第五章　信息放射学

近年来，伴随着电子计算机技术、网络通信技术和数字影像技术的飞速发展，各种医疗影像相关的协议、标准的制定，以及PACS、远程影像诊断系统的日渐成熟，信息放射学系统（radiology information system，RIS）也从十几年前的萌芽阶段进入了一个快速成长的阶段。

第一节　数字化影像设备

自从1895年伦琴发现X线并把它应用于医学诊断领域以来，X线成像已经经历了100多年的发展。在临床影像学检查中，X线成像一直是最主要的影像检查手段。大量的非数字化的常规X线检查图像不能进入PACS中已成为PACS推广的最大难题。没有数字影像图像，PACS就英雄无用武之地。要解决这个难题就要使常规X线检查图像数字化，目前使用最多的方法是使用计算机X线成像（computed radiography，CR）和数字化X线成像（digital radiography，DR）。此外，CT检查及MRI检查所形成的大量数字图像也会传到PACS进行存储、传输和管理。

一、计算机X线成像

1.工作原理

X线穿过人体各组织后会发生衰减，主要是因为能量被吸收（同时也有散射的缘故）。不同的组织会有不同衰减系数，也就是说不同的组织会有不同的X线衰减程度，所有应用X线的成像技术和模式都是以此为基础的。

CR系统由成像板（imaging plate，IP）、影像读取系统、计算机影像处理系统组成。其工作分为3个步骤：

第一步是信息采集，X线透过被照体被含有特殊荧光物质的IP吸收，在IP中形成潜影。

第二步是信息转换，IP经X线照射后被激发形成潜影，经激发的IP上存储有空间上连续的模拟信息，为使该信息数字化，IP上的潜影要由高精度激光束扫描，读出荧光信号转换为数字信号。

第三步是信息的处理与记录，由于CR已经是数字信号，因此其影像可以根据不同要求进行影像处理，在大范围内可以自由地改变影像特征，其处理主要分为协调处理、空间频率处理和减影处理。

CR系统中，IP被X线照射后被激发，形成潜影，它是以连续模拟信号形式记录下来，需要将其读出并转换成数字信号，IP需由高精度激光束扫描读出。装在暗盒中的IP经曝光后，将其送入阅读器，激光束依次扫描整个IP表面，荧光体被一次激发后产生荧光。荧光的强弱与被X线激发时的能量呈线性关系。该荧光经光导器进入光电倍增管被转换成为电信号，馈入模数（A/D）转换器转换为数字信号。这一过程反复进行，扫描完成一张影像板后，则可得到一个完整的数字化影像。影像读取程序完成后，IP将运行到一组强光灯下，IP上的所余潜影可以通过强光下曝光完全被清除。之后被送入暗盒，使得IP可以重复使用。重复使用次数在1万次以上。

2.CR优势与临床应用

CR影像质量大幅度提高。由于CR是激光成像，较以往的胶片图像有根本的变化，图像清晰度高。传统的X线成像是经X线摄照，将影像信息记录在胶片上，在显定影处理后，影像才能于照片上显示。CR则不同，是将X线摄照的影像信息记录在影像板上，经读取装置读取，由计算机计算出一个数字化图像，复经数模转换器转换，于荧屏上显示出灰阶图像。

CR在诊断显示方面很大程度优于传统的X线成像。CR对骨结构、关节软骨及软组织的显示优于传统的X线成像，还可行矿物盐含量的定量分析。CR易于显示纵隔结构如血管和气管，对结节性病变的检出率高于传统的X线成像。CR在观察肠管积气、气腹和结石等含钙病变优于传统X线图像，用CR行体层成像优于X线体层摄影。胃肠双对比造影在显示胃小区、微小病变和肠黏膜皱襞上，CR优于传统的X线造影。

CR摄照条件的宽容范围较大，患者接受的X线量减少。图像处理系统可调节对比及宽容度，故能达到最佳的视觉效果。

CR减少因曝光过量或曝光不足而产生的重照。CR系统的数字化动态调节可减少因曝光过量或曝光不足而产生的重照，减少不必要的浪费。并且可以减少患者的抱怨，提高患者的满意度。

CR的图像信息可由磁盘或光盘储存，并进行传输，重复打印。由于CR不再像以前一样必须用胶片存储，而是通过光盘来进行存储，查找起来也十分方便和快捷，减少患者影像的丢失，同时把胶片提供给患者，以便在院外会诊，也减少借还片的手续，而且提高医院远程会诊及影像传输能力。

二、数字化X线成像

1.成像原理

DR系统由成像部分和计算机影像处理部分组成。成像部分包括X线源、X线检测器。计算机影像处理部分包括A/D转换器、D/A转换器、数字存储器、计算机处理单元以及其他一些外设。根据X线信号的采集与转换过程，DR可以分为非直接转换技术（indirect conversion）和直接转换技术（direct conversion）两大类。

非直接转换类型平板探测器的表面是一层闪烁体材料，再下一层是以非晶态硅为材料的光电二极管电路，最底层为电荷读出电路。当X线射击到闪烁体材料后，闪烁体材料发出与所吸收X线成比例的可见光，然后由下层的光电二极管阵列将这些可见光转换为电荷信号，最后通过最底层的电荷读出电路将每个光电二极管所收集的电荷信号转换为数字信号。常见的闪烁体材料有碘化铯（Csl）、硫氧化钆（GdSO）。在间接转换系统中所使用的闪烁体材料的排列可以是结构化的也可以是非结构化的。对于非结构化的排列，例如我们常用的荧光屏，可见光散射可以使得邻近像素遭受影响，使得图像的空间分辨率降低，为了减少这种情况的影响，多数制造厂商采用结构化的闪烁体排列方式，因为结构化排列的闪烁体可以有效地减少光的散射并有比较高的X线吸收率，所以图像质量较好。同时采用结构化的排列方式可以增加X线与闪烁体发生作用的概率，使得产生可见光的强度更大。

