基于VS和SQL的數(shù)字PACS系統(tǒng)設(shè)計

韋偉+朱俊+陳琳琳+劉偉

目前國內(nèi)X光機(jī)成像急需數(shù)字化改造，構(gòu)建成數(shù)字化醫(yī)院。針對這一問題，在VC++.net架構(gòu)上，設(shè)計和實現(xiàn)了一整套數(shù)字化醫(yī)院PACS操作軟件。主要包括建立管理數(shù)據(jù)庫，通過以太網(wǎng)方式采集圖像并轉(zhuǎn)換成DICOM3.0格式，對圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理及膠片和報告的打印等內(nèi)容。通過現(xiàn)場的聯(lián)合調(diào)試，性能良好，滿足了醫(yī)院的實際使用需求。

【關(guān)鍵詞】PACS 以太網(wǎng)傳輸 DICOM圖像 圖像增強(qiáng) 膠片打印

1 引言

PACS（Picture Archiving and Communication Systems，影像歸檔和通信系統(tǒng)）是數(shù)字化醫(yī)院的重要硬件支撐，包括獲取圖像、圖像管理、圖像處理、圖像歸檔等內(nèi)容。該系統(tǒng)起源于美國陸軍的遠(yuǎn)程放射診斷系統(tǒng)項目。隨后，美國及歐洲、日本的很多科研機(jī)構(gòu)開始研究商業(yè) PACS 系統(tǒng)。目前，西門子公司生產(chǎn)的 PACS 系統(tǒng)比較著名，在很多歐美國家使用。在我國，研究開發(fā) PACS 系統(tǒng)比較晚，到目前為止，只有一些大型醫(yī)療機(jī)構(gòu)使用 PACS 系統(tǒng)，其規(guī)模較小，即為小型化、迷你化的 PACS 系統(tǒng)。主要原因是PACS 系統(tǒng)價格昂貴、遠(yuǎn)程醫(yī)療不發(fā)達(dá)、標(biāo)準(zhǔn)化程度不高等。我國生產(chǎn) PACS 系統(tǒng)的廠家較少，主要有中聯(lián)醫(yī)學(xué)圖像系統(tǒng)、永安科技和東軟系統(tǒng)。目前國內(nèi)的一些大醫(yī)院逐步淘汰模擬X射線機(jī)和普通的暗室洗片，而開始使用數(shù)字化DR攝影設(shè)備，結(jié)合數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)，組成醫(yī)療診斷系統(tǒng)，所以PACS系統(tǒng)的研究和開發(fā)具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2 系統(tǒng)工作原理

PACS是一套可用于X光機(jī)成像的軟件系統(tǒng)，其主要功能是采集和保存X光機(jī)所拍攝的海量醫(yī)學(xué)圖像，通過圖像加密技術(shù)并對圖像進(jìn)行處理，提供病理信息和診斷依據(jù)，可在授權(quán)的情況下通過外部接口進(jìn)行圖像的傳輸，醫(yī)生及專家在授權(quán)情況下進(jìn)行查看 PACS 系統(tǒng)中的圖像信息，進(jìn)行診斷。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)以Visual Studio.Net 為框架，以模塊化和嵌入式為技術(shù)指導(dǎo)思想，以SQL Server、Quartus為開發(fā)工具，完成了一個PACS完整系統(tǒng)的實際開發(fā)。本系統(tǒng)組成如圖1所示。

3.1 病人信息登記

信息登記是將病人的姓名、ID號、年齡、性別及注冊日期等基本信息錄入到醫(yī)院的PACS系統(tǒng)中統(tǒng)一管理。本系統(tǒng)采用SQL Server 2005作為數(shù)據(jù)庫引擎，在SQL Server的環(huán)境下編寫數(shù)據(jù)庫文件，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫。設(shè)置主數(shù)據(jù)文件名稱（PatientManager）及其初始大小、增長最大值及增長率。設(shè)置日志文件文件名及其初始大小和增長值。創(chuàng)建含有病人基本信息的數(shù)據(jù)表、病人圖像數(shù)據(jù)表格（包括圖像拍攝大小、保存路徑及生成日期等）、病人診斷報告信息表（包括病人ID、病情及診斷記錄等信息）。

在VS系統(tǒng)中編寫對話界面，輸入病人的ID、姓名、年齡等個人信息，并將這些信息錄入到創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫中。MFC訪問數(shù)據(jù)庫常用的技術(shù)是ADO，它提供了訪問對象鏈接和嵌入數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用程序編程接口。VC++.net為開發(fā)ADO應(yīng)用程序提供了動態(tài)連接庫。使用前先導(dǎo)入ADO類型庫，在stdafx. h 文件里直接使用#import引入，#import " C: Program Files Common Files Systemado msado15. dll"之后調(diào)用CoInitialize進(jìn)行OLE/COM數(shù)據(jù)庫初始化，聲明一個指向Connection對象的指針，創(chuàng)建對象的實例并連接數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建記錄集。

