基于即时传递技术的多功能医院影像归档及传输系统的设计与应用

钟 军 庞 兵 黎 春 李宗阳

影像归档及传输系统(picture archiving and communication systems，PACS)是目前医院信息系统中操作数据量最大、数据精度要求最高以及数据传输时效性最强的信息化系统[1-2]。越来越多的疾病诊断需要借助影像设备的检查，而面对日益激增的影像数据，医院对影像数据的调阅与应用提出了更高的要求，打造一个基于即时传递技术的多功能医院PACS势在必行。为此，本研究设计一种基于即时通信技术的多功能PACS，以实现影像数据随时随地的秒级调阅、影像数据的三维智能辅助分析及基于影像的音视频远程交互会诊等诸多功能。

1 影像检查服务现状

就右江民族医学院附属医院而言，原有PACS老旧，各医技科室之间难以互联互通，缺乏三维智能辅助分析手段，无法开展基于影像的音视频实时会诊等诸多使用上的不便。由于影像缺乏相应的智能辅助分析手段及基于影像的交互会诊，使得医生的诊断效率及准确率长期未能有效提升。目前，原有PACS已经严重影响到医生日常工作对影像系统的使用体验及患者的就诊满意度，其主要问题为：①运行速度慢，诊断效率低下，医生需经常加班，且患者等候时间延长；②采用客户机/服务器(client/server，C/S)架构单点故障多，各医技科室之间难以互联互通，系统升级维护困难，可扩展性差；③图像偶尔丢失，易引起误诊、重复检查和医患纠纷等情况发生；④无三维智能诊断功能，医生缺乏诊断辅助工具，工作效率与诊断准确率提升有限；⑤无实时会议功能，临床科室与影像科之间、不同影像医生之间的交流无法面对面或在线实时交流，效率无法提升。针对需要解决现存的诸多问题，医院急需量身定做一款多功能PACS影像信息管理系统。

2 多功能PACS设计与应用

原有PACS存在诸多问题的关键原因在于系统设计、技术选型、系统建设等都基于传统的思维与方法，故亟需改变传统的C/S架构、双机冷备技术、数据采集系统(data acquisition system，DAS)加磁带库备份存储技术以及点对点传输技术等[3-4]。

新的多功能PACS结合业界最新的影像处理技术，将从即时传递技术出发，在架构、存储、功能等各方面进行全新的设计，从而建立全新的基于即时传递技术的多功能PACS，且具有良好的扩展性，满足未来功能与应用的拓展[5]。

2.1 即时传递技术设计

影像传递速度是PACS最核心的指标，直接影响到PACS的应用效果和医生工作效率[6]。多功能PACS的传递技术主要从下述4方面进行考虑与设计：①严格遵循医学数字成像及通信(digital imaging and communication of medicine，DICOM)3.0标准；②根据影像不同展现层面采用不同的影像压缩策略；③影像智能预读取和异步传输；④智能带宽感应。

(1)严格遵循DICOM 3.0标准。DICOM 3.0标准详细定义了影像及其相关信息的组成格式和交换方法，支持开放系统互连协议(open system interconnection，OSI)、传输控制协议(transmission control protocol，TCP)和网络协议(internet protocol，IP)。因此，DICOM 3.0标准是影像快速传递的基础。

(2)根据影像不同展现层面采用不同的影像压缩策略。新的PACS将图像展现分为检查类别展示层面、中间过程层面及最终展现3个层面。检查类别展示层面只显示一张检查示意图，而不是原始影像。在点击检查示意图后，进入中间过程层面，中间过程层面是动态逐步放大的，直至在最终展现层面，最终展现层面展现的是原始的或高保真的诊断影像。为了保证呈现效果，中间过程要足够短，控制在1 s之内，通常在0.5 s以内，以至肉眼难以觉察。通过验证证明，应用这种展现和压缩策略，一张常规数字X射线摄影(digit radiography，DR)影像(按20 M计)的展现效率提升1.5倍；一次X射线计算机断层扫描(X-ray computed tomography，CT)检查或磁共振(magnetic resonance，MR)检查，按100张图像计，每张图像约512 K，其展现效率提升2.3倍。

(3)影像智能预读取和异步传输。传统PACS在查看影像时，需要将整个序列下载完成后才能看。这样，当网络带宽为100 M时，下载速率约为10 M/s，一个常规的100张图像(每张约512 K)的CT序列，下载完成需5 s，即每点击一个序列，需要等5 s才能看。而影像异步传输策略无需等待所有影像下载完，可以做到边传输边看，一张512 K的影像在100 M带宽中可以即时传输完成，即使在10 M带宽中，也能在1 s之内传递完成，做到即点即现。此外，影像智能预读取技术能根据医生鼠标所指或所转动到的图像，动态优先滚动传递该图像前后20张图像，从而实现医学影像的按需传递与调阅。多功能PACS设计，客户端无需下载影像数据，而是由服务器端进行计算，然后将结果或图像推送并呈现给终端，从而提升传输速度和展现效果。

