醫(yī)學(xué)圖象信息系統(tǒng)三要素
［醫(yī)學(xué)圖象信息系統(tǒng)三要素 　　　　　　　　　-－－-質(zhì)量 　速度 　投資評(píng)估］ 上海第二醫(yī)科大學(xué)附屬瑞金醫(yī)院計(jì)算機(jī)中心 姚志洪 索仲良 200025 摘要 醫(yī)學(xué)圖像信息系統(tǒng)（PACS）已成為醫(yī)院信息系統(tǒng)（HIS）和遠(yuǎn)程醫(yī)療不可缺少的重要組成 部分。醫(yī)學(xué)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(xué)圖象的質(zhì) 量是醫(yī)學(xué)圖象信息系統(tǒng)第一要素，圖象的傳輸是醫(yī)院信息網(wǎng)絡(luò)通信的瓶頸，而正確的投 資評(píng)估是推廣應(yīng)用PACS的關(guān)鍵。在HIS 的設(shè)計(jì)和實(shí)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(shè)計(jì)。 關(guān)鍵字 醫(yī)學(xué)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(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步醫(yī)學(xué)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(xué)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(xué)圖像的獲取、顯示、存貯、傳送和管理等問題 。雖然目前在國(guó)內(nèi)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(xué)圖象信息化的標(biāo)志。因而PACS一直是醫(yī)學(xué)圖象專家和臨床醫(yī)師所關(guān)心的熱點(diǎn)，而且已 引起醫(yī)療衛(wèi)生部門、醫(yī)學(xué)研究單位和計(jì)算機(jī)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(yuǎn)程醫(yī)療不可缺少的重要組成部分。 醫(yī)學(xué)圖像信息系統(tǒng)是利用人體內(nèi)不同器官和組織對(duì)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(xué)圖像技術(shù)。 它為對(duì)人體骨骼，內(nèi)臟器官疾病和損傷進(jìn)行診斷、定位提供了有效的手段。迄今為止， 醫(yī)學(xué)圖像成像和處理技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了整整一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展過程。在其前期的發(fā)展中，盡 管醫(yī)學(xué)圖像的分辨率、清晰度和診斷技術(shù)有了顯著的改進(jìn)和提高，多種新的醫(yī)學(xué)圖像成 像和造影術(shù)（例如核醫(yī)學(xué)的放射性元素示蹤造影、超聲波探查和內(nèi)窺鏡技術(shù)）相繼問世 ，但以膠片為主的醫(yī)學(xué)圖像采集、顯示、儲(chǔ)存和傳輸技術(shù)并無突破性進(jìn)展，在國(guó)內(nèi)醫(yī)院 中仍占主導(dǎo)地位。信息時(shí)代的到來，從根本上克服了傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)圖像系統(tǒng)中所成在的問題 ，開辟了醫(yī)學(xué)圖像信息系統(tǒng)發(fā)展的新里程。嶄新的醫(yī)學(xué)圖像成像技術(shù)和系統(tǒng)為醫(yī)學(xué)診斷 、臨床治療以及醫(yī)學(xué)研究提供了精確的醫(yī)學(xué)圖像信息,并進(jìn)而提高了醫(yī)學(xué)圖像資源的使用 價(jià)值和使用效率。醫(yī)學(xué)圖像信息數(shù)字化及其計(jì)算機(jī)處理技術(shù)從根本上改變了傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué) 圖像采集、顯示、存儲(chǔ)和傳輸?shù)哪Ｊ?，為逐步?shí)現(xiàn)膠片數(shù)字化，建立無膠片醫(yī)學(xué)圖像系 統(tǒng)創(chuàng)造了條件。一種以計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的醫(yī)學(xué)圖像存儲(chǔ)和通信系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而 生。 二．醫(yī)學(xué)圖象信息系統(tǒng)的定義和框架 到目前為止，醫(yī)學(xué)圖像信息系統(tǒng)尚無統(tǒng)一嚴(yán)格的定義, 但從其名稱來看是一種醫(yī)學(xué)圖像存儲(chǔ)和通信系統(tǒng)。