PACS與醫(yī)學攝影圖像數(shù)字化管理

1、 PACS 與醫(yī)學攝影圖像數(shù)字化管理郭華源,薛萬國(解放軍總醫(yī)院計算機應用與管理科,100853摘要:醫(yī)學攝影圖像是一種重要的醫(yī)療、教學和科研資料。為了進一步管好用好醫(yī)學攝影圖像資源,本文從剖析PACS 影像文件管理特點的角度積極探索醫(yī)學攝影圖像數(shù)字化管理方法。重點分析DICOM 文件結(jié)構(gòu)、DICOM 圖像信息模型、索引信息組織等技術(shù)原理和特點。最后,借鑒PACS 影像文件管理技術(shù),針對醫(yī)學攝影圖像特點提出一種醫(yī)學攝影圖像數(shù)字化管理整體方案。關(guān)鍵詞:PACS ;影像文件管理;醫(yī)學攝影圖像中圖分類號:TP391文獻標識碼:A 文章編號:1009256242(2010022* 收稿日期:20102

2、01227作者簡介:郭華源(19792,男,工程師,工學碩士,主要研究領(lǐng)域是PACS 應用,高性能計算。1引言醫(yī)學攝影以光學、電子等攝影原理為基礎(chǔ),借助攝影的方法和手段對醫(yī)學專業(yè)領(lǐng)域的人物、事件以及人體微觀世界進行記錄性拍攝1,2。醫(yī)學攝影是攝影技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域里的具體應用。醫(yī)學攝影為臨床、科研、教學領(lǐng)域服務,在預防醫(yī)學、健康教育、衛(wèi)生知識普及和宣傳等方面也發(fā)揮著極其重要的作用。為了進一步管理好醫(yī)學攝影圖像資源,提高圖像查詢檢索服務質(zhì)量,本文通過分析PACS 影像文件管理機制和特點,探討醫(yī)學攝影圖像數(shù)字化管理方法。2PACS 系統(tǒng)組成PACS 是醫(yī)學圖像歸檔與傳輸系統(tǒng)(Pict ure Arch

3、iving and Co mmunication System 3的簡稱。它將影像采集設(shè)備(如CT 、磁共振等、存儲設(shè)備和影像工作站通過計算機網(wǎng)絡(luò)連接在一起,實現(xiàn)醫(yī)學影像數(shù)字化采集、集中化存儲、組合化檢索和網(wǎng)絡(luò)化調(diào)閱。PACS 是醫(yī)院信息系統(tǒng)的一個重要組成部分。PACS 通過運用計算機、網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)字圖像處理等技術(shù)整合全院醫(yī)學影像的獲取、存儲、傳輸、顯示和管理,解決傳統(tǒng)人工管理醫(yī)學影像方法給影像資料的存儲、查找和調(diào)閱帶來的諸多問題。PACS 系統(tǒng)不僅為醫(yī)院實現(xiàn)無膠片化管理和影像信息集成提供了解決方案,而且為實現(xiàn)遠程醫(yī)療、計算機輔助醫(yī)學影像診斷、數(shù)字化手術(shù)計劃和導航等提供了支撐平臺。PACS 按

4、照功能組成可劃分為4部分(如圖1所示,各部分的工作原理為:圖1PACS 系統(tǒng)組成示意圖Fig1The sketch map of PACS system95 211數(shù)據(jù)采集檢查設(shè)備對患者身體進行掃描成像,并將成像數(shù)據(jù)以文件的形式臨時存放在檢查設(shè)備上。212影像上傳為了實現(xiàn)集中存儲和共享,檢查設(shè)備需要把影像文件以標準格式通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇ACS 服務器中。通過設(shè)置,只要有新影像數(shù)據(jù)產(chǎn)生,檢查設(shè)備就能自動將其上傳到服務器。213文件歸檔服務器接收到影像文件后,根據(jù)預定的歸檔方案依次對每個文件進行解析,將提取的索引信息存入數(shù)據(jù)庫,把文件存入磁盤陣列的相應目錄下。214檢索調(diào)閱用戶在影像瀏覽終端(如診斷

