图像的网络传输是基于计算机技术的发展和数字图像的应用，至20世纪90年代末已基本形成一门学科，专用于医学图像传输的计算机网络系统又称为医学图像的存档与通讯系统。医学图像的存档与通讯（picturearchivingandcommunicationsystem,PACS），的研究开发是20世纪80年代从美国开始。当时是为了解决放射科的实际需求，主要目标是能将图像表达为计算机信息流，存储在计算机存储装置上，而放射科医生可依据计算机屏幕上的图像进行诊断。随着医学数字化影像设备的种类越来越多，计算机技术的突飞猛进，使得医学影像直接取自检查设备、存储、通讯和显示都成为可能，但同时由于各公司生产的影像设备的图像格式不一致，使PACS进一步的发展遇到了很多困难。1993年国际相关组织在多年探索的基础上制定了ACR-NEMADICOM3.0标准（digitalimagingandcommunicationinmedicine3.0,DICOM3.0），随后这个标准很快得到了世界各国的公认，从而形成了统一的图像通讯与数椐表达形式。现在，PACS已在发达国家形成规模，在发展中国家也在逐步推广，可以说PACS发展和应用是现代医院迈向数字化信息时代的重要标志之一。

一、通讯和网络技术基础

   PACS是医学影像诊断学一门新的边缘学科，是建立在医学成像、网络、工作站、数据库、图像处理和通讯工程基础上的系统。它除了涉及大量医学影像诊断方面的知识外，还涉及了许多计算机方面的专业知识，为了能深入地了解PACS，我们有必要学习和掌握一些有关计算机和网络方面的知识。

1.通讯介质
   通讯介质则是联接计算机网络的各种连线。在一个计算机网络内部，所有计算机之间的通讯都要通过通讯介质进行。为了降低电阻、提高通讯速度，网线通常都采用铜材质的线，而目前最常用的网络连线是双绞线和同轴电缆。
1.1双绞线(twistedpairwires)
   双绞线由两根相互绝缘、粗约1mm的铜线绞在一起而成，标准频宽为300~3400Hz，连线的终端采用网络标准接口RJ45连接。根据国际电工委员会的定义(IEEE802.3标准)，双绞线又称为10BaseT，其中10表示10兆比特/秒(10Mbit/s)，T表示材质为双绞线。一般，双绞线多用于点对点的通讯联接，用于多点联接时效果较差。另外，双绞线的抗干扰能力受环境和屏蔽的影响，现常用于短距离的联接(一般在100米以内效果较好，如距离过长，需加入中继器)。但双绞线的价格最便宜、使用广泛，并且可用于传输模拟和数字信号。
1.2同轴电缆(coaxialcable)
   同轴电缆的组成由里向外依次是铜芯、塑胶绝缘层、网状细铜丝及塑料保护套，铜芯与网状导体同轴，故名同轴电缆，连线的终端采用N系列(T头)接口连接。根据IEEE802.3标准，同轴电缆又称为10Base5。局域网中常用的同轴电缆有两种，一种是阻抗为50W的同轴电缆用于传输数字信号，传输距离限制一般不超过500米，常在以太(Ethernet)网络的骨干网中使用。另一种是阻抗为75W的CATV电缆，又称宽带(broadband)同轴电缆，用于传输模拟信号，它的传输速率是100Mb/s~150Mb/s。
1.3光缆(fiber-opticalcable)
   光缆由能传送光波的玻璃纤维制成，外包一层比玻璃折射率低的材料，进入光纤的光波能在两种材料的界面上形成全反射，从而不断地向前传播完成传导。通常一根光缆由1~216根光导纤维组成，可分成多模式和单模式。多模式的光纤直径为62.5mm，多用于以太网和ATM网等。单模式的光纤直径为9mm，常用于较长距离的通讯传输，如用于以太网，光缆的长度限制是2000米。光缆传输有很多优点：首先它具有很高的传输速率、极宽的频宽、低误码率和低延迟等特性；其次是光的传输不受电磁干扰和防窃听，因而安全性和保密性好；第三是光纤的重量轻、体积小。光缆的唯一缺点是光缆和用于网络接口的设备价格昂贵。
