试论医学影像存档与通讯系统的诊断价值
作者：宋健宁
单位：100873 安科公司驻京办事处(电话：010-68498507，68498888-40326)
关键词：
中华放射学杂志991203 对于放射影像诊断来讲，以医学影像存档与通讯系统(PACS)的软拷贝取代沿袭百年的胶片硬拷贝无疑是一次巨大的变革。实现这种变革并非一帆风顺，更不会一蹴而就。在美国和日本的早期PACS系统中不乏备受放射医生冷落而弃之不用的事例。现在国内有些人以为只要将数字化图像信号采集，大容量存储与计算机网络通讯系统集成起来并配以相应的应用管理软件便可冠以PACS之名堂皇登室了。其实，这是很大的误解。PACS作为数字化医学影像诊断的工具自有优劣好差之分。笔者试图从诊断的准确性、快捷性、安全性、经济性、可靠性等几个方面简要论述PACS的诊断价值。
一、PACS诊断的准确性
, 百拇医药
准确性是所有诊断手段与工具立身之本。显然，建立在以感光银盐颗粒为基础之上的胶片，其像素尺寸要比阴极射线管(CRT)的电子束扫描光点细很多。事实上，普通14 in×17 in(1 in=2.54 cm)X线胸片胶片的分辨率大约为6.0 LP/mm。CR(计算机放射摄影)系统14 in×17 in成像板标称像素矩阵数为2.0 k×2.5 k，即约3.0 LP/mm。而目前用以显示并读取该CR图像的CRT高分辨率高性能图像工作站其可寻址的像素矩阵虽然亦为2.0 k×2.5 k，但限于CRT电子束光点尺寸，显示信号的带宽以及栅扫线数等诸多因素的影响，真正可分辨的像素矩阵数却要比2.0 k×2.5 k小许多。其分辨率大约仅达2.5 LP/mm。因此，从70年代末开始，欧美许多国家的放射医生便着手用高分辨率图像工作站对CRT软拷贝读片与普通X线胶片读片进行对比研究，涉及到胸部、腹部、骨骼、四肢及乳房等多个部位的放射图像。20年来发表论文逾百篇。尽管迄今尚未达到完全一致，但在主要方面却取得了基本共识。表1就是目前得到广泛认可的对各种影像检查空间分辨率及灰阶深度的基本要求。各国医院多以这个要求来装备PACS系统。例如，韩国汉城三星医疗中心是一家拥有1 100张床位的大型医院，已基本实现无胶片化。全院PACS网上有140台工作站分布于各科室。对以基本诊断为宗旨的放射科配备四屏幕高分辨率肖像型工作站，每屏分辨率为2.0 k×2.0 k；各科住院病房则配备双屏幕肖像型工作站，每屏分辨率为1.0 k×1.0 k；各门诊科室则配备普通风景型单屏幕工作站，分辨率为1.0 k×1.0 k。美国PACS的先驱者，著名的巴尔的摩VA医疗中心则在各主要临床科室均配备双屏幕高分辨率肖像型工作站(分辨率为2.0 k×2.0 k)。
, http://www.100md.com
我国由于PACS起步晚，诊断准确性问题一直未放射学界的足够重视。出于经济上的考虑，不少医院采用1 280×1 024或1 024×768矩阵普通监视器，殊不知这样做是要冒降低诊断精度的风险。
表1 对数字化影像检查空间分辨率与
灰阶深度的基本要求 影像类型
空间分辨率(像素数)
灰阶深度(bits)
X线胸片或CR
至少2048×2048
12
乳房照相
至少4096×4096
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12
CT
512×512
12
MRI
512×512
12
B超(冻结像)
512×512
8
血管造影(静态像)
1024×1024
8
, 百拇医药
核医学
256×256
8
在1998年的北美放射学会(RSNA)年会上，美国Beth Isreal医疗中心介绍了他们用2 048×2 560×12 bit肖像型高分辨率监视器与普通1 024×768×8 bit但可放大一倍的风景型监视器对80例疑有肺病患者进行的对比研究。这些患者均是在3个月内相继来院就诊的，先在CR上摄了胸片，同时也在螺旋CT上进行了检查。两种监视器都可调节窗宽窗位。共有3名放射医生分别轮流在2台监视器上读像诊断，记下肺部有无疾病。报告正确与否最终以CT报告为标准。结果每名放射医生在1 k监视器上都至少漏诊1次肺结节(尽管使用了放大功能)。而在2 k监视器上3名放射医生无一漏诊，且最终都为CT扫描所证实。因此，他们认为，虽然理论上1 k监视器放大1倍其分辨率与2 k相当，但实际上，由于放大结果只是显示了图像的一部分，信噪比降低，很难避免漏诊。
, 百拇医药
