Информационные сетевые технологии в лучевой диагностике: системы архивирования изображений и связи (PACS), телерадиология, стандарт DICOM

3 746 просмотра

Широкое применение цифрового диагностического оборудования наряду с динамичным развитием информационных технологий повлекло за собой подъем на более высокий качественный уровень как практической, так и научной медицины. Новый подход к хранению архивной документации и обеспечение возможности мгновенного обмена ею между медицинскими учреждениями, расположенными в разных городах, а часто, и странах, стал одной из причин возможности увеличения потока пациентов и понижения вероятности постановки неправильного диагноза. В развитых странах информационные сетевые технологии давно стали интегральной частью широкого ряда медицинских направлений, начиная от передачи результатов лабораторных исследований и заканчивая дистанционной поддержкой при проведении сложных хирургических вмешательств.
Целью настоящей работы является разъяснение некоторых принципов работы таких систем в применении к лучевой диагностике, описание их архитектурных особенностей и функциональных возможностей.

Системы архивирования изображений и связи
Системы архивирования изображений и связи (САИС, PACS, Picture Archiving and Communication System) выполняют следующие функции:
> стандартизированное и оптимизированное накопление информации на отдельных автоматизированных рабочих местах врачей-диагностов;
> создание и ведение единого архива электронных медицинских карт, протоколов обследования пациентов, а также медицинских изображений (статических и динамических) и данных;
> хранение в базе данных на каждого пациента необходимого количества медицинских изображений, что обеспечивает возможность наблюдения состояния пациента в течение длительного времени за счет сравнения изображений, снятых в разное время;
> функциональные исследования различных патологий и заболеваний по серии медицинских изображений в кино-режиме;
> различная обработка медицинских изображений, в том числе: изменение контрастности, изменение масштаба (увеличение и уменьшение), линейные и объемные измерения, межкадровая обработка, фильтрация и др.;
> документирование результатов исследований в виде различных заключений и стандартизированных протоколов (включая расчет различных клинических параметров) на печатающем устройстве с выдачей высококачественных твердых копий медицинских изображений;
> ведение статистики и дистанционный сбор статистической информации, возможность получения различных статистических данных за требуемый промежуток времени (например, по количеству обследованных пациентов, органов, выявленных патологий, врачебная нагрузка, количество израсходованной пленки и др.).
Типовая простейшая САИС – это совокупность цифрового диагностического оборудования (ЦДО), диагностической рабочей станции и электронного архива, объединенных в информационную (компьютерную) сеть (см. схему). Передача данных в САИС осуществляется в стандарте DICOM (см. таблицу). График 1Таблица 1
Диагностическая рабочая станция (ДРС) представляет собой мощный компьютер с расширенными возможностями. ДРС является ядром всей системы, поскольку контролирует потоки информации между отдельными ее блоками. С точки зрения пользователя основным функциональным назначением ДРС является обеспечение максимального удобства при просмотре диагностических изображений. Современные ДРС предоставляют возможность подключения нескольких мониторов, что позволяет одновременно просматривать большое количество изображений, проводить их сопоставление и накладку, масштабирование и вращение, воспроизводить изображения срезов в кино-режиме, а также множество других операций в зависимости от типа используемого ЦДО. В некоторых ДРС, для обеспечения максимального комфорта медицинского персонала, интегрирована функция управления голосовыми командами. Важное требование, которому должна отвечать ДРС – это открытая архитектура, т.е. наличие возможности проведения аппаратно-технического дооснащения системы в процессе ее эксплуатации.
В случае наличия в медицинском учреждении единой клинической информационной системы (RIS / HIS, Radiology Information System / Hospital Information System), САИС интегрируется в данную систему путем подсоединения к ней ДРС. В этом случае САИС становится составной частью клинической информационной системы.
В крупных клиниках параллельно с ДРС устанавливают обзорную рабочую станцию, что связано с необходимостью обеспечения дополнительного автоматизированного рабочего места с целью уменьшения потока информации через ДРС при рутинной диагностике.
При большом количестве ЦДО между ним и ДРС устанавливается буферный сегмент, представляющий собой компьютер, функциональным назначением которого является временное хранение информации с целью исключения перегрузки каналов связи, что могло бы привести к потере информации или «зависанию» ДРС.
Электронный архив (RAID Archive, Redundant Array of Independent Disks Archive, Архив на основе матрицы независимых дисковых накопителей с избыточностью) – это компьютер с большим количеством жестких дисков, которые с целью повышения надежности и скорости доступа объединены в единую логическую структуру. Функциональное назначение электронного архива заключается в хранении клинической картотеки в электронном виде. Данный блок должен отвечать следующим требованиям:
1) период хранения информации должен составлять в общем случае от 5–7 лет до продолжительности жизни пациента. При этом должна быть исключена возможность удаления данных, хранившихся меньший, чем необходимо, промежуток времени во избежание злоумышленного уничтожения информации;
2) система должна быть пригодной к незамедлительному восстановлению информации в случае сбоя;
3) открытая архитектура архива должна обеспечивать возможность существенного увеличения объема памяти при минимальной затрате ресурсов;
4) электронный архив должен характеризоваться высокой производительностью, что сочетает в себе соответствующую скорость работы и максимальную простоту в использовании;
5) система архивирования должна быть безотказной и требовать минимального технического обслуживания. Она должна непрерывно проводить самодиагностику и сообщать об обнаруженных сбоях в работе.
Параллельно с RAID-архивом устанавливают устройство записи CD, назначение которого заключается в дублировании архивной информации путем ее записи на компакт-диски с целью последующей передачи пациенту или другим лицам. Современные устройства записи CD полностью автоматизированные, позволяют записывать большое количество дисков без перезарядки и, помимо записи диагностических изображений с сопроводительной информацией, позволяют печатать на тыльных сторонах дисков метки с необходимыми данными пациента. При этом, запись компакт-дисков может быть инициирована с любой рабочей станции САИС.
С целью обеспечения доступа к САИС с компьютеров, расположенных в любой точке Земного шара (удаленных рабочих станций), система оснащается Web-сервером. Поскольку передача данных в этом случае осуществляется через Интернет, который открыт для широкого доступа, конфиденциальность информации может быть нарушена. Для защиты информации используется защитный сегмент, который в целях безопасности шифрует данные при их пересылке через Интернет. Такое шифрование используется банками в проводниковой связи (например, в сети банкоматов).
Применение САИС характеризуется наличием ряда преимуществ:
> повышается обоснованность принимаемых медицинских решений и обеспечивается большая преемственность лечебно-диагностической помощи, оказываемой пациентам, за счет создания и ведения архива результатов исследований, а также обеспечения возможности оперативной работы с архивом врачам-специалистам;
> увеличивается поток пациентов за счет отказа от ведения регистрационных журналов, ручного написания медицинских заключений и протоколов, а также за счет полуавтоматической работы с базой данных;
> существенно уменьшается время на составление различных статистических отчетов по проведенным исследованиям;
> обеспечивается экономия рентгеночувствительной пленки и термобумаги, за счет хранения диагностических изображений в электронном архиве и их распечатки на обычной бумаге;
> обеспечивается отказ от хранения экспонированной пленки;
> исключаются потери рентгенограмм, томограмм, эхограмм и гаммаграмм в отделениях и при их выдаче на руки;
> обеспечивается возможность свободного обмена разнообразной информацией между клиниками различных географических регионов путем передачи диагностического изображения, текстовых и графических файлов с унифицированной тактикой диагностики и лечения с целью научных исследований, телеконференций и медицинского образования (телерадиология).

