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PACS系统(picture archiving and communication systems)即医学图像归档与通讯系统，它是医院放射科或医院以及更大范围医院图像管理系统。各种各样的医学图像成像设备如CT、MRI、PET和UI等，产生了大量的影像数据，获取、存储、传输、显示和管理这些数据就是PACS系统的主要工作。
近年来随着计算机性能的大幅度提高以及高速通信网络的迅速发展，计算机的计算速度和网络通信速度对PACS已有足够的支持能力。但是仍然存在一些因素影响PACS的功能和性能，这些关键技术的解决对于PACS今后的发展有着重要意义，其中的关键技术可以总结如下［1，2］。
1 存储技术和数据库技术
1.1 大容量存储技术 医院放射科每年产生的胶片数量是十分惊人的。如把这些胶片全部数字化，其所占的存储空间是天文数字。可以说，从PACS诞生的那天起，人们就致力于探索最经济、最可靠的图像存储方式，而且始终得益于计算机存储技术的发展。
PACS系统的归档存储系统不仅要有巨大的存储容量，还要求它无“挥发性”，即能长期可靠的保护数据。计算机系统中常用的磁介质存储器不能满足上述要求，因为它属于“挥发性”存储器，即随着时间的推移，介质中代表信号大小的磁化强度会自然减弱，从而造成信息丢失。另外，软件中的错误、操作员的误操作或周围环境的变化等因素都会使数据损失。可读写光盘虽然可满足图像的归档要求，但价格昂贵。MO盘片容量大，保存期长，较适于图像的长期保存。近年来，廉价的CD-R光盘已普及使用，650M的容量其价格只需10余元，尤其适用于我国中小型医院经济承受能力。CD-R盘的缺点是读盘速度较慢或者说检索时间较长。
PACS系统对图像存储器的客观要求是容量大且检索时间短，这实际上是不可能做到的。现在采取分层存储策略来满足PACS的要求。所谓分层存储，就是将PACS中的图像分轻重缓急分别存于不同的介质中。（1）最低层是存档级本身，一般由光盘组成，访问速度相对慢但存储量大。
（2）中间层由中速系统组成，如集中在工作站或分布在网络上的硬盘阵列。
（3）最高层通过磁盘或静止的缓冲存储区在工作站现场进行会诊，不通过网络进行传输。
由此可见，PACS系统的存储效率不仅与存储子系统的硬件有关，也与它的图像库管理软件密切相关。
1.2 数据库技术 除了海量图像数据外，同医学图像同时产生的还有其他许多信息，如患者数据、检查方式、诊断报告、图像来源和图像参数(图像大小、文件长度)等。人们还常常对图像采取保护措施，以防数据的丢失和滥用。另外，作为一个完整的PACS系统，在线帮助功能是不可缺少的部分。上述内容均为非图像信息。在DICOM 3.0中，非图像信息和图像信息之间的逻辑和功能联系是由其数据结构和协议来定义的。即它们常镶嵌于图像信息之中，并作为一个整体来传递和存储，必要时再分开处理。所有这些图像和非图像信息在传送至PACS服务器后，均要储存在数据库中以便日后使用。因此，数据库结构和关系数据库管理系统(DBMS)的效率对于任何PACS的整体效率和使用灵活性都非常重要。
在图像管理过程中，图像本身可以作为数据库的一大项或者作为一个指针所指向的外部目标来考虑，这取决于所采用的DBMS字段属性，如MS SQL Server。考虑到目前数据库组织的能力，最终的选择是挑选合适的存储介质。根据图像被访问的可能性共有3种存储级别，分别对应3种不同物理存储介质。
数据库数据的内部结构依据PACS系统复杂程度和医院具体需求情况，定制相应的表(table)和项(table columns)。如果需要，其中一些项与ACR-NEMA标准中包括的数据项完全相符合。这个配置允许图像文件头数据被修改并且可通过数据获取能被重建。
2 数据获取技术
在医疗应用中，需要获取的医学影像数据，主要分为以下几个方面：（1）各种设备提供的DICOM格式文件和其他类型文件；（2）各种胶片资源；（3）其他形式存储的影像资源。
