PACS系統

隨著數字化信息時代的來臨，診斷成像設備中各種先進 計算機技術和數字化圖像技術的應用為醫學影像信息系統的發展奠定了基礎。歷經逾百年發展，醫學影像成像技術也從最初的X射線成像發展到現在的各種數字成像技術。

什麼是醫學影像信息系統

醫學影像信息系統簡稱PACS(Picture Archiving and Communication Systems)，與臨床信息系統（Clinical Information System, CIS）、放射學信息系統(Radiology Information System, RIS)、醫院信息系統(Hospital Information System, HIS)、實驗室信息系統（Laboratory Information System, LIS）同屬醫院信息系統。

醫學影像信息系統狹義上是指基於醫學影像存儲與通信系統，從技術上解決圖像處理技術的管理系統；臨床信息系統是指支持醫院醫護人員的臨床活動，收集和處理病人的臨床醫療信息的信息管理系統；放射學信息系統是指以放射科的登記、分診、影像診斷報告以及放射科的各項信息查詢、統計等基於流程管理的信息系統；醫院信息系統是指復蓋醫院所有業務和業務全過程的信息管理系統；實驗室信息系統是一類用來處理實驗室過程信息的信息系統。

在現代醫療行業，醫學影像信息系統是指包含了包括了RIS，以DICOM3.0國際標準設計，以高性能伺服器、網路及存儲設備構成硬體 支持平台，以大型 關係型資料庫作為數據和圖像的存儲管理工具，以醫療影像的採集、傳輸、存儲和診斷為核心，是集影像採集傳輸與存儲管理、影像診斷查詢與報告管理、綜合信息管理等綜合應用於一體的綜合應用系統，主要的任務就是把醫院影像科日常產生的各種醫學影像（包括核磁、CT、DR、超聲、各種X光機等設備產生的圖像）通過DICOM3.0國際標準介面（中國市場大多為模擬，DICOM，網路等介面）以 數字化的方式海量保存起來，當需要的時候在一定的授權下能夠很快的調回使用，同時增加一些輔助診斷管理功能。

對醫學影像信息系統應用的需求

隨著現代醫學的發展，醫療機構的診療工作越來越多依賴醫學影像的檢查（X線、CT、MR、超聲、窺鏡、血管造影等）。傳統的醫學影像管理方法（膠片、圖片、資料）諸此大量日積月累、年復一年存儲保管，堆積如山，給查找和調閱帶來諸多困難，丟失影片和資料時有發生。已無法適應現代醫院中對如此大量和大範圍醫學影像的管理要求。採用數字化影像管理方法來解決這些問題已經得到公認。隨著計算機和 通訊技術發展，為數字化影像和傳輸奠定基礎。目前國內眾多醫院已完成醫院信息化管理，其影像設備逐漸更新為數字化，已具備了聯網和實施影像信息系統的基本條件，實現徹底無膠片放射科和數字化醫院，已經成為現代化醫療不可阻擋的潮流。

1）減少物料成本：引入PACS系統后，圖像均採用數字化存儲，節省了大量的介質（紙張，膠片等）。

2）減少管理成本：數字化存儲帶來的另外一個好處就是不失真，同時佔地小，節省了大量的介質管理費用。

3）提高工作效率：數字化使得在任何有網路的地方調閱影像成為可能，比如借片和調閱病人以往病歷等。原來需要很長周期和大量人力參與的事情現只需輕鬆點擊即可實現，大大提高了醫生的工作效率。醫生工作效率的提高就意味著每天能接待的病人數增加，給醫院帶來效益。

4）提高醫院的醫療水平：通過數字化，可以大大簡化醫生的工作流程，把更多的時間和精力放在診斷上，有助於提高醫院的診斷水平。同時各種圖像處理技術的引進使得以往難以察覺的病變變得清晰可見。方便的以往病歷的調閱還使得醫生能夠參考借鑒以前的經驗作出更準確的診斷。數字化存儲還使得遠程醫療成為可能。

