Εισαγωγή στο προ τυπο DICOM

Transcript

1 Εισαγωγή στο προ τυπο DICOM Μ. Τσικνάκης Ιατρική Απεικόνιση Οι σύγχρονες μέθοδοι διαγνωστικής απεικόνισης, δημιουργούν όλο και πιο έντονα την ανάγκη χρήσης διαγνωστικών εικόνων (κινούμενων ή στατικών) υψηλής ποιότητας. Επειδή σήμερα οι διαγνωστικές αυτές εικόνες χρησιμοποιούνται από τους ιατρούς είτε για ηλεκτρονική αρχειοθέτηση, έτσι ώστε να διατηρούν ενημερωμένο τον ηλεκτρονικό ιατρικό φάκελο των ασθενών τους, είτε για μεταφορά μέσω δικτυακών υποδομών στα πλαίσια εφαρμογών τηλεϊατρικής, οι απαιτήσεις για τις εικόνες αυτές είναι: 1. Να έχουν σχετικά περιορισμένο μέγεθος που να καθιστά εφικτή την διαχείρισή τους είτε σε βάσεις δεδομένων, είτε σε μεμονωμένους προσωπικούς ηλεκτρονικούς υπολογιστές. 2. Να έχουν τη βέλτιστη δυνατή ποιότητα/ευκρίνεια ώστε να περιορίζουν ενδεχόμενα προβλήματα σε επίπεδο διάγνωσης. Τα κύρια είδη ιατρικής εικόνας, στατικής και κινούμενης είναι: η Ακτινολογική εικόνα (X-ray), η Υπερηχοτομογραφία (Ultrasonography, US), η Αξονική Τομογραφία (Computed Tomography, CT), η Μαγνητική Τομογραφία (Magnetic Resonance Imaging, MRI), η Ψηφιακή Φθοροσκοπία (Digital Fluoroscopy, DF), η Αγγειογραφία (Angiography, AN), η Πυρηνική Ιατρική (Nuclear Medicine, NM), η PET (Position Emission Tomography) και η SPECT (Single Photon Emission Computerized Tomography). 1

2 Η έως τώρα διεθνής προτυποποίηση που αφορά την ιατρική εικόνα ουσιαστικά αποτελείται από το πρότυπο DICOM. Το πρότυπο DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) αναπτύχθηκε με σκοπό την κάλυψη της ανάγκης διασύνδεσης διαφόρων ιατρικών απεικονιστικών μηχανημάτων είτε ανά δύο είτε σε δίκτυο με σκοπό την καταχώρηση, διατήρηση και ανάκτηση ιατρικών εικόνων. Ως προς την συμπίεση της ιατρικής εικόνας δυστυχώς δεν έχουν προσδιοριστεί ακόμη επαρκή στοιχεία στο συγκεκριμένο πρότυπο εκτός από το JPEG format. Επειδή όμως η ιατρική εικόνα, αποτελεί μία «ειδική» ομάδα εικόνων, στις οποίες οι λεπτομέρειες έχουν κρίσιμη διαγνωστική σημασία, υπάρχουν συγκεκριμένες μέθοδοι και κριτήρια που εφαρμόζονται ως προς την συμπίεση, παράλληλα συνεχίζεται και η έρευνα ως προς τον καθορισμό της βέλτιστης μεθόδου συμπίεσης, ανά είδος ιατρικής εικόνας. Συγκεκριμένα, οι μέθοδοι συμπίεσης ιατρικών εικόνων και βίντεο εξαρτώνται σημαντικά από τον τύπο των εικόνων, το είδος της πληροφορίας που περιέχουν, καθώς και από τον σκοπό της κλινικής χρήσης. Διακίνηση Ιατρικών Εικόνων σε Νοσοκομειακό περιβάλλον Πιστεύω ότι ο καλύτερος τρόπος για να εξηγήσει κανείς το πρότυπο και την αναγκαιότητα του είναι η περιγραφή της ροή εργασίας που σχετίζεται με την απεικονιστική διαδικασία και συναντάται πολύ συχνά σε κλινικές, νοσοκομεία, ή μεγάλα δίκτυα υπηρεσιών υγείας. Ας θεωρήσουμε ότι ένας ασθενής εισήχθη στο νοσοκομείο με πόνους στο στήθος. Ο θεράπων ιατρός μπορεί να ζητήσει τη διενέργεια μίας μαγνητικής τομογραφίας, και όταν το αίτημα αυτό καταγράφεται στο Πληροφοριακό Σύστημα Νοσοκομείου (HIS), μια ηλεκτρονική αίτηση συνήθως μεταδίδεται στο Πληροφοριακό Σύστημα Ακτινολογίας (RIS). Η αίτηση περιλαμβάνει συνήθως πληροφορίες σχετικά με το από πού προήλθε το αίτημα, ποιος το ζήτησε, τα στοιχεία του ασθενούς, τον τύπο της αιτούμενης απεικονιστικής μεθόδου, κ.λπ. Όταν γίνει ο προγραμματισμός, ενημερώνεται ο ασθενής που στη συνέχεια φτάνει στο κέντρο απεικόνισης. Μετά που έχει ολοκληρωθεί η απεικονιστική εξέταση (σάρωση), ένα σύνολο από εικόνες σε συμμόρφωση με το πρότυπο DICOM - δημιουργούνται από τα ανεπεξέργαστα δεδομένα, και αναφέρονται ως "Μελέτη". Μια μελέτη μπορεί η ίδια να αποτελείται από διάφορα υποσύνολα δεδομένων ανάλογα με τις ρυθμίσεις της σάρωσης, και καθένα από αυτά αναφέρεται ως μία "Σειρά". Κάθε σειρά θα αποτελείται από έναν αριθμό εικόνων, και κάθε μία από αυτές τις εικόνες αναφέρεται ως ένα «αντικείμενο πληροφορίας DICOM" (DICOM information object). Μετά ολοκλήρωση της σάρωσης (απεικόνιση), όλες οι εικόνες που παρήχθησαν μεταδίδονται για αρχειοθέτηση στο σύστημα PACS (Picture Αρχειακές και σύστημα επικοινωνίας). Οι σαρωμένες εικόνες μπορεί να αναθεωρηθούν ως προς την ποιότητα τους προτού μεταδοθούν σε ένα σύστημα PACS. Οι αρχειοθετημένες εικόνες μπορούν στη συνέχεια να ανακτηθούν από το σύστημα PACS σε κάποιο σταθμό εργασίας για 2

