Системы PACS в медицинской визуализации: технологии и применение

Введение

Технология медицинской визуализации

Система архивирования и передачи изображений (PACS) – это технология медицинской визуализации, обеспечивающая экономичное хранение и удобный доступ к изображениям, полученным с помощью различных методов (типов оборудования). Электронные изображения и отчеты передаются в цифровом виде посредством PACS, что устраняет необходимость ручного хранения, поиска или транспортировки рентгеновских пленок и папок для их защиты. Универсальным форматом для хранения и передачи изображений в PACS является DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine). Неграфические данные, такие как отсканированные документы, могут быть включены с использованием стандартных отраслевых форматов, таких как PDF (Portable Document Format), после их инкапсуляции в DICOM. PACS состоит из четырех основных компонентов: методы визуализации, такие как рентгенография (PF), компьютерная томография (CT) и магнитно-резонансная томография (MRI), защищенная сеть для передачи информации о пациентах, рабочие станции для интерпретации и просмотра изображений, а также архивы для хранения и извлечения изображений и отчетов. В сочетании с современными и развивающимися веб-технологиями, PACS обеспечивает своевременный и эффективный доступ к изображениям, заключениям и сопутствующим данным. PACS снижает физические и временные ограничения, связанные с традиционным поиском, распространением и отображением изображений на пленке.

Типы изображений

Большинство PACS обрабатывают изображения, полученные с различных медицинских визуализирующих устройств, включая ультразвуковое исследование (УЗИ), магнитно-резонансную томографию (МРТ), исследования в области ядерной медицины, позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ), компьютерную томографию (КТ), эндоскопию (ЭС), маммографию (МГ), цифровую рентгенографию (ДР), рентгенографию с использованием фосфорных пластин, визуальную фотографию (ВФ), гистопатологию, офтальмологию и другие. Постоянно добавляются новые типы форматов изображений. Медицинские изображения, создаваемые в клинических областях, выходящих за рамки радиологии, таких как кардиология, онкология, гастроэнтерология и даже лабораторная диагностика, могут быть интегрированы в PACS. (см. области применения DICOM).

Архитектура

Архитектура – это физическая реализация требуемой функциональности, или то, что видно со стороны. Существуют различные взгляды, в зависимости от пользователя. Радиолог обычно видит рабочую станцию просмотра, техник – рабочую станцию контроля качества (QA), а администратор PACS может проводить большую часть времени в компьютерной комнате с контролируемым климатом. Общее представление для различных поставщиков существенно отличается. Как правило, PACS состоит из множества устройств. Первым этапом в типичных системах PACS является модальность. К модальностям обычно относятся компьютерная томография (КТ), ультразвуковое исследование, ядерная медицина, позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ). В зависимости от рабочего процесса учреждения большинство модальностей отправляют данные на рабочую станцию контроля качества (QA) или, иногда, на шлюз PACS. Рабочая станция контроля качества служит контрольной точкой для проверки корректности демографических данных пациента, а также других важных атрибутов исследования. Если информация об исследовании верна, изображения передаются в архив для хранения. Центральное устройство хранения (архив) хранит изображения, а в некоторых случаях – отчеты, измерения и другую информацию, связанную с изображениями. Следующим этапом в рабочем процессе PACS являются рабочие станции для чтения. На рабочей станции для чтения радиолог просматривает исследование пациента и формулирует диагноз. Обычно к рабочей станции для чтения подключен пакет для составления отчетов, который помогает радиологу диктовать окончательный отчет. Программное обеспечение для составления отчетов является необязательным, и врачи предпочитают диктовать отчет разными способами. В дополнение к описанному рабочему процессу обычно используется программное обеспечение для записи исследований пациентов на CD/DVD для распространения среди пациентов или направляющих врачей. Приведенная выше схема иллюстрирует типичный рабочий процесс в большинстве центров визуализации и больниц. Следует отметить, что в данном разделе не рассматривается интеграция с радиологической информационной системой (RIS), больничной информационной системой (HIS) и другими подобными системами, связанными с рабочим процессом PACS. Все больше систем PACS включают веб-интерфейсы для использования Интернета или глобальной сети (WAN) в качестве средства связи, обычно через VPN (Virtual Private Network) или SSL (Secure Sockets Layer). Клиентское программное обеспечение может использовать ActiveX, JavaScript и/или Java Applet. Более надежные клиенты PACS представляют собой полноценные приложения, которые могут использовать все ресурсы компьютера, на котором они выполняются, и не подвержены влиянию частых автоматических обновлений веб-браузера и Java. По мере роста потребности в распространении изображений и отчетов, системы PACS все чаще поддерживают часть 18 стандарта DICOM. Web Access to DICOM Objects (WADO) создает необходимый стандарт для публикации изображений и отчетов в Интернете через действительно портальные носители. Не выходя за рамки архитектуры PACS, WADO становится решением для обеспечения кроссплатформенной совместимости и может расширить распространение изображений и отчетов среди направляющих врачей и пациентов. Резервное копирование изображений PACS – критически важная, но иногда недооцениваемая часть архитектуры PACS (см. ниже). В Соединенных Штатах HIPAA требует создания резервных копий изображений пациентов на случай потери изображений из PACS. Существует несколько методов резервного копирования изображений, но они обычно включают автоматическую отправку копий изображений на отдельный компьютер для хранения, предпочтительно за пределами основного местоположения.

