基于即時傳遞技術的多功能醫院影像歸檔及傳輸系統的設計與應用

鐘 軍 龐 兵 黎 春 李宗陽

影像歸檔及傳輸系統(picture archiving and communication systems，PACS)是目前醫院信息系統中操作數據量最大、數據精度要求最高以及數據傳輸時效性最強的信息化系統[1-2]。越來越多的疾病診斷需要借助影像設備的檢查，而面對日益激增的影像數據，醫院對影像數據的調閱與應用提出了更高的要求，打造一個基于即時傳遞技術的多功能醫院PACS勢在必行。為此，本研究設計一種基于即時通信技術的多功能PACS，以實現影像數據隨時隨地的秒級調閱、影像數據的三維智能輔助分析及基于影像的音視頻遠程交互會診等諸多功能。

1 影像檢查服務現狀

就右江民族醫學院附屬醫院而言，原有PACS老舊，各醫技科室之間難以互聯互通，缺乏三維智能輔助分析手段，無法開展基于影像的音視頻實時會診等諸多使用上的不便。由于影像缺乏相應的智能輔助分析手段及基于影像的交互會診，使得醫生的診斷效率及準確率長期未能有效提升。目前，原有PACS已經嚴重影響到醫生日常工作對影像系統的使用體驗及患者的就診滿意度，其主要問題為：①運行速度慢，診斷效率低下，醫生需經常加班，且患者等候時間延長；②采用客戶機/服務器(client/server，C/S)架構單點故障多，各醫技科室之間難以互聯互通，系統升級維護困難，可擴展性差；③圖像偶爾丟失，易引起誤診、重復檢查和醫患糾紛等情況發生；④無三維智能診斷功能，醫生缺乏診斷輔助工具，工作效率與診斷準確率提升有限；⑤無實時會議功能，臨床科室與影像科之間、不同影像醫生之間的交流無法面對面或在線實時交流，效率無法提升。針對需要解決現存的諸多問題，醫院急需量身定做一款多功能PACS影像信息管理系統。

2 多功能PACS設計與應用

原有PACS存在諸多問題的關鍵原因在于系統設計、技術選型、系統建設等都基于傳統的思維與方法，故亟需改變傳統的C/S架構、雙機冷備技術、數據采集系統(data acquisition system，DAS)加磁帶庫備份存儲技術以及點對點傳輸技術等[3-4]。

新的多功能PACS結合業界最新的影像處理技術，將從即時傳遞技術出發，在架構、存儲、功能等各方面進行全新的設計，從而建立全新的基于即時傳遞技術的多功能PACS，且具有良好的擴展性，滿足未來功能與應用的拓展[5]。

2.1 即時傳遞技術設計

影像傳遞速度是PACS最核心的指標，直接影響到PACS的應用效果和醫生工作效率[6]。多功能PACS的傳遞技術主要從下述4方面進行考慮與設計：①嚴格遵循醫學數字成像及通信(digital imaging and communication of medicine，DICOM)3.0標準；②根據影像不同展現層面采用不同的影像壓縮策略；③影像智能預讀取和異步傳輸；④智能帶寬感應。

(1)嚴格遵循DICOM 3.0標準。DICOM 3.0標準詳細定義了影像及其相關信息的組成格式和交換方法，支持開放系統互連協議(open system interconnection，OSI)、傳輸控制協議(transmission control protocol，TCP)和網絡協議(internet protocol，IP)。因此，DICOM 3.0標準是影像快速傳遞的基礎。

(2)根據影像不同展現層面采用不同的影像壓縮策略。新的PACS將圖像展現分為檢查類別展示層面、中間過程層面及最終展現3個層面。檢查類別展示層面只顯示一張檢查示意圖，而不是原始影像。在點擊檢查示意圖后，進入中間過程層面，中間過程層面是動態逐步放大的，直至在最終展現層面，最終展現層面展現的是原始的或高保真的診斷影像。為了保證呈現效果，中間過程要足夠短，控制在1 s之內，通常在0.5 s以內，以至肉眼難以覺察。通過驗證證明，應用這種展現和壓縮策略，一張常規數字X射線攝影(digit radiography，DR)影像(按20 M計)的展現效率提升1.5倍；一次X射線計算機斷層掃描(X-ray computed tomography，CT)檢查或磁共振(magnetic resonance，MR)檢查，按100張圖像計，每張圖像約512 K，其展現效率提升2.3倍。

