医学影像存档与通讯系统发展方案及其设计模式的论证和选择
作者：缪陶 陶勇浩
单位：缪陶 陶勇浩 上海市第一人民医院放射科 200080
关键词：
中华放射学杂志991204 医学影像存档与通讯系统(picture archiving and communication systems, PACS)发展方案的设计是数字化放射科发展规划中一个非常重要的基础环节，其关系到投资是否得当、现有资源能否充分利用、系统运行的稳定可靠和可持续发展性等问题。因此，PACS的设计过程必须包括对放射科设备现状和发展规划、系统功能要求和管理流程的设计、投资力度及效益回报等进行论证、分析，最终获得合理的系统结构和设计模式。
不同医院医学影像部门的设备序列、投资状况、技术支持水平存在较大差别，PACS方案的设计应立足于各自的实际情况进行，量体裁衣，方能达到PACS的预期目的及效果。目前，国内PACS的发展无论从认识或实践上均处于起步阶段，因此，遵循高起点、标准化设计、根据投资状况及对技术的驾驭程度阶段性实施，是符合中国国情的PACS发展原则。
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一、 PACS类型及其特征
按规模和应用功能将PACS分为三类：
1.全规模PACS(full-service PACS): 涵盖全放射科或医学影像学科范围，包括所有医学成像设备、有独立的影像存储及管理亚系统、足够量的软拷贝显示和硬拷贝输出设备，以及临床影像浏览、会诊系统和远程放射学服务[1,2]。
2.数字化PACS(digital PACS)：包括常规X-线影像以外的所有数字影像设备(如CT、MRI、DSA等)，常规X线影像可经胶片数字化仪(film digitizer)进入PACS。具备独立的影像存储及管理亚系统和必要的软、硬拷贝输出设备[1,2]。
3.小型PACS(mini-PACS)：局限于单一医学影像部门或影像亚专业单元范围内，在医学影像学科内部分地实现影像的数字化传输、存储和软拷贝显示功能[1,2]。
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具备医学数字影像传输(DICOM)标准的完全遵从性，是现代PACS不可或缺的基本特征。在近年的文献中提出了“第二代PACS”(Hi-PACS, Hospital integrated PACS)的概念，其基本定义即指包括了模块化结构、开放性架构、DICOM标准、整合医院信息系统/放射信息系统(HIS/RIS)等特征的full-service PACS范畴[3]。
二、PACS管理结构模式
1.集中管理模式(central management)：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(central archiving)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，但对网络带宽及传输速率、管理系统设备软件和(或)硬件性能及稳定性要求较高。
, 百拇医药 2.分布式管理模式(distributed management)：PACS由多个相对独立的亚单元(系统)组成，每一亚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。分布式管理模式有利于减轻网络负荷，但对资源和服务的管理、利用可能不及集中模式。
三、PACS方案设计及实现模式
PACS方案和实现模式的选择，应以各医院自身需求以及医院和放射科现状为依据。根据我们的经验和理解，以及国内目前PACS发展进程中的现状，提出并简述两种可资参考的PACS方案设计模式供参考。
1.标准框架模式设计(图1)： PACS各亚系统和功能单元均相对独立地存在(模块化结构)，影像及其相关信息主要在DICOM标准规定的框架内交流，并具有基本的流程管理系统(workflow management)对影像的流向和运作进行管理和控制。非DICOM设备经DICOM网关(DICOM gateway)类设备连接至PACS。具备独立的影像工作站序列(包括诊断工作站、后处理工作站和浏览工作站等)。装备有影像硬拷贝输出设备(如激光胶片打印机等)。具备或能够扩展其他影像服务(如远程放射学和HIS/RIS接口系统等)。该模式具有标准化、 开架式、多功能、易升级、易扩展及系统顺应性和稳定性好等特点。实现方式可一步到位或分阶段实现，管理模式可设计为集中或分布式。
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图1 PACS标准框架模式设计
2.单一平台模式设计(图2)：影像管理系统、影像显示和(或)浏览系统、影像存储及数据库管理等均整合在同一软件系统框架内，因此可用单一硬件(如工作站)单元实现PACS主要的管理和操作功能。系统应完全遵从DICOM标准，非DICOM影像可经DICOM网关或直接输入(系统已具备DICOM网关模块)。特点：初始投资力度小，易于实现。如将该模式应用于较大的系统，可能会出现系统的顺应性和稳定性不足。
图2 PACS单一平台模式设计
四、PACS方案及其设计模式论证和选择
PACS方案及其设计模式的选择基于：放射科设备现状、投资力度及前景规划。
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(一)放射科设备现状是确定PACS方案和设计模式的基础