The architecture is the physical implementation of required functionality, or what one sees from the outside. There are different views, depending on the user. A radiologist typically sees a viewing station, a technologist a QA workstation, while a PACS administrator might spend most of their time in the climate controlled computer room. The composite view is rather different for the various vendors. Typically a PACS consists of a multitude of devices. The first step in typical PACS systems is the modality. Modalities are typically computed tomography (CT), ultrasound, nuclear medicine, positron emission tomography (PET), and magnetic resonance imaging (MRI). Depending on the facility's workflow most modalities send to a quality assurance (QA) workstation or sometimes called a PACS gateway. The QA workstation is a checkpoint to make sure patient demographics are correct as well as other important attributes of a study. If the study information is correct the images are passed to the archive for storage. The central storage device (archive) stores images and in some cases reports, measurements and other information that resides with the images. The next step in the PACS workflow is the reading workstations. The reading workstation is where the radiologist reviews the patient's study and formulates their diagnosis. Normally tied to the reading workstation is a reporting package that assists the radiologist with dictating the final report. Reporting software is optional and there are various ways in which doctors prefer to dictate their report. Ancillary to the workflow mentioned, there is normally CD/DVD authoring software used to burn patient studies for distribution to patients or referring physicians. The diagram above shows a typical workflow in most imaging centers and hospitals. Note that this section does not cover integration to a Radiology Information System, Hospital Information System and other such front end system that relates to the PACS workflow. More and more PACS include web based interfaces to utilize the internet or a wide area network (WAN) as their means of communication, usually via VPN (Virtual Private Network) or SSL (Secure Sockets Layer). The clients side software may use ActiveX, JavaScript and/or a Java Applet. More robust PACS clients are full applications which can utilize the full resources of the computer they are executing on and are unaffected by the frequent unattended Web Browser and Java updates. As the need for distribution of images and reports becomes more widespread there is a push for PACS systems to support DICOM part 18 of the DICOM standard. Web Access to DICOM Objects (WADO) creates the necessary standard to expose images and reports over the web through truly portable medium. Without stepping outside the focus of the PACS architecture, WADO becomes the solution to cross platform capability and can increase the distribution of images and reports to referring physicians and patients. PACS image backup is a critical, but sometimes overlooked, part of the PACS Architecture (see below). Within the United States, HIPAA requires that backup copies of patient images be made in case of image loss from the PACS. There are several methods of backing up the images, but they typically involve automatically sending copies of the images to a separate computer for storage, preferably off site.

