PACS系统和DICOM标准.ppt

PACS系统和DICOM标准,一、PACS系统概述,PACS：Picture Archiving and Communications System(医疗图像管理与通信系统)存放和传输图像的设备 由图像信息的获取、传输与存档和处理等部分组成,（一）PACS的历史回顾,1970 年代开始有了 Digital Radiography 这个名词。CT、超声波与核医学等数字医疗影像模式在1970 代问世。1980 年代出现了核磁共振(MRI)、CR 和数字减影(DSA)。1980 大家有了 Digital Image Communication and Display(数字影像传输与显示)这个概念。1982 年开了第一届国际 PACS 研讨会。,1983 年美国陆军开始了一个 teleradiology（远程放射诊断系统）项目。1985 年美国陆军开研制功 DIN-PACS。1985 年华盛顿大学西雅图分校 University of Washington(Seattle,WA)和Georgetown 大学(Washington DC)开始 PACS 研究。1995 年第一代商业 PACS 产品问世,DICOM 3.0 标准在1993 年定形，为PACS的商业化奠定基础。PACS 分两类：放射科 PACS：通常指放射科 CR/DR，CT，MR 和 普通超声波用的。专科 mini PACS：超声心脏科、心导管影像、ECT 和 PET,（二）PACS的基本原理与结构,PACS是以计算机为中心，由图像信息的获取、传输与存档和处理等部分组成。,（1)图像信息的获取：CT、MRI、DSA、CR及ECT等数字化图像信息可直接输入。X线等非数字化图像需经信号转换器转换成数字化图像信息才能输入。,(2)图像信息的传输方法公用电话线 光导通信 微波通信(3)图像信息的储存与压缩 储存可用磁带、磁盘、光盘和各种记忆卡片 压缩方法多用间值与哈佛曼符号压缩法，影像信息压缩1/51/10，仍可保持原有图像质量,(4)图像信息的处理 计算机的容量、处理速度和可接终端的数目决定着PACS的大小和整体功能。软件则关系到检索能力、编辑和图像再处理的功能 检索：输入图像信息时要同时准确输入病历号和姓名等，便于检索时使用。编辑：删去无意义的图像，以避免不必要的存储，并把文字说明与相应的图像信息一并存入。再处理：包括图像编组，对兴趣区作图像放大，窗位与窗宽。,PACS示意图,（三）PACS 的主要功能和应用,用图像服务计算机来管理和保存图像 医生用影像工作站来看片 用 DICOM 3.0 将医院各科室临床主治医师、放射科医师和专科医师以及各种影像、医嘱和诊断报告联成一网。用 Web、email 等现代电子通讯方式来做远程诊断和专家会诊 用专业二维、三维分析软件辅助诊断 用专业医疗影像诊断报告软件,二、PACS 影像模式支持技术的发展,医疗诊断影像模式 的多样性促使mini PACS 诞生灰阶影像：CR/DR、CT 和 MR 超声波心脏超声波、心导管影像、核医学和正电子扫描(PET)例如：西门子 专为心脏和功能影像(functional imaging)设计的mini PACS,促使对 PACS设计进行大改革的几个因素：PACS 本身是一个很大的投资，买了 PACS 以后还要加几套 mini PACS 代价太高 混合模式影像，如 PET-CT 和 SPECT-CT 已经进入临床应用 功能性影像(functional imaging)和分子影像(molecular imaging)变得越来越重要。,超声波图像不全是灰阶的，也有伪色2D和彩色多普勒。心脏超声波和心导管影像是动态的。核医学图像的显示和处理方式与CT、MR和CR很不一样，往往还要用到一些量化计算机辅助诊断功能，有时还要处理原始数据。PET 图像与核医学一样有些很特殊的显示和处理方式 在DICOM 3.0 里 CT、MR 和 CR 图像结构最简单，其次是 PET和超声波。