直接转换类型平板探测器与非直接转换类型平板探测器都是采用薄膜晶体管（thin film transistor，TFT）的，所不同的是直接转换类型平板探测器没有闪烁体层，也不需要光电转换单元。它以光导半导体材料作为X线的吸收作用媒质，目前已经商品化的直接转换类型平板探测器都是采用非晶硒（a-Se）作为X线的吸收作用媒质。这种材料具有优良的X线吸收特性和本身所具有的极高的空间分辨率。直接转换类型平板探测器从外到内的结构依次是表层为设置偏置电压的电极板，下层为非晶硒材料，再下一层为电荷收集电极阵列，最底层为TFT阵列电荷读出电路。在X线曝光之前，通过位于硒层顶端表面的偏置电极向整个非晶硒涂层施加一个偏置电场。当探测器吸收X线后，在非晶硒所产生的与所吸收的X线成比例的电荷在偏置电场的作用下，直接向电荷收集电极阵列运动。每个像素的电荷在经过放大处理后，进行量化处理变为数字信号。在硒涂层中通过采用场成形技术有效地分离了探测器元件，同时整个硒层表面非常适用于X线-电荷的转换。因此通过合理地设计电荷收集电极，有效占空因数可以达到相当高的比率。

通过平板探测器采集到的X线数字化信号后就要使用计算机处理单元进行处理。计算机处理单元的灵魂是软件，包括两部分软件：图像处理和系统管理。图像处理部分主要是图像前处理功能，例如图像校正和不同解剖部位的预设影调处理参数。也有部分厂商把一些图像后处理功能放到DR系统的操作台上，例如动态范围控制（组织均衡）和一些影像增强功能等。DR与CR和胶片相比的一大优势是工作流顺畅。但是如果没有相应软件的支持，就不能实现工作流程管理，要完成工作流程管理，DR系统的软件至少需要支持DICOM任务清单、MPPS。

2.DR优势与临床应用

数字化的图像质量与所含的影像信息量可与传统的X线成像相媲美。图像处理系统可调节对比，故能达到最佳的视觉效果；摄照条件的宽容范围较大，患者接受的X线量减少。图像信息可由磁盘或光盘储存，并进行传输。

数字化图像与传统X线图像都是所摄部位总体的重叠影像，因此，传统X线能摄照的部位也都可以用DR成像，而且对DR图像的观察及分析也与传统X线相同。所不同的是DR图像是由一定数目的像素所组成。

数字化图像能够很好地显示头颈部图像。通过对所获得影像解剖结构用不同的窗宽窗位观察，一方面可以观察到骨质的细微结构，另一方面可以观察到头颈部软组织、鼻咽部和气管组织。数字化图像对骨结构、关节软骨及软组织的显示优于传统的X线成像。

与CR相比，DR的图像分辨率和工作效率更高，X线量更低，一次摄片废片率更低，曝光宽容度大，动态范围广，且可通过PACS进行图像传输与资料共享，节约资源。随着成像速度的提高，DR正在由静态向动态方向发展，使数字化透视成为可能。

三、CT简介

1.CT原理

CT是用X线照射人体，由于人体内不同的组织或器官拥有不同的密度与厚度，故其对X线产生不同程度的衰减作用，从而形成不同组织或器官的灰阶影像对比分布图，进而以病灶的相对位置、形状和大小等改变来判断病情。

CT系统主要包括扫描部分、计算机系统、图像显示和存储系统。扫描部分主要由X线管、探测器和扫描架组成；计算机系统，将扫描收集到的信息数据进行贮存运算；图像显示和存储系统，将经计算机处理、重建的图像显示在电视屏上或用多幅照相机或激光照相机将图像摄下。

X线球管的作用是发射X线。高压发生器的作用是为X线球管产生X线提供稳定的直流高压，CT球管需要120～140kV的直流高压。准直器位于球管前方，通过可调节窗口决定X线宽度的装置，使X线呈有一定厚度的扇形束状，调节窗口的宽度可变换X线束的厚度，决定扫描的层厚。探测器的作用是接收衰减后的X线并将其转化为电信号。扫描架内装沿轨迹运动的X线球管，球管对面是成排的探测器（或与球管同时运动，或固定在扫描架上），二者之间是扫描孔，球管（或与探测器一起）围绕扫描孔旋转并发射X线，对位于扫描孔内的被扫描物体进行扫描。

CT是用X线束对人体某部一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的X线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模数转换器转为数字，输入计算机处理。图像形成的处理有如对选定层面分成若干个体积相同的长方体，称之为体素（voxel）。扫描所得信息经计算而获得每个像素的X线衰减系数或吸收系数，再排列成矩阵，即数字矩阵（digital matrix），数字矩阵可贮存于磁盘或光盘中。经数模转换器把数字矩阵中的每个数字转为由黑到白不等灰度的小方块，即像素（pixel），并按矩阵排列，即构成CT图像。所以，CT图像是重建图像，每个体素的X线吸收系数可以通过不同的数学方法算出。

2.CT优势与临床应用

（1）CT检查对中枢神经系统疾病的诊断价值较高，应用普遍。对颅内肿瘤、外伤性血肿与脑损伤、脓肿与肉芽肿、寄生虫病、椎管内肿瘤与腰间盘脱出和脑梗死与脑出血等病的诊断效果好，诊断较为可靠。螺旋CT扫描可以获得比较精细和清晰的血管重建图像，即CTA，而且可以做到三维实时显示。

（2）CT对头颈部疾病的诊断也很有价值。比如，对眶内占位病变、鼻窦早期癌、听骨破坏与脱位、内耳骨迷路的轻微破坏、鼻咽癌的早期发现和耳先天发育异常等。

（3）对胸部疾病的诊断，CT检查随着高分辨力CT的应用，日益显示出它的优越性。通常采用造影增强扫描以明确纵隔和肺门有无肿块或淋巴结增大、支气管有无狭窄或阻塞，对原发和转移性纵隔肿瘤、中心型肺癌、淋巴结结核等的诊断均很有帮助。肺内间质、本质性病变也可以得到较好的显示。CT对平片检查较难显示的部分，比如同心、大血管重叠病变的显示，更具有优越性，对胸膜、膈、胸壁病变，也可清楚显示。

