基于VS和SQL的數字PACS系統設計

韋偉+朱俊+陳琳琳+劉偉

目前國內X光機成像急需數字化改造，構建成數字化醫院。針對這一問題，在VC++.net架構上，設計和實現了一整套數字化醫院PACS操作軟件。主要包括建立管理數據庫，通過以太網方式采集圖像并轉換成DICOM3.0格式，對圖像進行增強處理及膠片和報告的打印等內容。通過現場的聯合調試，性能良好，滿足了醫院的實際使用需求。

【關鍵詞】PACS 以太網傳輸 DICOM圖像 圖像增強 膠片打印

1 引言

PACS（Picture Archiving and Communication Systems，影像歸檔和通信系統）是數字化醫院的重要硬件支撐，包括獲取圖像、圖像管理、圖像處理、圖像歸檔等內容。該系統起源于美國陸軍的遠程放射診斷系統項目。隨后，美國及歐洲、日本的很多科研機構開始研究商業 PACS 系統。目前，西門子公司生產的 PACS 系統比較著名，在很多歐美國家使用。在我國，研究開發 PACS 系統比較晚，到目前為止，只有一些大型醫療機構使用 PACS 系統，其規模較小，即為小型化、迷你化的 PACS 系統。主要原因是PACS 系統價格昂貴、遠程醫療不發達、標準化程度不高等。我國生產 PACS 系統的廠家較少，主要有中聯醫學圖像系統、永安科技和東軟系統。目前國內的一些大醫院逐步淘汰模擬X射線機和普通的暗室洗片，而開始使用數字化DR攝影設備，結合數字化網絡，組成醫療診斷系統，所以PACS系統的研究和開發具有十分重要的現實意義。

2 系統工作原理

PACS是一套可用于X光機成像的軟件系統，其主要功能是采集和保存X光機所拍攝的海量醫學圖像，通過圖像加密技術并對圖像進行處理，提供病理信息和診斷依據，可在授權的情況下通過外部接口進行圖像的傳輸，醫生及專家在授權情況下進行查看 PACS 系統中的圖像信息，進行診斷。

3 系統軟件設計

本系統以Visual Studio.Net 為框架，以模塊化和嵌入式為技術指導思想，以SQL Server、Quartus為開發工具，完成了一個PACS完整系統的實際開發。本系統組成如圖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院的PACS系統中統一管理。本系統采用SQL Server 2005作為數據庫引擎，在SQL Server的環境下編寫數據庫文件，創建數據庫。設置主數據文件名稱（PatientManager）及其初始大小、增長最大值及增長率。設置日志文件文件名及其初始大小和增長值。創建含有病人基本信息的數據表、病人圖像數據表格（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建的數據庫中。MFC訪問數據庫常用的技術是ADO，它提供了訪問對象鏈接和嵌入數據庫的應用程序編程接口。VC++.net為開發ADO應用程序提供了動態連接庫。使用前先導入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"之后調用CoInitialize進行OLE/COM數據庫初始化，聲明一個指向Connection對象的指針，創建對象的實例并連接數據庫，創建記錄集。

CoInitialize(NULL);//初始化OLE/COM庫環境

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();//數據庫的連接字符串

pConn->Open("","","",adConnectUnspecified);//打開數據庫連接

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構體iSqlSentence中。病人的信息輸入后調用pConn->Execute((_bstr_t)iSqlSentence,NULL,adCmdText); 將信息存入數據庫中。

3.2 圖像獲取

PACS系統和高壓發生器配合，接收高壓發生器傳輸的KV、mAs、劑量水平及曝光時間信號，在軟件里設置曝光時間，再接收高壓發生器的外觸發信號后進行觸發曝光成像。PACS系統采用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，經過X射線曝光后，將X射線光子轉換為可見光，再由CCD探測器變為圖像電信號，最后獲得數字圖像。本系統所采用的CCD為柯達公司的KAF16803高分辨率圖像探測器，在輸出屏后端配有聚焦光學鏡頭成像，再輸入計算機進行圖像處理。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，像元數量為16M，最小像素尺寸為9um×9um，兩相驅動讀出，最大支持10MHz的采樣頻率，實現高速高分辨率成像。AD轉換芯片是AD9824，片內含有最高30MS/s相關雙采樣電路（CDS），并且可以編程控制其內部增益放大器。KAF16803行列像素轉移所需要的驅動信號，AD轉換及鎖存信號由FPGA在Quartus環境下采用Verilog語言變成用狀態機的方法實現。這些信號通過電壓轉換（LM317/LM337）和脈沖驅動芯片（DS0026）經過調整后加載到各自元件上。

CCD探測器與采集計算機通過千兆以太網進行連接，采用MAC加PHY芯片的結構組成千兆以太網傳輸模塊。具體采用AX88180作為數據鏈路層MAC控制器，采用88E1111作為自適應物理層傳輸芯片。AX88180及88E1111的編程通過在FPGA中建立NIOS II軟核來實現。首先用Verilog語言編寫AX88180基于NIOS II總線（Avalon）接口的IP內核，然后編程對AX88180內置256字節的配置寄存器進行配置初始化，參考亞信電子相關資料進行初始化編程。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絡數據包。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據為32Mbyte，為了統一標準，實現信息共享，需要將裸數據轉為DICOM標準格式。DICOM格式完整的定義了醫學影像及相關信息的消息格式及傳輸機制，使得影像信息在醫學設備間的交換更加有效。DICOM標準也一直在完善中，本系統的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類實例的數據集合而成。每個DICOM文件都有兩部分組成：頭文件信息和數據集。DICOM文件頭包含了數據集合的相關信息，包括文件的SOP、UID及傳輸格式等。數據集放在頭文件之后，代表了一個SOP（Service-Object Pair）實例，主要包括醫學圖像以及許多和醫學圖像有關的信息，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，各個數據元素的排列按照標簽數值從小到大的傳輸格式編碼。標簽是一個4字節的無符號整數，它被人為地分為兩個部分: 組號(高位2字節)和元素號(低位2字節)。

