PACS和虛擬設(shè)備-PowerPoint演示文稿

1、PACS和虛擬設(shè)備和虛擬設(shè)備 張劍戈張劍戈ZZ生物醫(yī)學(xué)工程講義生物醫(yī)學(xué)工程講義內(nèi)容提要wPACS系統(tǒng)的概念wDICOM標(biāo)準(zhǔn)w虛擬儀器技術(shù)w虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)PACS系統(tǒng)w醫(yī)學(xué)影像存檔與通信系統(tǒng) ( Picture Archiving and Communication Systems，PACS)將計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像儲(chǔ)存和通信。 PACS的分類和價(jià)值wPACS按照規(guī)?？梢苑譃椋河糜卺t(yī)院的影像科室，如幾臺(tái)放射設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)稱為Mini PACS放射科內(nèi)所有影像設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)Radiology PACS全院整體化PACS，稱為Hospital PACS未來(lái)將是區(qū)域PACSwPACS的價(jià)值：醫(yī)院數(shù)

2、字化存儲(chǔ)圖像，便于醫(yī)生協(xié)同工作。提供遠(yuǎn)程會(huì)診功能，實(shí)現(xiàn)資料自動(dòng)化統(tǒng)計(jì)分析。臨床醫(yī)生快捷地獲取病人的全面信息。放射醫(yī)生改善工作環(huán)境，方便地檢索圖像，對(duì)多模圖像進(jìn)行分析。便于圖像的后處理。病人可以減少住院時(shí)間，充分利用各種成像設(shè)備。 Digital Imaging Communications in Medical（DICOM）是由美國(guó)放射學(xué)院（ACR），美國(guó)國(guó)家電子制造協(xié)會(huì)（NEMA）共同制定的規(guī)范醫(yī)學(xué)圖像及其信息交換的標(biāo)準(zhǔn)。是PACS的基本標(biāo)準(zhǔn)。起因：w不同廠商研制的成像設(shè)備有各自不同的圖像格式，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)成為圖像交換的主要障礙。目標(biāo)：w 促進(jìn)數(shù)字圖像設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化；建立診斷信息數(shù)據(jù)庫(kù)，能處

3、理地理上分散的不同設(shè)備間的請(qǐng)求。數(shù)字醫(yī)學(xué)圖像通訊標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字醫(yī)學(xué)圖像通訊標(biāo)準(zhǔn) 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：wDICOM以開放式連結(jié)系統(tǒng)（OSI）參考模式定下的7層協(xié)議為基礎(chǔ)w為影像、公用信息、應(yīng)用服務(wù)及通訊協(xié)議提供了標(biāo)準(zhǔn)模式，允許醫(yī)學(xué)圖像在檢查儀器、電腦和醫(yī)院之間進(jìn)行交換文檔是既相關(guān)又相互獨(dú)立的：文檔是既相關(guān)又相互獨(dú)立的：規(guī)定了規(guī)定了Patient、Study、Series、Image 四個(gè)層次的醫(yī)學(xué)圖像信息結(jié)四個(gè)層次的醫(yī)學(xué)圖像信息結(jié)構(gòu)，以及由它們組成的信息對(duì)象（構(gòu)，以及由它們組成的信息對(duì)象（Information Object）采用服務(wù)類客戶采用服務(wù)類客戶/服務(wù)類提供者（服務(wù)類提供者（Service Class

4、 User/Service Class Provider）概念組成的服務(wù)對(duì)象對(duì)（）概念組成的服務(wù)對(duì)象對(duì)（ServiceObject Pair）支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（PPP）和）和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議DICOMDICOM信息模型信息模型 DICOM參照軟件工程面向?qū)ο蟮牡姆椒?，采用?shí)體關(guān)聯(lián)（E-R）模型、詳細(xì)定義對(duì)象及其屬性、服務(wù)對(duì)象對(duì)類（SOP）、消息交換以及工作流程等。DICOM不規(guī)范應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和具體的功能需求。例如，圖像存儲(chǔ)只定義傳輸和保存所必須的信息項(xiàng)目，而不說(shuō)明圖像如何被顯示和作注解。 應(yīng)用層上通過(guò)服務(wù)和信息對(duì)象完成以下功能：1、傳輸和存儲(chǔ)完整的對(duì)象（如圖像、波形