（4）心脏及大血管的CT检查，特别是后者，具有更重要的意义。心脏方面主要是心包病变的诊断、心腔及心壁的显示。由于扫描时间一般长于心动周期，影响图像的清晰度，诊断价值有限。但冠状动脉和心瓣膜的钙化、大血管壁的钙化及动脉瘤改变等，CT检查可以进行非常好的显示。

（5）腹部及盆腔疾病的CT检查应用日益广泛，主要用于肝、胆、胰、脾、腹膜腔及腹膜后间隙以及泌尿和生殖系统的疾病诊断，特别是占位性病变、炎症性和外伤性病变等。肠胃病变向腔外侵犯以及邻近和远处转移等，CT检查也有非常大的价值。

CT具有很多优点：①扫描速度快，大多数检查可在患者一次屏气时间内完成；②容积数据可避免小病灶的遗漏；③可进行高质量的任意层面的多平面重组、最大密度投影、表面遮盖显示和容积显示技术、CT血管造影等后处理，诊断准确性也有很大提高。

四、磁共振成像

1.成像原理

磁共振成像（MRI）是利用原子核在磁场内共振所产生信号经重建成像的一种成像技术。人体约70%是由水组成的，MRI即依赖水中氢原子。利用人体中遍布全身的氢原子在外加的强磁场内受到射频脉冲的激发，产生磁共振现象，经过空间编码技术，用探测器检测并接受以电磁形式放出的磁共振信号，输入计算机，经过数据处理转换，最后将人体各组织的形态形成图像，以作诊断。

MRI设备包括磁体、梯度线圈、供电部分、射频发射器及MRI信号接收器，这些部分负责MRI信号产生、探测与编码；模拟转换器、计算机、磁盘与磁带机等，则负责数据处理、图像重建、显示与存储。

磁体有常导型、超导型和永磁型三种，直接关系到磁场强度、均匀度和稳定性，并影响MRI的图像质量。通常用磁体类型来说明MRI设备的类型。常导型的线圈用铜、铝线绕成，磁场强度最高可达0.15～0.3T，超导型的线圈用铌-钛合金线绕成，磁场强度一般为0.35～3.0T，用液氦及液氮冷却；永磁型的磁体由用磁性物质制成的磁砖所组成，较重，磁场强度偏低，最高达0.3T。

梯度线圈，修改主磁场，产生梯度磁场。其磁场强度虽只有主磁场的几百分之一。但梯度磁场为人体MRI信号提供了空间定位的三维编码的可能，梯度场由x、y、z三个梯度磁场线圈组成，并有驱动器以便在扫描过程中快速改变磁场的方向与强度，迅速完成三维编码。

射频发射器与MRI信号接收器为射频系统，射频发射器是为了产生临床检查目的不同的脉冲序列，以激发人体内的氢原子核产生MRI信号。射频发射器及射频线圈像一个短波发射台及发射天线，向人体发射脉冲，人体内的氢原子核相当于一台收音机接收脉冲。脉冲停止发射后，人体氢原子核变成一个短波发射台，而MRI信号接收器则成为一台收音机接收MRI信号。脉冲序列发射完全在计算机控制之下。

2.MRI优势与临床应用

（1）颅脑与脊髓：

MRI由于具有强烈的软组织对比优势，所以是中枢神经系统影像学检查的首选。MRI对脑肿瘤、脑炎性病变、脑白质病、脑梗死、脑先天性异常等的诊断比CT更为敏感，可发现早期病变，定位也更准确。对颅底及脑干的病变因无伪影可显示得更清楚。MRI可不用造影剂显示脑血管，还可直接显示一些脑神经，可发现神经的早期病变。MRI还可显示脊髓的全貌，因而对脊髓肿瘤或椎管内肿瘤、脊髓白质病变、脊髓空洞、脊髓损伤等有重要的诊断价值。

（2）头颈部：

MRI对眼、耳、鼻、喉部的肿瘤性病变显示好，如鼻咽癌对颅底、脑神经的侵犯，MRI显示比CT更清晰、准确。MRI还可做颈部的血管造影，显示血管异常。对颈部的肿块，MRI也显示其范围及其特征，以帮助定性。

（3）胸部：

MRI可直接显示心肌和左右心室腔，可了解心肌损害的情况，并可测定心脏功能，对纵隔内大血管的情况可清楚显示。对纵隔肿瘤的定位、定性也极有帮助，还可显示肺水肿、肺栓塞、肺肿瘤的情况。

（4）腹部：

MRI对肝、肾、胰、脾、肾上腺等实质器官疾病的诊断可提供十分有价值的信息，有助于确诊。对小病变也比较容易显示，因而能发现早期病变。MRI胰胆管造影可显示胆道和胰管。MR尿路造影可显示扩张的输尿管和肾盂、肾盏，对肾功能差、静脉尿路造影（IVU）不显影的患者尤为适用。

（5）盆腔：

MRI可显示子宫、卵巢、膀胱、前列腺、精囊等器官的病变，可直接看到子宫内膜、肌层，对早期诊断子宫肿瘤性病变有很大的帮助，对卵巢、膀胱、前列腺等处病变的定位、定性诊断也有很大价值。

（6）后腹膜：

MRI对显示后腹膜的肿瘤以及与周围脏器的关系有很大价值。还可显示腹主动脉或其他大血管的病变，如腹主动脉瘤肾动脉狭窄等。

（7）骨骼、肌肉系统：

MRI对关节内的软骨盘、肌腱、韧带的损伤显示率比CT高。由于对骨髓的变化比较敏感，能早期发现骨转移、骨髓炎、无菌性坏死、白血病骨髓浸润等。对骨肿瘤的软组织肿块显示清楚，对软组织损伤也有一定的诊断价值。

