医院PACS系统的设计与实现论文.docx
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医院PACS系统的设计与实现论文
分类号密级
UDC
学位论文
医院PACS系统的设计与实现
作者：
徐永军
指导教师：
凌琪教授民族大学计算机科学与技术学院
黄涛高级工程师华海医疗信息技术股份
申请学位级别：
硕士
学科类别：
专业学位
学科专业名称：
软件工程
论文提交日期：
2012年11月
论文答辩日期：
2012年12月
学位授予日期：
答辩委员会主席：
评阅人：
东北大学
2012年11月
AThesisinSoftwareEngineering
DesignandImplementationofDigitalHospitalPACSSystem
ByXuYongjun
Supervisor:
ProfessorZhaoLingqi
NortheasternUniviersity
October2012
独创性声明
本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。
论文中取得的研究成果除加以标注和致的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示意。
学位论文作者签名：
日期：
学位论文使用授权书
本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：
即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。
本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索、交流。
作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：
半年□一年□一年半□两年□
学位论文作者签名：
导师签名：
签字日期：
签字日期：
医院PACS系统的设计与实现
摘要
现阶段我国数字化医院快速发展。
提高医疗管理水平、工作效率、更好地为患者服务，为社会服务，已经成为数字化医院考虑的首要问题。
数字化医院主要指医院信息系统（HIS）、放射信息系统（RIS）、数字化医学影像归档及传输系统（PACS）三个部分。
医学影像存档与传输系统（PictureArchivingandCommunicationSystem，PACS）是指全面解决医学图像的采集、显示、存贮、传送和管理的综合系统。
系统以国医疗环境与法令为基础，遵循了国际医疗信息交互标准发展，运用了现代科学技术，通过对医院信息系统的现有环境、管理现状和特点进行分析，实现了医院PACS的运行。
文章的主要容是围绕PACS系统的需求分析，围绕实现PACS系统的中心服务器、前置机服务器的搭建，围绕放射科工作站、窥镜网络信息系统、病理工作站，以及临床工作站等进行设计和实现的。
系统的重点是PACS的实现，难点是DICOM影像数据的读取分析、影像显示和图像编辑。
最后部分是对此系统进行合理的测试，并提出将来的改进与发展。
关键词：
数字化医院；医院信息系统；放射科信息系统；PACS；DICOM
DesignandImplementationofTongLiaoCityHospitalPACSSystem
Abstract
AtthepresentstageofChina'srapiddevelopmentofdigitalhospital.Toimprovethemedicalmanagementlevel,workefficiency,servethepatientsbetter,serveforthesociety,hasbecometheprimaryproblemofdigitalhospital.Digitalhospitalmainlyreferstothehospitalinformationsystem（HIS）,radiologyinformationsystem（RIS）,digitalpicturearchivingandcommunicationsystem（PACS）threeparts.Picturearchivingandcommunicationsystem（PictureArchivingandCommunicationSystem,PACS）isacomprehensivesolutiontothemedicalimageacquisition,display,storage,transmissionandmanagementintegratedsystem.
Systemtodomesticmedicalenvironmentandactasthebasis,tofollowtheinternationalhealthinformationexchangestandardsdevelopment,useofmodernscienceandtechnology,basedontheexistinghospitalinformationsystemenvironment,managementsituationandcharacteristicsareanalyzed,toachievethehospitalPACSoperation.
ThemaincontentofthepaperisstructuredaroundPACSsystemneedsanalysis,aroundimplementationPACSsystemcenterserver,front-endserverstructures,surroundingtheradiologyworkstation,endoscopy,pathologyworkstationnetworkinformationsystems,aswellasclinicalworkstationdesignandimplementation.ThesystemfocusesonthePACSimplementation,difficultyistheDICOMimagedatareadanalysis,imagedisplayandimageediting.Thelastpartofthissystemisreasonabletest,andputforwardthefuturedevelopmentandimprovement.
