醫(yī)學圖象信息系統(tǒng)三要素
［醫(yī)學圖象信息系統(tǒng)三要素 　　　　　　　　　-－－-質量 　速度 　投資評估］ 上海第二醫(yī)科大學附屬瑞金醫(yī)院計算機中心 姚志洪 索仲良 200025 摘要 醫(yī)學圖像信息系統(tǒng)（PACS）已成為醫(yī)院信息系統(tǒng)（HIS）和遠程醫(yī)療不可缺少的重要組成 部分。醫(yī)學圖象是疾病診斷的重要依據(jù)，并直接影響診斷的正確性。數(shù)字醫(yī)學圖象的質 量是醫(yī)學圖象信息系統(tǒng)第一要素，圖象的傳輸是醫(yī)院信息網絡通信的瓶頸，而正確的投 資評估是推廣應用PACS的關鍵。在HIS 的設計和實施過程中，必須充分考慮PACS的各種需求，統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一設計。 關鍵字 醫(yī)學圖像 PACS 醫(yī)院信息系統(tǒng) HIS 一、概述 近年來隨著數(shù)字成像技術、計算機技術和網絡技術的進步醫(yī)學圖象信息系統(tǒng)得到了迅速 的發(fā)展，PACS ( Picture Archiving and Communication Systems, 醫(yī)學影像存檔與通信系統(tǒng) )是其中的重要組成部分，它旨在解決醫(yī)學圖像的獲取、顯示、存貯、傳送和管理等問題 。雖然目前在國內尚未見一套完整的PACS，并存在著這樣和那樣的問題，但它始終是醫(yī) 學圖象信息化的標志。因而PACS一直是醫(yī)學圖象專家和臨床醫(yī)師所關心的熱點，而且已 引起醫(yī)療衛(wèi)生部門、醫(yī)學研究單位和計算機公司的高度重視。PACS已成為HIS（Hospita l Information System，醫(yī)院信息系統(tǒng)）和遠程醫(yī)療不可缺少的重要組成部分。 醫(yī)學圖像信息系統(tǒng)是利用人體內不同器官和組織對X射線, 超聲波和光線的散射、透射、反射和吸收的不同特性而發(fā)展起來的一種醫(yī)學圖像技術。 它為對人體骨骼，內臟器官疾病和損傷進行診斷、定位提供了有效的手段。迄今為止， 醫(yī)學圖像成像和處理技術已經經歷了整整一個世紀的發(fā)展過程。在其前期的發(fā)展中，盡 管醫(yī)學圖像的分辨率、清晰度和診斷技術有了顯著的改進和提高，多種新的醫(yī)學圖像成 像和造影術（例如核醫(yī)學的放射性元素示蹤造影、超聲波探查和內窺鏡技術）相繼問世 ，但以膠片為主的醫(yī)學圖像采集、顯示、儲存和傳輸技術并無突破性進展，在國內醫(yī)院 中仍占主導地位。信息時代的到來，從根本上克服了傳統(tǒng)醫(yī)學圖像系統(tǒng)中所成在的問題 ，開辟了醫(yī)學圖像信息系統(tǒng)發(fā)展的新里程。嶄新的醫(yī)學圖像成像技術和系統(tǒng)為醫(yī)學診斷 、臨床治療以及醫(yī)學研究提供了精確的醫(yī)學圖像信息,并進而提高了醫(yī)學圖像資源的使用 價值和使用效率。醫(yī)學圖像信息數(shù)字化及其計算機處理技術從根本上改變了傳統(tǒng)的醫(yī)學 圖像采集、顯示、存儲和傳輸?shù)哪Ｊ剑瑸橹鸩綄崿F(xiàn)膠片數(shù)字化，建立無膠片醫(yī)學圖像系 統(tǒng)創(chuàng)造了條件。一種以計算機技術和網絡技術為基礎的醫(yī)學圖像存儲和通信系統(tǒng)應運而 生。 二．醫(yī)學圖象信息系統(tǒng)的定義和框架 到目前為止，醫(yī)學圖像信息系統(tǒng)尚無統(tǒng)一嚴格的定義, 但從其名稱來看是一種醫(yī)學圖像存儲和通信系統(tǒng)。它是將數(shù)字電子學技術、計算機技術 和網絡技術應用于醫(yī)學圖像數(shù)字化、儲存和通信，使醫(yī)學圖像資源得到充分的利用。