CoInitialize(NULL);//初始化OLE/COM庫環(huán)境

pConn.CreateInstance("ADODB.Connection");//初始化Connection指針

pRst.CreateInstance("ADODB.Recordset");//初始化Recordset指針

pConn->ConnectionString = (_bstr_t)GetConnectionStr();//數(shù)據(jù)庫的連接字符串

pConn->Open("","","",adConnectUnspecified);//打開數(shù)據(jù)庫連接

通過病人信息輸入對話框，讀取病人的基本信息，并將這些信息存入結(jié)構(gòu)體iSqlSentence中。病人的信息輸入后調(diào)用pConn->Execute((_bstr_t)iSqlSentence,NULL,adCmdText); 將信息存入數(shù)據(jù)庫中。

3.2 圖像獲取

PACS系統(tǒng)和高壓發(fā)生器配合，接收高壓發(fā)生器傳輸?shù)腒V、mAs、劑量水平及曝光時間信號，在軟件里設(shè)置曝光時間，再接收高壓發(fā)生器的外觸發(fā)信號后進(jìn)行觸發(fā)曝光成像。PACS系統(tǒng)采用CCD作為圖像探測傳感器，采用碘化銫（CsI）作為DR探測器的主要閃爍材料，經(jīng)過X射線曝光后，將X射線光子轉(zhuǎn)換為可見光，再由CCD探測器變?yōu)閳D像電信號，最后獲得數(shù)字圖像。本系統(tǒng)所采用的CCD為柯達(dá)公司的KAF16803高分辨率圖像探測器，在輸出屏后端配有聚焦光學(xué)鏡頭成像，再輸入計算機(jī)進(jìn)行圖像處理。KAF16803是一款單輸出的高性能全幀型CCD圖像傳感器，有效分辨率為4096×4096，像元數(shù)量為16M，最小像素尺寸為9um×9um，兩相驅(qū)動讀出，最大支持10MHz的采樣頻率，實現(xiàn)高速高分辨率成像。AD轉(zhuǎn)換芯片是AD9824，片內(nèi)含有最高30MS/s相關(guān)雙采樣電路（CDS），并且可以編程控制其內(nèi)部增益放大器。KAF16803行列像素轉(zhuǎn)移所需要的驅(qū)動信號，AD轉(zhuǎn)換及鎖存信號由FPGA在Quartus環(huán)境下采用Verilog語言變成用狀態(tài)機(jī)的方法實現(xiàn)。這些信號通過電壓轉(zhuǎn)換（LM317/LM337）和脈沖驅(qū)動芯片（DS0026）經(jīng)過調(diào)整后加載到各自元件上。

CCD探測器與采集計算機(jī)通過千兆以太網(wǎng)進(jìn)行連接，采用MAC加PHY芯片的結(jié)構(gòu)組成千兆以太網(wǎng)傳輸模塊。具體采用AX88180作為數(shù)據(jù)鏈路層MAC控制器，采用88E1111作為自適應(yīng)物理層傳輸芯片。AX88180及88E1111的編程通過在FPGA中建立NIOS II軟核來實現(xiàn)。首先用Verilog語言編寫AX88180基于NIOS II總線（Avalon）接口的IP內(nèi)核，然后編程對AX88180內(nèi)置256字節(jié)的配置寄存器進(jìn)行配置初始化，參考亞信電子相關(guān)資料進(jìn)行初始化編程。采用Verilog語言編寫高效率的HDL語言封包程序。封包程序參考TCP/IP協(xié)議。為了滿足程序良好的兼容性，便于移植，PC端軟件采用Wincap類庫編寫程序來捕獲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。圖像采集流程圖2所示。