2.网络的连接设备
   在计算机网络中，除计算机和用于连接计算机的网线外，要实施联网和通讯还必须有一些辅助设备，通常的网络连接设备有：中继器、网桥、路由器、交换机、集线器和网关等。
2.1中继器
   中继器是网络连接中的一个设备，它起到连接两个网络的作用。当安装一个局域网而物理距离又超过允许范围时，可用中继器将该局域网的范围延伸。中继器工作在OSI系统(opensysteminterconnection,OSI)的物理层，无论高层采用什么协议均与中继器无关，中继器只起到信号放大和整形作用，没有逻辑判断和处理能力。中继器在以太网络中一般限制在四个以内。网络中采用中继器连接后，整个系统仍属于一个网络，各网段上的工作站可共享同一个文件服务器。中继器不仅可延伸网络连线的距离，而且可以改变网络的拓扑结构，如在总线结构网络中，中间加入一个集线器(hub)后，可将总线结构改为星型结构。
2.2网桥
   网桥的作用类似中继器，但它是在网络的数据层连接两个网段，网间的通讯由网桥传送，而网络内部的通讯则被网桥隔断。网桥能检查数据包的源地址和目的地址，如源地址和目的地址不在同一网络段上，则把数据包转发到另一个网络段上；若两个地址在同一个网络段上则不转发，所以网桥能起到滤过作用。网桥的这个特性很有用，当一个网络由于负载很重性能下降时，可以用网桥把它分隔成两个网络段，使段间的通讯量保持最小。网桥的作用还在于可最大限度地缓解网络通讯的繁忙程度、提高通讯效率，同时由于网桥的隔离作用，一个网络段上的故障不会影响另一个网络段，提高了网络的可靠性。
2.3路由器
   路由器工作于系统的网络层，故可在网络层、数据层和物理层间通讯和可执行不同的网络协议，协议的转换工作由路由器完成，一般适合于连接复杂的大型网络。它工作的层次高于网桥，处理的信息数据大于网桥，因而处理速度也较网桥慢，但路由器的互连能力较强，可执行复杂的路由选择。
2.4网关
   网关是一种较为复杂的网络连接设备，它运行在系统的最上三层（会话层、表示层和应用层），它的作用是在网络层之上执行不同的协议，组成异构的互连网络。网关有对不兼容的高层协议进行转换的功能，如在构成PACS网络时，早期CT机与PACS服务器之间的连接，由于图像的格式不同、传输的协议不同，无法进行图像的传输，可采用网关对不同的传输层、会话层、表示层和应用层进行翻译和转换。
2.5交换机
   交换机可看成是一个多端口的网桥，它使用专用的集成电路技术，将一个或多个网桥的功能融入一块芯片中。交换机也可作为一个独立的网络节点或一个网段。大多数交换机还具备将低速网络连接到高速网络的功能，如在以太网的连接中，可将10Mb/s的以太网连接到100Mb/s甚至千兆以太网上。
2.6集线器
   集线器是网络组成常用的设备之一。一般，集线器有多个用户端口，它可连接工作站、PACS的服务器和其它设备，是网络连线的中央连接点。集线器有多种类型，最常见的是一种简单的、单个盒子式的集线器，它和其它设备之间可用同轴电缆或双绞线连接，没有管理功能，通常只适合于少于12个用户的使用。另一种是模块化集线器，它配有机架或卡箱，带有多个插槽，每个槽可放置一块通讯卡，一块卡相当于一个简单的集线器，可支持12个用户，总共有10块通讯卡，故模块化集线器可支持120个用户。
3.2.1物理层(physicallayer)
在通信线路上传输原始的、以比特为单位的数据流，和由物理层决定的多大电压代表“0”和“1”，发送端发出“1”时接收端如何识别出是“1”还是“0”。其相关参数包括信号电平和比特宽度。另外还涉及通信方式（单工、半双工和全双工），通信连接的建立与终止，物理连接接口的电气、机械特性和所使用的物理传输介质，物理层也是硬件层。