Keywords:
DigitalHospital;HospitalInformationsystem,RadiologyInformationsystem,PACS;DICOM
声明I
中文摘要II
AbstractIII
第1章绪论1
1.1研究背景1
1.2研究意义4
1.3文章容安排4
第2章相关技术介绍5
2.1医院信息系统5
2.2DICOM介绍5
2.3PACS介绍7
2.4PACS和HIS、RIS之间的关系8
2.5本章小结8
第3章系统分析9
3.1系统设计目标10
3.2需求分析11
3.2.1科室需求12
3.2.2网络建设分析14
3.2.3服务器分级体系架构分析15
3.2.4影像和数据访问分析18
3.3本章小结20
第4章系统设计21
4.1PACS系统网络架构设计21
4.2患者检查工作流程设计21
4.3影像系统功能总体流程23
4.4存储结构设计24
4.5DICOM网关设计28
4.6影像浏览模块设计29
4.6.1影像浏览模块设计29
4.6.2DICOM图像文件解读设计30
4.7登记工作站功能设计31
4.8诊断工作站功能设计31
4.9临床工作站功能设计32
4.10本章小结32
第5章PACS系统实现33
5.1医院PACS环境搭建33
5.1.1PACS与HIS融合的实现33
5.1.2PACS与HIS的接口定义34
5.2DICOM网关的实现35
5.3影像数据处理37
5.3.1影像数据读取分析37
5.3.2DICOM图像显示39
5.3.3图像编辑43
5.4工作站的实现44
5.4.1登记工作站44
5.4.2诊断工作站45
5.4.3临床工作站47
5.5本章小结48
第6章系统测试49
第7章总结与展望51
参考文献53
致55
第1章绪论
1.1研究背景
提到PACS系统，必须先谈到医学信息学（MedicalInformatics，MI）。
MI是医学和计算机科学的结合科学，是一门新兴交叉学科。
它包含了信息科学和技术支持的医学实践、培训和研究以及信息处理和通讯的认识与应用。
医院信息系统（HospitalInformationSystem，HIS）是医学信息学（MI）的重要组成部分，以此同时HIS是计算机信息技术的重要应用畴。
在国际围，已经形成了一个专门的、不可忽视的卫生信息化产业（HealthInformationTechnologyIndustry,HITIdustry）。
美国著名教授MorrisCollen于1988年给医院信息系统定义为：
利用电子计算机和通讯设备，为医院所属各部门提供病人诊疗信息和行政管理信息的收集、存储、处理、提取和数据交换的能力，为医院所属各部门提供信息服务，并满足所有授权用户的功能需求。
完整的医院信息系统应该包含医院管理信息系统和临床医疗信息系统。
HIS的运用是医院科学管理和医疗服务现代化的重要标志。
60年代初美国、日本、欧洲各国开始建立医院信息系统。
到70年代已建成许多规模较大的医院信息系统。
例如，瑞典首都斯德哥尔摩建立了市区所有医院的中央信息系统MIDAS，可处理75000住院和门诊病人的医疗信息。
医院信息系统的发展趋势是将各类医疗器械直接联机并将附近各医院乃至地区和国家的医院信息系统联成网络。
其中最关键的问题是使不同系统中的病历登记、检测、诊断指标等都要标准化。
医院信息系统的高级阶段将普遍采用医疗专家系统，建立医疗质量监督和控制系统，进一步提高医疗水平和保健水平。
我国医院信息化经过了近40年的发展，主要经历了四个阶段[1]。
第一阶段：
单机单用户应用阶段。
上世纪70~80年代初，以小型机为主，采用分时终端方式，当时只有少数几家大型的综合医院和教学医院拥有。
第二阶段：
部门级系统应用阶段。
20世纪80年代中期，随着XT286出现和国产化，以及DBASEIII和UNIX网络操作系统的出现，一些国医院开始建立小型网络，并已经开发出部门管理级别的小型网络管理系统，例如住院管理，药房管理、门诊计价/划价及收费发药系统等。
第三阶段：
