图像存档与通信系统介绍.ppt

第八章图像存档及通信系统 知识点介绍 图像存档与通信系统 PictureArchivingandCommunicationSystem 简称PACS 本节将介绍PACS概念 随着医学图像技术的发展和PACS的出现 需要在同一终端上显示不同设备的图像 建立统一的图像显示和传输标准 即DICOM标准 本节还将介绍PACS的关键技术及PACS系统结构与功能 第一节PACS概念及目标 PACS的定义PACS PictureArchivingandCommunicationSystems 中文全称为图像存档及通信系统 它是专门为图像管理而设计的包括图像存档 检索 传送 显示 处理和拷贝或打印的硬件和软件的系统 其目的是为了有效的管理和利用医学图像资源 第一节PACS概念及目标 PACS相关的医学图像知识 总结医学诊断的发展历程 只有获得了精确反映病人状态的信息 才有可能做出正确的诊断 有了正确的诊断 才能制定正确的治疗方案 客观的评价治疗结果 人体的信息可以用数值 曲线 图像等多种形式表示 但在大多数场合 图像所包含的信息量远远超过数值和曲线 所以 图像的应用越来越广泛 医学图像成像和处理是专门的研究领域 内容丰富 这里仅简述与PACS相关的医学图像知识 以帮助读者阅读理解本章内容 医学图像成像 从显微镜到1895年的X线的发明 近100多年的历史证明 医学图像成像技术的每一重大进展都给医学诊断和治疗技术带来极大的改变和发展 医学图像的成像方式也不断增加 而计算机技术和数字图像处理技术的迅速发展和普及 则进一步扩大了医学图像的应用范围 经由计算机的医学图像成像有多种方法 但它们之间的相似之处是先用某种能量通过人体 与人体相互作用后对该能量进行测量 然后用数学的方法估计出该能量与人体组织相互作用 吸收 衰减 核磁扰动等 的二维 三维分布 并产生图像 医学图像成像 由于人体生命现象特殊的复杂性和多样性 医学图像涉及从分子到人体 微观到宏观 从结构到功能 从静态到动态等多个领域和方式 目前的各种医学成像设备只能反映人体某一方面的信息 且对人体内大到组织 小到分子原子各有不同的灵敏度和分辨率 因而有着各自的适用范围和局限性 下面介绍几种主要的医学图像 光的发现者伦琴 X线图像及成像设备 1 X线图像 利用人体器官和组织对X线的衰减不同 透射的X线的强度也不同这一性质 检测出相应的二维能量分布 并进行可视化转换 从而可获取人体内部结构的图像 与常规胶片图像的形成过程相比 X线数字成像系统形成数字图像所需的X线剂量较少 能用较低的X线剂量得到清晰图像 可利用计算机图像处理技术对图像进行一系列处理 从而改善图像的清晰度和对比度等性能 挖掘更多的可视化诊断信息 计算机X线摄影 computedradiography CR 是X线平片数字化的比较成熟的技术 CR系统是使用可记录并由激光读出X线成像信息的成像板 imagingplate IP 作为载体 经X线曝光及信息读出处理 形成数字式平片图像 数字X线摄影 digitalradiography DR 是在X线影像增强器 电视系统的基础上 采用模 数转换器将模拟视频信号转换成数字信号后送入计算机系统中进行存储 分析 显示的技术 数字X线摄影包括硒鼓方式 直接数字X线摄影 directdigitalradiography DDR 和电荷藕合器件 chargecoupleddevice CCD 摄像机阵列方式等 数字减影血管造影 DigitalSubtractionAngiography DSA 是利用数字图像处理技术中的图像几何运算功能 将造影剂注入前后的数字化X线图像进行相减操作 获得两帧图像的差异部分 被造影剂充盈的血管图像 目前DAS有时间减影 temporalsubtraction 能量减影 energysubtraction 混合减影 hybridSubtraction 和数字体层摄影减影 digitaltomographysubtraction 等类型 2 X线CT图像 ComputerizedTomography CT 是以测定X射线在人体内的衰减系数为物理基础 采用投影图像重建的数学原理 经过计算机高速运算 求解出衰减系数数值在人体某断面上的二维分布矩阵 然后应用图像处理与显示技术将该二维分布矩阵转变为真实图像的灰度分布 从而实现建立断层图像的现代医学成像技术 概括地说 X线CT图像的本质是衰减系数成像 与传统的X线检查手段相比 