3.2.2数据链层(datalinklayer)
数据链的作用是实现数据的无差错传送。它接收物理层的原始数据并组成帧（位组），在网络设备间传输。每一帧包括数据和源站点、目的站点的物理地址等信息，若接收点检测到所传输的数据中有错误信息，则重发这一帧，直至该帧准确无误传送到接收节点为止。
3.2.3网络层(networklayer)
   在计算机网络中进行通信时，两个计算机之间可能要经过许多节点与链路，甚至经过几个通信子网，其次网络层数据的传送单位是分组或包（一个报文可含有许多分组或包）。网络层的任务是选择合适的路径，使来自于发送站经传输层传下来的分组，能够准确无误地按照地址交给目的站的传输层，其作用是建立、维护和取消网络连接。
3.2.4传输层(transportlayer)
传输层的任务是根据通信子网的特性最佳地利用网络资源，并以可靠和经济的方式为源站和目的站之间建立一条运输连接。传输层中信息的传送单位是报文，当报文较长时先把它分成几个组，然后交给网络层进行传输。在传输误码率很高时，可在终端间进行差错控制，以提高数据传送的可靠性；将一条网路进行多路复用，可降低数据传输的费用，达到通信传输的经济性。
3.2.5会话层(sessionlayer)
   该层不参与具体数据的传输，仅作访问验证、会话管理和维护应用之间的管理协调工作，如服务器的用户验证登陆便由该层完成。通常为了建立一次会话，用户必须提供他想与之连接的地址，这是一个复杂的过程，首先会话双方进行认证，然后确定采用半双工（每一方交替发送和接收）还是全双工（每一方同时发送和接收）的通信方式。再如当已建立的连接突然断开等意外发生时，确定重新会话从何处开始？这些有关数据发送权的控制等都属于会话层的功能。
3.2.6表示层(presentationlayer)
表示层的任务是进行数据格式的转换、数据的压缩、恢复、加密、解密等，主要解决用户信息的语法表示问题。该层将打算交换的数据从适合于某一用户的抽象语法转变为适合于OSI系统内部使用的传送语法。
3.2.7应用层(applicationlayer)
应用层提供网络与用户应用软件之间的接口服务。诸如负责用户信息的语义表示，在两个通信者之间进行语义匹配等，为用户提供服务。
3.3其它网络体系
除OSI参考模型外，目前还可见到其它网络体系，比较重要的一个体系是由美国国防部于1969年组织开发的分组交换网ARPANET中使用的TCP/IP体系。TCP/IP虽非国际标准，但多年来一直
为人们所采用，而且越来越成熟，它在计算机网络体系中占有极重要的地位，相应的协议也成为了可接受的协议。目前，世界上已有四十多个国家使用这种协议，并且连接了5000多个网络，几十万台主机，已成为事实上的国际标准。我们所熟悉的国际互连因特网(Internet)其传输层和网络层就是使用了TCP/IP协议，另外在PACS系统中也经常使用TCP/IP标准。
3.网络的结构和体系
   在第二章中曾简单介绍了网络的基本结构，本节将进一步讨论各种连接方式的用途和优缺点。我们已经知道，网络中各个节点相互连接的方法与形式称为网络的结构或网络拓扑，它反映了计算机之间点、线的连接特性。
计算机网络主要指通讯子网的结构类型，一般可分为五类：总线结构、环行结构、星型结构、树形结构和网状结构（参见图2-2～5）。
3.1网络结构
3.1.1总线结构
   在这种结构中，所有节点均通过相应的硬件接口连接到总线上，任何一个节点发送的信号都可以沿着总线传送并为其它任何节点接收。因为所有的节点共享一条公用传输线路，一次只能由一个设备发送和接收。总线结构多用于常规的以太网络。这种结构的优点是：线路长度短、布线容易、成本低、可靠性高，网络中任何一个节点的故障不会造成全网故障。缺点是数据安全性差，难以在网络中增加新的站点，传输线路故障检测困难，并且要影响许多其它节点。