Телерадиология
В 1997 г. Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) дала определения медицинской телематике и телемедицине. Медицинская телематика – это обобщенный термин, включающий деятельность, услуги и системы (связанные с оказанием медицинской помощи на расстоянии посредством информационно-коммуникационных технологий) направленные на содействие развитию мирового здравоохранения, осуществление эпидемиологического надзора и предоставление медицинской помощи, а также обучение, управление и проведение научных исследований в медицине. Телемедицина, согласно определению ВОЗ, – это метод предоставления услуг по медицинскому обслуживанию там, где расстояние является критическим фактором. Следует отметить, что телемедицина – это не отрасль медицины и не новое медицинское направление, а лишь способ дистанционного обмена данными в реальном (условно реальном) времени, встраиваемый в практическое здравоохранение, медицинскую науку и образование.
Первые примеры оказания удаленной медицинской помощи относятся к началу ХХ века и связаны с попытками передачи тонов сердца больных по телефону. С 1920 года с помощью радио и азбуки Морзе некоторые страны оказывали информационную медицинскую поддержку судам своего флота. Позднее, с появлением космических программ, телемедицина приняла новый оборот, что было связано с необходимостью дистанционного слежения за состоянием здоровья астронавтов. В 1959 году была проведена первая видеоконференция. В 1970-1980 годах NASA осуществляла передачи клинических данных с помощью телевидения. В СССР первые эксперименты с телемедициной были связаны с необходимостью организации телемоста между пострадавшей от землетрясения Арменией и медицинскими специалистами из США в конце 1988 – начале 1989 гг. Интенсивное развитие информационных технологий позволило значительно усовершенствовать существовавшие направления телемедицины, внедрить их в повседневную деятельность врачей и создать телемедицинские сети.
Составной частью телемедицины является телерадиология (ТР), подразумевающая передачу диагностических изображений, полученных методами лучевой диагностики, с использованием информационных каналов связи. ТР выполняет следующие функции:
> передачу изображений в различные медицинские учреждения с целью их интерпретации;
> экспертизу экстренных (ургентных) состояний, в чрезвычайных ситуациях и катастрофах;
> экспертизу конфликтных диагностических задач;
> дистанционное наблюдение за состоянием пациентов;
> дополнительное архивирование и хранение материалов;
> телеобучение (дистанционная система непрерывного профессионального обучения).
В большинстве случаев ТР служит основой для прочих отраслей телемедицины, среди которых телеэндоскопия, теледерматология, телехирургия, телетравматология и др.
С точки зрения технического выполнения различают ТР на базе HTML/HTTP и DICOM протоколов.
Процесс работы ТР на базе HTML/HTTP можно описать согласно следующей модельной последовательности действий:
1) ДРС конвертирует принятые с ЦДО диагностические изображения в стандартный графический формат, после чего изображения выкладываются на сервер. Данные пациента размещаются в соответствующем изображению текстовом файле. Графические и текстовые файлы, о которых идет речь, объединяются путем построения информационных директорий или баз данных;
2) на основе общих принципов работы сетевого браузера, без какого-либо дополнительного программного обеспечения, осуществляется дистанционное подключение удаленной рабочей станции через Интернет;
3) посредством сформатированной в HTML Web-страницы, информация на удаленной рабочей станции представляется списком видимых изображений;
4) после выбора изображения для просмотра, пользователь запрашивает Web-сервер о построении Web-страницы, которая содержит запрашиваемое изображение и информацию о пациенте. Соответственно, Web-страница передается через Интернет, используя HTTP.
Эта простая модель имеет ряд недостатков, среди которых отсутствие возможности масштабирования изображений, фильтрации, изменения их контрастности и т.д. Недоступны функции специального просмотра (как кино-режим, сопоставление, увеличение и др.). Наличие данных недостатков связано с ограничением возможностей стандартного Web-браузера. Единственное преимущество описываемой модели заключается в низкой цене. Тем не менее, данная модель непригодна более чем средство для передачи изображений и текстовых отчетов.
