Picture Archiving and Communication System

PACS-Server (ganz unten) mit 40 Terabyte RAID-Archiv. Das Kurzzeitarchiv ist über dem Server angeordnet, darüber befindet sich das Langzeitarchiv. Ganz oben: Zwei Switches mit Lichtleitern (orangefarbig) für den Heartbeat, mit dem der zweite Spiegelserver verbunden ist

Ein Picture Archiving and Communication System (PACS, etwa Bildablage- und Kommunikationssystem) ist in der Medizin ein Bildarchivierungs- und Kommunikationssystem auf der Basis digitaler Rechner und Netzwerke. Die ersten PACS-Entwicklungen begannen in den 1970er Jahren. Signifikante Verbreitung in Krankenhäusern und Arzt-Praxen fand es jedoch erst in den späten 1990er Jahren.^[1]

PACS-Systeme^{[anm 1]} erfassen digitale Bilddaten aller Modalitäten in der Radiologie und der Nuklearmedizin. Grundsätzlich kommen auch Bilder aus anderen bildgebenden Verfahren, etwa aus Endoskopie, Kardiologie, Pathologie und Mikrobiologie, für die PACS-Verarbeitung in Frage.

Einzelne Computeranlagen, die mit einem einzigen Diagnosegerät permanent verbunden sind und PACS-Aufgaben erfüllen, bezeichnet man als Mini-PACS.

Beschreibung

Ein PACS besteht aus dem PACS-Server, an den ein Kurzzeit- und ein Langzeitarchiv angeschlossen ist. Der PACS-Server sendet an Betrachtungs- und Nachverarbeitungsrechner, kommuniziert aber auch mit den angeschlossenen bildgebenden Modalitäten. In den meisten Fällen findet darüber hinaus auch eine Anbindung an das Radiologie-Informationssystem (RIS) statt. Größere PACS-Installationen können auch aus mehreren u.U. über weite Strecken gekoppelten Servern und Archiven bestehen.

Um die Integration der verschiedenen Komponenten miteinander und die Einbettung von PACS in Krankenhausinformationssysteme zu ermöglichen, sind die Standards DICOM und HL7 von internationalen Konsortien entwickelt worden. Die IHE (Integrating the Healthcare Enterprise) ist eine Organisation, die verschiedene Standards zu sogenannten Anwendungsprofilen zusammenfasst. Ein PACS kann dann einem oder mehreren dieser Profile entsprechen.

DICOM

Wichtigste Voraussetzung für die Etablierung von PACS-Systemen war der DICOM-Standard,^[1] denn durch eine einheitliche DICOM-Kommunikation lassen sich PACS-Server und bildgebende Geräte herstellerunabhängig einsetzen und die Anbindung eines Gerätes wird einfach und kostengünstig. Moderne Grossgeräte der medizinischen Bildgebung wie CTs, PET/CTs, MRs oder SPECT-Kameras liefern Bilddaten durchwegs in digitaler Form gemäß dem DICOM 3 Standard. Ein Bild bzw. eine Bildserie besteht hier aus zwei Teilen: Neben dem eigentlichen Bild werden im sogenannten DICOM-Header eine Fülle von Informationen abgelegt.^[2] Es sind dies u.a. die Identität des Patienten, Untersuchungsdatum und Uhrzeit, klinische Fragestellung, Art, Typ und Hersteller des verwendeten Gerätes, aber auch Name und Adresse der untersuchenden Institution. Wenn als Filmaufnahmen vorliegende Bilder erfasst werden müssen, werden diese in speziellen Scannern digitalisiert, die die Informationen für den DICOM-Header vom RIS erhalten und das Bild dann zum PACS transferieren.

Insbesondere bei älteren Geräten wurde der Standard bisweilen leider nicht eingehalten oder es wurden nicht alle Felder mit Informationen gefüllt, was zu Kommunikations- bzw. Speicherfehlern führte. Oft wird die Möglichkeit, die Bilddaten im DICOM-Standard zu speichern, vom Gerätehersteller auch nur optional (überteuert) angeboten. Bis heute (Stand 2011) gibt es bildgebende Geräte wie z.B. (OP-) Mikroskope oder Endoskopie-Geräte, die Ihre Bilddaten nicht im DICOM-Standard zur Verfügung stellen. In diesem Fall kann die Bildinformation über Framegrabber-Karten erfasst und mit Hilfe von speziellen Softwareprodukten ins DICOM-Format konvertiert werden.

Die Funktionialitäten, Nicht-DICOM Bilder ins DICOM-Format zu konvertieren oder diese ohne Konvertierung zu speichern, wird jedoch zunehmend auch von PACS-Herstellern angeboten und im Archivspeicher abgebildet.

