Chuẩn lưu trữ hình ảnh trong y khoa và ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ THƠNG TIN & TRUYỀN THƠNG Trần Văn Tĩnh CHUẨN LƯU TRỮ HÌNH ẢNH TRONG Y KHOA VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Ngun – 2013 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ THƠNG TIN & TRUYỀN THƠNG Trần Văn Tĩnh CHUẨN LƯU TRỮ HÌNH ẢNH TRONG Y KHOA VÀ ỨNG DỤNG Chun ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60 48 01 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Lê Văn Phùng Thái Ngun – 2013 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Sau q trình học tập tại Trường Đại học Cơng nghệ Thơng tin & Truyền thơng, với những kiến thức lý thuyết và thực hành đã tích lũy được, với việc vận dụng các kiến thức vào thực tế, em đã tự nghiên cứu các tài liệu, các cơng trình nghiên cứu, đồng thời có sự phân tích, tổng hợp, đúc kết và phát triển để hồn thành luận văn thạc sĩ của mình. Em xin cam đoan luận văn này là cơng trình do bản thân em tự tìm hiểu, nghiên cứu và hồn thành dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Lê Văn Phùng. Thái Ngun, tháng 9 năm 2013 Học viên Trần Văn Tĩnh Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành tới thầy giáo hướng dẫn TS. Lê Văn Phùng người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn tơi trong suốt q trình làm luận văn. Sự giúp đỡ q báu của thầy giáo đã tạo điều kiện về mặt khoa học và là nguồn động viên tinh thần rất lớn giúp tơi hồn thành luận văn này. Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn đến đồng nghiệp bạn bè đã tạo điều kiện cho tơi khơng những về thời gian mà còn những đóng góp q báu cho luận văn. Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cơ giáo đã giảng dạy và truyền thụ kiến thức cho tơi trong q trình học tập tại trường Đại học Cơng nghệ Thơng tin và Truyền thơng – Đại học Thái Ngun. Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến bậc sinh thành, người đã dưỡng dục và động viên con suốt tháng ngày qua. Tơi xin cảm ơn vợ và người thân trong gia đình đã là nguồn động viên tinh thần rất lớn đối với tơi. Thái Ngun, tháng 9 năm 2013 Trần Văn Tĩnh Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. KHÁI QT VỀ HỆ THỐNG THƠNG TIN VÀ CHUẨN LƯU TRỮ HÌNH ẢNH TRONG Y KHOA 3 1.1. Khái qt về hệ thống thơng tin y khoa 4 1.1.1. Hệ thống thơng tin bệnh viện (HIS) 4 1.1.2. Hệ thống thơng tin chẩn đốn hình ảnh (RIS) 5 1.1.3. Hệ thống lưu trữ và truyền hình ảnh (PACS ) 7 1.1.4. Y tế từ xa (Telemedicine) 8 1.2. Chuẩn lưu trữ hình ảnh trong y khoa 11 1.2.1. Khái qt về chuẩn lưu trữ hình ảnh trong y khoa 11 1.2.2. Ứng dụng chuẩn lưu trữ trong hệ thống thơng tin y tế. 13 CHƯƠNG 2. MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG LƯU TRỮ HÌNH ẢNH Y KHOA 15 2.1. Chuẩn lưu trữ ảnh DICOM 15 2.1.1. Các thành phần của tiêu chuẩn DICOM 15 2.1.2. Khn dạng tập tin DICOM 17 2.1.3. Mã hóa