CT圖像的PACS存檔與通信應(yīng)用研究

孟 勛

西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西西安 710021

在醫(yī)院信息化的進(jìn)程中，PACS 系統(tǒng)一直處于最關(guān)鍵的地位當(dāng)中，PACS 是英文的縮寫，這對(duì)于影像以及通信系統(tǒng)來說也是十分重要的，這代表著一個(gè)時(shí)代，也稱為醫(yī)學(xué)影像信息系統(tǒng)[1]。醫(yī)學(xué)CT（Computed Tomography）是醫(yī)學(xué)影像的一個(gè)重要工具，醫(yī)學(xué)CT 影像在醫(yī)學(xué)診斷中具有重要地位。醫(yī)學(xué)影像是由各種各樣的影像設(shè)備生成的。醫(yī)學(xué)圖像需要在醫(yī)療機(jī)構(gòu)內(nèi)部，及醫(yī)療機(jī)構(gòu)之間進(jìn)行傳輸，存儲(chǔ)并結(jié)合病人的身份信息和診斷信息等。PACS 在CT 圖像的存儲(chǔ)與通信方面具有重要作用和便利。

1 PACS

在醫(yī)學(xué)界，影像信息比較全面一些，這可以稱之為PACS，這跟臨床信息系統(tǒng)有著很大關(guān)系，跟醫(yī)院信息系統(tǒng)有關(guān)系。PACS、RIS 的相互結(jié)合，這是一個(gè)非常重要的命題。PACS/RIS跟醫(yī)學(xué)影像、還有數(shù)字化圖像技術(shù)有一些潛在聯(lián)系，與通信工程是相互結(jié)合的。醫(yī)學(xué)圖像和PACS 有著很大的關(guān)系，它在PACS 下通信顯示的能力有很大的意義，筆者對(duì)HIS、RIS 的相互連接做了分析：

關(guān)于醫(yī)學(xué)影像信息系有很多種說法，尤其是在定義方面卻不大相同，在狹義上，它是指對(duì)于圖像技術(shù)管理方面做出具體分析，這些信息包括很多，主要有圖像儲(chǔ)存，還在通信上的重新建立。臨床信息系統(tǒng)是指支持醫(yī)院醫(yī)護(hù)人員的臨床活動(dòng)，收集和處理病人的臨床醫(yī)療信息的信息管理系統(tǒng)；放射學(xué)信息系統(tǒng)是指以放射科的登記、分診、影像診斷報(bào)告以及放射科的各項(xiàng)基本管理和流程等的基于圖像對(duì)象和放射科醫(yī)生診斷流程管理的查詢，統(tǒng)計(jì)信息系統(tǒng)；醫(yī)院信息系統(tǒng)是指覆蓋醫(yī)院所有業(yè)務(wù)包括醫(yī)療和醫(yī)療管理及其業(yè)務(wù)全過程的信息管理系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)室信息系統(tǒng)是一類用來處理實(shí)驗(yàn)室管理和實(shí)驗(yàn)過程信息的信息系統(tǒng)。

2 CT 影像的存儲(chǔ)

2.1 CT 圖像信息模型

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息化的發(fā)展，我們認(rèn)為所需存儲(chǔ)的圖像為數(shù)字圖像。數(shù)字醫(yī)學(xué)圖像的結(jié)構(gòu)典型有3 個(gè)層次：像素值層次，文件頭層次，和病人信息層次。表1 列出了集中圖像模態(tài)所生成圖像的典型大小。

表1 數(shù)字圖像的分辨率

由CT 圖像設(shè)備所生成的醫(yī)學(xué)圖像被作為由像素組成的信息對(duì)象來存儲(chǔ)。像素在灰度圖像中包含灰度等級(jí)，在彩色圖像中包含RGB(紅，綠，藍(lán))值?；叶燃?jí)取決于CT 設(shè)備的采像程序，RGB 值由紅，綠，藍(lán)元素組成，每種顏色由一個(gè)8bit 值（0～255）來表示。512*512*12bit 的CT 圖像等價(jià)于512*512*2=524288B，近視0.5MB。（12bit 需要2B 存儲(chǔ)空間）

2.2 醫(yī)學(xué)圖像存檔系統(tǒng)