20世纪90年代，快速以太网和大型关系型数据库日益盛行，完整的网络化医院管理系统的实现已经成为可能，有条件的医院开始开发适合自己医院的医院管理系统。
一些IT公司也开始开发HIS。
此阶段HIS强调以病人为中心，并开发出全院数据充分共享的门诊、住院、药品、物资、固定资产、LIS、PACS等系统。
目前，我国大部分地区的医院在信息化、网络化方面还只是刚刚起步，即使有，也只有如门、急诊系统、住院系统等，跟欧美发达国家有很大的差距。
随着网络化的日益普及，以往的医院管理模式已经越来越不能适应时代发展的需要了。
报表式、文字式的汇报不但使医院管理者陷在文字的海洋中，而且不靠下属的解释又难以看懂这些材料。
不清楚医院的漏洞、不知道收入的比率、不能及时调整人员和资源的分配，病人挂号时间长、交费时间长、取药时间长、看病时间短的“三长一短”的问题也都长期困扰着医院。
因此，进行医院信息系统建设，将医院调整到最佳运行状态成为医院管理和建设的一个重点。
PACS的概念提出于80年代初。
建立PACS的想法主要是由两个主要因素引起的：
一是数字化影像设备，如CT设备等的产生使得医学影像能够直接从检查设备中获取；另一个是计算机技术的发展，使得大容量数字信息的存储、通讯和显示都能够实现。
在80年代初期，欧洲、美国等发达国家基于大型计算机的医院管理信息系统已经基本完成了研究阶段而转向实施，研究工作在80年代中就逐步转向为医疗服务的系统，如临床信息系统，PACS等方面。
在欧洲、日本和美国等相继建立起研究PACS的实验室和实验系统。
随着技术的发展，到90年代初期已经陆续建立起一些实用的PACS。
在80年代中后期所研究的医学影像系统主要采用的是专用设备，整个系统的价格非常昂贵。
到90年代中期，计算机图形工作站的产生和网络通讯技术的发展，使得PACS的整体价格有所下降。
进入90年代后期，微机性能的迅速提高，网络的高速发展，使得PACS可以建立在一个能被较多医院接受的水平上。
早期的数字化医学影像设备所产生的数字图像格式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。
这个问题极影响了PACS的发展，这引起广大致力于医学影像研究的学者、厂商和其他行业人士的重视。
1982年美国放射学会（ACR）和电器制造协会（NEMA）联合组织了一个研究组，1985年制定出了一套数字化医学影像的格式标准，简称ACR-NEMA1.0标准，随后在1988年完成了ACR-NEMA2.0[2]。
随着网络技术的发展，人们认识到仅有图像格式标准还不够，通讯标准在PACS中也起着非常重要的作用。
随即在1993年由ACR和NEMA在ACR-NEMA2.0标准的基础上，增加了通讯方面的规，同时按照影像学检查信息流特点的E-R模型重新修改了图像格式中部分信息的定义，制定了DICOM3.0标准。
这个标准已经被世界上主要的医学影像设备生产厂商接受，因此已经成为事实上的工业标准。
目前，一些主要的医疗仪器公司，如GE、PHILIPS、西门子、科达等，所生产的大型影像检查设备都配有支持DICOM标准的通讯模块或工作站，也有许多专门制造影像系统的公司生产支持DICOM标准的影像处理、显示、存储系统。
近年来，在每年的北美放射学大会上还专门提供DICOM环境，组织各个厂商进行影像设备的互联。
随着应用的不断发展，DICOM标准也在不断的更新，它所支持的医学影像种类也不断地增加，已经从原来ACR-NEMA标准只支持放射影像扩展到支持窥镜、病理等其他影像。
也有学者在研究处理医学图形、声音等信息，同时也有人研究DICOM与其他医学信息传输标准的沟通，如HL7等。
人们已经认识到医学影像系统应该是医院信息系统中的一个重要组成部分，PACS应该与其他系统相互沟通信息，形成一个医院信息的整体。
DCMTK（DICOMToolKit）是一套针对DICOM标准，由德国的KuratoriumOFFlSe.V.、HeahhcareInformationandCommunicationSystems、Escherweg等机构联合开发的面向软件设计工程师的开源软件开发包。