(3)影像智能預讀取和異步傳輸。傳統PACS在查看影像時，需要將整個序列下載完成后才能看。這樣，當網絡帶寬為100 M時，下載速率約為10 M/s，一個常規的100張圖像(每張約512 K)的CT序列，下載完成需5 s，即每點擊一個序列，需要等5 s才能看。而影像異步傳輸策略無需等待所有影像下載完，可以做到邊傳輸邊看，一張512 K的影像在100 M帶寬中可以即時傳輸完成，即使在10 M帶寬中，也能在1 s之內傳遞完成，做到即點即現。此外，影像智能預讀取技術能根據醫生鼠標所指或所轉動到的圖像，動態優先滾動傳遞該圖像前后20張圖像，從而實現醫學影像的按需傳遞與調閱。多功能PACS設計，客戶端無需下載影像數據，而是由服務器端進行計算，然后將結果或圖像推送并呈現給終端，從而提升傳輸速度和展現效果。

(4)智能帶寬感應。由于醫院業務系統多，院內網絡通道也多，新PACS的傳輸，能對網絡帶寬進行智能感應，優先選擇較為通暢的路徑將影像傳輸到終端。

通過上述4方面技術和策略的設計與應用，確保新的多功能PACS能真正做到及時傳遞。

2.2 架構設計

原有PACS采用C/S架構，維護與升級時需要對每個客戶端進行維護與升級，費時費力，且各醫技科室之間難以互聯互通，形成信息孤島和信息煙囪，并難以跨平臺調閱和移動調閱。新的多功能PACS將應用云技術，采用瀏覽器與服務器(browser/server，B/S)架構，基于超文本標記語言5(hyper text markup language 5，HTML5)進行設計。使用戶無需安裝客戶端軟件即可在任何地點通過瀏覽器登錄系統進行操作，客戶端實現了真正的零安裝、零維護。

2.3 服務器及存儲設計

多功能PACS摒棄傳統的DAS加磁帶庫備份存儲技術，而是采用存儲區域網絡(storage area network，SAN)存儲，使得網絡部署更容易，實現高速存儲，并具有良好的擴展性。此外，服務器部署摒棄了傳統的雙機冷備技術，而是采用了虛擬化部署策略。多功能PACS主要包含5個虛擬機：放射學信息系統(radiology information system，RIS)/PACS服務器、數據庫服務器、vCenter服務器、超聲內鏡服務器和院內影像會診服務器。采用虛擬化方式進行部署，主要是將服務器物理資源抽象成邏輯資源，讓3臺物理服務器成為數臺甚至上百臺相互隔離的虛擬服務器，不再受限于物理上的界限，而是使中央處理器(central processing unit，CPU)、內存、磁盤、I/O等硬件變成可以動態管理的“資源池”，從而提高資源的利用率，簡化系統管理，實現服務器整合，讓平臺對業務的變化更具適應力(如圖1所示)。

圖1 醫院多功能PACS服務器存儲示圖

2.4 多功能總體設計

多功能PACS的功能設計是否全面、完整及方便，直接影響到PACS的應用效果。多功能PACS的功能設計主要包括全影像科室覆蓋與應用、臨床影像調閱、排隊叫號、移動閱片、音視頻會診以及影像三維輔助分析等方面。結合前面論述的架構設計與服務器及存儲設計，多功能PACS的總體設計如圖2所示。