5）為醫院提供資源積累：對於一個醫院而言，典型的病歷圖像和報告是非常寶貴的資源，而無失真的數字化存儲和在專家系統下做出的規範的報告是醫院的寶貴的技術積累。

6）充分利用本院資源和其他醫院資源：通過遠程醫療，可以促進醫院之間的技術交流，同時互補互惠互利，促進雙方發展。

醫學影像信息系統最初是從處理放射科的數字圖像發展起來的。醫學影像信息系統的前身是醫學影像存檔與通信系統（PACS，Picture Archiving & Communication System），最先推動PACS發展的動力來自於傳統的相機廠家。這是因為當數字化浪潮到來的時候，他們首先就意識到這對他們的產品是一個不可逆轉的巨大的衝擊。他們對各個廠家的設備連接能力有著最為清楚的了解；但作為傳統的機械製造商，他們的計算機技術不夠充足，對圖像設備及圖像處理也不夠了解。

最初，許多設備製造商對開放的網路連接時有很大的抵觸情緒。因為他們認為這是意義不大，並且對他們的利益有衝突，更深層的原因在於他們沒有意識到，已經落在了信息技術發展的後面；更不了解，信息技術會給醫療影像行業帶來什麼。

隨著計算機軟硬體技術、多媒體技術和通信技術的高速發展以及醫學發展需求的不斷增長，PACS 標準化進程不斷推進，尤其是ACR-NEMA(American College of Radiology & National Electrical Manufactures ′ Association，美國放射學會和美國電器製造商學會)DICOM(digital imaging and communications in medicine ，醫學數字成像和通信標準)3.0標準的普遍接受，目前的PACS已擴展到所有的醫學圖像領域，如心臟病學、病理學、眼科學、皮膚病學、核醫學、超聲學以及牙科學等。PACS所包含的內容和能力已超越這一名詞原來的含義，現在一般提到的PACS普遍是指包含了放射科信息系統（RIS，Radiology Information System）和醫學影像存檔與通信系統（PACS，Picture Archiving & Communication System）的醫學影像信息系統。

PACS醫學影像信息系統的技術發展主要體現在下列幾方面：

1、內部存儲格式標準化為DICOM3.0

目前幾乎所有歐美先進PACS廠家都用正式DICOM3.0文件格式來儲存圖像。設計舊一點的PACS還用ACR-NEMA2.0或SPI，只有很老的PACS才用到廠家自己定義的格式。用DICOM3.0格式有許多好處，其中一條是今後要更換PACS時不必找舊PACS廠家來轉換數據。更重要的是用DICOM3.0文件格式可以隨時加影像模式、加減和更改圖像文件的內容。而傳統的固定欄位長度 圖像格式要添些東西就要全盤改動。

2、採納標準壓縮演演算法來壓縮圖像文件。

新一代的PACS大多採用DICOM支持的標準壓縮演演算法，如JPEG、JPEGLossless、JPEG2000、JPEG-LS和Deflate等。廠家用自定義演演算法來壓縮圖像的現象越來越少。

3、三級儲存模式(在線、近線和離線)轉變成兩級(在線和備份)

目前歐美先進PACS廠家都在推行在線和備份兩級儲存。備份只是為了防意外，如火災、地震等。在線用的是硬碟，用RAID( 冗餘存儲 磁碟陣列)加NAS(NetworkAttachedStorage)或SAN(StorageAreaNetwork)。而前幾年PACS界最常見的是用三級圖像儲存模式：在線(online)、近線(near-line)和離線(off-line)。新的圖像在線存在硬碟上、老一點的圖像近線存在網路服務機里、再老一點的圖像離線存在MOD或磁帶里。

4、智能化醫學影像平台

智能影像IT平台是醫院信息系統的主要發展方向。能否最快獲得全部診斷信息是評價影像工作站優劣的唯一標準。syngo .via是全球首個“會思考”的影像工作平台，它改變了傳統的影像后處理理念，摒棄以軟體為導向的傳統CT工作站工作方式，開啟以解剖或疾病診斷為導向的全新工作視角，突破性的成為直接服務疾病診斷的影像工作平台。讓醫生從繁瑣的影像后處理中解脫出來，專註於醫學診斷。