Запрос (C-FIND) и изображение (инстанция) извлечение (C-MOVE и C-GET)

Связь с PACS-сервером осуществляется посредством сообщений DICOM, которые аналогичны "заголовкам" DICOM-изображений, но содержат другие атрибуты. Запрос (C FIND) выполняется следующим образом: клиент устанавливает сетевое соединение с PACS-сервером. Клиент формирует сообщение запроса C FIND, представляющее собой список атрибутов DICOM. Клиент заполняет сообщение запроса C FIND ключами, по которым необходимо выполнить поиск. Например, для запроса идентификатора пациента атрибут идентификатора пациента заполняется соответствующим ID пациента. Клиент создает пустые атрибуты (нулевой длины) для всех атрибутов, которые он хочет получить от сервера. Например, если клиенту требуется получить идентификатор для последующего получения изображений (см. получение изображений), он должен включить атрибут SOPInstanceUID (0008,0018) нулевой длины в сообщения запроса C FIND. Сообщение запроса C FIND отправляется на сервер. Сервер отправляет клиенту список сообщений ответа C FIND, каждое из которых также является списком атрибутов DICOM, заполненных значениями для каждого найденного соответствия. Клиент извлекает интересующие его атрибуты из объектов сообщений ответа. Изображения (и другие составные экземпляры, такие как состояния представления и структурированные отчеты) затем извлекаются с PACS-сервера посредством запроса C MOVE или C GET, используя сетевой протокол DICOM. Поиск может выполняться на уровне исследования, серии или изображения (экземпляра). Запрос C MOVE указывает, куда должны быть отправлены полученные экземпляры (с использованием отдельных сообщений C STORE по одному или нескольким соединениям) с идентификатором, известным как заголовок целевой сущности приложения (AE Title). Для работы C MOVE сервер должен быть настроен таким образом, чтобы заголовок AE соответствовал TCP/IP-адресу и порту, и, следовательно, сервер должен заранее знать все заголовки AE, на которые когда-либо будет запрашиваться отправка изображений. C GET, напротив, выполняет операции C STORE на том же соединении, что и запрос, и, следовательно, не требует, чтобы "сервер" знал TCP/IP-адрес и порт "клиента", что упрощает его работу через брандмауэры и с использованием трансляции сетевых адресов (NAT), в средах, где входящие TCP-соединения C STORE, необходимые для C MOVE, могут быть заблокированы. Разница между C MOVE и C GET в некоторой степени аналогична разнице между активным и пассивным FTP. C MOVE чаще всего используется внутри организаций и учреждений, в то время как C GET более практичен для взаимодействия между организациями. Помимо традиционных сетевых сервисов DICOM, особенно для межорганизационного обмена данными, DICOM (и IHE) определяют другие механизмы поиска, включая WADO, WADO WS и, недавно, WADO RS.

The communication with the PACS server is done through DICOM messages that are similar to DICOM image "headers", but with different attributes. A query (C FIND) is performed as follows:

The client establishes the network connection to the PACS server. The client prepares a C FIND request message which is a list of DICOM attributes. The client fills in the C FIND request message with the keys that should be matched. E. g. to query for a patient ID, the patient ID attribute is filled with the patient's ID. The client creates empty (zero length) attributes for all the attributes it wishes to receive from the server. E. g. if the client wishes to receive an ID that it can use to receive images (see image retrieval) it should include a zero length SOPInstanceUID (0008,0018) attribute in the C FIND request messages. The C FIND request message is sent to the server. The server sends back to the client a list of C FIND response messages, each of which is also a list of DICOM attributes, populated with values for each match. The client extracts the attributes that are of interest from the response messages objects. Images (and other composite instances like Presentation States and Structured Reports) are then retrieved from a PACS server through either a C MOVE or C GET request, using the DICOM network protocol. Retrieval can be performed at the Study, Series or Image (instance) level. The C MOVE request specifies where the retrieved instances should be sent (using separate C STORE messages on one or more separate connections) with an identifier known as the destination Application Entity Title (AE Title). For a C MOVE to work, the server must be configured with mapping of the AE Title to a TCP/IP address and port, and as a consequence the server must know in advance all the AE Titles that it will ever be requested to send images to. A C GET, on the other hand, performs the C STORE operations on the same connection as the request, and hence does not require that the "server" know the "client" TCP/IP address and port, and hence also works more easily through firewalls and with network address translation, environments in which the incoming TCP C STORE connections required for C MOVE may not get through. The difference between C MOVE and C GET is somewhat analogous to the difference between active and passive FTP. C MOVE is most commonly used within enterprises and facilities, whereas C GET is more practical between enterprises. In addition to the traditional DICOM network services, particularly for cross enterprise use, DICOM (and IHE) define other retrieval mechanisms, including WADO, WADO WS and most recently WADO RS.