CT具有以下优点 能获得真正的断面图像 具有非常高的密度分辨率 可准确测量各组织的X线吸收衰减值 并通过各种计算进行定量分析 影像成像图 螺旋CT机是目前世界上最先进的CT设备之一 其扫描速度快 分辨率高 图像质量优 用快速螺旋扫描能在15秒左右检查完一个部位 能发现小于几毫米的病变 如小肝癌 垂体微腺瘤及小动脉瘤等 其功能全面 能进行全身各部检查 可行多种三维成像 如多层面重建 CT血管造影 器官表面重建及仿真肠道 气管 血管内窥镜检查 可进行实时透镜下的CT导引穿刺活检 使用快捷 方便 准确 医学影像成像操作 磁共振血管造影 MagneticResonanceAngiography MRA 的研究也取得了重要进展 利用MRA可以发现血管的疾病 与三维显示技术相结合能够为诊断提供更多的可视化立体信息 3 磁共振图像 MagneticResonanceImaging MRI 系统通过对处在静磁场中的人体施加某种特定频率的射频脉冲 使人体组织中的氢原子受到激励而发生磁共振现象 当中止RF脉冲后 氢原子在驰豫过程中发射出射频信号而成像的 目前MRI成像技术的进一步研究仍主要集中在如何提高成像速度方面 另外 功能性MRI的出现进一步扩大了磁共振影像的临床应用范围 磁共振波谱分析 MagneticResonanceSpectroscopy MRS 亦是MRI技术研究的热门课题 借助MRS技术 有可能在获得病人解剖结构信息的同时又得到功能信息 将MRS与MRI进行图像融合 能够获得更多的有价值的诊断信息 4 超声US图像 频率高于20000赫兹的声波称为超声波 超声成像 UltrasoundSystem US 就是利用超声波在人体内部传播时组织密度不连续性形成的回波进行成像的技术 依据波束扫描方式和显示技术的不同 超声图像可分为 A型显示 M型显示 断层图像的B型显示和多普勒D型显示等 可能会给医学影像领域带来巨大影响的新的超声成像技术研究 是三维超声成像 三维超声影像具有图像立体感强 可以进行B超图像中无法完成的三维定量测量 能够缩短医生诊断所需的时间等特点 是一种极具发展前景的超声成像技术 5 放射性核素图像 放射性核素成像技术是通过将放射性示踪药物引入人体内 使带有放射性核的示踪原子进入要成像的组织 然后测量放射性核素在人体内的分布来成像的一种技术 放射性核素成像技术能够反映人体内的生理生化过程 能够反映器官和组织的功能状态 可显示动态图像 是一种基本无损伤的诊断方法 按照放射性核素种类的不同 放射性核素图像可以分为单光子发射成像 SinglePhotonEmissionTomography SPECT 和正电子发射成像 PositronEmissionTomography PET 因为SPECT和PET都是对从病人体内发射的 射线成像 所以统称为ECT 5 放射性核素图像 6 医用红外图像 人体是天然热辐射源 利用红外线探测器检测人体热源深度及热辐射值 并将其转变为电信号 送入计算机进行成像 红外图像用来诊断与温度有关的疾病 系统根据正常异常组织区域的热辐射差 得出细胞新陈代谢相对强度分布图 即功能影像图 用于对浅表部位肿瘤 乳腺癌及皮肤伤痛等疾病的诊断 7 内窥镜图像 内窥镜是一种直接插入人体的腔管内进行实时观察表面形态的光学诊断装置 光纤内窥镜使用的纤维束有两种 一种是传递光源以照明视场的导光束 另一种是回传图像的传像束 电子内窥镜的发明为内窥镜影像的临床应用提供了一种新的技术 具有轮廓清晰 可以定量测量等特点 三维立体内窥镜系统还可产生逼真的立体图像 8 显微图像 显微图像一般是指利用显微镜光学系统获得的关于细胞 组织切片的二维影像 目前处理和分析显微图像的主要工具是图像分析仪 它应用数字图像处理技术 计算机技术和形态计量学方法 实现对细胞 组织的定量分析 并可进行三维重组和动态显示 医学影像成像设备 PACS的作用 PACS系统是利用计算机信息技术 将不同型号 类别 地点的设备产生的图像 在统一的数字图像格式标准下 进行存储 按用户需求检索 调阅 用户可以在自己的终端上对图像作各种处理 辅助诊断和治疗 图像保存的传统介质采用的是胶片 照片或纸张等 其缺点是成本高 效率低 保存场地需不断增加 保管不易 需防蛀 霉变 丢失 图像复制 传递不便 历史图像检索困难 PACS彻底改变了传统的图像保存和传递方式 数字图像保存在磁盘 磁带 光盘上 占地小 成本低 保存时间长 利用计算机信息技术可以高速 