互关系。使用这些模型有利于制造商和用户了解DICOM标准中数据结构，因为它们清楚地表明了实际应用中所需要数据元素以及这些元素之间关系。第72页（3）DICOM3.0标准发展现况近年来因为ACR与NEMA在医疗数位影像传输规范发展与努力，DICOM3.0已成为北美、欧洲及日本各国在HealthCareInformatics影像应用标准。这些协会除了ANSI、ISO外，还包含欧洲EuropenCommitteeforStandardizationTechnicalcommitteeonMedicalInformatics（CENTC251）及日本JapanIndustriesofAssociationforRadiationApparatus（JIRA）。第73页1994年，在美国芝加哥所举行RSNA年会上，就已经有40个以上厂商参加DICOM结果展示，他们利用DICOM3.0标准，透过网络与各医院连线，进行医学影像传输及处理功效显示，主题包含：CR，CT，MRI，US等各类型医学影像资料。第74页2、DICOM标准文件内容概要第一部分：引言与概述，简明介绍了DICOM概念及其组成。提供了整个DICOM标准综述。包含历史、范围、目标和标准结构，对标准各部分都有简明描述。第二部分：兼容性，准确地定义了申明DICOM要求制造商准确地描述其产品DICOM兼容性，即结构一个该产品DICOM兼容性申明，它包含选择什么样信息对象、服务类、数据编码方法等，每一个用户都能够从制造商处得到这么一份申明。第75页第三部分：利用面向对象方法，定义了两类信息对象类：普通型、复合型。普通型信息对象种类只包含那些现实中实体表现出固有属性。复合信息对象种类能够扩展包含那些与现实中实体相关但不是固有属性。第四部分：服务类，说明了许多服务类，服务类详细叙述了作用与信息对象上命令及其产生结果。一个服务类经过一个或多个命令控制一个或多个信息对象。服务种类规范申明了命令元需求以及应用于信息对象命令执行结果。服务种类规范既申明了供给者需求又申明了通讯服务使用者需求。第五部分：数据结构及语意，描述了怎样对信息对象类和服务类进行结构和编码。第76页

第六部分：数据字典，描述了全部信息对象是由数据元素组成，数据元素是对属性值编码。第七部分：消息交换，定义了进行消息交换通讯医学图像应用实体所用到服务和协议。表9-1DICOM组成部分图第77页第八部分：消息交换网络通讯支持，说明了在网络环境下通讯服务和支持DICOM应用进行消息交换必要上层协议。第九部分：消息交换点对点通讯支持，说明了与ACR—NEMA2.0兼容点对点通讯服务和协议。DICOM标准还在不停地更新，当前已经有14部分及许多补充部分。表3-1显示了DICOM标准组成部分图。第78页3、DICOM实现策略（1）引言DICOM利用面向对象技术，基于详细信息模型（实体-关系模型），给出了DICOM标准中数据结构-信息对象定义（InformationObjectDefinitions，IODs），以及对这些信息对象操作-DICOM消息服务单元（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操作）交换网络及点对点通讯支持。应用这一标准数字图像医疗设备以及PACS只需进行一些简单参数设置就能够交换医学图像及其相关信息。第79页经过对DICOM标准设计模型和设计思想分析能够看出，关系－实体模型和面向对象方法是其突出特点。比如，DICOM标准关于数据元素抽象定义与分组有利于软件设计中模块化。第80页（2）DICOM实现策略实现DICOM标准往往是依据实际情况需要，实现DICOM定义一些特定功效而不是全集。比如，DICOM同时定义了网络传输和点对点通讯对DICOM消息交换支持，实际应用中往往只选择一个通讯方式。所以，每个DICOM详细实现是不尽相同。即使如此，实现DICOM还是有一定规律可循。DICOM格式转换软件设计中突出了面向对象方法，以最大程度地与DICOM标准设计思绪相一致。主要含有以下功效：第81页①DICOM格式与通用图像格式（如BMP、TIFF、GIF、JPEG等）之间相互转换；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。其中第一项功效使得非DICOM应用程序能够读取、显示、处理DICOM图像，第二项功效使得一些不具备DICOM接口传统影像设备能够连入PACS网络，第三项功效使现有胶片经过扫描就直接进入PACS。第82页层次性DICOM是一个有层次医学图像传输标准，它依据医学图像传输以及面向对象要求，将标准按层次定义，所以，DICOM实现就应对应DICOM各部分分层次实现。普通情况下实现DICOM要分以下三个层次进行。