3 προβολή και ερμηνεία από έναν ακτινολόγο. Ο ακτινολόγος μπορεί να δει τις εικόνες είτε απευθείας στην οθόνη, ή να τις εκτυπώσει σε φιλμ. Αργότερα, μπορούν να προστεθούν επιπλέον σχόλια σχετικά με τις παρατηρήσεις τους και να οριστικοποιηθεί η αναφορά ερμηνείας (report). Μόλις ολοκληρωθεί αυτή η διαδικασία, οι αλλαγές συγχωνεύονται με την αρχική μελέτη και αποστέλλονται στο σύστημα PACS. Ένα ηλεκτρονικό μήνυμα μεταδίδεται επίσης πίσω στο RIS υποδεικνύοντας ότι το αίτημα διενέργειας της απεικονιστικής εξέτασης έχει ολοκληρωθεί. Αντίστοιχα, οι ψηφιακή πληροφορία των εικόνων καθώς και η σχετική αναφορά ερμηνείας (diagnostic report) μπορούν να αποσταλούν στο τμήμα που ζήτησε την εξέταση (π.χ. καρδιολογικό) για να χρησιμοποιηθεί από το ειδικό καρδιολόγο στο σχεδιασμό της κλινικής παρέμβασης του. Η επικοινωνία αυτή μεταξύ όλων των εμπλεκόμενων πληροφοριακών συστημάτων καθιστά απολύτως αναγκαίο τον καθορισμό κοινών παραδοχών όσον αφορά την κωδικοποίηση της πρωτογενούς απεικονιστικής πληροφορίας αλλά και των κανόνων για την μεταφορά ή και επεξεργασίας της (π.χ. συμπίεση). Τα συστήματα PACS Η επικοινωνία των ιατρικών απεικονιστικών εξετάσεων μέσα στα όρια ενός νοσοκομείου έχει ταυτιστεί με το PACS (Picture Archiving and Communication System Σύστημα Αρχειοθέτησης και Επικοινωνίας Απεικονιστικών Εξετάσεων) που εκτελεί όλες εκείνες τις λειτουργίες που προέκυψαν στην εποχή της ψηφιοποιημένης ιατρικής εικόνας. Το PACS πρωτοεμφανίστηκε στα μέσα της δεκαετίας του '80 και έγινε ώριμο στα τέλη της δεκαετίας του '90. Είναι ένα πολυσύνθετο, κατανεμημένο σύστημα (υλικό και λογισμικό) συγκέντρωσης, αποθήκευσης, διαχείρισης και διανομής απεικονιστικών εικόνων, το οποίο αποθηκεύει και χειρίζεται τις ψηφιακές πληροφορίες υπό μορφή δεδομένων εικόνας και κειμένου. Αποτελείται από διαφορετικούς κόμβους (Η/Υ) που συνδέονται μέσω δικτύου και χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση, ανάκτηση, διανομή και παρουσίαση των ψηφιακών εικόνων, οι οποίες προέρχονται από τα απεικονιστικά συστήματα (imaging modalities) που υπάρχουν - στο ακτινολογικό κυρίως τμήμα ενός νοσοκομείου. Το σύστημα PACS διαχειρίζεται επίσης τις διαγνωστικές αναφορές (diagnostic reports) που προκύπτουν σαν αποτέλεσμα της κάθε εξέτασης και τις συνδέει με αυτές. Σαν αποτέλεσμα, παρέχει, σε ένα σύγχρονο ακτινολογικό τμήμα, τη δυνατότητα βέλτιστης αποθήκευσης των εικόνων και των αρχείων των ασθενών καθώς και εύκολη πρόσβαση στις μεταδιδόμενες εικόνες από οποιοδήποτε τερματικό σταθμό στο δίκτυό του. Το λογισμικό του PACS διαχειρίζεται τα στοιχεία πληροφοριών των ασθενών, τις ακτινολογικές εικόνες και τις αναφορές της διάγνωσης που προκύπτουν από κάθε εξέταση, έτσι ώστε όλα αυτά να μπορούν να προβληθούν ταυτόχρονα. Το λογισμικό του PACS παρέχει συμβατότητα με τους περισσότερους υπολογιστές που είναι δυνατόν να χρησιμοποιούνται στην ιατρική και οι οποίοι συνεργάζονται με το πληροφοριακό σύστημα του νοσοκομείου (HIS) και το πληροφοριακό σύστημα του ακτινολογικού τμήματος (RIS). 3

4 Τα βασικά του μέρη είναι α) το σύστημα αποθήκευσης και αρχειοθέτησης εικόνων που είναι υπεύθυνο για τη συγκέντρωση, αποθήκευση, διαχείριση και διανομή των εικόνων από και προς τους άλλους κόμβους καθώς και β) το δικτυακό υπόβαθρο που διασυνδέει το σύστημα με τους υπόλοιπους κόμβους και μεταφέρει τα δεδομένα μεταξύ τους. Υπάρχουν επτά βασικές λειτουργίες που πραγματοποιούνται από ένα PACS: 1. Πρόσληψη εικόνας. 2. Αποστολή εικόνας. 3. Βραχυπρόθεσμη αποθήκευση. 4. Μακροπρόθεσμη αποθήκευση. 5. Ανάκτηση. 6. Προβολή εικόνας. 7. Δικτύωση. Ο ρόλος ενός PACS είναι ιδιαίτερα σημαντικός μέσα σε ένα σύγχρονο απεικονιστικό περιβάλλον όπου παράγεται καθημερινά ένας πολύ μεγάλος όγκος εικόνων. Η αναλογική μορφή τους (film) θέτει περιορισμούς στη διαθεσιμότητα, πρόσβαση, μεταφορά και μακροπρόθεσμη αρχειοθέτηση τους. Επίσης, η παραγωγή φιλμ είναι ακριβή. Το PACS επεκτείνει, ως εκ τούτου, τις δυνατότητες διάγνωσης με την παροχή ικανοτήτων επισκόπησης εξετάσεων και υποβολής αναφοράς εξ αποστάσεως, διαδικασία που ονομάζεται τηλε-διάγνωση (tele-diagnosis). Μάλιστα, με διαρκώς μειούμενο κόστος ψηφιακής αποθήκευσης, τα συστήματα PACS παρέχουν ολοένα και περισσότερα πλεονεκτήματα σχετικά με το κόστος και τον όγκο χώρου αποθήκευσης σε σχέση με τα αρχεία ταινιών. Πιο συγκεκριμένα, εξαλείφεται το πρόβλημα των χαμένων ακτινολογικών εικόνων, υπάρχει γρήγορη και ταυτόχρονη μεταφορά των εικόνων αλλά και ευκολότερη ανάκτηση παλαιότερων εξετάσεων, καθώς επίσης και μεγαλύτερη προστασία και δυνατότητα ψηφιακού χειρισμού των εικόνων. Η τυπική σχεδίαση ενός δικτύου PACS περιλαμβάνει έναν κεντρικό εξυπηρετητή (server), που διαθέτει μια βάση δεδομένων με τις ιατρικές εικόνες, έναν ή περισσότερους πελάτες (clients) που παρέχουν ή χρησιμοποιούν τις εικόνες αυτές και οι οποίοι διασυνδέονται με τον εξυπηρετητή μέσω ενός τοπικού δικτύου (Local Area Network LAN). Οι τερματικοί σταθμοί πελάτες (clients) μπορούν να χρησιμοποιούν τοπικές περιφερειακές μονάδες για εκτύπωση/σάρωση, εισαγωγή στο ψηφιακό σύστημα και διαδραστική απεικόνιση ταινιών εικόνων. Οι τερματικοί σταθμοί του PACS προσφέρουν όλα τα μέσα για τη διαχείριση των εικόνων (περικοπή, περιστροφή, εστίαση, φωτεινότητα, αντίθεση και άλλα). Τα σύγχρονα ακτινολογικά μηχανήματα τροφοδοτούν άμεσα με ψηφιακές εικόνες το PACS. Όπου αυτό δεν είναι εφικτό γίνεται χρήση ψηφιοποιητών. Το πρότυπο DICOM Η διαδικασία επικοινωνίας μεταξύ των συσκευών παραγωγής ιατρικών εικόνων και των υπόλοιπων συσκευών που αποτελούν τα συστήματα PACS σήμερα, όπως επίσης και οι διαδικασίες απεικόνισης, αποθήκευσης και εκτύπωσης των εικόνων και πολλές άλλες λειτουργίες είναι καθορισμένα από το πρότυπο DICOM. 4

