画像アーカイブおよび通信システム

画像保管通信システム（PACS ）は、複数のモダリティ（ソースマシンタイプ）からの画像を経済的に保管し、簡単にアクセスできる医療用画像技術です。 ^[1] 電子画像とレポートはPACSを介してデジタル形式で送信されます。これにより、X線フィルムを保管および保護するために使用されるフォルダーであるフィルムジャケットを手動でファイリング、取得、または輸送する必要がなくなります。 PACS画像の保管と転送のユニバーサルフォーマットはDICOM（医療におけるデジタル画像および通信）です。スキャンされたドキュメントなどの非画像データは、DICOMでカプセル化されたPDF（ポータブルドキュメントフォーマット）などの消費者業界標準フォーマットを使用して組み込むことができます。 PACSは、X線プレーンフィルム（PF）、コンピューター断層撮影（CT）、磁気共鳴画像（MRI）などの画像モダリティ、患者情報を転送するためのセキュリティで保護されたネットワーク、画像を解釈および確認するためのワークステーション、画像とレポートを保管および取得するためのアーカイブの4つの主要コンポーネントで構成されています。既存のWebテクノロジと新しい Web テクノロジを組み合わせることで、PACS は画像、解釈、および関連データへのタイムリーで効率的なアクセスを提供することができます。PACS は、従来のフィルムベースの画像検索、配布、および表示に関連する物理的および時間的な障壁を軽減します。

ほとんどの PACS は、超音波 (US)、磁気共鳴 (MR)、核医学画像、陽電子放出断層撮影 (PET)、コンピューター断層撮影 (CT)、内視鏡検査 (ES)、マンモグラム (MG)、デジタル放射線撮影 (DR)、リン光板放射線撮影、可視光写真 (VL)、組織病理学、眼科など、さまざまな医療用画像機器からの画像を処理します。画像形式の種類は常に追加されています。放射線学以外の臨床分野、心臓病学、腫瘍学、消化器病学、さらには研究室でも、PACS に組み込むことができる医療用画像が作成されています ( DICOM アプリケーション分野を参照)。

PACS には主に 4 つの用途があります。

• ハード コピーの代替: PACS は、フィルム アーカイブなどの医療画像を管理するハード コピーベースの手段に代わるものです。デジタル ストレージの価格が下がるにつれて、PACS はフィルム アーカイブに比べてコストとスペースの面でますます有利になり、同じ機関で以前の画像に即座にアクセスできるようになります。デジタル コピーはソフト コピーと呼ばれます。
• リモート アクセス: オフサイトでの表示とレポート (遠隔教育、遠隔診断)の機能を提供することで、従来のシステムの可能性が広がります。遠隔放射線診断では、物理的に異なる場所にいる医師が同時に同じ情報にアクセスできるようになります。
• 電子画像統合プラットフォーム: PACS は、病院情報システム(HIS)、電子医療記録(EMR)、診療管理ソフトウェア、放射線情報システム(RIS)などの他の医療自動化システムとインターフェイスする放射線画像の電子プラットフォームを提供します。
• 放射線科ワークフロー管理: PACS は、放射線科のスタッフが患者の検査のワークフローを管理するために使用されます。

PACS は、ほぼすべての大手医療用画像機器メーカー、医療用 IT 企業、および多くの独立系ソフトウェア企業によって提供されています。基本的な PACS ソフトウェアはインターネットで無料で入手できます。

アーキテクチャとは、必要な機能の物理的な実装、または外部から見たものです。ユーザーによってビューは異なります。放射線科医は通常、ビューイング ステーション、技術者は QA ワークステーションを見ますが、PACS 管理者はほとんどの時間を空調完備のコンピュータ ルームで過ごすことになります。複合ビューは、ベンダーによってかなり異なります。^[2]

