DICOM – это стандарт обработки, хранения, печати и передачи информации в системах медицинской визуализации. Он включает описание формата файлов и сетевой протокол. Сетевой протокол использует TCP/IP в своей основе для коммуникации между системами. Также, системы, поддерживающие чтение и запись файлов DICOM, могут обмениваться между собой файлами в формате DICOM. Владельцем стандарта является американская организация National Electrical Manufacturers Association (NEMA). Он разрабатывается комитетом стандарта DICOM, состоящим из нескольких рабочих групп (WG).
DICOM позволяет осуществлять интеграцию сканеров, серверов, рабочих станций, принтеров, и сетевого оборудования множества различных производителей в единую систему PACS (picture archiving and communication system, система архивации и передачи изображений). Различные устройства поставляются совместно с документом, называемым DICOM conformance statement (описание соответствия стандарту), который описывает, как и какие функции выполняет поставляемое устройство.
В начале 80-х годов декодировать изображения, генерируемые оборудованием, могли только производители оборудования – рентгеновских компьютерных и магнитно-резонансных томографов. Радиотерапевты хотели использовать изображения для планирования облучения пациента в радиотерапии. ACR и NEMA объединили усилия и создали комитет по стандарту в 1983-м году. Первый стандарт ACR/NEMA 300 был выпущен в 1985-м году. Очень скоро после первого выпуска стало понятно, что нужны доработки стандарта. Текст стандарта оказался неопределенным и внутренне противоречивым.
В 1988-м была выпущена вторая версия. Эту версию стандарта поддержали большее число производителей оборудования. Передача изображений осуществлялась по выделенной линии с 25-ю витыми парами (EIA-485). Первая демонстрация технологии взаимосвязи по ACR/NEMA 2.0 была продемонстрирована в университете Джоржтаун в мае 1990-го года. В событии участвовало 6 компаний: DeJarnette Research Systems, General Electric Medical Systems, Merge Technologies, Siemens Medical Systems, Vortech (приобретенный компанией Kodak в этом же году) и 3M. Вторая версия стандарта тоже требовала улучшений. Были созданы несколько расширений стандарта ACR/NEMA 2.0, например Papyrus (выпущенный University Hospital of Geneva, Швейцария) и SPI (Standard Product Interconnect, выпущенный Siemens Medical Systems и Philips Medical Systems).
Первое широкомасштабное развертывание технологии ACR/NEMA было сделано в 1992-м году Армией США и Воздушными Силами США как часть программы MDIS (Medical Diagnostic Imaging Support). Loral Aerospace и Siemens Medical Systems участвовали в разработке первого военного PACS’а США. DeJarnette Research Systems и Merge Technologies предоставляли возможность соединения нестандартных интерфейсов производителей оборудования с сетью Siemens SPI.
В 1993-м году была выпущена третья версия стандарта. Его название было изменено на DICOM, чтобы расширить возможность международного использования. Были добавлены новые служебные классы, добавлена поддержка локальных сетей и был стандартизован Conformance Statement (описание соответствия стандарту). Версия 3.0 официально остается последней версией стандарта, однако она постоянно обновляется и расширяется. Вместо использования номера версии используется год выпуска стандарта, как например ‘Стандарт DICOM 2007-го года’.
Несмотря на то, что стандарт DICOM достиг широкого распространения в системах медицинской визуализации, он имеет свои ограничения. DICOM – стандарт предназначенный для решения проблем медицинской визуализации. Он не предназначен для создания полной госпитальной системы. Для того, что бы объединить госпитальные системы и системы визуализации (PACS и HIS/RIS) были разработаны и выпущены международные рекомендации - IHE (Integrating the Healthcare Enterprise), помогающие объединить системы, работающие с протоколами DICOM и HL7.
В файлах DICOM одновременно содержатся и непосредственно изображения и дополнительная информация о пациенте, которому это исследование проводилось. Информация о пациенте и исследовании не может быть отделена от самого изображения. Это уменьшает число возможных ошибок. Похожим образом организован формат JPEG, который также может иметь в файле дополнительную информацию описывающую изображение.
Любой DICOM объект состоит из множества атрибутов, таких как имя пациента, его идентификатор, дата исследования и т.д. Также один, особенный, атрибут содержит данные изображения (pixel data). Таким образом, не существует какого-то отдельного заголовка у DICOM файла – только множество атрибутов, включающих и данные изображения. Атрибуты в стандарте называются тэгами (tags), каждому тэгу присвоен свой номер, состоящий из двух полей – номера группы и номера элемента. Например, в тэге с номером 0010, 0010 (номера тэгов записываются в шестнадцатеричной нотации) всегда содержатся данные об ФИО пациента. У каждого тэга есть стандартное название. 0010, 0010 называется ‘Patient’s Name’. Список всех стандартизованных тэгов можно посмотреть в 6-м разделе стандарта PS 3.6: Data Dictionarу.