高效的检索 复制 传递图像 真正实现了医学图像信息资源的共享 图像的跨科室 医院 地区流动 减少了等待检查结果的时间 方便了医生检索相关图像 有利于迅速诊断和治疗 无损 高效的图像传输 提高了远程会诊的质量 计算机强大的图像处理功能 可以在读片终端上对图像做各种处理 进行更细致的观察 具有更多的图像显示方式 三维重建 虚拟内窥镜 图像融合等等 提供了更多的信息 将人类在利用医学图像诊断和治疗上的知识积累 转变为计算机软件 使医学图像诊断治疗技术走向更深的层次 在图像信息越来越多的今天 让计算机成为图像的第一读者 也将成为可能 PACS的发展历史及当前的发展状况 从PACS的技术发展来看 可分为三个阶段第一阶段 80年代中期 90年代中期 第二阶段 90年代中期 上世纪末 第三阶段 上世纪末 现在 第一阶段 80年代中期 90年代中期 计算机自身性能有限 CPU主频仅几十兆 内存只有64兆字节 而且价格昂贵 研究主要集中在如何用有限的计算机资源处理大容量的数字图像 如用各种算法优化 硬件加速等 而显示技术也不能保证图像显示的一致性 因为没有统一的标准 不同设备的图像交换困难 DICOM标准开始出现 这一时期的PACS系统以单机为主 速度慢 功能单一 基本上没有RIS RadiologyInformationSystem 显示质量不高 人们普遍认为不可能用软拷贝代替胶片 PACS显然不能满足临床的需要 第二阶段 90年代中期 上世纪末 计算机技术 网络技术的发展 特别是PC机性能的大大提高 使PACS用户终端的速度和功能加强了 而显示技术的发展和显示质量控制软件的出现 图像显示质量基本达到读片要求 PACS的诊断价值开始得到临床的认可 应诊断报告和信息保存的要求 RIS系统出现 临床的应用使人们关注工作流的问题 即在检查登记 图像获取 存储 分发 诊断等等的步骤中PACS如何与RIS沟通 提高工作效率 第三阶段 上世纪末 现在 DICOM标准被广泛接受 PACS RIS开始与HIS全面整合 PACS被用于远程诊断 显示质量控制软件技术的进一步发展 新的显示设备的出现 淡化了温度 寿命对显示器显示质量的影响 PACS系统中引进临床专用软件 以利于辅助诊断和治疗 无胶片化的进程 促使人们开始研究PACS系统的安全性 PACS建设目标 为医学影像管理服务为临床诊断服务为远程医疗服务 PACS的相关标准 DICOM标准早期的医学图像设备所产生的图像格式是由生产厂商各自定义的 无统一标准并相互保密 随着医学图像技术的发展和PACS的出现 需要在同一终端上显示不同设备的图像 建立统一的图像显示和传输标准 医学数字成像和通信标准 DigitalImagingandCommunicationinMedicine DICOM 是由美国放射学院 AmericanCollegeofRadiology ACR 和美国国家电器制造学会 NationalElectricalManufacturersAssociation NEMA 组成的联合委员会 于1982年开始研制 并逐渐完善和发展所形成的医学数字图像及传输标准 目的是为推动在不同设备 型号或生产厂家之间的 开放式的医疗数字影像的传输与交换 促使PACS的发展并和其他各种医院信息系统的整合 允许所产生的信息能广泛地经由不同的设备来访问 该标准于1985年公布1 0版 ACR NEMAV1 0 1988年公布2 0版 ACR NEMAV2 0 1989年因增加与HIS RIS联接的内容而改名为DICOM 随着技术和应用的发展 DICOM标准也在不断扩充和更新 现在已公布的DICOM3 0版 内容从只提供点对点的通信标准 扩充到开放式系统互联OSI OpenSystemInterConnection 以及TCP IP等计算机网络的工业标准 从只支持放射图像到支持内窥镜 病理等其他图像 DICOM标准内容 第1部分给出了标准的设计原则 第2部分介绍了DICOM标准的一致性概念 第3部分描述了信息对象的定义方法 第4部分服务类的说明 第5部分数据结构及语意 第6部分数据字典 第7部分消息 message 交换 第8部分消息交换的网络通讯支持 第9部分说明DICOM如何支持点对点消息通信的服务和协议 第10 11 12部分定义了DICOM文件的存储方式 第13部分DICOM打印管理的点对点通信支持 第14部分说明了灰度图像的标准显示功能 第1部分给出了标准的设计原则 