3.1.2环型结构
   这种结构网络中的计算机相互连接形成环行，信息单向从一个节点传送到另一个节点，传送路线固定，没有路径选择问题。环型网络实施简单，适用于传输信息量不大的使用场合，应用范围主要是FDDI网和高速ATM环型网。这种网络的优点是所需网线长度短，安装简单，容易进行数据的安全性监控。缺点是容量有限，难在网络中增加新的站点，一个节点故障可影响整个网络。
3.1.3星型结构
   这种结构通常是中心节点（服务器）接收某个周边节点的信息，再转发至其它节点。主要应用于高速以太交换网和ATM交换网。星型结构的优点是：每一点连接只连接一个外围设备，发生故障时只影响一个设备，不涉及其它部分，故障的检测容易，数据安全性容易控制。缺点是网线连接长度较长，扩展困难，中心节点一旦发生故障，则引起全网瘫痪。
3.1.4树型结构
   这种结构是从总线结构演变而来，可以看作是多段总线结构的组合，它连接的形状如一棵倒置的树，它的根也就是主计算机在顶部，这是与总线结构的主要区别所在。某个节点发送来的信号，先由处于根部的主计算机接收，再由主计算机分散发送至全部网络中的各个计算机。树型结构主要应用于视频宽带网。树型结构的优点是便于扩展。缺点是主计算机一旦发生故障，则全网瘫痪。
3.1.5网状结构
   这种类型的网络中的任意两个节点都可直接连接，因而它的通讯速度快，可靠性高。缺点是建网复杂、投资大，灵活性较差。
3.2网络体系结构
   所谓的网络体系结构是指整个网络系统中的逻辑构造和功能分配，其组成是组建网络所必需的逻辑构造和协议体系。我们已知计算机网络是由各种各样的计算机和终端设备等通过通讯线路连接而成，在这个系统中，由于计算机的类型、通信线路类型、连接方式、同步方法、通信方式等等的不同，使网络中个节点之间的通信带来诸多不便。许多公司在设计网络时都有自己的网络体系结构，虽然都采用分层的方法，但层次的划分、功能的分配和采用的术语都不同，使各公司间的计算机网络无法连接。因此，各计算机和网络设备生产厂家之间必须有一个共同遵守的标准。
   1981年，国际标准化组织的技术委员会正式推出了一个组建网络系统结构的七层参考模型，即开放互连系统（opensysteminterconnection,OSI）。OSI主要解决了两个问题，其一是将网络功能分解为许多层次，在每个功能层次中，规定了通讯双方所必须遵守的约定和规则，以避免混乱，这些约定和规则又称为同层协议；其二是层次之间采取逐层过渡，前一层次为下一层次的运行做好准备工作，这部分内容称为接口协议。在OSI参考模型中，整个网络的通讯功能共划分为七个层次，每层各自完成相应的功能，其划分由低到高分别为物理层、数据链层、网络层、传输层、会话层、表示层、和应用层。                                           3.2.1物理层(physicallayer)
   在通信线路上传输原始的、以比特为单位的数据流，和由物理层决定的多大电压代表“0”和“1”，发送端发出“1”时接收端如何识别出是“1”还是“0”。其相关参数包括信号电平和比特宽度。另外还涉及通信方式（单工、半双工和全双工），通信连接的建立与终止，物理连接接口的电气、机械特性和所使用的物理传输介质，物理层也是硬件层。
3.2.2数据链层(datalinklayer)
数据链的作用是实现数据的无差错传送。它接收物理层的原始数据并组成帧（位组），在网络设备间传输。每一帧包括数据和源站点、目的站点的物理地址等信息，若接收点检测到所传输的数据中有错误信息，则重发这一帧，直至该帧准确无误传送到接收节点为止。
3.2.3网络层(networklayer)
