医学影像工作站的发展现状和趋势 张密, 吴效明华南理工大学生物医学工程, 广州 (510006) E-mail: mi.z@mail.scut.edu.cn 摘要 : 随着生物医学工程的发展, 影像工作站提高了工作效率和质量, 节省了资源, 其强大的图像后处理功能显著的提升了疾病治愈率 本文概述了医学影像工作站的基本概念, 发展状况, 发展趋势及其与 PACS 的关系 并尝试为其作了分类, 简要探讨了两种工作站的优缺点, 以便该领域的规范发展 关键词 : 医学影像工作站 ;PACS; 图像处理 ; 放疗计划系统 1. 引言 计算机及信息技术的飞速发展, 使医学诊断 治疗模式发生了巨大的改变, 使医疗活动从过去经验主导模式逐渐向更加科学 精确的数字化模式转变 医学影像工作站的发展与应用就是其中的一个突出表现 它通过对医学图像和信息进行计算机智能化处理后, 可使图像诊断摒弃传统的肉眼观察和主观判断 借助计算机技术, 可以对图像的像素点进行分析 计算 处理, 得出相关的完整资料, 为医学诊断提供更客观的信息 [1] 最新的成像技术不但可以提供形态图像, 还可以提供功能图像, 而且两种图像的融合和重建功能已经出现在许多商业化软件中, 使医学图像 诊断技术走向更深层次 [2] 1.1 医学影像工作站的概念目前用于临床和研究的影像工作站从简单 便宜的微机系统到复杂的包含硬件的大型系统参差不齐 基于我国的国情, 本文讨论的是狭义的医学影像工作站 ( 软件 ) 它是 PACS 系统的一个重要的子系统, 也叫 PACS 医学影像工作站 医学影像数字工作站, 是集当今世界先进的计算机数据存储技术 数字图像处理技术为一体, 在 Windows,Unix 或其他平台上研制开发的医学影像分析处理系统 工作站的基本结构图见图 1, 它的核心就是具有提升医学数据自动分析能力的图象处理 [3] 库 目前也出现了许多专用于医学影像处理的工具包, 著名的像 ITK,VTK 等 [4] 图 1 医学影像工作站基本结构图 - 1 -
1.2 医学影像工作站与 PACS 所谓 PACS 是一种利用医学影像技术 计算机软硬件技术和网络通信技术实现对医学影像检查设备如 CT MRI US X 线机 DSA 等所产生的数字化医学图像信息的采集 存储 管理 诊断 信息处理的综合应用系统, 是医学影像诊断发展的产物, 是医院信息系统的一个重要组成部分, 其组成主要有计算机 网络设备 内存及软件等 [5] 医学影像工作站涉及了 PACS 的两部分内容 : 医学图像数据存储和医学图像及其它信息的显示处理 可以说医学影像数字工作站是 PACS 发展的产物, 而反过来, 它的发展大大降低了建设 PACS 的成本 [6], 因此也推动了 PACS 的发展 2. 发展状况 2.1 PACS 的发展目前, 国外的研究 开发和应用已涉及 PACS 的各个方面, 包括成像设备的接入 网络传输 图形图像处理新方法应用以及 PACS 中关键组件标准化等问题研究 在他们的研究 开发与应用过程中, 大学与医院 公司与医院扮演了重要的角色, 并有着密切的合作关系, 使得 PACS 技术和应用逐步进入成熟期, 拥有大量的研究成果和成功的应用实例 美国 1992 年开始实施的医学诊断图像支持系统旨在为美国国内和海外的诸多医学节点安装 PACS 和远程医学放射系统 该项目为期 4 年, 有力的推动了大型 PACS 的安装和实际应用 在欧洲,20 世纪 90 年代已经有医院范围的 PACS 建立起来, 比如说伦敦的 Hammersmith 医院, 维也纳的 SMZO 医院等 日本在 1998 年, 有约 100 家医院安装了不同规模的 PACS 1989 年, 日本提出了图像保存和移动系统 (Image Save And Carry,ISAC) 概念,ISAC 与 PACS 的不同之处在于它是离线系统, 而 PACS 是在线系统 日本 PACS 协会和医学信息系统开发中心负责 ISAC 系统的标准化和发展工作 [7] -[10] 目前国内医院的发展情况大体相当于国外 90 年代初期水平 各大医院都在不同程度上建立了实用的医院管理信息系统, 并正在从单纯的医院管理信息系统逐渐发展临床诊疗信息系统 近年购置的医学图像设备普遍具有 DICOM 3.0 接口, 这使建立实用的医学图像管理系统具有了充分的基础 目前, 北京 上海 广州的一些大医院正在谋求购买或合作开发 PACS 系统, 有些医院已经建立了小规模的, 试验性的系统 由此可以预计,PACS 在最近几年内 [11] 已经在国内大中城市开始普及 [12] 2.2 医学影像工作站的发展伴随着 PACS 的发展, 医学影像工作站也经历了飞速的发展 总体来说, 在这方面, 我国的发展水平仍与国外有一段距离 2.2.1 国外发展概况各国的 PACS 影像工作站研究和发展各具特点 : 美国 PACS 影像工作站的研究和开发是在政府和厂商的资助下来进行的 ; 欧洲的 PACS 影像工作站由跨国财团 国家或地区的基金来支持, 研究小组倾向于与某个主要厂商合作, 着重于 PACS 建模和仿真及图像处理部件的研究 ; 日本将 PACS 影像工作站研究和开发列为国家计划, 由厂商和大学医院来共同完成, 厂商负责 PACS 系统集成和医院安装, 医院负责系统临床评测, 而且系统技术指针固定, 没给医院研究人员留有多少修改的空间 [13] 国外还注重该领域标准的制定, 比如美国放射医学学会 / 国家电 - 2 -
