PACS (Picture Archiving and Communication System) 의 일반적 개념

PACS (Picture Archiving and Communication System) 의 일반적 개념

PACS는 의학용 영상 정보의 저장(Archiving), 판독 (Reading)및 검색(Viewing) 기능 등의 수행을 통합적으로 처리하는 시스템을 말한다.

즉, PACS는 X선. CT.MRI.PET.SPECT등에 의해 촬영된 모든 방사선검사 결과를 디지털 이미지로 변환, 촬영과 동시에 대용량 기억장치에 저장시켜 판독 전문의가 모니터를 통해 판독할수 있도록 해주는 시스템이다.

PACS는 DICOM 규격에 따라 이미지 데이터를 저장, 관리하고 있다.

또한 의료영상획득장비와, 진단방사선과 그리고 임상 의사들을 하나로 연결하고 있다.

PACS는 관계형 DB를 이용하여 의료영상을 저장하거나 요청에 따라 검색하여 전송해주는 일을 한다.

DB 에는 최근 약 2주간의 환자데이터가 저장되어 있다.

2주 이상 되는 의료영상데이터들은 장기 저장장치에 의해 영구 보존된다.

각 영상 획득 장치에서는 각 벤더에서 지원하는 DICOM표준의 저장 프로그램에 의해 별도의 인터페이스 장치 없이 직접 PACS서버에 의료영상을 전송및 저장할 수 있다.

판독실이나 외래의사 및 진단방사선과 의사들은 GUI로 개발된 viewer를 제공하여 자신의 연구실 또는 회의실에서 저장된 의료영상데이터를 전송받아 판독하고 즉시 저장할 수 있다.

PACS의 필요성과 장점

1. 영상 정보의 신속한 전달

촬영된 환자의 영상 판독을 필요로 하는 판독실 및 기타 임상 관련과로 직접 전송선로를 통하여 전송할 수 있기 때문에 환자에 대한 결과를 신속하게 볼수 있어 신속한 후속 조치를 취할 수 있게 된다.

PACS가 없는 경우에 많은 시간에 걸쳐 전달되던 데이터가 촬영되는 즉시 수초내에 전달될수 있어서, 환자에 대한 신속한 진료와 함께, 병원 내에서의 정보흐름의 지연을 해소하여, 환자의 진료시간 및 입원기간을 단축하는 효과를 얻을수 있다.

2. 필름을 사용하지 않는다

필름을 사용하지 않으므로 필름의 분실로 인한 데이터의 분실을 방지할 수 있다.

같은 영상데이터를 여러 곳에서 동시에 관찰할 수 있게 된다.

필름의 운반 등에 인턴 등의 인력 낭비를 줄일 수 있다.

대용량의 데이터를 필름 등을 이용하여 보관하지 않고, 광디스크 등의 고집적도 저장 장치에 저장함으로써 저장공간의 효용성을 높일 수 있다. 따라서, 많은 부피를 차지하는 필름을 보관할 창고가 필요 없다.

필름 창고에서 원하는 환자의 과거 영상을 찾아올 필요없이 PACS시스템의 화면에 나타난 메뉴를 통하여 선택하면 신속하게 찾고자 하는 영상이 모니터를 이용하여 출력된다.

시스템의 구성

1. PACS Architecture

Architecture는 PACS설계시 전체 시스템 성능을 좌우하는 가장 중요한 요소 중의 하나이다.

일반적으로, 영상데이터의 저장과 조회 방식에 따라 중앙집중형 시스템과 분산형 시스템으로 구분할 수 있다.

중앙집중형 시스템은 Shared File System PACS로 불리워지는데 모든 영상데이터를 Central Storage에 저장하고 조회요구시 해당 데이터를 조회시스템에 전송하는 방식이다.

이 Architecture는 모든 사용자가 시간과 장소에 상관 없이 모든 영상데이터를 Access할 수 있는 반면 조회 요구 후에 데이터 전송이 일어나기 때문에 상당히 빠른 데이터 전송속도가 필요하다.

분산형 시스템은 Distributed File System PACS라 말하며 업무 구성에 맞춰 영상데이터를 하나 이상의 Storage System에 분산시킨다.

또한 각 Workstation은 조회 영상데이터를 임시로 보관하는 cache 성격의 Local Image Storage 특성도 가진다.

각 Workstation으로부터의 데이터 전송은 각 부서 특성에 맞는 데이터를 미리 Storage System으로부터 가져오는 Prefetching Algorithm을 이용할 수 있다.