5、和文檔）。2、查詢和返回所需對(duì)象。3、完成特殊的工作（膠片打印圖像）。4、工作流的管理：WORKLIST和狀態(tài)信息。5、保證可視圖像（如顯示和打印之間）的質(zhì)量和一致性。 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的情況下準(zhǔn)確的無(wú)歧義的信息交換。實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的情況下準(zhǔn)確的無(wú)歧義的信息交換。 語(yǔ)法：語(yǔ)法：信息組成的規(guī)則。在DICOM中，數(shù)據(jù)被分成各個(gè)層次，有信息對(duì)象定義(IOD)、消息(Message)、命令集、數(shù)據(jù)集、數(shù)據(jù)元素、傳輸語(yǔ)法等。通信雙方按約定的統(tǒng)一的方法組織數(shù)據(jù)，以準(zhǔn)確地獲得對(duì)方傳輸?shù)男畔?。語(yǔ)義語(yǔ)義： 指交換信息的具體含義。DICOM中專門定義了自己的詞匯，稱為標(biāo)記(Tag)，用數(shù)據(jù)字典給出詳細(xì)的定義和解釋。另外用UID

6、的方法給出唯一標(biāo)識(shí)。DICOMDICOM文件格式文件格式 DICOM文件是按照DICOM標(biāo)準(zhǔn)而存儲(chǔ)的醫(yī)學(xué)圖像文件，組成如左圖所示。圖中的SOP 指服務(wù)對(duì)象對(duì)（Service-Object Pair）。一般由DICOM文件頭和DICOM數(shù)據(jù)集合組成。1 1、數(shù)據(jù)元素、數(shù)據(jù)元素 DICOM文件中最基本的單元是數(shù)據(jù)元素(Data Element)。由四個(gè)部分組成: 標(biāo)簽、數(shù)據(jù)描述 (VR， Value Representation)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)域。(1)標(biāo)簽是4字節(jié)的無(wú)符號(hào)整數(shù)，DICOM的數(shù)據(jù)元素以用標(biāo)簽唯一表示。方式為：(組號(hào)，元素號(hào))，組號(hào)為高位2字節(jié)，元素號(hào)為低位2字節(jié)。偶數(shù)組號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)

7、據(jù)元素，奇數(shù)組號(hào)為私有數(shù)據(jù)元素。例如: (0008，0020)代表研究日期。(2)VR指明了數(shù)據(jù)的類型，是一個(gè)長(zhǎng)度為2的字符串。例如VR為“DA”，則表示該數(shù)據(jù)元素中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為日期型數(shù)據(jù)。VR可以為顯式(Explicit VR)和隱式(Inexplicit VR)兩種傳輸格式。(3)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度指明該數(shù)據(jù)元素的數(shù)據(jù)域中數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度(字節(jié)數(shù))。(4)數(shù)據(jù)域中包含了該數(shù)據(jù)元素的數(shù)值。 DICOM中除文件頭中128字節(jié)的文件前言外，所有數(shù)據(jù)都以數(shù)據(jù)元素的形式出現(xiàn)。2 2、 DICOMDICOM文件頭文件頭(DICOM File Meta Information)包含了標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)集合的相關(guān)信息。w文件前言由

8、文件前言由128128個(gè)個(gè)00H00H字節(jié)組成，接下來(lái)是字節(jié)組成，接下來(lái)是DICOMDICOM前綴，前綴，為為4 4字節(jié)的字符串字節(jié)的字符串“DICM”DICM”。w除了128字節(jié)的文件前言和4字節(jié)的DICM前綴外，其它文件頭元素都采用顯示格式編碼，各個(gè)數(shù)據(jù)元素排列的順序按照標(biāo)簽數(shù)值Little Endian編碼。w每個(gè)件頭元素的長(zhǎng)度必須為偶數(shù)，否則補(bǔ)充一個(gè)字節(jié)。w所有(0002，*)類的標(biāo)簽都為DICOM所保留。應(yīng)忽略文件中有目前尚未規(guī)定的(0002，*)類標(biāo)簽。3、數(shù)據(jù)集合 DICOM文件主要組成部分：醫(yī)學(xué)圖像、病人姓名、圖像大小等。 DICOM數(shù)據(jù)集合是由DICOM數(shù)據(jù)元素按照指定的順序

