计算机在生物医学中存储与管理医学图像

4.5　医学图像的存储与管理

4.5.1　医学图像数据的管理方法

1）文件夹管理器

文件夹管理器（FM）是通过事件触发机制驱动PACS的软件包。FM强调标准化、模块化和可移植性。

FM的基本工作是建立FM基础结构，包括HIS-RIS-PACS接口、图像路由、图像选择、放射报告在线查询和病人文件夹管理。

①放射报告在线查询 PACS通过RIS-PACS接口接收RIS的诊断报告并将这些文字信息存储在PACS数据库中，这些报告可与检查图像同时在显示工作站上显示。PACS也支持显示工作站在线查询诊断报告。

②病人文件夹管理 PACS系统以文件夹形式存储病人病案。每个文件夹包含指定病人的统计信息、检查描述、当前检查图像、从以前检查中选取的图像和相关报告。在病人入院和住院期间会在指定显示工作站上保留该病人的文件夹，直到病人出院或转院后再自动删除。

2）文件夹管理器模块

病人文件夹管理器包括3个软件模块：存档管理器、网络管理器、显示/服务管理器。表4.1列出了3个模块及其相关子模块，以及对PACS操作的优先级。

表4.1　病人文件夹管理器模块

续表

*基本优先级：1为最高，3为最低。

①存档管理器模块 存档管理器的功能是管理分布在多种存储介质中的图像，优化PACS存取操作，预取历史病案送往显示工作站。通过事件触发、图像预取、任务优先级管理和盘片管理来实现上述功能。

RIS以HL7格式通过TCP/IP向PACS发送事件，触发PACS控制器执行相应的任务。来自RIS的事件包括：病人入出院和转移（ATD）、病人到达、检查预约、取消和完成，以及报告生成。PACS控制器的任务包括：图像检索和预取、PACS数据库更新、盘片管理和清除病人文件夹。

当PACS控制器接收到RIS的ATD消息，得知病人到达时，检索PACS数据库，选择历史图像、病人统计资料和相关放射报告，在病人完成检查前送往目标显示工作站。图像预取要根据预先设定的参数来决定，包括：检查类型、扫描断面码、放射科检查、相关医生、显示工作站位置，以及病人存储图像的数量和时间。PACS控制器通过任务优先级控制来优化存取操作，以减少放射科和相关医生的等待时间。

病人入院后所做的各种检查图像被拷贝到磁光盘中作较长时间存储，当病人出院或转移后，这些图像被分组，然后拷贝到一系列WORM光盘上作永久保存。

②网络管理器模块 网络管理器控制图像在整个PACS网络的运动，其基本功能是根据预定义参数确定图像到显示工作站的通信路径。其主要工作包括：在网络或工作站发生故障时将图像排队，当ATM网络失败时切换到以太网，根据优先级进行图像传送。

③显示/服务管理器模块 显示/服务管理器具有图像选择、图像排序、窗口/灰阶设置和显示诊断报告功能。图像排序由于涉及用户习惯和主观意向，缺乏统一规则，因此实现困难。

3）分布式图像文件服务器

PACS系统的管理对象由放射科发展到整个医院及医院外，因此，大型医院PACS设计都包括分布式图像文件服务器（DIFS），以支持对其他部门的图像和文字的集成。

随着用户终端数量增加，每个终端有自己的应用和通信要求，大量终端直接向PACS控制器请求检索服务会降低PACS的性能。分布式图像文件服务器可以作为终端与PACS控制器的接口，完成大量终端用户的服务要求。

分布式图像文件服务器是一个功能强大的服务器，例如，一台SunSPARC20工作站，具有大容量存储器保存图像数据，通过ATM和以太备份网络与PACS控制器相连，具有能完成客户查询服务请求的数据库。客户工作站软件通过DIFS与PACS控制器和其他数据库建立网络通信连接。

