賀 偉，任勝兵，邱四海

（1.中南大學(xué) 軟件學(xué)院，湖南 長沙 410012；2.深圳市理邦精密儀器股份有限公司 深圳 518054）

心電檢查作為醫(yī)院輔助檢查中頻率最高的檢查，在醫(yī)院數(shù)字化建設(shè)中卻一直是缺失的一環(huán)。究其原因，主要在于設(shè)備難于連接，數(shù)據(jù)格式無法統(tǒng)一，業(yè)務(wù)復(fù)雜多變。在醫(yī)院工作中，由于上述的非標準化使心電軟件與醫(yī)院HIS系統(tǒng)、PACS系統(tǒng)兼容性等方面是非常令人頭痛的問題。大多數(shù)醫(yī)院心電檢查依然停留在單機檢查、單機打印的模式，使得心電檢查成為大多數(shù)醫(yī)院難以解決的信息孤島。隨著醫(yī)院信息化建設(shè)的不斷發(fā)展和應(yīng)用層次的不斷深入，傳統(tǒng)的心電檢查已逐漸無法適應(yīng)大量臨床需求，心電信息化已勢在必行。

很長一段時間以來，由于沒有統(tǒng)一心電標準，很多心電廠商心電信息系統(tǒng)都采用獨立的系統(tǒng)，與醫(yī)院HIS系統(tǒng)、PACS系統(tǒng)通過接口進行交互。這樣做，在一定程度可以解決心電數(shù)字化的問題，患者的檢查報告、影像能夠信息化、數(shù)字化。但這種獨立的系統(tǒng)對于開發(fā)、維護、數(shù)據(jù)存儲都增加了難度及工作量，并且單獨存儲的心電圖格式DICOM標準不符，在區(qū)域醫(yī)療服務(wù)平臺無法使用。本文通過在心電工作站建立DICOM通訊，可以有效解決以上問題。其中DICOM通訊包括：DICOM-ECG（心電存儲文件）[1]、MWL（Modality Worklist，設(shè)備基本工作列表服務(wù)）、STORE（數(shù)據(jù)存儲服務(wù)）、ECHO（測試驗證服務(wù)）。以DICOM協(xié)議完成通信過程可以很好的和醫(yī)院的HISPACS系統(tǒng)兼容[2]。完全使用PACS系統(tǒng)代替心電信息系統(tǒng)，實現(xiàn)心電信息存儲、傳輸?shù)臉藴驶?、工作的?guī)范化，并可與其它臨床系統(tǒng)進行信息交換和共享。因此可提高醫(yī)護人員工作質(zhì)量和效率，降低醫(yī)療運作成本，為醫(yī)院帶來極大的效益。

1 心電信息系統(tǒng)問題分析

1.1 單機心電數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

在現(xiàn)階段，部分國內(nèi)外醫(yī)院都在使用傳統(tǒng)單機心電數(shù)據(jù)管理軟件進行心電檢查和數(shù)據(jù)管理。這種傳統(tǒng)心電數(shù)據(jù)管理軟件設(shè)計方法其不足之處可以總結(jié)如下：

1）心電檢查依然停留在單機檢查、單機打印、手寫報告的模式。

2）不同廠商的心電圖機支持不同格式的心電文件，它們不能接收來自其它廠商心電管理系統(tǒng)的信息。各廠商采用不同的數(shù)據(jù)格式和標準及其實施方式進行系統(tǒng)開發(fā)和集成，這些數(shù)據(jù)格式只能存儲在單機上，不利于醫(yī)院對心電數(shù)據(jù)整理存檔。

3）臨床科室的工作效率不高，需人工傳遞報告，增加了醫(yī)護人員的工作量，不利于提高醫(yī)院數(shù)字化醫(yī)療的經(jīng)濟和社會效益。

1.2 心電信息系統(tǒng)