对于DICOM文件，可以用专门设计的程序来读取；对于其他类型的医学影像文件，需要进行格式转化，把他们转化为DICOM格式的文件来统一处理。而对于其他各种资源，就必须首先通过扫描仪等设备，将其转化为图形图像文件。然后，再进一步把这些文件转化为DICOM格式。
医学影像的转换是PACS系统的一个关键环节，是医学影像经过数字化进入PACS系统的必经途径。本身不带数字接口的医学成像设备可以通过影像数字化仪转换为数字图像，然后通过影像格式转换接口接入到PACS系统。本身带有数字接口的新式成像设备，可以直接通过影像格式转换接口接入PACS。
由于医学成像设备多样化，既有胶片式的医学影像设备，又有先进的数字成像设备，因此针对不同的成像设备可以采用不同方式接入PACS。目前主要采用以下三种影像获取方式。
2.1 高分辨率扫描仪载入 这种方法主要为了解决传统胶片的数字化问题。传统的X线设备虽然出现得早，设备简单，但是影像信息量却是所有医学影像中最大的。通过医学专用扫描仪将胶片信息数字化后输入计算机，然后通过网络传送至影像中心存储，即可使原有的胶片影像进入PACS。医学专用扫描仪可以获得12 bits/pixel的灰度图像，可以满足医生的诊断需要。采用这种方式，可以节省胶片库存储空间，解除胶片的管理困扰。但是，高精度扫描仪的扫描时间过长，工作效率较低。
2.2 视频载入 某些医学影像设备，比如放射胃肠造影、内镜检查、病理分析等，只能产生视频信号，对于这类设备非使用视频采集不可。视频信号的各种标准已经在许多年前制定完毕，技术十分成熟，费用也很低廉。视频采集中也有一些技术需要比较高的代价，比如连续动态采集和压缩，主要用于胃肠造影和内镜检查的过程记录，但是这部分技术的临床应用受到投资回报率的限制。采用视频这种接入方式无需再购买专用的医疗仪器DICOM信号输出接口，成本较低。但是，由于存储的影像资料的基本单元为8 bit，有时会有失真现象发生，一般用来教学或咨询。
2.3 纯数字方式载入 不同于应用视频采集的设备，有些设备影像本来就是数字的，监视器上显示的只是影像某种角度的投影。这类设备包括CT、MR、DR和DSA，以及部分性能先进的B超等，对它们应该使用纯数字的采集方式。近年来随着DICOM标准得到许多厂商的支持，大多数医学数字成像设备都遵从DICOM标准。因此，在PACS中，可以通过统一的DICOM数字接口，直接读取12 bit的医学影像资料，再通过计算机网络传送至影像中心存储。
这种方式直接从设备的DICOM接口读取影像数据，在进行影像的显示与处理时没有失真，影像数据的像素深度为2 bits/pixel，因此医学影像的品质很好。
但是在研制PACS时，需要对DICOM标准进行深入的分析和研究，使得所设计的PACS可以支持该标准。从而实现对DICOM格式的医学影像进行存储、传输和显示处理。
和这一技术密切相关的是医学影像的数字化，这方面有许多研究热点，本文下面就其几个主要内容做简单的讨论。
2.3.1 X线成像 由于医学影像中以计算机断层扫描技术为基础的X-CT、MRI、PET及SPECT等均属本质数字图像。而目前在医院中应用最为广泛的传统X线摄影尚未进入数字图像家族。因此，如何将连接放射医学影像与数字化未来之间的链条上一直断着的一环连上，是相关专业人员致力研究的课题。
2.3.2 磁共振成像 脑影像的分辨率近20年来取得飞速发展。在常规扫描时间下，提高达数千倍。在显微成像中分解力达50 μm，预计还将有大幅度提高。动态成像或实时成像(包括功能成像)将是研究的主要方向。
2.3.3 光学CT成像 该成像的图像重建算法因不同于X-CT，因此还远不成熟。与X-CT、MRI相比，装置简单，成本低廉且运行安全，但由于分辨率较低，所以只能作为一种补充模式而不能取代其他成像方式。