Архив и резервная копия изображений

Цифровые медицинские изображения обычно хранятся локально в PACS для последующего извлечения. Важно (и требуется в Соединенных Штатах согласно разделу "Административные гарантии правил безопасности" HIPAA), чтобы медицинские учреждения имели возможность восстановления изображений в случае ошибки или катастрофы. Хотя каждое учреждение уникально, целью резервного копирования изображений является автоматизация процесса и максимальное упрощение администрирования. Предполагается, что копии не понадобятся, однако планирование восстановления после аварий и обеспечения непрерывности бизнеса требует, чтобы планы предусматривали сохранение копий данных, даже если весь объект будет временно или безвозвратно утрачен. В идеале копии изображений должны храниться в нескольких местах, включая удаленные площадки, для обеспечения возможностей аварийного восстановления. В целом, данные PACS ничем не отличаются от других критически важных бизнес-данных и должны быть защищены несколькими копиями, размещенными в разных местах. Поскольку данные PACS могут рассматриваться как охраняемая медицинская информация (PHI), к ним могут применяться нормативные требования, в частности HIPAA и требования HIPAA HiTech. Изображения могут храниться как локально, так и удаленно на автономных носителях, таких как диски, ленты или оптические диски. Использование систем хранения данных с применением современных технологий защиты данных становится все более распространенным, особенно для крупных организаций с высокими требованиями к емкости и производительности. Системы хранения могут быть сконфигурированы и подключены к серверу PACS различными способами: как прямое подключенное хранилище (DAS), сетевое подключенное хранилище (NAS) или через сеть хранения данных (SAN). Независимо от способа подключения хранилища, корпоративные системы хранения данных обычно используют RAID и другие технологии для обеспечения высокой доступности и отказоустойчивости, защищая от сбоев. В случае необходимости частичного или полного восстановления PACS требуется механизм для быстрой передачи данных обратно в PACS, желательно без прерывания его работы. Современные технологии репликации данных могут применяться к информации PACS, включая создание локальных копий на определенный момент времени для локальной защиты, а также полных копий данных на отдельных репозиториях, включая дисковые и ленточные системы. Необходимо создавать удаленные копии данных, либо физически перемещая ленты на удаленные площадки, либо копируя данные в удаленные системы хранения. При перемещении данных, защищенных HIPAA, необходимо их шифровать, в том числе при отправке по физическим лентам или с использованием технологий репликации по WAN во вторичное местоположение. Другие варианты создания копий данных PACS включают съемные носители (жесткие диски, DVD или другие носители, способные хранить изображения многих пациентов), которые физически перемещаются за пределы объекта. HIPAA HITECH требует шифрования хранимых данных во многих случаях или использования других механизмов безопасности, чтобы избежать штрафов за несоблюдение требований. Инфраструктура резервного копирования также может поддерживать миграцию изображений в новый PACS. В связи с большим объемом изображений, подлежащих архивированию, многие радиологические центры переносят свои системы в PACS на основе облачных технологий.

Digital medical images are typically stored locally on a PACS for retrieval. It is important (and required in the United States by the Security Rule's Administrative Safeguards section of HIPAA) that facilities have a means of recovering images in the event of an error or disaster. While each facility is different, the goal in image back up is to make it automatic and as easy to administer as possible. The hope is that the copies won't be needed; however, disaster recovery and business continuity planning dictates that plans should include maintaining copies of data even when an entire site is temporarily or permanently lost. Ideally, copies of images should be maintained in several locations, including off site to provide disaster recovery capabilities. In general, PACS data is no different than other business critical data and should be protected with multiple copies at multiple locations. As PACS data can be considered protected health information (PHI), regulations may apply, most notably HIPAA and HIPAA Hi Tech requirements. Images may be stored both locally and remotely on off line media such as disk, tape or optical media. The use of storage systems, using modern data protection technologies has become increasingly common, particularly for larger organizations with greater capacity and performance requirements. Storage systems may be configured and attached to the PACS server in various ways, either as Direct Attached Storage (DAS), Network attached storage (NAS), or via a Storage Area Network (SAN). However the storage is attached, enterprise storage systems commonly utilize RAID and other technologies to provide high availability and fault tolerance to protect against failures. In the event that it is necessary to reconstruct a PACS partially or completely, some means of rapidly transferring data back to the PACS is required, preferably while the PACS continues to operate. Modern data storage replication technologies may be applied to PACS information, including the creation of local copies via point in time copy for locally protected copies, along with complete copies of data on separate repositories including disk and tape based systems. Remote copies of data should be created, either by physically moving tapes off site, or copying data to remote storage systems. Whenever HIPAA protected data is moved, it should be encrypted, which includes sending via physical tape or replication technologies over WAN to a secondary location. Other options for creating copies of PACS data include removable media (hard drives, DVDs or other media that can hold many patients' images) that is physically transferred off site. HIPAA HITECH mandates encryption of stored data in many instances or other security mechanisms to avoid penalties for failure to comply. The back up infrastructure may also be capable of supporting the migration of images to a new PACS. Due to the high volume of images that need to be archived many rad centers are migrating their systems to a Cloud based PACS.