Тэг 7FFE, 0010 ‘Pixel Data’ может содержать в себе одно или несколько изображений. В случае, когда Pixel Data содержит больше одного изображения, говорят, что файл содержит мультифреймовое изображение (multi-frame image). В случае мультифреймового изображения в одном файле будет содержаться трех- или четырех- (например, несколько последовательностей сканов томографа в нескольких местах, но в разное время) мерное изображение. Цифровые рентгеновские аппараты, цифровые считыватели кассет отдают информацию в виде однофреймового изображения. Аппараты УЗИ, ангиографы часто отдают мультифреймовые изображения. Старые рентгеновские и магнитно-резонансные томографы могли отдавать однофреймовые изображения. Современные томографы (после стандартизации расширенных форматов DICOM – CT Enhanced и MR Enhanced) могут отдавать как однофреймовые, так и мультифремовые изображения.
Данные изображения могут быть цветными и монохромными. Цветные могут быть в разной цветовой кодировке – RGB, YBR , Palette Color (цветная палитра). Монохромные могут быть разной глубины градации серого (1 – 16 бит). Данные изображения могут быть упакованными. Стандартизованы следующие алгоритмы упаковки: RLE, JPEG, JPEG Lossless, JPEG LS, JPEG 2000. Для всего файла может быть применена упаковка его с помощью алгоритма LZW (zip), однако реализации такой упаковки в программах и оборудовании редки.
DICOM использует три различные схемы кодировки тэгов (transfer syntax). Кодировка файла помечается соответствующим тэгом в этом же файле (в мета информации, см. ниже). Схемы получаются из комбинаций двух параметров – представления данных и кодировки порядка байт.
Представление данных может быть явным (Explicit) и неявным (Implicit). Нужно знать, как интерпретировать данные, содержащиеся в тэге, т.к. это простая последовательность байт. А какие именно данные там находятся – строка, число, либо последовательность тэгов (SQ - sequence) заранее не известно. Для определенности содержимое каждого тэга было стандартизовано. У каждого тэга существует стандартизованное представление данных тэга (VR, Value Representation) - OB, OW, OF, SQ, UT, UN и т.д. При явном представлении данных в тэгах явно записывается VR тэга. При неявном представлении VR не записывается, а берется из таблицы программы, которая работает с этим изображением.
Порядок байт может быть от старшего к младшему (big-endian, дословно: «тупоконечный»), запись начинается со старшего и заканчивается младшим, и от младшего к старшему (little-endian, «остроконечный»).
В DICOM используется три их четырех возможных комбинаций параметров: Implicit little endian, Explicit little endian и Explicit big endian.
Каждый тэг состоит из: номера группы (2 байта), номера элемента (2 байта), VR (2 байта, в явном представлении данных, в неявном не используется), длины тэга (2 или 4 байта, в зависимости от VR).
Некоторые стандартные VR тэгов: DA – Date, дата; DS - Decimal String, строка представляющая собой десятичную дробь; FL- Floating Point Single (4 bytes), число с плавающей запятой обычной точности; IS - Integer String, целочисленная строка; UL - Unsigned Long, беззнаковое двойное слово и т.д. Полную информацию по VR и принципах кодирования тэгов можно посмотреть в стандарте - PS 3.5: Data Structure and Encoding.
В дополнение к представлению данных (к Value Representation) существует понятие множественности значений (VM, Value Multiplicity). VM никак не помечается в реальных файлах, это только указание, сколько данных предполагает содержать конкретный тэг. Для данных, представленных строками, элементы разделены между собой знаком бэкслэша (‘\’). Числовые данные просто идут подряд побайтно – например, при VM = 2 тэг с VR = FL будет состоять из 8-ми байт – это два числа обычной точности. В таблицах со списками тэгов указывается VM каждого тэга. Например, тэг, содержащий в себе одну координату двумерной точки, будет иметь VM = 2. Содержащий координаты n точек будет иметь VM = 2 * n, n > 0 (в стандарте записывается 2-2n).
Формат тэгов одинаков и для сети и для файлов.
DICOM состоит из множества различных сервисов, большинство из которых подразумевает обмен данными по сети. Обмен файлами был добавлен в стандарт позже и является только небольшой частью стандарта.
DICOM сервис ‘Store’ предназначен для передачи изображений или других объектов (например, structured reports – структурированных отчетов) между двумя устройствами DICOM.
Этот сервис используется для подтверждения того, что пересланные по store объекты успешно размещены в хранилище информации. Этим сообщением тот, кто принимает данные - PACS, либо станция сообщает передающему информацию – аппарату, либо станции, что данные успешно сохранены и их можно удалять.
Сервис поиска и доставки целых исследований или отдельных объектов на удаленном DICOM устройстве. Позволяет найти по определенным фильтрам (например – дата исследования, ФИО пациента и т.д.) интересующее исследование или объект (чаще всего объекты в DICOM – это изображения, но не только) и запросить его пересылку на локальный компьютер.