이 Architecture는 중앙 집중식에 비해 비교적 속도가 느린 저속 Network(10Mbps)으로도 구축 가능하며 단지 조회요구 데이터가 Local Workstation에 없을때 데이터 전송시 많은 시간이 소요 될 수 있다.

실제 PACS 구성에 있어서는 상기 두 방식의 장점을 이용하는 혼합형 Architecture를 사용하는 것이 바람직하다.

급속한 Network 관련 기술개발로 PCNode에까지 100Mbps(Ethernet), 또는 155Mbps(ATM)를 그리 비싸지 않게 지원하고 있는 실정이다.

다만, 업무부서의 특성 및 요구를 정확히 반영하는 Architecture 설계는 PACS에 있어서 가장 중요한 요소이다.

2. 영상취득 시스템

현대식 병원에서 의료진단을 위한 의료영상 기기는 그 용도에 따라 다양하게 개발되어 사용되어 있다.

첫째로 가장 많이 사용되고 모든 건강 검진에 거의 필수적으로 필요한 일반 X-ray 영상이 있다.

일반 X-ray는 우리 몸을 통과한 X-ray가 필름을 감광시킴으로써 그 감광의 정도에 따라 우리 몸 내부 의 여러 상태를 진단하는데 사용된다.

이 영상은 영상으로서 몸 내부의 자세한 변화를 보는데 한계가 있다.

같은 원리를 이용하여 우리 몸속의 혈관을 주로 촬영하는 혈관 조형술이 있고 위 투시와 같은 Fluo roscopy가 있다.

이 모든 영상은 아날로그 상태의 정보가 X-ray필름에 아날로그 상태로 저장된다.

다음으로 우리 몸내부를 Projection상태의 영상이 아닌 실제 내부를 보는 것과 같은 단층 촬영법이 있는데 단층 촬영을 위해 어떤 수단을 사용하느냐에 따라 여러 영상기기로 나뉜다.

우선 가장 먼저 개발되어 사용되고 있는 CT가 있다.

CT는 X-ray를 우리 몸의 각 방향에서 발생시키며 우리 몸을 통과한 X-ray를 받아 이를 컴퓨터로 재구성 하여 단층영상을 얻어 내는 장치이다.

이와 비슷한 장치로 강한 자장을 이용하는 MRI, 방사선 동위원소를 우리 몸 속에 주입하여 이 동위 원소가 붕괴되면서 나오는 양전자나 감마선을 감지하여 영상을 재구성하는 양전자 방출형 단층 촬영기와 단광자 방출형 단층촬영기 등 핵의학 영상 기기가 있다.

이 단층 영상들의 특징은 얻어진 신호를 디지탈로 바꾸어 컴퓨터를 이용하여 재구성 함으로써 디지털 영상이 얻어지는 것이다.

이 디지탈 영상을 다시 아날로그로 바꾸어져 X-ray필름에 수록 되어 의사가 이 필름을 보는 기존의 판독 방법이다.

PACS를 이용하면 또한 임산부나 간, 심장등의 진단에 주로 쓰이는 초음파 영사 장치가 있는데 이 장치는 실시간 영상을 볼 수가 있어서 우리 몸 속의 내부 움직임, 특히 심장을 봄으로써 진단에 도움을 준다.

지금까지의 PACS는 앞에서 말한 주로 진단용 의료 영상을 위해 개발되었고 이러한 의료영상을 대부분 gray-level이고 PET와 초음파영상의 일부가 Pseudo Color를 이용하는 칼라 영상이다.

이 밖의 의료 영상으로 내시경 영상과 현미경 영상 등이 있으며, 이 영상들은 정확한 칼라 정보를 유지하여야 하며 또한 높은 해상도가 필요하다. 이에 대한 칼라 PACS도 연구되고 있다.

3. 저장 시스템

대부분의 PACS는 두단계의 저장시스템을 가지고 있다.

비교적 빠른 데이터 전송용으로 쓰이는 on-line storage와 방대한 용량이나 상대적으로 느린 Archive Storage이다.

On-line Storage

1) 용량

On-line으로 저장되고 있는 영상 데이터를 정확히 예측하는 일은 쉬운 일이 아니다. 각 과의 업무 특성상 On-line으로 보관되어야 하는 기간도 각각 다르다.

다만 대부분의 시스템은 Hot time을 기준으로 조금씩 그 용량을 늘려 잡는 경향이다.

