一个miniPACS的设计与实现

一 个 miniPACS的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与实现 王中锋 徐 明 【长沙国防科技大学井行与分弗处理国家科拄重电实验室 长沙 41(1073) 摘 要 医学图像归档厦通信系统(PACS)的设计与宾现是医学图豫处理及传输领域的研究热点。本文分析和探讨了如何基于 一 衷医院的Cq"科室的现有设备(比如Cq"、MR等)来设计和实现一个小型PACS(RfiniPACS)。这里，我1f：结台自厅开发的图像归挡服 务器，采用匡学数字成像厦暹信 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ——DIcOm ．O作为底层互操作平台，构建了这个 miniPACS，并且实现了图像归挡、图像壹询催 取、匿像打印以厦图像曲后处理等功能= 关键词 小型图像归档及通信系统 医学数字成像厦通信标准 DESlGN AND n皿．I 皿 TATIt)N 0F A miniPACS Wang Zhongfeng Xu Ming ( f 衄Pam!l~l＆砒c融“ Proa'~iug，岫如m 蚵 町 o／ Tedmdog7，口，I r n410073) Abnract The design andimplementation of PACSis one ofthe hot subjectsinthefield of n：edlcaIiITm ng Inthis paper we discuss howto de— sign and implemem a【rIjI ACS based∞ n：edical modalitles，such as CT，MR etc，in CT section of a hospitn1．Here，we meet wIth suc∞ss in LlsiIIg DICOM iⅢ。 archlvlng 5ener developed by ourselves to build this miniPACS，wIfich enables the medical ir‘ to be archived，queried，ret~eved， aad pin,ted by n：edic~ lase primer． Keywords Minimal p|dL amhiviag and c【Ⅻ| c 帆 ~stem Di tal irn ng and eommtmiatlons in n：ediehae 3 0 1 引 言 1．1 PACS简介 PACS(Pic[1~e Archiving and Comnamicafion~-stem． 医学图像存档及通信系统)是近年来随着数字成像技 术、计算机技术和网络技术的进步而迅速发展起来的、 旨在全面解决医学图像的提取、显示、存储、传送和管 理的综合系统⋯ 在现代化的医院里，图像在疾病诊断中占非常重 要的位置。过去，这些图像主要是各种 x线胶片 为 了提高胶片的利用价值，放射科建立各自的片库来存 储数量庞大的胶片，亦即所谓的“归档”或“存档”，即对 胶片的手工管理。上述管理方式的缺陷非常明显。首 先，它的效率低下，检索速度慢。其次，异地医生同时 观察一幅图像的愿望不可能实现。第三，硬拷贝胶片 的窗宽／窗位不能调节。第四，为了解决胶片变质和丢 失的问题，医院必须花费大量的人力、物力来维护这些 胶片，再加上胶片本身的成本，一个中型医院每年需要 投人十几万元，并且随着胶片数量的增加，维护费用也 会增加，这个问题对于大型医院显得更为重要。同时， 继 CT之后，近十几年来又相继出现了 MRI、正电子发 射型 CT、单光子发射型CT和 DSA等新的医学成像设 备，使医学图像的数量巨增，用上述方式管理图像显然 不适应需求，为此推出了PAcs。 PACS的引入和建立是具有条件的大型医院向无 胶片化、现代化、信息化方向发展的必然选择。尽管图 像归档及通信系统已提出多年，真正可实现影像学信 息网络化的医院与地区尚不很多0 DICOM3 0作为 PACS的底层通信 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 是今后几年的发展趋势。