Server und Speicher

Kern eines jeden PACS-Systems ist der PACS-Server. Alle Modalitäten einer PACS-Umgebung liefern ihre Bilder hier ab und hier werden sie auch gespeichert. In praktisch jedem heutigen Krankenhaus der Industriestaaten werden sämtliche Bilddaten der Radiologie im PACS gespeichert. In einem typischen 400 Betten-Krankenhaus beträgt diese Datenmenge pro Jahr ca. ein bis drei Terabyte. Das Radiologie-Archiv eines Universitätsklinikums kann folglich mehrere 100 Terabyte groß sein. Die genaue Größe und Menge der anfallenden Bilder schwankt jedoch in Abhängigkeit von der Art und Zahl der angeschlossenen Modalitäten. So produziert ein ein moderner 64-Zeilen CT ein Mehrfaches der Bilder, die ein älterer 4-Zeilen-CT ausgibt. Die Datenmenge eines Mammographiebildes ist auch erheblich größer als die einer konventionellen Röntgenaufnahme.

Im Speicher des PACS-Archivs liegen die Bilddaten meist nicht in der DICOM-Datenstruktur vor. In der Regel nimmt der PACS-Server die DICOM-Daten entgegen, trennt Header und Bilddaten und speichert beide Informationen - bisweilen komprimiert - in einer gängigen Datenbank ab. Es werden dort neben den Informationen des DICOM-Headers auch weitergehende Informationen, wie Änderungen oder Verschiebungen des Bildes abgelegt. Werden die Bilder von einer Gegenstelle abgerufen, werden sie für den Versand wieder in das DICOM-Format rückkonvertiert.

Datensicherheit

Da der PACS-Server die Bilddaten für die gesamte Institution zur Verfügung stellt, bedeutet sein Ausfall, dass keine Bilder archiviert und - außer die aktuellen Bilder am bildgebenden Gerät selbst - auch nicht betrachtet werden können. Somit muss das PACS nicht nur mit einer hohen Speicherkapazität, sondern auch mit hoher Ausfallsicherheit konzipiert sein.

Stand der Technik heute (2011) sind über zwei räumlich getrennte Standorte gespiegelte und via Hochgeschwindigkeits-Glasfaser-Verbindung (> ca. 4 GBit/s) gekoppelte RAID-Systeme und HA-Cluster. Jeder einzelne Spiegel besteht aus einem allein voll funktionsfähigen PACS, ist aber selbst auch redundant konzipiert. So wird bei Ausfall einer Festplatte eine sofort verfügbare Reserveplatte aktiviert, die sogenannte Hot-Spare. Netzwerkkomponenten wie z.B. Switches oder Glasfaserleitungen sind doppelt vorhanden. Ist der Fehler so schwerwiegend, dass das System nicht mehr funktionsfähig ist, wird unterbrechungsfrei der Spiegelserver aktiviert.

Server und RAID-Controller verfügen über zwei bis drei Netzteile, so dass das System auch der Ausfall eines Netzteils oder eines Stromkreises weiter läuft. Idealerweise werden sowohl die redundanten Komponenten eines Servers wie auch der Spiegelserver von getrennt abgesicherten Stromkreisen versorgt und sind an eine unterbrechungsfreie Stromversorgung angeschlossen.

Im System auflaufende Fehler lösen vollautomatisch e-Mails an die Administratoren des Systems aus, die damit ohne Zeitverzögerung geeignete Maßnahmen zur Fehlerkorrektur einleiten können. Trotz dieser Sicherheitsvorkehrungen werden die Bilddaten üblicherweise zusätzlich auf Bandlaufwerken gesichert, so dass im sehr unwahrscheinlichen Totalausfall des Speichersystems noch Backups der Bilder vorhanden sind.

Arbeitsplatzrechner zur Bildbetrachtung und Nachverarbeitung

An speziellen Arbeitsplatzrechnern werden die Untersuchungen abgerufen. Während die Kommunikation zwischen dem PACS-Archiv und dem Medizingerät dem DICOM-Standard folgt, werden Daten zwischen dem Arbeitplatzrechner und dem Archiv meist in proprietären Formaten übertragen. Der Grund dafür ist, dass eine Netzwerk-Kommunikation via DICOM nicht sehr effektiv ist, d.h. es werden hierbei viele Informationen mitübertragen, die teils redundant und/oder für die Bilddarstellung nicht relevant sind. Ebenso werden bei einer Übertragung gemäß DICOM 3 Bilder einer Serie der Reihe nach übertragen, während bei einer Übertragung via z.B. HTTP ein beliebiges Bild einer Serie vorrangig übertragen werden kann, was die Ladezeit verkürzt. Daher ist die Software der Arbeitsplatzrechner und die des Archivs im Allgemeinen vom selben Hersteller.