论证的几个主要方面包括：(1) 设备对DICOM标准的遵从(compliance)状态。DICOM标准是现代PACS的基本特征[4,5]，确定放射科PACS设计模式必须首先确认各影像设备所提供的DICOM标准支持状态及其程度。对于不能满足必要的支持水平者应考虑软件升级等使其达到设计要求。非DICOM设备则应考虑增加转换设备(如DICOM网关等)；(2) 设备的分布及工作管理流程需求。PACS管理模式的选择主要决定于放射科各部门或设备的分布以及对相应的工作管理流程需求的差异，这亦是确定集中式或分布式管理模式的基本点。当然，选择分布式或集中式管理还取决于对最终实现的PACS系统管理方式的整体考虑和设计，因为在网络环境中，距离对管理方式的影响是相对的，即使放射科各亚专业单元或部门相对独立和分散，从有利系统发展和资源及服务的管理出发，采用集中式结构的管理模式进行PACS设计亦为合理的选择。
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(二) 根据可获得的投资力度确定PACS规模及实现方式
从国外的经验看，PACS的资金投入从数万至上百万美金不等，因此，根据医院自身的经济状况、投资力度及方式，可以选择不同规模、不同方案及实现方式进行PACS设计[5,6]。我们认为，PACS发展应该采取总体规划、阶段实施、分期到位的总的设计原则，既满足设计上的高标准，又顺应我国尚处于发展中国家，但经济及技术发展快速的国情。避免因资金短缺而降低设计水准，或因此而造成近期淘汰、重复建设的浪费。
在总体投资水平足够和投资规划可能的前提下，推荐采用标准框架模式设计，因该模式可提供更大的发展潜力、更好的系统稳定性和顺应性以及系统运行效率。在资金不足的情况下，若欲采用单一平台模式，应切实确定PACS系统软件平台提供对DICOM标准完整的支持，而不是仅仅限于对DICOM格式影像的识别和接受，以保持系统进行升级和扩展的潜力。
, 百拇医药 在选择实施方案时，结合具体情况可采取digital PACS→full-service PACS或mini-PACS→full-service PACS等方式以及分期、分阶段实现。单一平台模式设计可作为full-service PACS的一个阶段性模块单元, 在新的投资到位后，逐步移行至分布式管理模式的full-service PACS方案。这一过程可减低一次性投资的压力，但也可能降低总体系统的性能。
(三)根据科室及医院发展前景，确定PACS的升级及扩展范围及能力
PACS方案的设计规划应有必要的前瞻性考虑，为科室和医院未来的发展预留必要的升级和扩展空间。为此，应注意以下几方面问题：(1)放射科及医院新影像设备的引进。特别注意常规X线数字化的实现及其方式和途径等。此外，对集成其他医学成像设备如B超、病理、心血管等生成的图像进入PACS亦应做必要的规划设计；(2) 与其他医学信息系统的整合。特别是实现PACS-RIS-HIS三大医院信息系统的通讯和交流，其内容包括DICOM-HL7接口系统以及DICOM和HL7与非标准系统的接口的设计考虑。(3) 医疗服务范围扩展所必需的医学影像网络支持。主要是远程放射学(teleradiology)和远程交互影像会诊服务体系的设计和规划。
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五、结论
(1)DICOM标准遵从性，是当今各国构建医学图像网络的基本要求。无论采取何种类型方案构建PACS，均必须确保完整的DICOM标准遵从性。(2)如投资水平许可，推荐按目前国际上通行的、技术已趋成熟的标准框架模式进行PACS的总体规划和设计。具体实施可以分期、分阶段逐步实现。(3)单一平台模式适用于投资水平较低或远期投资难以确定、但期望短期内建立基础的PACS系统的医院。建议在实现单一模式方案的基础上，制定向full-service PACS过渡的规划和方案，以避免盲目及重复投资。
参考文献
1 Gitlin JN, Allman R, Hindel R ，et al. Understanding PACS: picture archiving and communications systems. Harrisburg：SCAR(Society for Computer Applications in Radiology), 1992.1-5.
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2 Drew P, Kalinowski J, Lawrence L，et al. Users' perceptions of picture archiving and communication systems and teleradiology. J Digit Imaging ，1997, 10 : 86-88.
3 Huang HK, Andriole K, Bazzill T ，et al. Design and implementation of a PACS: the second time. J Digit Imaging， 1996, 9:1-14.
4 Horii SC, Bidgood WD. PACS refresher course: Network and ACR-NEMA protocols. Radio Graphics， 1992， 12:537-548.
5 Bauman RA, Gell G, Dwyer III SJ. Large picture archiving and communication systems of the world——part 2. J Digit Imaging ，1996, 9: 172-177.