醫(yī) 學圖像信息系統(tǒng)以數(shù)字形式保存圖像信息，醫(yī)院各科室、城市、國家以至全世界各醫(yī)療 機構可通過計算機局部網、電話網和Internet 等遠程通信網絡實時傳輸醫(yī)學圖像信息。醫(yī)學圖像信息系統(tǒng)打破了時間上和地域上的限 制，使得各類醫(yī)護人員能為病人提供及時和高質量的診斷、治療和護理。由于計算機軟 硬件技術、多媒體技術和通信技術的高速發(fā)展以及醫(yī)學社會需求的不斷增長，醫(yī)學圖像 信息系統(tǒng)所包含的內容和功能已遠遠超越PACS原來的含義。 1993年誕生了統(tǒng)一的醫(yī)學圖像及相關信息的格式及交換方法的標準DICOM 3.0(Digital Imaging and Communication in Medicine，醫(yī)學數(shù)字圖象和通信標準)。DICOM 3.0為各國不同廠商生產的醫(yī)療診斷和治療設備提供了醫(yī)學圖象數(shù)字通信接口的標準。醫(yī) 學圖象設備只有采用DICOM3.0標準，其圖像數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)才能在國際互聯(lián)網上傳輸， 在國際互聯(lián)網上的計算機能實時地接受到圖像、文字、表格、數(shù)據(jù)、動態(tài)圖像、聲音和 視頻等多媒體信息。只有符合DICOM 3.0的醫(yī)療設備，才能為醫(yī)院所接受。醫(yī)學圖像信息系統(tǒng)的網絡通信則采用TCP/IP協(xié)議。 醫(yī)學圖像信息系統(tǒng)由圖象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)和通訊網絡系統(tǒng)等組成， 如 三、醫(yī)學圖象的質量是醫(yī)學圖象信息系統(tǒng)第一要素 數(shù)字醫(yī)學圖象是臨床醫(yī)生和專家進行疾病診斷的重要依據(jù)。數(shù)字圖象質量的優(yōu)劣直接影 響醫(yī)生的診斷。因此，數(shù)字醫(yī)學圖象的質量是醫(yī)學圖象信息系統(tǒng)第一要素。 圖二和圖三分別表示了在不同的分辨率和灰度量化級的情況下，所得到的醫(yī)學圖象的質 量。從圖中可以清楚地看到，分辨率和灰度量化級越高，圖象的質量越好。因此，提高 分辨率和灰度量化級是改善醫(yī)學圖象的有效措施。但是隨之帶來的是數(shù)字圖象的存儲容 量增加。 　　　　　　　　　　　　　　 　　　[pic]　　　　　　　　　　[pic]　 a) 256 dpi b) 32 dpi c) 16 dpi d) 8 dpi e) 4 dpi　　　a) 256級 b) 32 級 c) 16 級 d) 8 級 e) 4 級 圖二 在不同采樣密度（分辨率）下的圖象效果　　 圖三 在256分辨率情況下用不同量化灰度級獲得的圖象效果 數(shù)字醫(yī)學圖象的特點：二高一大（高分辨率、高精度和大數(shù)據(jù)量）. CT和MRI等成像技術一般是在512×512象素的分辨率，12位灰度級下對斷層掃描圖像信息 進行數(shù)字化采集的。每次采集40或80幀層位片。每幀圖像為512×512點，40幀總長約20M ，80幀長40M。實際應用中，常將1024稱為"1k"；一幀2k×2k×12位的胸片(以2Byte字為單 位存儲)約需8M存儲容量。各種醫(yī)學圖象容量如下表： 醫(yī)學影像信息容量表 |名 稱 |一幅圖象容量 |每次圖象數(shù) |總容量 | |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光片數(shù)字化 |2048×2048×12 |2 |16MB | 美國Johs Hopkins醫(yī)院曾進行了一次對比實驗：對120例X線片（其中60例是不易判斷的陽性病例， 60例是有疑點的病例），然后讓醫(yī)師分成兩組，分別輪流在一個分辨率為2000×2400×12 bit，80朗伯高亮度的高分辨率診斷工作站上讀軟拷貝圖像和在觀片燈上讀硬拷貝X線片 。