美国“计算机在放射学中的应用学会”(the Society for Computer Application in Radiology)建议凡以基本诊断为目的的放射科诊断工作站，其监视器应为肖像型，分辨率至少为2 k×2 k，亮度达到50朗伯，数目以2～4台为宜。这个意见值得我们参考。
二、诊断的快捷性
数字化医学影像信息的存取与通讯理应比胶片方式快捷许多。这也是医生们愿意弃硬(拷贝)从软(拷贝)的主要原因之一。
美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)医学院放射学系将病人利用电子化放射图像存档系统进行放射检查的流程步骤及相应每步占用时间列成表(见表2)。如想获得最大的病人周转量就必须将有可能造成瓶颈的所有T1～T9(T表示时间)减至最小。从表中可以看出在这7个步骤中联机存档、网络通信、显示工作站3个环节占用次数最多，影响最大。国外PACS系统的运行经验也证明了这点。表2 PACS环境下影像检查流程时间分配 步骤
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T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
T9
时间
1.患者进行影像检查
, 百拇医药
1
1
0
0
0
0
0
0
0
T1+T2
2.将结果送至联机存档
和显示工作站显示内存
0
, 百拇医药
1
1
1
1
0
0
0
0
T2+T3+
T4+T5
3.RIS/HIS发文件资料至
显示工作站内存及联机
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存档
0
0
1
1
1
0
1
0
0
T3+T4+
T5+T7
4.放射医生读软拷贝像，提出初步诊断意见
, 百拇医药
0
0
0
0
1
1
0
0
0
T5+T6
5.放射医生检索以前影
像档案
0
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0
1
1
1
1
0
0
0
T3+T4+
T5+T6
6.放射医生开出硬拷贝
诊断报告
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0
0
1
1
1
1
0
0
1
T3+T4+
T5+T6+
T9
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7.联机档案存满后，图像
自动从联机存档转发至
长期存档
0
0
1
1
0
0
0
1
0
T3+T4+
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T8
注：(1)PACS：影像存档与传输系统；(2)RIS：放射信息系统；(3)HIS：医院信息系统；(4)T1～T9：分别表示影像检查设备、图像采集、通讯网络、联机存档、显示工作站、放射医师、RIS和(或)HIS系统、长期存档、硬拷贝记录所需时间
PACS的联机存档大多采用分级数据管理体制；即分成短期或中期数据存档与长期(4年以上)影像资料存档，以利科学调度与加快存取速度。德国慕尼黑的一个放射诊断研究所在规划无胶片医院的联机存档方案时，分析论证了4种查阅速度(即从提出申请调阅到在监视器上呈现图像所需时间)(表3)。这个估计并没有考虑到网络流量限制。表3 大型PACS系统工作站查阅影像档案速度 查阅内容
响应时间
患者最新检查放射图像及其存放
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于放射科和病房的历史图像
数秒
住院病人的任何图像
2～3分钟
门诊病人4年以内的历史图像
10～20分钟
门诊病人4年以上的历史图像
1～2小时
医学影像数据量大是突出特点。比如，传输一张2048×2048×12 bit的CR图像，如果最大可接受延迟为每张像10秒，那么就要求至少7Mbit/s的网络带宽，这还不包括网络固有的开销。韩国三星医疗中心的PACS网为100Mbit/s高速以太网。在门诊高峰时，许多查阅请求一齐涌上网络，致使网络严重拥塞，最后只好让矫形外科、神外科及神经科的门诊护士将查阅请求改排在下午4：00时以后，问题才告解决。所以，为了克服以太网这种分享介质技术随着网络节点数目增加网络性能下降的固有缺点，人们开始尝试在大型PACS的网络中引入异步传输模式(ATM)交换技术。
, 百拇医药