收稿：1999-04-20
修回：1999-09-16, http://www.100md.com
单位：缪陶 陶勇浩 上海市第一人民医院放射科 200080
关键词：
中华放射学杂志991204 医学影像存档与通讯系统(picture archiving and communication systems, PACS)发展方案的设计是数字化放射科发展规划中一个非常重要的基础环节，其关系到投资是否得当、现有资源能否充分利用、系统运行的稳定可靠和可持续发展性等问题。因此，PACS的设计过程必须包括对放射科设备现状和发展规划、系统功能要求和管理流程的设计、投资力度及效益回报等进行论证、分析，最终获得合理的系统结构和设计模式。
不同医院医学影像部门的设备序列、投资状况、技术支持水平存在较大差别，PACS方案的设计应立足于各自的实际情况进行，量体裁衣，方能达到PACS的预期目的及效果。目前，国内PACS的发展无论从认识或实践上均处于起步阶段，因此，遵循高起点、标准化设计、根据投资状况及对技术的驾驭程度阶段性实施，是符合中国国情的PACS发展原则。
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一、 PACS类型及其特征
按规模和应用功能将PACS分为三类：
1.全规模PACS(full-service PACS): 涵盖全放射科或医学影像学科范围，包括所有医学成像设备、有独立的影像存储及管理亚系统、足够量的软拷贝显示和硬拷贝输出设备，以及临床影像浏览、会诊系统和远程放射学服务[1,2]。
2.数字化PACS(digital PACS)：包括常规X-线影像以外的所有数字影像设备(如CT、MRI、DSA等)，常规X线影像可经胶片数字化仪(film digitizer)进入PACS。具备独立的影像存储及管理亚系统和必要的软、硬拷贝输出设备[1,2]。
3.小型PACS(mini-PACS)：局限于单一医学影像部门或影像亚专业单元范围内，在医学影像学科内部分地实现影像的数字化传输、存储和软拷贝显示功能[1,2]。
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具备医学数字影像传输(DICOM)标准的完全遵从性，是现代PACS不可或缺的基本特征。在近年的文献中提出了“第二代PACS”(Hi-PACS, Hospital integrated PACS)的概念，其基本定义即指包括了模块化结构、开放性架构、DICOM标准、整合医院信息系统/放射信息系统(HIS/RIS)等特征的full-service PACS范畴[3]。
二、PACS管理结构模式
1.集中管理模式(central management)：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(central archiving)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，但对网络带宽及传输速率、管理系统设备软件和(或)硬件性能及稳定性要求较高。
, 百拇医药 2.分布式管理模式(distributed management)：PACS由多个相对独立的亚单元(系统)组成，每一亚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。分布式管理模式有利于减轻网络负荷，但对资源和服务的管理、利用可能不及集中模式。
三、PACS方案设计及实现模式
PACS方案和实现模式的选择，应以各医院自身需求以及医院和放射科现状为依据。根据我们的经验和理解，以及国内目前PACS发展进程中的现状，提出并简述两种可资参考的PACS方案设计模式供参考。
1.标准框架模式设计(图1)： PACS各亚系统和功能单元均相对独立地存在(模块化结构)，影像及其相关信息主要在DICOM标准规定的框架内交流，并具有基本的流程管理系统(workflow management)对影像的流向和运作进行管理和控制。非DICOM设备经DICOM网关(DICOM gateway)类设备连接至PACS。具备独立的影像工作站序列(包括诊断工作站、后处理工作站和浏览工作站等)。装备有影像硬拷贝输出设备(如激光胶片打印机等)。具备或能够扩展其他影像服务(如远程放射学和HIS/RIS接口系统等)。该模式具有标准化、 开架式、多功能、易升级、易扩展及系统顺应性和稳定性好等特点。实现方式可一步到位或分阶段实现，管理模式可设计为集中或分布式。
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图1 PACS标准框架模式设计
2.单一平台模式设计(图2)：影像管理系统、影像显示和(或)浏览系统、影像存储及数据库管理等均整合在同一软件系统框架内，因此可用单一硬件(如工作站)单元实现PACS主要的管理和操作功能。系统应完全遵从DICOM标准，非DICOM影像可经DICOM网关或直接输入(系统已具备DICOM网关模块)。特点：初始投资力度小，易于实现。如将该模式应用于较大的系统，可能会出现系统的顺应性和稳定性不足。
图2 PACS单一平台模式设计
四、PACS方案及其设计模式论证和选择
PACS方案及其设计模式的选择基于：放射科设备现状、投资力度及前景规划。
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(一)放射科设备现状是确定PACS方案和设计模式的基础