它是將數(shù)字電子學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù) 和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像數(shù)字化、儲(chǔ)存和通信，使醫(yī)學(xué)圖像資源得到充分的利用。醫(yī) 學(xué)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(guó)家以至全世界各醫(yī)療 機(jī)構(gòu)可通過計(jì)算機(jī)局部網(wǎng)、電話網(wǎng)和Internet 等遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸醫(yī)學(xué)圖像信息。醫(yī)學(xué)圖像信息系統(tǒng)打破了時(shí)間上和地域上的限 制，使得各類醫(yī)護(hù)人員能為病人提供及時(shí)和高質(zhì)量的診斷、治療和護(hù)理。由于計(jì)算機(jī)軟 硬件技術(shù)、多媒體技術(shù)和通信技術(shù)的高速發(fā)展以及醫(yī)學(xué)社會(huì)需求的不斷增長(zhǎng)，醫(yī)學(xué)圖像 信息系統(tǒng)所包含的內(nèi)容和功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越PACS原來的含義。 1993年誕生了統(tǒng)一的醫(yī)學(xué)圖像及相關(guān)信息的格式及交換方法的標(biāo)準(zhǔn)DICOM 3.0(Digital Imaging and Communication in Medicine，醫(yī)學(xué)數(shù)字圖象和通信標(biāo)準(zhǔn))。DICOM 3.0為各國(guó)不同廠商生產(chǎn)的醫(yī)療診斷和治療設(shè)備提供了醫(yī)學(xué)圖象數(shù)字通信接口的標(biāo)準(zhǔn)。醫(yī) 學(xué)圖象設(shè)備只有采用DICOM3.0標(biāo)準(zhǔn)，其圖像數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)才能在國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)上傳輸， 在國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)能實(shí)時(shí)地接受到圖像、文字、表格、數(shù)據(jù)、動(dòng)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(shè)備，才能為醫(yī)院所接受。醫(yī)學(xué)圖像信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信則采用TCP/IP協(xié)議。 醫(yī)學(xué)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(chǔ)存系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等組成， 如 三、醫(yī)學(xué)圖象的質(zhì)量是醫(yī)學(xué)圖象信息系統(tǒng)第一要素 數(shù)字醫(yī)學(xué)圖象是臨床醫(yī)生和專家進(jìn)行疾病診斷的重要依據(jù)。數(shù)字圖象質(zhì)量的優(yōu)劣直接影 響醫(yī)生的診斷。因此，數(shù)字醫(yī)學(xué)圖象的質(zhì)量是醫(yī)學(xué)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(jí)的情況下，所得到的醫(yī)學(xué)圖象的質(zhì) 量。從圖中可以清楚地看到，分辨率和灰度量化級(jí)越高，圖象的質(zhì)量越好。因此，提高 分辨率和灰度量化級(jí)是改善醫(yī)學(xué)圖象的有效措施。但是隨之帶來的是數(shù)字圖象的存儲(chǔ)容 量增加。 　　　　　　　　　　　　　　 　　　[pic]　　　　　　　　　　[pic]　 a) 256 dpi b) 32 dpi c) 16 dpi d) 8 dpi e) 4 dpi　　　a) 256級(jí) b) 32 級(jí) c) 16 級(jí) d) 8 級(jí) e) 4 級(jí) 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(jí)獲得的圖象效果 數(shù)字醫(yī)學(xué)圖象的特點(diǎn)：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(shù)一般是在512×512象素的分辨率，12位灰度級(jí)下對(duì)斷層掃描圖像信息 進(jìn)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(diǎn)，40幀總長(zhǎng)約20M ，80幀長(zhǎng)40M。實(shí)際應(yīng)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(chǔ))約需8M存儲(chǔ)容量。