9、依次排列組成的。DICOM文件一般采用顯式傳輸，數(shù)據(jù)元素按標(biāo)簽從小到大順序排列，一個(gè)數(shù)據(jù)元素在數(shù)據(jù)集內(nèi)至多只能出現(xiàn)一次。要構(gòu)造信息實(shí)體，按照表中指定的模塊參考相應(yīng)的DICOM標(biāo)準(zhǔn)章節(jié)即可。例如，在制定Patient模塊時(shí)，從DICOM標(biāo)準(zhǔn)PS 3.3部分的C.7.1.1小節(jié)查到病人模塊屬性表。虛擬儀器技術(shù)虛擬儀器是傳統(tǒng)儀器功能與外形的模塊化和軟件化w充分利用計(jì)算機(jī)的軟硬件資源，以特定的軟件支持取代相應(yīng)功能的電子線路w用計(jì)算機(jī)完成傳統(tǒng)儀器硬件的部分乃至全部功能w以具備控制、處理分析能力的軟件為核心的軟儀器虛擬儀器的組成數(shù)據(jù)輸入：進(jìn)行信號(hào)調(diào)制并將輸入的被測(cè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)輸出：將量化的

10、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)并進(jìn)行必要的信號(hào)解調(diào)。數(shù)據(jù)處理：按測(cè)試要求對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行各種分析和處理。測(cè)控對(duì)象信號(hào)調(diào)理DAQ數(shù)據(jù)采集卡GPIB接口儀器串行接口儀器/PLCVXI儀器現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備其他計(jì)算機(jī)硬件GPIB接口卡LabviewLabwindowsCVI測(cè)控對(duì)象信號(hào)調(diào)理DAQ數(shù)據(jù)采集卡GPIB接口儀器串行接口儀器/PLCVXI儀器現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備其他計(jì)算機(jī)硬件GPIB接口卡LabviewLabwindowsCVIw利用軟件將通用計(jì)算機(jī)和儀器硬件結(jié)合起來(lái) w是一種功能意義上而非物理意義上的儀器w具有圖形化用戶界面，體現(xiàn)了“所見即所得”的思想。 w更新速度快，可維護(hù)性好，用戶可以定制其結(jié)構(gòu)和功能。 w采用模

11、塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)具有良好的開放性和可擴(kuò)展性。虛擬儀器的特點(diǎn)醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)w經(jīng)常測(cè)量的信號(hào)有：壓力、流速、溫度以及生物電w信號(hào)是時(shí)變、非線性的。 w生物醫(yī)學(xué)信號(hào)強(qiáng)度低，心電信號(hào)為毫伏級(jí)，離子通道的電流信號(hào)為皮安（pA）級(jí)。 w生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的頻段大多在低頻部分。w醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，需要同時(shí)采集不同的生物體信號(hào)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理和監(jiān)視。 虛擬心肺功能測(cè)量系統(tǒng) w由基于Labview編程的軟件作為系統(tǒng)的核心，分別聯(lián)結(jié)著傳感器（輸入端）以及控制端（輸出端）。w包含一套光譜計(jì)、快速響應(yīng)的多道氣體分析儀以及流速/流量分析儀。 w提供：耗氧量、肺總?cè)萘?、氣體擴(kuò)散容量、呼吸膜擴(kuò)散容量以及二氧化碳呼出量。w使用者是呼吸系統(tǒng)