显示工作站在一定程度上可说是PACS与医生的交互界面。只就读片这一环节，当需反复比较新老图像时，观片灯上读胶片会比在监视器上读软拷贝快。因为，观片灯操作简单。VA医疗中心曾做过统计，对于比较复杂的病例，软拷贝读片平均比硬拷贝读片长3～5分钟，每读一张片要点击鼠标10多下。因此，如何简化人机交互，仍是今后努力方向。
三、诊断的安全性
PACS的引入改变了临床医生与放射医生各自为政、自我封闭的工作方式，也改变了面对面会诊的方式。但这种电子交换的最大隐患便是其安全性。尽管PACS属于医院内部甚至科室内部的封闭网，但依然有着病人医疗档案被窃取及窜改的危险。目前常用的授权资格认证及口令密码作为一般防范来讲是安全的。美国VA医疗中心放射学主管、PACS的先驱者之一Eliot Siegel博士在今年10月美国的医疗影像与信息化会议上 (Healthcare I2)专门做了一篇题为《让你的PACS更安全》的报告，从法律上、规章制度上、技术上以及实践保障上多方面论述了PACS的安全性问题。美国联邦政府已要求在未来5年内在全国卫生保健机构内必须采用PKI(公共密钥基础结构)技术，以确保电子交换的安全。这是一套用于数字认证的协议，用电子识别的方式验明1个人或1家公司的身份。
, 百拇医药
四、诊断的经济性
PACS作为医学影像信息化的基础设施，无疑是一项重大的投资项目。其经济效益评价始终是医院主管最关心的问题。
由于占放射检查量75%左右的普通X线照相一时不能完全为CR取代(特别是乳房片)，多数医院的PACS建设都采用逐步过渡策略，把分散在各影像设备上的资料逐步集中到中央服务器上。在过渡过程中要采用开放标准(如DICOM 3.0)和通用平台。这不仅有利于今后的升级和增容，也降低了硬件的投资及维护费用。美国国防部在1997年底宣布投资数亿美元执行DIN-PACS项目(即数字影像网络-PACS项目)，将三军所有医院影像资料联网。而在其公布的招标书中明确规定，必须采用开放系统和标准，必须采用WWW技术传送图像。同时建议美军所有医院的PACS系统都以Window NT为基础。
PACS在运行中能否呈现出相对传统X线片诊断的多快好省的优势，在相当大程度上取决于医生们特别是放射专家的接受意愿。这个过程越短，PACS的经济效益越明显。美国加州大学旧金山分校(UCSF)医学院放射学系曾在其神经放射的工作站上进行了一项实验。这是2台2 k×2.5 k×12 bit的肖像型监视器，通过全院PACS的中央服务器接收来自2个医疗中心共10台CT及MR的图像。实验目的是要检验工作站作业是否实现了神经放射的诊断功能，其成本是否比X线片诊断低?取2个参数，1个是出片时间，1个是工作站的利用指数。通过19个月临床数据的整理分析，利用指数从1994年9月刚装备时的40%提高到了1996年3月的80%，折算出软拷贝诊断远较硬拷贝诊断便宜得多。
, 百拇医药
另外，使放射医生的工作环境更适合PACS；重新组织放射科诊断作业，以从电子影像中获取最大好处；优化配置工作站等这些软工作对提高PACS的经济效益也是不可忽视的。
五、可靠性
可靠性对PACS很重要。无法想象，一旦PACS网络瘫痪对整个医院所带来的严重后果。正是因为意识到这一巨大风险，美国国防部人力支援中心在对投标DIN-PACS项目的各厂家考核中明确提出了8条指标，其中就有一条故障恢复功能(其他7条为：DICOM兼容性；系统存储与影像存档性能；网络性能；工作站功能；RIS(放射信息系统)功能；远程放射诊断功能；测试系统的质量控制与系统内部质量控制部件性能)。目前，随着越来越多的数字化医院的出现，在要害部位实行冗余备份，在敏感部位引入检错或自动纠错机制，建立镜像文档成为提高可靠性的普遍措施。
总而言之，上述准确性，快捷性，安全性，经济性，可靠性这五个要素的加权和就是PACS系统的临床诊断价值。虽然由于医院情况各异，规模不一，目前尚无一个具体的量化考核指标，但是，人们正在朝这个目标努力。日本大阪大学附属医院准备在PACS投入运行后，将影像检查患者周转率的变化做为定量考核PACS临床价值的主要指标，就是一个有意义的尝试。
收稿：1999-09-21, http://www.100md.com
单位：100873 安科公司驻京办事处(电话：010-68498507，68498888-40326)
关键词：