但是， 目前，国内没有一家医院具备完整 PACS，并且对于 PACS的认识只是一些感性的，同时大多数医院对 PACS的发展与应用也是处于观望态势。但是我们可 以预见 PACS将成为国内医学图像处理与传输领域的 热点。同时，国外DICOM3．0的设备和产品层出不穷， 但是它们十分昂贵，限制了国内医院的PACS的发展。 1．2 PACS与 D【cOM3．0标准 DICOM3．0标准由美国放射学院(ACR)和国家电 器制造协会(NEMA)于 1993年联合制定的。它详细地 本文受国家自然科学基金资助{编号：60o730o2)。王中锋，硕士生 主研领域：PACS系统、DICOM标准。 · 13 · 维普资讯 http://www.cqvip.com 规定了传输医学图像及其相关信息的传输协议。虽然 DICOM3．0标准不是一个强制性的国际性标准，但是它 参考了现有的医学影像领域的其他标准，接受其他相 关的国际标准组织，比如 CEN TC251、J1RA、HL7、IEEE、 ANSI等的审核，同时各大医疗设备厂商，像 SIEMENS、 KODAK、PICKER、SONY、AGFA、GE等，纷纷表示将推出 支持该标准的医疗设备，另外放射学专家们也积投地 参与了标准的制定和审阅，实际上它已是一个广为接 受的全球性医学数字成像和通信标准。 D1COM3．0标准的制定 目的之一就是推动 PACS 的发展，为 PACS的发展提供了强有力的标准支持。 理论上讲，如果使用 DICOM3 0标准实现支持 DI． COM3 0标准的设备问的互连，只需对其进行简单的配 置就可以实现设备互连，并可直接与符合工业标准的 计算机网络相连接，实现高效率的图像传输。 就 PACS的实现而言，DICOM3．0可以作为小型 PACS或部分 PACS的通信标准。最简单的小型 iPACS 的例子就是 CT和 MKl设备的共享激光照相机系统 2 miniPACS的系统结构 借助湖南 家医院 CT和 MRI室的设备，我们基 于自己开发的图像归档服务器构建了一个小型 PACS。 针对医疗设备 自身功能以及试验目的，该小型 PACS 主要具备图像归档、图像查询、图像提取、图像的共享 打印以及辅助诊断等功能。这个 miniPACS的系统结 构 由图 1示 图 1 mirdPACS的系统结构 3 minilPACS的设计与实现 为了探索和研究 DICOM标准的实现机制，我们提 出了一种 DICOM网络通信模型 ，并且基于该模型， 开发了实验性的 DICOM图像归档服务器。同时，我们 借助湖南 家医院CT和 MRI室的设备，使用该图像 归档服务器，构建了一个 miniPAcs，分析了PACS构建 过程中的关键问题，积累了经验。针对这些医疗设备 自身功能，该 miniPACS主要具备图像的归档、图像查 询访问、图像提取以及图像的共享打印等功能。针对 PACS设计与实现中的几个关键问题 ，以下依次提出 每个问题的解决方案。 · l4 · 3．1设备配置 miniPACS的医疗设备包括一台 SIEMENS CT，一台 SIEMENS MRI，一台KODAK MLP一190的激光照相机， 一 台SGI的辅助诊断工作站以及我们自行开发的图像 归档服务器。其中设备自带的操作系统和应用软件如 下 ： ·CT／MRI的操作系统 SunOS，借助操作系统本身 的TCPIW侨议栈，来组建网络；自带的图像处理软件 是 SAMORIS PLUS4．0／NUMARIS PLUS 3．0，该软件支持 DICOM存储服务类 的 SCP／SCU，查询，提取服务类的 SCP／SCU以及基本打印管理元服务类的 SCU等，同时 该软件对 CT图像的管理采用数据库方式，把图像作 为大二进制对象直接存人数据库，具有短期存储能力， 起到一定的备份作用 这些服务类是实现 PACS系统 功能的底层功能支持。 · 辅助诊断工作站 SGI的操作系统是 IRXX6．0， 借助操作系统本身的 TCP／IP协议栈，来组建网络。