Truyền tin trong DICOM

Với sự ra đời của máy CT (Computer Tomography) vào những năm 70, cũng như việc sử dụng ngày càng nhiều máy tính và thiết bị tạo ảnh số trong công tác y tế, các thiết bị này tạo ra ảnh với các định dạng khác nhau, thì nhu cẫu có một chuẩn chung cho truyền ảnh số và các thông tin có liên quan ngày càng lớn. Trước nhu cầu đó, The American College of Radiology (ACR) và The National Electrical Manufacturers Association (NEMA) đ• thiết lập thành một uỷ ban chung vào năm 1983, để phát triển một Chuẩn nhằm mục đích : - Phát triển trao đổi thông tin hình ảnh số, không quan tâm đến nhà sản xuất thiết bị. - Làm thuận tiện sự hoá sự phát triển và mở rộng của của hệ thống thu nhận và truyền ảnh (PACS), có thể giao tiếp với các thành phần khác trong hệ thống thông tin bệnh viện (RIS). - Cho phép tạo ra các cơ sở dữ liệu chẩn đoán mà có thể được chất vấn bởi một phạm vi lớn các thiết bị phân tán về mặt địa lí. ACR-NEMA Standards Publication No. 300-1985, được công bố năm 1985 là phiên bản 1 (ACR-NEMA Verson 1.0). Phiên bản này tiếp tục được hoàn thiện: No1-tháng 10/1986, No2-tháng 1/1988. ACR-NEMA Standards Publication No. 300-1988, công bố năm 1988 được coi là phiên bản 2 (ACR-NEMA Verson 2.0). Các phiên bản này định rõ kết nối phần cứng, có một bộ tối thiểu các lệnh phần mềm, và một bộ khuôn dạng dữ liệu. Vấn đề kết nối mạng chưa rõ ràng qua hai phiên bản này.

Chơng I Tổng quan DICOM I.1. Giới thiệu Chuẩn DICOM 6 I.1.1. Quá trình hình thành và phát triển .6 I.1.2. Phạm vi và trờng ứng dụng .8 I.1.3. Mục tiêu .9 I.1.4. Xu hớng hiện tại 9 I.2. Các thành phần DICOM 11 I.2.1. Cấu trúc tài liệu: .11 I.2.2. Tổng quan nội dung các phần DICOM 11 I.3. Thích nghi DICOM: .21 I.4. DICOM trong hệ thống thông tin y tế: .23 I.4.1. DICOM với PACS, HIS, RIS: .23 I.4.2. Quan hệ DICOM với các Chuẩn thông tin khác: .24 II.1. Tổng quan: 26 II.2. Định nghĩa thông tin DICOM: .28 II.2.1. Mô hình E-R: .28 II.2.2. Mô hình DICOM Thế giới Thực: 29 II.2.3. Mô hình thông tin DICOM .30 II2.3.1. Thuộc tính 32 II.2.3.2. Dịch vụ truyền tin trực tuyến và lu trữ trung gian 33 II.2.3.3. Nhóm Dịch vụ DIMSE .33 II.2.3.4. Lớp Cặp Đối tợng-Dịch vụ (SOP) .33 II.2.3.5. Thoả thuận Liên kết .34 II.2.3.6. Định nghĩa Lớp Dịch vụ 34 II.2.3.7. Định nghĩa Đối tợng Thông tin 35 II.2.3.7.1. Định nghĩa Đối tợng Thông tin Thờng 35 II.2.3.7.2. Định nghĩa Đối tợng Thông tin Phức .39 II.2.4. Sự mở rộng Mô hình DICOM Thế giới thực 45 II.3. Các lớp dịch vụ DICOM 48 II.3.1. Lớp Dịch vụ Xác minh .50 1 II.3.2. Lớp Dịch vụ Lu trữ 50 II.3.3. Lớp Dịch vụ Chất vấn/Truy vấn 51 II.3.4. Lớp Dịch vụ Thông báo Nội dung Nghiên cứu .54 II.3.5. Lớp Dịch vụ Quản lí Bệnh nhân 54 II.3.6. Lớp Dịch vụ Quản lí Nghiên cứu .55 II.3.7. Lớp Dịch vụ Quản lí Kết quả .56 II.3.8. Lớp Dịch vụ Quản lí In 57 II.3.9. Lớp Dịch vụ Lu trữ Trung gian .58 II.3.10. Lớp Dịch vụ Giao Lu trữ 59 II.3.11. Lớp Dịch vụ Quản lí Danh sách Công việc Căn bản 60 II.3.12. Lớp Dịch vụ Quản lí Hàng đợi .61 II.3.13 Lớp SOP Lu trữ Trạng thái Hiển thị Softcopy Mức Xám 61 III.1. Mã hoá giá trị 64 III.1.1. Các Bộ Kí tự .64 III.1.2. Giá trị Thể hiện VR .65 III.2. Bộ Dữ liệu .68 III.2.1. Khái niệm .68 III.2.2. Thành phần Dữ liệu 68 III.2.3. Thứ tự byte kiểu Little Endian và Big Edian 71 III.2.4. Các loại thành phần dữ liệu 72 III.2.5. Cách sắp xếp các Bộ Dữ liệu .73 III.2.6. Thành phần Dữ liệu Riêng .76 III.3. Mã hoá dữ liệu Điểm ảnh, Overlay, và Dạng sóng .76 III.3.1. Dữ liệu Điểm ảnh, Overlay, và các Thành phần dữ liệu liên quan .76 III.3.1.1. Mã hoá dữ liệu Điểm ảnh 76 III.3.1.2. Mã hoá Dữ liệu Overlay .78 III.3.2. Mã hoá dạng nguyên gốc và nén .79 III.3.3. Dữ liệu Dạng sóng .80 III.4. Định danh Duy nhất (UID) .80 III.4.1. Khái niệm UID .80 2 III.4.2. UID do DICOM định nghĩa .80 III.4.3. UID định nghĩa riêng 81 III.5. Cú pháp Chuyển đổi .81 IV.1. Mô hình tổng quát truyền tin DICOM 82 IV.2. Trao đổi thông tin thông qua mạng vật lý .83 IV.2.1. DICOM và Mô hình tham chiếu cơ bản OSI .83 IV.2.2 Cấu trúc Tầng ứng dụng DICOM .84 IV.2.3. Cấu trúc bản tin DICOM 85 IV2.3.1. Bộ Lệnh .86 IV.2.3.2. Thành phần Lệnh 86 IV.2.4. Dịch vụ DICOM 87 IV.2.4.1. Các loại dịch vụ 88 IV.2.4.2. Tơng tác DIMSE-service-user .88 IV.2.4.3. Chế độ dịch vụ 89 IV.2.3.4. Các dịch vụ Liên kết .89 IV.2.3.5. Các dịch vụ DIMSE 90 IV.2.3.5.1. Dịch vụ DIMSE-C .90 IV.2.3.5.2. Các dịch vụ DIMSE-N 91 IV.3. Trao đổi thông tin thông qua phơng tiện trung gian 92 IV.3.1. Mô hình Lu trữ Trung gian DICOM 92 IV.3.1.1. Lớp Trung gian Vật Lí .92 IV.3.1.2. Lớp Khuôn dạng Trung gian .93 IV.3.1.3. Lớp Khuôn dạng Dữ liệu DICOM .93 IV.3.2. Khuôn dạng file DICOM .94 a. Thông tin Đầu File DICOM .95 b. Bộ Dữ liệu 95 c. Hỗ trợ Thông tin Quản lí File .95 d. Khuôn dạng File DICOM An toàn .96 IV.3.3. Các Dịch vụ File DICOM .96 IV.3.3.1. Bộ File .96 IV.3.3.2. Các Chỉ số File 97 IV.2.3.3. Các Dịch vụ và Chức năng Quản lí File 97 3 IV.2.3.4. Truy nhËp Néi dung File .98 IV.3.3.5. Bé KÝ tù 98 IV.3.3.6. ChØ sè File DICOMDIR 98 4 Ch¬ng I Tæng quan vÒ ChuÈn DICOM 5 I.1. Giới thiệu Chuẩn DICOM DICOM (The Digital Image and Communication in Medicine) là Chuẩn định ra các qui tắc định dạng và trao đổi hình ảnh y tế cũng nh các thông tin liên quan. Hình ảnh y tế thu nhận từ các thiết bị khác nhau nh máy CT, cộng hởng từ, siêu âm, y học hạt nhân Nó tạo lên một ngôn ngữ chung cho phép giao tiếp hình ảnh và các thông tin y tế liên quan giữa các ứng dụng hay hệ thống khác nhau. I.1.1. Quá trình hình thành và phát triển Các Phiên bản trớc DICOM Với sự ra đời của máy CT (Computer Tomography) vào những năm 70, cũng nh việc sử dụng ngày càng nhiều máy tính và thiết bị tạo ảnh số trong công tác y tế, các thiết bị này tạo ra ảnh với các định dạng khác nhau, thì nhu cẫu có một chuẩn chung cho truyền ảnh số và các thông tin có liên quan ngày càng lớn. Trớc nhu cầu đó, The American College of Radiology (ACR) và The National Electrical Manufacturers Association (NEMA) đã thiết lập thành một uỷ ban chung vào năm 1983, để phát triển một Chuẩn nhằm mục đích : - Phát triển trao đổi thông tin hình ảnh số, không quan tâm đến nhà sản xuất thiết bị. - Làm thuận tiện sự hoá sự phát triển và mở rộng của của hệ thống thu nhận và truyền ảnh (PACS), có thể giao tiếp với các thành phần khác trong hệ thống thông tin bệnh viện (RIS). - Cho