醫(yī)院圖像解決方法與實踐

吳恢遠 陳曉智 吳志杰

醫(yī)院圖像解決方法與實踐

吳恢遠①陳曉智①吳志杰①

本文結合廣州醫(yī)學院第二附屬醫(yī)院開發(fā)和應用醫(yī)學影像歸檔和傳輸系統(tǒng)(PACS)的實踐經驗，總結了PACS圖像的關鍵問題和技術，涵蓋了圖像的采集、傳輸、存儲管理、安全保障等流程，對今后其他醫(yī)院在PACS圖像的信息化接入和管理有一定的借鑒意義。

PACS； 圖像； 解決方法

根據對全國三甲醫(yī)院新的評審要求，評選的細則也越來越細化，對醫(yī)院的信息化要求越來越高，醫(yī)院要走現代化的發(fā)展之路，PACS系統(tǒng)的應用是必不可少的，PACS系統(tǒng)需要解決的重點和難點在于圖像，其過程貫穿于圖像的采集、傳輸、存儲管理、安全等部分，是一個技術復雜且數據龐大的工程，根據醫(yī)學圖像的特性，分為以下四個方面來進行解決。

1 圖像數據的獲取

臨床醫(yī)學圖像包括靜止圖像和運動圖像。靜止圖像可以分為三類：符合DICOM 3.0圖像、非標準的圖像介入、非數字數據(如膠片、視頻圖像等)。對于符合DICOM 3.0的數字圖像，通過DICOM網關可以直接介入，對于只支持模擬信號輸出的設備，可以通過采集卡將圖像采集下來，對于膠片這類非數字圖像，則需要通過專用的醫(yī)學圖像掃描儀進行掃描接入。圖像存入系統(tǒng)之后，DICOM格式的圖像可以直接存儲，而非DICOM圖像則需要進行轉換，以便圖像的存儲和瀏覽。目前大部分的設備都能支持DICOM 3.0標準，關鍵是在購買設備的時候需要在合同中注明要提供該標準接口，若以后重新購買，產家會抬高費用。

2 圖像傳輸

2.1 系統(tǒng)內傳輸 因為DICOM標準傳輸服務屬于應用層協(xié)議，傳輸效率較低。在本PACS系統(tǒng)內部的數據傳輸采用多線程的傳輸序列，與現在先進的硬件緊密配合，這樣可以保證系統(tǒng)快速將用戶需要的圖像和其他診斷信息傳送到相應的信息點。同時，將PACS圖像數據存放于影像服務器中，采用NAS方式配置，也大大減輕服務器負載，提高了網絡傳輸效率。

為減少網絡堵塞，提高傳輸效率，本案例中的系統(tǒng)提供了圖像預取功能。在一個圖像序列被用戶請求查看之前，工作流管理器從圖像所存儲的位置提前檢索(預取，prefetch)，根據需要作自動的路由(autorouting)，將圖像及時地發(fā)送到需要的位置，還可以在閱讀圖像時減少對圖像的調整工作，自動對圖像進行排列(autosequencing)和調整窗寬窗位(auto window/level)。

2.2 DICOM傳輸 目前，DICOM 3.0標準已經比較成熟，DICOM協(xié)議中有兩個非常重要的標準術語，SCP(Service Class Provider)和SCU(Service Class User)。SCP作為DICOM通訊過程中由DICOM應用實體擔負的邏輯角色之一(另一個邏輯角色為SCU)，是DICOM服務類應用操作功能的提供者，向請求服務的通訊客戶端(SCU)提供指定的服務功能。如在本單位的實施過程中，DICOM網關服務器作為DICOM存儲服務類(Storage Service Class)的SCP角色，向發(fā)出圖像存儲請求的影像設備(Modality)提供影像存儲服務。而另外一個標準術語SCU則是DICOM通訊中由DICOM應用實體擔負的對應于SCP的邏輯角色，作為啟動DICOM通訊和向SCP請求指定的DICOM服務類操作的客戶端(Client)。