论证的几个主要方面包括：(1) 设备对DICOM标准的遵从(compliance)状态。DICOM标准是现代PACS的基本特征[4,5]，确定放射科PACS设计模式必须首先确认各影像设备所提供的DICOM标准支持状态及其程度。对于不能满足必要的支持水平者应考虑软件升级等使其达到设计要求。非DICOM设备则应考虑增加转换设备(如DICOM网关等)；(2) 设备的分布及工作管理流程需求。PACS管理模式的选择主要决定于放射科各部门或设备的分布以及对相应的工作管理流程需求的差异，这亦是确定集中式或分布式管理模式的基本点。当然，选择分布式或集中式管理还取决于对最终实现的PACS系统管理方式的整体考虑和设计，因为在网络环境中，距离对管理方式的影响是相对的，即使放射科各亚专业单元或部门相对独立和分散，从有利系统发展和资源及服务的管理出发，采用集中式结构的管理模式进行PACS设计亦为合理的选择。
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(二) 根据可获得的投资力度确定PACS规模及实现方式
从国外的经验看，PACS的资金投入从数万至上百万美金不等，因此，根据医院自身的经济状况、投资力度及方式，可以选择不同规模、不同方案及实现方式进行PACS设计[5,6]。我们认为，PACS发展应该采取总体规划、阶段实施、分期到位的总的设计原则，既满足设计上的高标准，又顺应我国尚处于发展中国家，但经济及技术发展快速的国情。避免因资金短缺而降低设计水准，或因此而造成近期淘汰、重复建设的浪费。
在总体投资水平足够和投资规划可能的前提下，推荐采用标准框架模式设计，因该模式可提供更大的发展潜力、更好的系统稳定性和顺应性以及系统运行效率。在资金不足的情况下，若欲采用单一平台模式，应切实确定PACS系统软件平台提供对DICOM标准完整的支持，而不是仅仅限于对DICOM格式影像的识别和接受，以保持系统进行升级和扩展的潜力。
, 百拇医药 在选择实施方案时，结合具体情况可采取digital PACS→full-service PACS或mini-PACS→full-service PACS等方式以及分期、分阶段实现。单一平台模式设计可作为full-service PACS的一个阶段性模块单元, 在新的投资到位后，逐步移行至分布式管理模式的full-service PACS方案。这一过程可减低一次性投资的压力，但也可能降低总体系统的性能。
(三)根据科室及医院发展前景，确定PACS的升级及扩展范围及能力
PACS方案的设计规划应有必要的前瞻性考虑，为科室和医院未来的发展预留必要的升级和扩展空间。为此，应注意以下几方面问题：(1)放射科及医院新影像设备的引进。特别注意常规X线数字化的实现及其方式和途径等。此外，对集成其他医学成像设备如B超、病理、心血管等生成的图像进入PACS亦应做必要的规划设计；(2) 与其他医学信息系统的整合。特别是实现PACS-RIS-HIS三大医院信息系统的通讯和交流，其内容包括DICOM-HL7接口系统以及DICOM和HL7与非标准系统的接口的设计考虑。(3) 医疗服务范围扩展所必需的医学影像网络支持。主要是远程放射学(teleradiology)和远程交互影像会诊服务体系的设计和规划。
, 百拇医药
五、结论
(1)DICOM标准遵从性，是当今各国构建医学图像网络的基本要求。无论采取何种类型方案构建PACS，均必须确保完整的DICOM标准遵从性。(2)如投资水平许可，推荐按目前国际上通行的、技术已趋成熟的标准框架模式进行PACS的总体规划和设计。具体实施可以分期、分阶段逐步实现。(3)单一平台模式适用于投资水平较低或远期投资难以确定、但期望短期内建立基础的PACS系统的医院。建议在实现单一模式方案的基础上，制定向full-service PACS过渡的规划和方案，以避免盲目及重复投资。
参考文献
1 Gitlin JN, Allman R, Hindel R ，et al. Understanding PACS: picture archiving and communications systems. Harrisburg：SCAR(Society for Computer Applications in Radiology), 1992.1-5.
, 百拇医药
2 Drew P, Kalinowski J, Lawrence L，et al. Users' perceptions of picture archiving and communication systems and teleradiology. J Digit Imaging ，1997, 10 : 86-88.
3 Huang HK, Andriole K, Bazzill T ，et al. Design and implementation of a PACS: the second time. J Digit Imaging， 1996, 9:1-14.
4 Horii SC, Bidgood WD. PACS refresher course: Network and ACR-NEMA protocols. Radio Graphics， 1992， 12:537-548.
5 Bauman RA, Gell G, Dwyer III SJ. Large picture archiving and communication systems of the world——part 2. J Digit Imaging ，1996, 9: 172-177.
收稿：1999-04-20
修回：1999-09-16, http://www.100md.com