   在计算机网络中进行通信时，两个计算机之间可能要经过许多节点与链路，甚至经过几个通信子网，其次网络层数据的传送单位是分组或包（一个报文可含有许多分组或包）。网络层的任务是选择合适的路径，使来自于发送站经传输层传下来的分组，能够准确无误地按照地址交给目的站的传输层，其作用是建立、维护和取消网络连接。
3.2.4传输层(transportlayer)
传输层的任务是根据通信子网的特性最佳地利用网络资源，并以可靠和经济的方式为源站和目的站之间建立一条运输连接。传输层中信息的传送单位是报文，当报文较长时先把它分成几个组，然后交给网络层进行传输。在传输误码率很高时，可在终端间进行差错控制，以提高数据传送的可靠性；将一条网路进行多路复用，可降低数据传输的费用，达到通信传输的经济性。
3.2.5会话层(sessionlayer)
   该层不参与具体数据的传输，仅作访问验证、会话管理和维护应用之间的管理协调工作，如服务器的用户验证登陆便由该层完成。通常为了建立一次会话，用户必须提供他想与之连接的地址，这是一个复杂的过程，首先会话双方进行认证，然后确定采用半双工（每一方交替发送和接收）还是全双工（每一方同时发送和接收）的通信方式。再如当已建立的连接突然断开等意外发生时，确定重新会话从何处开始？这些有关数据发送权的控制等都属于会话层的功能。
3.2.6表示层(presentationlayer)
表示层的任务是进行数据格式的转换、数据的压缩、恢复、加密、解密等，主要解决用户信息的语法表示问题。该层将打算交换的数据从适合于某一用户的抽象语法转变为适合于OSI系统内部使用的传送语法。
3.2.7应用层(applicationlayer)
应用层提供网络与用户应用软件之间的接口服务。诸如负责用户信息的语义表示，在两个通信者之间进行语义匹配等，为用户提供服务。
3.3其它网络体系
除OSI参考模型外，目前还可见到其它网络体系，比较重要的一个体系是由美国国防部于1969年组织开发的分组交换网ARPANET中使用的TCP/IP体系。TCP/IP虽非国际标准，但多年来一直
为人们所采用，而且越来越成熟，它在计算机网络体系中占有极重要的地位，相应的协议也成为了可接受的协议。目前，世界上已有四十多个国家使用这种协议，并且连接了5000多个网络，几十万台主机，已成为事实上的国际标准。我们所熟悉的国际互连因特网(Internet)其传输层和网络层就是使用了TCP/IP协议，另外在PACS系统中也经常使用TCP/IP标准。
TCP/IP系统与OSI系统不同，它只有四层。最高层为应用层，大致相当于OSI中5，6，7三层的功能，这一层中有许多常用的协议如远程通信协议TELNET，文件传送协议FTP等。下一层是主机到主机层，这一层主要是传输控制协议TCP，其相当于OSI的传输层。第三层是互连网层，与OSI系统的网络层相对应，主要的协议就是互连网协议IP。最底层是网络访问层，主要是一些与其它各种网络的接口。
TCP/IP有两大功能，第一个功能由互连网协议IP提供，实现子网互连，使不同的子网之间能传递数据。第二个功能由TCP提供，它将IP传递的数据转送到接收主机内的相应处理部件。

4.计算机网络技术
   用于PACS系统中的网络技术主要有三种：以太技术、光纤数据分配接口技术(fiberdistributeddatainterface,FDDI)和异步传输模式(asynchronoustransfermode,ATM)。上述三种方法都采用TCP/IP通讯协议，其中以太技术用于低速传输，FDDI用于中等速度的传输，而ATM则用于高速的传输。
4.1以太技术(Ethernet)
   标准的以太技术采用总线结构，它在同轴电缆、双绞线和光缆上的传输速率是10Mb/s。在以太网上，可以通过以太的分接口连接骨干电缆及其各个结点，骨干电缆还可增设新的以太分接口，并且每个结点只拥有一个唯一的地址，该地址由硬件识别并传送数据。传送时，每个数据包内都包含有源地址、目的地址、数据和错误识别码，此外，每个数据包都有一个信号检测和传输编码引导。
