系统结构及性能

§5.2　PACS系统结构及性能

一、PACS系统结构

根据网络结构来区分PACS的系统结构，我们可以将其分为两代：

1．集中式PACS系统　第一代PACS系统首次出现是在20世纪70年代末，完整的概念提出于80年代初。是针对当时不同的成像设备来设计实现了PACS模块管理不同放射部门的图像。它是将数字化成像设备集成在一起的网络，用于获取、存储、管理和显示病人的图像及相关诊断和文字信息。这些PACS系统规模小，一般应用于1～2个成像设备；它是一个封闭系统，需要专门的软件和网络，与其他的医学信息系统毫无联系；它被设计成一个集中管理系统，即图像和数据存储在中央数据库中并分发给提出请求的周边工作站；而且没有标准的通用数据交换格式和通信协议，因此，临床使用起来很困难。由于这些模块之间缺乏联系，当医院的PACS模块越来越多时，在维护、协同工作、容错和系统扩展等方面都面临了许多困难。

一般来说，放射科内部的PACS系统实现相对容易，利用以太网（Ethernet），将科室或医院内部图像资源完全共享，在现阶段，利用局域网在医院内部传输文本、图像甚至视频、声音等多媒体数据完全可以的，但是医院范围的PACS还要涉及到与HIS系统的集成问题，必须考虑到HIS的发展情况，两者的接口的实现有一定的难度，HIS和PACS的共同建设需要很高的经济成本，目前只限于在我国的大医院推广。而对于更大范围的PACS，受当前计算机网络尤其是网络带宽的制约，仍然处于研究阶段。

由于当时PACS系统的定义过于狭窄，它考虑和解决的只是图像传输和归档问题，与医院业务流程和实际需求有着很大差距。早期的PACS主要以医院甚至放射科内部的应用为主，因此PACS系统主要以集中式系统为主，它的特点是将病人的影像数据（通过影像设备直接或间接获取的）存储在主服务器上，当PACS系统的其他客户端需要进行显示或查询时，通过服务器的数据库管理系统（DB MS）调用数据到本地客户端，从它的基本工作流程可以看出，它容易实现，管理和维护方便，但是中于图像数据量非常大，传输时间较长，难以保证实时性，并且所有的图像数据都放在一个服务器上，因此可靠性变得很差，对服务器硬件提出了很高的要求，具体结构如图5.l所示。

图5.1　集中式的PACS系统

2．分布式PACS系统　近几年随着计算机科学的发展，分布式的思想逐步被许多开发PACS的厂商所采用，于是产生了第二代PACS系统，在这样的系统中，图像数据被分别存储在不同的物理服务器上，它们的数据可以被网络的合法用户共享，分布式系统采用多点存储代替一点存储，提高了系统的可靠性，但却相应增加了系统的复杂性，因此系统的实现和维护困难，所需经济成本高、采用这种体系结构的有瑞士Geneva大学附属医院开发的PACS。如图5.2所示。

图5.2　分布式的PACS系统

PACS的建设是一个系统工程，其基本结构模块和功能是基本统一的，这些组成模块包括图像的数据获取和预处理模块、显示/查询模块、归档模块、数据库模块、工作流管理模块。

图像获取和预处理模块主要以直接接口或间接介质等方式获取医学影像设备产生的图像数据，经过压缩、格式转换等处理以便进一步分类存储医学图像数据以备使用；医学图像归档模块为图像数据库提供大容量存储后备，长时间保存图像数据，通过预取等功能加快对图像数据的访问；PACS数据库部分模块提供对数据库的一些基本操作，并对数据库进行维护和管理；医学图像查询、显示和诊断模块为医师提供对图像数据的实时查询服务，对不同设备的影像数据进行显示和进一步处理，辅助医师进行诊断；工作流管理模块是协调各模块之间的工作流程，提高系统的安全性、稳定性和可扩展性。

PACS基本结构模块化的设计思想方便将来系统的功能扩充，通过使用工作流模块来协调其他各个模块之间的工作，提高了系统的灵活件和可扩展性。

二、影响PACS性能的主要因素

近年来，随着计算机性能的大幅度提高以及高速通信网络的迅速发展，计算机计算能力和网络通信速度对PACS己有足够的支持能力，但PACS仍存在不少问题，目前影响其功能和性能的主要因素，可以归纳如下：