3种利用PACS控制器、DIFS与用户终端的，基于“客户—服务器”检索过程如图4.13所示。

①文本请求（见图4.12（a）） 终端用户在需要病人的统计数据、检查信息、研究报告等文字信息时，可以根据病人姓名、ID或其他参数向DIFS提出查询请求，DIFS将这些文本请求转换成SQL查询语言送往PACS控制器，然后将检索结果返回给请求终端。

②缩略图请求（见图4.12（b）） 终端用户在获得病人的文字信息后，可能需要浏览病案的所有缩略图，DIFS从PACS控制器得到图像的ACR-NEMA或DICOM标准数据后，转化为128像素×128像素的缩略图返回到请求终端。DIFS仅保存ACR-NEMA或DICOM图像数据一段时间，以满足进一步的全图请求。这里，DIFS作为用户终端通向PACS的网关使用。

③全图请求（见图4.12（c）） 终端用户在浏览了一组缩略图后，要选择几张缩略图全图显示，DIFS将这些图像由ACR-NEMA或DICOM格式转换为标准Macintosh格式，如PICT（Macintosh Picture）或TIFF（Tagged Image File Format）格式，将相关文字信息插入图像文件，以8或12bit/像素精度返回请求终端显示。

图4.12　PACS控制器、DIFS与Macintosh显示终端之间的3种数据检索的通信过程（a）文本请求；（b）缩略图请求；（c）全图请求

4.5.2　图像存储管理系统设计

数据完整性和系统效率是图像存储管理系统中的两个设计核心。数据完整性是指PACS系统从成像设备获得的图像数据不能丢失，系统效率是指要缩短显示工作站对图像数据的访问时间。

为了有效地完成图像的存取操作，PACS图像存储管理一般采用3级结构：本地工作站的图像存储；当前病案及相关图像的中心短期存储；历史病案的高容量长期存储。查询长期存储图像较慢，为了及时调用比较相关的图像，中心短期存储应保存最近15天的图像。

1）本地存储管理

图4.13　保证数据完整性：PACS内的各种存储子系统

为保证数据的完整性，PACS系统一般在不同存储设备中保存两份图像文件，直到图像被成功地存档在长期存储设备中（如光盘库）。图4.13为PACS系统中各部分的存储子系统。PACS的备份策略通过PACS各部分间的通信机制来完成。

①成像设备 在技术人员通过PACS终端确认图像数据已经成功存档后，才删除成像设备中的图像文件，否则文件不会被删除。这样，一旦采集计算机或存档处理器丢失了数据时，图像可由成像设备重发至PACS系统。

②图像采集计算机 图像采集计算机会在本机磁盘上保留接收的图像文件，直到存档子系统确认图像已经成功存档，然后采集计算机从磁盘上删除这些图像文件，释放存储空间。

③PACS中心节点 从各个采集节点送到存档服务器的图像，在成功存储到光盘后才会被删除。另外，所有存档图像将堆栈保存在存档服务器磁盘中，然后根据时间准则（如文件保存时间太久，或病人已经出院或转移）来确定文件是否被删除。

④显示工作站 图像将保存在指定的显示工作站中，直到病人出院或转移后才被删除，PACS存档图像可以通过PACS内部通信从任何显示工作站进行检索来获得。

2）存储介质

PACS中心节点的存储管理系统具备4种存储介质：廉价冗余磁盘阵列（RAID），用于立即访问当前的图像；磁盘，用于快速检索缓存的图像；可擦除磁光盘，用于较长期存档；不可擦除光盘（WORM），位于光盘库中，用于图像的永久存档。成像设备和采集计算机磁盘都用来保存最新获得的图像，这些图像文件一旦被成功存档到WORM中后就会被删除。表4.2列出了这些多级存储介质的特点。