通常、PACS は多数のデバイスで構成されています。一般的な PACS システムの最初のステップはモダリティです。モダリティは通常、コンピューター断層撮影 (CT)、超音波、核医学、陽電子放出断層撮影 (PET)、および磁気共鳴画像 (MRI) です。施設のワークフローに応じて、ほとんどのモダリティは品質保証 (QA) ワークステーション (PACS ゲートウェイと呼ばれることもあります) に送信します。QA ワークステーションは、患者の人口統計情報や検査のその他の重要な属性が正しいことを確認するためのチェックポイントです。検査情報が正しい場合、画像はアーカイブに渡されて保管されます。中央ストレージ デバイス (アーカイブ) には画像が保管され、場合によっては画像とともにレポート、測定値、その他の情報も保管されます。PACS ワークフローの次のステップは、読影ワークステーションです。読影ワークステーションは、放射線科医が患者の検査を確認し、診断を下す場所です。通常、読影ワークステーションには、放射線科医が最終レポートを口述するのに役立つレポート パッケージが接続されています。レポート ソフトウェアはオプションであり、医師がレポートを口述する方法はさまざまです。前述のワークフローに加えて、患者または紹介医師に配布するために患者の研究を書き込むために使用される CD/DVD オーサリング ソフトウェアが通常あります。上の図は、ほとんどの画像センターおよび病院の一般的なワークフローを示しています。このセクションでは、放射線情報システム、病院情報システム、および PACS ワークフローに関連するその他のフロントエンド システムとの統合については説明していません。

ますます多くの PACS に、通信手段としてインターネットまたは広域ネットワーク(WAN) を利用するための Web ベースのインターフェイスが組み込まれています。通常はVPN (仮想プライベート ネットワーク) またはSSL (セキュア ソケット レイヤー) 経由です。クライアント側のソフトウェアでは、 ActiveX、JavaScript、Java アプレットが使用されることがあります。より堅牢な PACS クライアントは完全なアプリケーションであり、実行しているコンピュータの全リソースを利用できるため、頻繁に行われるWeb ブラウザや Java の自動更新の影響を受けません。画像やレポートの配布の必要性が広がるにつれて、PACS システムで DICOM 標準の DICOM パート 18 をサポートするよう求められています。Web Access to DICOM Objects (WADO) は、真にポータブルな媒体を通じて Web 上で画像やレポートを公開するために必要な標準を作成します。PACS アーキテクチャの焦点から外れることなく、WADO はクロス プラットフォーム機能のソリューションとなり、紹介元の医師や患者への画像やレポートの配布を増やすことができます。

PACS イメージのバックアップは、PACS アーキテクチャ (下記参照) の重要な部分ですが、見落とされがちです。米国では、HIPAAにより、PACS からイメージが失われた場合に備えて、患者のイメージのバックアップ コピーを作成することが義務付けられています。イメージをバックアップする方法はいくつかありますが、通常は、イメージのコピーを別のコンピューター (できればオフサイト) に自動的に送信して保存します。

PACS サーバーとの通信は、DICOM イメージの「ヘッダー」に似ていますが、属性が異なる DICOM メッセージを通じて行われます。クエリ (C-FIND) は次のように実行されます。

• クライアントは PACS サーバーへのネットワーク接続を確立します。
• クライアントは、DICOM 属性のリストである C-FIND 要求メッセージを準備します。
• クライアントは、C-FIND 要求メッセージに一致する必要があるキーを入力します。たとえば、患者 ID を照会する場合、患者 ID 属性に患者の ID が入力されます。
• クライアントは、サーバーから受信するすべての属性に対して、空 (長さゼロ) の属性を作成します。たとえば、クライアントが画像の受信に使用できる ID (画像の取得を参照) を受信する場合、C-FIND 要求メッセージに長さゼロの SOPInstanceUID (0008,0018) 属性を含める必要があります。
• C-FIND 要求メッセージがサーバーに送信されます。
• サーバーは、C-FIND 応答メッセージのリストをクライアントに返します。各メッセージは、一致ごとに値が設定された DICOM 属性のリストでもあります。
• クライアントは、応答メッセージ オブジェクトから関心のある属性を抽出します。

