对医学影像信息系统应用的需求

随着现代医学的发展，医疗机构的诊疗工作越来越多依赖医学影像的检查（X线、CT、MR、超声、窥镜、血管造影等）。传统的医学影像管理方法（胶片、图片、资料）诸此大量日积月累、年复一年存储保管，堆积如山，给查找和调阅带来诸多困难，丢失影片和资料时有发生。已无法适应现代医院中对如此大量和大范围医学影像的管理要求。采用数字化影像管理方法来解决这些问题已经得到公认。随着计算机和通讯技术发展，为数字化影像和传输奠定基础。目前国内众多医院已完成医院信息化管理，其影像设备逐渐更新为数字化，已具备了联网和实施影像信息系统的基本条件，实现彻底无胶片放射科和数字化医院，已经成为现代化医疗不可阻挡的潮流。

1、减少物料成本：引入PACS系统后，图像均采用数字化存储，节省了大量的介质（纸张，胶片等）。

2、减少管理成本：数字化存储带来的另外一个好处就是不失真，同时占地小，节省了大量的介质管理费用。

3、提高工作效率：数字化使得在任何有网络的地方调阅影像成为可能，比如借片和调阅病人以往病历等。原来需要很长周期和大量人力参与的事情现只需轻松点击即可实现，大大提高了医生的工作效率。医生工作效率的提高就意味着每天能接待的病人数增加，给医院带来效益。

4、提高医院的医疗水平：通过数字化，可以大大简化医生的工作流程，把更多的时间和精力放在诊断上，有助于提高医院的诊断水平。同时各种图像处理技术的引进使得以往难以察觉的病变变得清晰可见。方便的以往病历的调阅还使得医生能够参考借鉴以前的经验作出更准确的诊断。数字化存储还使得远程医疗成为可能。

5、为医院提供资源积累：对于一个医院而言，典型的病历图像和报告是非常宝贵的资源，而无失真的数字化存储和在专家系统下做出的规范的报告是医院的宝贵的技术积累。

6、充分利用本院资源和其他医院资源：通过远程医疗，可以促进医院之间的技术交流，同时互补互惠互利，促进双方发展。

医学影像信息系统最初是从处理放射科的数字图像发展起来的。医学影像信息系统的前身是医学影像存档与通信系统，最先推动PACS发展的动力来自于传统的相机厂家。这是因为当数字化浪潮到来的时候，他们首先就意识到这对他们的产品是一个不可逆转的巨大的冲击。 他们对各个厂家的设备连接能力有着最为清楚的了解；但作为传统的机械制造商，他们的计算机技术不够充足，对图像设备及图像处理也不够了解。

最初，许多设备制造商对开放的网络连接时有很大的抵触情绪。因为他们认为这是意义不大，并且对他们的利益有冲突，更深层的原因在于他们没有意识到，已经落在了信息技术发展的后面；更不了解，信息技术会给医疗影像行业带来什么。

随着计算机软硬件技术、多媒体技术和通信技术的高速发展以及医学发展需求的不断增长，PACS 标准化进程不断推进，尤其是ACR-NEMA(American College of Radiology & National Electrical Manufactures ′ Association，美国放射学会和美国电器制造商学会)DICOM(digital imaging and communications in medicine ，医学数字成像和通信标准)3.0标准的普遍接受，目前的PACS已扩展到所有的医学图像领域，如心脏病学、病理学、眼科学、皮肤病学、核医学、超声学以及牙科学等。PACS所包含的内容和能力已超越这一名词原来的含义，现在一般提到的PACS普遍是指包含了放射科信息系统（RIS，Radiology Information System）和医学影像存档与通信系统（PACS，Picture Archiving & Communication System）的医学影像信息系统。

医院PACS始建于2006年，其文件容量至2015年仅有63.77TB，至2019年底已达到245.83TB，呈井喷式增长。

PACS医学影像信息系统的技术发展主要体现在下列几方面：

1、 内部存储格式标准化为DICOM3.0

目前几乎所有欧美先进PACS厂家都用正式DICOM3.0文件格式来储存图像。设计旧一点的PACS还用ACR-NEMA2.0或SPI，只有很老的PACS才用到厂家自己定义的格式。用DICOM3.0格式有许多好处，其中一条是今后要更换PACS时不必找旧PACS厂家来转换数据。更重要的是用DICOM3.0文件格式可以随时加影像模式、加减和更改图像文件的内容。而传统的固定字段长度图像格式要添些东西就要全盘改动。