5 Το πρότυπο DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine) δημιουργήθηκε το 1993 και είναι πλέον το αδιαμφισβήτητο πρότυπο σχετικά με την ανταλλαγή ιατρικών εικόνων σε ψηφιακή μορφή. Επιτρέπει στους χρήστες την ανάκτηση εικόνων και των σχετικών με αυτές πληροφοριών από ιατρικά μηχανήματα ή τα συστήματα αρχειοθέτησης τους (PACS), με προτυποποιημένη μέθοδο, που είναι ίδια για όλα τα μηχανήματα, ανεξαρτήτως κατασκευαστή. Το πρότυπο DICOM είναι περίπλοκο εξαιτίας της εξειδικευμένης ορολογίας του και των τακτικών αλλαγών που επιδέχεται, ώστε να υποστηρίζει νέες τεχνολογίες. Είναι βασισμένο στην αντικειμενοστρέφεια. Το πρότυπο καθορίζει τους τύπους επικοινωνιών που καλούνται κλάσεις υπηρεσιών DICOM (DICOM Service Classes). Το DICOM καθορίζει επίσης τους τύπους των δεδομένων και τη μορφή που αυτά έχουν κατά την επικοινωνία (DICOM Objects). Για παράδειγμα, ένα Στοιχείο Εξέτασης DICOM αποκαλούμενο CT είναι μία συγκεκριμένη μορφή δεδομένων για τη μετάδοση δεδομένων αξονικής τομογραφίας (CT DICOM object). Η ουσία του προτύπου είναι ότι ορίζει ένα σύνολο κοινών κανόνων για την ανταλλαγή και μεταφορά ψηφιακών εικόνων και των συνοδευτικών τους πληροφοριών. Το DICOM ακολουθεί το μοντέλο επικοινωνίας κατά ISO-OSI. Το μοντέλο αυτό αποτελείται από 7 ανεξάρτητα επίπεδα ή στρώματα και καθορίζει τις λειτουργίες επικοινωνίας του κάθε επιπέδου και τις σχέσεις ανάμεσά τους. Το εν λόγο πρότυπο, δομήθηκε σαν κείμενο με πολλά τμήματα (multi - part document), με βάση την οδηγία ISO/IEC Directive 1989 part 3: Drafting and presentation of International Standards. Ιστορική αναδρομή και υπόβαθρο Με την εισαγωγή της υπολογιστικής τομογραφίας (computed tomography CT) τη δεκαετία του 70, ακολουθούμενης από την χρήση και άλλων ψηφιακών διαγνωστικών απεικονιστικών συστημάτων, και την αυξανόμενη χρήση κλινικών πληροφοριακών συστημάτων, το American College of Radiology (ACR) και η National Electrical Manafacturers Association (NEMA) αναγνώρισαν την επείγουσα ανάγκη για μια τυποποιημένη μέθοδο μεταφοράς ιατρικών εικόνων και της σχετιζόμενης με αυτές πληροφορίας, μεταξύ των απεικονιστικών συστημάτων και ετερογενών πληροφορικών συστημάτων που μπορεί να προέρχονται από διαφορετικούς κατασκευαστές. Αυτές οι συσκευές παρήγαγαν μια μεγάλη ποικιλία από διαφορετικούς τύπους ψηφιακών εικόνων. Στην πραγματικότητα η πίεση για τη δημιουργία ενός τέτοιου προτύπου, προήλθε από τους ίδιους τους χρήστες. Στην ουσία οι περισσότεροι κατασκευαστές αρκούνταν στην υποστήριξη των δικών τους ιδιόκτητων προτύπων επικοινωνίας και ανταλλαγής δεδομένων, μια και εύκολα μπορούσαν να αναγκάσουν τους πελάτες τους να αγοράσουν νέες συσκευές ή προγράμματα της εταιρείας τους ώστε να συνδέσουν τις απεικονιστικές συσκευές τους. 5

6 Το DICOM βασίστηκε πάνω στο πρότυπο ACR-NEMA, το οποίο αναπτύχθηκε όπως ήδη αναφέραμε από το American College of Radiology (ACR), σε συνεργασία με την National Electrical Manufacturers Association (NEMA), ώστε να καλυφθεί η ανάγκη για σύνδεση μεταξύ συσκευών απεικόνισης. Η αρχική έκδοση του προτύπου ονομάσθηκε ACR-NEMA παίρνοντας βέβαια το όνομά του από τους δυο αυτούς οργανισμούς. Το πρότυπο ACR-NEMA δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά το 1985 και η δεύτερη έκδοση (2.0) το Με στόχο τον προσδιορισμό της προέλευσής του (ACR-NEMA), όταν δημοσιεύτηκε το DICOM (1993), ονομάστηκε DICOM version 3.0. Ενημερωμένες εκδόσεις του DICOM δημοσιεύονται κάθε χρόνο. Το «DICOM» είναι συνώνυμο με το DICOM 3.0 δεδομένου ότι δεν υπήρξε καμία προηγούμενη έκδοση με όνομα DICOM 1.0 ή DICOM 2.0, αφού πριν από το DICOM 3.0, το πρότυπο είχε διαφορετικό όνομα και ονομαζόταν πρότυπο ACR/NEMA 2.0. Αναλυτική περιγραφή Το πρότυπο Digital Imaging and Communication in Medicine (DICOM) δημιουργήθηκε από την ένωση των κατασκευαστών ιατρικών απεικονιστικών συστημάτων (National Engineering Manufacturers Association NEMA), και την επιστημονική ένωση των ακτινολόγων της Αμερικής (American College of Radiology ACR) για να βοηθήσει τη διαχείριση, διανομή και προβολή των ιατρικών εικόνων, όπως η αξονική τομογραφία, η μαγνητική τομογραφία, και το υπερηχογράφημα. Το πρόβλημα που επιχειρεί δηλαδή να λύσει είναι η διαλειτουργικότητα ετερογενών απεικονιστικών συστημάτων μέσω της ανάπτυξης τυποποίησης αναφορικά με την αναπαράσταση των δεδομένων που παράγονται από τα απεικονιστικά συστήματα. Με τον τρόπο αυτό υποστηρίζεται η δημιουργία «ανοικτών συστημάτων». Ένα πλήρες αντίγραφο του προτύπου (σε μορφή PDF) είναι διαθέσιμο για κατέβασμα στην διεύθυνση: Οι περισσότεροι άνθρωποι αναφέρονται σε αρχεία εικόνας που είναι συμβατά με το μέρος 10 του προτύπου DICOM ως DICOM αρχεία. Όπως συμβαίνει με όλες τις άλλες μορφές αρχείων εικόνων, ένα αρχείο DICOM αποτελείται από μια επικεφαλίδα (header), που ακολουθείται από τα δεδομένα των εικονοστοιχείων (pixels). Η επικεφαλίδα περιλαμβάνει, μεταξύ άλλων, το όνομα και άλλα στοιχεία του ασθενούς, καθώς και τις λεπτομέρειες της εικόνας. Σημαντικό μεταξύ των στοιχείων της εικόνας είναι οι διαστάσεις της εικόνας - το πλάτος και το ύψος, και τα bits ανά εικονοστοιχείο εικόνας. Όλα αυτά τα δεδομένα είναι ενσωματωμένα στο αρχείο DICOM με τη μορφή ετικετών (labels). 6