圖2 醫院多功能PACS總體設計圖

2.4.1 全影像科室覆蓋與應用

采用一體化平臺技術，通過醫學影像信息系統集成總線，將醫院放射、超聲、內鏡、核醫學等影像科室的影像設備和影像數據統一接入，建立全院影像數據的物理集中存儲管理，節約維護成本，提高系統可靠性，保障患者數據安全，實現以患者為中心的影像互聯互通，打破科室及系統壁壘。平臺與醫院信息系統(hospital information system，HIS)、電子病歷(electronic medical record，EMR)進行一次接口對接，提高與HIS和EMR接入能力，降低核心業務的訪問壓力。而在放射、超聲、內鏡、核醫學等科室內部，實現科室內部的流程管理與功能應用。

2.4.2 臨床影像調閱

開放臨床影像瀏覽，實現臨床科室對影像檢查的在線調閱，使患者不再提著影像片子滿院跑，并提高臨床醫生的診斷效率。

2.4.3 排隊叫號

排隊叫號系統是通過對醫院環境、就診和工作流程的大量調研開發出的一套由計算機代替就診患者排隊的系統。多功能PACS取代了站立排隊的傳統方式，使傳統站立排隊的混亂無序問題得到徹底解決、同時各醫生工作量分配得到了更好的優化及均衡。醫生只需通過鼠標單擊檢查室端操作軟件上的“叫號”按鈕就可按序呼叫患者前來就診，自動輸出叫號語音信息，也支持外接顯示屏和發光二極管(light emitting diode，LED)條屏顯示叫號信息，避免人工排隊叫號，提升患者就醫體驗。

2.4.4 移動閱片

移動閱片是多功能PACS的擴展應用，用戶可通過筆記本電腦或智能手機等移動終端接入網絡實現移動辦公。專家或醫生使用隨身攜帶的平板電腦或智能手機等移動設備，即可隨時隨地接入多功能PACS，查詢、調閱各類醫療影像信息，使得專家資源得到更高效的應用。

表1 多功能PACS工作站數量和醫生使用人數

2.4.5 音視頻會診

多功能PACS提供基于影像的音視頻交互會診功能，會診過程中實現了對文字、音頻、視頻、影像以及操作全方位的實時同步。用于醫生之間共享患者圖像數據、實時交流，協同進行圖像數據的分析，進而得出診斷結果，使得交流更便捷。此外，還可用于遠程培訓，所有與會人員均可看到主持人對圖像的實時操作，使培訓更加生動具體。

2.4.6 影像三維輔助分析

多功能PACS可提供網絡化三維醫學影像后處理功能，針對醫學影像進行三維成像、三維影像后處理等操作。多項革新性臨床輔助功能，提供影像三維重建、體積測量、三維裁剪、肺小結節分析、鈣化分析、血管分析、二維腦灌注等計算機輔助診斷功能，提升工作效率與診斷準確率[7-8]。

3 多功能PACS實施效果

多功能PACS系統于2017年3月開始運行至今，徹底改善了原有PACS諸多使用上不便捷、功能不完善的問題。醫生工作效率得到明顯改善，就診患者滿意度得到大幅度提升。

3.1 工作站數量和醫生使用人數

多功能PACS目前已經全面覆蓋了醫院放射科、超聲科、內鏡科、核醫學科等影像科室，并且實現了醫技影像科室的互聯互通。按科室業務需求和不同職能和醫生人數，設置了相應足夠的預約登記工作站、技師工作站及診斷報告工作站，以全面滿足業務的順利開展，為各臨床科室開放臨床瀏覽點，供全院臨床醫生調閱影像之用，全面提升臨床醫生的診斷效率和患者就醫體驗。工作站數量和醫生使用人數見表1。

3.2 設備連接情況與檢查量

多功能PACS已經全面接入了醫院放射科、超聲科、內鏡科、核醫學科等影像科室所有設備，共計31臺，每日檢查患者共計1245例，每日數據增量50.5 GB，在如此龐大的數據量下多功能PACS依然能高效運行，做到即時傳遞且影像數據無丟失，系統穩定性達到99.99%。設備連接情況與檢查量見表2。

