数字化医学影像管理系统——PACS

忠信

随着计算机网络、存储、通信技术的成熟，以及数字化医疗设备的快速发展，医学影像归档与通信系统已经成为医院信息化的必备系统之一，功能已从影像的归档与通信发展到服务与协同，影像数据也成为医疗大数据的组成部分。

PACS定义

医学影像归档与通信系统（picture archiving and communication systems，PACS）是应用于医院的数字医疗设备，如CT、MR（磁共振）、US（超声成像）、X线、DSA（数字减影）、CR（计算机成像）、ECT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、信息处理的综合应用系统。它集医学图像获取、大容量数据存储、图像显示和处理、数据库管理及用于传输影像的局域或广域网络等技术为一体，大大降低了医生对传统硬拷贝技术的依赖，达到更高效低价的观察存储管理回溯和传送医学影像的效果。PACS 技术是进行全数字化影像诊断及管理的重要基础。
PACS的业务工作流程相对整个医院其他业务流程较为简单，但技术实现难度大。PACS 的基本框架包括影像设备接口、存储设备、计算机、通讯网络、显示器等。集成的软件系统用来实现通讯、数据库管理、存储管理、任务队列管理、错误处理以及网络监控等功能。在物理结构上采用各种网络将不同类型的设备连接起来，包括医学成像设备、图像采集计算机、数据库和归档管理服务器以及图像显示工作站等。

 

PACS系统分类

PACS在中国起源于20世纪90年代初，当时全国的医院信息化刚刚起步，影像设备数字化水平低。经过20年的发展，医院信息化投入和技术水平飞速发展。PACS 在各医院的建设应用差别很大。根据一套PACS连接覆盖的广度将PACS进行如下分类。

（一）基于广域网的PACS系统
基于广域网的PACS系统是最大型的PACS系统，多用于不同医院之间实现PACS信息数据的相互共享以及医疗资源共享，也可以认为是不同或相同PACS之间通过广域网以及中间件或HL7等国际标准而建立起的超大型PACS系统。此类PACS系统的应用目前在世界，尤其是国内并不多见，但相信会成为PACS系统的发展方向，从而实现医学影像网络环境下的高度信息、资源共享。因为此类PACS系统的运行环境为互联网，因此系统和数据的安全问题尤为重要，如何通过现代高科技技术保证数据安全将成为今后PACS研究的关键技术之一。

（二）全院PACS
全院PACS（full PACS）是采用模块化结构、开放性架构，连接全院影像设备、诊断科室和临床科室，是规模大、复杂度高、信息共享要求高的PACS。全院PACS需要连接全院所有影像设备，并与医院的HIS、RIS等信息系统做到数据和流程上的紧密融合，并能提供远程放射学服务。医院无胶片化后，一般需要部署高端的存储设备，并制订完善的存储及备份方案，对全院网络的性能要求也比较高。因此全院PACS的投资和实施难度大，但其相对的效益也是最大的。实施全院PACS后，可以实现真正取消胶片的要求，直接节约医院成本，同时各类影像数据能够在全院范围内流通，直接提高影像的使用效率和应用面，实现真正意义的大影像，对医院的临床以及教学科研工作都有很大程度的促进。

（三）Mini-PACS
Mini-PACS是运行在某个检查科室内部的PACS，同样要包括申请预约、DICOM网关、数据库、诊断工作站、服务器以及管理工作站、报告工作站等。Mini-PACS一般不与医院的HIS相连，所有数据和工作流都是在诊断科室内部流转，可以说是一种自给自足的PACS。现在许多医院的PACS都是从放射科或其他诊断科室的Mini-PACS开始，然后再到全院PACS。因此也就出现了如何将Mini-PACS的已有数据顺畅无误的转入全院PACS中等一系列问题。如Mini-PACS与全院PACS是同一个厂商的，相对容易。但如果不是，就需要双方协商接口或是开放数据库权限。因此，医院在对Mini-PACS或全院PACS进行选型时，应考虑到这些后续问题，否则会造成病例信息丢失或是信息匹配错误等重大问题，降低数据的延续性，形成信息孤岛。