Позволяет аппарату (часто аппараты в DICOM называют модальностями, однако один и тот же аппарат, например, литотрипсер, может иметь несколько модальностей – US, DX) получить список намеченных исследований. В данных о намеченных исследованиях содержится информация и о пациентах, это позволяет сократить повторный ввод одной и той же информации и сопутствующие ошибки.
Дополнительный к Modality Worklist сервис, который позволяет модальности посылать отчет об успешности выполнения исследования, о полученных изображениях, времени начала и конца исследования, полученной пациентом дозе и т.д. Сервис позволяет получить управлению больницы более точные данные по использованию ресурсов аппарата. Сервис, так же называемый MPPS, позволяет улучшить взаимодействие модальности и системы PACS, предоставляя системе список объектов, которые будут посланы перед самой посылкой.
Этот сервис позволяет посылать изображения на печать на принтер DICOM, для получения твердой копии изображений, чаще всего на пленках. Существует способ стандартной калибровки (описанный в 14-й части стандарта) принтеров и мониторов, помогающий получить одинаковые изображения на разных мониторах и на твердой копии изображений.
Сохранение файлов DICOM описано в 10-й части стандарта. Она описывает, как сохранять информацию медицинской визуализации на извлекаемых устройствах (CD, DVD и т.д.). Кроме непосредственно данных пациента и исследования, данных точек изображения, файлы обязательно должны содержать т.н. мета-информацию (File Meta Information, группа тэгов 0002). В мета информации указано, как верно интерпретировать содержимое файла.
DICOM ограничивает длину имен файлов до 8-ми символов, расширения у файлов не допустимы. Сами имена файлов должны быть такими, что бы из них нельзя было получить никакой информации. Это исторически сложившиеся требования для поддержания обратной совместимости со старыми системами. На носителе, кроме файлов, в корневом каталоге должен быть размещен файл dicomdir. Dicomdir предоставляет общую индексированную информацию обо всех файлах DICOM, находящихся на носителе. Dicomdir предоставляет большую информацию о каждом файле, чем её возможно вместить в название файлов.
DICOM файлы, которые находятся не на носителе, обычно имеют расширение.dcm, на носителе должны содержаться файлы без расширения.
Наиболее часто взаимодействие по сети DICOM идет по порту номер 104. Многие операционные системы требуют дополнительных разрешений для работы с этим портом.
В наше время, когда сети компьютеров и средства мультимедиа стали для инженеров вполне привычным явлением, может показаться удивительным, что проблема электронного обмена медицинскими изображениями все еще существует.
К началу 80-х годов проблема интеграции сложных цифровых устройств стояла уже достаточно остро, что побудило Американский институт радиологии (ACR) и Национальную ассоциацию производителей электрооборудования CШA (NEMA) заняться разработкой стандарта передачи цифровых медицинских изображений. В 1983 году ими был создан объединенный комитет, в задачи которого входила разработка стандарта, обеспечивающего передачу цифровых медицинских изображений, не зависящую от производителей диагностического оборудования, и способствующую:
Развитию систем архивирования и передачи изображений (PACS), обеспечению их взаимодействия с автоматизированными больничными информационными системами, созданию , содержащих диагностическую информацию, получаемую с помощью большого числа удаленных друг от друга устройств различных типов.
Первая версия этого стандарта была опубликована в 1985 году, а в 1988 года вторая. Новая, третья версия стандарта была выпущена в 1991 году и перерабатывалась до 1993 года. Она получила название DICOM 3.0 (английская от Digital Imaging and Comminications in Medicine (Standard) и явилась существенным шагом вперед, поскольку ее можно было использовать в сетевых средах с использованием стандартных протоколов, например TCP/IP; в ней были описаны уровни совместимости со стандартом, семантика программных команд и ассоциированных с ними данных; структура стандарта была приведена в соответствие с директивами Международной организации по стандартам (ISO). Все это привело к тому, что такие крупнейшие производители диагностического оборудования, как General Electric, Philips, Siemens и др., начали планировать в составе своих систем возможность обмена изображениями в стандарте DICOM 3.0.
Казалось бы, ну что тут такого: записать медицинское изображение в каком-либо универсальном формате, скажем TIFF или BMP, а затем передавать его по любым доступным линиям связи. Однако в действительности не все так просто. Одно дело представить для всеобщего обозрения, скажем, снимок поверхности Луны, и совсем другое выполнить его профессиональную интерпретацию, например определить размеры и цвет изображенных на нем объектов. В последнем случае необходимо кроме собственно снимка иметь достаточно подробные сведения об условиях, в которых он был сделан, например о расстоянии до фотографируемого объекта, его пространственном положении, освещенности, состоянии предмета в момент получения снимка (к примеру, движение или покой), а также об экспозиции, фокусном расстоянии объектива и размере диафрагмы, характеристиках использовавшегося светофильтра и т. д. При интерпретации нередко приходится сравнивать серии снимков одного и того же объекта, полученные в разное время и в разных условиях.