Испытания на прием

Процесс установки PACS сложен и требует времени, ресурсов, планирования и тестирования. Установка считается завершенной только после успешного прохождения приемочных испытаний. Приемочное тестирование новой установки – важнейший этап, обеспечивающий соответствие требованиям пользователей, функциональность и, особенно, клиническую безопасность. В качестве примера можно привести случай с Therac 25, медицинским устройством для лучевой терапии, которое стало причиной аварий, приведших к серьезным передозировкам радиации из-за непроверенного программного управления. Приемочные испытания определяют готовность PACS к клиническому использованию, устанавливают сроки гарантийного обслуживания и служат вехой для оплаты. Продолжительность процесса тестирования зависит от размера учреждения, однако 30-дневный срок, указанный в контракте, не является редкостью. Это требует тщательного планирования и разработки критериев тестирования до заключения договора. Это совместный процесс, предполагающий наличие четких протоколов и эталонных показателей тестирования. Тестирование выявляет недостатки. Исследование показало, что наиболее часто встречающиеся недостатки связаны с самыми дорогостоящими компонентами. Наиболее распространенные типы отказов (в порядке убывания): рабочие станции; интерфейсы HIS/RIS/ACS; RIS; компьютерные мониторы; веб-системы распространения изображений; интерфейсы оборудования; архивные устройства; техническое обслуживание; обучение; сеть; DICOM; телерадиология; безопасность; цифровые сканеры плёнки.

История

Один из первых базовых PACS был создан в 1972 году доктором Ричардом Стеклем. Принципы PACS впервые обсуждались на совещаниях радиологов в 1982 году. Различным людям приписывают авторство термина PACS. Кардиоваскулярный рентгенолог доктор Андре Дюерник сообщил в 1983 году, что впервые использовал этот термин в 1981 году. Однако доктор Сэмюэл Дуайер отдает предпочтение доктору Джудит М. Превитт, считая, что именно она ввела этот термин. Доктор Гарольд Гласс, медицинский физик, работавший в Лондоне в начале 1990-х годов, получил финансирование от правительства Великобритании и руководил проектом на протяжении многих лет, в результате чего больница Хаммерсмит в Лондоне стала первой больницей в Соединенном Королевстве, отказавшейся от использования плёнки. Доктор Гласс умер через несколько месяцев после запуска проекта, но признан одним из пионеров PACS. Первая крупномасштабная установка PACS состоялась в 1982 году в Университете Канзаса, Канзас-Сити.

Проблемы с регулированием

В США системы PACS классифицируются как медицинские изделия и, следовательно, подлежат регулированию FDA США, если они предлагаются для продажи. Как правило, они подпадают под контроль класса 2 и, соответственно, требуют прохождения процедуры 510(k), хотя отдельные компоненты PACS могут регулироваться менее строгими общими требованиями. Некоторые специфические области применения, такие как использование для первичной интерпретации маммограмм, дополнительно регулируются в соответствии с Законом о стандартах качества маммографии. Общество медицинской визуализации и информатики (SIIM) – это всемирная профессиональная организация, которая проводит ежегодную конференцию и публикует рецензируемый журнал для продвижения исследований и образования в области PACS и смежных цифровых технологий.