3.3 圖像保存

16M像素所生成的圖像裸數(shù)據(jù)為32Mbyte，為了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)信息共享，需要將裸數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為DICOM標(biāo)準(zhǔn)格式。DICOM格式完整的定義了醫(yī)學(xué)影像及相關(guān)信息的消息格式及傳輸機(jī)制，使得影像信息在醫(yī)學(xué)設(shè)備間的交換更加有效。DICOM標(biāo)準(zhǔn)也一直在完善中，本系統(tǒng)的3.0版本，文件后綴為.DCM。DICOM實際上是一種文件封裝方式，一般由DICOM文件元信息和描述DICOM SOP類實例的數(shù)據(jù)集合而成。每個DICOM文件都有兩部分組成：頭文件信息和數(shù)據(jù)集。DICOM文件頭包含了數(shù)據(jù)集合的相關(guān)信息，包括文件的SOP、UID及傳輸格式等。數(shù)據(jù)集放在頭文件之后，代表了一個SOP（Service-Object Pair）實例，主要包括醫(yī)學(xué)圖像以及許多和醫(yī)學(xué)圖像有關(guān)的信息，如病人姓名、圖像大小等。文件頭元素采用顯示格式（Explicit VR）編碼，各個數(shù)據(jù)元素的排列按照標(biāo)簽數(shù)值從小到大的傳輸格式編碼。標(biāo)簽是一個4字節(jié)的無符號整數(shù)，它被人為地分為兩個部分: 組號(高位2字節(jié))和元素號(低位2字節(jié))。

由于DICOM標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容較多，涉及到多種圖像壓縮，開發(fā)時可以借鑒專業(yè)的DCMTK開發(fā)包，進(jìn)行二次開發(fā)。DCMTK是一個遵循DICOM標(biāo)準(zhǔn)的公開源代碼的專業(yè)開發(fā)包，利用其自帶的庫可以實現(xiàn)DICOM應(yīng)用。二次開發(fā)時用到的DCMTK開發(fā)包里的庫主要有dcmdata.lib、dcmimage.lib、dcmimgle.lib等相關(guān)庫。

DCMTK開發(fā)包里DcmItem類中定義的putAndInsertString（）函數(shù)創(chuàng)建一個DICOM dataset數(shù)據(jù)集，根據(jù)標(biāo)簽，寫入頭文件的信息。

部分代碼如：

DcmDataset *dataset = fileformat.getDataset();

dataset –>putAndInsertString(DcmTagKey(0x0002, 0x0002),UID_RawDataStorage);

dataset –>putAndInsertString(DcmTagKey(0x0002, 0x0003),dcmGenerateUniqueIdentifier(uid,SITE_INSTANCE_UID_ROOT));

調(diào)用DcmItem類函數(shù)編寫void GenerateHead(DcmDataset * dataset,intwidth,int height)將病人的信息寫入到頭文件中。編寫DICOM文件存儲函數(shù)voidSaveDicom(CStringpathName,intwidth,intheight,unsigned short* buf,boolbIsJpegCompressed)，其中pathName為保存文件名，width 和height分別為CCD探測器行列像素大小，指針buf為32Mbyte圖像數(shù)字量信息的首地址，bIsJpegCompressed選擇是否保存為壓縮的DICOM文件。采集圖像結(jié)束后調(diào)用此函數(shù)將圖像保存成DICOM格式文件等。

3.4 圖像增強(qiáng)處理

圖像增強(qiáng)是改善圖像質(zhì)量，突出有用特征、增加圖像的清晰度、獲取較好視覺效果的一種手段，可以輔助醫(yī)生準(zhǔn)確地診斷病情。圖像增強(qiáng)包括灰度增強(qiáng)、平滑濾波和邊緣增強(qiáng)等。

本系統(tǒng)嵌入了南京醫(yī)療軟件公司的增強(qiáng)模塊，通過加密狗的操作方式達(dá)到增強(qiáng)效果。根據(jù)所拍攝人體部位的不同，采用了中值濾波、探測器邊界校準(zhǔn)、計算物體灰度閾值、背景灰度閾值、Sobel 濾波器、去除行偽影等一系列綜合圖像算法提高了不同部位，不同劑量強(qiáng)度下圖像清晰度。增強(qiáng)模塊與原始圖像之間采用DICOM文件接口方式，用戶以磁盤文件的形式指定原始圖像路徑以及文件名，增強(qiáng)之后的圖像也以文件的形式存放于磁盤，文件類型為DICOM格式。接口以動態(tài)鏈接庫的形式提供，按照動態(tài)鏈接庫的一般調(diào)用方式，調(diào)用動態(tài)連接庫IeLauncher.dll，（接口描述包含在頭文件IeLauncher.h中）。

增強(qiáng)時調(diào)用庫文件下的LaunchImageEnhancer_DICOM(srcPath, destPath, strRegion);函數(shù)。srcPath，destPath和strRegion分別為原始圖像數(shù)據(jù)文件地址、增強(qiáng)后圖像文件地址和增強(qiáng)部位選擇（現(xiàn)有胸部、腰椎、頸椎、盆骨、頭部、膝蓋及手足等部位可選）。