(4)智能带宽感应。由于医院业务系统多，院内网络通道也多，新PACS的传输，能对网络带宽进行智能感应，优先选择较为通畅的路径将影像传输到终端。

通过上述4方面技术和策略的设计与应用，确保新的多功能PACS能真正做到及时传递。

2.2 架构设计

原有PACS采用C/S架构，维护与升级时需要对每个客户端进行维护与升级，费时费力，且各医技科室之间难以互联互通，形成信息孤岛和信息烟囱，并难以跨平台调阅和移动调阅。新的多功能PACS将应用云技术，采用浏览器与服务器(browser/server，B/S)架构，基于超文本标记语言5(hyper text markup language 5，HTML5)进行设计。使用户无需安装客户端软件即可在任何地点通过浏览器登录系统进行操作，客户端实现了真正的零安装、零维护。

2.3 服务器及存储设计

多功能PACS摒弃传统的DAS加磁带库备份存储技术，而是采用存储区域网络(storage area network，SAN)存储，使得网络部署更容易，实现高速存储，并具有良好的扩展性。此外，服务器部署摒弃了传统的双机冷备技术，而是采用了虚拟化部署策略。多功能PACS主要包含5个虚拟机：放射学信息系统(radiology information system，RIS)/PACS服务器、数据库服务器、vCenter服务器、超声内镜服务器和院内影像会诊服务器。采用虚拟化方式进行部署，主要是将服务器物理资源抽象成逻辑资源，让3台物理服务器成为数台甚至上百台相互隔离的虚拟服务器，不再受限于物理上的界限，而是使中央处理器(central processing unit，CPU)、内存、磁盘、I/O等硬件变成可以动态管理的“资源池”，从而提高资源的利用率，简化系统管理，实现服务器整合，让平台对业务的变化更具适应力(如图1所示)。

图1 医院多功能PACS服务器存储示图

2.4 多功能总体设计

多功能PACS的功能设计是否全面、完整及方便，直接影响到PACS的应用效果。多功能PACS的功能设计主要包括全影像科室覆盖与应用、临床影像调阅、排队叫号、移动阅片、音视频会诊以及影像三维辅助分析等方面。结合前面论述的架构设计与服务器及存储设计，多功能PACS的总体设计如图2所示。

图2 医院多功能PACS总体设计图

2.4.1 全影像科室覆盖与应用

采用一体化平台技术，通过医学影像信息系统集成总线，将医院放射、超声、内镜、核医学等影像科室的影像设备和影像数据统一接入，建立全院影像数据的物理集中存储管理，节约维护成本，提高系统可靠性，保障患者数据安全，实现以患者为中心的影像互联互通，打破科室及系统壁垒。平台与医院信息系统(hospital information system，HIS)、电子病历(electronic medical record，EMR)进行一次接口对接，提高与HIS和EMR接入能力，降低核心业务的访问压力。而在放射、超声、内镜、核医学等科室内部，实现科室内部的流程管理与功能应用。

2.4.2 临床影像调阅

开放临床影像浏览，实现临床科室对影像检查的在线调阅，使患者不再提着影像片子满院跑，并提高临床医生的诊断效率。

2.4.3 排队叫号

排队叫号系统是通过对医院环境、就诊和工作流程的大量调研开发出的一套由计算机代替就诊患者排队的系统。多功能PACS取代了站立排队的传统方式，使传统站立排队的混乱无序问题得到彻底解决、同时各医生工作量分配得到了更好的优化及均衡。医生只需通过鼠标单击检查室端操作软件上的“叫号”按钮就可按序呼叫患者前来就诊，自动输出叫号语音信息，也支持外接显示屏和发光二极管(light emitting diode，LED)条屏显示叫号信息，避免人工排队叫号，提升患者就医体验。

2.4.4 移动阅片

移动阅片是多功能PACS的扩展应用，用户可通过笔记本电脑或智能手机等移动终端接入网络实现移动办公。专家或医生使用随身携带的平板电脑或智能手机等移动设备，即可随时随地接入多功能PACS，查询、调阅各类医疗影像信息，使得专家资源得到更高效的应用。

表1 多功能PACS工作站数量和医生使用人数

2.4.5 音视频会诊

多功能PACS提供基于影像的音视频交互会诊功能，会诊过程中实现了对文字、音频、视频、影像以及操作全方位的实时同步。用于医生之间共享患者图像数据、实时交流，协同进行图像数据的分析，进而得出诊断结果，使得交流更便捷。此外，还可用于远程培训，所有与会人员均可看到主持人对图像的实时操作，使培训更加生动具体。

2.4.6 影像三维辅助分析

多功能PACS可提供网络化三维医学影像后处理功能，针对医学影像进行三维成像、三维影像后处理等操作。多项革新性临床辅助功能，提供影像三维重建、体积测量、三维裁剪、肺小结节分析、钙化分析、血管分析、二维脑灌注等计算机辅助诊断功能，提升工作效率与诊断准确率[7-8]。

3 多功能PACS实施效果

多功能PACS系统于2017年3月开始运行至今，彻底改善了原有PACS诸多使用上不便捷、功能不完善的问题。医生工作效率得到明显改善，就诊患者满意度得到大幅度提升。