事实上，相对传统基于X线成像的设备而言，MRI具有如下优势：①与DR、CT检查相比，MRI无辐射损害；②MRI所显示的解剖结构逼真，使病变组织和正常组织均可清晰显示，具有高的软组织对比分辨力，无骨伪影干扰；③对膀胱、直肠、子宫、骨、关节、肌肉等部位的检查优于CT；④通过调节磁场可自由选择所需剖面，能得到其他成像技术所不能接近或难以接近部位的图像，不像CT只能获取与人体长轴垂直的横断面；⑤不用对比剂即可进行血流成像；⑥对于椎间盘和脊髓，可作矢状面、冠状面、横断面成像，可以看到神经根、脊髓和神经节等。

第二节　图像存储与传输系统

图像存储与传输系统（picture archiving and communications system，PACS）是信息放射学的基础，也是医院信息系统中的一个重要组成部分，它使用计算机和网络技术对医学影像进行数字化处理的系统，其目的是用来代替传统的模拟医学影像体系。它主要解决数字化医学影像的获取、数字化医学图像的高速传输、数字化医学图像的存储、图像的数字化重现和处理、图像信息与其他信息的集成五个方面的问题。

一、图像存储与传输系统的发展背景

PACS的概念提出于20世纪80年代初。早期的PACS主要采用的是专用设备，整个系统的价格非常昂贵。进入20世纪90年代后期，随着微型计算机性能的迅速提高，网络技术的快速发展，使得建设PACS的成本降低到可以被大多数医院接受的水平上。同时，随着现代医学科技的迅猛发展，各种医疗信息，特别是影像检查信息呈几何数级增长，我们得到的影像数据由原来以胶片为介质的静态图像发展到可以调整的动态数字化图像，单次检查的图像数量由原来的几幅、十几幅发展到现在的几千幅，信息孤岛随之出现，如何存储、管理和有效利用已成为医院管理的首要问题。显然，胶片结合阅片灯的传统阅片方式已经不再适合现代医疗影像设备产生的数字化、海量的图像信息的阅读、诊断。因此，只有改变传统的阅片方式，使用PACS进行屏幕阅片才能满足数字化、海量图像数据的诊断需求。

二、图像存储与传输系统的原理与方法

（一）医学影像数据的获取

从各种影像设备及时准确地获取图像及相关的其他信息（如患者信息、研究描述、图像采集参数和有关的图像处理等）一直是早期的PACS比较难处理的一个环节。虽然当时已经出现CT、MRI、CR等数字化的检查设备，但这些早期的数字化医学影像设备所产生的数字化图像都是由各个设备生产厂商自己确定的专有格式，别人无法利用。这就造成了不同设备生产厂商的设备产生的图像格式不兼容的问题。因此，早期的PACS多采用A/D（模数）转换技术，对胶片等介质上所记录的模拟信息进行数字化转换，得到数字化的医学影像，并输入PACS。但由于中间有一个A/D转换的过程，就不可避免地造成原有的医学影像中一些信息的丢失。同时，这种方法也没有得到图像相关的信息。这样就使通过A/D转换所得到的数字化医学影像的诊断价值大打折扣。这个问题极大地影响了PACS的发展，成为早期PACS发展的最大障碍。为了解决这些问题，数字影像与通信（digital imaging and communications in medicine，DICOM）标准就应运而生。

DICOM最初是由美国放射学会（ACR）和美国电器制造协会（NEMA）在1982年联合组织了一个研究组并在1985年制定出了一套数字化医学影的格式标准，即ACR-NEMA 1.0标准，随后在1988年完成了ACR-NEMA 2.0。1993年ACR和NEMA在ACR-NEMA 2.0标准的基础上，增加了通信方面的规范，同时按照影像学检查信息流的特点重新修改了图格式中部分信息的定义，制定了DICOM 3.0标准。此后，DICOM 3.0标准逐渐被世界上主要的医学影设备生产厂商接受，因此已经成为事实上的工业标准。DICOM 3.0标准解决了图像兼容和信息交换两大问题，为PACS扫清了发展道路上的最大障碍。目前的DICOM 3.0共由十几个部分来组成，满足了医学图像的发展，且各部分的内容还在不断发展中。

在遵从DICOM标准的环境中，PACS获取医学影像的过程大致如下：影像检查设备产生相应患者的检查图像；根据DICOM协议相关部分的定义生成包含患者基本信息、扫描或暴光信息以及检查图像的DICOM格式文；按照DICOM协议的规定以及事先设置的传输参数，通过网络系统把图像文件发送至PACS或者由PACS直接向设备查询并获取相关的检查图像。

正是由于DICOM协议的出现，使得PACS从影像设备中获取医学影像就变得非常便捷、可靠、灵活，表现如下：

首先，只要PACS和影像设备分别设置好DICOM相关的参数，并且保证设备与PACS间的网络连通就可以非常便捷地得到影像设备的影像数据。

其次，得到的影像数据中，除基本图像外还包括了患者基本信息、图像采集参数等非常重要的信息，这样就使获得到的数据更加可靠、全面。

再次，在DICOM标准中定义了两种不同的影像数据获取方式，PACS可以主动到设备中查找、取得相关患者的影像数据，也可以被动地等待接收设备发送过来的影像数据，这就使得影像数据的获取更加灵活。

最后，遵从DICOM标准的影像数据本身已经就是数字化的数据，并且使用普通的PC结合相应的软件就可以得到影像数据，早期普遍使用的昂贵的A/D转换设备（如激光读取系统）已无用武之地，这样影像数据的获取就变得更加经济。

（二）PACS数据的传输

医学影像数据的传输是连接PACS各部分之间的桥梁。由于当时网络技术和计算机技术水平的制约，早期的PACS传输环节是系统的一个瓶颈，最普遍的两个问题是：影像浏览终端取得图像时间过长和网络拥堵的问题。但伴随着技术的更新和发展，传输问题已经得到了很好的解决，影像浏览终端现在可以在很短的时间内得到图像并开始诊断工作。目前，主要使用以下技术解决传输问题：