dữ liệu trong DICOM 21 2.1.4. Trao đổi thơng tin trong DICOM 24 2.2. Hệ thống lưu trữ và truyền hình ảnh trong y khoa (PACS) 33 2.2.1. Cấu trúc của hệ thống lưu trữ và truyền hình ảnh trong y khoa 33 2.2.2. Kiến trúc PACS 38 2.2.3. Phân bố và hiển thị ảnh 45 2.2.4. Các u cầu trong thiết kế hệ thống PACS 48 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ iv CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG LƯU TRỮ & TRUYỀN HÌNH ẢNH VÀ HỆ THỐNG HỖ TRỢ CHẨN ĐỐN HÌNH ẢNH TẠI BỆNH VIỆN BẮC THĂNG LONG 51 3.1. Thực trạng của hệ thống chẩn đốn hình ảnh hiện tại tại bệnh viện 51 3.2. Phân tích, thiết kế hệ thống: 56 3.2.1. Mơ hình hệ thống: 56 3.2.2. Các thành phần chính của hệ thống : 56 3.2.3. Một số chức năng của hệ thống: 56 3.2.4. u cầu khi thiết kế hệ thống: 58 3.3. Cài đặt chương trình: 59 3.4. Một số kết quả đạt được 60 3.5. Nhận xét kết quả 63 KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 PHỤ LỤC 68 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DICOM Digital Imaging Communications in Medicine Chuẩn hình ảnh số và truyền thơng trong y tế RIS Radiology Information System Hệ thống thơng tin chẩn đốn hình ảnh HIS Hospital Information System Hệ thống thơng tin bệnh viện LIS Laboratory information system Hệ thống thơng tin xét nghiệm PACS Picture Archiving and Communication Systems Hệ thống lưu trữ và truyền hình ảnh HL7 Health Level 7 Giao thức trao đổi dữ liệu, thơng tin y tế HL7 CT Computerized Tomagraphy Cắt lớp điện tốn MRI Magnetic Resonnance Imaging Cộng hưởng từ PET Positron Comuterized Tomagraphy Cắt lớp phát xạ Positron SPET Single Photon Emission Comuterized Tomagraphy Cắt lớp điện tốn phát xạ đơn Photon ACR American College of Radiology Hiệp hội ngành chẩn đốn hình ảnh Hoa Kỳ NEMA National Electrical Manufacturers Association Hiệp hội các nhà sản xuất điện – điện tử quốc gia - Hoa Kỳ SOP Service Object Pair Dịch vụ đối tượng PAIR OSI Open Systems Interconnection Mơ hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol Giao thức điều khiển truyền thơng/Giao thức internet HTTP HyperText Transfer Protocol Giao thức truyền siêu văn bản WAN Wide Area Network Mạng diện rộng EPR Electronic Patient Record Bệnh án điện tử WWW World Wide Web Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Cấu trúc phần đầu tập tin DICOM 19 Bảng 2.2: Các trường trong Thành phần lệnh 28 Bảng 2.3: Dịch vụ DIMSE 30 Bảng 2.4: Cơng việc của các loại dịch vụ 31 Bảng 3.1: Một số thư viện hỗ trợ 60 Bảng 3.2: So sánh hệ thống cũ với hệ thống mới 64 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hệ thống thơng tin bệnh viện (HIS) 5 Hình 1.2: Hệ thống thơng tin chẩn đốn hình ảnh (RIS) 6 Hình 1.3: Hệ thống lưu trữ và truyền hình ảnh (PACS) 7 Hình 1.4: Y học từ xa 11 Hình 1.5: DICOM trong hệ thống thơng tin y tế 14 Hình 2.1: Cấu trúc tập tin DICOM 17 Hình 2.2: Ví dụ tập tin DICOM 18 