以太网络技术要求数据包大小合理,因为在数据传送中,每一个软件包的容量可达1500比特,为使数据正确地享有通讯通道，通常一个信号文件被分解成多个小文件包，便于以太接口硬件循线递送每个软件包到所需要的目的计算机。根据所使用的计算机和通讯软件的不同，多点连接以太网络上结点的传输速度可有所降低，其速度可降低到60Kb/s，因此在PACS系统中，最好加入一个计算机作为图像接收网关（gateway），以保证图像的顺利传送并且该计算机可作为系统的备份用。
目前，已有高速的以太网技术出现。在高速以太网的连接中，采用以太交换机替代了传统的骨干电缆和连接设备。如最早出现的以太交换机的传输速率已达10Mb/s，因此，每个连接点的传送速度是真正的10Mb/s，以前总线结构的以太网技术已逐步被以太交换机所取代。
4.2光纤数据分配接口技术（FDDI）
FDDI是一个环行的、光纤局域网，传输速率为100Mb/s。FDDI两个环都能传输数据，一个以顺时针方向传输数据，另一个以逆时针方向传输数据。正常情况下第二个环（副环）空闲，只有主环工作。当线路或节点发生错误主环出现故障时，FDDI可重新配置启动副环工作，这种双环结构可反向运行，以保证FDDI传送数据的正常运行。FDDI可用作中等速度数据通讯的应用，如从网关计算机到PACS服务器中的应用。
FDDI是过去十年开发的技术，主要用于医院信息系统(HIS)。与电缆以太技术相比，它的传输速度快、故障率低、适宜长距离传送数据。但是，与新发展的以太交换机技术和ATM技术相比，它又显得有些落伍，无论从传输性能和价格方面来说都是如此。
4.3异步传输方式(ATM)
   上述的以太网络技术和FDDI都只能在局域网上应用。此外，目前在局域网和广域网之间传送的医学图像，相互没有物理上和逻辑上的联系，为了适应这方面的需要，从而产生了ATM网。ATM的传输方法是将数据信息分割成固定大小的单位，每一个单位都包含5比特的ATM传输协议信息头和48比特的数据信息。根据电话线路交换的应用原理，ATM系统通常设计成星型网络结构，而其中的ATM交换机则作为一个Hub使用。ATM的基本传输速率是51.84Mb/s，被称为光学传输一级（opticalcarrierlevel1,OC-1），其它的多路传送如OC-3(155Mb/s)，OC-12(622Mb/s)，甚至于OC-48(2.5Gb/s)。在局域网和广域网中的图像传送可采用标准的TCP/IP协议，支持DICOM3.0协议。
4.4高速以太网络
   以前的以太网采用总线结构，最快只能以10Mb/s在局域网上使用，高速以太网技术采用交换式以太网能以100Mb/s甚至1.0Gb/s传送数据，其传送速度已超过ATMOC-3和ATMOC-12。高速以太网络技术采用类似于ATMOC-3的星型网络结构，通过工作站上的接口板，每个交换机可连接多个工作站，千兆（Gb级）以太网的交换机可分出数个100Mb/s的工作站和100Mb/s的以太交换机，并且能下接多个10Mb/s交换机和10Mb/s的工作站（图9.11，PACSBook）。因为以太技术只能用于局域网的连接，而ATM网能同时用于局域网和广域网，但在千兆以太网中可连接ATMOC-3的交换机，可实现局域网和广域网的连接。目前，这种双模式的连接，传输速度可达500Mb/s，完全能满足医学图像传输的需要。                                                                                                                         (Flyer)