基于傳統(tǒng)心電數(shù)據(jù)管理軟件在醫(yī)院信息化集成遇到的各種瓶頸，人們在探索新方法，并提出心電信息化系統(tǒng)，如圖1。

圖1 心電信息系統(tǒng)Fig.1 ECG information system

心電信息系統(tǒng)實現(xiàn)了對心電數(shù)字化的采集、存儲和管理。心電信息系統(tǒng)實現(xiàn)各個心電工作站內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)管理，實現(xiàn)了對心電數(shù)字化的采集、存儲和管理。同樣提高臨床科室的工作效率，減輕了醫(yī)護人員的工作量，有利于提高醫(yī)院數(shù)字化醫(yī)療的經(jīng)濟和社會效益。但是心電信息系統(tǒng)為獨立的系統(tǒng)，其中大部分是由醫(yī)療設(shè)備廠商提供的單個圖像處理工作站，現(xiàn)有心電軟件中數(shù)據(jù)多采用內(nèi)部傳輸格式，獨立使用這些產(chǎn)品時看不出問題，但連網(wǎng)或與其他產(chǎn)品共同應(yīng)用時就會出現(xiàn)信息交換困難等問題。

2 DICOM標準

2.1 DICOM-ECG文件

DICOM-ECG作為DICOM的一部分，其存儲格式遵循DICOM的文件格式[3]。DICOM使用信息對象模型來描述現(xiàn)實世界的對象信息，圖2為ECG的常規(guī)心電波形IOD信息模型。一個信息模型分為4個層次：Patient（患者）處于最頂層，表示一個DICOM文件只屬于唯一的一個病人；Study（檢查）處于下一層，“1，n”表示1對n的關(guān)系，即一個Patient可以有多個Study；接下來是Series（序列，即檢查得到的序列）層，最后是Waveform（波形，包含在序列里）層。

1）Patient—患者：整個信息模型的最頂層，有且只有一個Patient。存儲患者信息，如患者姓名、性別、ID等。

2）Study—檢查：存儲檢查基本信息，例如檢查 UID、檢查時間、檢查ID等。

3）Series—序列：存儲序列基本信息，例如形態(tài)（Modality）、序列 UID、序列號等。

4）Frame of Reference—參考系：記錄各導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)采集時是否同步。

圖2 常規(guī)心電波形IOD信息模型Fig.2 General ECG waveform IOD Information model

5）Equipment—設(shè)備：存儲設(shè)備制造商相關(guān)信息，例如制造商名稱、設(shè)備型號等。

6）Waveform—波形：存儲波形數(shù)據(jù)相關(guān)信息，如采樣率、采集時間、波形數(shù)據(jù)等。

2.2 DICOM網(wǎng)絡(luò)通信

DICOM協(xié)議主要包括3個部分：DICOM服務(wù)類（面向醫(yī)學(xué)圖像的應(yīng)用）、DIMSE （消息服務(wù)元素）、ULP（基于TCP/IP的DICOM上層協(xié)議）。其中前兩部分對應(yīng)于OSI模型的應(yīng)用層，主要用于消息交換；ULP對應(yīng)于OSI模型的表示層和會話層，主要負責為消息交換提供表示和關(guān)聯(lián)控制服務(wù)。

DICOM協(xié)議中，兩個應(yīng)用實體間通信用于信息交換的連接稱為“關(guān)聯(lián)”。在DICOM通信過程中，首先進行關(guān)聯(lián)協(xié)商，確定傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型和信息的編碼方式等；協(xié)商成功，“關(guān)聯(lián)”建立后，才能進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)不同的通信功能；數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，釋放“關(guān)聯(lián)”。 DICOM標準提供的網(wǎng)絡(luò)通信理論模型框架如圖3。

圖3 DICOM網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)模型Fig.3 DICOM network communicate model