核医学图像最复杂。但是数据库和服务器软件是为CT、MR、CR/DR 等图像设计的，使用起来往往有各种各样的问题。,一种趋势：就是在专科 mini PACS 基础上开发放射科和全院性 PACS 系统。不足部分捆绑第三家技术。,三、PACS 图像传输技术的发展,1、DICOM 与图像传输技术 DICOM：Digital Imaging and Communications in Medicine 的缩写。1993 年，美国 ACR（American College of Radiology)和NEMA（National Electrical Manufacturers Association）指定的图像传输标准。,PACS 本身并不产生图像，图像必须从影像设备(Modality Scanner)传过来。在没有 DICOM 3.0 之前，厂家用自己的图档格式和传输协议来将图像从影像设备(Modality Scanner)传到影像工作站或 mini PACS。飞利浦和西门子定义了 SPI 格式 超声波 ACR-NEMA 2.0 和 QuickTime 混合格式。核医学图像交换的标准格式 Interfile 3.3。结果：即使知道厂家的图像文件格式，要从他们的机器里取出文件来也是很难的。,1990 年代中，大部分的中、高档医疗影像设备都有 DICOM 3.0 功能让用户选购。不少厂商开始将一些基本 DICOM 功能，如 DICOM Store 和 DICOM Print,变成了影像设备的标准配置。厂商DICOM 3.0 的图像传输和内容趋于完整和正确，兼容性大有进步。原来 DICOM 3.0 图像的老大难核医学和超声波已经不再是个大问题 传输图像趋于自动化，免去了许多手工选择图像后再送的步骤。,常规X-光图像显示在化学胶片上，不是一种数字型影像、上不了 PACS。数字化的解决方案包括：给现有常规 X-光设备配 CR。淘汰现有 X-光设备，换成 DR。配胶片扫描机。,2、DICOM3标准的内容涵盖医学数字图像的采集、归档、通信、显示及查询等所有信息交换的协议；定义了一套包含各种类型的医学诊断图像及其相关的分析、报告等信息的对象集；定义了用于信息传递、交换的服务类与命令集，以及消息的标准响应；详述了唯一标识各类信息对象的技术；提供了应用干网络环境（OSI或TCP/IP）的服务支持。,DICOM标准的组成部分 目前DICOM标准（指DICOM3.0）由十四部分组成。介绍与概览遵循声明信息对象定义服务类细则数据结构与编码数据字典,消息交换对信息交换的网络通讯支持对信息交换的点对点通讯支持已经废弃介质交换的介质存储要求及文件格式规范介质存储应用程序规格介质交换的介质格式及物理介质要求打印管理及点对点通讯支持灰度图像显示功能标准,DICOM标准还在不断地更新，目前已有14部分及许多补充部分。,DICOM组成部分图,四、PACS 图像管理和归档的技术,图像从影像设备(Modality Scanner)传到 PACS 服务器有几个目的:供医生影像工作站调用分发给临床主治医师和会诊专家当成病历的一部分归档长期保存以备后用近年PACS 图像管理和归档的技术发展主要体现在下列几方面：内部存储格式标准化为 DICOM 3.0采纳标准压缩算法来压缩图像文件。三级储存模式(在线、近线和离线)已经转变成两级(在线和备份),存储格式标准化为 DICOM 3.0所有欧美先进 PACS 厂家都用正式 DICOM 3.0文件格式来储存图像 用 DICOM 3.0 文件格式可以随时加影像模式、加减和更改图像文件的内容 图像压缩方面采用 DICOM 支持的标准压缩算法，如 JPEG、JPEG Lossless、JPEG 2000、JPEG-LS 和 Deflate 等。,在线和备份两级储存 在线用的是硬盘，用 RAID(冗余存储磁盘阵列)加NAS(Network Attached Storage)或 SAN(Storage Area Network)。