医学图象信息系统三要素
［医学图象信息系统三要素 　　　　　　　　　-－－-质量 　速度 　投资评估］ 上海第二医科大学附属瑞金医院计算机中心 姚志洪 索仲良 200025 摘要 医学图像信息系统（PACS）已成为医院信息系统（HIS）和远程医疗不可缺少的重要组成 部分。医学图象是疾病诊断的重要依据，并直接影响诊断的正确性。数字医学图象的质 量是医学图象信息系统第一要素，图象的传输是医院信息网络通信的瓶颈，而正确的投 资评估是推广应用PACS的关键。在HIS 的设计和实施过程中，必须充分考虑PACS的各种需求，统一规划，统一设计。 关键字 医学图像 PACS 医院信息系统 HIS 一、概述 近年来随着数字成像技术、计算机技术和网络技术的进步医学图象信息系统得到了迅速 的发展，PACS ( Picture Archiving and Communication Systems, 医学影像存档与通信系统 )是其中的重要组成部分，它旨在解决医学图像的获取、显示、存贮、传送和管理等问题 。虽然目前在国内尚未见一套完整的PACS，并存在着这样和那样的问题，但它始终是医 学图象信息化的标志。因而PACS一直是医学图象专家和临床医师所关心的热点，而且已 引起医疗卫生部门、医学研究单位和计算机公司的高度重视。PACS已成为HIS（Hospita l Information System，医院信息系统）和远程医疗不可缺少的重要组成部分。 医学图像信息系统是利用人体内不同器官和组织对X射线, 超声波和光线的散射、透射、反射和吸收的不同特性而发展起来的一种医学图像技术。 它为对人体骨骼，内脏器官疾病和损伤进行诊断、定位提供了有效的手段。迄今为止， 医学图像成像和处理技术已经经历了整整一个世纪的发展过程。在其前期的发展中，尽 管医学图像的分辨率、清晰度和诊断技术有了显著的改进和提高，多种新的医学图像成 像和造影术（例如核医学的放射性元素示踪造影、超声波探查和内窥镜技术）相继问世 ，但以胶片为主的医学图像采集、显示、储存和传输技术并无突破性进展，在国内医院 中仍占主导地位。信息时代的到来，从根本上克服了传统医学图像系统中所成在的问题 ，开辟了医学图像信息系统发展的新里程。崭新的医学图像成像技术和系统为医学诊断 、临床治疗以及医学研究提供了精确的医学图像信息,并进而提高了医学图像资源的使用 价值和使用效率。医学图像信息数字化及其计算机处理技术从根本上改变了传统的医学 图像采集、显示、存储和传输的模式，为逐步实现胶片数字化，建立无胶片医学图像系 统创造了条件。一种以计算机技术和网络技术为基础的医学图像存储和通信系统应运而 生。 二．医学图象信息系统的定义和框架 到目前为止，医学图像信息系统尚无统一严格的定义, 但从其名称来看是一种医学图像存储和通信系统。它是将数字电子学技术、计算机技术 和网络技术应用于医学图像数字化、储存和通信，使医学图像资源得到充分的利用。医 学图像信息系统以数字形式保存图像信息，医院各科室、城市、国家以至全世界各医疗 机构可通过计算机局部网、电话网和Internet 等远程通信网络实时传输医学图像信息。医学图像信息系统打破了时间上和地域上的限 制，使得各类医护人员能为病人提供及时和高质量的诊断、治疗和护理。由于计算机软 硬件技术、多媒体技术和通信技术的高速发展以及医学社会需求的不断增长，医学图像 信息系统所包含的内容和功能已远远超越PACS原来的含义。 1993年诞生了统一的医学图像及相关信息的格式及交换方法的标准DICOM 3.0(Digital Imaging and Communication in Medicine，医学数字图象和通信标准)。DICOM 3.0为各国不同厂商生产的医疗诊断和治疗设备提供了医学图象数字通信接口的标准。医 学图象设备只有采用DICOM3.0标准，其图像数据格式和数据才能在国际互联网上传输， 在国际互联网上的计算机能实时地接受到图像、文字、表格、数据、动态图像、声音和 视频等多媒体信息。只有符合DICOM 3.0的医疗设备，才能为医院所接受。医学图像信息系统的网络通信则采用TCP/IP协议。 医学图像信息系统由图象数据采集系统、显示系统、储存系统和通讯网络系统等组成， 如 三、医学图象的质量是医学图象信息系统第一要素 数字医学图象是临床医生和专家进行疾病诊断的重要依据。