医学图像存档和通信系统

绝大多数PACS处理来自于各种医学成像仪器的图像，包括超声波(US)、磁共振(MR)、核医学成像、正电子发射断层扫描(PET)、计算机断层扫描(CT)、内窥镜检查(ES)、乳房X线摄影(MG)、数字射线照相术(DR)、荧光板射线照相术、组织病理学、眼科等图像。PACS经常添加其他类型的图像格式。放射学以外的临床领域;心脏病学、肿瘤学、胃肠病学，甚至实验室都在产生医学图像，这些图像都可以被整合到PACS之中。

PACS有四个主要用途:

• 硬拷贝替换：PACS替换了胶片存档等基于硬拷贝的医学图像管理手段。随着数字存储价格的不断下降，除了在同一机构即时访问以前的图像之外，PACS还提供了比胶片存档更好的成本和空间优势。数字拷贝也被称为软拷贝。
• 远程访问：它通过提供非现场查看和报告(远程教育、远程诊断)的能力，使传统系统具备更多的可能性。它使不同物理位置的从业者能够同时访问远程放射学的相同信息。
• 电子图像集成平台：PACS为放射学图像提供了与其他医疗自动化系统，如医院信息系统(HIS)、电子病历(EMR)、实践管理软件和放射学信息系统(RIS)等进行交互的电子平台。
• 放射工作流程管理：影像科工作人员使用PACS来管理患者检查的工作流程。

几乎所有主要的医疗成像设备制造商、医疗信息技术公司和许多独立的软件公司都提供PACS。基本的PACS软件可以在网上免费找到。

体系结构是所需功能的物理实现，或者说是从外部看到的功能。根据用户的不同，所看到的东西会有所差异。放射科医师通常会看到一个观察站，一个技术专家会看到一个质量保证工作站，而PACS管理员可能会把大部分时间花在温控机房里面。对于不同的供应商，复合视图是相当不一样的。

通常情况下，PACS由多个设备组成。典型PACS系统的第一步是模态。模态通常是指计算机断层扫描（CT）、超声波、核医学、正电子发射断层扫描（PET）和磁共振成像（MRI）。根据基础设施的工作流程，大多数成像模态会发送至质量保证（QA）工作站，有时也称之为PACS网关。质量保证工作站是一个检查点，用于确保患者人口统计数据以及研究的其他重要属性是正确的。如果研究信息正确，图像将被传送到档案库进行存储。中央存储设备(归档)存储图像，在某些情况下，还存储报告、测量结果和图像中的其他信息。PACS工作流程的下一步是阅读工作站。阅读工作站是放射科医师检查病人研究，并制定诊断的地方。通常情况下，与阅读工作站相连的是一个报告包，报告包帮助放射科医师口述完成最终报告。报告软件是可选的，医生可以采用其喜欢的各种方式口述完成报告。作为上述工作流程的辅助，通常还有CD/DVD创作软件，用于刻录患者病历，并分发给患者或转诊医生。上图为绝大多数成像中心和医院的典型工作流程。请注意，本节不包括与放射学信息系统、医院信息系统和其他与PACS工作流程相关的前端系统的集成。

越来越多的PACS包含基于网络的接口，以利用互联网或广域网作为它们的通信手段，通常借助VPN（虚拟专用网络）或SSL（安全套接字层）完成。客户端软件可以使用ActiveX、JavaScript和/或Java小程序。更强大的PACS客户端是完整的应用程序，其可以利用正在执行该应用程序的计算机上的全部资源，并且不会受到频繁的无人参与的Web浏览器和Java更新的影响。随着图像和报告分发需求变得越来越广泛，逐渐推动PACS系统支持DICOM标准中的DICOM第18部分。通过网络访问DICOM对象(WADO)，为真正的通过便携式媒体在网络上公开图像和进行报告创建了必要的标准。在不脱离PACS体系结构的情况下，WADO成为了跨平台能力的解决方案，并且可以提高图像和报告的分发，以供转诊医生和患者使用。

PACS图像备份是PACS体系结构的重要组成部分，但有时往往会被忽略(见下文)。HIPAA要求备份患者图像，以防PACS图像丢失。有几种备份图像的方法，但通常涉及自动将图像副本发送到单独的计算机进行存储，最好是异地存储。

与PACS服务器之间的通信是通过DICOM 消息完成的，DICOM 消息与DICOM图像“标题”相似，但属性不同。查询(C-FIND) 按照下列方式执行:

• 客户端建立与PACS服务器的网络连接。
• 客户端准备C-FIND请求消息，该请求消息为DICOM属性列表。
• 客户端使用匹配的密钥来填写C-FIND请求消息。例如，为了查询患者ID，患者ID属性用患者的ID来进行填充。
• 客户端为其希望从服务器接收的所有属性创建空(零长度)属性。例如，如果客户端希望接收其可以用来接收图像的ID(参见图像检索)，则其应该在C-FIND请求消息中包括零长度SopInstanceID(0008，0018)属性。
• C-FIND请求消息被发送到服务器。
• 服务器向客户端发回C-FIND响应消息列表，每个响应消息也是一个DICOM属性列表，其中填充了每个匹配项的值。
• 客户端从响应消息对象中提取感兴趣的属性。