Поскольку медицинские изображения нужны прежде всего для профессиональной интерпретации, то каждому такому изображению также должно сопутствовать описание условий, в которых они были сделаны, а также сведения о состоянии пациента в момент получения изображения. Попробуйте самостоятельно классифицировать такую, казалось бы, несложную вещь, как пространственное положение пациента при получении снимка, и вы поймете, что формализация подобных данных представляет собой достаточно сложную задачу. К тому же ее постановка существенно зависит от того, как и для каких целей в дальнейшем будут использоваться указанные формализованные сведения. Еще сложнее сделать такую формализацию общепринятой. Именно формализация описания условий получения и хранения изображений, а также сведений о состоянии пациента, является основной целью разработки стандартов электронной передачи медицинских изображений.
С расширением парка высокотехнологичных медицинских диагностических устройств лучевой диагностики, называемых также устройствами медицинской (цифровые рентгеновские системы, компьютерные, магнитно-резонансные, позитронно-эмиссионные томографы, системы ультразвуковой диагностики и т. д.), проблема электронного обмена медицинскими цифровыми изображениями становится все более и более актуальной. Электронный обмен позволяет обеспечить дистанционный доступ нескольких специалистов к одному и тому же медицинскому изображению, что бывает важно, например, при подготовке к консилиуму. Электронная передача медицинских изображений из одного лечебного учреждения в другое, например для проведения консультации, может выполняться за минуты или в крайнем случае за десятки минут, в то время как пересылка снимков обычными способами нередко занимает несколько дней. Наличие изображения в электронной форме позволяет выполнять достаточно сложную компьютерную обработку, к примеру, наложение изображений компьютерного томографа и магнитно-резонансного томографа и т. д., значительно улучшающую возможность постановки диагноза и принятия решений о лечении пациента. В целом электронная передача медицинских изображений лучевой диагностики способна сущеcтвенно ускорить процесс диагностики заболеваний и лечения пациентов и повысить обоснованность принимаемых медицинских решений. Однако реализация электронной передачи медицинских изображений наталкивается на многие трудности. Одно из основных препятствий связано с тем, что как устройства медицинской визуализации, так и их эксплуатация стоят очень дорого. Поэтому даже в крупнейших они приобретаются постепенно, зачастую у разных поставщиков, предлагающих несовместимые аппаратные и программные средства. Не спасает положения и закупка этих устройств у одного поставщика, поскольку с течением времени менялись модели встраиваемых в них компьютеров, версии системного и прикладного , форматы хранения и передачи данных. Все это существенно затрудняет задачу интеграции устройств медицинской визуализации в единой сети лечебного учреждения.
В настоящее время существуют разные способы решения задачи интеграции устройств медицинской визуализации. Производители могут предлагать собственные, уникальные решения. Например, знаменитая фирма Siemens, поставляющая широкий спектр медицинского диагностических устройств, в дополнение к ним предлагает системy SIENET, обеспечивающую передачу различного вида изображений на специальным образом оснащенные (и достаточно дорогие) рабочие станции, которые могут быть расположены в любом месте лечебного учреждения. Для этой передачи используются собственные протоколы обмена, поэтому система SIENET допускает прием и обработку изображений, полученных в основном на диагностических устройствах производства именно фирмы Siemens, скажем, цифровых радиографах SIREGRAPH, FLUOROSPOT, компьютерных томографах SOMATOM, магнитно-резонансных томографах MAGNETOM. Однако в нескольких американских больницах, например в Методистском госпитале Индианы, система SIENET используется в сочетании с томографами фирмы General Electric. Чтобы обеспечить большую привлекательность и сделать систему более открытой, ее разработчики включили в нее возможность передачи циркулирующих в ней изображений во внешние информационные системы и сети по стандарту DIСОМ. Однако эта возможность является скорее довеском к системе, а не ее основой. По информации фирмы Siemens, система SIENET в различной комплектации установлена в 180 учреждениях по всему миру; общее число ее рабочих станций превысило 600 единиц.
Другой подход предлагает российская фирма ТАНА. Она использует достаточно универсальную систему перехвата изображений непосредственно на входе видеомониторов компьютеров диагностических устройств. Затем эти изображения могут быть обработаны с помощью предлагаемого этой фирмой специализированного (по методам исследований) программного обеспечения и выведены на пленку или бумагу либо переданы по компьютерной сети на любую соответствующим образом оснащенную сетевую рабочую станцию. Этот подход дешевле описанного выше и позволяет относительно легко подключаться к диагностическим устройствам разных фирм-производителей, что очень важно для большинства медицинских центров. Однако при этом не обеспечиваются автоматическое получение и дальнейшая передача информации об условиях получения исходных изображений. В своих технических решениях фирма ТАНА ориентируется в основном на компьютеры фирмы Silicon Graphics, но предлагает также решения для компьютеров Pentium. В настоящее время насчитывается уже несколько десятков установок разработанного ею программного обеспечения.