2.3.4 集成图像信息 通过配准(registration)或融合(fusion)等图像处理技术，并将各种成像装置获取的信息正确地集成在一起所谓集成图像信息，将会成为计算机手术仿真或治疗计划中的一个重要方法。它可对手术或治疗的仿真与计划常要求的图像信息加以综合，然后根据某种准则寻求最优实施方案(例如X刀、γ刀等放射手术治疗及神经外科手术等)。
3 显示技术
医学影像显示处理技术是PACS的关键之一，主要是为了方便医生浏览、查阅患者的医疗影像，省略胶片的冲洗时间，加速图像信息的交流。
3.1 医学影像的空间变换 为了方便医生对医学影像进行各个方向的观察，提供了医学影像的旋转、缩放、镜像等空间变换。
图像的空间变换就是建立一幅图像与其变换后的图像中所有个点之间映射关系的函数。大部分的空间变换都可以用3×3的变换矩阵来表示。
3.2 医学影像增强 X线影像是由不同灰度的像素组成，由它们构成人体组织和器官的影像。由于人体自然对比的存在，X线图像可以很好地反映人体组织和器官的影像，并能在良好的解剖背景上显示病变，这是应用X线影像进行诊断的基础。但X线影像是X线穿透某一部位各层不同密度和厚度结构的总和投影，所以是重叠在一起的影像。由于这种重叠，常使得病变显影不清，灰度对比不够。因此应采用一些变换技术来改善影像的清晰度，以适应于人眼的观察和机器的自动分析。
主要的技术有影像的开窗显示、灰度变换（亮度、对比度调节、自动色阶)、直方图均衡、边缘提取、伪彩增强。这些变换可归结为点对点的灰度映射变换。
4 影像数据的压缩技术与医学图像的处理技术
4.1 医学影像的压缩与解压缩 由于PACS本身是一种专用的计算机网络，对其中的信息流进行有效压缩是提高PACS效率、降低成本，使系统尽可能方便地进行通讯和图像交换的重要途径。关键点是决定对医学图像应采用什么类型的压缩。就医学图像而论，就是要在图像质量降低的压缩算法和无信息缺失的压缩算法之间做出选择，给出两种算法各自的压缩比进行评估。因此，在ACR-NEMA标准的第2版中，就已加入了图像压缩的标准，它包括压缩、量化和编码三个部分。
目前公认的图像压缩标准有JPEG（joint photographic expert group，联合图片专家组)和MPEG（moving picture expert group，运动图像专家组)，它们分别适用于静止图像和运动图像的压缩编码。医学图像大多为静止图像，可以根据JPEG标准实施压缩。但是JPEG是通用的图像压缩标准，并不完全适用于较特殊的医学影像(如数字X线图像、CT、MRI、DSA及超声等灰度图像及真彩色图像)压缩。因为，压缩医学影像还必须要面对由医师或由工程师对错误诊断结果负责的问题，甚至涉及法律。为此，近十几年来专门针对数字医学影像的压缩方法受到了广泛的研究，并在有损和无损两个方向均取得了十分丰富的成果。
4.2 数字图像处理 经过数字化后显示在监视器屏幕上的医学图像可以是从带有DICOM 3.0标准输出端口输出的影像数据流，也可以是经扫描仪录入的医学图片。通常都会带来影像质量不同程度的降低及各种失真和噪声，如不经适当处理也可能会给医师的判断带来不利的影响。因此，要利用数字图像处理技术去除噪声、减小失真、保证影像质量。在显示时，还可以通过边缘增强、灰度校正、亮度调节和无失真放大缩小等图像处理技术得到更好的显示效果，帮助医师辨认病灶，减少误诊漏诊。这也是传统的读胶片方法不可能做到的。
如前所述，医学图像的压缩技术是PACS系统中的关键技术之一，也是评价任何PACS系统的重要指标。虽然DICOM 3.0已作为医学数字成像和通信标准被广为接受，但其采用JPEG算法进行影像数据的无损压缩，压缩效率只达到2∶1，这样低的压缩效率缺乏广泛的应用意义。因此，可以达到更高压缩效果的压缩方法是目前的研究重点。医学影像不同于一般的高分辨率图像，在图像特征、信源表达形式、色彩、时间和空间频率等方面均有自己的特征，研究开发出针对于这些特征的医学图像压缩技术更具实用意义。
5 人机界面交互技术