7 Στην συνέχεια θα εξηγήσουμε μόνο αυτούς τους όρους και τις έννοιες που σχετίζονται με ένα αρχείο DICOM. Δεν θα συζητήσουμε όμως τα θέματα που σχετίζονται με την δικτυακή επικοινωνία και χρήση του προτύπου DICOM για μεταφορά ιατρικών εικόνων. Τα πάντα στο DICOM αντιμετωπίζονται και μοντελοποιούνται σαν κάποιο αντικείμενο, όπως π.χ. μία ιατρική συσκευή, ένας ασθενής, κλπ. Ένα αντικείμενο, όπως ισχύει και στον αντικειμενοστραφή προγραμματισμό, χαρακτηρίζεται από γνωρίσματα. Τα DICOM αντικείμενα είναι τυποποιημένα σύμφωνα με τους αντίστοιχους ορισμούς πληροφοριών αντικειμένων (Information Object Definition - IOD). Ένα IOD είναι μια συλλογή των χαρακτηριστικών (γνωρίσματα) που περιγράφουν ένα αντικείμενο. Με άλλα λόγια, ένα IOD είναι ένα «γενικό σύνολο δεδομένων» (data abstraction) μιας κατηγορία παρόμοιων αντικειμένων του πραγματικού κόσμου (data abstraction of a class of similar real-world objects) που καθορίζουν τη φύση και τα χαρακτηριστικά που είναι σχετικά με αυτή την κλάση. Το πρότυπο DICOM έχει επίσης τυποποιήσει τα συνηθέστερα χρησιμοποιούμενα χαρακτηριστικά, και αυτά περιλαμβάνονται στο λεξικό δεδομένων του DICOM (Μέρος 6 του Προτύπου). Μια εφαρμογή που δεν μπορεί να βρει ένα αναγκαίο χαρακτηριστικό στο λεξικό δεδομένων του DICOM μπορεί να προσθέσει το δικό του ιδιωτικό ορισμό ενός χαρακτηριστικού, που θεωρείται ως ιδιωτική ετικέτα (private tag). Άρα το πρότυπο υποστηρίζει την ενσωμάτωση ιδιόκτητων χαρακτηριστικών και με αυτή την έννοια το πρότυπο DICOM είναι δυναμικά επεκτάσιμο. Τα τμήματα του προτύπου DICOM Το πρότυπο DICOM έχει χωριστεί σε πολλά τμήματα (parts) και κάθε τμήμα περιγράφει μια λειτουργία του προτύπου όπως π.χ. οι Service classes, τα IODs, το δίκτυο, τα μέσα αποθήκευσης κ.λ.π. Το κάθε τμήμα καθορίζεται από τον τίτλο του και έναν αριθμό της μορφής PS 3.X-YYYY, όπου το Χ αναφέρεται στον αριθμό του τμήματος και ΥΥΥΥ είναι το έτος δημοσίευσής του. Για παράδειγμα, το τμήμα 2 του προτύπου ονομάζεται «Συμμόρφωση» (Conformance) και ο αριθμός του είναι PS Τα τμήματα που αποτελούν το πρότυπο DICOM είναι τα εξής: PS 3.1: Το πρώτο μέρος παρέχει μια γενική εικόνα του υπόλοιπου προτύπου (overview). Παρέχεται μια γενική περιγραφή των σχεδιαστικών αρχών, καθορίζονται αρκετοί από τους όρους που θα χρησιμοποιηθούν και δίνεται μια σύντομη περιγραφή των άλλων μέσων. PS 3.2: Στο δεύτερο μέρος καθορίζονται οι «προϋποθέσεις συμβατότητας». Χωρίς να παρέχει μια καθορισμένη λίστα από συμβατά αντικείμενα, το DICOM υποστηρίζει έναν αριθμό από κλάσεις (π.χ. SOP classes) και «απαιτεί» από τα συστήματα να ακολουθούν τις αρχές του. PS 3.3: Το τρίτο μέρος ορίζει πως καθορίζονται τα αντικείμενα (Information Object Definitions) και τις περιγραφές τους. PS 3.4: Το τέταρτο μέρος περιέχει τις κλάσεις υπηρεσιών (services classes). Οι κλάσεις υπηρεσιών είναι οι διεργασίες που εκτελούνται στα αντικείμενα. Στο 7

8 μέρος αυτό, επίσης, καθορίζονται και οι ρόλοι του χρήστη και του παροχέα μιας υπηρεσίας. PS 3.5: Σε αυτό το μέρος ορίζεται η σύνταξη της γλώσσας με την οποία θα γίνει η επικοινωνία για την ανταλλαγή δεδομένων. Ο μηχανισμός ανταλλαγής δεδομένων ορίζεται από ένα πρωτόκολλο που καλείται πρωτόκολλο ανταλλαγής δεδομένων (message exchange protocol) και το κλινικό αντικείμενο. Οι μελλοντικές πράξεις καθορίζονται από τα αντικείμενα πληροφορίας και τις κλάσεις υπηρεσιών (PS 3.3 και PS 3.4). Θέματα που σχετίζονται με τον τρόπο παρουσίασης των δεδομένων, την κωδικοποίηση της πληροφορίας καθώς και της σύνταξης που χρησιμοποιείται για την ανταλλαγή μηνυμάτων, καθορίζονται σε αυτό το μέρος. PS 3.6: Αυτό το μέρος αποτελείται από μια συνολική λίστα που περιέχει όλα τα στοιχεία δεδομένων, τις αντίστοιχες χαρακτηριστικές επικεφαλίδες τους, τα ονόματά τους, κλ.π PS 3.7: Στο έβδομο μέρος αναφέρεται το κατάλληλο λογισμικό για να αλληλεπιδράσουν δύο ή περισσότερες συσκευές με βάση τις προδιαγραφές τους προτύπου. PS 3.8: Αυτό το μέρος περιέχει τις πληροφορίες που χρειάζονται για την ανταλλαγή μηνυμάτων με βάση το DICOM. Τα πρωτόκολλα TCP/IP και ISO-OSI υποστηρίζονται από το πρότυπο. Εκτός από το ανώτερο επίπεδο του DICOM, το υπόλοιπο μέρος ακολουθεί αυτά τα πρωτόκολλα χωρίς να επηρεάζεται ή να μετασχηματίζεται αλλά ούτε και να επεμβαίνει σε κάποιο από αυτά. PS 3.9: Εδώ ορίζεται η δόμηση της ροής εντολών, μιας και ένα μήνυμα χρειάζεται να περάσει σταδιακά από τα χαμηλότερα επίπεδα του προτύπου για να εγκαθιδρυθεί μια επικοινωνιακή σύνοδος. PS 3.10: Στο δέκατο μέρος οριοθετείται η συμβατότητα με άλλα πρωτόκολλα. PS 3.11 και PS 3.12: Τα τελευταία μέρη του προτύπου περιγράφουν τα μέσα ανταλλαγής δεδομένων. 8

9 9 Εικόνα 1: Συσχέτιση των τμημάτων του προτύπου Το DICOM είναι, εξαιτίας του χώρου που καλύπτει, ένα πολύπλοκο πρότυπο και για κάποιον που ασχολείται πρώτη φορά είναι ακόμη πιο δύσκολο να κατανοήσει και να συσχετίσει τις λειτουργίες του. Η ίδια δυσκολία υπάρχει και στους κατασκευαστές και, έτσι, ενώ οι συσκευές τους ακολουθούν το πρότυπο DICOM, στην πράξη πολλές φορές αποδεικνύεται ότι είναι δύσκολο έως αδύνατο να επικοινωνήσουν συσκευές διαφορετικών κατασκευαστών μεταξύ τους. Η όλη φιλοσοφία του στηρίζεται στο Ε-R model και έτσι είναι ιδανικό για υλοποίηση αναζητήσεων με σχεσιακές βάσεις δεδομένων που είναι ευρύτατα διαδεδομένες. Η Λειτουργία του DICOM Αρχικά, πρέπει να γίνει η εγκαθίδρυση της σύνδεσης ώστε να επικοινωνήσουν οι κόμβοι μεταξύ τους. Το πρότυπο DICOM λειτουργεί με κατανεμημένες διεργασίες, σύμφωνα όμως με το μοντέλο πελάτη-εξυπηρετητή (client-server). Όταν δυο συσκευές ή κόμβοι απαιτείται να επικοινωνήσουν με βάση το πρότυπο DICOM, ακολουθείται η παρακάτω διαδικασία: αρχικά γίνεται η προσπάθεια έναρξης της συνόδου μέσω δικτύου. Το πρωτόκολλο δικτύου που χρησιμοποιείται ενημερώνει για τη διαθεσιμότητα. Εάν το δίκτυο είναι διαθέσιμο, τότε το πρότυπο αρχίζει μια σειρά ενεργειών για να πραγματοποιηθεί η σύνδεση. Η συσκευή που αιτείται την επικοινωνία ενημερώνει για το είδος των ενεργειών που πρέπει να πραγματοποιηθούν, ενώ η συσκευή που λαμβάνει την αίτηση ενημερώνει με τη σειρά της για τις δυνατότητές της. Για να λειτουργήσει, λοιπόν, σωστά η κατανεμημένη διεργασία πρέπει να οριστεί ο ρόλος (Role) της κάθε πλευράς ως ρόλος πελάτη (Client) ή ως ρόλος εξυπηρετητή