Hình 2.3: Cấu tạo Bộ dữ liệu. 20 Hình 2.4: Một lớp hình ảnh 22 Hình 2.5: Mã hố dữ liệu điểm ảnh với VR= OW 22 Hình 2.6: Minh hoạ một dữ liệu điểm ảnh có 16 bit với một Overlay 23 Hình 2.7: Minh họa thiết lập liên kết giữa 2 ứng dụng DICOM 25 Hình 2.8: Minh họa hủy bỏ liên kết giữa 2 ứng dụng DICOM 26 Hình 2.9: Minh họa ngắt đột ngột liên kết giữa 2 ứng dụng DICOM 26 Hình 2.10: Minh họa ngắt liên kết với u cầu ngắt từ Service Provicer 27 Hình 2.11: Minh họa truyền tải dữ liệu dựa trên sự liên kết đã thiết lập giữa 2 ứng dụng. 27 Hình 2.12: Cấu trúc tổng qt của bản tin DICOM 27 Hình 2.13: Dịch vụ ngun thuỷ của DIMSE 29 Hình 2.14: Mơ hình lưu trữ trung gian DICOM 32 Hình 2.15: Mơ hình PACS 34 Hình 2.16: Cấu trúc hệ thống PACS 35 Hình 2.17: Sơ đồ hoạt động của cổng nhận ảnh. 36 Hình 2.18: Luồng dữ liệu khái qt của kiến trúc stand – alone. 39 Hình 2.19: Luồng dữ liệu tổng qt của kiến trúc client-server. 41 Hình 2.20: Máy chủ chứa ảnh dựa vào web 44 Hình 2.21: Tiến trình hiển thị ảnh 46 Hình 2.22: Kiến trúc PACS điển hình cho hiển thị ảnh dựa trên Web 47 Hình 2.23: Kiến trúc Component dùng hiển thị ảnh để chẩn đốn tại các workstation 48 Hình 3.1: Q trình thu nhận ảnh trong y khoa tại khoa Chẩn đốn hình ảnh 52 Hình 3.2: Tiến trình cơng việc hiện thời tại khoa Chẩn đốn hình ảnh 54 Hình 3.3: Tiến trình cơng việc tại khoa Chẩn đốn hình ảnh sau khi triển khai 55 Hình 3.4: Mơ hình hệ thống hỗ trợ chẩn đốn y khoa tại bệnh viện 56 Hình 3.5: Sơ đồ tương thích giữa các hệ thống 59 Hình 3.6: Sơ đồ hệ thống lưu trữ & truyền hình ảnh 60 Hình 3.7: Sơ đồ trạm hiển thị ảnh 60 Hình 3.8: Giao diện chính của chương trình 61 Hình 3.9: Xem ảnh của bệnh nhân 61 Hình 3.10: Xem tồn bộ ảnh của bệnh nhân 62 Hình 3.11: Dựng hình 3D dựa theo các lát cắt 62 Hình 3.12: Dựng hình khn mặt theo lát cắt 63 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 1 MỞ ĐẦU 1. Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài Ngày nay, lĩnh vực y tế đang giữ một vai trò quan trọng đối với sự phát triển của con người. Với việc dân số tồn cầu khơng ngừng tăng lên kèm theo đó là sự xuất hiện của nhiều căn bệnh mới đòi hỏi ngành y tế cần phải nỗ lực hơn nữa trong việc chăm sóc sức khỏe cho cộng đồng. Việc ứng dụng cơng nghệ thơng tin vào lĩnh vực y tế là rất cần thiết. Để hỗ trợ cho việc chẩn đốn và điều trị, nhiều bệnh viện đã khơng ngừng tăng cường đầu tư máy móc, cơng nghệ hiện đại như máy chụp cắt lớp phát xạ Positron (PET), máy chụp cộng hưởng từ (MRI), máy chụp cắt lớp vi tính (CT-Scanner), chụp x-quang kỹ thuật số, Ảnh được chụp từ các loại máy này được lưu trữ theo các chuẩn ảnh khác nhau để phục vụ trong lĩnh vực y tế. Các ảnh này được các bác sỹ sử dụng để đọc các thơng tin phục vụ chẩn đốn bệnh. Một trong những chuẩn ảnh được sử dụng phổ biến trong y khoa hiện nay là chuẩn ảnh DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine). Vì