DICOM傳輸服務定義為DICOM Query/Retrieve，它包含了三個自協(xié)議，分別是C-Find，C-Move 和C-Store。在SCP上接收來自SCU的請求后，會建立一個新的DICOM連接，并通過對這三個子協(xié)議的指令翻譯，結合軟件設計語言進行數據庫的操作，就能實現圖像等標準DICOM信息的傳輸與存儲。

2.3 系統(tǒng)間傳輸 當PACS系統(tǒng)和HIS集成時，需要將PACS中的圖像數據傳送到HIS中，基于軟件實現的便利性考慮，一般在通用的網絡協(xié)議的基礎上，在PACS和HIS兩個系統(tǒng)之間采用接口和控件的方式進行數據的傳輸與調閱，這種做法的好處是技術難度低，圖像不需要在HIS系統(tǒng)中重復存儲，但是工作量大，兼容性較差。

3 圖像存儲與管理

3.1 在線存儲方法 PACS是醫(yī)院信息化建設中占用存儲空間最大的系統(tǒng)，占比基本達到90%以上，數據主要有RIS數據和醫(yī)學影像數據兩大類。RIS數據主要包括患者信息、檢查信息、設備信息、診斷報告和相關配置信息等方面的內容，數據間具有很強的關聯；醫(yī)學影像數據主要包括患者進行檢查所產生的各類影像信息，數據之間幾乎沒有關聯，需要通過DICOM網關的干預將RIS數據和圖像數據進行關聯。

3.2 數據管理 PACS系統(tǒng)中需要開發(fā)數據管理與工作流軟件。軟件需要提供DICOM管理的人機界面，還包括許多數據管理、工作流邏輯和算法。軟件的開發(fā)主要實現Insert、Select、Update和Delete等功能，對輸入的數據進行審核和約束，防止合法用戶使用數據庫時向數據庫加入不合語義的數據(Audit)，上述某些功能需要人機界面，有些只是軟件開發(fā)時用到的控件或用戶看不見的軟件模塊(如COM)。

3.3 圖像壓縮 目前常見的64排CT設備，所生產的一幅圖像長寬都是512像素，因而共有512×512=262144個像素，一個像素占2個字節(jié)，所以一幅圖像總共需要262144×2 Bytes=514288 Bytes=512 KB的存儲空間。對本單位一周內的患者進行抽樣調研，抽樣結果顯示，平均每個患者的圖片約為65張，平均每天約有100個患者做CT檢查，所以每天產生的數據量約為65×100×512 KB=3328000 KB=3250 MB，也就是說，每天的CT圖像就需要3 GB以上的存儲空間，而MR、ECT等其他檢查的圖像則需要大量的存儲空間。

醫(yī)學圖像的空間占用較大，對通信帶寬和存儲空間都是一個極大的挑戰(zhàn)，圖像傳輸和存儲成為實施PACS的瓶頸，因此必須進行圖像壓縮以節(jié)約存儲空間并加快圖像傳送速度。圖像數據壓縮技術包括有損和無損壓縮。為了保證診斷的準確性，一般采用近無損壓縮技術使靜止圖像質量在視覺上無變化。當采用JPEG/JPEG2000高效有損壓縮算法時，根據不同的圖像種類，壓縮率最大可達到1:5，平均壓縮率可達到1:2。

3.4 圖像數據的存儲 PACS中的圖像容量是非常大的，每年數據的增長是以T量級增長的，目前，筆者所在醫(yī)院1400張病床一年的數據量壓縮后約為4.5 TB，而且隨著信息化的發(fā)展和設備的增加，圖像的存儲容量也呈直線增長，這對存儲系統(tǒng)無疑是一個很大的挑戰(zhàn)，正因為圖像占用了很大量的空間，一般不建議圖像直接存儲到數據庫中(如用oralce數據庫的block字段來存放圖像)，存儲的方式還可以有很多種，從低投入高效益的方式出發(fā)，一般建議采用數據庫加上SAN(Storage Area Network)或NAS(Network Attached Storage)等，數據服務器可以采用群集等方式，圖像的瀏覽可以分為在線-近線-離線的模式，實現的硬件設備需求要根據各單位的經濟狀況和資金投入選擇不同的解決方案。

