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PACS和虚拟设备张剑戈Zhangjg@sjtu.edu.cn生物医学工程讲义内容提要PACS系统的概念DICOM标准虚拟仪器技术虚拟内窥镜技术PACS系统医学影像存档与通信系统(PictureArchivingandCommunicationSystems，PACS)将计算机技术和网络技术应用于医学图像储存和通信。PACS的分类和价值PACS按照规模可以分为：用于医院的影像科室，如几台放射设备的联网称为MiniPACS放射科内所有影像设备的联网RadiologyPACS全院整体化PACS，称为HospitalPACS未来将是区域PACSPACS的价值：医院数字化存储图像，便于医生协同工作。提供远程会诊功能，实现资料自动化统计分析。临床医生快捷地获取病人的全面信息。放射医生改善工作环境，方便地检索图像，对多模图像进行分析。便于图像的后处理。病人可以减少住院时间，充分利用各种成像设备。DigitalImagingCommunicationsinMedical（DICOM）是由美国放射学院（ACR），美国国家电子制造协会（NEMA）共同制定的规范医学图像及其信息交换的标准。是PACS的基本标准。起因：不同厂商研制的成像设备有各自不同的图像格式，缺乏统一的标准成为图像交换的主要障碍。目标：促进数字图像设备的网络化；建立诊断信息数据库，能处理地理上分散的不同设备间的请求。数字医学图像通讯标准结构：DICOM以开放式连结系统（OSI）参考模式定下的7层协议为基础为影像、公用信息、应用服务及通讯协议提供了标准模式，允许医学图像在检查仪器、电脑和医院之间进行交换DICOM3.0标准目前由18部分组成，文档是既相关又相互独立的：•规定了Patient、Study、Series、Image四个层次的医学图像信息结构，以及由它们组成的信息对象（InformationObject）•采用服务类客户/服务类提供者（ServiceClassUser/ServiceClassProvider）概念组成的服务－对象对（Service－ObjectPair）•支持点对点（PPP）和TCP/IP网络通讯协议DICOM信息模型DICOM参照软件工程面向对象的的方法，采用实体－关联（E-R）模型、详细定义对象及其属性、服务对象对类（SOP）、消息交换以及工作流程等。DICOM不规范应用系统的结构和具体的功能需求。例如，图像存储只定义传输和保存所必须的信息项目，而不说明图像如何被显示和作注解。应用层上通过服务和信息对象完成以下功能：1、传输和存储完整的对象（如图像、波形和文档）。2、查询和返回所需对象。3、完成特殊的工作（胶片打印图像）。4、工作流的管理：WORKLIST和状态信息。5、保证可视图像（如显示和打印之间）的质量和一致性。实现复杂的情况下准确的无歧义的信息交换。语法：信息组成的规则。在DICOM中，数据被分成各个层次，有信息对象定义(IOD)、消息(Message)、命令集、数据集、数据元素、传输语法等。通信双方按约定的统一的方法组织数据，以准确地获得对方传输的信息。语义：指交换信息的具体含义。DICOM中专门定义了自己的词汇，称为标记(Tag)，用数据字典给出详细的定义和解释。另外用UID的方法给出唯一标识。DICOM文件格式DICOM文件是按照DICOM标准而存储的医学图像文件，组成如左图所示。图中的SOP指服务－对象对（Service-ObjectPair）。一般由DICOM文件头和DICOM数据集合组成。1、数据元素DICOM文件中最基本的单元是数据元素(DataElement)。由四个部分组成:标签、数据描述(VR，ValueRepresentation)、数据长度和数据域。(1)标签是4字节的无符号整数，DICOM的数据元素以用标签唯一表示。方式为：(组号，元素号)，组号为高位2字节，元素号为低位2字节。偶数组号为标准数据元素，奇数组号为私有数据元素。例如:(0008，0020)代表研究日期。(2)VR指明了数据的类型，是一个长度为2的字符串。例如VR为“DA”，则表示该数据元素中存储的数据为日期型数据。VR可以为显式(ExplicitVR)和隐式(InexplicitVR)两种传输格式。(3)数据长度指明该数据元素的数据域中数据的长度(字节数)。(4)数据域中包含了该数据元素的数值。DICOM中除文件头中128字节的文件前言外，所有数据都以数据元素的形式出现。2、DICOM文件头(DICOMFileMetaInformation)包含了标识数据集合的相关信息。文件前言由128个00H字节组成，接下来是DICOM前缀，为4字节的字符串“DICM”。除了128字节的文件前言和4字节的DICM前缀外，其它文件头元素都采用显示格式编码，各个数据元素排列的顺序按照标签数值LittleEndian编码。