西門子syngo.via影像IT平台具有圖像預處理功能，影像處理與掃描序列無縫鏈接，自動進行，無需任何人工干預；它有以疾病為導向的工作流程，自動進入按照疾病或解剖部位定製的工作模塊；為每位醫生量身定製其所需的診斷工作模塊，任意順序集成相關影像處理軟體；帶有診斷書籤功能，能自動記錄醫生的每次病變測量、病變標記，方便跨科室醫生間的交流和上級醫生複核報告。

由於我國開發和引進PACS系統較晚，目前已經建立並有效運行的PACS系統並不多見（特別是內陸省市）。究其原因主要是標準化程度低、兼容性差，一般為封閉式的專用系統，既不經濟、價格也昂貴，配置的硬體不夠合理，對工作量大的醫院缺乏強大的存儲子系統，無法支持數據量巨大的常規放射影像，因此不能真正實現“無片化”管理。多數PACS系統也沒有其有效的工作流程和自動化管理功能，也不能向臨床診斷提供所需的全部，表現在在線信息少，響應速度慢。對 網路安全、保密和符合法律要求方面還不可靠。現有的PACS 系統設計大多數沒有考慮技術發展和擴展需要的可能，難於與現有的HIS/RIS整合為一個系統。

各國的PACS系統研究和發展各具特點：美國PACS系統的研究和開發是在政府和廠商的資助下來進行的；歐洲的PACS系統由跨國財團、國家或地區的基金來支持，研究小組傾向於與某個主要廠商合作，著重於PACS建模和模擬及圖像處理部件的研究；日本將PACS系統研究和開發列為國家計劃，由廠商和大學醫院來共同完成，廠商負責PACS系統集成和醫院安裝，醫院負責系統臨床評測，而且系統技術指標固定，沒給醫院研究人員留有多少修改的空間；韓國的PACS系統是在大型私營企業資助下所完成的。

PACS在國內發展方向重點在：應嚴格遵守國際技術標準的系統設計和完全開放式的體系結構，基於IHE、DICOM3.0和 HL-7（醫療保健）等國際標準；瀏覽器/伺服器結構，應具有良好的兼容性；基於Internet/Intranet技術的網路結構，需支持區域網（LAN）、廣域網（WAN），可遠程會診；採用TB級甚至PB級存儲子系統，提高響應能力；提供容錯、糾錯能力及更好的數據安全性和災難恢復能力，有高性能 數據壓縮技術；系統界面友好，有強大的中文支持能力，易學易用；有語音、圖像和數據的傳輸等多種技術的無縫整合；有完整的系統解決方案，系統利於維護和技術支持。

上世紀，伴隨著科技的發展，醫療水平不斷提高，各種新的醫療影像設備不斷湧現。50年代超聲技術運用於醫學領域；70年代CT和80年代MRI先後應用於臨床。此後基本上每隔兩三年就有新種類的醫療影像設備被發明。越來越多的醫療影像設備一方面提高了診斷的準確程度，另一方面帶來了新的問題。那就是如何管理這些醫療影像設備產生的數據，為了在一定範圍內獲得醫療影像設備產生的數據，保證不同廠家的影像設備的數據能夠互連。1982年美國放射學會（ACR）和電器製造協會（NEMA）聯合組織了一個研究組（ACR-NEMA數字成像及通信標準委員會），研究如何制定一套統一的通訊標準來保證不同廠家的影像設備能夠信息互連。經協商一致后，制定出了一套數字化醫學影像的格式標準，即ACR-NEMA 1.0標準，隨後在1988年完成了ACR-NEMA 2.0，1993年發布3.0版本正式命名為DICOM3.0(Digital Imaging and Communications in Medicine：醫療數字成像和通信)。但是由於各種原因，此標準直到1997年才慢慢被各醫療影像設備廠商接受。此後標準每年都有大變動，涉及到醫學影像的每一個角落，特別是最近剛加入標準的SR(結構化報告)涉及了其他標準不敢涉及的領域。同時，標準還在安全性（隱私和授權）方面下了很大的功夫，添加了TSL/SSL，數字簽名，數字授權，數據加密支持。為了支持不同領域的數據交換，還增加了XML支持。總之，DICOM標準日新月異不斷向前發展。