它 的图像处理软件是 3Dvirtuoso R 2．5．2，由ISG公司开 发，与SIEMENS设备搭配销售。该软件同样支持 DI coM存储服务类的SCU[SC~，查询，提取服务类的SCU／ SCP以及基本打印管理元服务类的SCU等。其图像组 织形式类似于 SAMOT?,M PLUS 4．0，采用数据库直接 存储图像 · 图像归档服务器是我们 自行开发的 功能方面 除了支持上述 DICOM服务类之外，还具备强大的辅助 诊断功能，是 PACS图像归档服务器的实验性产品 它的操作系统是 Windows NT4 0，采用数据库和兀 机 制实现图像的归档和访问操作。 3．2网络拓扑的选择 由于该 miniPACS局限于 个科室范围内，这样就 大大降低了对物理网络的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 。网络拓扑选择简单的 星型结构，底层网络协议是以太网 1EEE802．3，中心节 点是一个交换式集线器，其他设备借助 自带的网卡的 RJ一45端口，通过五类双绞线进行互联 基于设备操 作系统的 TCP／IP协议，实现 PACS的系统功能。 3．3互操作平台的选择与实现 由于上述医疗设备的购买时间较晚，在一定程度 上，设备都支持 DICOM3．0标准。所以我们选用 DI COM作为互操作平台，这样既简化了 PACS构建，同时 保持了良好的可扩展性。 在构建 PACS时，一个重要环节就是采用何种方 式实现 D1COM3、0这个互操作平台。当医疗设备厂商 推出新型产品时，也要考虑以何种方式支持 DICOM标 准，使自己的产品成为DICOM产品。因为我们开发的 图像归档服务器支持 DICOM标准，所以实现图像归档 服务器的DICOM协议是构建该miniPACS的 个难点。 在这里，我们通过分析 DICOM协议结构模型及其 维普资讯 http://www.cqvip.com 运行机制，提出 一种 DICOM网络通信模型(见图2)。 ⋯ 一 DI~3M 月 * — — — — — — 一 — — 一 l 一 』 一 J．—瞄■●■■■固—r 一 ⋯ - ⋯ ， 一 l ， 1t⋯ 一 一 、 J l_一 1 1 皿霍回■田蕾薯田重瞳囝函墨■口 ⋯ l 一 一 — — 一 I ⋯ ● ■E ⋯ ⋯ ⋯ I 墨田■墨墨—由墨，—■■田雹—，r】 ^ 图 2 DICOM 网络通信模型 基于该网络通信模型，我们自行开发了符合 DICOM标 准的医学图像归档服务器。下面介绍该模型的设计思 想和实现原理。模型整体分为四层： 3．3．1 TCP Sock~层 DICOM上层协议以及应用实体均属于 DICOM应 用层，所以所有与 DICOM相关的信息都封装于TCP协 议数据单元(PDU)中进行传输。该层负责 TCP连接的 建立、释放、终止以及1℃P PDU的传送，接收等，为上层 协议层提供 TCP连接服务。当DICOM上层协}义实体 要建立一条关联时，上层协议实体向TCP服务器发送 TR．~NSPORT CONNECT请求原语。一旦收到 TCP传输 确认原语，表示建立连接成功。 实现时，采用操作系统提供的SOCKET机制，建立 IcP连接。 3、3、2 DICOM 上层协议 层 上层协议(ULP)是 DICOM为了实现自身功能而对 TCP／IP协议进行扩充性定义的应用层协议。DICOM 标准{ps3．8：支持消息交换的网络通信》给出了上层协 议状态机的定义以及上层协议 PDU的格式等。上层 协议为消息交换层提供上层服务，上层服务等同于 OSI的ACSE提供的关联管理服务和数据传输服务，包 括关联建立服务 A—ASSOCLg,TE、关联释放服务 A—RE— LEASE、异常终止服务 A．ABORT／A．p-AB()RT等，以及 数据传输服务 p-DATA。所谓关联，是指 DICOM上层 协议实体为完成某一功能，比如存储 CT图像，而协商 建立的一条 TCP连接，是 DICOM应用实体传输信息的 桥梁、进行互操作的纽带。建立关联是实现信息传递 的第一步，双方都是通过已建立的关联来交换所有信 息的。 3．3．