各種醫(yī)學(xué)圖象容量如下表： 醫(yī)學(xué)影像信息容量表 |名 稱 |一幅圖象容量 |每次圖象數(shù) |總?cè)萘? | |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(guó)Johs Hopkins醫(yī)院曾進(jìn)行了一次對(duì)比實(shí)驗(yàn)：對(duì)120例X線片（其中60例是不易判斷的陽(yáng)性病例， 60例是有疑點(diǎn)的病例），然后讓醫(yī)師分成兩組，分別輪流在一個(gè)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(jié)果表明，兩組讀硬拷貝膠片都比讀軟拷貝圖像更準(zhǔn)確。但這種差別并不嚴(yán)重影 響臨床診斷。該院認(rèn)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?yàn)?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(zhì)異?；蚬趋赖募?xì)微裂紋時(shí)，需要分辨率為4K×4K×12 bit的數(shù)字監(jiān)視器；對(duì)于乳房腫瘤測(cè)定是不夠的，在乳房膠片上發(fā)現(xiàn)微鈣化灶簇或?qū)Ρ榷?低的乳腺腫瘤則要求高達(dá)6K×6K×12 bit的數(shù)字顯示點(diǎn)陣。而這是目前任何一種監(jiān)視器都達(dá)不到的。 目前，國(guó)內(nèi)PACS和遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)集成商對(duì)數(shù)字化醫(yī)學(xué)圖像質(zhì)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(shù)措施的情況下， 用微機(jī)監(jiān)視器讀醫(yī)學(xué)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(fù)責(zé)任的。 數(shù)字化醫(yī)學(xué)圖象的質(zhì)量評(píng)估應(yīng)引起足夠的重視。工作站的顯示器集片盒、相機(jī)、洗片機(jī) 和觀片燈諸功能于一身。因此，它的分辨率、對(duì)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(jié)果。 傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)圖像診斷是在"熒光屏--膠片-- 燈箱"組合模式下進(jìn)行的。計(jì)算機(jī)技術(shù)為醫(yī)學(xué)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(xué)圖像資源的形成、周轉(zhuǎn)和調(diào)閱。計(jì)算機(jī)軟硬 件技術(shù)和多媒體技術(shù)的發(fā)展為醫(yī)學(xué)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(xué)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(shí)顯示整幅圖像。對(duì)于大部分的醫(yī)學(xué)圖象來說，基本滿足診斷的要 求。 空間分辨率和灰度量化級(jí)的提高將使圖像數(shù)據(jù)量急劇增加，對(duì)于PACS來說，這意味著存 儲(chǔ)容量和圖像傳送所需時(shí)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(chǔ)的限制。但這種處理使圖像質(zhì)量下降，將影響診斷的結(jié)果。在醫(yī)學(xué)圖象信息系 統(tǒng)中，應(yīng)盡量采用低壓縮比的無失真壓縮。 醫(yī)學(xué)圖像顯示技術(shù)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(wù)之外 ，還要承擔(dān)圖像后處理的任務(wù)。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(gòu)等，而且使用簡(jiǎn)便、快捷，為 臨床醫(yī)生準(zhǔn)確診斷提供了有效的工具。 四、醫(yī)學(xué)圖象信息系統(tǒng)的瓶頸在于圖象的傳輸 由于醫(yī)學(xué)圖象的精度高和數(shù)據(jù)量大，給醫(yī)學(xué)圖象通信和存儲(chǔ)帶來了很大的困難，圖象通 信成為醫(yī)學(xué)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(xué)以外的技術(shù)(特別是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代通信技術(shù) )發(fā)展成果中得到啟示和支持，有時(shí)則直接引用了這些先進(jìn)的成果。 醫(yī)院內(nèi)一般利用計(jì)算機(jī)局域網(wǎng) (LAN)來實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)圖像和病案等軟拷貝的傳輸，而遠(yuǎn)程醫(yī)療中則通過廣域網(wǎng)（WAN）或 INTERNET來進(jìn)行通訊。