①DICOM消息交换网络支持层（DICOM第八部分）。这部分是最低层次，是其它层次基础。这部分主要定义了医学图像及相关信息网络传输协议，它对应着开放系统互连（OpenSystemsInterconnection，OSI）定义网络传输中会话层、表示层及连接控制服务单元，图9-2显示了DICOM标准网络层次结构。第83页②DICOM消息服务（DICOM第四、五、七部分）。这几部分详细定义了DIMSE及对医学图像相关信息操作，包含医学图像相关信息查询、存放、打印等服务，是对信息对象操作。③DICOM信息对象（DICOM第三、六部分）。这两部分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最高层次。第84页面向对象DICOM应用消息交换医学图像应用DICOM支持TCP/IP上层协议TCP标准网络物理层（Ethernet,FDDI,ISDN等）OSI连接控制服务单元IPOSI表示层OSI会话层OSI传输层OSI网络层链路层第85页面向对象方法是一个系统设计惯用方法，要遵照几个标准：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利于增强软件模块可重用性，提升系统对设计改变适应能力，而且在结构上清楚易懂。DICOM标准实体－关系模型与面向对象方法有机地结合在一起。在DICOM标准中，对象是由模型定义实体（或实体集），属性描述了对象特征。这些对象被称为信息对象，而该模型以及属性表（属性集合）被称为信息对象定义（IODs）。模型中实体是抽象，在其属性有了详细值之后，该实体就成为一个实例（Instance）。第86页因为面向对象技术在DICOM标准中广泛应用，利用面向对象编程语言来实现DICOM标准就成为理所当然了。利用诸如C++、Smalltalk、Java等面向对象语言实现DICOM标准，将有利于工作顺利开展。第87页面向对象方法不但描述了信息本身，同时说明了处理这些信息方法。DICOM标准将一些操作（如“存放图像”）定义为服务，这些服务由不一样DICOM消息服务元素（DIMSE）组成。信息对象与特定服务组合组成了服务－对象对（SOP）。同一信息对象与多个服务相联络，形成了SOP类。SOP类是DICOM标准基本功效单位，由参加服务双方组成：服务类提供者（SCP）与服务类使用者（SCU）。第88页易于扩展DICOM是一个开放、不停发展标准。它从1993年至今已从九个部分发展到十四个部分，而且每部分都有所更正和补充，尤其是IODs不停增加，使DICOM标准不但适合用于放射学领域，而且扩展到其它医学信息学领域，其应用范围不停扩展。基于DICOM易扩展性，实现DICOM就应注意使其能够充分扩展，适应DICOM发展需要。层次性实现方式有利于DICOM实现扩展。代码平台独立DICOM主要应用于各种不一样医疗设备之间进行医学图像及相关信息交换，所以往往运行于各种操作平台。所以，实现通用DICOM标准需要代码平台独立性。第89页实现DICOM消息交换网络支持DICOM消息交换网络支持实现是分两个层次实现（如图3-3）。首先要实现平台独立TCP/IP惯用接口Berkeley标准套接字（BSDsocket）；其次，对DICOM定义消息传递机制进行封装。图中，上层DICOM消息传递机制经过调用封装后TCP/IP套接字经过网络进行信息交换。第90页①DICOM标准第八部分定义了经过TCP/IP传输DICOM对象标准。它对应于OSI定义网络传输中会话层、表示层及连接控制服务单元。这部分底层信息交换，采取了TCP/IP惯用接口BSD套接字。因为BSD套接字在不一样平台上接口有些不一样，所以采取了面向对象技术对BSD套接字进行了封装，以实当代码平台独立。②DICOM标准第八部分定义了建立、结束网络连接及传送DICOM对象消息机制。在这里，第八部分定义全部消息均被封装为对应它们名字C++对象中，第91页（3）用C++实现DICOMSOCKET类OpenAcceptListenReadBinarySendBinaryCloseGethostbyname…AAssociateRQAAssociateACAAssociateRJPdataTFAReleaseRQAReleaseRSPAAbortRQ当前国际上，DICOM标准已成为医学图像通讯界工业标准。而我国当前在医学影像设备和PACS发展上，往往忽略标准化问题。为处理这一问题，已经有一些企业借鉴了国外在实现DICOM上一些经验，独立对DICOM作了多方面工作，已取得初步结果。其中之一就是利用C++实现了平台独立基于TCP/IPDICOM标准。第92页完成DIMSE服务实现了DICOM消息交换网络支持后，就应该完成更高层次DICOM支持，这就是DIMSE服务。