10 (Server). Η πλευρά που χρησιμοποιεί τη λειτουργικότητα της άλλης έχει το ρόλο του πελάτη. Η αντίθετη πλευρά που προσφέρει τη λειτουργικότητα, σύμφωνα με το πρότυπο, έχει το ρόλο του εξυπηρετητή. Οι δράσεις και οι ενέργειες που περιμένουν και οι δύο πλευρές καθορίζονται από τη σχέση (Relationship) την οποία μοιράζονται. Στις περισσότερες περιπτώσεις ο πελάτης προκαλεί τη διαδικασία, αλλά μερικές φορές ο εξυπηρετητής είναι ο αρχικός συνεργάτης. Εκτός από τους ρόλους, οι δύο πλευρές πρέπει να συμφωνήσουν σχετικά με τις πληροφορίες (Information) που πρόκειται να ανταλλάξουν. Κατά την αρχικοποίηση της σύνδεσης πρέπει να καθοριστεί και το κοινό συντακτικό μεταφοράς (Transfer Syntax), η κοινή «γλώσσα» δηλαδή, την οποία θα χρησιμοποιήσουν οι κόμβοι για να επικοινωνήσουν. Μέσα στο συντακτικό μεταφοράς (Transfer Syntax) περιγράφονται και οι τεχνικές που χρησιμοποιούν οι κόμβοι για να ανταλλάξουν πληροφορίες κωδικοποιώντας τα δεδομένα σε byte stream. Αυτές είναι οι Little Endian (αποστέλλεται πρώτα το λιγότερο σημαντικό byte) και Big Endian (αποστέλλεται πρώτα το περισσότερο σημαντικό byte). Αν δύο συσκευές χρησιμοποιούν λογισμικά με αντίθετες από τις παραπάνω μεθόδους, δεν θα μπορέσουν να επικοινωνήσουν σωστά με αποτέλεσμα να σταλούν και να αποθηκευτούν τα δεδομένα με λανθασμένο τρόπο. Γι αυτό θα πρέπει απ την αρχή οι δύο συσκευές να γνωρίζουν ποια από τις παραπάνω τεχνικές θα χρησιμοποιήσουν ώστε να προχωρούν σταδιακά στην αντίθετη μετατροπή. Εικόνα 2: Κωδικοποιήσεις Big και Little Endian Η σύνδεση για την ανταλλαγή πληροφορίας μεταξύ δυο εφαρμογών (application entities) λέγεται Association. Για κάθε Association ορίζεται ένα περιβάλλον, στο οποίο ανταλλάσσονται οι πληροφορίες. Αυτό το περιβάλλον είναι το Application Contex και ορίζεται από το πρότυπο DICOM. Στη συνέχεια, γίνεται η περιγραφή της πληροφορίας π.χ. ασθενής, εικόνα κτλ που θα μεταφερθεί. Η συλλογή αυτή των συσχετιζόμενων πληροφοριών ομαδοποιούνται σε οντότητες πληροφορίας (Information Entities). Οι οντότητες πληροφορίας αποτελούνται από χαρακτηριστικά (attributes), τα οποία περιγράφουν ένα πολύ μικρό κομμάτι της πληροφορίας π.χ. το όνομα του ασθενούς. Η περιγραφή αυτών των χαρακτηριστικών γίνεται με τα Information Object Definitions (IOD). Ένα IOD μπορεί να είναι information entity (normalized IOD) ή συνδυασμός από information entities (composite IOD). Στην ουσία οι πληροφορίες που ανταλλάσσονται είναι τα χαρακτηριστικά αυτά γνωρίσματα και το τι θα εκτελεστεί πάνω σε αυτά. 10

11 Τα χαρακτηριστικά που έχουν κάποια σχέση ομαδοποιούνται σε μονάδες αντικειμένων πληροφορίας (Information Object Modules) ή ΙΟΜs. Τα ΙΟΜs ορίζονται με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε περισσότερα από ένα IOD (Εικόνα 4.7). Τα χαρακτηριστικά, παρόλο που περιγράφουν ένα πολύ μικρό κομμάτι από την πληροφορία που μας ενδιαφέρει, πρέπει να είναι ακριβή και λεπτομερή. Στο πρότυπο DICOM περιγράφονται με τα παρακάτω IOD: Μοναδικό Attribute Name (αναγνώσιμο από άνθρωπο) Μοναδικό Attribute Tag (πληροφορία αναγνώσιμη από το σύστημα) Attribute Description (σημασιολογική περιγραφή) Value Representation (σύνταξη και κωδικοποίηση) Value Multiplicity (επαναληψιμότητα) Type Classification: 1, 1C, 2, 2C, ή 3. Το Type Classification ορίζει αν το χαρακτηριστικό είναι υποχρεωτικό να έχει κάποια τιμή (τύπου 1), αν είναι υποχρεωτικό με τιμή είτε χωρίς (τύπου 2), αν είναι προαιρετικό (τύπου 3) ή αν εμφανίζεται υπό συγκεκριμένες συνθήκες (1C, 2C). 11

12 Εικόνα 3: To IoD για μια εικόνα CT. Αυτό ορίζεται ως μια λίστα ενοτήτων: Η πρώτη στήλη δίνει το όνομα κάθε οντότητας πληροφοριών, η δεύτερη στήλη δίνει το όνομα της ενότητας DICOM, και η τρίτη στήλη δίνει το τμήμα του προτύπου DICOM στην οποία η μονάδα ορίζεται. Η τελευταία στήλη καθορίζει εάν μια μονάδα είναι υποχρεωτική (Μ), καθορίζονται από το χρήστη (U), ή είναι επιλογής - optional (C). Μοντέλο Πληροφορίας του DICOM (DICOM Information model) Το μοντέλο πληροφορίες DICOM καθορίζει τη δομή και την οργάνωση των πληροφοριών που σχετίζονται με την κωδικοποίηση και την επικοινωνία των ιατρικών 12

13 εικόνων. Η επόμενη εικόνα δείχνει τις διαδικασίες στον πραγματικό κόσμο σχετικά με την διενέργεια μίας απεικονιστικής εξέτασης και τον τρόπο αναπαράστασης τους στο Μοντέλο Πληροφοριών DICOM. Κάθε οντότητα έχει μια σειρά από χαρακτηριστικά. Ένα ελάχιστο σύνολο δεδομένων (MDS-Minimum Data Set) καθορίζει ποια χαρακτηριστικά είναι υποχρεωτικά. Το μεγαλύτερο μέρος από τα χαρακτηριστικά που σχετίζονται με την εικόνα περιέχουν δεδομένα, όπως ονόματα και τους μοναδικούς αριθμούς για την αναγνώριση του ασθενούς, της μελέτης, το εμπλεκόμενο ιατρικό προσωπικό, τις παραμέτρους της συσκευής που παρήγαγε τις εικόνες και πολλά άλλα δεδομένα. Εικόνα 4: Η ροή εργασιών στον πραγματικό κόσμο και το αντίστοιχο (απλουστευμένο) πληροφοριακό μοντέλο του DICOM Ένα αντικείμενο πληροφορίες (IOD) είναι ένα αντικειμενοστραφές (object-oriented) μοντέλο δεδομένων που χρησιμοποιείται για να καθοριστούν οι πληροφορίες που αφορούν αντικείμενα του πραγματικού κόσμου (Real-World Objects). Κάποιο IOD χρησιμοποιείται για να αναπαραστήσει μια ενιαία κατηγορία αντικειμένων του πραγματικού κόσμου. Μετά την επικεφαλίδα ακολουθούν τα μετα-δεδομένα του αρχείου (File Meta Information). Αυτό το τμήμα περιέχει μεταξύ άλλων πληροφορίες σχετικά με το αρχείο, τη σειρά και τη μελέτη στην οποία ανήκει, καθώς και στον ασθενή που ανήκει. Αυτές οι πληροφορίες συχνά αναλύονται και χρησιμοποιούνται ως δεδομένα ευρετηρίασης (indexing) πολυμεσικών δεδομένων σε συστήματα διαχείρισης και αρχειοθέτησης ιατρικών εικόνων (συστήματα PACS). Τα αντικείμενα πληροφορίας DICOM (DICOM information objects) αποτελούν περιγραφή των πληροφοριών που είναι αναγκαίες για να περιγραφεί ή να μεταφερθεί μία εικόνα DICOM. Κάθε τύπος εικόνας, και ως εκ τούτου το αντίστοιχο αντικείμενο πληροφορίας, έχει συγκεκριμένα χαρακτηριστικά. Για παράδειγμα, μία εικόνα CT απαιτεί διαφορετικά αντικείμενα περιγραφής (descriptors) στην επικεφαλίδα της εικόνας από ότι μια εικόνα υπερήχων ή μια εικόνα οφθαλμολογίας. 13