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的好壞，將影響醫(yī)學(xué)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(nèi)看到圖象，對(duì)于一些歷史的圖象則允許較 長(zhǎng)時(shí)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(shí)間， 又節(jié)約了材料。 PACS采用數(shù)字存儲(chǔ)，通過硬盤存儲(chǔ)、光盤存儲(chǔ)和磁帶存儲(chǔ)，無論在存儲(chǔ)空間，還是在存 取和傳遞速度方面都比膠片要強(qiáng)得多。在緊急搶救的情況下，急救室和放射科聯(lián)網(wǎng)，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(jìn)行診斷，而傳統(tǒng)的膠片 系統(tǒng)是無法實(shí)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(cuò)放 和丟失。在PACS中，存檔的圖像通過計(jì)算機(jī)程序迅速存放，從而避免了圖象的錯(cuò)放和丟 失問題。PACS可以按病人的有關(guān)信息，把同一類相關(guān)圖像，如在某一時(shí)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(guān)數(shù)據(jù)、數(shù)字圖象和放射醫(yī)生的診斷報(bào)告，而且可以使不在現(xiàn)場(chǎng)的 醫(yī)生也能得到各種資料，進(jìn)行會(huì)診。PACS使當(dāng)前檢查、過去檢查以及有關(guān)報(bào)告同時(shí)顯示 ，使醫(yī)生對(duì)病人的病史有一個(gè)綜合的了解，使醫(yī)生可以加快采取措施。 醫(yī)院局域網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)圖像、病 案等軟拷貝，在較短的時(shí)間內(nèi)，得到病人的各種資料。目前醫(yī)院局域網(wǎng)的主干網(wǎng)大部分 采用100M以太網(wǎng)，而工作站上采用10M以太網(wǎng)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(shù) （主干155M或622M，工作站25M），傳輸速度將明顯提高。但是，目前國(guó)內(nèi)醫(yī)院局域網(wǎng)的 水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外，醫(yī)學(xué)圖象的傳輸將成為PACS的瓶頸。 圖像遠(yuǎn)程傳輸則可利用公共電話交換網(wǎng)、衛(wèi)星通信或INTERNET廣域網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)。而目前我 國(guó)遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)。由于傳輸?shù)乃?率較低，傳輸?shù)臅r(shí)間比較長(zhǎng)。傳輸一張8M的X光片約1小時(shí)，這么長(zhǎng)的時(shí)間確實(shí)是很難接 受的。因此，在我國(guó)醫(yī)學(xué)圖象的遠(yuǎn)程通信還是有問題的，如何使醫(yī)學(xué)圖象進(jìn)入寬帶通信 是遠(yuǎn)程醫(yī)療走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵。 五、投資評(píng)估是醫(yī)學(xué)圖象信息系統(tǒng)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵 與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平比較低，醫(yī)院的經(jīng)濟(jì)承受能力一般較弱。在 目前的經(jīng)濟(jì)情況下，絕大多數(shù)醫(yī)院負(fù)擔(dān)不起PACS的昂貴價(jià)格。X射線膠片的圖像數(shù)字化儀 、CR系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、圖象服務(wù)器、圖象工作站和PACS軟件等都是相當(dāng)昂貴的，在實(shí)施 PACS項(xiàng)目前，應(yīng)進(jìn)行投資回報(bào)評(píng)估和財(cái)務(wù)論證。經(jīng)可行性調(diào)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(shí)施。由于醫(yī)院PACS系統(tǒng)才起步，究竟PACS會(huì)給醫(yī) 院帶來多少效益是難以確定和定量分析的，所以對(duì)PACS的投資和效益的評(píng)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(shí)現(xiàn)無膠片化是不現(xiàn)實(shí)的，但實(shí)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(chǔ)在硬盤中，減少膠片費(fèi)用，降低了影像科室 的經(jīng)營(yíng)成本...
醫(yī)學(xué)圖象信息系統(tǒng)三要素