1）關(guān)聯(lián)協(xié)商和關(guān)聯(lián)建立

關(guān)聯(lián)協(xié)商的目的是為了通信雙方在編碼方式和數(shù)據(jù)類型等方面達成一致，為數(shù)據(jù)傳輸做好前提準備。如果關(guān)聯(lián)建立失敗，說明通信的必要條件還沒有達到。DICOM關(guān)聯(lián)協(xié)商的主要內(nèi)容包括[4]：Application Context（應(yīng)用層上下文）：定義了Application Service Elements（應(yīng)用服務(wù)元素集合）、相關(guān)操作以及建立關(guān)聯(lián)的雙方互操作所必須的其它信息。Presentation Context（表示層上下文）：主要包含三部分內(nèi)容：抽象語法名、Presentation Context UID、傳輸語法名列表。其中抽象語法就是將要操作的信息對象IOD；傳輸語法名列表用來規(guī)定各種消息編碼的方式和規(guī)則。SCU/SCP（角色協(xié)商）；SCU（Service Class User）指服務(wù)類的客戶機，而 SCP（Service Class Provider）是指服務(wù)類的服務(wù)器。關(guān)聯(lián)過程中，還有其它必要信息需要協(xié)商，如最大PDU的長度、異步操作（子操作）窗口協(xié)商、服務(wù)對象對類擴展協(xié)商等等。

2）數(shù)據(jù)傳輸

在通信雙方協(xié)商成功，并且建立關(guān)聯(lián)以后，數(shù)據(jù)傳輸是通過P-DATA所提供的服務(wù)來進行。DICOM標準中定義了11種通信服務(wù)類，心電信息化集成使用的服務(wù)有C-ECHO（驗證服務(wù)）、C-STORE（存儲服務(wù)）以及 C-FIND（查詢服務(wù)），下面以C-STORE為例來說明醫(yī)學(xué)圖像傳輸?shù)牧鞒?。CSTORE服務(wù)定義了兩個對等的應(yīng)用實體完成對一個復(fù)合SOP實例（服務(wù)對象對）進行存儲的服務(wù)。其中一方應(yīng)用實體作為SCU方，另一方作為SCP方，雙方通過DIMSE提供的Service Primitive（服務(wù)原語）進行對話，最終實現(xiàn)ECG波形圖像的傳輸工作。

3）關(guān)聯(lián)終止

在DICOM通信過程中，通信雙方都有可能中斷或關(guān)閉關(guān)聯(lián)，即關(guān)聯(lián)終止，其有兩種方式：關(guān)聯(lián)正常終止：通信過程中，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，SCU方將協(xié)商信息封裝成ARELEASE-RQ PDU（連接釋放請求協(xié)議據(jù)單元）并發(fā)出，SCP方在收到該PDU后，發(fā)出A-RELEASE-RSP PDU（連接釋放響應(yīng)協(xié)議數(shù)據(jù)單元），關(guān)聯(lián)被成功釋放；關(guān)聯(lián)非正常終止：通信過程中，一方因某種原因（如斷電、網(wǎng)絡(luò)超時等）而造成關(guān)聯(lián)斷開時，可以通過A-ABORT服務(wù)來終止關(guān)聯(lián)，同時要把異常出錯的原因記錄在日志文件，以供診斷和維護。

3 基于DICOM的心電工作站

基于目前單機心電數(shù)據(jù)管理軟件和心電信息系統(tǒng)與醫(yī)院PACSHIS系統(tǒng)的集成不夠完善，并且隨著DICOM標準在我國的深入和發(fā)展，支持DICOM標準的心電工作站因此有著廣闊的前景。各生產(chǎn)廠家都非常重視這方面的研究、開發(fā)和利用。我國心電工作站DICOM標準化工作處于起步階段，圖像存儲傳輸格式也沒有實現(xiàn)標準化，我國的醫(yī)療器械開發(fā)、生產(chǎn)部門都十分重視這個發(fā)展趨勢。

雖然DICOM標準在2001就加入了對波形的支持，但很少有廠家在實際心電工作站中采用DICOM來與PACS系統(tǒng)對接[5]。經(jīng)過DICOM協(xié)議圖像方面的廣泛研究和應(yīng)用，各大醫(yī)院都有了非常完善的PACS系統(tǒng)，并逐步支持心電DICOM數(shù)據(jù)的接入，以目前醫(yī)療機構(gòu)中廣泛建立的PACS為基礎(chǔ)，本文采用國際標準DICOM來實現(xiàn)心電工作站與PACS系統(tǒng)通訊，實現(xiàn)心電信息化集成。心電工作站信息化集成具體流程如圖4。