中华放射学杂志991203 对于放射影像诊断来讲，以医学影像存档与通讯系统(PACS)的软拷贝取代沿袭百年的胶片硬拷贝无疑是一次巨大的变革。实现这种变革并非一帆风顺，更不会一蹴而就。在美国和日本的早期PACS系统中不乏备受放射医生冷落而弃之不用的事例。现在国内有些人以为只要将数字化图像信号采集，大容量存储与计算机网络通讯系统集成起来并配以相应的应用管理软件便可冠以PACS之名堂皇登室了。其实，这是很大的误解。PACS作为数字化医学影像诊断的工具自有优劣好差之分。笔者试图从诊断的准确性、快捷性、安全性、经济性、可靠性等几个方面简要论述PACS的诊断价值。
一、PACS诊断的准确性
, 百拇医药
准确性是所有诊断手段与工具立身之本。显然，建立在以感光银盐颗粒为基础之上的胶片，其像素尺寸要比阴极射线管(CRT)的电子束扫描光点细很多。事实上，普通14 in×17 in(1 in=2.54 cm)X线胸片胶片的分辨率大约为6.0 LP/mm。CR(计算机放射摄影)系统14 in×17 in成像板标称像素矩阵数为2.0 k×2.5 k，即约3.0 LP/mm。而目前用以显示并读取该CR图像的CRT高分辨率高性能图像工作站其可寻址的像素矩阵虽然亦为2.0 k×2.5 k，但限于CRT电子束光点尺寸，显示信号的带宽以及栅扫线数等诸多因素的影响，真正可分辨的像素矩阵数却要比2.0 k×2.5 k小许多。其分辨率大约仅达2.5 LP/mm。因此，从70年代末开始，欧美许多国家的放射医生便着手用高分辨率图像工作站对CRT软拷贝读片与普通X线胶片读片进行对比研究，涉及到胸部、腹部、骨骼、四肢及乳房等多个部位的放射图像。20年来发表论文逾百篇。尽管迄今尚未达到完全一致，但在主要方面却取得了基本共识。表1就是目前得到广泛认可的对各种影像检查空间分辨率及灰阶深度的基本要求。各国医院多以这个要求来装备PACS系统。例如，韩国汉城三星医疗中心是一家拥有1 100张床位的大型医院，已基本实现无胶片化。全院PACS网上有140台工作站分布于各科室。对以基本诊断为宗旨的放射科配备四屏幕高分辨率肖像型工作站，每屏分辨率为2.0 k×2.0 k；各科住院病房则配备双屏幕肖像型工作站，每屏分辨率为1.0 k×1.0 k；各门诊科室则配备普通风景型单屏幕工作站，分辨率为1.0 k×1.0 k。美国PACS的先驱者，著名的巴尔的摩VA医疗中心则在各主要临床科室均配备双屏幕高分辨率肖像型工作站(分辨率为2.0 k×2.0 k)。
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我国由于PACS起步晚，诊断准确性问题一直未放射学界的足够重视。出于经济上的考虑，不少医院采用1 280×1 024或1 024×768矩阵普通监视器，殊不知这样做是要冒降低诊断精度的风险。
表1 对数字化影像检查空间分辨率与
灰阶深度的基本要求 影像类型
空间分辨率(像素数)
灰阶深度(bits)
X线胸片或CR
至少2048×2048
12
乳房照相
至少4096×4096
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12
CT
512×512
12
MRI
512×512
12
B超(冻结像)
512×512
8
血管造影(静态像)
1024×1024
8
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核医学
256×256
8
在1998年的北美放射学会(RSNA)年会上，美国Beth Isreal医疗中心介绍了他们用2 048×2 560×12 bit肖像型高分辨率监视器与普通1 024×768×8 bit但可放大一倍的风景型监视器对80例疑有肺病患者进行的对比研究。这些患者均是在3个月内相继来院就诊的，先在CR上摄了胸片，同时也在螺旋CT上进行了检查。两种监视器都可调节窗宽窗位。共有3名放射医生分别轮流在2台监视器上读像诊断，记下肺部有无疾病。报告正确与否最终以CT报告为标准。结果每名放射医生在1 k监视器上都至少漏诊1次肺结节(尽管使用了放大功能)。而在2 k监视器上3名放射医生无一漏诊，且最终都为CT扫描所证实。因此，他们认为，虽然理论上1 k监视器放大1倍其分辨率与2 k相当，但实际上，由于放大结果只是显示了图像的一部分，信噪比降低，很难避免漏诊。
, 百拇医药
美国“计算机在放射学中的应用学会”(the Society for Computer Application in Radiology)建议凡以基本诊断为目的的放射科诊断工作站，其监视器应为肖像型，分辨率至少为2 k×2 k，亮度达到50朗伯，数目以2～4台为宜。这个意见值得我们参考。