2、 采纳标准压缩算法来压缩图像文件。

新一代的PACS大多采用DICOM支持的标准压缩算法，如JPEG、JPEGLossless、JPEG2000、JPEG-LS和Deflate等。厂家用自定义算法来压缩图像的现象越来越少。

3、三级储存模式(在线、近线和离线)转变成两级(在线和备份)

目前欧美先进PACS厂家都在推行在线和备份两级储存。备份只是为了防意外，如火灾、地震等。在线用的是硬盘，用RAID(冗余存储磁盘阵列)加NAS(NetworkAttachedStorage)或SAN(StorageAreaNetwork)。而前几年PACS界最常见的是用三级图像储存模式：在线(online)、近线(near-line)和离线(off-line)。新的图像在线存在硬盘上、老一点的图像近线存在网路服务机里、再老一点的图像离线存在MOD或磁带里。

4、智能化医学影像平台

智能影像IT平台是医院信息系统的主要发展方向。能否最快获得全部诊断信息是评价影像工作站优劣的唯一标准。syngo .via是全球首个“会思考”的影像工作平台，它改变了传统的影像后处理理念，摒弃以软件为导向的传统CT工作站工作方式，开启以解剖或疾病诊断为导向的全新工作视角，突破性的成为直接服务疾病诊断的影像工作平台。让医生从繁琐的影像后处理中解脱出来，专注于医学诊断。

西门子syngo.via影像IT平台具有图像预处理功能，影像处理与扫描序列无缝链接，自动进行，无需任何人工干预；它有以疾病为导向的工作流程，自动进入按照疾病或解剖部位定制的工作模块；为每位医生量身定制其所需的诊断工作模块，任意顺序集成相关影像处理软件；带有诊断书签功能，能自动记录医生的每次病变测量、病变标记，方便跨科室医生间的交流和上级医生复核报告。

由于我国开发和引进PACS系统较晚，目前已经建立并有效运行的PACS系统并不多见（特别是内陆省市）。究其原因主要是标准化程度低、兼容性差，一般为封闭式的专用系统，既不经济、价格也昂贵，配置的硬件不够合理，对工作量大的医院缺乏强大的存储子系统，无法支持数据量巨大的常规放射影像，因此不能真正实现“无片化”管理。多数PACS系统也没有其有效的工作流程和自动化管理功能，也不能向临床诊断提供所需的全部，表现在在线信息少，响应速度慢。对网络安全、保密和符合法律要求方面还不可靠。现有的PACS系统设计大多数没有考虑技术发展和扩展需要的可能，难于与现有的HIS/RIS整合为一个系统。

各国的PACS系统研究和发展各具特点：美国PACS系统的研究和开发是在政府和厂商的资助下来进行的；欧洲的PACS系统由跨国财团、国家或地区的基金来支持，研究小组倾向于与某个主要厂商合作，着重于PACS建模和仿真及图像处理部件的研究；日本将PACS系统研究和开发列为国家计划，由厂商和大学医院来共同完成，厂商负责PACS系统集成和医院安装，医院负责系统临床评测，而且系统技术指标固定，没给医院研究人员留有多少修改的空间；韩国的PACS系统是在大型私营企业资助下所完成的。

PACS在国内发展方向重点在：应严格遵守国际技术标准的系统设计和完全开放式的体系结构，基于IHE、DICOM3.0和 HL-7（医疗保健）等国际标准；浏览器/服务器结构，应具有良好的兼容性；基于Internet/Intranet技术的网络结构，需支持局域网（LAN）、广域网（WAN），可远程会诊；采用TB级甚至PB级存储子系统，提高响应能力；提供容错、纠错能力及更好的数据安全性和灾难恢复能力，有高性能数据压缩技术；系统界面友好，有强大的中文支持能力，易学易用；有语音、图像和数据的传输等多种技术的无缝整合；有完整的系统解决方案，系统利于维护和技术支持。