Третий подход предлагает, например, германская фирма Optiware, разработавшая программный пакет Hipax, в котором основная ставка делается на получение и передачу медицинских изображений в стандарте DICOM. Ссылки на DICOM делают и другие поставщики аналогичных пакетов, например фирма Line Imaging, предлагающая пакет WinRad. Для этих пакетов характерны достаточно скромные требования к используемым компьютерам, скажем Pentium с шиной PCI, оперативной памятью 24 Мбайт, видеоадаптером и монитором, обеспечивающими режим SVGA с разрешением 1024х768 и палитрой TrueColor. Похожий подход предлагается также российской фирмой "Федеральное медицинское агентство".
Стандарт DICOM 3 распространяется на передачу растровых медицинских изображений, получаемых с помощью различных методов лучевой диагностики (рентгенография, ультразвуковая диагностика, эндоскопия, компьютерная и магнитно-резонансная томография и др., всего в нем перечислены 29 методов). Он получил широкое признание не только в США, но и во многих других странах, в том числе европейских. Стандарт DICOM был взят за основу разработки европейского стандарта MEDICOM, работа над которым велась рабочей группой WG4 технического комитета TC 251 Европейского института стандартизации CEN.
Стандарт состоит из 13 частей, из которых в текущей версии (DICOM 3.0) представлены первые 9:
Часть 1. Введение
Описываются история разработки стандарта, его назначение и структура.
Часть 2. Соответствие стандарту
Указываются структура сертификата соответствия стандарту и критерии, которым должен удовлетворять производитель диагностического оборудования, чтобы иметь право объявить его совместимым со стандартом DICOM.
Часть 3. Определение информационных объектов
Специфицируются используемые в стандарте информационные объекты. Предлагается информационная модель "реального мира", описывающая между нормализованными объектами (пациент, устройство) и составными (исследования, изображения и др., наследующими некоторые атрибуты нормализованных объектов).
Часть 4. Спецификации классов операций
Специфицируются классы действий или операций, которые могут выполняться над информационными объектами. Вводится понятие операция-объект SOP (service-object pair). Разработчики стандарта исходили из того, что применение операции к объекту может быть ограничено его свойствами, поэтому есть нужда в отдельном описании классов SOP. Например, для класса операций Хранение выделяются отдельные стандартные классы операций-объектов Хранение изображений цифровой радиографии, Хранение ультразвуковых изображений, Хранение наложений, Хранение таблицы преобразования пикселов и т. д. Аналогичные пары выделяются для оперяции Запрос/извлечение и пр.
Часть 5. Структура и семантика данных
Описываются типы данных и правила кодирования, используемые при передаче данных из одной системы в другую. Специфицируются форматы передачи изображений. Стандарт допускает передачу исходных и уплотненных изображений; особо описывается синтаксис передачи при использовании неискажающих и искажающих алгоритмов уплотнения JPEG. Допускаются другие, не специфицируемые в стандарте алгоритмы уплотнения.
Часть 6. Словарь данных
Приводится полный список элементов данных, описанных в стандарте DICOM. Каждый элемент данных идентифицируется парой целых чисел, например пара (0018,5100) идентифицирует описание положения пациента по отношению к устройству в момент проведения исследования. Кроме идентификатора, приводятся имя элемента, характеристика его значения (строка символов, число и т. д.) и допустимое число повторений элемента в сообщении.
Часть 7. Обмен сообщениями
Описывается структура команд и протокола обмена сообщениями в стандарте DICOM.
Часть 8. Обеспечение обмена сообщениями в сетевых средах
Определяются все необходимые компоненты системы обмена сообщениями в стандарте DICOM в сетевых средах, использующих протокол TCP/IP. Изложение этой части существенно опирается на соответствующие стандарты Модели взаимодействия открытых систем OSI (ISO 8222 и ISO 8649).
Часть 9. Обеспечение обмена сообщениями при прямой связи абонентов (point-to-point)
Приводится подробное описание прямого взаимодействия двух устройств, включая назначение каждой ножки 50-контактного разъема, уровня передаваемых сигналов, их временные характеристики и т. д. Оно напоминает описание параллельного дуплексного интерфейса миникомпьютера, и, похоже, в основном переписано из других стандартов, ранее разработанных ассоциацией NEMA.
На стадии разработки и утверждения находятся еще 4 части стандарта:
Часть 10. Носители данных и форматы файлов
Описываются теоретические основы хранения медицинских изображений на различных внешних носителях данных.
Часть 11. Прикладные характеристики хранения данных на внешних носителях
Описываются требования к данным, которые должны храниться на внешних носителях. Описания имеют клиническую направленность, например, задают, какие данные должны храниться на внешних носителях при проведении ангиографии.