次に、DICOM ネットワーク プロトコルを使用して、C-MOVE または C-GET 要求のいずれかを通じて、画像 (およびプレゼンテーション状態や構造化レポートなどの他の複合インスタンス) が PACS サーバーから取得されます。取得は、スタディ、シリーズ、または画像 (インスタンス) レベルで実行できます。C-MOVE 要求は、宛先アプリケーション エンティティ タイトル (AE タイトル) と呼ばれる識別子を使用して、取得したインスタンスを送信する場所を指定します (1 つ以上の個別の接続で個別の C-STORE メッセージを使用)。C-MOVE が機能するには、サーバーで AE タイトルを TCP/IP アドレスとポートにマッピングするように構成する必要があります。そのため、サーバーは、画像の送信を要求されるすべての AE タイトルを事前に認識している必要があります。一方、C-GET は、リクエストと同じ接続で C-STORE 操作を実行するため、「サーバー」が「クライアント」の TCP/IP アドレスとポートを認識する必要がなく、ファイアウォールやネットワーク アドレス変換を介して、C-MOVE に必要な着信 TCP C-STORE 接続が通過できない環境でも簡単に動作します。C-MOVE と C-GET の違いは、アクティブ FTP とパッシブ FTP の違いに似ています。C-MOVE は企業内や施設内で最もよく使用されますが、C-GET は企業間でより実用的です。

従来の DICOM ネットワーク サービスに加えて、特に企業間での使用を目的とした DICOM (および IHE) では、WADO、WADO-WS、最近では WADO-RS などの他の取得メカニズムも定義しています。

デジタル医療画像は通常、検索用に PACS にローカルに保存されます。施設には、エラーや災害が発生した場合に画像を回復する手段があることが重要です (米国では、 HIPAAのセキュリティ ルールの管理保護セクションで義務付けられています)。施設ごとに異なりますが、画像バックアップの目標は、自動化し、管理をできるだけ簡単にすることです。コピーが必要にならないことが望まれますが、災害復旧および事業継続計画では、サイト全体が一時的または永久的に失われた場合でもデータのコピーを維持することを計画に含める必要があります。

理想的には、画像のコピーは、災害復旧機能を提供するためにオフサイトを含む複数の場所に保管する必要があります。一般的に、PACSデータは他のビジネスクリティカルデータと何ら変わりはなく、複数の場所で複数のコピーで保護する必要があります。PACSデータは保護対象医療情報（PHI）と見なされる可能性があるため、規制が適用される場合があります。最も顕著なのは、HIPAAとHIPAAハイテク要件です。^[3]

画像は、ローカルとリモートの両方で、ディスク、テープ、光学メディアなどのオフライン メディアに保存できます。最新のデータ保護テクノロジを使用したスト​​レージ システムの使用は、特に、容量とパフォーマンスの要件が高い大規模な組織でますます一般的になっています。ストレージ システムは、直接接続ストレージ (DAS)、ネットワーク接続ストレージ( NAS)、またはストレージ エリア ネットワーク(SAN) など、さまざまな方法で構成され、PACS サーバーに接続できます。ストレージの接続方法に関係なく、エンタープライズ ストレージ システムでは、障害から保護するために、 RAIDなどのテクノロジが一般的に使用されています。PACS を部分的または完全に再構築する必要がある場合は、できれば PACS が動作している間に、データを PACS に迅速に転送する何らかの手段が必要です。

最新のデータ ストレージ レプリケーション テクノロジを PACS 情報に適用できます。これには、ローカルで保護されたコピーのポイントインタイム コピーによるローカル コピーの作成、およびディスクやテープ ベースのシステムを含む別のリポジトリ上のデータの完全なコピーの作成が含まれます。データのリモート コピーは、テープを物理的にオフサイトに移動するか、データをリモート ストレージ システムにコピーすることによって作成する必要があります。HIPAA で保護されたデータを移動するときは常に暗号化する必要があります。これには、物理​​テープまたは WAN 経由のレプリケーション テクノロジによるセカンダリ ロケーションへの送信が含まれます。

PACSデータのコピーを作成するための他のオプションには、物理​​的にオフサイトに転送されるリムーバブルメディア（ハードドライブ、DVD、または多数の患者の画像を保存できるその他のメディア）があります。HIPAA HITECHは、多くの場合、保存されたデータの暗号化またはその他のセキュリティメカニズムを義務付けており、遵守しない場合の罰則を回避しています。^[4]