Bilder werden, wenn nötig, bei der Darstellung digital nachbearbeitet: meist wird die Zuordnung gemessener Werte (Röntgenabsorption, Signalintensität etc.) zu Grauwerten manipuliert (Fensterung) oder nachträgliche Strukturmessungen durchgeführt. Nach der Begutachtung der Bilder im Licht der Krankengeschichte erstellt der Radiologe einen schriftlichen Befundbericht. Dazu ist am PACS-Arbeitsplatzrechner üblicherweise auch ein RIS-Client und eine Spracherkennungssoftware installiert.

An weniger aufwändig ausgestatteten Arbeitsplatzrechnern im Stations- und Poliklinikbereich können Bilder und Befundbericht ebenso eingesehen werden. Dazu eignet sich in der Regel ein herkömmlicher PC; die Bildbetrachtung findet dann entweder mit Hilfe einer kleinen Spezialanwendung oder im Webbrowser statt.

Vernetzung mit anderen IT-Systemen

Schon bei den ersten PACS-Systemen war angedacht, diese eng mit anderen IT-Systemen zu vernetzen,^[1] was aber in Ermangelung relevanter Kommunikationsstandards anfangs nur in begrenztem Umfang gelang. Durch die stete Weiterentwicklung von DICOM und HL7 ist es heute (2011) jedoch meist sehr gut möglich, KIS, RIS und PACS eng zu verzahnen.

Beispiel: Eine radiologische Anforderung, die ein Mitarbeiter im KIS anmeldet, wird an das RIS weitergereicht, die Untersuchungsdaten mit den PACS-Studien verknüpft. Damit ist es heute (2011) beispielsweise möglich, dass der im RIS gespeicherte radiologische Befund zusammen mit den PACS-Bildern im KIS und somit im gesamten Krankenhaus abrufbar sind. Die enge RIS-PACS-Verzahnung ermöglicht auch den Aufruf von PACS-Bilddaten aus dem RIS heraus. Der Arzt wählt nur Patient und Untersuchung an, das PACS zeigt unmittelbar die dazugehörigen Bilddaten. Auch Fehlerkorrekturen werden durch die enge Verzahnung der Systeme vereinfacht. Wird der Name des Patienten bei der Anmeldung im KIS versehentlich falsch geschrieben, so löst eine Korrektor der Patientendaten im KIS eine HL-7-Nachricht aus, die sowohl an das RIS, wie auch an das PACS weitergereicht wird. Eine Namens-Korrektur "Maier zu Mayer" muss damit nur einmal im KIS erfolgen, RIS und PACS werden automatisch synchronisiert.

Vorteile

Im Unterschied zur Bilddokumentation auf Papier- oder Filmträgern arbeiten PACS-Systeme mit digitalen Bilddaten. Dadurch ergeben sich umfassende Möglichkeiten zur Erhöhung der Funktionalität und Effizienz von Arbeitsabläufen.

Durch die digitale Speicherung bleibt die Qualität der Aufnahmen auch über viele Jahre unverändert. Bei projektionsradiografischen Verfahren ermöglicht die digitale Erfassung einen höheren Kontrastumfang. Aufnahmen sind somit informativer, Wiederholungsaufnahmen nach Fehlexpositionen seltener als bei der Filmradiografie.

Für Schnittbildverfahren ergeben sich erweiterte Möglichkeiten für Betrachtung und Befundung. So kann eine Schnittserie als Animation dargestellt oder jederzeit auch in eine MPR bzw. in ein 3D-Modell umgerechnet oder mit spezieller Auswertesoftware nachbearbeitet werden. PACS vereinfacht auch die Dokumentation von Bewegtaufnahmen beim Ultraschall.

Ein wesentlicher Vorteil ist die gleichzeitige Verfügbarkeit von Bildern an mehreren Orten (auch innerhalb eines Krankenhauses) über ein Computernetzwerk, was den logistischen Aufwand für den konventionellen Bildtransport komplett entfallen lässt. Da die Bilder auch über größere Distanzen reproduziert werden können, kann die Begutachtung zeitlich und räumlich flexibler gestaltet werden (siehe auch Teleradiologie). Aufnahmen können verlustfrei kopiert werden. Umständliche Filmarchivierung entfällt. Das Risiko des Verlustes einzigartiger Originalaufnahmen wird minimiert.

Einsparungen an Bildmedien, Transportkosten und Archivierungsplatz sind weitere, wesentliche Vorteile.

Nachteile

In den ersten Jahren der PACS-Einführung krankten PACS-Umgebungen häufig an mangelhaften DICOM-Implementierungen, so dass scheinbar DICOM-kompatible Geräte vielfach nicht angebunden werden konnten oder Daten nur eingeschränkt speicher- bzw. lesbar waren. Ebenso waren die Rechner- und Netzwerkarchitekturen der ersten PACS-Server und Workstations der Größe der Bilddatenmenge nicht gewachsen, was zu übermäßig langen Transfer- und Ladezeiten führte. Ein hoher Wartungsaufwand, hohe Systempreise und bisweilen geringe Zuverlässigkeit führten dazu, dass PACS-Systeme und das PACS-Konzept oftmals stark in der Kritik standen und der Nutzen von PACS hinterfragt wurde.

