PACS基本模块与设计原则-计算机在医学中的应用

4.2　PACS的基本模块与设计原则

图4.1　PACS的基本模块相互联系

PACS的基本模块除各种成像系统外，主要有采集计算机（或采集工作站）、带数据库及存储器的PACS控制器、显示工作站。这些模块通过网络连接，如图4.1所示。下面就这些模块的作用进行说明。

4.2.1　PACS的基本模块

1）采集计算机

采集计算机的引入出于下列原因：许多成像设备制造商并不遵循ACR-NEMA（American College of Radiology-National Electrical Manufacturers Association，美国放射学会—国家电气制造商协会）的标准和DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine，医学数字成像与通信标准）。一般成像设备按封闭体系设计，相互之间不能直接通信，也不能直接入网，而需用采集计算机将成像系统与PACS的其他部分隔离。采集计算机有3大任务：

①从成像设备采集图像数据。

②将不同的成像设备的各种规格的数据转换成符合ACR-NEMA或DICOM的PACS标准格式（数据头格式、字节顺序、矩阵尺寸等）。

③将图像传给PACS控制器。

连接通用的PACS采集计算机及放射成像系统的接口主要分为二类：

①互连网络模式 它通过标准的网络和通信协议，将采集计算机与成像设备互连。这种情况下要求成像设备在设计时考虑到这一工作模式并应用DICOM 3.0标准。图4.2为其示意图。

图4.2　互连网络接口模式

两台不同型号的MRI和一台CT通过以太网相连。整个网络采用OSI标准体系。传输层、网络层遵循TCP/ IP，应用层协议可为FTP，也可为其他应用层协议，如用美国圣路易斯华盛顿大学医学院马林克络特（Mallinekrodt）放射研究所电子放射实验室开发的、基于DICOM 3.0标准的CTN软件。

图像传送可由放射成像系统启动操作（“推”）或由采集计算机启动操作（“拉”）。两相比较以“拉”为好，因为一旦采集计算机发生故障，图像可在成像系统中排队等候。当采集计算机恢复工作时，即可将排队的图像逐一拉出，恢复正常运行。如果成像系统有足够的数据缓冲存储器，“拉”模式当为优选模式。无论哪种故障（采集计算机或成像系统故障）发生，采集计算机可借预先设置的程序来重新安排图像的传送。在不允许有采集延迟的情况下，当主采集计算机发生故障时，图像可改道至网络中指定的后援采集计算机。

由于互连网络模式遵循工业标准，故易于实现。

②直接接口模式 许多成像设备与采集计算机的接口应属这一模式，实际上是通过一片接口卡实现，例如胶片扫描仪的SCSI接口卡、B超图像的视频采集卡，以及由于CT的原始数据格式而不得已采用的视频采集卡等都属于这一类。其优点是连接简单、数据吞吐速率快，但要做二次开发却比较困难。

图4.3　数据库服务器的主要功能

2）PACS控制器

由成像设备传来的检查数据、病人信息等经由采集计算机、HIS及RIS（放射科信息系统）汇集到PACS控制器。PACS控制器是整个系统的核心，包括两部分：数据库服务器和存档系统。数据库服务器用来管理、存储病人的基本信息，其主要功能如图4.3所示。存档系统包括图像存档服务器、数据库系统、光盘库及通信网络，它的配置如图4.4所示。

图4.4　存档系统及PACS网

存档服务器的主要功能有：

①图像接收 从不同成像装置获得的图像，先由采集计算机转换成DICOM数据格式，然后以客户—服务器的方式通过以太网或ATM来传送给存档服务器。

②图像暂存 从不同的采集计算机送到存档服务器的图像先存放在后者的本地磁盘上。存档服务器在其10～30 GB的磁盘上保存尽量多的图像并按“时效准则”进行管理。例如病人在住院期间，所有图像均保存在存档服务器的磁盘上。这是因为磁盘速度快，放射科医生或病房医生在不同显示工作站上可很快检索到图像。病人出院或转院后再将这些图像转存至光盘上。

③图像发送 到达存档服务器的图像被立即发送到目的显示工作站，发送过程由预定的发送表驱动，所有图像按检查类型（胸片、头部CT……）分类，这些类型由RIS规定。目的显示工作站可按地点（儿科、胸科……）分类，也可按显示分辨力（1k或2k，1k表示1024个像素）来分类，然后通过以太网或ATM将图像传送至1k，2k工作站。