气制造商协会数字成像和通讯标准等已经商用 [6], 还有部分研究人员专注于图形图像专门语言的开发上, 以期提升实时性和准确性 [14] 当前用于临床的典型工作站有: 美国宾夕法尼亚大学的 MIPG 小组的 3Dviewnix 系统, 纽约州立大学的 VolVis 系统,GE 公司的 GE Medical System 产品等 国外的大型 PACS 厂商如 GE, 柯达和西门子开发的医学影像工作站, 具有强大的影像处理技术, 但在进入中国市场后, 他们存在的一个明显劣势就是不注重和信息管理系统的整合 [15][16] 2.2.2 国内发展概况我国为了提高医院的现代化管理水平和工作效率, 自 20 世纪 90 年代起, 就开始关注医疗管理信息系统的建设, 相应地建立了不同规模的医院信息系统 医学影像工作站技术也同时得到了空前的发展 但因国内的研究与应用起步晚, 国家的扶持力度相对国外任然较低, 因此总体水平还不高, 各个研究机构和开发公司的水平参差不齐, 其应用仍然未达到世界水平 相对于 PACS, 国内市场上的医学影像工作站产品层出无穷, 最常见的是超声影像工作站, 还有诸如内窥镜影像工作站, 放射影像工作站, 心电工作站, 超高倍显微影像工作站等等 随着国家金卫工程的进展, 我国的一些研究机构 医疗单位和商业公司都进入了该领域的研究 2000 年, 我国第一项医学影像工作站软件技术得到政府认定, 由上海岱嘉医学影像系统有限公司向台湾地区引进的 ADV 影像工作站软件 (2.1 版 ) 技术已被 上海市高新技术成果转化项目认定办公室 认定为上海市高新技术成果转化项目 2006 年 3 月 29 日, 由威尔科技和中科院自动化研究所共同承担的 数字三维超声工作站 -3Dultra 课题在珠海顺利通过国家科技部 863 计划机器人技术主题专家组的现场验收, 成果转化也初见雏形 同时, 全国部分著名高校的相关专业也陆续介入到影像工作站的研究工作中, 而且成果显著 例如 : 浙江大学计算机应用技术专业的张利佩同学的硕士论文 PACS 系统中医学影像诊断工作站的研究与实现, 山东大学信号与信息处理专业的陈力华同学的硕士论文 新型 DICOM 超声影像工作站的设计及其若干关键技术问题研究 等 据本人不完全统计, 截止 2007 年, 我国专业从事医学影像信息系统开发的企业就已经到达近百家 比如有 : 北京广拓科技的集成化实时医学影像诊断级工作站 --Aquarius 全能工作站, 中外合资北斗科贸的医学影像工作站等 [17]-[18] 发展至今, 医学影像工作站已经在许多医院得到广泛的应用, 为 PACS 工程的深入铺好了基石 但也呈现沿海城市发展较快的不平衡发展趋势 3. 医学影像工作站分类及应用 3.1 医学影像工作站的分类 医学影像工作站的分类方法有很多种, 由于其还处于迅猛发展阶段, 在生物医学界还没有一个标准的分类方法 本文尝试为其做以下分类 按照其服务的成像设备可分为 :CT 影像工作站 超声影像工作站 MRI 影像工作站等 ; 按照它所在的科室可分为 : 放射科的放疗计划系统 手术外科的手术导航系统 内窥镜影像工作站等 按照其用途又可分为 : 教学用影像工作站 研究用影像工作站和商用影像工作站 同时, 这些分类中又有交叉部分, 本文只抛砖引玉, 盼有更为规范的表述 - 3 -
3.2 两种具体工作站的应用现状 3.2.1 超声影像工作站 应用 : 该类型工作站已经广泛应用于医院的相关科室, 它一般具有以下功能 : 基本信息设置 词库编辑器 ( 对具体的受检查器官或部位进行超声描述及给出超声结论 ) 报告编辑 图像参数设置及视频设置, 查询, 统计, 采集图像的后期处理等 缺陷 : 这里就国产化的软件讨论一下,1 工作站软件多是最近几年编写的, 故大多数程序存在缺陷, 不够稳定, 容易和其它软件发生冲突, 导致计算机运行变慢, 甚至死机, 因此需要逐渐改进和优化 2 超声工作站的某些功能需要进一步改善, 以便适应实际工作的需要, 如图像捕捉功能, 一般来说被捕捉图像的底色为黑色 ( 与超声仪显示器上的图像一致 ), 且底色范围较大, 而真正显示病变部位的图像相对较小, 这样打印出来的图片大部分为黑色, 非常浪费墨水, 如果将底色改变成灰色或白色则可起到节约的效果, 这一点通过增加软件的功能可得到解决 观点 : 超声工作站的应用使超声工作者的工作效率大大提高, 减轻了手工书写的烦琐和易出错的缺陷, 为储存病例数据和病人检查的前后对比提供了方便条件, 也为数字化医院建设中影像归档与影像数据的长期保存提供了保障, 是现代化办公必不可少的软件之一, 应当大力推广 [19] 文本信息处理方面, 与国外相比, 我国已基本没有差距 但在应用上, 国外已经将超声影像应用于手术导航系统 [20,], 领先于我国 3.2.2 放疗计划系统 (Treatment Planning System,TPS) [4] 目前, 医学影像工作站最成功 最重要的应用就在放射治疗领域的放疗计划系统了 [21], 它已经成功从二维过度到三维 三维 TPS 的优势显而易见 在这里就不多说了, 以下主要介绍其特点 应用 :TPS 实现了对 CT MRI PET 等医学影像的编码解析和基于断层图像的三维重构, 允许放疗科医师在断层图像上勾画肿瘤靶区及正常组织, 并由放疗物理师通过其模拟放疗过程 计算放射线在人体内的剂量分布, 最终给出对放疗计划的评价 一个典型的三维放疗计划系统具有以下功能特点 :1 治疗部位解剖结构的三维描述( 包括患者坐标系的确立 ) 2 带有立体定位框架标记的 CT/MRI 等影像的获取 3 照射野和照射源应有三维空间位置的描述, 并可在任何方向上显示其位置 4 剂量计算应在三维剂量网格上进行, 剂量网格应包括靶区和医生感兴趣区的范围 5 具有射野仿真的功能 6 具有逆向计划(inverse planning) 的功能 从这些特点可以看出, 现代医学图像处理技术在 TPS 发挥着相当重要的作用, 而 TPS 是医院放射科的核心力量, 放疗计划系统是放疗中的心脏部分, 如果这部分的运作不灵那可能整个治疗都是没有意义的 这样一组数据可以间接证明 TPS 在现代肿瘤治疗中的重要地位 :1973 年统计了北京 上海 广州及杭州四家肿瘤医院治疗的病人, 其中 65% 一 75% 的患 [22] 者在治疗过程中接受过放射治疗 [23][30] Tubiana [24] 等人报道 45% 的恶性肿瘤可以治愈, 其中 18% 是依赖于放射治疗而实现的 在美国, 每年约有 60% 的癌症接受放射治疗 缺陷 :1 目前其最大的缺陷是价格昂贵, 国外的一些巨头如西门子, 通用的 TPS, 价格一般在上百万元左右, 国产的也在几十万元以上, 如东南大学的 TPS 价格为 80 万 2 国内的计算方式 方法不够先进, 功能单一 很少有能够达到世界水准的, 而且有很多产品不能升级 3 界面不够友好, 大型的 TPS 基本上都使用 UNIX 操作系统, 用户上手比较忙, 操作也不太方便 4 在效率的提高上仍然有较大潜力, 一般的 TPS 每次计算剂量的时间比较慢 观点 :21 世纪将是精确放疗的时代, 作为 精确定位, 精确治疗设计, 精确治疗 的中 - 4 -
心环节, 放疗计划的好质量 高效率势在必行 TPS 的使用, 使得放射科的工作效率大大提高, 以前需要半天甚至几天要完成的放疗在一两个小时内就可完成, 其图像融合, 优化计算 [25] 等功能可以帮助医生 物理师更充分掌握病变信息, 更精确的制定出放疗计划 [26] 4. 结论 在不远的将来, 医学影像工作站必将普及到各个医院 在北美放射学会 RSNA2007 年会上, 区域影像中心 三维重建 计算机辅助诊断 CAD 应用 弥散技术 医学影像的图像融合等技术成为与会者交流最多的热点 由此可知, 工作站今后的发展可能会在以下的几个方面进行探索和研究 1) 提升感兴趣特征的获取质量, 进一步拓展特征范围 开发更先进的数据挖掘方法, 实现多个特征提取器的联合使用, 由进行简单病灶识别向疾病性质分析转变, 摆脱目前局限的辅助检测功能 2) 增加对图像合法性的检查, 确保 PACS 中医学图像传输的精确性 3) 开发可以共用的特定功能模块 缩短医学影像工作站的开发周期, 扩展其通用性功能, 推出万能影像工作站, 使得一套影像工作站可以用于医院的多个科室 比如说, 西门子 PACS 中的虚拟内窥镜功能就是整合了 Viatronix 公司的虚拟内窥镜功能模块而实现的 4) 集成一体化 将应用级的影像工作站软件直接装入现有的影像设备, 形成片上系统, 缩短图像的传输距离, 实现实时动态检测 5) 将现有的专家系统 知识发现系统和用于治疗的影像工作站进行融合, 完善人机交互 [21] [27]- 诊断模式, 支持视频格式的数据, 开发出性能良好 接近医学专家水平的工作站 [29] 限于作者的知识, 本文仅对工作站的总体发展状况 趋势以及特点作了简单介绍, 工 [31] [32] 作站的显示技术, 网络架构及具体的图像后处理技术等的发展并未涉及 21 世纪, 国家加快推进高新科技领域自主创新能力建设, 医学影像工作站作为 PACS 工程的重要部分, 必将在图像处理方面继续深入发展, 进一步与医学成像设备的发展同步, 并引领医学成像设备的升级换代 参考文献 [1] Strickland Nicola H.,"Can PACS make a radiology department more competitive",european Journal of Radiology,Volume:32,Issue:2, 1999,P 113-115. [2] 李敏. 论医学影像数字工作站与医疗工作的关系 [J]. 现代仪器 2001 年 02 期,P1. [3] Fasquel, J.