1.先进的网络技术

网络技术经过几十年的发展，性能已经有了大幅度的提高。就以目前医院内应用最为广泛的以太网（ethernet）为例，其传输速度已经由最初的标准以太网的10Mb/s到快速以太网的100Mb/s再到现在千兆以太网的1 000Mb/s甚至更高的10 000Mb/s；传输介质从以同轴电缆、3类双绞线为主发展到现在的以高速光纤传输为主干，结合高速双绞线（如超5类双绞线或者6类双绞线）的部署模式。这些技术的应用使得医学影像数据的传输速度有了百倍甚至千倍的提高。根据调查，医生不希望在终端前等待的时间超过4s。传输速度的提高就意味着可以大量减少在影像浏览终端浏览图像医生的等待时间，提高了医生的工作效率。例如，一个胸正侧位CR检查2幅图像共16MB，如果使用10M网络传输理想情况下需要20s完成传输，而100M网络只要2s。当然这是理论情况，在实际的应用中并不能达到这个理论值，经过优化的网络其传输效率还是可以达到80%以上的。

此外，网络的高速传输距离也由1km左右，发展到现在的在保证高速传输的情况下不低于40km；网络类型的选择上，由于以太网的诸多优势，使得以前繁多的网络类型，例如，令牌环网、光纤分布式接口网络、异步传输模式网等逐步淡出局域网的舞台，使目前以太网几乎一统天下。长距离高速传输的保证以及网络类型的统一，使医院内部或者所有院区和分支部门间的网络互连互通变得十分简便，让PACS在医院内部网络逻辑结构复杂的情况下成功部署成为可能。

2.图像压缩技术

数字化的医学图像数据量是非常巨大的，单次检查的数据量少则十几MB，多则上百MB，更有甚者可以达到上GB。如此大的数据量在PACS中频繁传输，给网络带来非常大的压力，会造成传输网络的拥塞甚至瘫痪。因此，能够给医学图像数据“瘦身”的图像压缩技术就顺理成章地进入PACS领域中。图像压缩技术是一种选择性地减少图像数据中的冗余度，从而达到压缩图像数据体积、缩短传输时间的目的的软件技术。对图像进行压缩的好处是显而易见的，压缩后的图像容量可以成倍缩小，对存储来说可以节省大量的存储空间，更为重要的是图像容量的缩小使得传输所用时间更短，网络传输系统的压力大大减轻，可以较好地解决因为传输数据量的巨大而造成的网络的拥塞和瘫痪问题。

DICOM标准中推荐了多种图像压缩算法和压缩等级，来确保数字化医学图像压缩后的诊断价值。这些算法包括：JPEG image compression、JPEG-LS image compression、JPEG 2000 image compression、RLE Compression。

联合图片专家组（Joint Photographic Experts Group，JPEG）是作为国际标准化组织与电报电话国际协会的联合工作委员会专门致力于静止图片压缩。目前JPEG已开发三个图像标准。第一个直接称为JPEG标准，正式名称叫“连续色调静止图像的数字压缩编码”（digital compression and coding of continuous-tone still images）。JPEG算法共有4种运行模式，其中一种是基于空间预测（DPCM）的无损压缩算法，另外3种是基于离散余弦变换（DCT）的有损压缩算法。第二个标准是JPEG-LS，正式名称是“连续色调静止图像无损/接近无损压缩标准”（lossless/near-lossless compression standard for continuous-tone still images）。JPEG-LS仍然是静止图像无损编码，能提供接近无损的压缩功能。JPEG-LS算法的复杂度低，却能提供高无损压缩率，但它不提供支持扩缩、误差恢复等功能。第三个标准是JPEG最新JPEG 2000标准。根据JPEG专家组的目标，该标准将不仅能提高对图像的压缩质量，尤其是低码率时的压缩质量，而且还将得到许多新功能，包括根据图像质量，视觉感受和分辨率进行渐进传输，对码流的随机存取和处理，开放结构，向下兼容等。与以往的JPEG标准相比，JPEG-2000压缩率比JPEG高约30%，它有许多原先的标准所不可比拟的优点。JPEG-2000与传统JPEG最大的不同，在于它放弃了JPEG所采用的以离散余弦变换为主的分块编码方式，而改为以小波变换（wavelet transform）为主的多分辨率编码方式。

行程长度编码（run-length encoding，RLE）是压缩一个文件最简单的方法之一。它的做法就是把一系列的重复值用一个单独的值再加上一个计数值来取代。这种方法实现起来很容易，而且对于具有长重复值的串的压缩编码很有效。例如对于有大面积的连续阴影或者颜色相同的图像，使用这种方法压缩效果很好。

除DICOM标准中推荐的这些压缩算法以外，目前一些厂商也在使用另外的一些压缩算法来解决医学图像数据问题。例如，心动超声波和心导管的动态图像，虽然DICOM中推荐了相应的压缩算法，但一些厂商使用运动图像专家组（Moving Picture Expert Group，MPEG-2）标准来对图像进行压缩，同样取得了比较好的效果。

但是，由于医学图像关系到医学诊断的准确性，影响非常之大。过高的压缩比率虽然会使影像数据体积减小到原来的几十分之一，甚至上百分之一，但势必造成原图像部分信息的丢失，从而影响图像质量，导致图像质量的退化，因此如何在图像压缩比率和图像质量之间谋求一个平衡仍然是一个有待解决的问题。目前在应用于诊断的环境中通常只使用无损压缩算法，压缩比率通常保持在4∶1或者2∶1。这样图像经过解压缩后可以完全还原到压缩前的状态，保证了数字化医学图像的诊断质量，并且可以作进一步进行处理（例如，三维重建）。只有在一些对图像质量不敏感或者对传输速度要求较高的环境中（例如，影像浏览、远程放射）才适当使用有损压缩算法。

