PACS系统中医学图像的交互式异地存储系统
【摘要】 主要讨论灾害或服务器出现了不可预料的安全问题情况下如何保存PACS系统中的医学图像，提出了一种新的存储方法，基于这种方法建立了交互式异地存储系统来解决无限存储和安全存储问题。另外还介绍了图像的无损压缩，提出了三个无损压缩的方向。
【关键词】 医学图像； 交互式异地存储系统； 无损压缩
1 引言
医生在对病人进行诊断和的过程中，第一步要做的是取得足够的有关病人状态的信息。图像所含有的信息要比文字描述更丰富直观。随着技术的发展，各种医学图像得到迅速的发展。
1895年11月8日．德国物家伦琴(Wilhelm Gonad Roentgen)发现“X”射线，100年来，X光照相技术在临床医学上得到广泛的应用，成像技术也得到了不断的发展， 但是X光图片不能反映组织或病灶的三维空间位置。随着机技术的飞速发展,它和反投影图像重建技术相结合构成计算机断层扫描技术(Computed Tomography，简称CT)，医学图像就三维立体化了,使人们能够看到人体的内部。正发射断层扫描成像技术(Positron Emission Tomography，简称PET)是医学图像发展史中又一重大事件,一般医学图像反映的是人体的静止状态，PET图像则能反映其生命过程,它在研究人体生理、病理，肿瘤成因，代谢机制，药物动力学及脑科学方面都有十分重要的价值。由于成像的原理不同,存在有多种成像模式(Imaging Modalities)，主要分为描述生理形态的解剖成像模式(Anatomical Imaging Modality)和描述人体功能或代谢的功能成像模式(Functional Imaging Modality)。表1给出几种主要的成像模式。如今人体三维图像已经发展到很高的水平。著名的可视人项目(Visible Human Project)就是一个例子,其图像是以分层形式组织的,可视人数据集已经成为人们研究医学图像和解剖教学的重要工具,一个洞悉人体奥秘的时代为期不远了。
医学图像所包含的生理信息和病理信息十分丰富，使医生对疾病的诊断变得更加的准确，它对于患者、医生和都具有举足轻重的作用，因此它的存储、安全问题就变得非常重要。也就是说，医学图像不但具有普通图像的特点：更具体、生动地表现一个事物的相关信息，还得加两个十分重要的附加条件：一是必须十分真实的展现事物的本身；二是医学图像自身的安全。
本研究主要讨论了在出现了自然灾害或服务器出现了不可预料的安全问题情况下如何保存PACS系统中的医学图像，提出了一种新的存储方法，基于这种方法建立了交互式异地存储系统来解决无限存储和安全存储问题；本研究还介绍了图像的无损压缩，提出了三个无损压缩的发展方向。表1 多种成象模式（略）
2 医学图像的存储和压缩
从结构上讲，图形文件分为两种，即位图和矢量图。位图中，图像由许多的屏幕小点（像素）组成，像素的分散性使动态图像的表达显得困难，会有像素丢失造成的图像失真。矢量图弥补了这种不足,能无限放大、缩小而不失真,不需要将图像每一点的状态记录下来，因而比相同质量和大小的位图占用的空间少得多，它还可以方便地制作动画。现在所用的各种图像存储方式，如BMP（Bitmap）JPEG（Joined Photographic Experts Group）、 GIF、 PNG(GIF补丁版)、 PCD等都是基于这两种基本图像原理。
随着计算机断层扫描(CT)、核磁共振(MR)、心血管造影和超声成像设备的大量出现，它们之间的通信，信息交换问题也越来越显得严重了。为使不同的医疗设备能有效地进行信息交流，美国放射学会(American College of Radiology, CR)和美国电器制造商协会(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)组织制定的专门用于医学图像存储和传输的标准，即DICOM标准(Digital Imaging and Communication of Medicine),它是随着图像化、计算机化的医疗设备的普及和医院管理信息系统，特别是图像存档和通信系统(Picture Archiving and Communication System, PACS)和远程医疗系统的发展应运而生的,DICOM标准解决了在不同的地点、不同设备制造商、不同国家等复杂的环境下的医学图像存储和传输的问题。
医学图像的存储占据大的惊人的存储空间, 其中含有很多的无用信息，浪费宝贵的数字资源，必须进行有效的图像压缩再进行存储，由于医学图像的特殊性，在进行图像压缩时不能丢失任何对它有用的信息。图像压缩有两种，一是有损压缩，另一种就是无损压缩,为了不丢失图像的有用信息，对于医学图像只能采用无损压缩。
无损压缩的基本原理是相同的颜色信息只需保存一次。从本质上看，无损压缩的方法可以删除一些重复数据，大大减少图像在磁盘上保存占据空间, 它的优点是能够比较好地保存图像的质量，但是相对来说这种方法的压缩率比较低,并且不能减少图像的内存占用量。对于医学图像的无损压缩，它的发展有三个主要方向：一是削除医学图像的编码冗余来达到无损压缩；二是削除医学图像的像素冗余来达到无损压缩；三是削除视觉心理冗余来达到医学图像的无损压缩。