上世纪，伴随着科技的发展，医疗水平不断提高，各种新的医疗影像设备不断涌现。50年代超声技术运用于医学领域；70年代CT和80年代MRI先后应用于临床。此后基本上每隔两三年就有新种类的医疗影像设备被发明。越来越多的医疗影像设备一方面提高了诊断的准确程度，另一方面带来了新的问题。那就是如何管理这些医疗影像设备产生的数据，为了在一定范围内获得医疗影像设备产生的数据，保证不同厂家的影像设备的数据能够互连。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（ACR-NEMA数字成像及通信标准委员会），研究如何制定一套统一的通讯标准来保证不同厂家的影像设备能够信息互连。经协商一致后，制定出了一套数字化医学影像的格式标准，即ACR-NEMA 1.0标准，随后在1988年完成了ACR-NEMA 2.0，1993年发布3.0版本正式命名为DICOM3.0(Digital Imaging and Communications in Medicine：医疗数字成像和通信)。但是由于各种原因，此标准直到1997年才慢慢被各医疗影像设备厂商接受。此后标准每年都有大变动，涉及到医学影像的每一个角落，特别是最近刚加入标准的SR(结构化报告)涉及了其他标准不敢涉及的领域。同时，标准还在安全性（隐私和授权）方面下了很大的功夫，添加了TSL/SSL，数字签名，数字授权，数据加密支持。为了支持不同领域的数据交换，还增加了XML支持。总之，DICOM标准日新月异不断向前发展。

目前，DICOM3.0已为国际医疗影像设备厂商普遍遵循，各大厂商所生产的影像设备均提供DICOM3.0标准通讯协议。

在系统的输出和输入上必须支持DICOM3.0标准，已成为PACS的国际规范。只有在DICOM3.0标准下建立的PACS才能为用户提供最好的系统连接和扩展功能。

（一） DICOM3.0

DICOM 标准的全称是“医学数字成像与通讯”（digital imaging and communication in medicine）标准，是按照NEMA的程序制订和发展的。它实际上是ACR-NEMA的第三个版 本。之所以不叫 ACR-NEMA3.0 而改称 DICOM3.0 是因为：①该标准并不单单是由ACR-NEM的联合委员会制订的，世界上其它一些标准化组织也共同参与了它的制订与发展。这些标准化组织包括欧洲标准化委员会251技术委员会（即 CENTC251），该委员会早已以DICOM为基础，制订出一项与DICOM完全兼容的标准--MEDICOM；还有日本的JIRA（japanese industry radiology Apparatus）和医学信息系统发展中心（medical informationsy stem development center）。这两个组织对DICOM的主要贡献在于提出了利用可移动的媒质（光 盘等）来存贮、交换医学图像的标准。在制订标准过程中，也参考了其它的一些组织，包括IEEE、HL7和ANSI等有关标准。②标准不仅支持医疗放射图像，它是可扩展的，面向所有医学图像，只要简单地增加相应的服务对象类（SOP）即可。扩展到心电图（cardiology、内窥镜（endoscopy）、牙医（dentistry）、病理学（pathology）和其它等类型图像的工作目前正在进行之中。与其前面的1.0和2.0版本一样，DICOM在制订工作一开始就考虑到一些相关标准化组织的研究成果，这不仅仅是为了避免重复性的工作，更重要的是为DICOM提供了重要的背景和技术。由于是面向网络环境的通讯标准，故对 DICOM 影响最大的是国际标准化组织的开放系统互联参考模型（ISO-OSI）。

（二） HL7

HL7 是在医疗环境中（尤其是在院病人治疗）交换电子数据的标准。1987年5月，在Pennsylvania 大学医院，成立了一个由医疗单位（和用户）、厂家和医疗顾问（consultants）组成的委员会，这个委员会主要负责HL7的工作，目的就是简化不同厂商（尤其包括竞争的厂商）在医疗领域中的计算应用的接口实现。其主要应用领域就是HIS/RIS。

HL7目前主要是规范在HIS/RIS系统及其设备之间通讯如下信息：病人入院/挂号、出院或转院数据（统称ADT-admissions/registration、discharge、transfer）和查询、病人安排、预订、财务、临床观察、医疗记录、病人的治疗、主文件更新信息等。