RAID技术：是Redundant Array of Inexpensive Disks的缩写。磁盘阵列中针对不同的应用使用的不同技术，称为RAID 等级。,RAID 0：RAID 0是把所有的硬盘并联起来成为一个大的硬盘组。没有冗余能力。,RAID 1是硬盘镜像备份操作。由两个硬盘所组成。其中一个是主硬盘而另外一个是镜像硬盘。容量效率非常的低，很高的冗余能力。,RAID 3在安全方面以奇偶校验（parity check）做错误校正及检测，只需要一个额外的校检磁盘（paritydisk）。,RAID 5一种具容错能力的RAID 操作方式，容错信息是平均的分布到所有硬盘上。当阵列中有一个硬盘失效，磁盘阵列可以从其他的几个硬盘的对应数据中算出已掉失的数据。其总容量为(N-1)x最低容量硬盘的容量。,各类RAID比较,NASNAS的概念：网络存储服务器NAS（Network Attached Storage）。为提供一套安全，稳固的文件和数据保存，容易使用和管理而设计，其定义为特殊的独立的专用数据存储服务器，内嵌系统软件，可以提供各种环境下的文件共享。把文件存放在同一个服务器里让不同的电脑用户共享和集合网络里不同种类的电脑正是NAS网络存储的主要功能。,NAS拓扑结构图,NAS是功能单一的精简型电脑，因此在架构上不像个人电脑那么复杂，像键盘、鼠标、荧幕、音效卡、喇叭、扩充漕、各式连接口等都不需要；因此在外观上就像家电产品，只需电源与简单的控制钮.选择NAS设备:网络接口(双)、CPU、内存、存储容量、操作系统（WSS 2003、Linux）,SANSAN的概念SAN（Storage Area Network，存储区域网），被定义为一个共用的高速专用存储网络，存储设备集中在服务器的后端，因此SAN是专用的高速光纤网络。SAN拥有一套专用的网络作为连接存储设备、备份设备和服务器之用。这个网络以光纤交换机为中心。SAN的优势：高数据传输速度、加强存储管理、加强备份/还原能力的可用性、同种服务器的整合,SAN的网络拓扑描述,系统解决方案之一,系统解决方案之二,DICOM标准的历史,第1个版本ACRNEMA Version 1.0于1985年发布；第2个版本ACRNEMA Version 2.0于1988年发布；第3个版本DICOM 3.0是ACRNEMA的扩展，它由ACRNEMA的联合委员会制订，世界上其他一些标准化组织也参予制订。,DICOM标准的目的,标准不仅支持医学放射图像，实际上面向所有医学图像，并涉及HIS/RIS的行政管理和其他实验数据。该标准是医学信息领域的重要标准。制定DICOM标准的主要目的是促进不同医学成像设备间的互操作性。,DICOM 标准的内容,符合DICOM标准的仪器所必须遵循的一套协议；利用上述协议能在仪器设备间交换的命令以及相关的信息的语法和语义；一台符合标准的设备必须提供的信息。,DICOM标准并未给出对于要求符合标准的设备实现标准中任何特性的细节物体，也没有规定对一个由许多符合DICOM标准的设备一起实现的系统所期望达到的整体特效和功能，更没有给出用来评价仪器是否符合DICOM标准所需的测试/确认方法。,ACR-NEMA 300标准的历史,美国放射设备的用户美国放射协会（ACR）和设备制造商有关组织电气制造商协会（NEMA）于1983年联合成立了一个联合委员会，开发数字成像与通信标准ACR-NEMA 300。联合委员会于1985年、1988年先后推出了ACR-NEMA 30085，ACR-NEMA 30088两个版本（俗称ACR-NEMA 1.0和ACR-NEMA 2.0，统称ACR-NEMA），并于1993年推出NEMA PS3医学数字成像与通信（DICOM）标准，简称DICOM 3.0。,ACR-NEMA 300的宗旨,促进数字图像信息间的通信，而不论提供这些信息的设备由何厂制造，也不论信息以何种数据格式表达；便于进一步开发和扩展PACS，使其与医院中其他信息系统连接；建立一个诊断信息数据库，让发布在各地的各种设备访问共享。