（三）PACS数据的存储

存储在PACS中的医学影像数据包含了丰富的病例及其影像学信息，并且这些医学影像数据可以随时按不同的要求完全重现出来，因此从医院的角度来看这些医学影像数据可以说是一个价值巨大的“金矿”。医院本身为了更好地管理、利用这些“金矿”就要求PACS能长时间保存医学数字化影像，以较短的等待时间调阅任意时期的历史影像资料，同时医学数字化影像自身文件大，不容许使用有损压缩算法，使得医学数字化影像的存储成为PACS最为重要的部分之一。

1.存储结构

目前，应用较为广泛的存储结构有集中存储模式、分布式模式。

集中存储模式是由1个功能强大的中央管理系统（服务器）及中央影像存储系统服务于所有PACS设备和影像，提供集中的、全面的系统运行和管理服务。该模式有利于对系统资源和服务实施进行有效的管理，每个用户可以在PACS网络覆盖的范围内的任何地点、任何时间访问影像，但此种模式对网络带宽及传输速率、管理系统设备软件和硬件性能及稳定性要求较高。

分布式模式：PACS由多个相对独立的子单元（系统）组成，每一子单元有独立的存储管理系统。可以设或不设中央管理服务器，但通常应具有一个逻辑上的中央管理系统/平台。该模式也可以由多个mini-PACS整合形成。分布式模式是早期PACS最为常见的存储模式，它有利于减轻网络负荷，结构的安全性比较好，但比较复杂，实现比较困难，资源和服务的管理、利用不及集中模式。

2.存储方法

早期的PACS由于网络性能和存储技术的制约通常把整个存储系统分为三个级别：在线存储部分、近线存储部分、离线存储部分。

在线存储部分使用高性能的存储设备（例如，服务器直接挂接硬盘或高性能磁盘阵列），用来存储访问概率最大或者对访问响应速度要求高医学影像数据（通常为6个月以为内的医学影像数据）。近线存储部分使用性能一般的存储设备（例如，普通磁盘阵列），存储一定时期内被访问概率较低的医学影像数据。离线存储部分通常使用性能相对最差，但容量大、价格便宜的存储设备（例如，磁带库或光盘库），用来存储被访问概率非常小的医学影像数据，以保证影像数据的安全性和完整性，供以后需要的时候调阅。此外，存储系统中一般还应该有备份部分，用来防止灾难性的数据丢失，但也有一些厂商处于存储成本的考虑使用离线部分作为医学影像数据的备份。

但随着网络技术、存储技术发展，网络的性能、存储设备的性能都有了大幅度的提高，更为重要的是存储设备的价格快速下降。因此，目前的PACS存储系统已经从早期的三级存储，逐渐发展到现在的二级存储，即在线存储部分和备份部分。

目前，适合PACS使用的存储方案主要包括：磁盘类、光盘类和磁带类。磁盘类由于其拥有高性能，目前主要应用于在线存储部分。光盘类和磁带类因为性能相对较差多应用在备份部分。

磁盘阵列将多个磁盘进行统一管理，使它们能够并行操作，以提高整个磁盘设备的容量、传送能力及可靠性，其主要由阵列柜和放置在其中的硬盘组成。目前，磁盘阵列与于外部接口主要有小型计算机系统接口（small computer system interface，SCSI）和光纤通道接口（fibre channel，FC）。 SCSI接口的连接速率已经达到640Mb/s，光纤通道接口更达到2Gb/s的高速度，从传输性能来看已经完全可以满足PACS的要求。同时，得益于廉价冗余磁盘阵列（redundant arrays of inexpensive disks，RAID）技术的应用，使得磁盘阵列的容量和安全性都达到了一个比较令人满意的程度。但是，由于阵列柜盘位的限制（一般多为10～12个硬盘位），其容量虽然可以超过1TB，可是一旦所有盘位插满硬盘，阵列本身的扩展能力就达到极限，因此其扩展很差。

存储区域网络（storage area network，SAN）是一种类似于普通局域网的一种高速专用存储网络，它通过高达2Gb/s的光纤通道集线器、交换机和网关等连接设备建立起服务器和存储设备之间的直接连接。SAN不是一种产品而是配置网络化存储的一种方法。这种网络技术支持远距离通信，允许存储设备真正与服务器隔离，使存储成为可由所有服务器共享的资源，并且可以近乎无限的扩充SAN的存储容量。虽然，目前SAN的性能和扩展能力对PACS来说非常适合，但其高昂的价格是大多数医院所承担不起的。

网络附属存储（network attached storage，NAS）是一种将分布、独立的数据整合为大型、集中化管理的数据中心，以便于对不同应用服务器和终端进行访问的技术。一个NAS可以是一个服务器或一组专门用来存储的服务器群，在这样的体系结构中，磁盘空间的扩展如同在网络上添加打印机一样的简单便捷，因此NAS的扩展性最佳。尽管NAS内部也组成了RAID，但由于其附加于网络，其传输性能受网络因素的影响较大，单纯从性能参数看它的性能要较磁盘阵列和SAN差。

（四）PACS数据的重现和后处理

数字化的医学影像信息进入PACS后，最终目的是为了对其在计算机屏幕上进行重现和处理，实现在计算机屏幕上阅片的“软阅读”方式（soft-copy reading），用这种诊断方式来取代传统胶片的硬拷贝（hard-copy reading）结合阅片灯的诊断模式。

1.医学影像的重现

医学影像的重现是进行“软阅读”方式的基础。医学影像在计算机显示器屏幕上显示的质量对于影像诊断细节的观察是至关重要的，因此显示器就成为了“软阅读”的关键所在。

普通的彩色显示器的亮度只是灰度显示器（即日常所说的医用显示器）的1/8左右，另外，由于彩色显示器是由红、黄、绿三个单元组成一个像素，它的空间分辨率同样不及灰度显示器，所以用于放射影像诊断的显示器应尽可能的使用灰度显示器。

2.医学影像的处理

通常，PACS的影像处理包含如下功能：缩放、移动、镜像、反相、旋转、滤波、锐化、伪彩、播放、窗宽窗位调节、提供ROI值、长度、角度、面积等数据的测量。这些都是为辅助医生诊断而提供的最基本的图像处理功能。近年来，随着技术的进步和新型影像检查设备的投入使用，PACS的影像处理功能也在随之改变。