人机界面交互技术研究的目的就是为了让使用者更方便地使用。对于一个PACS系统，它的最终用户是医疗工作者。因此，在设计系统的时候就必须考虑系统的易用性，使得普通的医疗工作者，经过短期的培训就可以比较熟练地利用系统来进行日常的工作。
一般来说，需要考虑下面的几个方面。(1)数据的管理界面：这部分和一般的数据库管理有相似的地方，可参照开发数据库系统界面的经验来进行设计与开发。(2)临床诊断界面：这部分要充分考虑医疗工作者进行诊断工作的特点和习惯，设计符合医疗实际常规的界面，主要考虑界面的清晰、简洁，操作简单、明确、方便。(3)临床浏览界面：主要要突出负责直接治疗患者的临床医师最需要注意的信息，如相关部位的医学影像、病变部分的确定与分析、影像科医师的临床诊断等。对于其他次要的信息，由于有医院信息系统支持，因此不作为重点。
6 系统集成技术
一个医院内部可能同时存在多个信息系统，系统集成技术就是通过一定的协议把这些系统的信息有机地组织起来为医疗服务。
HL7标准是医疗领域不同应用之间电子数据传输的协议，是由HL7组织制定并由ANSI批准实施的一个行业标准。它主要的目的是要发展各型医疗信息系统间，如临床、保险、管理、行政及检验等各项电子资料的标准。HL7从HIS接口结构层面上定义了接口标准格式，并支持使用现行的各种编码标准，如ICD-9/10、SNOMED等。HL7采用消息传递方式实现不同模块之间的互联，十分类似于网络的信息包传递方式。每一个消息可以细分为多个段、字段、元素和子元素。
为了支持实现HL7，一些公司开发了HL7引擎(类似于网络驱动程序)［1］，通常是一组支持HL7通信的过程调用函数或控件，应用程序按照HL7引擎的约定提供参数，模块之间的通信则由HL7引擎完成。以往国内HIS集成大多采用开放数据库，允许对方程序直接读写的方式，这种方式的优点是简单、效率高；缺点是通用性、安全保密性不好。如果众多厂家任意打开对方数据库读写，将无法保证系统的正确性，可能导致灾难性的后果。国内也有公司自己开发了专用API接口［2］，这种方法提高了安全性，增加了复杂性。以上两种系统集成方法的共同缺点是，需要为不同厂家的同类产品开发相应的接口程序。HL7实际上是一组标准的API接口，这样可以大大简化不同厂家同类应用程序接口的复杂度和工作量。典型的HL7通信是一种点对点方式。这种系统连接方式对于减少不同应用的接口数量没有明显效果，近年来，为了解决系统的复杂度问题，HL7服务器解决方案开始出现。HL7服务器作为系统集成的中心结点，与多个子系统互连，可以大大简化多个系统互联的接口数量。但是，HL7服务器本身的复杂度决定了这种方式只有在十分复杂、异构模块众多的情况下才适于使用。
HL7可以规范临床医学和管理信息格式，降低医院信息系统互连成本，提高医院信息系统之间信息共享的程度。在美国及越来越多的欧洲国家，HL7被用作医疗系统中文字及数字信息的标准接口。而HL7在国内的应用还未见报道，这是因为囊括医院各管理模块的综合型HIS产品还是市场的主流。但是，随着医院信息系统由管理为中心向以病人为中心的临床信息系统(CIS)转变，随着专业化细分的发展，以HL7标准实现系统互联将成为必然趋势。
［参考文献］
1 Tsiknakis M, Katenakis D, Orphanoudakis S. Intelligent image management in a distributed PALS and telemedicine environment. IEEE Commun Mag,1996,34(7):36-45.
2 Inamura K, Kondo H, Takeda H. Development and operation of PACS/teleradiology in Japan. IEEE Commun Mag,1996,34(7):46 - 51.
*基金项目：黑龙江省高等教育学会，高等教育科学研究“十一五”规划课题（编号：115F-011）
作者单位： 157011 黑龙江牡丹江，牡丹江医学院
(编辑：丁剑辉)