5、工作站、醫(yī)生工作站上通過網(wǎng)絡(luò)向PACS 服務器提交檢索申請。服務器根據(jù)檢索條件,在數(shù)據(jù)庫中查找相應數(shù)據(jù),并把結(jié)果及時反饋給用戶。用戶通過檢索結(jié)果從服務器取回影像文件,并在影像瀏覽終端上進行影像顯示和處理。PACS 系統(tǒng)建設(shè)中需要解決的主要技術(shù)問題有大容量存儲、高速網(wǎng)絡(luò)傳輸、高分辨率顯示、海量文件管理等等。經(jīng)過多年的發(fā)展與探索,PACS 已經(jīng)較圓滿地解決了上述問題,形成獨具特色的文件組織機制和使用管理模式,能夠?qū)ο到y(tǒng)中存儲的各種影像數(shù)據(jù)進行安全有效管理,為臨床提供方便快捷的影像檢索和調(diào)閱服務。 3PACS 影像文件管理在PACS 系統(tǒng)中,醫(yī)學影像數(shù)據(jù)是通過使用獨立的格式,以文件的形式進行存儲。其

6、中,DI 2COM 格式是最常用的影像文件存儲格式。此外,還有其他的文件格式,例如AV I (Audio Video Interleve 、PDF (Portable Document Format 等,主要用于保存運動視頻影像數(shù)據(jù)和報告掃描數(shù)據(jù)等。DICOM 文件是指按照DICOM 標準存儲的醫(yī)學文件。其中,DICOM 影像文件是DICOM 文件中最常見的一類文件,因此常被簡稱為DICOM 文件。PACS 系統(tǒng)中影像文件具有3大特點:一是影像數(shù)據(jù)量增長迅速;二是影像文件數(shù)目巨大;三是文件訪問頻率高。因此,為了保證PACS 整體系統(tǒng)性能,一方面積極采取增大網(wǎng)絡(luò)帶寬、提高服務器性能、擴充存儲空間

7、等措施;另一方面從DICOM 文件結(jié)構(gòu)、DICOM 圖像信息模型、索引信息組織等方面對影像文件實施有效管理,確保PACS 系統(tǒng)平穩(wěn)運行。311DICOM 文件結(jié)構(gòu)一個DICOM 文件不僅包括影像檢查的像素數(shù)據(jù),而且還包括涉及此次檢查的受檢者基本信息、圖像數(shù)據(jù)的組織編碼方式、文件壓縮方法、設(shè)備成像的技術(shù)參數(shù)和其他相關(guān)信息等。一個DICOM 文件能夠包含如此豐富的信息,其根本原因就在于DICOM 文件采取了一種獨特的文件結(jié)構(gòu)。根據(jù)DICOM 標準,DICOM 文件從結(jié)構(gòu)上可以分為文件頭和數(shù)據(jù)集兩部分4,如圖2所示。其中,DICOM 文件頭包括3部分,首先是128字節(jié)的前同步碼,用于兼容其它通用計算

8、機文件格式(如BM P 文件等;然后是4字節(jié)的文件前綴,內(nèi)容為大寫字符“DICM ”,通常被用作判斷是否為DICOM 文件的依據(jù);第3部分是文件元信息(meta information ,包括文件元信息版本、傳輸語法、媒體存儲服務對象對類(實例唯一標識符等。圖2DICOM 文件結(jié)構(gòu)Fig2The structure of DICOMDICOM 文件的主要組成部分是數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)集由很多數(shù)據(jù)元素組成,并按照數(shù)據(jù)標簽值大小呈升序排列。數(shù)據(jù)元素主要有4部分組成:標簽6 (Tag 、值表示類型(可選項、值長度、值域。DICOM 將所有數(shù)據(jù)元素進行統(tǒng)一分類編碼,并在此基礎(chǔ)上形成一個完整的數(shù)據(jù)字典。通過查詢