表4.2　存储管理系统中的多种存储介质

磁盘输入/输出的速度慢是快速检索PACS存储设备中大容量图像数据的瓶颈，因此造成用户在显示工作站端为等待服务而花费的时间长，从而影响到用户对PACS系统的接受。RAID技术能提高对数据访问的速度，它采用磁盘条技术将多个磁盘组合在一起，数据可以分成数据块来均匀地分布在磁盘条中。由于RAID支持同时访问多个数据段，因此提高了输入/输出的性能。图4.14为PACS系统中存档服务器的RAID存储管理子系统，校验信息和数据被分块存储在硬盘条中，以提高系统性能。

图4.14　PACS存档服务器的RAID存储管理子系统

4.5.3　系统结构

PACS存档系统主要由4部分构成：存档服务器、数据库系统、光盘库和通信网络，如图4.15所示。采集计算机和显示工作站通过网络与存档系统连接，采集计算机从各种成像设备获得的图像首先被送到存档服务器，然后存储到光盘库，并送到指定的显示工作站。

图4.15　存档系统和PACS网络结构

①存档服务器 存档服务器的功能很强，具备多个中央处理器、小型计算机接口（SCSI）的数据总线、以太网和ATM网络接口。其冗余硬件设计能同时支持多个数据处理过程，图像数据传送可以使用不同的数据总线和网络来进行。存档服务器除具备存档功能外，还可以作为PACS控制器来管理图像数据在整个PACS系统中的流动。(www.chuimin.cn)

存档服务器缓存使用大容量RAID或磁盘，能保存两周内来自各种成像设备的图像信息。一个13.6　GB的RAID能同时存储500个CT，1　000个MR，500个CR研究病案，其中每个CT或MR病案由一次检查的几幅图像所组成，每个CR为一幅图像。可以计算出每个病案的平均数据量：CT为11.68MB，MR为3.47MB，CR为7.46　MB。存档服务器缓存具备很高的数据吞吐量，用户可以快速检索RAID或磁盘，以获取最近的图像，而不用访问光盘。

②数据库系统 数据库系统应包含冗余数据库，使用相同的商用数据库系统（如Sybase，Oracle）和结构化查询语言（SQL），系统应具有一个镜像服务器来进行数据库数据备份，任何一个PACS计算机都可以通过网络来进行数据查询。数据库系统的镜像特点使PACS数据库能不间断地进行数据处理，保证了在系统失败或磁盘损坏时不丢失数据。

数据库系统除了支持图像检索功能外，还需要与RIS/HIS互连，允许从这两个数据库中获取病人的其他信息。

③光盘库 光盘库由多个光驱和磁盘控制器构成，允许在多个光驱上同时进行存档和检索操作。光盘库应具备很大的存储容量（以TB为单位，1　TB=10¹²B），既支持可擦除光盘，也支持不可擦除光盘，并具有备用电源，以保证光盘库的不间断运行。存档服务器磁盘与光盘间的读写平均数据流量应达到1.0 MB/s。

④通信网络 PACS存档系统应与局域网和广域网互连，PACS局域网由以太网和ATM两种通信网络构成。PACS局域网使用高速ATM网络在存档服务器和显示工作站之间传送大容量图像数据；低速以太网用于连接图像服务器，包括采集计算机、RIS/HIS、显示工作站。同时，以太网作为ATM的备用网络，当ATM出现故障时，会自动引发存档服务器重新进行网络设置，图像可以通过以太网被传送到显示工作站。

4.5.4　系统软件

PACS存档服务器的主要任务包括图像的接收、暂存、路由、存档，病案的分组，盘片管理，RIS接口，PACS数据库更新，图像检索和预取。存档服务器软件应使用标准编程语言和UNIX开放系统结构。存档服务器中，完成各种任务的处理过程的独立运行，并使用“客户—服务器”结构、查询控制机制和任务优先级控制，同时与其他处理过程通信。图4.16为存档服务器中各处理过程及其通信机制。