On-line Storage도 Archive Storage에 비해 용량 대비 가격이 월등하므로 시스템에 영향을 주지 않는 범위안에서 최소 한의 용량 산출이 되어야 한다.

2) Perfermance

PACS 시스템의 Performance는 대용량의 Image Data handling에 있어서 Storage System 과 Network의 적정한 용량 산출은 그래서 더욱 중요하다.

또한 Acquisition Station에서 생성되는 Image의 크기나 빈도, Viewing Station 에서의 Image 요구빈도 등은 직접적으로 전체 PACS 시스템 Performance에 영향을 준다.

3) 저장매체

저장장치는 오류발생시 Data 손실없이 유지되어야 한다.

이러한 요구에 적합한 저장장치는 RAID이다. 대규모 영상 data를 저장하는데 RAID3가 적합하며, DB에 있는 항목들과 같은 소규모 data를 저장 하는데는 RAID5가 적합하다.

Archive System

1) 용량

Archive 저장용량은 의학영상의 online 보관 기간에 따라 결정된다. 통계적으로 보면 영상 이 10% 이내 것이 첫해 이후에 다시 접근될 수 있다고 한다.

Archive 시스템은 적어도 2년 이내의 영상을 저장할 수 있도록 설계 되어야 한다.

2년 이후의 영상은 사용자의 수동조작으로 접근 가능해야 한다.

2) Performance

On-line Storage 시스템에서 일정기간이 지난 영상은 자동적으로 Archive되어야 한다.

Archived 영상은 Prefetching algorithm에 의하여 빠른 속도로 조회가 가능해야 한다.

3) 저장매체

가장 보편적인 Archiving 저장 매체는 Optical disk drives이며 다른 매체로는 광 tape이나 마그네틱 tape 등이 있다. 하지만 영상 복원시 문제 발생으로 인하여 최근에는 저가의하드디스크가 사용되어 지고 있다.

4. 데이터베이스

PACS Database는 병원 업무 특성상 매우 복잡한 구성요소적 특성을 갖는다.

어떤 의미로는 PACS Datebase 는 병원 업무 중에서 영상 업무 전체를 Modeling 한다고 볼 수 있다. PACS System에서 수행되는 가장 기본적인 것은 영상데이터 set이다.

이 영상데이터 set은 영상과 그에 관련된 기록, 그리고 진단 보고서, status, 그외의 많은 양의 Parameter 들을 가지고 있다.

또한 Image Operation 에 필요한 Static Parameter 들도 영상데이터 set에 포함되어야 한다.

저장된 영상 데이터는 그 사용 빈도에 따라 Query Parameter를 고려한 다음 분류로 나누어진다.

영상 데이터 종류

storage

compression

최근 획득된 영상(약 1주일 이내)

total Workstation

non-compression

상시 Accessible영상

Storage Server

case compression

보관 영상(off line) 단, Archive Index 지원

Archiving Server

full-compression

또한 데이터베이스에는 PACS 사용자와 권한 부여에 관련된 정보가 있어야 한다. 특히 진단용 Work- station 에서 지정된 사용자를 분명히 인식하여 관련된 Report가 잘못 복사되거나, 진단오류 등 근본적으로 잘못될 소지를 시스템에서 방지할 수 있게 한다.

사용자와 그 권한에 관련된 범주 정의는 운영자의 요구사항 및 경험적 데이터에 의해 수정, 보완되어야 한다. 방대한 양의 영상 정보를 효율적 이고 신속하고 검색해 볼 수 있기 위해서는 계층적인 구조의 저장장치가 필요하다.

이에 4단계의 계층적 저장장치들을 보면

첫째로 사용자의 지시에 따라 직접영상을 실시간에 디스플레이 하기 위해 데이터를 잠시 저장하고 빠른 속도로 디스플레이 하기 위한 Frame buffer로 전달 하기 위한 Memory가 필요하다.

보통 한 study의 영상데이터 양이 5-20MByte 에 해당하므로 판독할 때 많으면 약 3개의 study를 비교하면서 판독 할 수 있게 하려면 40-60MByte의 고속 Memory가 필요하다.

둘째로 각각의 디스플레이 워크스테이션에 빠른 속도의 Magnetic disk가 설치되어야 할 때도 있다.

셋째로 중앙 저장장치로서 수시로 판독이나 충고를 위하여 영상을 디스플레이할 가능성이 있는 정보는 속도가 빠른 중앙저장장치에 보관하도록 한다.