バックアップ インフラストラクチャは、新しい PACS への画像の移行をサポートできる場合もあります。アーカイブする必要がある画像が大量にあるため、多くの放射線センターはシステムをクラウドベースの PACSに移行しています。

完全な PACS は、画像とその関連データへの単一のアクセス ポイントを提供する必要があります。つまり、組織全体のすべての部門のすべてのデジタル モダリティをサポートする必要があります。

ただし、PACS の普及が完了するまでは、中央 PACS にまだ接続されていないデジタル画像の個別のアイランドが存在する可能性があります。これらは、モダリティ、ワークステーション、ストレージのローカルなモダリティ固有のネットワーク (いわゆる「ミニ PACS」) の形をとる場合もあれば、長期のストレージや管理なしで読み取りワークステーションに直接接続されたモダリティの小さなクラスターで構成される場合もあります。このようなシステムは、部門の情報システムに接続されていないこともよくあります。歴史的に、超音波、核医学、心臓カテーテル検査室は、このようなアプローチを採用する部門であることが多いです。

最近では、フルフィールドデジタル マンモグラフィー( FFDM ) でも同様のアプローチが採用されていますが、これは主に画像サイズが大きいこと、読影ワークフローと表示要件が高度に特殊であること、規制当局の介入などが理由です。DMIST研究を受けて米国で FFDM が急速に導入されたことで、デジタル マンモグラフィーと PACS の統合がより一般的になっています。

すべての PACS は、企業全体に及ぶか、部門内に限定されるかに関係なく、既存の病院情報システム(病院情報システム(HIS) および放射線情報システム(RIS)) ともインターフェイスする必要があります。次の手順の入力として PACS に流入し、対応する入力の結果として HIS に返されるデータがいくつかあります。

入力:患者識別と検査オーダー。これらのデータは、ほとんどの病院で HL7 プロトコルを介して統合インターフェイス経由で HIS から RIS に送信されます。患者 ID とオーダーは、DICOM プロトコル (ワークリスト) を介してモダリティ (CT、MR など) に送信されます。画像はスキャン後に作成され、PACS サーバーに転送されます。診断レポートは、医師/放射線科医が PACS サーバーから取得して提示した画像に基づいて作成され、RIS システムに保存されます。
出力:それに応じて作成された診断レポートと画像。診断レポートは通常 HL7 経由で HIS に送り返され、病院で HIS と統合された DICOM ビューアーがある場合は通常、画像が DICOM 経由で HIS に送り返されます (ほとんどの場合、臨床医は診断レポートが届くことを通知され、PACS サーバーから画像を照会します)。

複数のシステム間のインターフェースにより、より一貫性があり信頼性の高いデータセットが提供されます。

• 検査に誤った患者 ID を入力するリスクが低減 – DICOM ワークリストをサポートするモダリティは、今後の症例の患者識別情報 (患者名、患者番号、受入番号) を取得して技術者に提示できるため、取得中のデータ入力エラーを防止できます。取得が完了すると、PACS は埋め込まれた画像データを RIS のスケジュールされた検査のリストと比較し、画像データがスケジュールされた検査と一致しない場合は警告フラグを立てることができます。
• PACS に保存されたデータには、HIS から取得した固有の患者識別子 (社会保障番号や NHS 番号など) をタグ付けできます。異なるセンターが内部的に異なる ID システムを使用している場合でも、複数の病院のデータセットを統合する堅牢な方法を提供します。

インターフェースはワークフロー パターンを改善することもできます。

• 放射線科医が検査結果を報告した場合、PACS はそれを既読としてマークできます。これにより、不必要な二重読み取りを回避できます。レポートは画像に添付でき、単一のインターフェイスで表示できます。
• 画像アーカイブにおけるオンライン ストレージとニアライン ストレージの使用が改善されました。PACS は予約と入院のリストを事前に取得できるため、オフライン ストレージまたはニアライン ストレージからオンライン ディスク ストレージに画像を事前に取得できます。

統合の重要性を認識したことにより、多くのサプライヤが完全に統合された RIS/PACS を開発するようになりました。これらの製品には、次のような高度な機能が数多く備わっています。