vậy trên thực tế việc ứng dụng cơng nghệ thơng tin trong ngành y tế khơng chỉ dừng lại ở cơng tác quản lý, cải cách hành chính và viện phí mà phải có hệ thống kết nối trao đổi dữ liệu với các hệ thống chẩn đốn hình ảnh nhằm hỗ trợ cho chẩn đốn của các bác sỹ, lưu trữ hình ảnh lâu dài và giúp cho việc chẩn đốn từ xa. Từ những lý do trên và từ u cầu thực tiễn của nơi cơng tác, chúng tơi đã chọn đề tài: “Chuẩn lưu trữ ảnh trong y khoa và ứng dụng” nhằm tìm hiểu về chuẩn lưu trữ hình ảnh phổ biến trong y khoa, và các hệ thống thơng tin liên quan từ đó xây dựng hệ thống lưu trữ & truyền hình ảnh và hệ thống hỗ trợ chẩn đốn hình ảnh tại bệnh viện. Nội dung luận văn được trình bày trong 3 chương: CHƯƠNG 1. KHÁI QT VỀ HỆ THỐNG THƠNG TIN VÀ CHUẨN LƯU TRỮ HÌNH ẢNH TRONG Y KHOA Trình bày khái qt về hệ thống thơng tin và chuẩn lưu trữ hình ảnh trong y khoa. Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ [...]... ĐỀ TRONG LƯU TRỮ HÌNH ẢNH Y KHOA Phân tích chuẩn lưu trữ hình ảnh phổ biến trong y khoa, đó là chuẩn DICOM: các thành phần tiêu chuẩn, khn dạng tập tin, cách mã hóa dữ liệu, và các giao thức của DICOM Phân tích hệ thống lưu trữ và truyền hình ảnh y khoa: cấu trúc, kiến trúc hệ thống, và các u cầu khi thiết kế hệ thống CHƯƠNG 3: X Y DỰNG HỆ THỐNG LƯU TRỮ & TRUYỀN HÌNH ẢNH VÀ HỆ THỐNG HỖ TRỢ CHẨN ĐỐN HÌNH... thuốc, ; và chuẩn hình ảnh – DICOM[4] Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 11 Hình 1.4: Y học từ xa 1.2 Chuẩn lưu trữ hình ảnh trong y khoa 1.2.1 Khái qt về chuẩn lưu trữ hình ảnh trong y khoa Các thiết bị y tế, thiết bị chẩn đốn hình ảnh đầu tiên khi mới ra đời chỉ là tín hiệu dạng sóng (Analog) đưa lên màn hình video của m y Theo thời gian, m y được chế tạo ng y càng có cấu hình cao... đúng chuẩn hình ảnh, ảnh phải được l y ra theo phương thức số hóa và lưu trữ lại trên m y chủ lưu trữ Và hệ thống lưu trữ và truyền hình ảnh cũng phải đòi hỏi Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 9 phần cứng theo tiêu chuẩn nhất định, những phần mềm quản lý hệ thống cũng như phần mềm chun dụng để xem ảnh, xử lý, lưu trữ và phân phối hình cũng phải có sự chuẩn hóa; có như v y giữa các... tiếp” hình ảnh và các thơng tin y tế liên quan giữa các thiết bị và hệ thống trong mạng thơng tin y tế.[10] DICOM cho phép tích hợp m y Scan, Server, trạm làm việc, m y tính và các thiết bị mạng từ nhiều nhà cung cấp vào thành một hệ thống truyền tải và lưu trữ hình ảnh Ng y nay hầu hết các bệnh viện trên khắp thế giới đều áp dụng DICOM vào các thiết bị y khoa, m y trạm, server, các hệ thống quản lý trong. .. nghiệm truyền qua lại trong một mạng LAN hoặc Intranet (mạng ở Bệnh viện chợ R y, Trung tâm Chấn thương chỉnh hình Thành phố Hồ Chí Minh) Việc ứng dụng rộng rãi trợ giúp từ xa qua Telemedicine ở Việt Nam còn hầu như chưa được ứng dụng, trong khi đó các nước đã và đang