然后，使用DICOM网络协议，通过C-MOVE或者C-GET请求，从PACS服务器检索图像(以及其他复合实例，例如呈现状态和结构化报告)。可以在Study，Series或Image（实例）级别执行检索。C-MOVE请求指定检索到的实例的发送目的地(在一个或多个单独的连接上使用单独的C-STORE消息)，其标识符被称为Application Entity Title (AE Title)。为了使C-MOVE能够工作，服务器必须配置由AE标题到TCP/IP地址和端口的映射。因此，服务器必须事先知道它将请求向其发送图像的所有AE Titles。另一方面，C-GET在与请求相同的连接上执行C-STORE操作，因此不要求“服务器”知道“客户端”的TCP/IP地址和端口，因此，也更容易通过防火墙和网络地址转换，在这种环境中，C-MOVE所需的传入的TCP C-STORE连接可能无法通过。C-MOVE和C-GET之间的区别有点类似于主动和被动FTP之间的区别。C-MOVE在企业和基础设施中最常用，而C-GET则在企业之间更加实用。

除了传统的DICOM网络服务之外，特别是跨企业应用而言，DICOM(和IHE)还定义了其它检索机制，包括WADO、WADO-WS、以及最近的WADO-RS。

数字医学图像通常存储在本地PACS上以供检索。在发生错误或灾难时，设备拥有恢复图像的手段是非常重要的(这也是美国HIPAA安全规则的管理保障部分所要求的)。虽然每个设备各有不同，但图像备份的目标是使其尽可能的实现自动化和易于管理。我们期望永远也不需要备份。但是灾难恢复和业务连续性规划规定，即使整个站点暂时或永久丢失，计划也应该包括维护数据副本。

理想情况下，图像副本应保存在多个位置，包括异地，保证可以提供灾难恢复功能。一般来说，PACS数据与其他业务关键型数据没有什么本质差异，应该在多个地点使用多个副本进行保护。由于PACS数据可以被认为是受保护的健康信息(PHI)，因此可能会适用相关法规，最需要关注的是HIPAA和HIPAA高科技要求^[2]。

图像可以本地和远程存储在离线介质上，例如磁盘、磁带或光学介质等。使用现代数据保护技术的存储系统变得越来越普遍，特别是对于容量和性能要求更高的大型组织而言。存储系统可以通过多种方式配置和连接到PACS服务器，既可以是直接连接存储(DAS)、网络连接存储(NAS)，也可以是通过存储区域网络(SAN)。无论存储是如何连接的，企业存储系统通常利用磁盘阵列和其他技术来提供高可用性和容错能力，用以防止故障发生。如果有必要部分或全部重建PACS，则需要一些将数据快速传输回PACS的方法，最好是在PACS继续运行的同时实施。

现代数据存储复制技术可应用于PACS信息，包括通过本地受保护副本的时间点拷贝创建本地副本，以及在独立存储库(包括基于磁盘和磁带的系统)中的完整数据拷贝。应创建数据的远程副本，方法是将磁带物理地移出现场，或将数据拷贝至远程存储系统。无论何时移动受HIPAA保护的数据，这些数据都应进行加密，包括通过物理磁带或广域网（WAN）上的复制技术将数据发送到辅助位置。

创建PACS数据副本的其他选项还包括物理地转移到异地的可移动介质(硬盘、DVD或其他可以保存许多患者图像的介质)。HIPAA HITECH要求在许多情况下要对存储的数据进行加密，或者采用其他安全机制，以避免因不遵守规定而受到处罚^[3]。

备份基础设施还可以支持将图像迁移到新的PACS。由于需要归档大量图像，许多rad中心正在将其系统迁移到基于云的PACS。

一个完整的PACS应为图像及其相关数据提供单一的访问点。也就是说，它应该支持整个企业所有部门的全部数字模式。

然而，在PACS渗透完成之前，可能仍然存在尚未连接到中央PACS的数字成像孤岛。这些设备可以采用本地化的、特定形式的模态网络、工作站和存储网络(所谓的“迷你PACS”)的形式，或者可以由直接连接到阅读工作站的一小部分成像模态组成，而无需长期存储或管理。此类系统通常也不与部门信息系统相连。从历史上看，超声波、核医学和心脏病学实验室通常是采用此类方法的部门。

最近，全视野数字乳腺X线摄影（FFDM）也采用了类似的方法，主要原因在于图像尺寸大、高度专业化的读取流程、显示要求、以及监管机构的干预。继DMIST研究之后，FFDM在美国的快速部署使得数字乳腺X线摄影和PACS的集成变得更加普遍。

所有PACS，无论是跨越整个企业还是位于一个部门内，都应该与现有的医院信息系统——医院信息系统(HIS)和放射信息系统(RIS)相连接。有几个数据流入PACS，作为下一个程序的输入，并作为相应输入的结果返回HIS:

输入：患者身份和检查订单。这些数据通过集成接口从医院信息系统发送到RIS，在大多数医院中，通过HL7协议来完成。患者ID和订单将通过 DICOM 协议(工作列表)发送至医疗器械(电脑断层扫描、核磁共振等)。图像扫描后将创建图像，然后转发到PACS服务器。诊断报告是根据医生/放射科医师从PACS服务器检索到的图像创建的，然后保存到RIS系统。
输出:诊断报告和相应创建的图像。诊断报告通常通过HL7发送回HIS，并且，如果医院中有HIS集成的DICOM查看器(在大多数情况下，临床医生会收到诊断报告发出的提醒，然后从PACS服务器查询图像)，图像通常通过DICOM发送回HIS。

多个系统之间的交互提供了更加一致和可靠的数据集:

• 为研究输入错误的患者ID的风险更小–支持DICOM工作列表的方式可以检索即将到来的病例的识别患者信息(患者姓名、患者编号、登录号)，并将其呈现给技术专家，防止获取数据过程中出现数据输入错误。一旦采集完成，PACS可以将嵌入的图像数据与来自RIS的预定研究列表进行比较，并且如果图像数据与预定研究不匹配，可以标记警告。
• 保存在PACS中的数据可以用从HIS获得的唯一患者标识符(例如社会保险号或NHS号)进行标记。还提供了一种强大的手段，用于合并来自多个医院的数据集，即使不同的中心在内部使用不同的身份识别系统，仍然可以进行有效合并。

界面还可以改进工作流模式:

• 当放射科医师报告一项研究时，PACS可以将其标记为已读。这避免了不必要的重复阅读。该报告可附加到图像上，并可通过单一界面进行查看。
• 改进了图像归档中在线存储和近线存储的使用。PACS可以提前获得预约和入院名单，允许图像从离线存储或近线存储预先提取到在线磁盘存储上。

由于认识到了集成的重要性，许多供应商开发了完全集成的RIS/PACS。这些可以提供许多高级功能：

• 报告听写可以集成到单个系统中。集成的语音到文本语音识别软件可用于在患者扫描后几分钟内创建报告并上传至患者图表，或者报告医生可将他们的发现口述至电话系统或语音记录器。该记录可能会自动发送到转录人员的工作站进行录入，但医生也可以访问该记录，避免紧急结果的输入延迟，或者在出现录入错误时保留该记录。
• 为质量控制和审计目的提供单一工具。被拒绝的图像可以被标记，允许以后进行分析(根据辐射防护法规的要求)。出于管理目的，可以自动报告工作负载和周转时间。

PACS安装过程复杂，需要一定的时间、资源、规划和测试。直到验收测试通过，安装过程才算完成。新安装的验收测试是确保用户合规性、功能性，特别是临床安全的重要步骤。以Thrac-25为例，其是一种辐射医疗设备，涉及由于未经验证的软件控制而导致患者大量过量辐射的事故。^[4]

验收测试确定PACS是否可以临床使用，并标记保修时间表，同时作为付款节点。测试过程的时间要求因设施规模差异而有所不同，但以30天时限作为合同条件并不罕见。在撰写合同之前，需要详细规划和制定测试标准。这是一个需要定义测试协议和基准的联合过程。

测试还可以发现不足之处。一项研究确定，最常被引用的缺陷往往是最昂贵的组件。故障从最常见到最不常见依次顺序为：工作站、HIS/RIS/ACS代理接口、RIS、计算机监视器、基于网络的图像分发系统、模态接口、存档设备、维护、培训、网络、DICOM、远程放射学、安全、胶片数字化仪。

理查德·斯特克尔博士（Dr Richard J. Steckel.）于1972年创建了第一个基本的PACS^[5]。

在1982年的放射科医师会议上首次讨论了PACS的原则。各种各样的人员认为其创造了术语PACS。心血管放射科医生安德烈·杜林克斯博士（Dr Andre Duerinckx）在1983年报告说，他在1981年首次使用这个术语^[6]。然而塞缪尔·德怀尔博士（Dr Samuel Dwyer）认为朱迪思·普雷维特博士（Dr Judith M. Prewitt）引入了这个术语^[7]。

哈罗德·格拉斯博士（Dr Harold Glass）是20世纪90年代早期在伦敦工作的医学物理学家，他获得了英国政府的资助，多年来一直管理着这个项目，使伦敦的哈默史密斯医院成为英国第一家无胶片医院^[8]。格拉斯博士（Dr Glass）在项目投入使用几个月后去世，但其仍然被认为是PACS的先驱之一。

1982年，堪萨斯城的堪萨斯大学第一次大规模安装PACS^[9]。这第一次安装更像是一次教学经历，告诉我们在PACS安装中什么不该做，而不是该做什么。

在美国，PACS被归类为医疗器械，因此如果出售，由美国食品和药物管理局监管。一般来说，尽管单个PACS组件可能受不太严格的一般控制，但它们整体上受第二级控制^[9]，因此，需要一个510(k)。对于一些具体的应用而言，例如用于乳房X光摄影解释，还需要在《乳房X线摄影质量标准法》的范围内进行额外的规定^[10]。

医学影像信息学协会(SIIM)是一个全球性的专业和贸易组织，提供年度会议和同行评审期刊，以促进关于PACS和相关数字主题的研究和教育。