圖4 DICOM心電工作站Fig.4 DICOM ECG workstation

首先，心電工作站通過DICOM WORKLIST服務(wù)，可以查詢PACSHIS系統(tǒng)，并把病人預(yù)約信息下載到本地。其次，對病人進行心電波形的采集和診斷。最后，把心電波形數(shù)據(jù)生成DICOM-ECG格式文件，可以通過DICOM打印服務(wù)進行報告打印，同時通過DICOM STORE服務(wù)把心電報告回傳到PACSHIS系統(tǒng)，進行存儲歸檔。

從圖中可以看出心電工作站以DICOM服務(wù)實現(xiàn)了與PACS系統(tǒng)對接，實現(xiàn)了對心電數(shù)字化的采集、存儲和管理。應(yīng)用PACS系統(tǒng)將可為患者節(jié)約大量時間，同時提高醫(yī)院的醫(yī)療水平。影像資料永久保存，有利于教學(xué)工作的開展。同時，相比現(xiàn)有心電信息系統(tǒng)，心電信息化集成后，可以省去心電信息管理系統(tǒng)和心電數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器，有利于提高醫(yī)院的經(jīng)濟和社會效益。

4 DCMTK及心電工作站的實現(xiàn)

4.1 DCMTK簡介

本系統(tǒng)所使用德國OFFIS（計算機科學(xué)學(xué)會）提供的開發(fā)包DCMTK（DICOM Tool Kit）。它是一套針對DICOM標準的開源代碼包，用C++和ANSIC混合編程，實現(xiàn)了DICOM標準的絕大部分功能，并且提供了完整的源代碼[6]。DCMTK支持Windows、Linux等操作平臺，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇合適的平臺和編譯器進行編譯。目前，全球有許多家公司和醫(yī)院都在使用DCMTK開發(fā)包，它為主流的DICOM開發(fā)包之一。

DCMTK是由一組和DICOM標準相關(guān)的軟件庫和應(yīng)用程序組成，它包含了大量的子程序包。本文所用的程序包主要為Dcmdata包和Dcmnet包。Dcmdata它是一個DICOM數(shù)據(jù)編碼/解碼庫，這個模塊包含了一些類用來管理DICOM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和文件。同時，它提供了對DICOMDIR文件的支持以滿足DICOM Media Storage（介質(zhì)存儲）的需要。Dcmnet模塊的主要接口全部包括在頭文件assoc.h和dimse.h定義的大量結(jié)構(gòu)和函數(shù)中。其中，assoc.h中定義的函數(shù)主要用于為DICOM應(yīng)用提供關(guān)聯(lián)管理服務(wù)，它的成員函數(shù)均以ASC_作為前綴。而dimse.h中定義的函數(shù)主要用于提供消息交換層（DIMSE）的服務(wù)。

4.2 心電工作站的實現(xiàn)

本文使用的是DCMTK3.6.0版本，并使用構(gòu)建工具CMake來構(gòu)建項目工程。通過使用深圳市理邦精密儀器股份有限公司提供的心電數(shù)據(jù)，在DCMTK提供的類DcmItem下的PutAndInsertString（）等函數(shù)按照DICOM數(shù)據(jù)字典中各個數(shù)據(jù)元素的組標記和元素標記對相應(yīng)的Tag進行填充，再通過DcmFileFormat類對生成的文件保存，得到一個基本的DICOM-ECG文件。

使用Dcmnet程序包來實現(xiàn)DICOM通訊。在完成上層協(xié)議編碼處理后，可以調(diào)用DCMTK函數(shù)接口進行網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)[7]。首先設(shè)置調(diào)用和被調(diào)用實體標題、服務(wù)器端口、服務(wù)器IP地址等。然后初始化網(wǎng)絡(luò)連接：SCU（客戶端用戶）通過InitNetwork（）調(diào)用 ASC_InitializeNetwork（）初始化網(wǎng)絡(luò)連接。然后設(shè)置關(guān)聯(lián)必要信息和添加表示層上下文內(nèi)容，使用ASC_requestAssociation（）請求建立關(guān)聯(lián)，最終建立通訊關(guān)聯(lián)。在關(guān)聯(lián)建立完成后，需要添加DICOM服務(wù)消息，以C-FIND服務(wù)和C-STORE服務(wù)為例說明DICOM通訊過程。對CSTORE數(shù)據(jù)和消息的通訊接口的調(diào)用，過程如圖5。