14 Εικόνα 5: Το μοντέλο πληροφοριών του DICOM. Το Ε-R (Entity-relationship) διάγραμμα απεικονίζει τo DICOM μοντέλο του πραγματικού κόσμου, στο οποίο ο ασθενής έχει μία ή περισσότερες μελέτες και κάθε μελέτη περιέχει μία ή περισσότερες σειρές. Το Ε-R μοντέλο του πραγματικού κόσμου του DICOM, στο οποίο ο ασθενής έχει μία ή περισσότερες μελέτες και κάθε μελέτη περιέχει μία ή περισσότερες σειρές. Η σειρά χρησιμεύει ως ένα υποδοχέας (container) που συγκεντρώνει τα σχετικά αντικείμενα, όπως κυμματομορφές, εικόνες, ανεπεξέργαστα δεδομένα, κλπ. Οι αριθμοί δίπλα από τα βέλη ή τα σχήματα υποδεικνύουν την πληθικότητα (cardinality) της σχέσης, δηλαδή 1 = ακριβώς ένα, 0-n = μηδέν ή περισσότερα, και 1-n = ένα ή περισσότερα. Για παράδειγμα, στη σχέση "Ασθενής" σε "Μελέτη", ένας ασθενής έχει ένα ή περισσότερα αντικείμενα μελέτης, αλλά μία Μελέτη αναφέρεται (σχετίζεται) με ένα μόνο ασθενή. Κάθε μελέτη αποτελείται από 1 έως n σειρές (Series) διαγνωστικών εξετάσεων. Κάθε σειρά περιέχει 1 έως n αντικείμενα DICOM που είναι συνήθως εικόνες, αλλά μπορούν επίσης να είναι αναφορές (DICOM report), κυμματομορφές (biosignals), κλπ. Μια σειρά σχετίζεται γενικά με ένα συγκεκριμένο τύπο δεδομένων (π.χ. εικόνες αξωνικής τομογραφίας CT images) ή με τη θέση του ασθενούς σχετικά με την συσκευή παραγωγής της εικόνας. 14

15 Όλη αυτή η πληροφορία περιέχεται στα DICOM αντικείμενα μιας μελέτης. Επομένως, μπορεί μια μελέτη που εκτελείται σε έναν ασθενή να περιέχει 2 σειρές με την καθεμία να εμπεριέχει 10 περιπτώσεις (εικόνες). Εικόνα 6: Το E-R διάγραμμα δείχνει το μοντέλο πληροφορίες DICOM, το οποίο διακρίνει τα αντικείμενα του πραγματικόυ κόσμου, όπως είναι οι ασθενείς, από τα αντίστοιχα αντικείμενα DICOM information model, που αποτελούν αναπαραστάσεις των αντικειμένων του πραγματικού κόσμου στο πληροφοριακό σύστημα. (Entity-relationship diagram shows the DICOM information model, which distinguishes real-world objects, such as patients, from their corresponding DICOM objects, the information-system representations of real-world objects). Επικεφαλίδα ενός αρχείου DICOM (DICOM Header) Ένα αρχείο DICOM περιέχει μία επικεφαλίδα (file header), ένα τμήμα με μετα-δεδομένα για το αρχείο (File Meta Information portion), και ένα μόνο αντικείμενο (εικόνα, σήμα ή αναφορά). Η επικεφαλίδα αποτελείται από ένα προοίμιο μεγέθους 128 bytes, ακολουθούμενο από τους DICM χαρακτήρες, όλα κεφαλαία. Το προοίμιο πρέπει να περιέχει όλα μηδενικά, σε περίπτωση που δεν χρησιμοποιείται (μερικές φορές οι εφαρμογές μπορούν να χρησιμοποιούν το τμήμα αυτό για δική τους χρήση). 15

16 Μετά την επικεφαλίδα ακολουθούν τα μετα-δεδομένα του αρχείου (File Meta Information). Αυτό το τμήμα περιέχει μεταξύ άλλων πληροφορίες σχετικά με το αρχείο, τη σειρά και τη μελέτη καθώς και στον ασθενή που ανήκει. Αυτές οι πληροφορίες συχνά αναλύονται και χρησιμοποιούνται ως δεδομένα ευρετηρίασης (indexing) πολυμεσικών δεδομένων σε συστήματα διαχείρισης και αρχειοθέτησης ιατρικών εικόνων (συστήματα PACS). 16 Εικόνα 7: Tα δεδομένα και μετα-δεδομένα που συνήθως συναντάμε σε ένα αρχείο DICOM Ένα αρχείο DICOM περιέχει τόσο μια επικεφαλίδα (Header), η οποία αποθηκεύει πληροφορίες σχετικά με το όνομα του ασθενούς, το είδος της σάρωσης, τις διαστάσεις της εικόνας, κλπ, καθώς και όλα τα δεδομένα της εικόνας (raw image data), η οποία μπορεί να περιέχει πληροφορίες σε δύο ή τρεις διαστάσεις. Μετά την επικεφαλίδα ακολουθούν τα μετα-δεδομένα του αρχείου (File Meta Information). Αυτό το τμήμα περιέχει μεταξύ άλλων πληροφορίες σχετικά με το αρχείο, τη σειρά και τη μελέτη στην οποία ανήκει, καθώς και στον ασθενή που ανήκει. Αυτές οι πληροφορίες συχνά αναλύονται και χρησιμοποιούνται ως δεδομένα ευρετηρίασης (indexing) πολυμεσικών δεδομένων σε συστήματα διαχείρισης και αρχειοθέτησης ιατρικών εικόνων (συστήματα PACS).

17 Τα δεδομένα μίας DICOM εικόνας μπορούν να συμπιεστούν για να μειωθεί το μέγεθος της εικόνας, χρησιμοποιώντας είτε lossy (υπάρχει απώλεια πληροφορίας κατά την διαδικασία της συμπίεσης) είτε lossless (δεν υπάρχει απώλεια πληροφορίας) παραλλαγές του προτύπου JPEG. Ένα αρχείο DICOM μπορεί να έχει ή να μην έχει επικεφαλίδα. Το πρότυπο λέει ότι χρειάζεται μια επικεφαλίδα, αλλά χρονολογικά παλαιότερα αρχεία DICOM δεν έχουν. Αν έχει επικεφαλίδα, αυτή είναι στην ακόλουθη μορφή: 128 byte προοίμιο (preample), που περιέχει ειδικά δεδομένα 4 bytes που περιέχουν τη συμβολοσειρά "DICM" Το προοίμιο (preample) και η επικεφαλίδα DICOM (DICOM header) περιγράφονται στην κεφάλαιο 10 του προτύπου. Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε την ιεραρχική δομή που το πρότυπο χρησιμοποιεί: Το αρχείο DICOM αποτελείται από μια σειρά ομάδων. Κάθε ομάδα αντιπροσωπεύει μια συλλογή των σχετικών πληροφοριών. Κάθε κομμάτι των πληροφοριών σε μια ομάδα που ονομάζεται ένα στοιχείο. Κάθε ομάδα έχει ένα μοναδικό αριθμό με τον οποίο μπορεί να προσδιοριστεί. Αυτός ο κωδικός (tag) είναι δύο bytes σε μήκος και συνήθως αναφέρεται με έναν δεκαεξαδικό αριθμό. Συνήθως ένα αρχείο DICOM θα έχει τουλάχιστον τις ακόλουθες ομάδες δεδομένων: GROUP NAME FILE_META_ELEMENTS_GROUP 0x0002 Αυτό το GROUP περιέχει elements τα οποία περιγράφουν τη συνολική επικεφαλίδα του αρχείου (file header metadata). STUDY_INFORMATION_GROUP PATIENT_GROUP AQUISITION_GROUP Αυτό το GROUP περιέχει elements τα οποία περιγράφουν την Μελέτη (Study) που είναι ένα σύνολο από Σειρές (Series) στην οποία ανήκει η εικόνα. Αυτό το GROUP περιέχει elements τα οποία περιγράφουν τον Ασθενή. το απεικονιστικό σύστημα και τις ρυθμίσεις που χρησιμοποιήθηκαν για να παραχθεί η εικόνα. RELATIONSHIP_GROUP Αυτό το GROUP περιέχει elements τα οποία περιγράφουν τις χωρικές σχέσεις της εικόνας με τις υπόλοιπες εικόνες σε μία σειρά (spacial relationship of two-byte code 0x0002 0x0008 0x0010 0x0018 0x