,ACR-NEMA标准规定的内容,硬件接口，包括物理层的电气规范、信号的电气特性、插座插脚定义、插座机械尺寸、信号定时规范；最少软件命令组；成像设备与网络接口单元（NIU）间或两成像设备间通信的统一的数据格式集。,ACR-NEMA的分层模型,应用层表示层会话层传输/网络层数据链路层物理层,物理层,本层包括硬件规格、接口访问与字交换协议，它定义了相互关连的信号时序，使数据能经由接口传输。数据链路层通过本层发送数据，进行流量控制与错误检测。,数据链路层,它的功能是把来自传输/网络层的数据加上控制字组装成帧，通过物理层发送出去。在从网络层接收数据时应去掉帧控制字，检查传输错误，并将数据送到传输/网络层。帧内第1个字为帧描述符字，最后一个字是帧校验序列。,帧结构,传输/网络层,本层的功能是将来自上一层的报文分成每块不超过2048字的数据块，随后在加上分组（包）序列号与描述头后进行分组，再传送给下一层数据链路层。在接收数据时，则将来自数据链路层的分组重组成报文后发送至上层（会话层）。如果某一装置欲利用这一接口通过外部网络进行连接，则需要明白地知道源地址与目的地址，这些地址参数是在建立通道时由会话层提供的。地址信息必须与虚拟通道号一起给出，并予存储，以支持虚拟通道的服务。所以要规定块序列号，是为了保证报文中的数据块能准确地重组。,它从分组描述符字开始。分组描述符字包括通道号、分组类型和服务类字段。第2个字是所需的数据块序列号，包括15位二进制数与表示最后一个数据块的标准位（1位）。第3个字是报文数据块，其长度在0到2048字之间。每一分组有一个8位的通道号。在传输/网络层功能中有一个保留通道“0”通道。它专门用来提供两个端端应用进程中处理ACR-NEMA报文的连接，以避免多通道的服务。“0”通道及其提供的连接在系统启动或两个端端进程工作后即被建立。,会话层,会话层定义了用来建立与断开同其他装置的应用程序作端端连接的协议。上面所述的各层协议提供了通向物理接口、完成帧差错控制以及经由规定的接口平面建立虚拟通道的约定。由于使用这一接口的装置可能担负着多个任务，并涉及外部网络，故需要一个协议，以便利用虚拟通道建立端端的报文连接。,表示层和应用层,这是ACR-NEMA标准体系中最高的两层，ACR-NEMA标准通过报文格式来描述它们。表示层的功能是建立报文（完成建组并加以组合），把通过应用层程序进入设备的数据按ACR-NEMA标准重新组织成组和元素。ACR-NEMA标准还提供一些命令来调用某些操作，后者只在与另一设备连接情况下才行。表示层与应用层中的报文在进入会话层后，加上“目的地连接请求”后传送到传输/网络层。在传输/网络层中报文被分割成02048字的数据块，加上数据描述符字和块序列号成为分组，并传送到数据链路层，再加上帧描述符字和帧校验序列，组成一帧，然后经由物理层的电缆通过接口发送出去。,报文的发送与接收,典型报文举例,组的识别号,0000H的作用,各“组”中数据元素号0000H为第1个数据元素，它的值是一个二进制数，表示从它自己值的字段结束至下一组开头的字节数。所有各“组”不管是标准组、阴影组、用户组或特定制造商组，都必须有这个元素。,报文的命令,正常处理命令：SEND、GET、MOVE、FIND和DIALOG异常命令：CANCEL证实命令：ECHO,SEND命令由CAT1发图像至ACH1,GET命令WKS2从ACH1请求一幅图像,MOVE命令WKS1请求从ACH2发图像至PNT3,（0000，0800）对应的数据类型,IMAGE=0000GRAPHICS=0002TEXT=0003OTHER=0100NULL=0101IDENTIFIER=0102,（0000，0100）对应的数据类型,SEND-REQUEST=0001SEND-RESPONSE=8001GET-REQUEST=0010GET-RESPONSE=8010,用C+实现DICOMSOCKET类Open Accept Listen ReadBinary SendBinary Close目前国际上，DICOM标准已成为医学图像通讯界的工业标准。