3.1 工作站数量和医生使用人数

多功能PACS目前已经全面覆盖了医院放射科、超声科、内镜科、核医学科等影像科室，并且实现了医技影像科室的互联互通。按科室业务需求和不同职能和医生人数，设置了相应足够的预约登记工作站、技师工作站及诊断报告工作站，以全面满足业务的顺利开展，为各临床科室开放临床浏览点，供全院临床医生调阅影像之用，全面提升临床医生的诊断效率和患者就医体验。工作站数量和医生使用人数见表1。

3.2 设备连接情况与检查量

多功能PACS已经全面接入了医院放射科、超声科、内镜科、核医学科等影像科室所有设备，共计31台，每日检查患者共计1245例，每日数据增量50.5 GB，在如此庞大的数据量下多功能PACS依然能高效运行，做到即时传递且影像数据无丢失，系统稳定性达到99.99%。设备连接情况与检查量见表2。

3.3 系统实施效果

系统实施效果体现在下述方面。

(1)终端数据下载效率：实现终端调阅原始数据零下载，较之前传统的全下载或压缩处理模式，在传输速度大幅提升，做到即时传递。

表2 设备连接情况与检查量

(2)终端数据计算效率：采用BS架构，将大量的数据处理工作交给服务器，对终端硬件要求大幅降低，降低终端硬件投入和维护成本。

(3)终端操作系统兼容：实现WINDOWS版本全兼容，系统易用性或可扩展性更好。

(4)终端网络带宽效率：院内网络从1000M降低到100M到桌面、移动调阅从20 M降低4 M，多功能PACS对网络的要求明显要低，浏览更顺畅。

(5)医生诊断效率提升(以放射科为例)：诊断报告平均时间由23 min/例，缩短到12 min/例，诊断效率提升1倍。

(6)患者等待时间缩短(以放射科CT检查为例)：患者平均等待时间由4 h缩短到2 h，患者等候时间节省一半。

(7)医院整体检查效率：检查数量由1078例/日提升到1245例/日，每日患者检查增加15.5%；在患者增加15.5%的情况下，影像诊断医生的加班时间缩短为原来的25%，由每天加班约2 h降低到0.5 h。

(8)移动影像阅片：采用HTML5技术，支持各种终端(苹果、安卓、windows等各种系统)的移动阅片。

(9)音视频会诊：助力多学科协作诊疗(multidisciplinary team，MDT)和培训，实现文字、音频、视频、影像及操作五同步，极大提升医生协作能力。

(10)三维处理能力：三维能力涵盖多病种，提供基于三维模型的交互能力，有效实用的计算机辅助诊断功能，提升工作效率与诊断准确率。

表3 多功能PACS实施前后对比

多功能PACS实施前后对比见表3。

4 结论

基于我国国情及PACS技术发展的原则，一款多功能PACS影像信息管理系统的设计，应经过充分调研，根据医院实情进行因地制宜的开发设计，遵循高起点、高标准化设计和分步阶段性实施，方能实现预期的目标，达到更好的效果[9]。

基于即时传递技术的多功能PACS的设计，使得工作效率提升了一倍，患者等候时间节省一半，患者检查增加15.5%，影像诊断医生的加班时间却缩短为原来的25%。此外，还支持移动阅片、临床调阅及三维后处理计算机辅助诊断，并且支持以原始影像操作为基础的音视频会诊来助力MDT等，充分体现了多功能PACS的高效。

一个高效、多功能PACS的成功建设，需要遵循的原则为：①将传输速度和稳定性放在首位考虑，直接关系到诊断效率和患者就医体验；②以平台理念和平台模式建设，平台模式可以全面覆盖各医技影像科室，做到各医技影像科室互联互通，形成以患者为中心的影像大集成[10]；③用云技术和B/S架构部署，以保障系统的易用性和可扩展性；④建议服务器虚拟化部署，提升服务器使用效率，并增强系统稳定性与安全性；⑤严格遵循DICOM 3.0标准、HL7标准和集成医疗保健企业(integrating healthcare enterprise，IHE)框架进行设计，保障PACS的高度标准性、集成性、开放性和可扩展性[11-12]；⑥开放临床浏览，全面提升临床医生的诊断效率和患者就医体验；⑦建议具有三维后处理计算机辅助诊断功能，提升工作效率与诊断准确率；⑧将具有以原始影像操作为基础的音视频会诊来助力MDT。

随着信息化技术的不断推陈出新，在国家政策大力支持下，区域影像中心的建设、分级诊疗的推广，患者和医生对电子胶片的需求也日渐旺盛。通过在医院内部署功能完善具备高可扩展性的多功能PACS，后续能够无缝对接各层级的区域影像中心和远程医疗，并拓展电子胶片应用[13]。同时，内置的基于影像的远程音视频会诊也将成为分级诊疗平台功能的子集。在互联网+医疗的时代，多功能PACS技术的延伸，将会不断提高医院的诊疗水平。