二、诊断的快捷性
数字化医学影像信息的存取与通讯理应比胶片方式快捷许多。这也是医生们愿意弃硬(拷贝)从软(拷贝)的主要原因之一。
美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)医学院放射学系将病人利用电子化放射图像存档系统进行放射检查的流程步骤及相应每步占用时间列成表(见表2)。如想获得最大的病人周转量就必须将有可能造成瓶颈的所有T1～T9(T表示时间)减至最小。从表中可以看出在这7个步骤中联机存档、网络通信、显示工作站3个环节占用次数最多，影响最大。国外PACS系统的运行经验也证明了这点。表2 PACS环境下影像检查流程时间分配 步骤
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T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
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时间
1.患者进行影像检查
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1
1
0
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0
T1+T2
2.将结果送至联机存档
和显示工作站显示内存
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1
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T4+T5
3.RIS/HIS发文件资料至
显示工作站内存及联机
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存档
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4.放射医生读软拷贝像，提出初步诊断意见
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T5+T6
5.放射医生检索以前影
像档案
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6.放射医生开出硬拷贝
诊断报告
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T3+T4+
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7.联机档案存满后，图像
自动从联机存档转发至
长期存档
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T3+T4+
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注：(1)PACS：影像存档与传输系统；(2)RIS：放射信息系统；(3)HIS：医院信息系统；(4)T1～T9：分别表示影像检查设备、图像采集、通讯网络、联机存档、显示工作站、放射医师、RIS和(或)HIS系统、长期存档、硬拷贝记录所需时间
PACS的联机存档大多采用分级数据管理体制；即分成短期或中期数据存档与长期(4年以上)影像资料存档，以利科学调度与加快存取速度。德国慕尼黑的一个放射诊断研究所在规划无胶片医院的联机存档方案时，分析论证了4种查阅速度(即从提出申请调阅到在监视器上呈现图像所需时间)(表3)。这个估计并没有考虑到网络流量限制。表3 大型PACS系统工作站查阅影像档案速度 查阅内容
响应时间
患者最新检查放射图像及其存放
, http://www.100md.com
于放射科和病房的历史图像
数秒
住院病人的任何图像
2～3分钟
门诊病人4年以内的历史图像
10～20分钟
门诊病人4年以上的历史图像
1～2小时
医学影像数据量大是突出特点。比如，传输一张2048×2048×12 bit的CR图像，如果最大可接受延迟为每张像10秒，那么就要求至少7Mbit/s的网络带宽，这还不包括网络固有的开销。韩国三星医疗中心的PACS网为100Mbit/s高速以太网。在门诊高峰时，许多查阅请求一齐涌上网络，致使网络严重拥塞，最后只好让矫形外科、神外科及神经科的门诊护士将查阅请求改排在下午4：00时以后，问题才告解决。所以，为了克服以太网这种分享介质技术随着网络节点数目增加网络性能下降的固有缺点，人们开始尝试在大型PACS的网络中引入异步传输模式(ATM)交换技术。