PACS 在獲取方面是由數(shù)據(jù)獲取的，還跟顯示、存檔有著并列組成的關(guān)系。對(duì)于數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的組成，主要是有CT 影像設(shè)備組成。一臺(tái)裝有海量存儲(chǔ)器看起來量不大，但是卻很重要，它是存檔系統(tǒng)的組成部分，將CT 圖像存檔，以支持以后的讀取操作。在系統(tǒng)上，它顯示多個(gè)區(qū)域工作方向，允許醫(yī)生觀察和處理CT 圖像。由獲取系統(tǒng)獲得的CT 圖像被傳送到存檔系統(tǒng)的服務(wù)器主機(jī)，存儲(chǔ)到存儲(chǔ)設(shè)備，或者分發(fā)到不同顯示工作站。

PACS 的一個(gè)存檔系統(tǒng)由4 個(gè)主要部分組成：檔案服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，存儲(chǔ)子系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)。CT 圖像通過網(wǎng)絡(luò)從獲取設(shè)備傳送到檔案服務(wù)器和顯示工作站。一個(gè)與醫(yī)院信息系統(tǒng)（HIS）和放射科信息系統(tǒng)（RIS）接口的PACS 網(wǎng)關(guān)使得檔案服務(wù)器能從HIS 和RIS 接受信息。

圖1 圖像存檔系統(tǒng)配置

檔案服務(wù)器的任務(wù)比較多，相對(duì)于計(jì)算機(jī)來說任務(wù)也比較多，是一個(gè)多任務(wù)計(jì)算機(jī)。帶有高容量主存（RAM）、雙CPU 或多CPU 和高速網(wǎng)絡(luò)接口，及圖像處理軟件，用以控制CT 圖像的存檔、讀取和分發(fā)。

主要功能：

1）接受CT 圖像；

2）將CT 圖像存儲(chǔ)到存儲(chǔ)系統(tǒng)；

3）將圖像路由到顯示工作站；

4）更新數(shù)據(jù)庫表；

5）處理顯示工作站的檢索、讀取請(qǐng)求。

存儲(chǔ)子系統(tǒng)支持兩級(jí)圖像存儲(chǔ)：用于即時(shí)存取的短期存儲(chǔ)，用于長期存檔的長期存儲(chǔ)。

2.3 數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)CT 圖像

PACS 跟HIS、LIS 在醫(yī)學(xué)信息方面不相同的一點(diǎn)就是：有大量的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，如果我們能夠?qū)ACS 數(shù)據(jù)合理設(shè)計(jì)的話，那么數(shù)據(jù)存儲(chǔ)也會(huì)更加完善，這對(duì)建設(shè)PACS 也有很大幫助。在像素級(jí)層次，512*512*12bit 的CT 圖像為512k,近視0.5MB。合理的文件頭層次和病人信息層次設(shè)計(jì)成為關(guān)鍵。

數(shù)據(jù)以DICOMT 圖像的形式存儲(chǔ)作為數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)和開發(fā)的對(duì)象。DICOM 圖像是指數(shù)字醫(yī)療設(shè)備的圖像按DICOM 標(biāo)準(zhǔn)組織得到的文件[3]。DICOM 圖像至少包含一個(gè)文件頭和一個(gè)圖像數(shù)據(jù)集合，合理地設(shè)計(jì)文件頭層次和內(nèi)容，為以后的數(shù)據(jù)庫編程帶來方便，也是醫(yī)院工作人員對(duì)CT 圖像以及病人信息進(jìn)行查詢，顯示，診斷的實(shí)際要求。

2.4 光盤存儲(chǔ)影像[4]

數(shù)字化影像技術(shù)，采用大容量存儲(chǔ)管理方式和存儲(chǔ)介質(zhì)實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，一個(gè)很實(shí)際的存儲(chǔ)方式是利用關(guān)盤進(jìn)行CT數(shù)字影像的存儲(chǔ)。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)以DICOM 文件的形式存儲(chǔ)包括基本CT 影像數(shù)據(jù)，病人姓名、年齡等基本信息。光盤一共兩張，一張為原始盤，一張為備份盤，相關(guān)數(shù)據(jù)可以很方便地在PC機(jī)上調(diào)閱，或編程查詢，顯示。

3 影像的傳輸

3.1 DICOM 圖像通信標(biāo)準(zhǔn)

CT 屬于高檔醫(yī)療設(shè)備，經(jīng)歷了從非螺旋到螺旋，從體部成像到血管等局部器官成像，從低速旋轉(zhuǎn)到高速旋轉(zhuǎn)，從雙排到8 排、64 排直至320 排等重大發(fā)展[5]，CT 醫(yī)學(xué)圖像存儲(chǔ)與傳輸?shù)臍w一化是一個(gè)重大課題。