功能规范

随着信息技术的发展及医院运行机制的转变，医院信息系统已成为现代化医院必不可少的重要基础设施与支撑环境。卫生部为了积极推进信息网络基础设施的发展，加快医院信息化建设和管理，制定了《医院信息系统基本功能规范》。其中，对医学影像信息系统功能设置了以下规范。

（一） 影像处理

1．数据接收功能：接收、获取影像设备的DICOM3.0和非DICOM3.0格式的影像数据，支持非DICOM影像设备的影像转化为DICOM3.0标准的数据。

2．图像处理功能：自定义显示图像的相关信息，如姓名、年龄、设备型号等参数。提供缩放、移动、镜像、反相、旋转、滤波、锐化、伪彩、播放、窗宽窗位调节等功能。

3．测量功能：提供ROI值、长度、角度、面积等数据的测量；以及标注、注释功能。

4．保存功能：支持JPG、BMP等多种格式存储，以及转化成DIDICOM3.0格式功能。

5．管理功能：支持设备间影像的传递，提供同时调阅病人不同时期、不同影像设备的影像及报告功能。支持DICOM3.0的打印输出，支持海量数据存储、迁移管理。

6．远程医疗功能：支持影像数据的远程发送和接收。

7．系统参数设置功能：支持用户自定义窗宽窗位值、放大镜的放大比例等参数。

（二） 报告管理

1．预约登记功能。

2．分诊功能：病人的基本信息、检查设备、检查部位、检查方法、划价收费。

3．诊断报告功能：生成检查报告，支持二级医生审核。支持典型病例管理。

4．模板功能；用户可以方便灵活的定义模板，提高报告生成速度。

5．查询功能：支持姓名、影像号等多种形式的组合查询。

6．统计功能：可以统计用户工作量、门诊量、胶片量以及费用信息。

（三） 运行要求

1．共享医院信息系统中患者信息。

2．网络运行：数据和信息准确可靠，速度快。

3．安全管理：设置访问权限，保证数据的安全性。

4．建立可靠的存储体系及备份方案，实现病人信息的长期保存。

5．报告系统支持国内外通用医学术语集。

（一） 物理层次

从物理层次结构上，PACS可以分为4层：网络用户层、接入层、核心层、资源提供用户层是网络中的众多的终端或工作站；接入层是指与网络用户层中的终端或工作站相连接，为这些终端或工作站进行网络互联的网络设备集合（如二级交换机、集线器等）；核心层是指将接入层网络设备汇集起来，形成全网互联的网络设备的集合，如（服务器、路由器、防火墙等）；资源提供层是指PACS网络中的众多的医疗器械终端，如（CT、US、DR等）。

（二） 应用层次

内窥镜等图文并茂的专业影像报告系统；科室级PACS是指针对中型医院所提出的科室架构，紧密整合院方已有的HIS/RIS系统 ，建立以患者为中心的科室影像中心；全院级PACS主要是针对大型医院所提出的全院性架构，完全实现全院影像科室数字化读片诊断工作流程、实现全院影像科室电子化管理。

现有主流PACS厂商，在研发PACS系统之初，都遵从了以下标准流程。（一） 检查信息登记输入

前台登记工作站录入患者基本信息及检查申请信息，也可通过检索HIS系统（如果存在HIS并与PACS/RIS融合）进行病人信息自动录入，并对病人进行分诊登记、复诊登记、申请单扫描、申请单打印、分诊安排等工作。

（二） WorkList服务

病人信息一经录入，其他工作站可直接从PACS系统主数据库中自动调用，无需重新手动录入；具有WorkList服务的医疗影像设备可直接由服务器提取相关病人基本信息列表，不具备WorkList功能影像设备通过医疗影像设备操作台输入病人信息资料或通过分诊台提取登记信息。

（三） 影像获取

对于标准 DICOM 设备，采集工作站可在检查完成后或检查过程中自动 ( 或手动 ) 将影像转发至PACS主服务器。

（四） 非DICOM转换

对于非DICOM设备，采集工作站可使用MiVideo DICOM网关收到登记信息后，在检查过程中进行影像采集，采集的影像自动（或由设备操作技师手动转发）转发至PACS主服务器。