9、標簽值,就可以準確找到數(shù)據(jù)元素。其中,標簽值為(7EE0,0110的數(shù)據(jù)元素是DICOM 文件中最重要的一個數(shù)據(jù)單元,該單元包含了DICOM 圖像顯示所必需的像素數(shù)據(jù)。例如,圖3(a 為一幅頭顱MR 影像,圖3(b 為該影像文件的部分數(shù)據(jù)元素信息。 圖3Fig3A skull MR image (a ;The date elements of MR image file312DICOM 圖像信息模型DICOM 圖像信息模型是源自對放射科日常處理圖像工作方式的抽象。多種形態(tài)的圖像都被收集到患者病歷中。當集中不同來源的圖像時,必須對圖像數(shù)據(jù)進行分類排序。在DICOM 的信息模型中主要有四個層次5,

10、分別是患者、檢查、系列和圖像。31211患者層次患者層次包含一個或多個檢查所屬的同一患者標識及相關(guān)信息?；颊邔哟问亲罡邔哟?一個患者可能存在多個檢查。31212檢查層次檢查層次是信息模型中最重要的層次。每個檢查都唯一對應某個患者的一次醫(yī)學檢查,一個檢查可以包含一個或多個影像序列。同一檢查內(nèi)的每一個圖像文件都有相同的St udy Instance U ID 值。31213序列層次通常一個檢查請求可能會涉及不同形態(tài)的檢查過程,這就會產(chǎn)生一個或多個圖像序列。一個序列可以包含一幅或多幅圖像,但每一個序列都唯一對應一個檢查。序列以檢查作為“根”將一次檢查的所有圖像數(shù)據(jù)集中在一起。同一序列內(nèi)的每一個圖像文

11、件都有相同的Serials Instance UID 值。31214圖像層次圖像文件用于存放影像的像素數(shù)據(jù)。一個圖像文件可以存放單幀圖像的像素數(shù)據(jù),也可以存放多幀圖像的像素數(shù)據(jù)。每一幅圖像都唯一對應某一個檢查下的某一個序列。每個圖像文件都通過數(shù)據(jù)元素記錄下該幅圖像所屬的患者標識、檢查類型和檢查項目、所屬哪個檢查/序列的標識,以及在該序列中的圖像序號。這樣,即使脫離數(shù)據(jù)庫的支撐環(huán)境,僅僅依靠讀取文件本身的數(shù)據(jù)元素,就可以準確了解影像文件的所屬患者、所屬檢查等重要信息。這不僅保證圖像信息的準確可靠,而且還為DICOM 文件的廣泛傳播與正確使用提供了技術(shù)保障。如圖4所示,這是一個患者在某家醫(yī)院多次檢

12、查的影像信息。通過采用DICOM 圖像信息模型的四級結(jié)構(gòu)對影像文件進行分級分類管理。16 圖4按照“患者2檢查2序列2圖像”四級層次組織影像檢查信息Fig4The image information f ramwork of “patient 2study 2series 2image ”313索引信息組織 PACS 中針對影像文件的操作主要有增刪、查找和取回等。對于海量影像數(shù)據(jù)的高頻率檢索等操作,關(guān)系數(shù)據(jù)庫在性能上無法滿足PACS 快速響應的需求。在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中,通過建立索引等優(yōu)化手段能夠大幅提高查詢速度。但如果直接對DICOM 文件進行檢索,則需要對每個文件都按照DICOM 格式進行解析

13、和判斷,操作步驟多、耗時長。此外,影像數(shù)據(jù)總量巨大,可達數(shù)十Ter 2abyte (TB ,而且增長迅速。如果直接在Oracle 或SQL Server 等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中存儲影像文件,則數(shù)據(jù)庫文件的容量很容易就會突破操作系統(tǒng)的支持限度。因此,PACS 通常采用一種折中的辦法6“數(shù)據(jù)庫索引+文件實體”。如圖5所示,將DI 2COM 影像文件所包含的病人、檢查、設(shè)備等相關(guān)信息抽取出來,作為索引信息存儲到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。而將影像數(shù)據(jù)以文件的形式存放在圖像存儲陣列中。并且,把每一個影像文件的存放路徑作為一個重要的文件屬性也存入服務器,據(jù)此在數(shù)據(jù)庫和圖像存儲陣列之間建立了對應關(guān)系。如果用戶做一般的統(tǒng)計查詢