18 the image to the rest of the images in the series) IMAGE_PRESENTATION_GROUP PIXEL_DATA Αυτό το GROUP περιέχει elements τα οποία περιγράφουν την εικόνα (πλάτος, ύψος, χρωματικό βάθος, κλπ) Αυτό το GROUP περιέχει τα δεδομένα της εικόνας. 0x0028 0x7FE0 Παράδειγμα: Επικεφαλίδα του DICOM (The DICOM header) Η εικόνα στα αριστερά δείχνει ένα υποθετικό αρχείο εικόνας DICOM. Σε αυτό το παράδειγμα, τα πρώτα 794 byte που χρησιμοποιούνται για την επικεφαλίδα DICOM, η οποία περιγράφει τις διαστάσεις της εικόνας και διατηρεί τις άλλες αναγκαίες πληροφορίες σχετικά με την σάρωση. Το μέγεθος αυτής της κεφαλίδας ποικίλει ανάλογα με το πόσες πληροφορίες αποθηκεύεται σε αυτήν. 18 Στην συγκεκριμένη περίπτωση, η επικεφαλίδα ορίζει μια εικόνα η οποία έχει διαστάσεις 109x91x2 voxels, με ανάλυση δεδομένων (resolution) 1 byte (8 bits) ανά voxel, και άρα το συνολικό μέγεθος της εικόνας θα είναι bytes. Τα δεδομένα της εικόνας ακολουθούν μετά τις πληροφορίες της επικεφαλίδας (Σημείωση: Στο DICOM η επικεφαλίδα και τα δεδομένα εικόνας αποθηκεύονται στο ίδιο αρχείο). Ο Πίνακας 1 παρουσιάζει ένα περισσότερο λεπτομερή κατάλογο της επικεφαλίδας DICOM. Επαναλαμβάνουμε αυτό που αναφέραμε νωρίτερα ότι ένα DICOM αρχείο απαιτεί ένα προοίμιο μεγέθους 128-bytes του οποίου τα πεδία είναι συνήθως όλα με τιμή μηδέν - που ακολουθείται από τα γράμματα «D», «I», «C», «M».. Το προοίμιο συνήθως ακολουθείται από πληροφορίες της επικεφαλίδας (Header information), οι οποίες οργανώνονται σε «ομάδες» (GROUPS). Για παράδειγμα, η ομάδα 0002hex περιέχει τη συνολική επικεφαλίδα του αρχείου (file header metadata), και στο παράδειγμα μας περιέχει 3 στοιχεία: το ένα καθορίζει το μήκος ομάδας (Group Length), το δεύτερο αποθηκεύει την έκδοση του αρχείου (File Meta Info Version) και το τρίτο τη μορφή της σύνταξης μεταφοράς (Transfer syntax UID). Τα στοιχεία που απαιτούνται σε ένα DICOM αρχείο εξαρτώνται από τον τύπο της εικόνας, και παρατίθενται στο μέρος 3 του προτύπου DICOM. Για παράδειγμα, αυτή η εικόνα προέρχεται από τομογραφία μαγνητικού συντονισμού (MRI) (βλ. ομάδα: στοιχείο 0008:0060), γι 'αυτό θα πρέπει να έχει τα στοιχεία για να περιγράψει κατάλληλα αυτού του είδους την εικόνα.

19 Η απουσία αυτών των πληροφοριών σε αυτή την εικόνα είναι μια παραβίαση του προτύπου. Στην πράξη, τα περισσότερα συστήματα απεικόνισης εικόνων DICOM (DICOM viewers) δεν ελέγχουν για την παρουσία των περισσότερων από αυτά τα στοιχεία. Ιδιαίτερης σημασίας είναι το ζεύγος «ομάδα:στοιχείο 0002:0010». Αυτό ορίζει το «μοναδικό αναγνωριστικό της Σύνταξης Μεταφοράς» (δείτε τον πίνακα 1). Αυτή η τιμή αναφέρει τη δομή των δεδομένων εικόνας, αποκαλύπτοντας μεταξύ άλλων αν τα δεδομένα έχουν συμπιεστεί ή όχι. Πίνακας 1: Παράδειγμα μίας επικεφαλίδας ενός αρχείου DICOM Οι DICOM εικόνες μπορούν να συμπιεστούν τόσο από το κοινό σύστημα συμπίεσης JPEG με απώλειες (όπου κάποιες πληροφορίες υψηλής συχνότητας χάνονται), καθώς και συμπιεστούν χωρίς απώλειες πληροφορίας από παραλλαγές του προτύπου JPEG (lossless JPEG scheme, which is the original and rare Huffman lossless JPEG, not the more recent and efficient JPEG-LS algorithm), που χρησιμοποιείται σπάνια πέραν της περιοσχής της ιατρικής απεικόνισης. Οι σχετικές πληροφορίες περιγράφονται αναλυτικά στο μέρος 5 του προτύπου DICOM. 19

20 Εικόνα 8: Το αποτέλεσμα συμπίεσης μίας εικόνας τόσο με lossless όσο και με lossy αλγορίθμους συμπίεσης. Εκτός από την περιγραφή της χρησιμοποιούμενης τεχνικής συμπίεσης (αν υπάρχει), το Transfer Syntax UID αναφέρει επίσης τη σειρά των byte για τα ανεπεξέργαστα δεδομένα. Διαφορετικοί υπολογιστές αποθηκεύουν ακέραιες τιμές με διαφορετικό τρόπο, τα λεγόμενα «big endian» και «little endian». Σύνταξη μεταφοράς (Transfer Syntax) Η Σύνταξη Μεταφοράς (Transfer Syntax) είναι ένα σύνολο κανόνων κωδικοποίησης, που επιτρέπει σε δύο Εφαρμογές (application Entities) να διαπραγματευτούν σαφείς και κοινές τεχνικές κωδικοποίησης που και οι δύο συμφωνούν να υποστηρίξουν κατά την επικοινωνίας τους όπως για παράδειγμα δομή των προς μεταφορά δεδομένων (data element structure), την σειρά των bytes υποστηρίζεται (byte ordering), το αν υπάρχει συμπίεση δεδομένων και τι είδους είναι αυτή, κτλ.). Ολες οι αναγκαίες παραδοχές και πληροφορίες σχετικές με αυτή την κατηγορία περιγράφονται στο μέρος 5 του προτύπου DICOM (DICOM Part 5 : Transfer Syntax (Standard and Private)). Τα σημαντικά στοιχεία για τον καθορισμό του αντικειμένου Transfer Syntax (Transfer Syntax UID Definition) είναι: 20 Transfer Syntax UID Περιγραφή Raw data, Implicit VR, Little Endian x Raw data, Explicit VR x = 1: Little Endian x = 2: Big Endian

21 xx xx = 50-64: Lossy JPEG xx = 65-70: Lossless JPEG Lossless Run Length Encoding Ο επόμενος Πίνακας παρουσιάζει τις περισσότερες υποστηριζόμενες από το DICOM «συντάξεις μεταφοράς» (Transfer Syntax) και τα αντίστοιχα UIDs. Πίνακας 2: Κατάλογος των περισσοτέρων από τις υποστηριζόμενες Transfer Syntaxes του DICOM Εκτός από τα δεδομένα σχετικά με την σύνταξης μεταφοράς (transfer syntax),η επικεφαλίδα του DICOM περιέχει όλη εκείνη την πληροφορία που είναι αναγκαία για την ακριβή κατανόηση και οπτικοποίηση της εικόνας, όπως η ευκρίνεια ψηφιοποίησης (resolution) σε bits ανά pixel (0028:0002), η Φωτομετρική Ερμηνεία των δεδομένων (0028:0004), και πολλά άλλα, όπως ενδεικτικά παρουσιάζονται στον Πίνακα 3. 21