（四）单机工作站
顾名思义，单机工作站是运行于单机平台的非网络版PACS工作站。它一般具有DICOM网关、本地数据库、诊断和图文报告功能。优点是安装简单、价格较低，比较适用于一些较小的基层医院以及部分特殊情况，如查体中心等。但由于单机工作站的所有数据和影像都是存在本地，不能为远端使用，所以其数据共享性较差，数据的在线时长也受到较大限制，往往会形成信息孤岛。
尽管这样，单机工作站的设计思想还是有其一定的可取性。 如对于PACS视频影像子系统来说，一般都是一台工作站连接一台设备（如显微镜、超声等），为了保证医生在网络连接不通畅或其他网络传输受限的情况下仍然能继续工作，如果PACS视频影像子系统能提供本地和远程两种数据连接方式，那么就可以实现上述需求。

PACS相关技术

PACS系统是多种技术的综合应用，包括：
（一）显示技术
图像显示仪器（如阴极射线管）的性能是决定PACS性能的重要因素。医学图像显示也是医学成像链中的最后一个环节，需要为医生诊断提供足够的图像细节来辅助医生作出正确的判断。考虑这些图像对整个诊断图像应用的重要性，应当首先确保这些不同的电子显示仪器不会损害所显示的图像质量。在当前的显示技术水平的支持下，通过PACS工作站读片已经不存在问题。在普通工作站上，只要使用普通的显示器就能够读到清晰的图像，辅助诊断的进行。当对一些专业科室或特殊要求的图像时，如乳腺、DR诊断科室、骨专科等，可以使用不同类型的专业图像显示器来提供医学数字图像的细节识别。

（二）存储技术
医院影像数据量占据了医院信息化后数据量的绝大部分，是海量数据量，基本是以文件形式存储。因此文件存储介质的容量、密度和速度影响PACS的图像存储性能。随着IT技术的快速发展，廉价、性优、大容量的存储介质和数据管理、处理技术的快速发展，将会随着数据量的增加而不断满足应用需求。

（三）数据获取技术
由于计算机工作平台，成像设备和生产厂家的不同，使得图像格式、传输方式千差万别，很难实现医学信息的共享。为了解决这个问题，国际上规定了一系列医学电子数据的交换标准。目前正在使用的用于实现医学信息共享的医学数据交换标准主要有HL7（health level seven）数据交换标准和医学数字成像和通信标准DICOM（digital imaging communication in medicine）。PACS系统将DICOM作为图像文件标准。对于符合DICOM3.0的数字图像，可以直接与采集计算机相连。对于胶片这类非数字图像，一种方法是使用专用胶片扫描仪将硬胶片扫描转换成数字图像；另一种则用摄像头以帧捕捉的方式将其转换成数字图像，这种方法也适用于从医疗设备的监视器输出获得的数字图像。

（四）图像数据压缩技术
图像数据传输速度和图像存储容量取决于图像数据压缩比。图像数据压缩技术包括有损和无损压缩。为了保证诊断的准确性，一般采用近无损压缩技术使静止图像质量在视觉上无变化。研究表明，5~6:1的压缩率为近无损压缩。DICOM3.0中规定了静止图像压缩标准，还没有规定动态数字视频图像压缩标准。对于动态数字视频图像可采用有损压缩，包括MPEG-4和运动JPEG，但需要通过实验研究来选择合适的压缩率。

（五）数字通信技术
PACS系统结构中，数字通信网络主要完成图像从获取设备到PACS存储，然后到显示工作站的传送。在网络构建时要运用不同的通信技术以适应各种计算和处理需要，目标是给临床提供最佳的图像获取和显示。数字通信网络设计中要考虑以下5个因素：①通信速度；②通信标准；③容错性；④安全性；⑤网络建设和维护费用。