12、專家、心血管專家、體檢醫(yī)生以及科研工作者。工作流程w被測(cè)者的數(shù)據(jù)由傳感器轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，然后由基于Labview的軟件控制系統(tǒng)采集。w以50至200Hz的采樣頻率同時(shí)采集16道模擬信號(hào)。 w輸出控制信號(hào)從而控制一系列繼電器，這些繼電器依次控制光譜儀以及氣體分析儀等外接設(shè)備。 優(yōu)勢(shì)w模塊化，將整個(gè)測(cè)試任務(wù)分解成多個(gè)子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)由一個(gè)子虛擬儀器來(lái)完成。w圖形化界面，借助于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，可以完成和普通電子儀器同樣的顯示、操作功能。 w靈活性，便于改變顯示窗口或者控件，節(jié)省開發(fā)時(shí)間和硬件成本。w數(shù)據(jù)處理能力，用戶可以通過(guò)編制框圖程序來(lái)定制數(shù)據(jù)處理子虛擬儀器，直接分析和處理獲取的信號(hào)。 虛

13、擬醫(yī)療儀器及因特網(wǎng) w虛擬醫(yī)療儀器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，可以創(chuàng)建功能強(qiáng)大的、靈活、經(jīng)濟(jì)的醫(yī)用虛擬儀器網(wǎng)。w用戶可以創(chuàng)建經(jīng)典的虛擬儀器，用因特網(wǎng)聯(lián)結(jié)在一起，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)激活使用。 網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器的特點(diǎn)w遠(yuǎn)程顯示：異地用戶可以在客戶機(jī)上看到服務(wù)器上遠(yuǎn)程顯示：異地用戶可以在客戶機(jī)上看到服務(wù)器上醫(yī)學(xué)信號(hào)。醫(yī)學(xué)信號(hào)。w遠(yuǎn)程操作：直接對(duì)服務(wù)器上的虛擬儀器進(jìn)行操作，遠(yuǎn)程操作：直接對(duì)服務(wù)器上的虛擬儀器進(jìn)行操作，發(fā)出控制指令從而直接控制醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理過(guò)程。發(fā)出控制指令從而直接控制醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理過(guò)程。w協(xié)同工作：用戶之間進(jìn)行信息共享。協(xié)同工作：用戶之間進(jìn)行信息共享。w分布式計(jì)算：利用多個(gè)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力以及硬件分布式計(jì)算：利用

14、多個(gè)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力以及硬件資源來(lái)完成繁重的的任務(wù)。資源來(lái)完成繁重的的任務(wù)。 虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)w利用虛擬實(shí)境技術(shù)開發(fā)的系統(tǒng)，可以幫助醫(yī)學(xué)院學(xué)生學(xué)習(xí)人體解剖學(xué)、病理學(xué)，進(jìn)行手術(shù)計(jì)劃，預(yù)測(cè)手術(shù)結(jié)果。 w虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)（Virtual Endoscopy-VE）是一種完全的無(wú)接觸式檢查手段 。 虛擬內(nèi)窺鏡的原理和發(fā)展 w對(duì)從對(duì)從CT、MRI、PET成像設(shè)備得到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維處理成像設(shè)備得到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維處理后，沿著一條定義好的路徑或人工指定一條路徑不斷刷新顯后，沿著一條定義好的路徑或人工指定一條路徑不斷刷新顯示，圖像數(shù)據(jù)中的不同部分就被不斷顯示出來(lái)，如同內(nèi)窺鏡示，圖像數(shù)據(jù)中的不同部分就被不斷顯示出來(lái)，如同內(nèi)窺鏡在人體內(nèi)作檢查。在人體內(nèi)作檢查。w第一代虛擬內(nèi)窺鏡運(yùn)用幾何模型，生成解剖結(jié)構(gòu)的第一代虛擬內(nèi)窺鏡運(yùn)用幾何模型，生成解剖結(jié)構(gòu)的3D 幾何幾何形狀，附加一些簡(jiǎn)單的交互操作，生成簡(jiǎn)單的飛行效果。形狀，附加一些簡(jiǎn)單的交互操作，生成簡(jiǎn)單的飛行效果。w第二代虛擬內(nèi)窺鏡使用第二代虛擬內(nèi)窺鏡使用CT、MRI 或其它圖像數(shù)據(jù)，能產(chǎn)生或其它圖像數(shù)據(jù)，能產(chǎn)生更逼真的圖像，增加了虛擬內(nèi)窺鏡