DIMSE服务包含DIMSE-C服务和DIMSE-N服务。DIMSE-C服务允许一个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服务仅用于一个DICOM应用实体通知另一DICOM实体某种事件发生。第93页SOP类与信息对象定义是结合在一起，但它是经过DIMSE服务来进行操作。操作是主要由DICOM第四部分定义，而信息对象定义是由DICOM第三部分定义。实现DIMSE服务关键是按DICOM层次结构实现操作与信息对象定义分离。这是经过实现抽象类来实现，这些抽象类包含AbstractStorage，AbstractQuery，AbstractRetrieve。这些抽象类能够被继承生成特定SOP类。这么做能够降低代码重复从而降低错误发生而且易于增加新IOD从而扩展适用范围。而抽象SOP类是由DICOM定义DIMSE-C服务类抽象定义。第94页完成信息对象定义DICOM信息对象定义是由模块组成，每个模块是一个由一系列属性组成数据结构。这么定义信息对象有利于DICOM应用范围扩展。比如，要在DICOM中增加适合用于牙科信息对象定义，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中未定义牙科图像特有属性。依据DICOM组成信息对象定义方式，将每个组成模块定义为一个基类，由分别继承对应基类方式就能够组成信息对象。第95页利用面向对象方法，分三个层次实现了DICOM标准。上一个层次需要继承下一个层次类或调用下一个层次函数，下一个层次返回数据给上一个层次。在实现过程中，采取了各种方法来确保代码平台独立性，如封装了BSD套接字及一些操作系统敏感函数。因为采取了层次实现方法，使得系统更易于扩展，既在每个层次上都能够建立自己高层次应用。比如，可依据详细情况，基于第一层建立自己DIMSE服务；在各个层次实现中也注意到使代码轻易扩展，如第二层建立抽象服务类等。第96页数据集（DataSet）与对这个数据集操作（即命令）组成了消息（Message），消息是影像设备之间相互交换信息。消息组成单位是数据元素（DataElement），其按照逻辑关系分成不一样组，由对应组号标识。同一组内不一样元素含有不一样元素号，组号与元素号组成了数据元素标志（Tag）。Tag后面是类型表示（valuerepresentation，简称VR），这是一个可选域，是否出现由传输语法决定。其后是数据元素长度与值。比如，病人姓名就表示为表3-2（十六进制数）。组号元素号长度值00100010000E000012字节4A6F686E736F6E5D526F62657274（Johnson^Robert）（4）DICOM格式转换软件设计与实现DICOM数据格式

第97页DICOM格式转换软件中有以下几个值得注意问题：

①字节次序（byteordering）字节次序一样有传输语法决定。不一样计算机系统有以下两种字节次序： A、LittleEndian:低位地址低位字节次序； B、BitEndian:低位地址高位字节次序。 DICOM格式转换软件输入/输出流模块应该能正确地进行字节交换。第98页 ②嵌套数据集（nesteddataset） 嵌套数据集中数据元素值又是由零个或多个数据元素组成。这么数据集称为条目（item），往往用于重复简单数据集，或者组成复杂IODfolder。条目标VR（类型表示）为SQ（sequenceofitems）。假如条目中数据元素VR也是SQ，则组成了递归嵌套。第99页 ③压缩图像数据（encapsulatedpixeldata） 图像数据能够是非压缩（nativeformat），也能够是压缩（encapsulatedformat）。图像编码方式也是由传输语法要求。DICOM当前支持两种压缩方式： A、JPEG压缩，包含基于离散余弦变换（DCT）有损（lossy）压缩和基于差分脉冲编码调制无损（lossless）压缩。 B、游程编码（RLElossless）。第100页 ④光度表示（photometricinterpretation） 光度表示要求了图像显示特征，常见值有： 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：使用调色板彩色图像。 另外还有ARGB、CMYK、YBR－FULL等。格式转换软件在输出图像数据时，必须依据光度表示进行调整。第101页 Windows（95/98/NT）操作系统，VisualC++开发环境，因为其支持面向对象编程。整个设计关键是一组对DICOM数据集进行编码与解码C++类，它们完成了主要工作。为了深入方便使用，将这些关键类封装在一组应用程序编程接口（ApplicationPro