定义了标准中使用的一些术语 对标准的其它部分作了简要概述 第2部分介绍了DICOM标准的一致性概念 如何制订并描述DICOM产品 包括选择什么样的信息对象 informationobject 服务类 serviceclass 以及消息传递 massagetransfer 等 一致性是指遵守DICOM标准的设备能够互相连接 互相操作的能力 第3部分描述了信息对象的定义方法 对数字医学图像存储和通信方面的信息对象提供了抽象的定义 第4部分服务类的说明 服务类可简单地理解为DICOM提供的命令或提供给应用程序使用的内部调用函数 第5部分数据结构及语意 描述怎样对信息对象和服务类进行构造和编码 第6部分数据字典 这样在DICOM设备之间进行消息交换时 消息中的内容具有明确的无歧义的编号和意义 可以相互理解和解释 第7部分消息 message 交换 消息是两个符合DICOM标准的应用实体 applicationentity AE 之间进行通讯的基本单元 该部分定义了DICOM命令的结构 该命令若结合相关数据即组成子一个DICOM消息 同时也定义了在医学图像环境中的应用实体用于交换消息的协议握手 associationnegotiation 方式 第8部分消息交换的网络通讯支持 说明了在网络环境下的通讯服务和支持DICOM应用 进行消息交换的上层协议 第9部分说明DICOM如何支持点对点消息通信的服务和协议 第10 11 12部分定义了DICOM文件的存储方式 包括可移动存储介质 DICOM文件集 文件存储格式等 第13部分DICOM打印管理的点对点通信支持 第14部分说明了灰度图像的标准显示功能 现在 越来越多的医疗设备厂商宣布支持DICOM标准 遵从DICOM标准生产的设备 可以方便地与其他设备和系统进行通信和交换产生的图像 而PACS系统以DICOM标准为基础 才能具有更好的开放性和扩展性 第10 11 12部分定义了DICOM文件的存储方式 包括可移动存储介质 DICOM文件集 文件存储格式等 第13部分DICOM打印管理的点对点通信支持 第14部分说明了灰度图像的标准显示功能 现在 越来越多的医疗设备厂商宣布支持DICOM标准 遵从DICOM标准生产的设备 可以方便地与其他设备和系统进行通信和交换产生的图像 而PACS系统以DICOM标准为基础 才能具有更好的开放性和扩展性 2 HL71987年由SamSchultz博士在宾夕法尼亚州大学医院主持的一次会议促成了HL7组织和通信标准的诞生 由美国国家标准局 ANSI 授权的标准开发机构HealthLevelSevenInc 研究开发的一个专门规范医疗机构用于临床信息 财务信息和管理信息电子信息交换的标准 该标准适用于医疗卫生机构及医用仪器 设备的数据信息信息传输 特别适用于解决不同厂商开发的医院信息系统 临床实验室系统及药学信息系统之间互联问题 HL7的宗旨是开发和研制医院数据信息传输协议和标准 规范临床医学和管理信息格式 降低医院信息系统互连的成本 提高医院信息系统之间数据信息共享的程度 Hl7内容包括 病人个人信息管理病人入出转信息管理各类医疗服务 如手术 检验 检查 用药 医用材料等 管理财务信息 病人帐户 收费 医疗保险理赔 支付检验检查报告医疗文书管理医疗服务预约管理转院病人的信息交换 HL7传输格式 在HL7通信协议中 消息 Message 是数据交换的基本单位 共归纳了84种信息类型 每种信息类型用于定义信息的目的和用途 每条信息有若干个信息段组成 信息段 HL7规定了110个信息段 有相应的名称 用于界定其功能或内容 由数据字段组成 字段是一个字符串 定义位置 长度 类型等表分为HL7 118个 标准表和用户自定义表 185个 两种 PACS系统在物理结构上采用各种网络将不同类型的计算机连接起来 包括医学成像设备 图像采集计算机 PACS控制器 包括数据库和存档管理 以及图像显示工作站 下图为PACS系统的组成及数据流 第二节PACS的组成及功能 数据和图像的获取图像采集工作站主要任务包括 从成像设备获取图像数据 将图像数据转换成PACS标准的格式 并将其送往PACS控制器 临床医学图像包括静止图像和运动图像 静止图像可以分为三类 符合DICOM3 0的数字数据 可以直接与采集计算机相连 非标准的数字数据 设计者必须获得设备生产厂商关于数据结构和接口协议的详细说明 才能设计应用软件 从设备的串行口或并行口读取非标准数据 并转换为标准化数据 