由于DICOM標準內容較多，涉及到多種圖像壓縮，開發時可以借鑒專業的DCMTK開發包，進行二次開發。DCMTK是一個遵循DICOM標準的公開源代碼的專業開發包，利用其自帶的庫可以實現DICOM應用。二次開發時用到的DCMTK開發包里的庫主要有dcmdata.lib、dcmimage.lib、dcmimgle.lib等相關庫。

DCMTK開發包里DcmItem類中定義的putAndInsertString（）函數創建一個DICOM dataset數據集，根據標簽，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));

調用DcmItem類函數編寫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。采集圖像結束后調用此函數將圖像保存成DICOM格式文件等。

3.4 圖像增強處理

圖像增強是改善圖像質量，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，可以輔助醫生準確地診斷病情。圖像增強包括灰度增強、平滑濾波和邊緣增強等。

本系統嵌入了南京醫療軟件公司的增強模塊，通過加密狗的操作方式達到增強效果。根據所拍攝人體部位的不同，采用了中值濾波、探測器邊界校準、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，不同劑量強度下圖像清晰度。增強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。接口以動態鏈接庫的形式提供，按照動態鏈接庫的一般調用方式，調用動態連接庫IeLauncher.dll，（接口描述包含在頭文件IeLauncher.h中）。

增強時調用庫文件下的LaunchImageEnhancer_DICOM(srcPath, destPath, strRegion);函數。srcPath，destPath和strRegion分別為原始圖像數據文件地址、增強后圖像文件地址和增強部位選擇（現有胸部、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

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

pframe->m_pCallerDlg = this;

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

pframe->m_pView->OnMyPrintPreview();

pframe->m_pView->OnMyPrint();

在OnMyPrint函數中實現的功能包括打印表格、圖片、數據等。采用Rectangle(&DrawRect)，SelectObject(&font);TextOut;Lineto等函分別實現矩形繪制、設置字體、文字輸出和劃線等功能。在主機上安裝打印驅動，進行報告編輯的打印。

膠片打印功能通過在PACS系統基礎上編寫接收打印數據包的方法實現。為了方便開發，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，操作中使用標準中的打印管理服務類來實現打印管理的數據流模型。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都在該文件中。首先在VS中編寫膠片打印機配置界面，通過界面將打印機的基本信息錄入到dcmpstat.cfg。之后在該cfg中編寫Aetitle（系統與外部DICOM節點連接的實體名）、主機名稱、端口號、IP地址等信息。在VS中先調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，從PACS服務器接收影像。通過CreateProcess創建進程并調用進程，即可將文件發送到打印服務器上。本系統所采用的是DRYPIX4000膠片打印機，將打印機和PACS主機通過路由器設置在同一個IP段內實現在線膠片打印。

4 運行結果

本系統完成后，安裝在河北南皮縣利民醫院，對其原有的傳統X光成像和手工膠片沖洗進行了DR 成像系統數字化改造。將所開發的PACS軟件、CCD探測器與醫院原有的高壓發生器配合使用，對整個系統進行了聯合測試，主要對系統各個模塊進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、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性能進行測試，包括系統登錄響應時間、查詢獲取病人信息的時間以及運行過程等。從結果看本系統運行穩定，性能良好，滿足了醫院的實際使用需求。

5 結束語

本文討論了一套完整的PACS系統開發。基于VC++.NET框架配合SQL、ADO、FPGA、DCMTK 工具包等技術實現了對CCD探測器的以太網數據采集成像顯示、DICOM醫療圖像數據存儲、圖像增強分析及診斷信息和膠片打印等一系列工作，開發過程中進行了大量的編程試驗和調試，最終投入到醫院實際使用。目前我國數字式X射線機主要依靠進口，無法進行成像檢測的普及，因此，以中小醫院為主要對象，開發國產數字式X光機及PACS系統非常迫切，PACS系統在以后將會有極其廣闊的發展前景。

參考文獻

[1]曹奕雯,陶薔.PACS關鍵技術及國內應用[J].醫療衛生裝備,2011,32(01):77-80.

[2]郭強.ADO技術在VC編程中的研究及應用分析[J].電子科技,2013,26(01):37-40.

[3]朱曉科.醫用膠片數字化軟件中圖像采集與文件管理的設計與實現[D].西安:西安電子科技大學,2007.

[4]門金瑞，姚大志，韋偉. 基于千兆以太網的CCD相機設計[J]. 激光與光電子學進展,2012,49(03):146-150.

[5]王韻靈.跨平臺移動醫學圖像顯示系統[D].上海:中國科學院研究生院（上海技術物理研究所）,2014.

[6]江和.數字醫院PACS系統的設計與實現[D].成都:電子科技大學,2012.

[7]賈斌.醫學影像按需打印系統關鍵技術研究[D].廣州:華南理工大學,2013.

作者單位

1.南京理工大學紫金學院 江蘇省南京市 210046

2.紫金山天文臺 江蘇省南京市 210008