3 DⅣSE消息交换层 该层使用上层服务，为 SCU／SCP层提供 DIMSE服 务。DICOM消息服务元素(DIMSE)提供操作(Opera rio．)和通知fNotification)两种眼务。其中，操作和告知 的区别在于SCU请求 SCP完成某一服务时使用操作； 当SCP的状态改变时，使用通知来告诉 SCU。DIMSE 通过在 SCU／SCP之间消息交换来完成特定的操作和 通知。DIMSE的消息包括请求消息和响应消息，分别 用于发送请求和返回执行结果。为 了完成某一操作， SCU发送该操作请求消息到 SCP，SCP接收请求消息 后，执行请求操作，然后把执行结果封装于响应消息 中．发送响应消息到 SCU，SCU根据响应消息中的状态 码判断此次操作的成败，至此该操作完成。为了传输 台成的信息对象定义(IOD)和规格的信息对象定义， DICOM定义了 DIMSE-C和 DIMSE—N两组操作和通知。 应用实体使用 DIMSE的操作和通知可以完成某一特 定的功能，比如 C—STORE操作可以完成某一合成 IOD 的存储等 3．3．4 SCU／SCP层 SCU作为客户，服务器服务模型中的客户负责构 建、发送请求消息，并接收来自SCP的响应消息；而作 为服务器的 SCP负责接收来自SCU的请求消息，执行 要求的操作或告知，根据执行的结果，构建响应消息并 发送到 SCU 3．4数据库的选择、结构设计以及FrP机制 根据 CT室每天产生的需要存储 的图像量，我们 选用 Microsoft soL Server7、0作为底层数据库支持。 Windows NT4．0对其提供强有力支持，同时它价格便 宜、良好的用户界面、维护简单、易于管理 ，可以很好地 运行低端应用。 对于数据库的结构设计，我们参照图像信息对象 定义(Image Information object Definition)的DICOM信息 模型，充分考虑了 DICOM格式的图像内容，决定按照 病人、诊断、序列、图像四层表格组织图像，其中一个病 人对应一个或者多个诊断，而一个诊断只能属于一个 病人；一个诊断可以对应一个或者多个序列，而一个序 列只能属于一个诊断；一个诊断可以包含一幅或者多 幅图像，而一幅图像只能属于一个序列。 在考虑图像象素数据的存放时，有两种方案：一是 作为一个类型为大二进制对象的字段直接放人数据 库；二是利用文件系统，存储真正的图像数据，而数据 库主要用来组织图像和维护图像的索引信息以及层次 关系。 下面定性地分析两种方案的优缺点： 对于第一种方案 把图像象素数据作为一个类型 为大二进制对象的字段直接放人数据库，这样可以充 分保证数据库的完整性，便于管理图像数据；利用数据 库提供的安全机制，防止非授权用户的使用和侵入，简 化了应用的设计。但是如果每天产生的图像数据量比 较大，数据库会急剧膨胀，造成数据库的维护困难，同 时稳定性不能得到保证；由于图像象素数据存于一个 (下转第 4l页) · 15 · 一 维普资讯 http://www.cqvip.com 宽或车道变更而自由移动位置，故对于经常变更道路 或自由移动检测位置的管理机构尤为适用。本系统具 有测量精度高、分型准确、结构简单、安装方便 、维修容 易、成本低、耗电少等优点，可广泛应用于交通调查、交 通管理、交通信号控制以及路、桥收费等系统，是一种 较理想的交通流量检测系统。 参 考 文 献 [1：段里仁，城市交通自动控制．中国人民大学出版社，1991． [2]T Oda，Y Ym md Y．Matshiywta．Real 6 Traffic sI opfimimti~ Control Neflaod in UrE．~m Ar酆s，7th IFACtIFORS SF叩 L O[1 Transporta- fion Syst~．