圖5 C-STORE服務(wù)控制流圖Fig.5 C-STORE services control-flow

首先，心電數(shù)據(jù)加載。利用DcmFileFormat類加載需要傳輸?shù)腄ICOM-ECG文件，獲取DICOM-ECG數(shù)據(jù)集指針，然后再按照DICOM數(shù)據(jù)字典獲取DICOM-ECG文件中相對應(yīng)組號的元素值。根據(jù)心電General ECG Waveform Storage傳輸語法的數(shù)據(jù)元素值進行準備需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。其次，心電數(shù)據(jù)打包。通過DIMSE中的DIMSE_StoreUser（）建立 C-STORERQ消息；通過調(diào)用DUL層的DUL_WritePDVs（）把要發(fā)送的消息加入PDV（數(shù)據(jù)值）列表；然后分析應(yīng)用實體對應(yīng)的狀態(tài)，并確定調(diào)用相對應(yīng)的處理函數(shù)；通訊建立后，SCU獲得A-ASSOCIATE-AC消息后會進入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；接著執(zhí)行DT_1_SendPData（）把傳輸數(shù)據(jù)寫入PDU（協(xié)議數(shù)據(jù)單元）中。最后，心電數(shù)據(jù)傳輸。通過建立好關(guān)聯(lián)的TCP通道把PDU發(fā)送到SCP端。傳輸完畢后還要通過ASC_ReleaseAssociation（）釋放建立的連接。

對C-FIND數(shù)據(jù)和消息同通訊接口的調(diào)用，實現(xiàn)WorkList服務(wù)，過程如圖6：

圖6 C-FIND服務(wù)控制流圖Fig.6 C-FIND services controlz-flow

首先，初始化查詢參數(shù)。按照DICOM數(shù)據(jù)字典中各個數(shù)據(jù)元素的組標記和元素標記，把查詢參數(shù)處理成帶有組標記和元素標記的DICOM數(shù)據(jù)格式。其次，遞交查詢。通過DIMSE中的DIMSE_FindUser（）建立 C-FIND-RQ消息；數(shù)據(jù)打包和傳輸部分與C-STORE過程相同。最后，獲取查詢返回數(shù)據(jù)。查詢到數(shù)據(jù)后，通過調(diào)用DIMSE_receiveCommand（）函數(shù)來響應(yīng)C-STORE-RSP請求，然后把查詢到的數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中。保存完所有返回數(shù)據(jù)后，還要通過ASC_Release Association（）釋放建立的關(guān)聯(lián)。

5 結(jié) 論

基于DICOM的心電工作站改變了以往心電信息系統(tǒng)過于獨立的設(shè)計思路，充分利用HIS、PACS系統(tǒng)等發(fā)展相當成熟的、醫(yī)療信息化必備的基礎(chǔ)環(huán)境。本論文主要解決了心電工作站設(shè)備與醫(yī)院HIS系統(tǒng)、PACS系統(tǒng)的兼容問題以及心電圖像DICOM標準化問題，實現(xiàn)了心電信息化集成。其解決方案設(shè)計思想對于其他影像設(shè)備的接口問題和醫(yī)學(xué)圖像[8]DICOM標準化問題具有重要的參考意義。論文成果已運用在深圳市理邦精密儀器股份有限公司心電工作站產(chǎn)品上，并在意大利、捷克、香港等醫(yī)院心電科正常運行使用，具有實際使用價值，為心電設(shè)備的數(shù)字化、醫(yī)學(xué)圖像DICOM標準化做了有實用價值的研究工作，對醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的研究具有重要意義。

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