而我国目前在医学影像设备和PACS的发展上，往往忽视标准化问题。为解决这一问题，已有一些公司借鉴了国外在实现DICOM上的一些经验，独立对DICOM作了多方面工作，已取得初步成果。其中之一就是利用C+实现了平台独立的基于TCP/IP的DICOM标准。,完成DIMSE服务实现了DICOM消息交换网络支持后，就应该完成更高层次的DICOM支持，这就是DIMSE服务。DIMSE服务包括DIMSE-C服务和DIMSE-N服务。DIMSE-C服务允许一个DICOM应用实体要求另一DICOM应用实体对复合信息对象进行操作。DIMSE-N服务仅用于一个DICOM应用实体通知另一DICOM实体某种事件的发生。,SOP类与信息对象定义是结合在一起的，但它是通过DIMSE服务来进行操作的。操作是主要由DICOM第四部分定义的，而信息对象定义是由DICOM第三部分定义的。实现DIMSE服务关键是按DICOM的层次结构实现操作与信息对象定义的分离。这是通过实现抽象类来实现的。这些抽象类包括AbstractStorage（抽象储存类），AbstractQuery（抽象询问类），AbstractRetrieve（抽象恢复类）。这些抽象类可以被继承生成特定的SOP类。这样做可以减少代码重复从而减少错误发生并且易于增加新的IOD从而扩展适用范围。而抽象SOP类是由DICOM定义的DIMSE-C服务类抽象定义的。,完成信息对象定义DICOM的信息对象定义是由模块组成的，每个模块是一个由一系列属性组成的数据结构。这样定义信息对象有利于DICOM应用范围的扩展。例如，要在DICOM中增加适用于牙科的信息对象定义，没有必要再重新定义病人对象（Patient Object）、研究对象（Study Object）和系列对象（Series Object），只需要定义那些DICOM中未定义的牙科图像特有的属性。根据DICOM构成信息对象定义的方式，将每个组成模块定义为一个基类，由分别继承相应基类的方式就可以组成信息对象。,完成信息对象定义我们利用面向对象的方法，分三个层次实现了DICOM标准。这三个层次是紧密相连的，上一个层次需要继承下一个层次的类或调用下一个层次的函数，下一个层次返回数据给上一个层次。在实现过程中，采用了各种方法来保证代码的平台独立性，如封装了BSD套接字及一些操作系统敏感的函数。由于采用了层次实现方法，使得系统更易于扩展，既在每个层次上都可以建立自己的高层次应用。例如，可根据具体情况，基于第一层建立自己的DIMSE服务；在各个层次的实现中也注意到使代码容易扩展，如第二层建立的抽象服务类等。,数据集（Data Set）与对这个数据集的操作（即命令）组成了消息（Message），消息是影像设备之间相互交换的信息。消息的组成单位是数据元素（Data Element），其按照逻辑关系分成不同的组，由相应的组号标识。同一组内不同的元素具有不同的元素号，组号与元素号构成了数据元素的标签（Tag）。Tag后面是类型表示（value representation，简称VR），这是一个可选的域，是否出现由传输语法决定。其后是数据元素的长度与值。例如，病人的姓名就表示为表3-2（十六进制数）。例如：组号元素号长度值00100010000E000012字节4A6F 686E 736F 6E5D 526F 6265 7274表示患者姓名：（Johnson-Robert）,DICOM格式转换软件的设计 与实现DICOM数据格式,DICOM格式转换软件中有以下几个值得注意的问题：字节顺序（byte ordering）字节顺序同样有传输语法决定。不同的计算机系统有以下两种字节顺序：A、Little Endian:低位地址低位字节顺序；B、Bit Endian:低位地址高位字节顺序。