3.5 格式轉換 醫(yī)學圖像在PACS之外的應用中，并不需要遵從DICOM標準，為了讓醫(yī)學圖像可以應用于多種環(huán)境，需要將DICOM圖像轉換為一些通用的圖像格式，例如常見的JPEG、BMP等圖像格式。常用格式的圖像也可以轉換為DICOM圖像，但是需要添加一些必要的信息，如患者信息、檢查信息等，并通過DICOM網關程序完成轉換。DICOM標準圖像除了保存成單張圖片之外，還可以把多幀圖像保存成AVI文件，保存的時候可以對每秒鐘的幀數進行設置，以保證多幀圖像動態(tài)播放時的速率。

4 圖像安全性的保障

4.1 DICOM圖像的唯一性 由DICOM標準協(xié)議可知，每一幅DICOM圖像都有一個全球唯一標識，通過DICOM圖像有三個定義字段，分別是STUDYUID、SERIESUID、SOPUID，通過把這三個UID存儲到數據庫的字段當中，系統(tǒng)就能夠將每一幅圖像進行精確的定位，并可以控制每一幅圖像只上傳一次，還能有效地減少圖像誤傳的發(fā)生幾率。

4.2 數據庫提供的圖像緩存功能 由于圖像存儲采用了NAS的架構，圖像的傳輸還需依賴于數據庫服務器與NAS之間的網絡穩(wěn)定性，為了應對NAS服務器出現故障時的狀況，數據庫還提供了圖像緩存功能，等待NAS服務器正常工作后，采用工具將數據庫的緩存數據轉移到NAS服務器。

4.3 最新圖像文件的雙路徑存儲 龐大的圖像數據給管理員帶來很大的困擾，圖像的備份一般采用作業(yè)的方式進行雙份備份，這樣就存在一個時間差，例如每周一進行一次圖像備份，假如周三圖像存儲陣列故障，則本周一到周三的圖像數據將全部丟失。于是需要對最新在線的數據做雙路徑存儲，例如可以通過圖像存儲服務實現最近一個月的圖像雙路徑備份，每一張新上傳的圖像存儲到兩條不同的路徑(最好是兩個不同的存儲陣列)，從而實現圖像數據的安全性保障[1]。

4.4 圖像離線備份 圖像的訪問方式是分為“一線”(高速光纖盤或SAS磁盤陣列)和“二線”(SATA硬盤陣列)，而離線備份是為了防止由于存儲介質出現故障而采用的安全措施，可采用SATA陣列柜、磁帶庫、光盤塔等方式進行備份，由于大容量磁盤介質的技術成熟，容量越來越大，筆者所在醫(yī)院已從當年的磁帶庫備份轉為SATA陣列柜進行備份，備份具有時間更快，手段靈活，恢復快捷，管理方便等新特點[2-3]。綜上所述，PACS圖像的解決方案是整個PACS系統(tǒng)實施的關鍵，只有在解決圖像的采集、傳輸、存儲的基礎上，從保證圖像的質量和安全出發(fā)，才能順利地構建一套成熟的PACS系統(tǒng)。通過反復實踐和調研，制定了相對完善的醫(yī)學圖像解決方案，很好地解決了醫(yī)院圖像的存儲與管理問題，使圖像能在醫(yī)院內部網絡中安全使用，方便了臨床醫(yī)生的診斷，而且節(jié)約了影像成本，保證了圖像信息與患者的嚴格對應，還能夠在患者復查的時候快速調用其歷史資料，對推動醫(yī)院信息化的發(fā)展起到了非常重要的意義。

[1] 趙玉.醫(yī)學圖像管理系統(tǒng)的設計與實現[D].泰山醫(yī)學院碩士畢業(yè)論文.2005.

[2] 梁沅，張昕，張永波.醫(yī)學影像數字化管理系統(tǒng)的開發(fā)與應用[J].現代電子技術，2002，26(10):29-30.

[3] 陳戲墨，肖鎮(zhèn).PACS開發(fā)和應用中的關鍵問題和技術[J].現代計算機，2003，20(4)：61-64.

10.3969/j.issn.1674-4985.2012.24.096

①廣州醫(yī)學院第二附屬醫(yī)院 廣東 廣州 510260

吳恢遠

2012-06-06) (本文編輯：李靜)