每个件头元素的长度必须为偶数，否则补充一个字节。所有(0002，****)类的标签都为DICOM所保留。应忽略文件中有目前尚未规定的(0002，****)类标签。3、数据集合DICOM文件主要组成部分：医学图像、病人姓名、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。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，一个数据元素在数据集内至多只能出现一次。要构造信息实体，按照表中指定的模块参考相应的DICOM标准章节即可。例如，在制定Patient模块时，从DICOM标准PS3.3部分的C.7.1.1小节查到病人模块属性表。虚拟仪器技术虚拟仪器是传统仪器功能与外形的模块化和软件化充分利用计算机的软硬件资源，以特定的软件支持取代相应功能的电子线路用计算机完成传统仪器硬件的部分乃至全部功能以具备控制、处理分析能力的软件为核心的软仪器虚拟仪器的组成数据输入：进行信号调制并将输入的被测模拟信号转换成数字信号。数据输出：将量化的数据转换成模拟信号并进行必要的信号解调。数据处理：按测试要求对输入信号进行各种分析和处理。测控对象信号调理DAQ数据采集卡GPIB接口仪器串行接口仪器/PLCVXI仪器现场总线设备其他计算机硬件GPIB接口卡LabviewLabwindowsCVI测控对象信号调理DAQ数据采集卡GPIB接口仪器串行接口仪器/PLCVXI仪器现场总线设备其他计算机硬件GPIB接口卡LabviewLabwindowsCVI利用软件将通用计算机和仪器硬件结合起来是一种功能意义上而非物理意义上的仪器具有图形化用户界面，体现了“所见即所得”的思想。更新速度快，可维护性好，用户可以定制其结构和功能。采用模块化结构，系统具有良好的开放性和可扩展性。虚拟仪器的特点医学信号的特点经常测量的信号有：压力、流速、温度以及生物电信号是时变、非线性的。生物医学信号强度低，心电信号为毫伏级，离子通道的电流信号为皮安（pA）级。生物医学信号的频段大多在低频部分。医学应用中，需要同时采集不同的生物体信号，进行实时的处理和监视。虚拟心肺功能测量系统由基于Labview编程的软件作为系统的核心，分别联结着传感器（输入端）以及控制端（输出端）。包含一套光谱计、快速响应的多道气体分析仪以及流速/流量分析仪。提供：耗氧量、肺总容量、气体扩散容量、呼吸膜扩散容量以及二氧化碳呼出量。使用者是呼吸系统专家、心血管专家、体检医生以及科研工作者。工作流程被测者的数据由传感器转换成为电信号，然后由基于Labview的软件控制系统采集。以50至200Hz的采样频率同时采集16道模拟信号。输出控制信号从而控制一系列继电器，这些继电器依次控制光谱仪以及气体分析仪等外接设备。优势模块化，将整个测试任务分解成多个子任务，每个子任务由一个子虚拟仪器来完成。图形化界面，借助于计算机强大的图形环境，可以完成和普通电子仪器同样的显示、操作功能。灵活性，便于改变显示窗口或者控件，节省开发时间和硬件成本。数据处理能力，用户可以通过编制框图程序来定制数据处理子虚拟仪器，直接分析和处理获取的信号。虚拟医疗仪器及因特网虚拟医疗仪器通过网络，可以创建功能强大的、灵活、经济的医用虚拟仪器网。用户可以创建经典的虚拟仪器，用因特网联结在一起，并通过网络激活使用。网络化虚拟仪器的特点远程显示：异地用户可以在客户机上看到服务器上医学信号。远程操作：直接对服务器上的虚拟仪器进行操作，发出控制指令从而直接控制医学信号的处理过程。协同工作：用户之间进行信息共享。分布式计算：利用多个计算机的计算能力以及硬件资源来完成繁重的的任务。虚拟内窥镜技术利用虚拟实境技术开发的系统，可以帮助医学院学生学习人体解剖学、病理学，进行手术计划，预测手术结果。虚拟内窥镜技术（VirtualEndoscopy-VE）是一种完全的无接触式检查手段。虚拟内窥镜的原理和发展对从CT、MRI、PET成像设备得到的图像数据进行三维处理后，沿着一条定义好的路径或人工指定一条路径不断刷新显示，图像数据中的不同部分就被不断显示出来，如同内窥镜在人体内作检查。第一代虚拟内窥镜运用几何模型，生成解剖结构的3D几何形状，附加一些简单的交互操作，生成简单的飞行效果。第二代虚拟内窥镜使用CT、MRI或其它图像数据，能产生更逼真的图像，增加了虚拟内窥镜的真实性、视觉逼真性和临床实用性。虚拟内窥镜的实现过程影像数据采集图像分割三维重建路径规划实时绘制。医学应用虚拟内窥镜医学应用系统（VirtualEndoscopyMedicalApplication）Imatron公司建立了虚拟结肠内窥镜（VirtualColonoscopy）BostonSurgicalPlanningLab建立了一种虚拟耳窥镜系统结束谢谢