Часть 12. Форматы носителей и физическая среда хранения данных
Специфицируются различные носители данных, которые могут использоваться для хранения медицинских изображений, например, дискеты 3.5", компакт-диски CD ROM, магнитооптические диски и тд.
Часть 13. Управление выводом на печатающие устройства при прямом соединении
Описываются протоколы и операции, необходимые для вывода изображения на печатающее устройство. Вывод осуществляется системой-исполнителем, имеющей прямое соединение с системой-инициатором вывода.
Достаточно одного взгляда на представленное выше оглавление, чтобы заметить определенную формализованность изложения стандарта DICOM. И действительно, структура этого документа приведена в соответствие с директивами организации ISO , что существенно отличает DICOM от стандарта электронной передачи текстовых медицинских документов HL7. Надо сказать, что это не способствует лучшему восприятию материала. Например, здесь явно не хватает примеров реальных сообщений. Тем не менее чтение стандарта DICOM окажется достаточно поучительном для многих специалистов по медицинской информатике, в том числе даже тех из них, кто не занимается обработкой медицинских изображений.
Проиллюстрируем стиль стандарта на простом примере. Термин "медицинское изображение" нередко вводит нас в заблуждение из-за устойчивости восприятия понятия "изображение". Для определения термина "сложное изображение" в стандарте используется ER-диаграмма, показанная на рис. 1.
Из нее видно, что сложное изображение представляет собой элемент серии изображений, полученной при исследовании одного и того же пациента. Кроме элементарного изображения, компонентами сложного изображения могут быть несколько кривых (например, задающих область интереса на обзорном снимке), наложений (растровых текстов с параметрами исследования, фамилией врача-диагноста и т. д.), несколько таблиц (или формул) преобразования пикселов изображения при его визуализации, таблица или формула преобразования пикселов изображения из внутренней формы хранения, используемой производителем данного оборудования, в универсальную внешнюю форму. Допускаются отдельные кривые или их наложение, не связанное ни с каким двумерным изображением, что теоретически позволяет обеспечить передачу не только изображений лучевой диагностики, но и, допустим, кардиограмм. Однако такой подход не является ни эффективным, ни целесообразным.
В силу целого ряда причин большая часть устройств медицинской визуализации, используемых в настоящее время в российских лечебно-профилактических учреждениях, произведена за пределами нашей страны. В ближайшем будущем это положение по-видимому сохранится, особенно в части устройств, использующих цифровую обработку сигналов. Как правило, программное обеспечение таких устройств не русифицировано и их интеграция в уже существующие и вновь разрабатываемые российские медицинские информационные системы оказывается достаточно затруднительной.
Поскольку многие из вновь разработанных устройств медицинской визуализации обеспечивают возможность передачи создаваемых ими изображений в стандарте DICOM, это может значительно облегчить задачу интеграции. Структура сообщений стандарта DICOM позволяет без особого труда вычленить из сообщений само изображение, игнорируя другую информацию. Тем самым разработчик может начать с самой простой задачи - приема и визуализации изображений, передаваемых с устройств вторичного сбора данных (secondary capture devices), например сканеров рентгеновских снимков, но при этом применять свою программу для обработки сообщений, полученных и другими методами визуализации, пропуская дополнительную информацию. (Судя по всему, этим подходом воспользовались уже упоминавшиеся фирмы "Федеральное медицинское агентство" и Optiware). Конечно, на этом пути тоже встретятся немалые трудности, особенно если производитель оборудования применяет собственные алгоритмы уплотнения вместо JPEG. Если же эти трудности удается обойти, то на рабочие места врачей можно передавать не только сканированные рентгеновские снимки, но также и изображения, полученные большинством других методов медицинской визуализации. Затем программу анализа сообщений DICOM можно дополнять функциональными модулями, обеспечивающими , специфической для конкретного метода медицинской визуализации.
В целом использование стандарта DICOM представляется интересной и важной задачей, решение которой способно принести ощутимую пользу конечным потребителям медицинских изображений - лечащим врачам и консультантам. Здесь надо иметь в виду одно очень важное обстоятельство: пока речь будет идти об интерпретации снимков одного пациента, то передача условий проведения исследований, описанная в стандарте DICOM, вряд ли будет немедленно востребована врачами. Значительную часть этой информации они могут получить, глядя на снимок, на основании знания сложившейся практики проведения исследований, надписей со значениями параметров, сделанных на изображении, текстов описаний и заключений, приложенных к снимку. Передача условий проведения исследований гораздо важнее для последующей автоматизированной обработки результатов исследований, особенно той, что проводится с научно-методическими целями. Поэтому затраты на активное внедрение стандарта DICOM надо рассматривать как , необходимые для постепенной автоматизации не только процесса передачи, но также и клинической интерпретации медицинских изображений.
Во многих медицинских задачах принципиальное значение имеет формат обрабатываемых изображений. Если планируется использование данных широким кругом получателей и последующая обработка результатов исследования, по следует пользоваться форматом передачи данных, описанным в международном стандарте DICOM .