1994，PP 969～973(~Si集J (上接第 15页) 大二进制字段，数据不便被共享和转移，并且一幅 512 ×512的 CT图像大小约 512K字节，如果直接进行查 询，速度相当慢 对于第二种方案 作为图像文件存于文件系统， 借助数据库管理文件的存放路径，具有访问灵活，便于 图像的共享和访问，同时可以借助兀P机制，来实现图 像文件的分布存储，可 在一定程度上缓解图像数据 量大带来的问题；因为数据库只是辅助管理，仅保存文 件的存放路径，数据量膨胀较慢，保证了数据库的稳定 性，同时加快了图像相关信息的查询速度；采用多线程 机制从 兀P服务器来提取图像文件，响应图像的转移 请求，可 得到较短的响应时间；但是由于文件系统本 身的不安全性，必须额外开发应用或者借助操作系统 的安全机制，如 Windows 1VF用户管理机制，来管理用 户的访问权限，保证系统的安全性。 在这里，我们采用数据库组织图像层次关系，F’rP 机制存储图像文件的方式来管理和存放图像 该方式 的优缺点前面已经有所叙述。对于该方式，具体实现 是在数据库中存放图像的层次关系和组织结构，以及 图像文件本身所在的 F’rP服务器地址和相对路径；同 时利用 F’rP服务器的方式来组织图像文件。在响应图 像访问时，首先通过数据库得到图像所在的 F’rP服务 器地址和存放的相对路径，然后以FIT'客户的身份下 载所需图像。对于图像存储或者归档，利用 FTP上载 到 F’rP服务器，把其返回的 F’rP服务器地址以及相对 路径，放人数据库的相应表格中。 3．5 miniPACS的系统功能 3．5．1图像的归档，具备短期的图像存储能力 图像归档服务器作为存储服务类的 scP，同时 CT 作为存储服务类的 SCU．利用 C．STORE服务，把图像 以及相关信息封装于 C．STORE．RQ请求消息中，发送 该消息到图像归档服务器，图像归档服务器把图像进 行归档，并返回 C．STORE．RP响应消息。辅助诊断工 作站也可以完成类似 CT的归档操作。 3．5．2图像的查询艉 取 CT和辅助诊断工作站可以使用 C．QUERY和 C． MOVE，查询和提取图像归档服务器的图像。图像归 档服务器作为查询／提取服务类 的SCP，同时 CT和诊 断工作站作为DICOM查询／提取服务类的SCU。CT和 辅助诊断工作站把查询／提取条件封装于 C—FIND—RQ／ C MOVE—RQ请求消息中，图像归档服务器受到该请求 消息后，根据其中包含的查询／提取条件，执行查询，提 取操 作，并返 回包含操 作结 果 的 C—QUERY RP／C． MOVE—RP响应消息 3 5．3共享打印机进行肢片打印 KODAK MLP一190激光照相机作为打印管理元服 务类的 SCP，提供胶片打印服务。cT、辅助诊断工作站 和图像归档服务器作为打印管理元服务类的 SCU，使 用 SCP提供的打印服务，完成胶片的打印工作。 3 5．4辅助诊断 图像归档服务器具有强大的图像处理能力，可以 作为一台辅助诊断工作站进行图像的后处理。 3．6运行结果 miniPACS成功构建后，图像归档服务器运行正 常，具备了 P3CS的基本功能，可以进行上述操作，如 图像归档、图像查询／提取、胶片打印等，起到了提高效 率、辅助诊断的作用，最重要的是它的运行成功验证了 DICOM网络通信模型的可行性与正确性．为后期构建 部分 PACS和完整的PACS积累了经验。 4 小 结 通过研究和分析 DICOM标准，我们开发了一个实 验性的图像归档服务器，并结合湖南某家医院 cT室 的条 件 构 建 了一 个 miniPACS。在 设 计 和 实 现 miniPACS过程中，掌握了构建 PACS的一些经验，同时 也加深了我们对 DICOM标准和 PACS的理饵，为下一 步的工作打下了坚实的基础 参 考 文 献 [1]赵喜平、郏崇勋、毛梧寿， PACS的发展趋势”．<中华放射学杂志)． 1998年第32卷第 1魍 ． [2]卫生部髟像装备专家组，“船届北美放射学会医学影像学设备发展 动态”，(中华放射学杂志)．1998年第32卷第3期． [3]王中锋、棘明．“DICOM网络通信模型的设计与宴现”，《计算机工程)． [4 王中锋、棕明．“PACS设计与实现中的几个关键问题 ．《计算机工程 与应用)． [5]D,0m】“ ng and c0 c Ⅻ in Medicine一99’8 FinalI)神．PS3 l 一 ． 8 · 4l · 维普资讯 http://www.cqvip.com