如果一个图像的灰度级编码，使用了多于实际需要的编码符号，就称该图像包含了编码冗余。如果用8位表示该图像的像素，我们就说该图像存在着编码冗余，因为该图像的像素只有两个灰度，用一位即可表示。
像素冗余，由于任何给定的像素值，原理上都可以通过它的邻居预测到，单个像素携带的信息相对是小的。对于一个图像，很多单个像素对视觉的贡献是冗余的。这是建立在对邻居值预测的基础上，例如：原图像数据：234 223 231 238 235，压缩后数据：234 11 -8 -7 3。
视觉心理冗余，一些信息在一般视觉处理中比其它信息的相对重要程度要小，这种信息就被称为视觉心理冗余。
常用的图像的压缩方法有行程长度编码（run-length encoding）、LZW（Lempel，Ziv，Welch）编码、霍夫曼编码（Huffman encoding）、预测及内插编码、矢量量化编码、变换编码、模型编码等。
3 医学图像的无限存储和安全存储
医学图像所包含的生理信息和病理信息十分丰富，使医生对疾病的诊断变得更加的准确，它的存在还有其它很多方面的意义：比如病情的复查、病情的进展情况，病人对病情的查询，这都是需要将医学图像长期保存的理由，对于患者、医生和医院都具有举足轻重的作用，它的存储、安全就变得非常重要。国家有法规规定，医院对患者的X光片等必须保存十年以上，以便于查阅。在网络和计算机技术十分发达的今天，绝大多数的医院还是用专门的房间来保存那些X光片、CT片等医学图像，这种方法浪费了惊人的人力、物力和财力，实在是一个不科学的做法。为何医院仍旧采取原始的方法来保存这些医学图像呢？那是因为医学图像对于患者、医生和医院的极其重要性，目前还没有一种非常安全的医学图像存储系统让医院实施用计算机来管理、储存各种医学图像，因此成功地解决医学图像绝对安全存储问题具有重要的实际意义和理论价值。
PACS系统是对医学影像及其相关信息实现计算机化和网络化管理的系统，一般PACS系中的设备包括CT、MRI、DSA、CR、DR、经数字化改造后的传统胃肠设备、激光胶片打印机、图像处理工作站，以及添加的报告工作站、肖像型监视器工作站、胶片扫描工作站、注册登记工作站、教学和读片投影工作站等，它有两个十分重要的作用：第一，它是一个信息交流的平台；第二，它是一个巨大的数据库，里面存储着十分重要的医学数据，最主要的数据就是医学图像。保证医学图像能够在PACS系统中安全存储是十分重要的，它是一个PACS系统的核心问题之一。
医学图像数据量大，每天都会有大量的新的图像需要保存。虽然现在已有公司提出并生产出了1T的硬盘，但它总有一个被存储满的时候。在PACS系统中，常会出现海量的概念，实际是使用硬盘阵列来完成的。本文提出了交互式无限存储医学图像的概念，其实行方案如下：
采用两台配置先进的计算机作图像存储服务器，一台做为主机，一台是备份机，二者同时接收从医疗设备传来的原始图像并进行图像压缩存储，其图像存储、传输标准均使用国际通用标准DICOM标准。主机和备份机之间每隔一定时间周期通过一个互补算法进行比较数据是否一致，如果不一致，有新图像的那台计算机立即传输新图像到另一台计算机，维持两台计算机信息的一致性，一段时间后当计算机硬盘被存储满时，再给主机和备份机更换新的硬盘，开始新的存储，这样交替存储，从而实现无限存储，无限存储方案图见图1。
如今计算机技术和网络技术的飞速发展，可以轻松实现将信息一分为二和两台计算机相互检测、实时更新， 但无论是海量存储，还是本研究提出的交互式无限存储，在数据量很大的情况下，查询是一个非常费时的技术难题。本研究运用了数组和索引的思想解决这个问题。首先，在每一次更换硬盘时，对它进行存档符号标识，标明这块硬盘上存储的医学图像相关信息，并建成一个专门的数据库进行管理，这样就大大地缩短了查询时间，达到了快速查询的目的。
一个完整的PACS系统，并非仅仅只要一个交互式无限存储系统就足够，它还要解决一个最重要的问题安全问题，这是PACS系统存在的意义。目前许多公司开发的PACS系统都具备一定的安全性，但如果出现了突如其来的灾害或存储图像的服务器出现了不可预料的漏洞病毒，现有的PACS系统就会发生崩溃，医学图像的安全存储问题无法得到保障。为解决这个问题。本研究对上面提出的交互式无限存储的方案进行改进，就能够有效保证图像的安全存储，改进方案如下：
第一，将两台交互式图像存储服务器放在异地，主服务器和备份服务器形成一个交互式异地远程存储系统，达到抵制突如其来的自然灾害的目的；
第二，将两台交互式图像存储服务器装上不同的操作系统，一台用熟悉的Windows系统，另一台用功能强大的Linux系统，由于系统漏洞不可能同时发生在两个完全不一样的操作系统上；
第三，开发针对性很强的软件来保证两台服务器之间所构成的局域网的安全，即要确保两台电脑实时对比更新的是图像，不能让病毒通过这个局域网传播，两台服务器分别装上不同的杀毒软件和防火墙，服务器严禁使用一些可能传播病毒的外设，有效预防病毒的侵害。
注：影像存储归档（A）和影像存储归档（B）即为交互式异地PACS系统的两个数据存储服务器，它们分别位于不同的楼房内，装有不同的操作系统和杀毒软件等。
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