phép tạo ra các cơ sở dữ liệu chẩn đoán mà có thể đợc chất vấn bởi một phạm vi lớn các thiết bị phân tán về mặt địa lí. ACR-NEMA Standards Publication No. 300-1985, đợc công bố năm 1985 là phiên bản 1 (ACR-NEMA Verson 1.0). Phiên bản này tiếp tục đợc hoàn thiện: No1- tháng 10/1986, No2-tháng 1/1988. ACR-NEMA Standards Publication No. 300-1988, công bố năm 1988 đợc coi là phiên bản 2 (ACR-NEMA Verson 2.0). Các phiên bản này định rõ kết nối phần cứng, có một bộ tối thiểu các lệnh phần mềm, và một bộ khuôn dạng dữ liệu. Vấn đề kết nối mạng cha rõ ràng qua hai phiên bản này. Nhu cầu cho sự ra đời của DICOM 6 Vấn đề nảy sinh vào năm 1988 khi nhiều ngời sử dụng thấy nhu cầu của việc giao diện giữa các thiết bị hình ảnh và mạng. Mặc dầu điều này vẫn có thể thực hiện đợc với Version 2.0, nhng Chuẩn vẫn thiếu các phần cần thiết cho giao tiếp mạng mạnh mẽ. Do ACR-NEMA Verson 2.0 không đợc thiết kế để kết nối trực tiếp thiết bị hình ảnh với mạng, giải quyết vấn đề này đòi hỏi phải có thay đổi lớn của chuẩn. Uỷ ban chung sớm nhận thấy rằng một phiên bản mới phải đợc ra đời và phiên bản sau đòi hỏi phải duy trì tính tơng thích với các phiên bản trớc. Chuẩn DICOM DICOM (Verson 3.0) ra đời có những u điểm hơn hẳn các phiên bản trớc. Thể hiện ở chỗ: a. Khả dụng với môi trờng mạng. Các phiên bản trớc chỉ thích nghi với môi trờng truyền điểm-tới-điểm (point-to-point). Để có thể hoạt động trong môi trờng mạng cần có Khối Giao diện Mạng NIU (Network Interface Unit). DICOM 3.0 hỗ trợ hoạt động trong môi trờng mạng sử dụng giao thức mạng chuẩn công nghiệp nh OSI và TCP/IP. b. Khả dụng với môi trờng trung gian ngoại tuyến (off-line). Các phiên bản trớc không định ra khuôn dạng file DICOM. DICOM hỗ trợ hoạt động trong môi trờng ngoại tuyến sử dụng các trung gian theo chuẩn công nghiệp nh CD-R và MOD, hệ thống file logic nh ISO 9660 và Hệ thống File PC (FAT 16). c. Định rõ sự tác động của việc thiết bị tuân theo chuẩn đối với việc trao đổi các Lệnh (command) và Dữ liệu (data). Các phiên bản trớc bị hạn chế trong truyền dữ liệu, nhng DICOM 3.0, thông qua khái niệm Lớp dịch vụ (Service Class), đã định ra ngữ nghĩa (sematic) của các Lệnh và các Dữ liệu liên quan. d. Định rõ mức thích nghi. Các phiên bản trớc chỉ định rõ mức tuân thủ thấp nhất. Phiên bản DICOM 3.0 qui định rõ ràng đối tợng thực hiện (implementor) phải cấu trúc một Bản Báo cáo Thích nghi (Comformance Statement) lựa chọn cụ thể các mục đáp ứng nh thế nào. e. Đợc cấu trúc là một tài liệu đa thành phần. Do đó tạo thuận lợi cho sự phát triển của Chuẩn trong môi trờng phát triển nhanh chóng bằng việc thêm vào các đặc tính mới. DICOM đợc thiết kế dạng tài liệu đa phần tuân theo cách thức của ISO. f. Đa ra các Đối tợng thông tin (Information Object) một cách rõ ràng không chỉ hình ảnh và đồ hoạ mà còn cả báo cáo, in ấn 7 g. Định rõ cách xác định duy nhất Đối tợng Thông tin (Information Object). Điều này tạo thuận lợi khi sử dụng các khái niệm trừu tợng trong quan hệ của các Đối tợng Thông tin hoạt động trong mạng. I.1.2. Phạm vi và trờng ứng dụng Chuẩn DICOM gắn với lĩnh vực thông tin y tế. Với lĩnh vực này, nó định ra sự trao đổi thông