（五） 图像调阅

患者在检查室完成影像检查后，医师可通过阅片室的网络进行影像调阅、浏览及处理，并可进行胶片打印输出后交付患者。

需要调阅影像时PACS系统自动按照后台设定路径从主服务器磁盘阵列或与之连接的前置服务器中调用。

在图像显示界面，医师一般可以进行一些测量长度、角度、面积等图像后处理，在主流PACS中，除了测量功能外，都会提供缩放、移动、镜像、反相、旋转、滤波、锐化、伪彩、播放、窗宽窗位调节等图像后处理功能。

（六） 报告编辑

患者完成影像检查后由专业人员对影像质量进行评审，并进行质量分析。完成质量评审控制后的影像，诊断医生可进行影像诊断报告编辑，并根据诊断医师权限，分别进行初诊报告、报告审核工作。在书写报告过程中，可使用诊断常用词语模版，以减少医生键盘输入工作量。诊断报告审核过程中可对修改内容进行修改痕迹保留、可获得临床诊断、详细病史、历史诊断等信息、可将报告存储为典型病例供其它类似诊断使用，供整个科室内学习提高使用。

审核完成的报告通过打印机进行输出后由医师签字后提交，同时诊断报告上传至主服务器存储备份。打印完成后的报告不能再进行修改，但可以只读方式调阅参考。

PACS有别于HIS、LIS等其它医学信息系统的最重要一点就是：海量数据存储。合理设计PACS的数据存储结构，是成功建设PACS的关键。一个大型的医院拥有大批现代化的大型医疗影像设备，每天影像检查产生的数据量多达4个GB左右（未压缩的原始数据），一年数据总量大约1200GB。而随着医院的业务飞速发展和新的影像设备的引进，这一数据量还可能进一步增长。此外，如何提高在线数据随机存取的效率也是一个非常关键的问题。

基于这一原因，现有的PACS医疗影像信息系统提供商多采用分级存储（HSM）的策略，将PACS存储分成在线存储和离线存储两级结构。用两种不同性能的存储介质来分别完成高容量和高效率的要求，低速超大容量存储设备（离线存储服务器）用作永久存储；高速存储设备（SAN）用作在线数据存储，确保在线数据的极高效存取。对于2年以上的历史数据保存在离线存储设备里，在线存储设备仅保存最近三年的数据。

DICOM文件是指按照DICOM标准而存储的医学文件。

DICOM文件由多个数据集组成。数据集表现了现实世界信息对象的相关属性，如病人姓名、性别、身高和体重等。数据集由数据元素组成，数据元素包含进行编 码的信息对象属性的值，并由数据元素标签（Tag）唯一标识。数据元素具有三种结构，其中两种具有类型表示VR（是否出现由传输语法决定），差别在于其长 度的表达方式，另外一种不包括类型表示。类型表示指明了该数据元素中的数据是哪种类型,它是一个长度为2的字符串,例如一个数据元素的VR为FL，表示该数据元素中存储的数据类型为浮点型。所有数据元素都包含标签、值长度和数据值体。

标签是一个16位无符号整数对,按顺序排列包括组号和元素号。数据集中的数据元素应按数据元素标签号的递增顺序组织，且在一个数据集中最多出现一次。

值长度是一个16或32位（取决于显式VR或隐式VR）无符号整数,表明了准确的数据值的长度,按字节数目（为偶数）记录。此长度不包含数据元素标签、VR、值长度字段。

数据值体表明了数据元素的值，其长度为偶数字节,该字段的数据类型是由数据元素的VR所明确定义。数据元素字段由三个公共字段和一个可选字段组成。

以现广东市场上的主流SUPER PACS系统为例。

目前SUPER PACS系统数据库共有36个表，按用途分为：公用表、数字胶片室专用表、放射专用表、超声专用表、远程专用表。其中起到关键性作用的是Patient、Study、Series、Image四个主表。

Patient表用于存放病人的基本信息，应用范围涉及到SUPER PACS的所有子系统；Study表用于存放病人的检查信息，应用范围涉及到SUPER PACS的所有子系统；Series表用于图象序列表的生成，应用范围涉及到SUPERPACSR DICOM放射系统；Image表用于保存系统图象记录。

数据库表间关系如右：