DICOM 標(biāo)準(zhǔn)，是有一些組織決定的，這個(gè)組織主要是由美國國家電氣制造商協(xié)會(huì)以及美國放射學(xué)學(xué)院組成的，最主要的目的是為目的是為多種圖像設(shè)備提供連通性和互操作性，統(tǒng)一各種數(shù)字化影像設(shè)備的數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，以便于個(gè)別系統(tǒng)之間圖像通信和交換。在此基礎(chǔ)上，CT 圖像文件采用初級(jí)圖像分割，JPEG 有損圖像壓縮被采用[6]。

3.2 信息對(duì)象

DICOM 中定義醫(yī)學(xué)圖像為信息對(duì)象，或數(shù)據(jù)集。一個(gè)系統(tǒng)或應(yīng)用將一幅圖像傳輸?shù)搅硪粋€(gè)系統(tǒng)或應(yīng)用時(shí)發(fā)生一次圖像通信。在一次CT 圖像傳輸中，CT 圖像作為信息對(duì)象被傳輸?shù)揭粋€(gè)PACS 數(shù)據(jù)獲取計(jì)算機(jī)，當(dāng)然這些信息對(duì)象同樣被存檔和顯示。

3.3 對(duì)服務(wù)類分析

服務(wù)類是將信息對(duì)象與作用在其上的命令聯(lián)系在一起，并說明命令元素的要求及作用在信息對(duì)象上的結(jié)果。服務(wù)類可以簡單理解為DICOM 提供的命令或應(yīng)用程序的內(nèi)部調(diào)用函數(shù)。一個(gè)PACS 應(yīng)用在DICOM 中成為應(yīng)用實(shí)體（AEs）。

3.4 CT 圖像C-STORE DIMSE

一個(gè)從PACS 數(shù)據(jù)獲取計(jì)算機(jī)向檔案服務(wù)器傳送CT 圖像的服務(wù)。

1）數(shù)據(jù)獲取計(jì)算機(jī)向一個(gè)檔案服務(wù)器發(fā)布一個(gè)ASSOCIATION 請(qǐng)求；

2）檔案服務(wù)器準(zhǔn)許連接；

3）數(shù)據(jù)獲取計(jì)算機(jī)調(diào)用C-STORE 服務(wù)，并請(qǐng)求在檔案服務(wù)器存儲(chǔ)一個(gè)CT 圖像；

4）檔案服務(wù)器接收請(qǐng)求；

5）數(shù)據(jù)獲取計(jì)算機(jī)傳送圖像到檔案服務(wù)器；

6）檔案服務(wù)器存儲(chǔ)CT 圖像在存儲(chǔ)設(shè)備中，并通知操作成功；

7）一個(gè)解除連接的請(qǐng)求；

8）連接解除。

4 檔案服務(wù)器軟件

CT 圖像從數(shù)據(jù)獲取計(jì)算機(jī)被傳送到檔案服務(wù)器。檔案服務(wù)器有專用的應(yīng)用軟件控制圖像的存檔讀取和分發(fā)。檔案服務(wù)器專用軟件采用C/S 編程，對(duì)各數(shù)據(jù)獲取計(jì)算機(jī)，顯示計(jì)算機(jī)以及診斷終端計(jì)算機(jī)提供服務(wù)器的功能，并對(duì)接收到的CT 圖像在專用存儲(chǔ)設(shè)備中進(jìn)行存檔。檔案服務(wù)器主要任務(wù)包括圖像接受，圖像路由，圖像堆棧，圖像存檔，數(shù)據(jù)庫更新，圖像讀取，和圖像預(yù)區(qū)。

5 HIS/RIS 接口

PACS 對(duì)CT 圖像的成功操作離不開與HIS/RIS 的接口。PACS 與HIS/RIS 的無縫對(duì)接實(shí)現(xiàn)了醫(yī)院各科室的信息交互，基本信息共享，大大提高了醫(yī)院的醫(yī)療，急救，科研，教學(xué)水平[7]。HIS,RIS,PACS 是不同的醫(yī)院健康護(hù)理系統(tǒng)，這些不同系統(tǒng)之間的信息交互，通過通信網(wǎng)絡(luò)和TCP/IP 協(xié)議，在C/S的基礎(chǔ)上進(jìn)行。HL7 是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，PACS 利用HL7界面從HIS 或RIS 中獲得消息或事件。