数字图象质量的优劣直接影 响医生的诊断。因此，数字医学图象的质量是医学图象信息系统第一要素。 图二和图三分别表示了在不同的分辨率和灰度量化级的情况下，所得到的医学图象的质 量。从图中可以清楚地看到，分辨率和灰度量化级越高，图象的质量越好。因此，提高 分辨率和灰度量化级是改善医学图象的有效措施。但是随之带来的是数字图象的存储容 量增加。 　　　　　　　　　　　　　　 　　　[pic]　　　　　　　　　　[pic]　 a) 256 dpi b) 32 dpi c) 16 dpi d) 8 dpi e) 4 dpi　　　a) 256级 b) 32 级 c) 16 级 d) 8 级 e) 4 级 图二 在不同采样密度（分辨率）下的图象效果　　 图三 在256分辨率情况下用不同量化灰度级获得的图象效果 数字医学图象的特点：二高一大（高分辨率、高精度和大数据量）. CT和MRI等成像技术一般是在512×512象素的分辨率，12位灰度级下对断层扫描图像信息 进行数字化采集的。每次采集40或80帧层位片。每帧图像为512×512点，40帧总长约20M ，80帧长40M。实际应用中，常将1024称为"1k"；一帧2k×2k×12位的胸片(以2Byte字为单 位存储)约需8M存储容量。各种医学图象容量如下表： 医学影像信息容量表 |名 称 |一幅图象容量 |每次图象数 |总容量 | |DSA |512×512×8 |15-40 |4-10MB | |MRI |256×256×12(16) |60 |8MB | |CT |512×512×12(16) |40 |20MB | |CR |2048×2048×12 |2 |16MB | |X光片数字化 |2048×2048×12 |2 |16MB | 美国Johs Hopkins医院曾进行了一次对比实验：对120例X线片（其中60例是不易判断的阳性病例， 60例是有疑点的病例），然后让医师分成两组，分别轮流在一个分辨率为2000×2400×12 bit，80朗伯高亮度的高分辨率诊断工作站上读软拷贝图像和在观片灯上读硬拷贝X线片 。读片结果表明，两组读硬拷贝胶片都比读软拷贝图像更准确。但这种差别并不严重影 响临床诊断。该院认为在高分辨率诊断工作站上读软拷贝图像可用于急诊室的初步诊断 。 尽管CR一般可以被接受，但是并不能完全代替 X线胶片，因为 X线胶片具有更高的精度。在某些条件下，要求采用4k×4k（1k=1024）图像，以保证诊断 信息不丢失。目前2k×2k的图像分辨力即便是用于初步诊断，也存在一些问题。例如，在 观察气胸和肺间质异常或骨骼的细微裂纹时，需要分辨率为4K×4K×12 bit的数字监视器；对于乳房肿瘤测定是不够的，在乳房胶片上发现微钙化灶簇或对比度 低的乳腺肿瘤则要求高达6K×6K×12 bit的数字显示点阵。而这是目前任何一种监视器都达不到的。 目前，国内PACS和远程医疗系统集成商对数字化医学图像质量的临床要求了解不够，普 遍采用普通的、非X线专业用的平板扫描仪扫读X线片，在没有任何技术措施的情况下， 用微机监视器读医学影像（一般分辨率为800X600，最高1280X1024），并以此作为疾病 诊断的依据，显然是不负责任的。 数字化医学图象的质量评估应引起足够的重视。工作站的显示器集片盒、相机、洗片机 和观片灯诸功能于一身。因此，它的分辨率、对比度、亮度、噪声及失真等的性能好坏 直接影响着最终诊断结果。 传统医学图像诊断是在"荧光屏--胶片-- 灯箱"组合模式下进行的。计算机技术为医学图像的观察提供了"数字图像信息-- 监视器"或"胶片--数字化仪-- 监视器"组合模式，极大地方便和加速了医学图像资源的形成、周转和调阅。计算机软硬 件技术和多媒体技术的发展为医学图像的显示提供了多种图像监视器和图像工作站，例 如高速高分辨率医学图形工作站，其分辨率为2.5k×2.5k，亮度大于100FL（普通显示器 为50－60）几乎可瞬时显示整幅图像。对于大部分的医学图象来说，基本满足诊断的要 求。 空间分辨率和灰度量化级的提高将使图像数据量急剧增加，对于PACS来说，这意味着存 储容量和图像传送所需时间的增加。尽管高压缩比的图像压缩算法可以缓解传送速度和 数据存储的限制。