首先，三维重建技术得到了广泛的应用。通过三维重建后的影像，可以在一定程度上弥补设备的不缺陷，医生可以快速、准确地找到关键断面和病灶，准确、直观地了解到病灶和周围组织的关系。

其次，计算机辅助诊断功能越来越多。例如，自动计算出左右心室容量、喷射指数；有的标注出血管狭窄、钙化位置、乳腺癌可疑点、提供PET标准摄取值（standard uptake value，SUV）和CT值等。这些功能极大地减轻了医生阅片工作的劳动强度，节约了诊断时间，提高了工作效率。

（五）PACS与其他医疗信息的交换

随着近年来医院管理信息化的程度不断加深，在HIS的各子系统之间医疗信息的交换日益成为人们关注的问题。PACS/RIS作为在医院信息管理系统中医学影像信息的产生者以及其他医疗信息的使用者，成为医疗信息交换过程中一个重要的组成部分。在这样的环境中，PACS/RIS已经不能再像以往那样作为一个相对独立的系统工作，它需要与外界进行大量信息交换。目前，需要与PACS进行大量信息交换的部分主要包括影像检查设备、RIS以及HIS。

在这个交换的过程中除DICOM标准起着重要作用外，HL7协议扮演着重要的角色。HL7（Health Level Seven）组织的主要目的是发展和整合各型医疗信息系统间，如临床、检验、药店、保险、管理、行政及银行等各项电子资料的交换标准。HL7已被全球多个政府机构及大型企业所采用。它致力于发展一套联系独立医疗计算机系统的认可规格，确保医疗卫生系统如医院信息系统、检验系统、配药系统及企业系统等符合既定的标准与条件，使接收或传送一切有关医疗、卫生、财政与行政管理等资料或数据时，可达到及时、流畅、可靠且安全的目的。

HL7通信协议汇集了不同厂商用来设计应用软件之间接口的标准格式，它允许各个医疗卫生机构不同的系统之间，进行重要资料的通信往来。通信协议的设计同时保留相当的弹性，使得一些特定需求资料的处理维持兼容性。

HL7已成为医疗信息交换协议的权威，容许不同系统在交换资料及数据时取得快捷、一致的效果。

1.与影像检查设备间的信息交换过程

PACS与影像检查设备间的信息交换，主要是医学影像的交换。与影像检查设备进行医学影像的交换是PACS同外界最基本的信息交换。信息的交换过程同PACS获取医学影像的过程相差无几，只是在这个交换过程中保存在PACS中的DICOM格式的影像文件也可以返回影像检查设备中，因此，PACS与影像检查设备进行医学影像的交换是PACS的基本功能之一。

2.与RIS、HIS间的信息交换过程

RIS是用来优化、管理影像科室日常诊断工作流程的系统，它是PACS最重要的“伙伴”，也是信息放射学中重要的组成部分。其主功能包括：预约登记功能、患者基本信息和检查信息的输入即分诊功能、诊断报告的生成和确认功能、患者相关信息的查询功能、影像科室工作量和其他管理信息的统计查询功能。

目前，RIS主要有两种架构。一种架构是PACS与RIS相互分离，使用各自的数据库，各为独立的系统，欧美的RIS多采用这样的结构；另一种架构是PACS与RIS融合在一起，使用同一套数据库，PACS与RIS是一个不可分割的整体，这种架构主要是国内厂家根据国内影像科室的工作流程以及工作习惯而设计，并在很多医院取得了很好的效果。

无论PACS和RIS如何组合，能够同HIS进行信息交换是现PACS/RIS最基本的也是最重要的要求。在不与HIS连接的环境中，RIS要完成预约登记功能和分诊功能，就要靠操作人员录入很多信息，例如，患者的人口信息、患者本次检查的相关信息，这对于分诊操作员来说是个不小的负担。当2个系统进行信息交换后，RIS识别相关的患者的识别码，通过HL7协议或者专门的接口可以直接得到这个患者的人口信息，甚至是本次检查的信息。这样，分诊操作人员几乎不用录入任何字符就可以完成预约或分诊操作，大大提高了工作的效率。另外，在通常的工作流程中，影像检查的诊断报告确认完毕后，胶片和报告由患者自己或影像科室的工作人员带到临床医生处，由临床医生完成临床诊断。在这个过程中可能由于多种原因造成临床医生得到患者影像信息不及时，进而延误诊断。在PACS/RIS与HIS可以进行信息交换的情况，患者的医学影像信息和影像诊断信息可以第一时间内出现在临床医生的工作站上，省去了胶片和诊断报告传递的时间，避免了一些人为的错误，节约了临床诊断的时间，同时也能在一定程度上确保了临床诊断的准确。

同时，无论何种架构的RIS都需要与PACS以及影像检查设备进行患者信息的交换，这对于PACS和影像检查设备都是十分有意义的。在传统的影像检查流程中，设备操作技师或医生不能及时了解到要为哪些患者进行检查，影像诊断医生也不能了解到要进行诊断的患者目前处于检查流程中的哪个步骤，这样就造成了影像检查、诊断过程中局部工作的无计划，而且，很多患者的信息分别存在于互不交换信息的HIS、RIS和PACS里面，许多信息需要在不同的系统和检查设备上重复输入，不能充分共享，更重要的是无法保证数据的一致性。但在RIS可以与PACS和影像检查设备进行信息交换的环境下，结合RIS与HIS的信息交换过程，可以很好地解决这些问题。当有一个新的患者信息进入HIS或原有某患者信息发生改变时，HIS会自动通过HL7协议更新RIS的数据库，保存这些患者信息；每完成一次预约或分诊RIS会自动通过HL7协议通知PACS和影像检查设备有新的检查将要进行；检查开始时，影像设备会通过DICOM标准的相关部分由RIS查询患者和检验基本信息，提取到设备操作台，并自动填写影像设备所需信息；检查完成后，影像设备会通过DICOM标准的相关部分通知RIS检查完成；影像诊断医生会在RIS到相应的状态提示，并完成报告，然后RIS会通过HL7传送报告给HIS。这样就形成了一个完整、顺畅的工作流程，避免了上述问题的出现，而且解决了患者基本信息的多次输入问题。