Trotz großem hardwareseitigen Aufwand und redundanten Servern ist es möglich, dass auf das PACS nicht zugegriffen werden kann. Ursachen können sein: Physikalische Unterbrechung von Netzverbindungen, Ausfall von Switches, Fehlkonfiguration von beispielsweise neu ins Netz aufgenommenen Geräten oder der Absturz von Server-Diensten. Eine derartige Unterbrechung betrifft immer eine große Anzahl, im schlimmsten Fall alle Nutzer des PACS. Wie bei anderen zentralen, server-basierten IT-Systemen ist der resultierende Produktivitätsausfall daher meist hoch.

Geschichte

Obgleich medizinische Bilddaten bereits in den 1970er Jahren digital gespeichert werden konnten, blieben Versuche, digitale Archive zu etablieren, in Ermangelung standardisierter Datenformate proprietäre Insellösungen. Erst die im Jahr 1983 begonnene Entwicklung des DICOM-Standards ermöglichte auch eine herstellerübergreifende PACS-Entwicklung. Da die ersten Geräte, die ihre Daten im DICOM-Format ausgeben konnten, mit der Verabschiedung des bis heute gültigen DICOM 3.0 erst von 1993 an auf den Markt kamen, waren PACS-Systeme auch gegen Ende des 20. Jahrhunderts kaum in Krankenhäusern anzutreffen. Noch im Jahr 2005 besaßen lediglich geschätzte 22 % aller nordamerikanischen Krankenhäuser ein PACS-System.

Bei Verabschiedung des DICOM-Standards im Jahr 1993 betrug die Datentransferrate von Ethernet 10 MBit/sec. Selbst hochpreisige Workstations hatten wenige Dutzend Megabyte RAM und nur einige hundert Megabyte fassende Festplatten. Heute (2011) liegt die gängige Transferrate von Ethernet bei 1000 MBit/sec. Ein preiswerter PC "von der Stange" verfügt über mehrere Gigabyte RAM, hunderte Gigabyte fassende Festplatten und um mehrere Größenordnungen höhere Rechenleistung als Rechner aus den 1990er Jahren. Die Bilddatenmenge in der Radiologie ist im Verlauf der ca. zwanzig Jahre PACS-Entwicklung zwar auch gestiegen, jedoch bei weitem nicht in dem Maße, in der die Leistungsfähigkeit von Rechnern und Netzinfrastrukturen zunahm. Eine Thorax-Röntgenaufnahme ist heute genauso groß wie vor 20 Jahren. In Kombination mit dem andauernden Preisverfall von IT-Systemen sowie weiterentwickelter wie auch besser eingehaltener Kommunikationsstandards führte dies in den letzten Jahren zu einer sehr starken Verbreitung von PACS. Der Nutzen von PACS überwiegt heute klar den damit verbundenen Aufwand.^[1]

Klassifizierung als Medizinprodukt

PACS-Software (z.B. bei der Archivierung und Befundung von Bilddaten) wird in der gesamten Europäischen Union in der Regel als Medizinprodukt der Klasse IIa in Verkehr gebracht. Falls die PACS-Software Einfluss auf die Wirkungsweise eines mit ihr verbundenen Medizinproduktes hat (z.B. bei Funktionalitäten zur Strahlentherapieplanung), kann sie der Klasse IIb zugeordnet werden. Das Konformitätsbewertungsverfahren unterliegt der Überwachung durch eine so genannte Benannte Stelle. Medizinprodukte wie PACS bestehen ggf. aus mehreren Komponenten, die einzeln bewertet werden können. Diese Komponenten können daher auch, in Abhängigkeit ihrer jeweiligen Zweckbestimmung, unterschiedliche Klassifizierungen aufweisen.

Weblinks

• Health Level Seven

Literatur

• Dreyer, Keith J. [Hrsg.]; PACS (a guide to the digital revolution), ISBN 0-387-26010-2
• H. K. Huang; PACS and Imaging Informatics, ISBN 0-471-25123-2

Anmerkungen

1. ↑ Aus dem englischen Akronym ist im deutschen Gebrauch ein eigenständiges Lehnwort entstanden. In diesem Artikel wird daher PACS als Nomen mit großem Anfangsbuchstaben verwendet. Auch die streng genommen tautologische Kombination PACS-System wird alltäglichem Jargon entsprechend verwendet.

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c d} Imageeconomics.com The Prophet Motive: How PACS was developed and sold
2. ↑ Der DICOM-Header [1]