ứng dụng tương đối rộng rãi kỹ thuật n y nhất là các nước phát triển 1.2.2 Ứng dụng chuẩn lưu trữ hình ảnh trong hệ thống thơng tin y tế... bị y khoa (Modality) hỗ trợ DICOM: Angioscopy (AS), Computed Radiography (CR), Computed Tomography (CT), Radiographic Imaging (RG), Radiotherapy Dose (RD), Hard Copy (HC), X-ray Angiography (XA), Elictrocardiograms (ECG),…[16] Vai trò của DICOM được thể hiện trong hệ thống lưu trữ và truyền hình ảnh trong y tế (PACS) DICOM thích ứng trong nhiệm vụ là giao diện của nhiều loại thiết bị khác nhau Trong. .. dần ra đời Vì v y, các m y y tế ng y nay có gắn thiết bị tin học thì đã sẵn sàng đưa ra các tín hiệu thơng qua các D-Shell chuẩn như COM, LPT hoặc cổng USB Tuy nhiên, phần tín hiệu đưa ra các cổng n y tuỳ nhà cung cấp trang bị phần mềm khi người sử dụng u cầu Hệ thống lưu trữ và truyền hình ảnh PACS (Picture Archiving and Communication System) là hệ thống lưu trữ, xử lý và truyền ảnh động, hoặc mạng... Communications in Medicine) Chuẩn DICOM đưa ra nhiều cải tiến qua trọng so với 2 phiên bản của chuẩn ACR-NEMA trước Hiện tại việc ứng dụng lưu trữ ảnh theo các chuẩn nhất định ở Việt Nam vẫn chỉ được lưu trữ trên một m y mà khơng có sự giao lưu giữa các m y với nhau, như v y dung lượng lưu trữ khơng cao và khơng có khả năng trợ giúp trong chẩn đốn và khơng thể là dữ liệu dùng chung trong bệnh viện Một số... chun gia giỏi Tại đ y, các chun gia sẽ đưa ra chẩn đốn của mình và kết quả được gửi lại nơi có bệnh nhân Tồn bộ quy trình có thể tiến hành trực tuyến hay khơng trực tuyến, tuy nhiên phải đảm bảo độ trễ về thời gian (nếu có) là có thể chấp nhận được về mặt y học Nếu bệnh viện có nhiều m y chẩn đốn hình ảnh thì trước khi truyền hình ảnh đi, việc tổ chức Hệ thống lưu trữ và truyền hình ảnh tại các bệnh viện... liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 14 Hình 1.5: DICOM trong hệ thống thơng tin y tế Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 15 CHƯƠNG 2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG LƯU TRỮ HÌNH ẢNH Y KHOA 2.1 Chuẩn lưu trữ ảnh DICOM Chuẩn DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) là chuẩn định nghĩa ra các quy tắc định dạng và trao đổi hình ảnh y tế cũng như các thơng tin liên quan, nói cách khác, . hình ảnh (RIS) 5 1.1.3. Hệ thống lưu trữ và truyền hình ảnh (PACS ) 7 1.1.4. Y tế từ xa (Telemedicine) 8 1.2. Chuẩn lưu trữ hình ảnh trong y khoa 11 1.2.1. Khái qt về chuẩn lưu trữ hình ảnh. lưu trữ hình ảnh trong y khoa 11 1.2.2. Ứng dụng chuẩn lưu trữ trong hệ thống thơng tin y tế. 13 CHƯƠNG 2. MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG LƯU TRỮ HÌNH ẢNH Y KHOA 15 2.1. Chuẩn lưu trữ ảnh DICOM 15 2.1.1 do trên và từ u cầu thực tiễn của nơi cơng tác, chúng tơi đã chọn đề tài: Chuẩn lưu trữ ảnh trong y khoa và ứng dụng nhằm tìm hiểu về chuẩn lưu trữ hình ảnh phổ biến trong y khoa, và các hệ