14、或信息檢索,則只要依托數(shù)據(jù)庫就能完成工作;只有當需要調(diào)取影像文件時,才會根據(jù)文件路徑信息,到存儲陣列上取回對應的影像文件。這樣,通過結(jié)合使用數(shù)據(jù)庫技術(shù)和文件存儲技術(shù),達到取其所長,避其所短的互補效果。圖5PACS 索引信息組織示意圖Fig5The index structure of PACS另外,影像文件主要通過2種方式存放在存儲陣列中。一種是用戶根據(jù)實際需要自主定義目錄結(jié)構(gòu),并把影像文件依次存放在預定的目錄下;另一種是參照信息模型的四級結(jié)構(gòu)來存放文件,其中患者、檢查、序列具有目錄的性質(zhì),而圖像則是以文件形式出現(xiàn)。第1種方法的優(yōu)點在于操作簡單,可自主定義目錄結(jié)構(gòu),適合于海量數(shù)據(jù)的存放;缺點是

15、沒有體現(xiàn)信息模型分級分類的思想,不能直接根據(jù)目錄結(jié)構(gòu)方便的查找影像文件。第26 二種方法的優(yōu)點是影像文件按照患者、檢查、序列等層次對應存放,層次分明,查找方便,適合于少量數(shù)據(jù)的刻錄或拷貝;缺點是文件目錄結(jié)構(gòu)龐大。4醫(yī)學攝影圖像數(shù)字化管理醫(yī)學攝影圖像從成像器材上可以分為微觀攝影圖像(如光學顯微鏡攝影、平面物體攝影圖像(如心電圖、腦電圖、內(nèi)窺鏡攝影圖像、紅外光攝影圖像、紫外光攝影圖像等;從拍攝對象上可以分為行業(yè)人物攝像、患者攝影、手術(shù)攝影、標本攝影、圖片攝影、社會活動攝影等。傳統(tǒng)醫(yī)學攝影圖像管理主要采用人工管理,對攝影圖片進行分類編號集中保管,使用手工方式檢索圖片。這種方式效率低下、圖片資料易丟失

16、易損毀。近些年,出現(xiàn)了基于計算機的醫(yī)學攝影圖片管理系統(tǒng)7。這類系統(tǒng)采用信息技術(shù)對攝影圖片進行分級分類管理、并在局域網(wǎng)上實現(xiàn)信息共享。極大提高了管理效率和服務質(zhì)量,但還存在幾大不足。一是沒有與醫(yī)院信息系統(tǒng)相連接,限制了攝影圖像的使用。例如與手術(shù)、治療相關(guān)的攝影圖片沒有作為重要的病歷資料存入患者病歷;、借閱圖片而設(shè)計,缺乏從圖片標識、存儲、查詢等諸多環(huán)節(jié)對攝影圖片實施完整管理;三是對圖像質(zhì)量和來源缺乏有效管理。結(jié)合PACS 系統(tǒng)對影像文件的管理特點,我們從以下兩個方面探討醫(yī)學攝影圖像的數(shù)字化管理方法。一是從PACS 角度來看,一些醫(yī)學攝影器械已經(jīng)數(shù)字化(如X 光機、胃腸道內(nèi)窺鏡等,其拍攝的影像也已