, 百拇医药
显示工作站在一定程度上可说是PACS与医生的交互界面。只就读片这一环节，当需反复比较新老图像时，观片灯上读胶片会比在监视器上读软拷贝快。因为，观片灯操作简单。VA医疗中心曾做过统计，对于比较复杂的病例，软拷贝读片平均比硬拷贝读片长3～5分钟，每读一张片要点击鼠标10多下。因此，如何简化人机交互，仍是今后努力方向。
三、诊断的安全性
PACS的引入改变了临床医生与放射医生各自为政、自我封闭的工作方式，也改变了面对面会诊的方式。但这种电子交换的最大隐患便是其安全性。尽管PACS属于医院内部甚至科室内部的封闭网，但依然有着病人医疗档案被窃取及窜改的危险。目前常用的授权资格认证及口令密码作为一般防范来讲是安全的。美国VA医疗中心放射学主管、PACS的先驱者之一Eliot Siegel博士在今年10月美国的医疗影像与信息化会议上 (Healthcare I2)专门做了一篇题为《让你的PACS更安全》的报告，从法律上、规章制度上、技术上以及实践保障上多方面论述了PACS的安全性问题。美国联邦政府已要求在未来5年内在全国卫生保健机构内必须采用PKI(公共密钥基础结构)技术，以确保电子交换的安全。这是一套用于数字认证的协议，用电子识别的方式验明1个人或1家公司的身份。
, 百拇医药
四、诊断的经济性
PACS作为医学影像信息化的基础设施，无疑是一项重大的投资项目。其经济效益评价始终是医院主管最关心的问题。
由于占放射检查量75%左右的普通X线照相一时不能完全为CR取代(特别是乳房片)，多数医院的PACS建设都采用逐步过渡策略，把分散在各影像设备上的资料逐步集中到中央服务器上。在过渡过程中要采用开放标准(如DICOM 3.0)和通用平台。这不仅有利于今后的升级和增容，也降低了硬件的投资及维护费用。美国国防部在1997年底宣布投资数亿美元执行DIN-PACS项目(即数字影像网络-PACS项目)，将三军所有医院影像资料联网。而在其公布的招标书中明确规定，必须采用开放系统和标准，必须采用WWW技术传送图像。同时建议美军所有医院的PACS系统都以Window NT为基础。
PACS在运行中能否呈现出相对传统X线片诊断的多快好省的优势，在相当大程度上取决于医生们特别是放射专家的接受意愿。这个过程越短，PACS的经济效益越明显。美国加州大学旧金山分校(UCSF)医学院放射学系曾在其神经放射的工作站上进行了一项实验。这是2台2 k×2.5 k×12 bit的肖像型监视器，通过全院PACS的中央服务器接收来自2个医疗中心共10台CT及MR的图像。实验目的是要检验工作站作业是否实现了神经放射的诊断功能，其成本是否比X线片诊断低?取2个参数，1个是出片时间，1个是工作站的利用指数。通过19个月临床数据的整理分析，利用指数从1994年9月刚装备时的40%提高到了1996年3月的80%，折算出软拷贝诊断远较硬拷贝诊断便宜得多。
, 百拇医药
另外，使放射医生的工作环境更适合PACS；重新组织放射科诊断作业，以从电子影像中获取最大好处；优化配置工作站等这些软工作对提高PACS的经济效益也是不可忽视的。
五、可靠性
可靠性对PACS很重要。无法想象，一旦PACS网络瘫痪对整个医院所带来的严重后果。正是因为意识到这一巨大风险，美国国防部人力支援中心在对投标DIN-PACS项目的各厂家考核中明确提出了8条指标，其中就有一条故障恢复功能(其他7条为：DICOM兼容性；系统存储与影像存档性能；网络性能；工作站功能；RIS(放射信息系统)功能；远程放射诊断功能；测试系统的质量控制与系统内部质量控制部件性能)。目前，随着越来越多的数字化医院的出现，在要害部位实行冗余备份，在敏感部位引入检错或自动纠错机制，建立镜像文档成为提高可靠性的普遍措施。
总而言之，上述准确性，快捷性，安全性，经济性，可靠性这五个要素的加权和就是PACS系统的临床诊断价值。虽然由于医院情况各异，规模不一，目前尚无一个具体的量化考核指标，但是，人们正在朝这个目标努力。日本大阪大学附属医院准备在PACS投入运行后，将影像检查患者周转率的变化做为定量考核PACS临床价值的主要指标，就是一个有意义的尝试。
收稿：1999-09-21, http://www.100md.com