-B.; Agnus, V., Improving genericity and performances of medical systems based on image analysis[j]. Computer-Based Medical Systems, 2005. Proceedings. 18th IEEE Symposium on 23-24 June 2005 Pages:247 252. [4] Y. Kim, J. B. Fahy, et.al.,development of a PC-based Radiological Imaging Workstation[J] Journal of Digital Imaging, Volume 16, Number 1 / 2003.03,P 104-113. [5] 薄夫军, 董海斌. 医学影像存盘与通讯系统发展概况 [J]. 实用医药杂志 2007 年 01 月第 24 卷第 01 期,P104. [6] RonaldL. Arenson, DevP. Chakraborty, SridharB. Seshadri and HaroldL. Kundel, The Digital Imaging Workstation[J], Journal of Digital Imaging, Volume 16, Number 1 / 2003.03 P142-162 [7] EM.Van Gennip,Challenges and opportunities for technology assessment in medical informatics-case Study:PACS,Med-Inf-Lond,1993,209-218. [8] Lemke Heinz U.,PACS developments in Europe[J],Computerized Medical Imaging and Graphics,Volume:27,Issue:2-3, Pages:111-120,2003. [9] K.Inamura,H.Kondoh,H.Takeda,Development and operation of PACS/teleradiology in Japan[J],IEEE Communications Magazine,Volume:34,Issue:7,Pages:46-51,1996. [10] Inamura Kiyonari,Kousaka Susumu, et.al.,pacs development in Asia[J],Computerized Medical Imaging and Graphics,Volume:27,ssue:2-3,2003,Pages:121-128. - 5 -
[11] 杨力. 国内医院上 PACS 之我见 [J]. 医学信息,2004,17(11) :720. [12] 李军医学影像存档与通信系统 (PACS) 的发展和意义 [J] 现代医用影像学 2007.04 P189-190 [13] 崔现成. PACS 影像工作站综述 [J]. 医疗装备,2007.08. [14] Shigeru Muraki and Yasuyo Kita, A Survey of Medical Applications of 3D Image Analysis and Computer Graphics[J], Systems and Computers in Japan,Vol.37,No.1,2006,P 13-35 [15] 陈敏 PACS 发展趋势与系统实施的研究 [J] 中国数字医学 2007.8 P29-31. [16] 廖明朗影像科 PACS 的实施 [J] 中国中西医结合影像学杂志 2007.4 P313-314. [17] 曹厚德. 我国第一项医学影像工作站软件技术得到政府认定 [J]. 医学影像学杂志 2001 年 01 期,P32; [18] 张利佩,PACS 系统中医学影像诊断工作站的研究与实现 [D], 长春 : 吉林大学,2005. [19] 栗建辉超声工作站的功能和使用中的问题 [J] 医疗设备信息 2007.6,P56-57. [20] Toril A. Nagelhus Hernes, Frank Lindseth,et.al.Computer-assisted 3D ultrasound-guided neurosurgery: technological contributions, including multimodal registration and advanced display, demonstrating future perspectives[j],the International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted SurgeryVolume 2, Issue 1, 2006.03, P 45-59 [21] David S. Hirschorn and Steven C. Horii,PACS Workstation Software[M], Publisher: Springer New York,2006, P386-430 [22] 张力方. 