Файл, хранящий одно изображение в стандарте DICOM является сложной структурой данных, включающей в себя не только непосредственно изображений, но и сопутствующую информацию, такую как: данные об оборудовании, на котором проводилось исследование; описание проведенного исследования; параметры и описание серии; системы координат связанной с изображением; атрибуты, определяющие само изображение; тек- стово-графические элементы, графики и комментарии, выполняемые медицинским персоналом и атрибуты, описывающие преобразования над полученными данными и т.д. Подробное описание структуры любого DICOMфайла приведено в части 10 стандарта.
Отдельный DICOM файл содержит как заголовок (который хранит информацию об имени пациента, типе исследования, размере изображения и т.д), так и все данные изображения (которые могут содержать информацию
в трех измерениях). Это его отличие от популярного формата Analyze, который хранит данные изображения в одном файле (*.img) и данных заголовка
в другом файле (*.hdr). Другое различие между DICOM и Analyze в том, что данные DICOM изображения могут быть сжаты для уменьшения размера изображения. Файлы могут быть сжаты, используя методы с потерей данных или без потерь в формате JPEG, так же как формат без потерь RunLength Encoding (который является идентичным сжатию битов, используемому в изображениях формата TIFF).
Первые 794 байта DICOM файла используются для DICOM заголовка, который описывает размерность изображения и сохраняет другую текстовую информацию об исследовании. Размер заголовка изменяется в зависимости от количества сохраненной в заголовке информации. Данные изображения следуют за информацией заголовка.
Заметим, что DICOM первые 128 байт в файле не используются (заполнены нолями), за ними следуют символы "D", "I", "C", "М". Далее следует определенным образом сгруппированная информация заголовка, занимающая 794 байта. В заголовке содержатся данные о модальности устройства и его производителе, фотометрическая информация, версия программного обеспечения, условия исследований, параметры сканирования, количество элементов изображения, синтаксис передачи данных, введенная информация о пациенте и др.
Любой DICOM-файл имеет идентификационный номер (File ID), записанный в заголовке. Идентификационный номер имеет до восьми компо-
нент, каждая из которых может содержать до восьми символов. Это позволяет работать с данными в режиме иерархической структуры.
Отсутствие необходимых элементов заголовка изображения является нарушением DICOM стандарта, поскольку это может привести к неверной диагностической интерпретации данных. Большинство просмотровых программ DICOM формата не проверяет наличие большинства этих элементов, извлекая только информацию заголовка, которая описывает размер изображения.
Стандарт NEMA предшествовал DICOM, его структура очень похожа и много тех же самых элементов. Главное различие - формат NEMA не имеет 128-байтового буфера данных или префикса "DICM".
Важен элемент, определяющий синтаксис передачи. Он говорит о структуре данных изображения, показывая, были ли данные сжаты. Многие DICOM-программы могут работать только с несжатыми данными. DICOM изображения могут быть сжаты как обычной JPEG схемой сжатия с потерями (где теряется часть высокочастотной информации) так и JPEG схемой без потерь, которая редко применяется вне медицинского отображения (это оригинал и редкий Huffman JPEG без потерь, а не более поздний и эффективный алгоритм JPEG-LS). Эти коды описаны в части 5 DICOM стандарта.
Синтаксис передачи UID также говорит о порядке байта в наборе данных. Различные компьютеры хранят целые числа по-разному. Поэтому, для некоторых данных возможно требуется изменить порядок данных в соответствии используемому компьютером.
Для большинства МРТ и КТ используемая фотометрическая интерпретация монохромна (например, обычно изображенная пикселами в серой шкале). В DICOM этим монохромным изображениям сопоставляют фотометрическую интерпретацию "MONOCHROME1" (малые значения темные, большие значения dim) или "MONOCHROME2" (низие значения темные, большие значения яркие). Однако, целый ряд медицинских изображений (УЗИ, позитронно-эмиссионные томограммы и др.) содержат цвет, поэтому они описываются различными фотометрическими интерпретациями (например, палитра, RGB, CMYK, YBR, и т.д). Некоторые цветные изображения (например, RGB) хранят 3 цвета в каждом пикселе (красный, зеленый и синий), в то время как монохромные и палитровые изображения обычно хранят только один образец на изображение. Каждое изображение хранит 8 бит (256 уровней) или 16 битов (65 535 уровней), хотя некоторые сканеры сохраняют данные в 12 или 32 битном разрешении. Так что RGB изображение, хранящее 3 образца в пикселе в 8 битах может потенциально описать 16 миллионов цветов (2563 ).
В медицинском отображении обычно говорят о центре окна (window level, L) и ширине окна (window width, W) изображения.
Уровнем окна называют некоторое центральное значение интенсивностей пикселей изображения. Как правило, по умолчанию задается некоторое среднее значение интенсивности для всего обрабатываемого набора данных изображения.