三、图像存储与传输系统的临床应用价值

PACS/RIS在国外已经应用多年，在国内也普遍被医院所接受，国内的PACS进入了一个应用规模不断扩大、发展迅速的一个时期。

PACS/RIS的使用可以带来的好处是显而易见的：

1.计算机屏幕阅片方式取代传统的阅片方式，为医生提供更加丰富的影像信息，避免了因信息不充足而造成的漏诊和误诊。

2.快捷、方便的历史图像的查询、调用。能够随时调阅不同时期和不同成像手段的影像数据，并可进行影像数据的再处理，便于对照和比较，为医生诊断带来了极大的方便。

3.实用的查询功能。方便病例查找，并且可以按描述、诊断等方式，查找感兴趣病例；方便的计算工作量、病种量、病种分布等相关数据，掌握科室和每位医生的工作状况，极大地方便了科室管理和科研教学工作。

4.影像数据及相关资料能够在全院范围内甚至院际间快速传递，做到资源共享，方便医师调用、会诊以及进行影像学对比研究，更有利于患者得到最好的诊断治疗效益。

5.PACS采用了大容量存储设备，实现了无胶片化，减少了胶片使用量，减轻了胶片管理的工作压力，减少了激光相机和洗片机的磨损，降低了冲洗药品的消耗，大大降低了经营成本。而且，避免了胶片借调过程中易出现的问题，完善了医学影像资料的管理，提高了工作效率。

6.使用PACS/RIS进行计算机辅助教学。运用PACS可长时间、无损失地储存影像资料的特点，可以让学生接触到大量珍贵的、罕见的病例，可以进一步提高教学质量。

7.PACS/RIS与HIS的互联，减少信息的重复录入，大大提高了医院的医疗、急救的工作效率。

第三节　信息放射学展望

一、与信息放射学系统、医院信息管理系统结合更加紧密

信息放射学近年来的飞速发展很大程度上得益于PACS/RIS的发展，而其与HIS的紧密结合又是促进PACS/RIS的一个重要推动力。RIS通常应用于影像科的患者登记、检查申请、检查时间及仪器安排，并用于影像学诊断的输入、存储和传输，将PACS与RIS相融合不仅意味着将医学图像与影像学诊断结论相关联，还意味着重新整合影像检查的过程，优化流程。HIS是面向医院各部门实现患者诊疗信息和行政管理信息的收集、存储、处理、提取及传输功能的信息系统。PACS与HIS整合后，影像医生可以获得患者的过往病史、病理诊断、手术诊断和出院诊断等信息，从而更合理地选择检查项目，更准确地进行诊断；临床医生可浏览患者的影像信息，作为下医嘱或诊断的参照。PACS与HIS的结合提高医院的工作效率和管理质量，将是今后医院建设的重点。

二、影像处理功能更加丰富

随着医疗设备和计算机技术的发展，新的数字化影像设备和计算机技术不断出现。这就要求PACS的影像处理功能不断丰富。现代的影像技术可将数千个二维图像叠加在一起，进行三维重建，真实地展现患者的解剖和病理状态。这对PACS的硬件设备和运作能力都提出了更高的要求。

三、计算机辅助诊断工具有效嵌入

随着现代高科技的发展，以DR、CT、MRI为代表的现代高清晰影像设备为临床疾病的诊断提供了极大方便。然而，尽管以PET为代表的功能影像对临床诊断有很大帮助，由于条件限制，在更多的情况下医生仍是依据现代影像提供的形态信息，根据自己的临床经验做出判断。由于患者的个体差异以及医生对影像信息观察掌握的局限性，有时不免会产生判断的失误或错误。计算机辅助诊断的过程包括患者一般资料和检查资料的搜集、医学信息的量化处理、统计学分析，直至最后得出诊断。

计算机辅助诊断分为三步：第一步是把病变从正常结构中提取出来；第二步是图像特征的量化；第三步是对数据进行处理并得出结论。因为计算机可以全面利用影像信息进行精确的定量计算，去除人的主观性，避免因个人知识和经验的差异而引起的“千差万别”的诊断结果；所以它的结果是不含糊的，是确定的，它使诊断变得更为准确、更为科学。

四、应用的范围不断扩大

PACS/RIS最初是从处理放射科的数字医学影像发展起来的。然而随着PACS/RIS的不断发展，PACS/RIS早已从放射科走出，扩展到几乎所有的医学影像领域，例如，超声科、核医学科等，甚至近几年牙科、整形外科也可以看到PACS/RIS的身影。PACS/RIS应用的范围不断扩大可以说是一个必然的发展趋势。

五、远程放射学的研究与应用

远程放射学的研究与应用已经成为继PACS/RIS后信息放射学的另一个重点。远程放射学（tele-radiology）可以定义为通过从一个地方到另一个地方的电子传送放射影像，能及时分析放射影像，给出诊断意见，并对医生进行继续教育。不同地方的用户能同时浏览图像。合适地使用远程放射学系统，能够获得高质量的放射图像分析，提高医疗水平。

远程放射学的出现使传统的会诊观念发生了根本的变化，即放射科专家可以在千里之外的放射医学影像中心、办公室甚至家中观看通过通信网络传来的影像资料，从而为一些小医院、边远地区的诊所提供会诊服务。但由于各方面的原因，远程放射学的并不受到医疗资源匮乏的地区的欢迎。随着技术的进步，远程放射学从最早的过同轴电缆传送放射图像实现远程影像诊断服务发展到现在的利用Internet结合PACS/RIS实现远程影像诊断服务，从开始的点对点模式发展到现在的中心模型服务模式，使得远程影像诊断服务的实现越来越便捷，价格越来越便宜，远程放射学也逐渐成为热点，开始快速发展。

（全宇　尹建东　郭启勇　辛军）

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