일반적으로 입원환자의 입원기간을 일주일로 가정하면 이 입원기간동안 그 환자의 의료영상을 수시로 디스플레이 할 가능성이 있다. 따라서 일주일 분의 영상데이터와 또 이 환자의 과거영상도 판독에 사용되므로 과거 데이터 일주일분을 합하여 약 2주일 분의 영상데이터를 저장할 용량이 필요하다.

일주일이 지난 데이터와 그 비교 데이터는 네번째 계층인 Long-term archive 장치에 저장되어 필요시 중앙저장장치로 불려오게 된다.

넷째로 진단을 끝낸 영상데이터를 반영구적 또는 최소한 법적으로 필요한 5년 이상 정보의 손실 없이 저장하기 위한 Long-term archive장치가 필요하다. 이를 위해 Optical Disk Jukebox가 많이 이용된다.

특히 진단이 끝난 후, Long-term archive에 저장을 할 때는 저장의 효율을 높이기 위하여 데이터 압축을 이용한다.

사용자 관점에서는 데이터베이스의 Query Performance는 매우 중요하다. 통계에 관련된 Report도 데이터베이스 설계시 반드시 고려해야 한다.

Full-PACS의 경우 데이터베이스에 저장되는 Report의 용량은 년간 대체적으로 1GB가량이다.

이 수치는 큰 저장 용량 뿐 아니라 전체 데이터베이스 Perfor- mance에도 상당한 영향을 준다.

이 문제를 푸는 방법은 대체로 두가지 방법을 제시할 수 있다.

그 첫번째는 별도의 Report용 데이터베이스 시스템을 구축하여 운영하는 방안이다.

추가비용 발생의 부담이 있지만 본 PACS 시스템 부가 Load를 최대한 억제하고 완전 독립적 인 DB시스템을 구축함으로 써 Performance 및 저장용량의 한계를 넘어설 수 있다.

상대적으로 첫번째에 비해 작은 시스템에 적용할 수 있는 반면 Pre-Define된 정책에 의거 저장업을 수행하여야 되므로 번거롭고 본 system에도 다소 영향을 준다.

데이터베이스 설계시 고려되어야하는 또 하나의 사항은 외부시스템과의 Interface이다.

그중 가장 많이 연결되는 RIS와의 Interface를 살펴본다.

Full PACS에서 요구하는 Function 중 기본 RIS Function과 중첩되는 것이 있다.

미국 MDIS REF에서도 PACS 그 자체에 최소한의 RIS를 Intergration 하도록 되어 있다.

그렇게함으로써 얻어지는 가장 큰 장점은 외부시스템 Maintenance 시 최소한의 기능적 손실없이 독립적으로 PACS는 운용할 수 있는 점이다.

그 반면에 독립적으로 운용되는 RIS에 비해 PACS내에 최소한으로 포함된 RIS는 병원요구와는 거리가 먼 경우가 많다.

그 해결 방안으로는 RIS 를 포함한 병원 내의 다양한 시스템을 PACS와의 효율적인 연동을 생각할 수 있다.

그러기 위해서는 Application을 포함한 데이터베이스의 직/간접적인 인터페이스로 Gateway Server를 두어야 한다.

5. 네트워크

2k*2K의 12bit 영상 한 장의 데이터양은 6Megebyte에 해당한다.

이러한 대량의 영상데이터가 최소한 2-3초이내에 사용자의 모니터에 디스플레이 되기 위해서는 Network throughput이 1-2초 이내에 6M byte의 영상데이터를 전송 할 수 있어야 하며, 여러 명의 사용자가 동시에 영상 데이터를 Acess 할 경우를 대비해서 아주 빠른 Network이 필요하다.

그리고 네트워크의 확장 성을 고려해서 향후 신기술 도입이 용이한 장비를 선정하는 안목이 필요하다.

　

6.영상 Display System

PACS는 X-ray필름을 이용하는 시스템을 대신하기 위한 새로운 컴퓨터의 시스템이므로 필름을 이용하 는 진단시스템보다 모든 면에서 우수하거나 최소한 비슷하여야 기존의 것을 성공적으로 대치할 수 있어야 한다.

　

출처 : 이진욱의 RAD PACS http://www.cmc.cuk.ac.kr/~jw/pacs1.html


좀 오래된 자료 입니다 개념만 이해하세요..