Ширина окна позволяет задавать диапазон интенсивностей пикселов изображения относительно выбранного уровня окна. Всем пикселам, интенсивность которых меньше нижней границы выбранного окна присваивается нулевой значение (черные на изображении), а всем пикселам, интенсивность которых больше верхней границы – присваивается максимальноя интенсивность (яркие на изображении). Выбор ширины окна позволяет растянуть тона изображения на полный диапазон яркостей.
Изменение ширины окна меняет контрастность изображения, и изменение уровня окна – его яркость. Эти значения особенно важны для рентгена, компьютерных или позитронно-эмиссионных томографов, которые создают последовательно калиброванные интенсивности, что позволяет использовать определенную пару L/W для каждого изображения. Например в компьютерной томографии при исследованиях легких используют окно с уровнем -500 HU и шириной 1500 HU, при исследовании костной системы задаю окно с уровнем 500 HU и шириной 2500 HU, в то время как для просмотра изображений печении наиболее оптимальным является окно с уровнем 50 HU и шириной 150 HU.
В магнитно-резонансной томографии контраст изображений относителен и зависит от конкретного исследуемого объекта и вида изображения. Поэтому выбранный уровень и ширина окна, наилучшие для одного протокола, вероятно, не подойдут для другого протокола исследования или другого аппарата.
Информационные технологии активно внедряются в различные направления медицины, становясь мощным инструментом в руках врачей. Роль ИТ
в медицине сегодня столь же разнопланова, насколько разнообразна сама медицина, и уже можно с уверенностью сказать: ИТ не просто дополняют медицину, они выводят ее на новый качественный уровень.
Информационные технологии имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами ведения карт пациентов и использованием пленок при работе с изображениями:
- мультимодальное 2D и 3D совмещение изображений и их обработка;
- информация о пациенте доступна различным специалистам, в т.ч. и вне клиники;
- цифровая форма изображений обеспечивает экономию материалов,
времени, а также площадей отводимых под архив.
Интеграция устройств медицинской визуализации в российские информационные системы оказывается затруднительной, т.к. большая их часть произведена за пределами нашей страны и программное обеспечение таких устройств не русифицировано. Облегчить задачу интеграции может использование стандарта DICOM при создании изображений.
Структура сообщений стандарта DICOM позволяет вычленить из сообщений само изображение, игнорируя другую информацию. Тем самым разработчик может начать с самой простой задачи - приема и визуализации изображений, передаваемых с устройств вторичного сбора данных, например сканеров рентгеновских снимков, но при этом применять свою программу для обработки сообщений, полученных и другими методами визуализации, пропуская дополнительную информацию. (Этим подходом воспользовались фирмы "Федеральное медицинское агентство" и Optiware). Затем программу анализа сообщений DICOM можно дополнять функциональными модулями, обеспечивающими обработку информации. При этом нужно иметь в виду, что при интерпретации снимков одного пациента, информация об условиях проведения исследований, описанная в стандарте DICOM, вряд ли будет немедленно востребована врачами; поскольку она гораздо важнее для последующей автоматизированной обработки результатов исследований, особенно проводимой с научно-методическими целями.
Существуют разные способы решения задачи интеграции устройств медицинской визуализации . Например, фирма Siemens в дополнение к диагностическим устройствам предлагает системy SIENET, обеспечивающую передачу изображений на специализированные рабочие станции, расположенные в любом месте лечебного учреждения. Для этой передачи используются собственные протоколы обмена, поэтому система SIENET допускает прием и обработку изображений, полученных в основном на устройствах производства фирмы Siemens. Чтобы сделать систему более открытой, ее разработчики включили в нее дополнительную возможность передачи циркулирующих в ней изображений во внешние информационные системы и сети по стандарту DIСОМ.
Другой подход предлагает российская фирма ТАНА. Она использует
систему перехвата изображений непосредственно на входе видеомониторов компьютеров диагностических устройств. Затем эти изображения могут быть обработаны с помощью предлагаемого этой фирмой программного обеспечения и напечатаны или переданы по компьютерной сети. Этот подход дешевле описанного выше и позволяет относительно легко подключаться к диагностическим устройствам разных фирм-производителей. Однако при этом не обеспечиваются автоматическое получение и дальнейшая передача информации об условиях получения исходных изображений. В своих технических решениях фирма ТАНА ориентируется в основном на компьютеры фирмы Silicon Graphics, но предлагает также решения для компьюте-
Третий подход предлагает германская фирма Optiware, разработавшая программный пакет Hipax, в котором основная ставка делается на получение и передачу медицинских изображений в стандарте DICOM. Ссылки на DICOM делают и другие поставщики аналогичных пакетов, например фирма Line Imaging, предлагающая пакет WinRad и российская фирма "Федеральное медицинское агентство". Для этих пакетов характерны достаточно скромные требования к используемым компьютерам.