数字元化放射科的设备配置 [J]. 中国医学装备,2004,1 (3) :40242. [23] 胡逸明, 肿瘤放射物理学 [M] 北京 : 原子能出版社,1999, P440-450. [24] Tubiana M.The role of local treatment in the cure of cancer[j].eur J Can-cer,1992,P 2061-2069. [25] A. Anitori, A. Ricci,et.al.lm-densitometric verification of the Hogstrom algorithm used in PLATO treatment planning system (TPS) [J].Physica Medica,, Available online 18 January 2008 P1-6. [26] 马志乾, 刘津来. BJRTPS-2001 型三维放疗计划系统临床应用探讨 [J] 医疗装备 2003.09 P170-171 [27] Yen-Cheng Chen,et.al.Fingerprint verification on medical image reporting system.computer Methods and Programs in Biomedicine[J], Volume 89, Issue 3, March 2008, P 282-288. [28] M.Alper Selver,F.Fischer,M.Kuntalp,W.Hillen,A software tool for interactive generation,representation,and systematical storage of transfer functions for 3D medical images[j],comput.methods Programs Biomed.86(3)(2007) P 270 280. [29] Kovalerchuk B,Vityaey E,Ruiz JF.Consistent knowedge discovey in medical diagnosis[j].ieee Engineering in Medicine Biology,2000,9(4),P 26-37. [30] 朱健放疗计划系统网络体系的设计与实现 [J] 生物医学工程研究 2007.02 P208-211. [31] 刘兵全, 何继善, 李振伟, 涂蓉. 医学图像后处理研究进展 [J] 国外医学. 生物医学工程分册, 2004,04. P248-251 [32] Xiao Hui Wang, Walter F. Good, Real-time stereographic rendering and display of medical images with programmable GPUs[J], Computerized Medical Imaging and Graphics, Volume 32(2), 2008.03, P 118-123 The Progress and Development Trend of Medical Imaging Workstaion Zhang Mi, Wu Xiaoming Biomedical Engineering of South China University of Technology, Guangzhou, PRC (510006) Abstract With the development of biomedical engineering,imaging workstation has improved the efficiency and quality, saved resources. Its strong image post-processing function has greatly improved clinical diagnostic outcome.. This paper summarizes the concept of medical imaging workstation, introduces its status, trend and the relationship with PACS. Also tries to classify it, discusses two workstations' application, aim to promote criterion development of this area. Keywords: Medical Imaging Workstation, PACS, Image Processing, TPS - 6 -