1．存储介质　包括存储容量和影响到 PACS影像存取能力的存取速度。

2．数据获取　指从各种影像诊断设备（如X光机、CT、MRI等）中获取数字影像的方法，它关系到PACS的实用性。

影像数据的获取可采用下面几种方法：（1）通过专业用扫描仪将医学影像数字化；（用静态数字摄像机采集高分辨率的影像（如远程病理图像）或通过视频数字化装置和模拟视频装置（如视频摄像机、超声波图像装置或内窥镜）的组合应用获得数字影像；（2）目前国外的医疗影像设备如CT、MRI等绝大多数都带有标准的数字接口，可以从中导出MRI、CT、X光等的数字图像特别值得指出的是，在PACS应用中，对影像的质量有很高的要求，其典型的影像分辨率值为2048×2048像素，甚至更高，同时影像的深度要达到12～16bit（即4096～65536灰度级）。而且，无论采用哪种方式采集影像数据，都要确保其质量达到应用要示。

3．高质量的显示　显示设备是构成高性能PACS的必要部分。

对用于PACS影像显示的显示器的亮度、分辨率也有很高的要求，如美国加州大学洛杉矶分校医学院放射学系通过实验指出，观察气胸和肺间质异常或骨骼的细微裂纹，需要几何分辨率为4096×4096像素，12bit深度（4096灰度级）的数字监视器；而要在乳房片上，发现微钙化灶簇或对比度低的乳腺肿瘤则要求每帧分辨率高达6144×6144像素，12bit深度的数字显示点阵，这是一般工作站的显示器无法替代的。国外己有分辨率达到1700×2000像素、1700×2300像素或2000×2500像素，光通量达到50、100、150fL，甚至更高的专门用于医学影像的数字显示器，但是这类显示器的价格是很昂贵的，对于应用于500张以上床位的PACS未说，仅仅是显示器的投资就要占到总费用的60％～70％，这将使得整个PACS的造价很高但随着显示器制造工艺的不断提高和新技术的广泛使用，相信适合于医学影像显示的，较便宜的显示器会在不久的将来出现。

4．影像数据的压缩　影像传输速度和存储能力都依赖于对影像数据的压缩。

影像压缩技术在PACS中占有重要的地位，因为影像经过压缩可以显著减少对传输带宽和存储容量的需求，目前JPEG压缩标准已广泛地应用于PACS中，PACS在最初的应用中，考虑到医学影像对质量有特殊要求和法律的原因，一般采用无损压缩技术，其压缩比可以达到1：2至1：4，现在已采用了感兴趣区（Region of Interest，ROI）技术以及其他方法，在保证影像主观质量的同时，其压缩比平均达到了1：1甚至更高，目前开展的工作主要是针对不同影像种类或病理组织区域，优化压缩算法中的变量和参数，在保证质量的前提下达到最大的压缩比。

5．人机界面和软件　智能化的人机界面可以提高人机交互的友好性。此外，系统还应具有大量高效的支持影像快速传输和存档管理的软件包。

6．标准　PACS是一个基于网络通信的开放式系统，为了顺利实现影像信息的共享和交互，必须制定通信接口和数据存储格式标准，而且要求医学影像设备生产厂家和销售商都必须遵循该标准，现在国际通用标准为DICOM 3.0。

7．系统集成　PACS最终要和RIS、HIS及远程放射医学等其他系统相连，这涉及到先进的系统集成技术，软件和系统集成涉及到系统结构的设计、人机交互界面和功能模块的开发，以及与其他系统接口的设计等内容。PACS、HIS及 RIS最终将完全融合在一起，并且，远程放射学（Teleradiology）将成为 PACS的一个组成部分。因此，PACS的设计应具有容错能力和扩展能力，并要保证新的设备可以无缝地组合到新的系统中，为了保证系统的传输性能和交互性，故支持标准的通信协议是至关重要的。软件和系统集成技术直接关系到系统的成败及其生命力，而解决上述问题和进行系统的设计、软件功能模块的开发，需要花费大量的人力和时间。