Ограничения, присущие данной модели, можно обойти путем создания специального Web-браузера или комплектации стандартного Web-браузера набором прикладных программ. Оба решения требуют инженерной разработки со стороны производителя программного обеспечения (ПО).
ТР на базе стандарта DICOM имеет две разновидности, описываемые так называемыми «тянущей» (pull) и «толкающей» (push) моделями. Тянущая модель работает согласно следующей последовательности действий:
1) принятые с ЦДА диагностические изображения выкладываются как DICOM-файлы на Web-сервере;
2) удаленный пользователь соединяется с сервером через Интернет, используя специализированное ПО;
3) используя DICOM-протоколы запроса/передачи изображений, интересующие изображения передаются через Интернет;
4) удаленный пользователь, используя специализированное телерадиологическое ПО, осуществляет просмотр и манипуляции изображений способом, подобным тому, как данные манипуляции осуществляются на соответствующей рабочей станции в радиологическом отделении;
Вторая разновидность телерадиологических систем на базе стандарта DICOM, описываемая «толкающей» моделью, работает следующим образом:
1) принятые с ЦДА диагностические изображения выкладываются в виде DICOM-файлов на Web-сервере;
2) ПО на Web-сервере определяет, на какую удаленную станцию должны быть доставлены диагностические изображения;
3) удаленный пользователь, используя статический IP-адрес, соединяется с сервером через Интернет посредством специализированного ПО;
4) Web-сервер направляет изображения удаленному пользователю;
5) удаленный пользователь, используя специализированное телерадиологическое ПО, осуществляет просмотр и манипуляции изображениями, способом, подобным тому, как данные манипуляции осуществляются на соответствующей рабочей станции в радиологическом отделении.
Системы телерадиологии на базе DICOM позволяют исключить недостатки, присущие системам на базе HTML/HTTP.
В таблице приведены некоторые сравнительные характеристики описанных телерадиологических систем.
Сравнение
Стандарт DICOM
Для передачи информации по сетям используются специальные стандарты (протоколы) передачи данных – программные правила взаимодействия функциональных элементов информационной (компьютерной) сети; или, другими словами, – это правила обмена информацией между компьютерами (а также между компьютерами и периферийным оборудованием), объединенными в сеть.
Существует ряд различных стандартов для передачи того или иного вида медицинской информации. Так, например, стандарт ASC X12 предназначен, в основном, для передачи электронных документов, ASTM – для передачи результатов лабораторных исследований. Для диагностических изображений чаще всего используется стандарт DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine – Стандарт Цифровой Визуализации и Связи в Медицине), который был разработан Национальной ассоциацией производителей электрического оборудования США (NEMA) в 1985 году. Стандарт позволяет организовать цифровую связь между различным диагностическим и терапевтическим оборудованием, использующимся в системах различных производителей. Стандарт DICOM версии 3.0 (окончательно выпущен в 1993 г.) предназначен для передачи растровых медицинских изображений, полученных различными диагностическими методами, общее количество которых составляет 29.
Часть 10 данного стандарта оговаривает формат файла для передачи изображений. Файлы, отвечающие части 10 часто называют файлами DICOM-формата. Упомянутые файлы состоят из заголовка (в нем хранятся паспортные данные пациента, условия проведения обследования, положения пациента в момент проведения обследования и т.д.) и графических данных. Графические данные в DICOM-файлах могут быть ужаты (инкапсулированы) с целью уменьшения размера изображений. Файлы могут быть ужаты с минимальными потерями качества, используя методы JPEG-формата, а также методом кодирования длин серий (который идентичен packed-bits сжатию, использующимся в некоторых файлах TIFF-формата).

Автор: Дмитрий Караман
d.karaman@medrom.com.ua