图4.16　PACS存档服务器中主要数据处理过程及其通信机制

其中，“存档”是在病人出院前，将图像从磁盘拷贝到可擦除光盘，当病人出院后，从可擦除光盘拷贝到WORM上，更新PACS数据库，告知“存储”等进程已经成功归档。图像管理器处理图像信息、更新PACS数据库，并通知“发送”和“存档”进程。“接收RIS信息”模块接收来自RIS的HL7信息（例如病人入院、出院和转移，预约检查，诊断报告），告知“存档“进程病变分组和将图像从可擦除光盘拷贝到WORM（病人出院，图像预取），或更新PACS数据库（接收诊断报告）。

PACS存档服务器的具体功能如下：

①图像接收 各种放射图像首先在图像采集计算机中转换为ACR-NEMA/DICOM格式，然后通过以太网或ATM送到存档数据库。存档数据库使用“客户—服务器”结构，可以同时接收多个采集计算机的图像数据。

②图像暂存 存档服务器接收的图像数据暂时保存在服务器硬盘上，其存储容量一般为10～30 MB，并以时间标准管理图像数据。例如，病人住院期间的所有图像都暂存在服务器硬盘上，这样，显示工作站可以直接从存档服务器硬盘快速检索图像，而不用访问光盘库。

③图像显示路径 从采集计算机送到存档数据库的图像要立刻送到目的工作站上显示，可以根据预先定义的路径表来确定送数路径。路径表包括以下参数：RIS定义的检查类型、显示工作站位置和显示精度、放射科和临床医生。

④图像存档 到达存档服务器的图像由暂存硬盘拷贝到可擦除光盘上长期保存。拷贝完成后，存档服务器将通知相应的采集计算机删除图像文件并释放存储空间。这样，图像在保存到光盘前，PACS系统会有图像的两个备份，以保证数据的完整。

⑤病案分组 病人住院期间会接受不同检查，每个检查会包括几张图像。当病人出院或转院时，这些病案由可擦除光盘取出分组，存储到一张或几张WORM中永久保存。然后，删除可擦除光盘上的数据以释放存储空间。

⑥盘片管理 病案分组使病人住院期间的所有图像连续保存在WORM中，而盘片管理是管理WORM中的剩余空间以备病人将来使用。这样能保证病人所需的数据连续存储，减少了换光盘的时间，从而提高了检索速度。

⑦与RIS/HIS接口 存档服务器通过PACS网关计算机与RIS/HIS相连，RIS/HIS将病人入、出和转院（ADT）信息及时通知PACS，这样不仅能及时向PACS提供病人的统计数据，而且能触发存档服务器进行数据预取、病案分组、盘片管理等处理过程。双方的数据通信采用HL7标准数据格式和基于“客户—服务器”的TCP/IP通信协议。

⑧PACS数据库更新 存档服务器使用SQL语言来实现数据处理，如数据插入、删除、选择和更新。PACS数据库使用多种表格保存数据，如病人描述表记录病人的统计数据，病案表记录每次放射检查过程，存档目录表记录每个图像的存储记录，诊断表记录每次检查的诊断报告。存档服务器根据接收图像数据和RIS/HIS接口数据对这些表进行及时更新。

⑨图像检索 存档服务器根据优先级对显示工作站的查询请求进行服务。根据应用需要给显示工作站确定不同优先级，如用于最初诊断、会诊和危重病房的工作站优先级最高。

⑩图像预取 当存档服务器收到来自RIS/HIS的ADT消息得知病人到达时，采用查表方式进行图像预取处理，即从PACS数据库和光盘库中选择历史图像、病人统计数据以及相关的诊断报告，在病人检查结束前送到指定的显示工作站。预取算法根据预先定义的参数，包括检查类型、断面码、放射科、相关医生、显示工作站地点、保存的图像数量和时间，来确定所要提取的历史图像。