④图像存档 从采集工作站向存档服务器传送的图像，先在服务器磁盘上临时存储。如要作较长期的存储，则将它复制到可擦写的光盘上。一旦复制完成，存档服务器将对相应的采集计算机发出一个应答信号，允许该采集计算机的本地存储器删除这一图像，腾出存储空间。因此在复制到光盘以前总有两个拷贝图像存在位于不同地点的两个磁盘系统上。

⑤（分项）检查 编组病人在住院期间可在不同日期做不同的检查，每一次检查又由几个分项检查所组成，在病人出院或转院后，这些分项检查所得的图像从可擦光盘上取出编组，一个挨一个复制到同一张WORM光盘，或复制到紧挨的WORM光盘上作为永久存储，一旦完成永久存储，即可将可擦光盘上的相应图像删除。

⑥盘片管理 盘片管理是考虑到当病人出院后下次再来就诊时如何在WORM上预留存储空间问题。为了减少盘片倒换时间，从而加快图像的检索速度，病人多次就诊的图像可存在同一片WORM光盘上或者存在相邻的盘片上。为了减少为病人预留的盘片存储空间，存储管理软件应允许PACS存档进程将几张光盘在逻辑上编为一册。

⑦与RIS，HIS接口 当病人要到放射科检查或当放射科病人入院、出院或转诊时，HIS/RIS系统就将病人的这些ADT（Addmission Discharge Transfer）信息（即病人住院、出院、转院信息）传送到PACS。此时存档服务器开始启动“预取”、“分项检查编组”、“盘片管理”等过程。PACS收到病人ADT信息的同时，还从RIS收到检查数据及诊断报告。这些信息被用来更新PACS的数据库，供显示工作站的查询调用。

⑧PACS数据库更新 PACS数据库中的数据存于预制的表格中，它们是汇集各次检查诊断报告的“诊断病史”表、汇集各图像记录的“图像目录”以及汇集各放射分项检查记录的“分项检查记录”表等。这些表由各个在存档服务器上运行的PACS进程更新。

⑨图像检索 这一操作发生在显示工作站上，存档系统中的光盘库设有多个光驱，因此它可支持从多个光盘上同时检索图像。检索到的数据再通过SCSI数据总线从光盘库传输到存档服务器。后者根据优先级处理来自各显示工作站的检索请求，通常放射科医生诊断用的工作站具有最高优先级，而作为教学及研究所用的工作站其优先级则相对较低。

⑩图像预取 当存档服务器从HIS/RIS来的ADT信息中获悉病人已到后，立即进行图像预取操作，把该病人的相关历史图像，个人信息，有关诊断报告等由光盘和数据库中预先调出，并在病人完成本次检查前送到有关的显示工作站。预取算法基于预定的参数确定。这些参数有：检查类型、病种类别、放射科医生、显示工作站地点以及病人已存档图像的数目和时间等。

3）显示工作站

PACS的显示工作站应充分利用整个PACS网络的资源及处理能力，工作站的基本功能为：

①病案准备 收集病人检查要用到的有关图像和信息。(www.chuimin.cn)

②病案选择 对一个子群病案进行选择。

③图像的整理 提供整理图像并把它们分组等手段，以便于使用者观察。

④解释 提供测量的手段，以利诊断。

⑤文件编制 提供能对图像加注、制备文本和报告的手段。

⑥病案介绍 提供综合病案介绍的手段。

显示工作站大致有4类：

①用作一级诊断的高分辨率（2.5k×2k）的诊断工作站。

②供值班医生和会议用的中等分辨率（1k×1k）的工作站。

③医生桌面工作站（分辨率：512×512）。

④高分辨率硬拷贝的打印工作站。

对一级诊断用的显示工作站，其图像存于高速存取的磁盘阵列中，各工作站有一个本地数据库管理当前的病例，当然还可访问PACS的总数据库以调用历史图像。

4）系统组网

任何计算机网络的基本功能是提供一种访问路径，使甲地的终端用户（放射科医生或其他医生）能访问乙地的信息资源（如图像、报告等）。为了设计PACS局域网，必须了解不同站点和用户间的信息流量。设计PACS系统所需组网的数据包括每一个节点的位置与功能、两节点间所通过的信息频度、不同节点间利用不同速度的线路进行传输所需费用、通信的可靠性要求及所需吞吐量，网络拓扑结构、通信线路容量也是考虑的重要因素。