它是现在主流的DICOM的开发包。
它用ANSIC和C++混合编程，实现了医学图像的显示、传输、存储和打印等功能，实现了DICOM标准的绝大部分功能。
它完全以源代码的形式呈现，包括config、ofstd、dcmdata、dcmingle、dcmimage、dcmjpeg、dcmnet、dcmpstat、dcmsign等多个程序包。
可从网上轻松下载到DCMTK开发包。
目前全世界有很多家医院和企业都在使用它。
后面文章将以DCMTK为工具来显示DICOM图像。
1.2研究意义
数字化医院的建立，将会使中国目前“以收费为中心”的医院信息系统走向“以病人为中心”的临床信息系统，而医院则会转变为管理病人需要的服务模式。
同理，PACS系统的建立，促进数字化医院环境的形成，提高义务人员的工作效率，降低成本，从根本上提高医疗服务质量和提升竞争力,PACS可实现诊断信息与图像的在线安全存储与备份，医生可以在工作站上观察任意时间、任意患者的诊断信息与图像资料，实现影像资源共享，方便患者信息查询，大大提高了工作效率。
因为每个患者每次到医院就诊，都有唯一的HISID号，且不同的检查都有唯一的影像编号。
将所有的检查信息统一存储，所以医生在诊断过程中可随时调阅患者以前的影像资料并作对比分析和诊疗观察，从而提高了影像诊断率。
另外，通过诊断信息，还可以根据病种做分类查询，统计阳性率，提高病理查询效率，使医院管理者的管理工作更为方便。
1.3文章容安排
第1章：
全文的绪论。
对课题产生的背景、研究意义、所做的主要工作和全文组织结构进行了概括性说明。
第2章：
首先介绍医院PACS系统相关的理论知识，包括HIS、RIS、DICOM、和PACS等。
其次介绍了PACS和HIS、RIS之间的关系。
第3章：
针对课题进行了系统需求分析。
第4章：
针对课题进行了系统系统设计。
第5章：
这一章是本文的重点。
介绍医院PACS技术的实现，包括PACS系统环境搭建、各个工作站的实现。
着重讲述DICOM影像读取、显示、转换和编辑。
第6章：
PACS系统测试。
第7章：
对该系统的优点和缺点进行总结，提出下一步的改进研究方向和展望。
第2章相关技术介绍
计算机与网络信息技术的发展，进入了数字化及信息共时代的人们对医院的数字化、信息化程度会有越来越高的要求。
以网络通信为基础，将所有的医疗信息整合在一起，已成为现代医院的发展趋势。
HIS、RIS、LIS、CIS、PACS等概念和系统的出现，为医院提供了可行的数字化解决方案。
2.1医院信息系统
医院信息系统HIS（HospitalInformationSystem），按照学术界公认的MorrisF.Collen所给的定义，应该是：
利用电子计算机和通讯设备，为医院所属各部门提供病人诊疗信息（PatientCareInformation）和行政管理信息（AdministrationInformation）的收集（Collect）、存储（Store）、处理（Process）、提取（Retrieve）和数据交换（Communicate）的能力并满足所有用户（AuthorizedUsers）的功能需求[3]。
医院信息系统HIS被业界公认为是迄今为止世界上现存的企业信息系统中最复杂的一类。
基本框架模式是采用计算机、网络通信设备，把医院的医疗信息、业务信息进行管理，进而在有条件的情况下，开发管理决策支持和医疗决策支持系统，帮助医院管理者和医务人员作出决策咨询。
医院信息系统基本实现了对医院各个部门的信息收集、传输、加工、保存和维护。
可以对大量的医院业务层的工作信息进行有效的处理。
完成日常基本医疗信息、经济信息和物质信息的统计和分析，并能够提供迅速变化的信息，为医院管理层提供及时的辅助决策信息。
医院信息系统的运用，是医院科学管理和医疗服务现代化的重要标志。
20世纪80年代HIS架构由集中式系统架构发展到分散式体系结构。
上世纪90年代之后，国外开始研究优良的HIS体系结构—可组合式系统，即C/S架构。
它优越性在于极高性能、集中式数据管理、扩充升级方便灵活和加速系统的开发。