3.3 系統實施效果

系統實施效果體現在下述方面。

(1)終端數據下載效率：實現終端調閱原始數據零下載，較之前傳統的全下載或壓縮處理模式，在傳輸速度大幅提升，做到即時傳遞。

表2 設備連接情況與檢查量

(2)終端數據計算效率：采用BS架構，將大量的數據處理工作交給服務器，對終端硬件要求大幅降低，降低終端硬件投入和維護成本。

(3)終端操作系統兼容：實現WINDOWS版本全兼容，系統易用性或可擴展性更好。

(4)終端網絡帶寬效率：院內網絡從1000M降低到100M到桌面、移動調閱從20 M降低4 M，多功能PACS對網絡的要求明顯要低，瀏覽更順暢。

(5)醫生診斷效率提升(以放射科為例)：診斷報告平均時間由23 min/例，縮短到12 min/例，診斷效率提升1倍。

(6)患者等待時間縮短(以放射科CT檢查為例)：患者平均等待時間由4 h縮短到2 h，患者等候時間節省一半。

(7)醫院整體檢查效率：檢查數量由1078例/日提升到1245例/日，每日患者檢查增加15.5%；在患者增加15.5%的情況下，影像診斷醫生的加班時間縮短為原來的25%，由每天加班約2 h降低到0.5 h。

(8)移動影像閱片：采用HTML5技術，支持各種終端(蘋果、安卓、windows等各種系統)的移動閱片。

(9)音視頻會診：助力多學科協作診療(multidisciplinary team，MDT)和培訓，實現文字、音頻、視頻、影像及操作五同步，極大提升醫生協作能力。

(10)三維處理能力：三維能力涵蓋多病種，提供基于三維模型的交互能力，有效實用的計算機輔助診斷功能，提升工作效率與診斷準確率。

表3 多功能PACS實施前后對比

多功能PACS實施前后對比見表3。

4 結論

基于我國國情及PACS技術發展的原則，一款多功能PACS影像信息管理系統的設計，應經過充分調研，根據醫院實情進行因地制宜的開發設計，遵循高起點、高標準化設計和分步階段性實施，方能實現預期的目標，達到更好的效果[9]。

基于即時傳遞技術的多功能PACS的設計，使得工作效率提升了一倍，患者等候時間節省一半，患者檢查增加15.5%，影像診斷醫生的加班時間卻縮短為原來的25%。此外，還支持移動閱片、臨床調閱及三維后處理計算機輔助診斷，并且支持以原始影像操作為基礎的音視頻會診來助力MDT等，充分體現了多功能PACS的高效。

一個高效、多功能PACS的成功建設，需要遵循的原則為：①將傳輸速度和穩定性放在首位考慮，直接關系到診斷效率和患者就醫體驗；②以平臺理念和平臺模式建設，平臺模式可以全面覆蓋各醫技影像科室，做到各醫技影像科室互聯互通，形成以患者為中心的影像大集成[10]；③用云技術和B/S架構部署，以保障系統的易用性和可擴展性；④建議服務器虛擬化部署，提升服務器使用效率，并增強系統穩定性與安全性；⑤嚴格遵循DICOM 3.0標準、HL7標準和集成醫療保健企業(integrating healthcare enterprise，IHE)框架進行設計，保障PACS的高度標準性、集成性、開放性和可擴展性[11-12]；⑥開放臨床瀏覽，全面提升臨床醫生的診斷效率和患者就醫體驗；⑦建議具有三維后處理計算機輔助診斷功能，提升工作效率與診斷準確率；⑧將具有以原始影像操作為基礎的音視頻會診來助力MDT。

隨著信息化技術的不斷推陳出新，在國家政策大力支持下，區域影像中心的建設、分級診療的推廣，患者和醫生對電子膠片的需求也日漸旺盛。通過在醫院內部署功能完善具備高可擴展性的多功能PACS，后續能夠無縫對接各層級的區域影像中心和遠程醫療，并拓展電子膠片應用[13]。同時，內置的基于影像的遠程音視頻會診也將成為分級診療平臺功能的子集。在互聯網+醫療的時代，多功能PACS技術的延伸，將會不斷提高醫院的診療水平。