• レポートの口述は、単一のシステムに統合できます。統合された音声テキスト化音声認識ソフトウェアを使用して、患者のスキャンから数分以内にレポートを作成し、患者のカルテにアップロードできます。または、報告する医師が電話システムまたはボイス レコーダーに所見を口述することもできます。その録音は、入力用にトランスクリプト ライターのワークステーションに自動的に送信されますが、医師がアクセスできるようにして、緊急の結果を入力する際の遅延を回避したり、入力ミスが発生した場合に備えて保持したりすることもできます。
• 品質管理と監査を目的とした単一のツールを提供します。拒否された画像にはタグを付けることができ、後で分析することができます (放射線防護法で要求される場合があります)。管理目的で、作業負荷とターンアラウンド時間を自動的にレポートできます。

PACS のインストール プロセスは複雑で、時間、リソース、計画、テストが必要です。受け入れテストに合格するまでインストールは完了しません。新しいインストールの受け入れテストは、ユーザーのコンプライアンス、機能性、特に臨床安全性を確保するための重要なステップです。たとえば、検証されていないソフトウェア制御が原因で患者に大量の放射線が過剰投与される事故が発生した放射線医療機器Therac-25 を考えてみましょう。^[5]

受け入れテストでは、PACS が臨床使用の準備ができているかどうかを判断し、保証のタイムラインをマークするとともに、支払いのマイルストーンとして機能します。テスト プロセスの所要時間は施設の規模によって異なりますが、30 日間の期限という契約条件は珍しくありません。契約書を作成する前に、詳細な計画とテスト基準の開発が必要です。これは、定義されたテスト プロトコルとベンチマークを必要とする共同プロセスです。

テストにより欠陥が明らかになる。ある調査では、最も頻繁に挙げられる欠陥は最もコストのかかるコンポーネントであることが判明した。^[6]最も頻度の高いものから最も頻度の低いものの順に並べた欠陥は、ワークステーション、HIS/RIS/ACSブローカーインターフェース、RIS、コンピュータモニター、Webベースの画像配信システム、モダリティインターフェース、アーカイブデバイス、メンテナンス、トレーニング、ネットワーク、DICOM、遠隔放射線学、セキュリティ、フィルムデジタイザーである。

最初の基本的なPACSの1つは、1972年にリチャード・J・ステッケル博士によって作成されました。^{[7] : 6}

PACSの原理は1982年に放射線科医の会議で初めて議論されました。PACSという用語の造語者は様々な人物とされています。心臓血管放射線科医のアンドレ・デュリンクス博士は1983年に、この用語を1981年に初めて使用したと報告しました。 ^{[8] : 9–18}一方、サミュエル・ドワイヤー博士は、この用語を導入したのはジュディス・M・プレウィット博士であると考えています。^{[9] : 2–9}

1990年代初頭にロンドンで働いていた医療物理学者のハロルド・グラス博士は、英国政府の資金を確保し、長年にわたってプロジェクトを管理し、ロンドンのハマースミス病院を英国初のフィルムのない病院に変えました。^{[10] : 469–478}グラス博士はプロジェクトが稼働してから数か月後に亡くなりましたが、PACSの先駆者の一人として知られています。

最初の大規模なPACSの導入は1982年にカンザスシティのカンザス大学で行われました。^[2]

米国ではPACSは医療機器に分類されているため、販売する場合は米国食品医薬品局（USFDA）の規制を受ける。一般的にクラス2の管理対象であり、510(k)が必要となるが、個々のPACSコンポーネントはそれほど厳しくない一般管理の対象となる場合がある。^[11]マンモグラフィの一次読影での使用など、一部の特定の用途は、マンモグラフィ品質基準法の範囲内でさらに規制されている^[12]。

Society for Imaging Informatics in Medicine (SIIM) は、PACS および関連するデジタル トピックに関する研究と教育を促進するために、年次会議と査読付きジャーナルを提供する世界的な専門および業界団体です。

• PACS の歴史 Web サイト
• USC IPILab のバックアップに関する研究記事