可选网络有：低速10 Mbit/s的以太网、中速100 Mbit/s的FDDI及高速（>155Mbit/s）的异步传输模式（ATM）。

从成像设备到采集计算机之间可用低速网，虽然随着所用的计算机类型与软件性能的不同，Ethernet的速度可从10 Mbit/s降到60 kbit/s，但由于成像设备完成一次成像的速度不快，低速网已可应付。在采集计算机与PACS控制器之间宜用速度较快的网络，因为几个采集计算机可能同时发送图像文件至控制器，究竟选中速网还是高速网应根据数据吞吐量需要与费用的多少再来权衡决定。

所用网络传输协议应是标准的，如TCP/IP。另外，运行在不同机种上的任务之间的过程协调是系统组网时需要考虑的问题。

4.2.2　PACS系统设计原则

1）标准化

PACS设计的首要原则是尽量采用现有的工业标准，如：TCP/IP，DICOM通信协议；符合ACR-NEMA及DICOM标准的图像数据格式；HL7医院数据交换协议。遵循统一的标准后，系统易于扩展、维护，软件易于调试。

这里重点地提一下DICOM标准。DICOM（Digital Imaging and Communication in Medicine）是专为医学数字成像与通信而制定的标准，于1993年发布，称为DICOM 3.0。其前身是ACR-NEMA。ACR-NEMA V1.0于1985年公布，ACR-NEMA V2.0于1988年公布，DICOM 3.0是ACR-NEMA的扩展，它由ACR-NEMA的联合委员会来制定，世界上其他一些标准化组织也参予了制定。DICOM 3.0不仅支持医疗放射图像，实际上面向所有的医学图像，并涉及HIS/RIS的行政管理和其他实验数据，它是医疗信息领域的重要标准，制定DICOM标准的主要目的在于促进不同医疗成像设备间的相互操作性。标准阐明了：

①符合DICOM标准的仪器所必须遵循的一套协议。

②利用上述协议能在仪器设备间交换的命令和相关信息的语法和语义。

③一台符合标准的设备必须提供的信息。

但DICOM标准并不给出对于要求符合标准的设备实现标准中任何特性的细节问题，也没有规定对一个由许多符合DICOM标准的设备一起实现的系统所期望达到的整体特性和功能，更没有给出用来评价仪器是否符合DICOM标准的所需测试/确认的方法。

虽然如此，现在的DICOM都广为各大厂商所认可和遵守，可以预言，以后不采用DICOM标准的系统不是真正意义上的PACS。

2）可连接性及开放式体系

当前实现各大医院及医院局域网要解决的问题，是将医院中不同的PACS模块或不同医院的PACS之间能互相连接，形成一个综合PACS系统。这样可使原来的PACS易于升级和扩展。于是要求用开放式的网络设计，能以标准的数据与图像格式，利用标准的通信协议进行不同系统之间的数据及报文交换。

3）可靠性

PACS涉及的是重要的病人信息，不允许发生故障。而另一方面它又是由许多元、部件构成，它们的故障概率较高，因此必须把可靠性置于系统设计的重要位置。设计时应采取容错措施，包括错误的检测和硬件的冗余配置（如采用镜像双服务器）、智能化软件恢复以及外部检查程序（检查网络线路、磁盘空间、数据库、队列、进程等状态网络管理进程）等。另外，应利用智能化自动引导程序，使在电源供电以后系统自动恢复工作。值得一提的是，存储设计中，在系统不同的地点同时保存两幅图像的措施也是出于对可靠性的考虑。

4）安全性

由于引入PACS后，数据共享的面大大加宽，必须考虑安全性，特别是涉及到一些法律问题，包括对病人的保密等。主要的安全机制是：账号和特权控制。“特权控制”是指授权或吊销用户访问某种特定表格、栏目、图像的权利。另一个保密措施是图像或数据通信的加密，但这会增加系统的软件开销。

图4.5　PACS系统的功能实现