目前，DICOM3.0已為國際醫療影像設備廠商普遍遵循，各大廠商所生產的影像設備均提供DICOM3.0標準通訊協議。

在系統的輸出和輸入上必須支持DICOM3.0標準，已成為PACS的國際規範。只有在DICOM3.0標準下建立的PACS才能為用戶提供最好的系統連接和擴展功能。

（一） DICOM3.0

DICOM 標準的全稱是“醫學數字成像與通訊”（digital imaging and communication in medicine）標準，是按照NEMA的程序制訂和發展的。它實際上是ACR-NEMA的第三個版 本。之所以不叫 ACR-NEMA3.0 而改稱 DICOM3.0 是因為：①該標準並不單單是由ACR-NEM的聯合委員會制訂的，世界上其它一些標準化組織也共同參與了它的制訂與發展。這些標準化組織包括歐洲標準化委員會251技術委員會（即 CENTC251），該委員會早已以DICOM為基礎，制訂出一項與DICOM完全兼容的標準--MEDICOM；還有日本的JIRA（japanese industry radiology Apparatus）和醫學信息系統發展中心（medical informationsy stem development center）。這兩個組織對DICOM的主要貢獻在於提出了利用可移動的媒質（光 盤等）來存貯、交換醫學 圖像的標準。在制訂標準過程中，也參考了其它的一些組織，包括IEEE、HL7和ANSI等有關標準。②標準不僅支持醫療放射 圖像，它是可擴展的，面向所有醫學圖像，只要簡單地增加相應的服務對象類（SOP）即可。擴展到心電圖（cardiology、內窺鏡（endoscopy）、牙醫（dentistry）、病理學（pathology）和其它等類型 圖像的工作目前正在進行之中。與其前面的1.0和2.0版本一樣，DICOM在制訂工作一開始就考慮到一些相關標準化組織的研究成果，這不僅僅是為了避免重複性的工作，更重要的是為DICOM提供了重要的背景和技術。由於是面向網路環境的通訊標準，故對 DICOM 影響最大的是國際標準化組織的 開放系統互聯參考模型（ISO-OSI）。

（二） HL7

HL7 是在醫療環境中（尤其是在院病人治療）交換電子數據的標準。1987年5月，在Pennsylvania 大學醫院，成立了一個由醫療單位（和用戶）、廠家和醫療顧問（consultants）組成的委員會，這個委員會主要負責HL7的工作，目的就是簡化不同廠商（尤其包括競爭的廠商）在醫療領域中的計算應用的介面實現。其主要應用領域就是HIS/RIS。

HL7目前主要是規範在HIS/RIS系統及其設備之間通訊如下信息：病人入院/掛號、出院或轉院數據（統稱ADT-admissions/registration、discharge、transfer）和查詢、病人安排、預訂、財務、臨床觀察、醫療記錄、病人的治療、主文件更新信息等。

功能規範

隨著信息技術的發展及醫院運行機制的轉變，醫院信息系統已成為現代化醫院必不可少的重要基礎設施與支撐環境。衛生部為了積極推進信息網路基礎設施的發展，加快醫院信息化建設和管理，制定了《醫院信息系統基本功能規範》。其中，對醫學影像信息系統功能設置了以下規範。