17、數(shù)字化,可將數(shù)字化影像文件作為病歷資料存入PACS 。如果影像文件為非DICOM 格式,則需要由DICOM 網(wǎng)關(guān)把文件轉(zhuǎn)換為DI 2COM 格式。處理流程如圖6所示。二是從醫(yī)學攝影角度來看,需要一個可擴展、高效率的數(shù)字化攝影圖像管理的完整解決方案。借鑒PACS 文件管理機制,醫(yī)學攝影圖像管理系統(tǒng)共分為四大模塊,分別是文件轉(zhuǎn)換、文件輸入、文件歸檔、信息檢索和取回,如圖7所示 。圖6數(shù)字化影像文件存入PACS 的處理流程Fig6The work flow of sending digital image file to PACS圖7數(shù)字化攝影圖像管理系統(tǒng)示意圖Fig7The integrated

18、structure of digital image management for medical photography36 首先 , 如果影像文件為非數(shù)字化文件 , 則需 經(jīng)過文件轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字化文件 。常見的文 件轉(zhuǎn)換方式是文件掃描 、影像翻拍等 。在文件輸 入模塊中 , 不僅要輸入影像文件 , 而且要把該文 件主要相關(guān)信息 ( 如拍攝內(nèi)容 、主題 、時間 、人 物 、作者等 作為附屬信息進行編目 。其目的一 是使影像文件的信息更豐富 ; 二是把附屬信息存 入數(shù)據(jù)庫 , 支持多種條件檢索和分類 。然后 , 采 用 “數(shù)據(jù)庫索引 + 文件實體”的方法進行文件歸 檔 , 即把文件的屬性信

19、息以索引的形式存入數(shù)據(jù) 庫 , 而影像文件實體則以文件方式存放在存儲空 間內(nèi) 。系統(tǒng)支持多種條件組合檢索 。當用戶通過 網(wǎng)絡(luò)進行檢索時 , 系統(tǒng)根據(jù)檢索條件查找數(shù)據(jù)庫 。 最后 , 根據(jù)索引信息找到對應的影像文件 。這個 方案主要實現(xiàn) 3 大功能 。第一 , 對攝影圖像進行唯 一標識 , 對圖像內(nèi)容所反映的相關(guān)醫(yī)療 、科研信 息進行關(guān)聯(lián)并支持多種條件的檢索和分類 ; 二是 基于網(wǎng)絡(luò)提供快速便捷的醫(yī)學攝影圖像檢索和取 回服務 ; 三是提供對攝影圖像文件的全生命周期 管理 , 包括圖像導入 、導出 、存儲 、查詢等 。 廣泛應用 , PACS 與醫(yī)學攝影圖像管理可能會出現(xiàn) 一定程度的融合 。其中

20、, 通過將部分數(shù)字化攝影 圖像納入到 PACS , 能夠擴大 PACS 影像種類 , 豐 富數(shù)據(jù)資源 ; 另一方面 , 通過借鑒 PACS 影像文 件管理技 術(shù) , 實 現(xiàn)醫(yī) 學攝 影圖 像的 數(shù)字 化管理 , 能夠進一步提高攝影圖像管理水平和服務質(zhì)量 。 參 考 文 獻 1 陳敏 ,孔令占 1 探討醫(yī)學攝影的發(fā)展趨勢 J 1 信息記錄 2 姜露嘉 1 關(guān)于醫(yī)學攝影的性質(zhì)與價值屬性的思考 J 1 6 何博 ,曹曉光 , 杜振洲 1 DICOM 網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn) J 1 7 柯新華 , 歐東 , 耿波 , 等 1 醫(yī)學攝影圖片的網(wǎng)絡(luò)化管理 J 1 中國醫(yī)學教育技術(shù) ,2004 ,18 (6 :3

21、9123921 5 小結(jié) 隨著信息技術(shù)的深入發(fā)展和醫(yī)學攝影圖像的 PACS and the Digital Management of Medical Photography GUO Hua2yuan ,XU E Wan2guo ( T he Com p uter De p art ment of PL A General Hos pi t al 100853 64 tio n , and scientific research1 In order to imp rove t he management and applicatio n of medical p ho2 tograp hy , t he image file management character s of PACS was summarized1 After paying more at 2 tentio n to t he analysis of t he DICOM file st ruct ure , DICOM image model and index st ruct ure , was a dig