动态医学图像 如超声心动图和血管造影 包括一系列随时间变化的图像 通常采用帧捕捉的方式将其转换成数字图像 非数字数据 如胶片 视频图像等 一种方法是使用专用扫描仪直接得到数字图像 另一种则用摄像头获得模拟输出 然后用帧捕捉的方式将其转换成数字图像 这种方法也适用于从医疗设备的监视器输出获得的数字图像 图像处理图像预处理图像压缩图像数据压缩技术包括有损和无损压缩 1 无损压缩 能实现由压缩图像到原始图像的完全恢复 因此也称为可逆压缩 其特点是 在压缩过程中不会丢失重要信息 但压缩比小 一般在2 3倍之间 2 有损压缩 不能实现由压缩图像到原始图像的完全恢复 压缩过程不可逆 其出发点是以图像部分损失为代价换取高压缩比 得到视觉上可以接受的图像 能得到较高的压缩比 一般在10 50倍或更高 网络系统数字通信网络设计中要考虑以下五个因素 通信速度 通信标准 容错性 安全性以及网络建设和维护费用 主要有以下三类 1 低速 155Mb s 异步传输模式 ATM 图像存储管理系统图像存储管理系统能够实现对短期 中期和长期图像存档数据的分级管理 系统设计中的两个核心问题是数据完整性和系统效率 数据完整性是指PACS系统从成像设备获得的图像数据不能被丢失 系统效率是指要缩短显示工作站对图像数据的访问时间 PACS存档系统是PACS系统的核心 主要由四部分构成 存档服务器 数据库系统 光盘库以及通信网络 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 最后送到指定的显示工作站 一家医院一天的图像数据总量至少几个G 医疗资料安全长期保存的要求使PACS系统的存储方案设计非常重要 高可靠性 超大容量和低成本的图像存储方式是追求的目标 为了平衡投资与应用之间的关系 PACS系统的图像存储通常都分层次存储 如按图像产生时间分为在线 近线 离线三类 SCSI磁盘或磁盘阵列存取速度快 但目前容量有限 数百个G 用于存储在线图像 近线图像多采用光盘库 磁带库 NAS和SAN 网络接入存储 Network AttachedStorage 简称NAS 和存储区域网络 StorageAreaNetwork 简称SAN 显示工作站显示工作站包括通信 数据库 显示 资源管理和处理软件 目前常用的显示设备是CRT监视器 根据每屏的扫描线数 可将显示器分成512显示器 1K显示器 2K显示器几种 其扫描线分别为512线 1024线和2048线 1 诊断工作站 2 5k 2k 2 回顾工作站 1k 1k 3 图像分析工作站 4 高分辨率硬拷贝打印工作站 每个工作站具有一个本地数据库用于管理当前病案 也可以从PACS数据库获取历史图像 目前 显示工作站一般都具备数字图像管理和图像处理功能 图像处理会提高图像的诊断价值 主要包括以下处理工具 图像勾边 Outling 边界检测 BoundaryDetection 去模糊 Deblurring 消除噪声 NoiseCleaning 滤波 Filtering 显示工作站还具有图像显示和测量功能以辅助医生诊断 包括 缩放和移动 ZoomandScroll 窗口和灰阶 WindowandLevel 调整 直方图修正 HistogramModification 图像反转 ImageReverse 及距离 面积和平均灰度测量 Distance Area andAverageGrayLevelMeasurements 等 PACS的效益实现医学影像的无片化管理 节约胶片 节省胶片管理所需要的空间 方便医 教 研 提高诊断效率和诊断水平简化就医流程实现医学影像无损采集和传输 提高远程会诊质量 第三节PACS的效益和实施基本条件 实施PACS系统的基本条件影像设备条件信息系统条件技术条件经费条件 第三节PACS的效益和实施基本条件 1 提高系统互连性 如采用ACR NEMA DICOM标准 2 提高整个系统的智能化和协同处理能力 通用信息处理模型研究 3 医学信息库 包括医学图像数据库管理和服务器结构 高性能图像分析工作站 基于内容的医学图像检索 分布式计算及图像和记录的真实性验证等 4 提高系统负载 采用高速网络 大容量存储设备 多级存储算法 数据压缩算法及快速计算 5 简化系统维护 使用图形化计算机辅助软件工程工具 包括处理模型和系统设计 6 提高系统可靠性 研究中心系统监视和恢复软件 7 提高临床可操作性 临床质量控制 第四节PACS发展趋势