在臨床環(huán)境下，PACS 調(diào)取CT 圖像的速度可能跟不上臨床診斷的需要，通過與HIS/RIS 的接口預(yù)先獲知病人的治療階段狀態(tài)，可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)預(yù)取出，并分發(fā)到目的顯示站，完成病人檢查。專用的預(yù)取表存儲(chǔ)疾病分類，CT 醫(yī)生，主治醫(yī)生，CT 圖像的數(shù)量和年限等參數(shù)數(shù)據(jù)，決定著那些CT 圖像通過PACS 應(yīng)用被讀取。

CT 圖像通過PACS 應(yīng)用讀取后，在終端設(shè)備需要進(jìn)行圖像重建。圖像重建有解析法[8]和代數(shù)法[9]。醫(yī)用CT 中所采用的算法絕大多數(shù)屬于解析法中的濾波反投影(Filtered Back Projection,FBP)算法。[10]Sidky 等[11]提出了一種基于最小化受約束全變分（Total Variation，TV）的 CT 重建算法，旋轉(zhuǎn)一圈只需采樣 25 個(gè)即可取得與 128 個(gè)樣點(diǎn)的濾波反投影（Filtered Back Projection，F(xiàn)BP）算法基本一致的重建效果。

CT 圖像通過PACS 讀取后，需要進(jìn)行CT 圖像的重建。CT圖像的重建由各種各樣的算法，是圖像處理過程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是整個(gè)CT 處理過程中的難點(diǎn)。[12]

6 CT 圖像標(biāo)準(zhǔn)化

自從20 世紀(jì)末期，有美國人發(fā)病了一些關(guān)于臨床診斷方法，比如CT，這是一種成像技術(shù)，這種技術(shù)發(fā)展的很快。剛開始在醫(yī)學(xué)臨床上，只用了單層的CT，后來在95 年，有位學(xué)者研究出了雙層的CT，1998 年GE 推出了 4 層 CT，在此之后的近十年間 CT 探測(cè)器的層數(shù)迅速增加，8 層、16 層、64 層、128 層、256 層的 CT 不斷涌現(xiàn)[14]，廣泛用于醫(yī)學(xué)，工業(yè)，安全檢查等領(lǐng)域，CT 圖像的格式出現(xiàn)不歸一。

CT 圖像按照DICOM 格式被存檔到存儲(chǔ)介質(zhì)。一個(gè)DICOM文件由一個(gè)超信息文件頭和一個(gè)圖像信息對(duì)象組成。信息頭包含病人姓名，圖像尺寸等信息，這些DICOM 文件存檔。當(dāng)讀出時(shí)，僅僅從文件中提取封裝的圖像信息對(duì)象。

對(duì)于PACS 系統(tǒng)兩個(gè)層次的標(biāo)準(zhǔn)化是必須的。第一層標(biāo)準(zhǔn)是在PACS 中的多發(fā)送站設(shè)備，涉及處理信息訪問和系統(tǒng)之間通信的數(shù)據(jù)和圖像標(biāo)準(zhǔn)。第二層的標(biāo)準(zhǔn)化為了醫(yī)學(xué)需求和數(shù)據(jù)的使用。

7 結(jié)論

自從CT 發(fā)展到現(xiàn)在，CT 的發(fā)展速度已經(jīng)非常快了，這算是到了第六代了，當(dāng)前CT 開發(fā)和研究比以往更加活躍。由于CT（計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)）影像在醫(yī)院診斷中具有的重要地位，對(duì)CT 圖像的存檔，通信和顯示在醫(yī)院信息化的背景下具有重要的意義。首先建立圖像信息模型，在最大限度保留CT 圖像原始信息的前提下，文件頭加入病人姓名，圖像歷史，等數(shù)據(jù)，分層規(guī)范化地歸一CT 圖像數(shù)據(jù)。DICOM 為醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像和通信標(biāo)準(zhǔn)，通過PACS 系統(tǒng)對(duì)CT 圖像進(jìn)行存檔和管理，并利用其與HIS/RIS 的接口進(jìn)行與HIS/RIS 的信息交互，HL7 工業(yè)數(shù)據(jù)接口被提及。本文的撰寫對(duì)CT 影像在PACS 系統(tǒng)下的通信和存檔，包括CT 圖像的文件化標(biāo)準(zhǔn)，及在PACS 下系統(tǒng)工作原理以及與HIS/RIS 的信息交互和協(xié)同工作做了論述，在醫(yī)院信息化的條件下具有重要意義。

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