DICOM格式转换软件的输入/输出流模块应该能正确地进行字节交换。嵌套数据集（nested data set）嵌套数据集中数据元素的值又是由零个或多个数据元素构成的。这样的数据集称为条目（item），往往用于重复的简单数据集，或者构成复杂IOD的folder。条目的VR（类型表示）为SQ（sequence of items）。如果条目中的数据元素的VR也是SQ，则构成了递归嵌套。,压缩图像数据（encapsulated pixel data）图像数据可以是非压缩的（native format），也可以是压缩的（encapsulated format）。图像的编码方式也是由传输语法规定的。DICOM目前支持两种压缩方式：A、JPEG压缩，包括基于离散余弦变换（DCT）的有损（lossy）压缩和基于差分脉冲编码调制的无损（lossless）压缩。B、游程编码（RLE lossless）。光度表示（photometric interpretation）光度表示规定了图像的显示特性，常见的值有：A、MONOCHROME1：灰度图像，象素最小值显示为白色；B、MONOCHROME2：灰度图像，象素最小值显示为黑色；C、RGB：RGB彩色图像；D、HSV：HSV彩色图像；E、PALLETE COLOR：使用调色板的彩色图像。此外还有ARGB、CMYK、YBRFULL等。格式转换软件在输出图像数据时，必须根据光度表示进行调整。,Windows（95/98/NT）操作系统，Visual C+开发环境，因为其支持面向对象编程。整个设计的核心是一组对DICOM数据集进行编码与解码的C+类，它们完成了主要的工作。为了进一步方便使用，将这些核心类封装在一组应用程序编程接口（Application Programming Inter-face，简称API）之内，最终的DICOM API以动态连接库（DLL）的形式提供，可供Windows平台的各种开发系统使用。加入DICOM API这一中间层在很大程度上简化了访问DICOM数据的方法，因为应用程序开发者无须了解DICOM标准的细节，而可以将主要精力集中在较高层次的设计上。,软件结构,核心类根据DICOM数据元素编码/解码的流程，设计了以下的C+类来完成从DICOM数据元素到输入/输出流的转换。其中Ccodec类提供了一个可扩展的压缩/解压缩模块接口，使得新的压缩算法可以很容易地加入，而无须对其余部分作修改。APIAPI是通过调用核心类实现的，因此具有很大的灵活性，可以根据具体的需求进行定制。这里采用Windows标准DLL形式，以方便各种编程语言调用。,软件实现,视频捕捉由于大多数视频捕捉设备都符合Video for Windows（VFW）标准，所以这里通过VFW接口实现视频捕捉。先将视频（单帧、多帧和连续）图像存为AVI，再通过核心类将AVI文件转换 成为DICOM格式。扫描图像通过TWAIN API获取扫描图像，然后转换成DICOM格 式。(5)实现DICOM应注意的问题 由于DICOM是新兴的且不断发展的，在实现DICOM的过程中会遇到许多问题，在这里我们讨论两个常见的对DICOM概念理解的错误。,软件实现,应用名称错（Application Name）人们易犯的错误是同一DICOM应用程序在网络上两个不同节点上运行时使用同一应用名称，认为应用名称是程序的一部分。这显然是不正确的。DICOM标准中是这样定义应用名称的：DICOM应用名称在网络上唯一标志一个服务或应用。况且C-MOVE服务的一个参数就是移动的目的地的应用名称。如果在一个网络上有两个应用名称，C-MOVE将不知道将信息对象移动到何处。查询格式错 DICOM标准定义了基于三个信息模型的层次查询方法。如果要在某一个层次进行查询，必须提供这个层次以上所有层次的唯一关键字。只给出往上一层的唯一关键字是不正确的。另外，在某一层次进行查询只能查询该层次的属性，不能查询低层次的属性。,