（一）影像處理

1．數據接收功能：接收、獲取影像設備的DICOM3.0和非DICOM3.0格式的影像數據，支持非DICOM影像設備的影像轉化為DICOM3.0標準的數據。

2．圖像處理功能：自定義顯示圖像的相關信息，如姓名、年齡、設備型號等參數。提供縮放、移動、鏡像、反相、旋轉、濾波、銳化、偽彩、播放、窗寬 窗位調節等功能。

3．測量功能：提供ROI值、長度、角度、面積等數據的測量；以及標註、註釋功能。

4．保存功能：支持JPG、BMP等多種格式存儲，以及轉化成DIDICOM3.0格式功能。

5．管理功能：支持 設備間影像的傳遞，提供同時調閱病人不同時期、不同影像設備的影像及報告功能。支持DICOM3.0的列印輸出，支持海量 數據存儲、遷移管理。

6． 遠程醫療功能：支持影像數據的遠程發送和接收。

7．系統參數設置功能：支持用戶自定義窗寬 窗位值、放大鏡的放大比例等參數。

（二）報告管理

1．預約登記功能。

2．分診功能：病人的基本信息、檢查設備、檢查部位、檢查方法、划價收費。

3．診斷報告功能：生成檢查報告，支持二級醫生審核。支持典型病例管理。

4．模板功能；用戶可以方便靈活的定義模板，提高報告生成速度。

5．查詢功能：支持姓名、影像號等多種形式的組合查詢。

6．統計功能：可以統計用戶工作量、門診量、膠片量以及費用信息。

（三）運行要求

1．共享 醫院信息系統中患者信息。

2．網路運行：數據和信息準確可靠，速度快。

3．安全管理：設置訪問許可權，保證數據的安全性。

4．建立可靠的存儲體系及備份方案，實現病人信息的長期保存。

5．報告系統支持國內外通用醫學術語集。

（一）物理層次

從物理層次結構上，PACS可以分為4層：網路用戶層、接入層、核PACS應用層次結構示意圖心層、資源提供層，自下而上構成一個"金字塔"結構。其中：網路用戶層是網路中的眾多的終端或工作站；接入層是指與網路用戶層中的終端或工作站相連接，為這些終端或工作站進行網路互聯的網路設備集合（如二級交換機、集線器等）；核心層是指將接入層網路設備彙集起來，形成全網互聯的網路設備的集合，如（伺服器、路由器、防火牆等）；資源提供層是指PACS網路中的眾多的醫療器械終端，如（CT、US、DR等）。

（二）應用層次

從應用層次結構上，PACS可以分為3層：MINI-PACS、科室級PACS、全院級PACS，自內而外構成一個"內嵌型"結構。其中：MINI-PACS是指針對小型醫療院所或單一科室規劃的系統，MINI-PACS系統也必須包含超聲波、內窺鏡等圖文並茂的專業影像報告系統；科室級PACS是指針對中型醫院所提出的科室架構，緊密整合院方已有的HIS/RIS系統，建立以患者為中心的科室影像中心；全院級PACS主要是針對大型醫院所提出的全院性架構，完全實現全院影像科室數字化讀片診斷工作流程、實現全院影像科室電子化管理。

現有主流PACS廠商，在研發PACS系統之初，都遵從了以下標準流程。（一）檢查信息登記輸入

前台登記工作站錄入患者基本信息及檢查申請信息，也可通過檢索HIS系統（如果存在HIS並與PACS/RIS融合）進行病人信息自動錄入，並對病人進行分診登記、複診登記、申請單掃描、申請單列印、分診安排等工作。

（二） WorkList服務

病人信息一經錄入，其他工作站可直接從PACS系統主資料庫中自動調用，無需重新手動錄入；具有WorkList服務的醫療影像設備可直接由伺服器提取相關病人基本信息列表，不具備WorkList功能影像設備通過醫療影像設備操作台輸入病人信息資料或通過分診台提取登記信息。

（三）影像獲取

對於標準 DICOM 設備，採集工作站可在檢查完成後或檢查過程中自動 ( 或手動 ) 將影像轉發至PACS主伺服器。

（四）非DICOM轉換

對於非DICOM設備，採集工作站可使用MiVideo DICOM網關收到登記信息后，在檢查過程中進行影像採集，採集的影像自動（或由設備操作技師手動轉發）轉發至PACS主伺服器。

（五）圖像調閱

患者在檢查室完成影像檢查后，醫師可通過閱片室的網路進行影像調閱、瀏覽及處理，並可進行膠片列印輸出后交付患者。

需要調閱影像時PACS系統自動按照後台設定路徑從主伺服器磁碟陣列或與之連接的前置伺服器中調用。

在圖像顯示界面，醫師一般可以進行一些測量長度、角度、面積等圖像后處理，在主流PACS中，除了測量功能外，都會提供縮放、移動、鏡像、反相、旋轉、濾波、銳化、偽彩、播放、窗寬窗位調節等圖像后處理功能。