3.5 診斷報告打印及膠片打印

采集圖像結(jié)束后通過對話窗口打開診斷報告對話框。對話框先從數(shù)據(jù)錄中加載病人的基本信息，同時加載DICOM圖像并且創(chuàng)建縮略位圖文件，在Picture Control 控件里加載顯示。將MFC對話框界面轉(zhuǎn)換成打印文件的實現(xiàn)方法是采用MFC類打印及預(yù)覽CPrintFrame,CPrintView類。通過此類建立CPrintFrame的對象，設(shè)置該對象的指針為pframe, 并將對話框的指針傳給m_pCallerDlg(指向PrintFrame對話框的指針)，調(diào)用對象的Creat函數(shù)創(chuàng)建框架窗口。

pframe->m_pCallerDlg = this;

pframe->Create(NULL,_T("打印預(yù)覽"),WS_VISIBLE | WS_CAPTION,CRect(0,0,0,0));

pframe->m_pView->OnMyPrintPreview();

pframe->m_pView->OnMyPrint();

在OnMyPrint函數(shù)中實現(xiàn)的功能包括打印表格、圖片、數(shù)據(jù)等。采用Rectangle(&DrawRect)，SelectObject(&font);TextOut;Lineto等函分別實現(xiàn)矩形繪制、設(shè)置字體、文字輸出和劃線等功能。在主機(jī)上安裝打印驅(qū)動，進(jìn)行報告編輯的打印。

膠片打印功能通過在PACS系統(tǒng)基礎(chǔ)上編寫接收打印數(shù)據(jù)包的方法實現(xiàn)。為了方便開發(fā)，可以采用德國offis公司提供的DCMTK開源項目，該平臺提供了所有必要的配置方法和示例工程文件，操作中使用標(biāo)準(zhǔn)中的打印管理服務(wù)類來實現(xiàn)打印管理的數(shù)據(jù)流模型。主要是編寫 dcmpstat.cfg 文件，此文件為打印引用的配置文件，打印膠片所需的參數(shù)都在該文件中。首先在VS中編寫膠片打印機(jī)配置界面，通過界面將打印機(jī)的基本信息錄入到dcmpstat.cfg。之后在該cfg中編寫Aetitle（系統(tǒng)與外部DICOM節(jié)點連接的實體名）、主機(jī)名稱、端口號、IP地址等信息。在VS中先調(diào)出需打印的一張影像，將該影像的文件路徑信息加上dcmprescu啟動DICOM接受服務(wù)，從PACS服務(wù)器接收影像。通過CreateProcess創(chuàng)建進(jìn)程并調(diào)用進(jìn)程，即可將文件發(fā)送到打印服務(wù)器上。本系統(tǒng)所采用的是DRYPIX4000膠片打印機(jī)，將打印機(jī)和PACS主機(jī)通過路由器設(shè)置在同一個IP段內(nèi)實現(xiàn)在線膠片打印。

4 運行結(jié)果

本系統(tǒng)完成后，安裝在河北南皮縣利民醫(yī)院，對其原有的傳統(tǒng)X光成像和手工膠片沖洗進(jìn)行了DR 成像系統(tǒng)數(shù)字化改造。將所開發(fā)的PACS軟件、CCD探測器與醫(yī)院原有的高壓發(fā)生器配合使用，對整個系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合測試，主要對系統(tǒng)各個模塊進(jìn)行了功能測試和整體性能測試。功能測試包括用戶登錄、圖像采集與增強(qiáng)、診斷報告及膠片打印等，而整體性能測試主要是對PACS工作站在運行過程中系統(tǒng)性能進(jìn)行測試，包括系統(tǒng)登錄響應(yīng)時間、查詢獲取病人信息的時間以及運行過程等。從結(jié)果看本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，性能良好，滿足了醫(yī)院的實際使用需求。

5 結(jié)束語

本文討論了一套完整的PACS系統(tǒng)開發(fā)?；赩C++.NET框架配合SQL、ADO、FPGA、DCMTK 工具包等技術(shù)實現(xiàn)了對CCD探測器的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集成像顯示、DICOM醫(yī)療圖像數(shù)據(jù)存儲、圖像增強(qiáng)分析及診斷信息和膠片打印等一系列工作，開發(fā)過程中進(jìn)行了大量的編程試驗和調(diào)試，最終投入到醫(yī)院實際使用。目前我國數(shù)字式X射線機(jī)主要依靠進(jìn)口，無法進(jìn)行成像檢測的普及，因此，以中小醫(yī)院為主要對象，開發(fā)國產(chǎn)數(shù)字式X光機(jī)及PACS系統(tǒng)非常迫切，PACS系統(tǒng)在以后將會有極其廣闊的發(fā)展前景。

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作者單位

1.南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 江蘇省南京市 210046

2.紫金山天文臺 江蘇省南京市 210008