4.5.5　数据库集成

1）医学图像数据库系统

医学图像数据库具有以下特点：

①多模式和数据异构 各种成像设备能提供多种模式的生物医学信息，包括解剖学、几何、空间、生化和生理等信息，各种医学图像在图像获取、分布和显示方面存在差别。

②结构与功能关联 医学图像的结构信息为疾病诊断提供了基本知识，而且与功能紧密联系。

③非精确和时态性 医学图像记录的是病人某个时刻的信息，受成像设备精度限制，记录的信息不很准确。

④大数据集 医学图像数据量一般在1～2MB到32MB以上，远远大于文本数据。

⑤基础结构支持 临床诊断中常常需要将存储在不同地方的各种医学图像、病人数据和相关材料都集中起来进行周密的分析，而目前各种数据库是独立的，由于缺乏结构上的支持，很难实现多媒体数据库的集成。

⑥安全性 如何保证数据库的安全是多媒体数据库集成引发的新问题，特别是在数据库与公共图书馆或国际网络互连时尤为重要。

PACS的目的是提供图像文件管理，但在实际应用中，不仅需要对某个病人的存储图像进行分析，而且还需要根据不同病人的图像获取数据，进行相关疾病的研究，PACS系统所缺少的正是对图像及相关文字信息的组织、分析和整合能力。随着PACS网络的发展，用户人数增加，需要一个合适的方案解决分布式应用环境中的系统性能优化、数据转换管理、组织工作流程、多种图像处理、系统管理和维护以及多媒体信息等方面的问题。

图4.17　图像数据库管理体系结构

HI-PACS上的医学图像数据库（MIDS）可以支持医学图像的分布式应用。如图4.17所示，MIDS服务器是HI-PACS和医学图像应用的中间层，位于数据源和应用处理的核心部位。MIDS服务器由对象数据库、图像处理库和工作流程管理程序3个部分来构成，各部分并行协同工作，不仅增强了PACS的数据管理能力，而且通过IP防火墙、访问控制和用户身份认证等方法对客户访问进行安全服务。

图中的主要部分为：

①对象数据库 分布式对象管理模型可作为开放式系统计算的对象请求代理，支持基于图像内容检索的各种生物医学图像应用。

②图像处理库 在高性能MIDS服务器上运行图像的自动注册、特征抽取等图像处理程序，以减少客户工作站的硬件需求和软件复杂性。

③工作流程管理程序 采用类似数据库活动触发子机制来实现数据库工作流程控制。

④GUI客户工作站 客户工作站使用GainMomentum，OPenLook和Motif等GUI工具，完成图像检索、管理、分析和更新等数据库操作，并具备简单的图像处理工具。

⑤HI-PACS 由PACS多媒体文件和分布式异构医学数据库、图像采集系统及医院信息系统构成，提供MIDS运行环境。

2）放射科多媒体数据库

图4.18　放射科多媒体数据

放射科内的多媒体数据是指所有与放射活动有关的信息，这些信息以文字、图像、语音和视频形式存储在各种数据库中。病人统计信息、临床检测结果、用药和病理报告存储在HIS中，放射图像保存在PACS存储管理光盘库中，放射图像相关报告保存在RIS中，电子邮件和文件保存在PC数据库中。图4.18为放射科多媒体数据。

为了实现放射科多媒体数据的有效操作，必须实现5种异构数据库的集成，即HIS、RIS、PACS、电子邮件和文件、数字语音口述系统的集成。

①RIS/HIS与PACS集成 系统集成的原则是：各系统结构保持不变，分别进行硬件和软件扩展，以便与其他系统通信；功能不变，数据共享；通信采用HL7标准数据格式和TCP/ IP通信协议。图4.19为HIS到RIS、RIS到PACS的信息转换。

图4.19　HIS到RIS，RIS到PACS的信息交流

②数字语音与PACS集成 一般放射科的报告与图像是分开存储的。报告先由文字转为语音存在磁带上，然后插入到RIS中。RIS/PACS接口允许将报告送入PACS数据库，这样当用户需要时可以将报告显示在PACS工作站上。数字语音与PACS的集成可将语音数据与PACS图像数据联系起来，临床医生在看到文字报告前，可以一边看图像一边听报告。