目前国外进入了新一代医院信息系统的体系架构，但是国发展较滞后，没有完整统一的、符合国情的新一代HIS体系架构。
2.2DICOM简介
DICOM（DigitalImagingandCommunicationinMedicine）是医学图像和相关数字信息在计算机之间通信的一个工业标准，它的产生使各国各个不同工厂生产诊断和治疗设备时有了一个可以遵循的统一标准，必须采用此标准或提供该标准的数字通信接口。
医学影像设备只有采用DICOM3.0标准，其图像数据格式和数据接口才能被存储与传输于目前世界上通用的国际联网系统，并能高速地传输图像文字表格数据与动态图像以及声音，通行无阻地在国际联网计算机上显示出来。
可以这样说，任何医学影像设备，只有符合DICOM3.0，才能为医院接受，否则被医疗事业摒弃[4]。
图2.1DICOM文件格式
Fig.2.1DICOMfileformat
如图2.1所示，DICOM文件格式一般由一个DICOM文件头和一个DICOM数据集合组成。
在DICOM文件中最基本的单元是数据元素（Record或DataElement）。
DICOM数据集合就是由DICOM数据元素按照一定的顺序排列组成的。
DICOM数据元素由四个部分组成:
RecordLength、KeyLength、Key（DICOMFileName）、Value（DICOMFileContent）。
DICOM文件头（Header，DICOMFileMetaInformation）包含了标识数据集合的相关信息。
每个DICOM文件都必须包括该文件头。
文件头的最开始是文件前言，它由128个00H字节组成，接下来是DICOM前缀，它是一个长度为4字节的字符串“DICM”，可以根据该值来判断一个文件是不是DICOM文件。
文件头中还包括其它一些非常有用的信息，如文件的传输格式、生成该文件的应用程序等等。
DICOM文件主要组成部分就是数据集合。
这不仅包括医学图像，还包括许多和医学图像有关的信息，如病人、图像大小等。
DICOM数据集合是由DICOM数据元素按照指定的顺序依次排列组成的。
对于DICOM文件，一般采用显式传输，数据元素按标签从小到大顺序排列，即DICOMPS3.5规定的ExplicitVRLittleEn-dianTransferSyntax。
对于医院影像中心的CT、MR、CR、DR等支持DICOMStorageSCU的设备，可通过在设备上设定DICOM3.0技术参数（例如：
AETitle（ApplicationEntityTitle），IPAddress，PortNO.等信息）直接接入PACS系统，将其影像传输至服务器及存储系统进行集中存储管理。
通过DICOMStorage方式可获取原始的影像数据，可保证影像及相关信息的完整性。
AETitle是配置影像检查设备DICOM服务（Worklist、Storage、Print等）必不可少的参数之一。
对于某一台影像检查设备，其各个DICOM服务可以对应不同的AETitle，当然这些DICOM服务也可以对应同一个AETitle。
AETitle是一个字符串，在整个PACS系统中必须是唯一的。
对于医院影像中心的非DICOM设备（超声、窥镜等），使用PACSGateDICOM网关进行影像采集，PACSGate将采集的影像转换为标准DICOM影像并与病人信息进行整合后归档到PACS服务器。
只要采集设备采集分辨率高于原始图像分辨率，就可保证获取图像在诊断过程中的质量要求。
2.3PACS简介
医学影像存档与传输系统（PictureArchivingandCommunicationSystem，PACS）：
全面解决医学图像的采集、显示、存贮、传送和管理的综合系统。
既医学图像存储与通信系统,它是放射科、影像医学、数字化图像技术、计算机技术及通讯技术的结合。
他将数字资料转化为计算机数字型式,通过高速计算机设备及通信网络,完成对图像信息的采集、储存、管理
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