22 Εικόνα 9: Δεδομένα τα οποία σχετίζονται με την ακριβή περιγραφή της εικόνας 22 Εικόνα 10: Το σύνολο των δεδομένων ενός DICOM αρχείου Για τις περισσότερες εικόνες MRI και CT, η φωτομετρική ερμηνεία είναι μια συνεχής μονόχρωμη (π.χ. συνήθως απεικονίζεται με αριθμό bits σε κλίμακα του γκρι). Το DICOM, σε αυτές τις μονόχρωμες εικόνες δίνει τις ακόλουθες φωτομετρικές ερμηνείες MONOCHROME1: χαμηλές τιμές = φωτεινό, υψηλές τιμές = σκούρο MONOCHROME2: χαμηλές τιμές = σκούρο, υψηλές τιμές = φωτεινό Ωστόσο, πολλές ιατρικές εικόνες (π.χ. υπερήχων) περιλαμβάνουν χρώμα, και αυτές περιγράφονται από διαφορετικά φωτομετρικά μοντέλα (π.χ. Παλέτα, RGB, CMYK, YBR, κλπ).

23 Window center και window width (brightness and contrast) Τα πιο κοινά αρχεία εικόνας που είναι πιθανό να αντιμετωπίσετε (JPG, GIF, TIFF, κλπ.) υποστηρίζουν κλίμακα του γκρι σε 8 bits. Μπορούν να κωδικοποιήσουν εκατομμύρια χρώματα, αλλά υποστηρίζουν την οπτικοποίηση μόνο 256 αποχρώσεων του γκρι. Επίσης, η τρέχουσα "24 bit" τεχνολογία βίντεο καρτών δεν είναι σε θέση να εμφανίζει περισσότερα από 256 αποχρώσεις του γκρι στην οθόνη. Δεν υπάρχει μεγάλο κίνητρο για να εμφανίσουμε περισσότερες από 256 αποχρώσεις του γκρι αφού η ανθρώπινη όραση μπορεί να διαχωρίζει μόνο περίπου 32 με 64 αποχρώσεις του γκρι. Για τους σκοπούς της ιατρικής απεικόνισης όμως αυτό το εύρος δεν είναι επαρκές για να διαφοροποιήσει τις λεπτές διαφορές μεταξύ ορισμένων ιστών. Η υπολογιστική τομογραφία (CT) και η απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού (MRΙ), για παράδειγμα, μπορούν να διαφοροποιήσουν τις ιδιότητες των ιστών με μεγάλη ακρίβεια. Σαν αποτέλεσμα τα εικονοστοιχεία πολλών ιατρικών εικόνων αποθηκεύονται ως ακέραιοι αριθμοί 16-bits. Όμως, μία ιατρική εικόνα με 16-bits διακριτική ικανότητα (resolution) είναι ικανή να αποθηκεύει ένα πολύ μεγαλύτερο εύρος πληροφοριών από ότι μπορούμε να οπτικοποιήσουμε στην οθόνη του υπολογιστή. Αυτό συνήθως επιλύεται με την συμπίεση των δεδομένων 16 bit από ένα εύρος απεικόνισης οριζόμενου από το χρήστη (το "παράθυρο - window") σε 8 bit (256 αποχρώσεις του γκρι.). Σαν αποτέλεσμα, στην ιατρική απεικόνιση συνήθως αναφερόμαστε για το «κέντρο παραθύρου» (window center) και το «πλάτος παραθύρου» (window width) της εικόνας. Αυτό είναι απλά ένας τρόπος για να περιγράψουμε τη «φωτεινότητα» και την «αντίθεση» της εικόνας ('brightness' and 'contrast'). Οι τιμές αυτές είναι ιδιαίτερα σημαντικές για Xray / CT / PET συστήματα που τείνουν να δημιουργήσουν εντάσεις με συνέπεια βαθμονομημένες ώστε να μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ένα συγκεκριμένο ζεύγος τιμών C: W για κάθε εικόνα, π.χ. 400:2000 μπορεί να είναι καλό για την οπτικοποίηση των οστών, ενώ 50:350 θα μπορούσε να είναι μια καλύτερη επιλογή για οπτικοποίηση μαλακών ιστών. Εικόνα 11: 7. Γκρι κλίμακας επεξεργασία. Τα δεδομένα εικόνας έχουν μια σειρά από τιμές pixel από 0 έως 255. Η ανατομία που μας ενδιαφέρει μπορεί να έχει εικονοστοιχεία με τιμές μεταξύ Με τον καθορισμό του πλάτους παραθύρου σε 50 και το επίπεδο παραθύρου 125, τα εικονοστοιχεία με τιμές κάτω από 100 έχουν 23

24 αντιστοιχηθεί σε μαύρο, τα εικονοστοιχεία με τιμές πάνω από 150 έχουν αντιστοιχηθεί σε λευκό, και οι τιμές εικονοστοιχείων από 100 έως 150 έχουν αντιστοιχηθεί με κάποια απόχρωση του γκρι. Ας εξετάσουμε την επόμενη εικόνα που περιέχει εικονοστοιχεία με εντάσεις που κυμαίνονται από 0 έως 170. Μια καλή εκτίμηση εκκίνησης για αυτή την εικόνα μπορεί να είναι ένα κέντρο 85 (μέση ένταση) και πλάτος 171 (εύρος τιμών), όπως φαίνεται στην μεσαία εικόνα. Μειώνοντας το πλάτος στο 71 θα αυξήσει την αντίθεση (αριστερή εικόνα). Από την άλλη πλευρά, κρατώντας το πλάτος ίσο με 171 αλλά μειώνοντας το κέντρο στο 40 θα κάνει την εικόνα να εμφανίζεται φωτεινότερη (δεξιά εικόνα). Για να κατανοήσουμε καλύτερα την χρησιμοποίηση των Window center and window width στην διαγνωστική διαδικασία ας εξετάσουμε τις επόμενες εικόνες, οι οποίες αποτελούν διαφορετικές οπτικοποιήσεις της ίδιας αρχικής εικόνας DICOM. 24

25 Εικόνα 12: Ένα ευρύ φάσμα των τιμών των εικονοστοιχείων αντιστοιχείται σε λευκό και μαύρο, δίνοντας μια χαμηλής αντίθεσης εμφάνιση. (A wide range of pixel values is mapped to white and black, giving a low-contrast appearance). Εικόνα 13: Ένα στενό εύρος των τιμών των εικονοστοιχείων αντιστοιχείται στο λευκό και το μαύρο, δίνοντας μια υψηλή αντίθεση. (A narrow range of pixel values is mapped to white and black, giving a high-contrast appearance. The window level is set for optimized viewing of dark objects (eg, the endoscope)). 25

26 Εικόνα 14: Ίδιο πλάτος του παραθύρου, όπως στο 13, αλλά το επίπεδο παραθύρου μειώνεται για βελτιστοποιημένη προβολή αντικειμένων με ενδιάμεσες τιμές εικονοστοιχείων (π.χ., της χολής). (Same window width as in 13, but the window level is decreased for optimized viewing of objects with an intermediate pixel value (eg, the hepatic bile ducts)). Εικόνα 15: Ίδιο επίπεδο παράθυρο όπως στο 14, αλλά με ένα πλάτος παραθύρου ενδιάμεσο από ότι στο 12 και στο 14. Αυτό μπορεί να είναι η βέλτιστη ρύθμιση για την προβολή όλων των αντικειμένων ταυτόχρονα σε αυτή την εικόνα. (Same window level as in c but with a window width intermediate between that in 12 and that in 14. This may be the optimum setting for viewing all objects simultaneously in this image). 26