但这种处理使图像质量下降，将影响诊断的结果。在医学图象信息系 统中，应尽量采用低压缩比的无失真压缩。 医学图像显示技术除了完成胶片模拟图像和各种模式的数字图像等软拷贝显示任务之外 ，还要承担图像后处理的任务。例如压缩与解压、窗口（Window）／层位（Level）的选 择和控制、变焦(Zoom)、全景(Pan)，直至三维图像的重构等，而且使用简便、快捷，为 临床医生准确诊断提供了有效的工具。 四、医学图象信息系统的瓶颈在于图象的传输 由于医学图象的精度高和数据量大，给医学图象通信和存储带来了很大的困难，图象通 信成为医学图象信息系统的瓶颈。 图像通信是 PACS中重要的组成环节之一。同 PACS其他环节相比，它能更广泛地从医学以外的技术(特别是计算机网络和现代通信技术 )发展成果中得到启示和支持，有时则直接引用了这些先进的成果。 医院内一般利用计算机局域网 (LAN)来实现医学图像和病案等软拷贝的传输，而远程医疗中则通过广域网（WAN）或 INTERNET来进行通讯。网络环境的好坏，将影响医学图象的传输速度，传输速度快，图 象的显示也快。通常临床医生希望在几秒钟内看到图象，对于一些历史的图象则允许较 长时间（2－3分钟）。 数字图象在许多方面比胶片图像优越。图像的数据获取不需要做胶片，既节省了时间， 又节约了材料。 PACS采用数字存储，通过硬盘存储、光盘存储和磁带存储，无论在存储空间，还是在存 取和传递速度方面都比胶片要强得多。在紧急抢救的情况下，急救室和放射科联网，一 旦拍摄完毕，医生就可以在工作站上看到病人的数字图象，并进行诊断，而传统的胶片 系统是无法实现的。传统的胶片系统需要人工查找、存放和传递，容易造成胶片的错放 和丢失。在PACS中，存档的图像通过计算机程序迅速存放，从而避免了图象的错放和丢 失问题。PACS可以按病人的有关信息，把同一类相关图像，如在某一时期所做的一组CT 图像，组织起来，提高了图象资料管理的效率。此外，利用存档的图像，不仅可以供临 床医生查询病人的有关数据、数字图象和放射医生的诊断报告，而且可以使不在现场的 医生也能得到各种资料，进行会诊。PACS使当前检查、过去检查以及有关报告同时显示 ，使医生对病人的病史有一个综合的了解，使医生可以加快采取措施。 医院局域网络将ICU、CCU及各科室图像终端或图像工作站联在一起，即可实现图像、病 案等软拷贝，在较短的时间内，得到病人的各种资料。目前医院局域网的主干网大部分 采用100M以太网，而工作站上采用10M以太网接口，工作站上的数据有效传输速率为1－ 3MB/秒。传输一张8M的X光片需要3－8秒，传输CT（40M）片需14－40秒。如采用ATM技术 （主干155M或622M，工作站25M），传输速度将明显提高。但是，目前国内医院局域网的 水平远远落后于国外，医学图象的传输将成为PACS的瓶颈。 图像远程传输则可利用公共电话交换网、卫星通信或INTERNET广域网来实现。而目前我 国远程医疗的主要通信手段是通过传输速率为33.6K/秒的电话线来实现。由于传输的速 率较低，传输的时间比较长。传输一张8M的X光片约1小时，这么长的时间确实是很难接 受的。因此，在我国医学图象的远程通信还是有问题的，如何使医学图象进入宽带通信 是远程医疗走向实用的关键。 五、投资评估是医学图象信息系统推广应用的关键 与西方发达国家相比，中国的经济发展水平比较低，医院的经济承受能力一般较弱。在 目前的经济情况下，绝大多数医院负担不起PACS的昂贵价格。X射线胶片的图像数字化仪 、CR系统、存储系统、图象服务器、图象工作站和PACS软件等都是相当昂贵的，在实施 PACS项目前，应进行投资回报评估和财务论证。经可行性调研后，再确定PACS系统的配 置，并论证来自集成商的方案，方可实施。由于医院PACS系统才起步，究竟PACS会给医 院带来多少效益是难以确定和定量分析的，所以对PACS的投资和效益的评估是比较困难 的，但也是必须的。 PACS效益如下： 1.在目前的情况下，医院实现无胶片化是不现实的，但实现管理无胶片化是可行的。将 传统工作模式下，医院留底保存的影像存储在硬盘中，减少胶片费用，降低了影像科室 的经营成本...
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