讀片結果表明，兩組讀硬拷貝膠片都比讀軟拷貝圖像更準確。但這種差別并不嚴重影 響臨床診斷。該院認為在高分辨率診斷工作站上讀軟拷貝圖像可用于急診室的初步診斷 。 盡管CR一般可以被接受，但是并不能完全代替 X線膠片，因為 X線膠片具有更高的精度。在某些條件下，要求采用4k×4k（1k=1024）圖像，以保證診斷 信息不丟失。目前2k×2k的圖像分辨力即便是用于初步診斷，也存在一些問題。例如，在 觀察氣胸和肺間質異?；蚬趋赖募毼⒘鸭y時，需要分辨率為4K×4K×12 bit的數(shù)字監(jiān)視器；對于乳房腫瘤測定是不夠的，在乳房膠片上發(fā)現(xiàn)微鈣化灶簇或對比度 低的乳腺腫瘤則要求高達6K×6K×12 bit的數(shù)字顯示點陣。而這是目前任何一種監(jiān)視器都達不到的。 目前，國內PACS和遠程醫(yī)療系統(tǒng)集成商對數(shù)字化醫(yī)學圖像質量的臨床要求了解不夠，普 遍采用普通的、非X線專業(yè)用的平板掃描儀掃讀X線片，在沒有任何技術措施的情況下， 用微機監(jiān)視器讀醫(yī)學影像（一般分辨率為800X600，最高1280X1024），并以此作為疾病 診斷的依據(jù)，顯然是不負責任的。 數(shù)字化醫(yī)學圖象的質量評估應引起足夠的重視。工作站的顯示器集片盒、相機、洗片機 和觀片燈諸功能于一身。因此，它的分辨率、對比度、亮度、噪聲及失真等的性能好壞 直接影響著最終診斷結果。 傳統(tǒng)醫(yī)學圖像診斷是在"熒光屏--膠片-- 燈箱"組合模式下進行的。計算機技術為醫(yī)學圖像的觀察提供了"數(shù)字圖像信息-- 監(jiān)視器"或"膠片--數(shù)字化儀-- 監(jiān)視器"組合模式，極大地方便和加速了醫(yī)學圖像資源的形成、周轉和調閱。計算機軟硬 件技術和多媒體技術的發(fā)展為醫(yī)學圖像的顯示提供了多種圖像監(jiān)視器和圖像工作站，例 如高速高分辨率醫(yī)學圖形工作站，其分辨率為2.5k×2.5k，亮度大于100FL（普通顯示器 為50－60）幾乎可瞬時顯示整幅圖像。對于大部分的醫(yī)學圖象來說，基本滿足診斷的要 求。 空間分辨率和灰度量化級的提高將使圖像數(shù)據(jù)量急劇增加，對于PACS來說，這意味著存 儲容量和圖像傳送所需時間的增加。盡管高壓縮比的圖像壓縮算法可以緩解傳送速度和 數(shù)據(jù)存儲的限制。但這種處理使圖像質量下降，將影響診斷的結果。在醫(yī)學圖象信息系 統(tǒng)中，應盡量采用低壓縮比的無失真壓縮。 醫(yī)學圖像顯示技術除了完成膠片模擬圖像和各種模式的數(shù)字圖像等軟拷貝顯示任務之外 ，還要承擔圖像后處理的任務。例如壓縮與解壓、窗口（Window）／層位（Level）的選 擇和控制、變焦(Zoom)、全景(Pan)，直至三維圖像的重構等，而且使用簡便、快捷，為 臨床醫(yī)生準確診斷提供了有效的工具。 四、醫(yī)學圖象信息系統(tǒng)的瓶頸在于圖象的傳輸 由于醫(yī)學圖象的精度高和數(shù)據(jù)量大，給醫(yī)學圖象通信和存儲帶來了很大的困難，圖象通 信成為醫(yī)學圖象信息系統(tǒng)的瓶頸。 圖像通信是 PACS中重要的組成環(huán)節(jié)之一。同 PACS其他環(huán)節(jié)相比，它能更廣泛地從醫(yī)學以外的技術(特別是計算機網絡和現(xiàn)代通信技術 )發(fā)展成果中得到啟示和支持，有時則直接引用了這些先進的成果。 醫(yī)院內一般利用計算機局域網 (LAN)來實現(xiàn)醫(yī)學圖像和病案等軟拷貝的傳輸，而遠程醫(yī)療中則通過廣域網（WAN）或 INTERNET來進行通訊。網絡環(huán)境的好壞，將影響醫(yī)學圖象的傳輸速度，傳輸速度快，圖 象的顯示也快。