Picture Archiving and Communication System

mini|PACS-Server (ganz unten) aus dem Jahr 2011 mit 40 Terabyte RAID-Archiv. Das Kurzzeitarchiv ist über dem Server angeordnet, darüber befindet sich das Langzeitarchiv. Ganz oben: zwei Switche mit Lichtleitern (orange) für den Heartbeat, mit dem der 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 Arztpraxen fand es jedoch erst in den späten 1990er Jahren.George Wiley: Imageeconomics.com, Mai 2005

PACSeAus dem englischen Akronym ist im deutschen Gebrauch ein eigenständiges Lehnwort entstanden. In diesem Artikel wird daher PACS als Nomen mit großem Anfangsbuchstaben verwendet. 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 mini|Zusammen mit den Bilddaten werden mit jedem Bild auch Metadaten gespeichert. Gezeigt ist eine Auswahl der in einer Datenbank des PACS abgelegten Metadaten. Wichtigste Voraussetzung für die Etablierung von PACSen war der DICOM-Standard, 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. Ähnlich wie beim Exchangeable Image File Format besteht ein Bild bzw. eine Bildserie hier aus zwei Teilen: Neben dem eigentlichen Bild wird im sogenannten DICOM-Header eine Fülle von Informationen abgelegt. /www.cabiatl.com (ohne Datum, erstmals archiviert 2010) 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 mit Hilfe eines Scanners digitalisiert, der die Informationen für den DICOM-Header vom RIS erhält. Anschließend wird das Bild zum PACS transferiert.

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 in das DICOM-Format konvertiert werden.

Die Funktionalität, 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 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. drei bis fünf 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 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 bisweilen nicht mehr in der DICOM-Datenstruktur vor. Bei manchen Systemen 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. In Deutschland müssen Röntgenaufnahmen mindestens 10 Jahre aufbewahrt werden, bei unter 18-Jährigen bis zur Vollendung des 28. Lebensjahres des Patienten.

Meist wird das Bildarchiv in einen Kurzzeit- und einen Langzeitspeicher unterteilt. Im Langzeitspeicher sind Bilder zu finden, die älter als die vom Administrator des Systems festgelegte Zeit – typischerweise ein halbes bis zwei Jahre – sind. Auf diese Weise kann der Langzeitspeicher kostengünstiger als der Kurzzeitspeicher implementiert werden. Der Kurzzeitspeicher wird so ausgelegt, dass sehr schnell auf diese häufig abgerufenen Bilddaten zugegriffen werden kann. In älteren PACSen wurden für den Langzeitspeicher bisweilen sehr langsame Bandlaufwerke oder auch CD-Jukeboxen eingesetzt. Im Jahr 2012 wurden aber in den meisten Fällen für die Kurzzeitspeicherung und für die Langzeitarchivierung RAID-Archive benutzt. Das Langzeitarchiv wird beispielsweise als RAID 61 ausgelegt, während das Kurzzeitarchiv oftmals ein RAID 51 ist.

2011 waren über zwei räumlich getrennte Standorte gespiegelte und via Hochgeschwindigkeits-Glasfaser-Verbindung (> ca. 4 GBit/s) gekoppelte RAID-Systeme und HA-Cluster üblich. 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. Switche 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 beim Ausfall eines Netzteils oder eines Stromkreises weiterläuft. 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.

Bei RAIDs, in denen die Festplatten deutlich über die vom Hersteller für die Berechnung der MTBF zugrunde gelegte Zeit von zwei bis drei Jahren betrieben wurden, bestand trotz der beschriebenen Mechanismen die Möglichkeit, die Daten eines RAID zu verlieren. Auf Bilddaten, die älter als ca. zwei Jahre sind, wird nur sehr selten zugegriffen. Dies führte dazu, dass die Plattenbelastung des Langzeitarchivs in der Regel sehr gering war. Die Platten des RAID konnten daher altern bzw. verschleißen, ohne dass sich dies in einem Ausfall einer Platte zeigt. Dadurch entstand der falsche Eindruck, die Platten des RAID wären in Ordnung, obwohl sie es möglicherweise gar nicht mehr waren. Wenn dann doch eine Platte ausfällt, wird vom RAID-Controller mit Hilfe der Hot-Spare mit dem Wiederaufbau der auf der ausgefallenen Platte abgelegten Daten begonnen. Der Wiederaufbau dieser Daten einer defekten Platte bedeutet für die verbliebenen Platten jedoch eine sehr starke Belastung; somit kann die durch den Aufbau ausgelöste Belastung der verbliebenen funktionierenden Platten zu einem Ausfall einer weiteren Platte führen, bevor der Wiederaufbau beendet ist. Da in solch einem Fall die Daten eines RAID 5 verloren wären, wurden Langzeitarchive in der Regel als RAID 6 ausgeführt. Ein RAID 6 kann auch den gleichzeitigen Ausfall zweier Festplatten verkraften. Der Wiederaufbau von Daten defekter Platten kann durchaus 10 Stunden und mehr dauern. Bei Verwendung eines RAID 6 ist das Risiko eines totalen Datenverlusts im beschriebenen Szenario zwar gering, jedoch nicht vollständig zu vernachlässigen. Dies ist ein Grund, weshalb es sinnvoll ist, die Platten des RAID des Langzeitarchivs rechtzeitig zu tauschen, auch wenn sie nicht defekt sind, sowie das Langzeitarchiv in Form zweier räumlich getrennter RAID 6 zu implementieren.

Dieser Sachverhalt gilt seit der verbreiteten Nutzung von SSDs nicht mehr in der beschriebenen Form.

Aufbewahrungsfristen Gemäß § 630f BGB muss der Arzt Unterlagen zu einer Behandlung mindestens 10 Jahre nach Abschluss der Behandlung aufbewahren. Dies gilt auch hier. Allerdings müssen Röntgenaufnahmen von Personen, die zum Zeitpunkt der Untersuchung minderjährig waren, bis zum Erreichen des 28. Lebensjahres aufbewahrt werden. Bilddaten, die im Rahmen einer strahlentherapeutischen Behandlung gewonnen wurden, müssen 30 Jahre aufbewahrt werden. Aufgrund der Verjährungsfristen, die im Rahmen von möglichen Schadenersatzansprüchen gelten, empfiehlt sich grundsätzlich eine Speicherung für die Dauer von 30 Jahren.

Arbeitsplatzrechner zur Bildbetrachtung und Nachverarbeitung