（六）報告編輯

患者完成影像檢查後由專業人員對影像質量進行評審，並進行質量分析。完成質量評審控制后的影像，診斷醫生可進行影像診斷報告編輯，並根據診斷醫師許可權，分別進行初診報告、報告審核工作。在書寫報告過程中，可使用診斷常用詞語模版，以減少醫生鍵盤輸入工作量。診斷報告審核過程中可對修改內容進行修改痕迹保留、可獲得臨床診斷、詳細病史、歷史診斷等信息、可將報告存儲為典型病例供其它類似診斷使用，供整個科室內學習提高使用。

審核完成的報告通過印表機進行輸出後由醫師簽字后提交，同時診斷報告上傳至主伺服器存儲備份。列印完成後的報告不能再進行修改，但可以只讀方式調閱參考。

PACS有別於HIS、LIS等其它醫學信息系統的最重要一點就是：海量數據存儲。合理設計PACS的數據存儲結構，是成功建設PACS的關鍵。一個大型的醫院擁有大批現代化的大型醫療影像設備，每天影像檢查產生的數據量多達4個GB左右（未壓縮的原始數據），一年數據總量大約1200GB。而隨著醫院的業務飛速發展和新的影像設備的引進，這一數據量還可能進一步增長。此外，如何提高在線數據隨機存取的效率也是一個非常關鍵的問題。

基於這一原因，現有的PACS醫療影像信息系統提供商多採用分級存儲（HSM）的策略，將PACS存儲分成在線存儲和離線存儲兩級結構。用兩種不同性能的存儲介質來分別完成高容量和高效率的要求，低速超大容量存儲設備（離線存儲伺服器）用作永久存儲；高速存儲設備（SAN）用作在線數據存儲，確保在線數據的極高效存取。對於2年以上的歷史數據保存在離線存儲設備里，在線存儲設備僅保存最近三年的數據。

DICOM文件是指按照DICOM標準而存儲的醫學文件。

DICOM文件由多個數據集組成。數據集表現了現實世界信息對象的相關屬性，如病人姓名、性別、身高和體重等。數據集由數據元素組成，數據元素包含進行編 碼的信息對象屬性的值，並由數據元素標籤（Tag）唯一標識。數據元素具有三種結構，其中兩種具有類型表示VR（是否出現由傳輸語法決定），差別在於其長 度的表達方式，另外一種不包括類型表示。類型表示指明了該數據元素中的數據是哪種類型，它是一個長度為2的字元串，例如一個數據元素的VR為FL，表示該數據元素中存儲的數據類型為浮點型。所有數據元素都包含標籤、值長度和數據值體。

標籤是一個16位無符號整數對，按順序排列包括組號和元素號。數據集中的數據元素應按數據元素標籤號的遞增順序組織，且在一個數據集中最多出現一次。

值長度是一個16或32位（取決於顯式VR或隱式VR)無符號整數，表明了準確的數據值的長度，按位元組數目（為偶數)記錄。此長度不包含數據元素標籤、VR、值長度欄位。

數據值體表明了數據元素的值，其長度為偶數位元組，該欄位的數據類型是由數據元素的VR所明確定義。數據元素欄位由三個公共欄位和一個可選欄位組成。

以現廣東市場上的主流SUPER PACS系統為例。

目前SUPER PACS系統資料庫共有36個表，按用途分為：公用表、數字膠片室專用表、放射專用表、超聲專用表、遠程專用表。其中起到關鍵性作用的是Patient、Study、Series、Image四個主表。

Patient表用於存放病人的基本信息，應用範圍涉及到SUPER PACS的所有子系統；Study表用於存放病人的檢查信息，應用範圍涉及到SUPER PACS的所有子系統；Series表用於圖象序列表的生成，應用範圍涉及到SUPERPACSR DICOM放射系統；Image表用於保存系統圖象記錄。

資料庫表間關係如右：