通常臨床醫(yī)生希望在幾秒鐘內看到圖象，對于一些歷史的圖象則允許較 長時間（2－3分鐘）。 數(shù)字圖象在許多方面比膠片圖像優(yōu)越。圖像的數(shù)據(jù)獲取不需要做膠片，既節(jié)省了時間， 又節(jié)約了材料。 PACS采用數(shù)字存儲，通過硬盤存儲、光盤存儲和磁帶存儲，無論在存儲空間，還是在存 取和傳遞速度方面都比膠片要強得多。在緊急搶救的情況下，急救室和放射科聯(lián)網，一 旦拍攝完畢，醫(yī)生就可以在工作站上看到病人的數(shù)字圖象，并進行診斷，而傳統(tǒng)的膠片 系統(tǒng)是無法實現(xiàn)的。傳統(tǒng)的膠片系統(tǒng)需要人工查找、存放和傳遞，容易造成膠片的錯放 和丟失。在PACS中，存檔的圖像通過計算機程序迅速存放，從而避免了圖象的錯放和丟 失問題。PACS可以按病人的有關信息，把同一類相關圖像，如在某一時期所做的一組CT 圖像，組織起來，提高了圖象資料管理的效率。此外，利用存檔的圖像，不僅可以供臨 床醫(yī)生查詢病人的有關數(shù)據(jù)、數(shù)字圖象和放射醫(yī)生的診斷報告，而且可以使不在現(xiàn)場的 醫(yī)生也能得到各種資料，進行會診。PACS使當前檢查、過去檢查以及有關報告同時顯示 ，使醫(yī)生對病人的病史有一個綜合的了解，使醫(yī)生可以加快采取措施。 醫(yī)院局域網絡將ICU、CCU及各科室圖像終端或圖像工作站聯(lián)在一起，即可實現(xiàn)圖像、病 案等軟拷貝，在較短的時間內，得到病人的各種資料。目前醫(yī)院局域網的主干網大部分 采用100M以太網，而工作站上采用10M以太網接口，工作站上的數(shù)據(jù)有效傳輸速率為1－ 3MB/秒。傳輸一張8M的X光片需要3－8秒，傳輸CT（40M）片需14－40秒。如采用ATM技術 （主干155M或622M，工作站25M），傳輸速度將明顯提高。但是，目前國內醫(yī)院局域網的 水平遠遠落后于國外，醫(yī)學圖象的傳輸將成為PACS的瓶頸。 圖像遠程傳輸則可利用公共電話交換網、衛(wèi)星通信或INTERNET廣域網來實現(xiàn)。而目前我 國遠程醫(yī)療的主要通信手段是通過傳輸速率為33.6K/秒的電話線來實現(xiàn)。由于傳輸?shù)乃?率較低，傳輸?shù)臅r間比較長。傳輸一張8M的X光片約1小時，這么長的時間確實是很難接 受的。因此，在我國醫(yī)學圖象的遠程通信還是有問題的，如何使醫(yī)學圖象進入寬帶通信 是遠程醫(yī)療走向實用的關鍵。 五、投資評估是醫(yī)學圖象信息系統(tǒng)推廣應用的關鍵 與西方發(fā)達國家相比，中國的經濟發(fā)展水平比較低，醫(yī)院的經濟承受能力一般較弱。在 目前的經濟情況下，絕大多數(shù)醫(yī)院負擔不起PACS的昂貴價格。X射線膠片的圖像數(shù)字化儀 、CR系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、圖象服務器、圖象工作站和PACS軟件等都是相當昂貴的，在實施 PACS項目前，應進行投資回報評估和財務論證。經可行性調研后，再確定PACS系統(tǒng)的配 置，并論證來自集成商的方案，方可實施。由于醫(yī)院PACS系統(tǒng)才起步，究竟PACS會給醫(yī) 院帶來多少效益是難以確定和定量分析的，所以對PACS的投資和效益的評估是比較困難 的，但也是必須的。 PACS效益如下： 1.在目前的情況下，醫(yī)院實現(xiàn)無膠片化是不現(xiàn)實的，但實現(xiàn)管理無膠片化是可行的。將 傳統(tǒng)工作模式下，醫(yī)院留底保存的影像存儲在硬盤中，減少膠片費用，降低了影像科室 的經營成本...
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