tin số giữa các thiết bị hình ảnh và các hệ thống khác. Do các thiết bị hình ảnh đó có thể hoạt động tơng tác (interoperate) với các thiết bị y tế khác, phạm vi của Chuẩn cần thiết phải chồng lên các khu vực khác trong hệ thống thông tin y tế. Hình I.1.3: Phạm vi ứng dụng của DICOM Chuẩn tăng cờng khả năng hoạt động tơng tác của các thiết bị hình ảnh y tế bằng cách định ra: - Với truyền tin qua mạng, một bộ Giao thức (protocol) đợc tuân theo bởi các thiết bị tuân theo chuẩn. - Cú pháp (syntax) và Ngữ nghĩa (semantic) của Lệnh (command) và các thông tin liên quan đợc trao đổi sử dụng các Giao thức. - Với truyền tin bằng phơng tiện trung gian, đa ra một bộ các dịch vụ lu trữ trung gian, cũng nh Khuôn dạng File và cấu trúc th mục y tế - Thông tin sử dụng trong ứng dụng cũng đợc đòi hỏi tuân theo Chuẩn. Chuẩn không qui định: - Các chi tiết thực thi với mọi đặc tính của Chuẩn trên một thiết bị. 8 Phạm vi của DICOM Dữ liệu thí nghiệm Hành chính HIS/RIS Hình ảnh chẩn đoán Theo dõi Bệnh nhân - Bộ tổng thể các đặc tính và chức năng đợc yêu cầu từ một hệ thống tạo bởi một nhóm các thiết bị tuân theo Chuẩn. - Một thủ tục Kiểm tra/Thông qua để đánh giá mức độ thích nghi Chuẩn. I.1.3. Mục tiêu Chuẩn DICOM tạo thuận lợi cho khả năng hoạt động tơng tác (interoperability) của các thiết bị thích nghi. Cụ thể là: - Định ra ngữ nghĩa của Lệnh và các Dữ liệu liên quan. - Định ra ngữ nghĩa của dịch vụ file, khuôn dạng file và các th mục thông tin cần thiết cho truyền tin ngoại tuyến. - Định rõ yêu cầu thích nghi của trong thực hiện Chuẩn. Cụ thể, một Bản Báo cáo Thích nghi phải định ra đầy đủ thông tin để xác định các chức năng, nhờ đó có thể phối hợp hoạt động một thiết bị tuân theo Chuẩn khác. - Tạo thuận lợi cho hoạt động trong môi trờng mạng. - Đợc cấu trúc thuận lợi cho việc đa vào các dịch vụ mới, vì thế tạo thuận lợi hỗ trợ các ứng dụng hình ảnh y tế trong tơng lai. - Sử dụng các chuẩn quốc tế hiện tại khả dụng. Mặc dầu DICOM mang lại nhiều u điểm trong thực hiện hệ thống PACS, tuy nhiên, sử dụng DICOM một mình không thể đảm bảo chắc chắn mọi mục tiêu của PACS có thể đạt đợc. Chuẩn DICOM chỉ tạo điều kiện cho khả năng phối hợp hoạt động của hệ thống trong một môi trờng nhiều thiết bị, chứ bản thân nó không thể đảm bảo chắc chắn khả năng phối hợp hoạt động. Chuẩn đợc xây dựng chú trọng vào việc thu nhận hình ảnh chẩn đoán trong chụp quang tuyến, tim mạch và thành phần liên quan. Tuy nhiên, nó cũng đợc ứng dụng trong rộng rãi trong đổi hình ảnh và các thông tin không phải hình ảnh liên quan khác, và cả với môi trờng y tế khác. I.1.4. Xu hớng hiện tại DICOM là một chuẩn mở và nó tồn tại thông qua các Thủ tục của Uỷ ban Chuẩn DICOM. Các kế hoạch phát triển sắp tới từ các tổ chức thành viên của Chuẩn dựa trên phản hồi từ phía ngời sử dụng Chuẩn. Các kế hoạch này sẽ đợc đa vào Chuẩn ở các phiên bản tiếp theo. Mặt khác, việc cập nhật cần đợc tiến hành để duy trì tính tơng thích với các phiên bản trớc. 9 Hình I.2.5: Mô hình truyền tin cơ sở DICOM 10 Thực thể ứng dụng Phân giới Dịch vụ File Căn bản DICOM ứng dụng Thông tin Y tế Định nghĩa Lớp Dịch vụ Định nghĩa Đối tượng Thông tin M hoá và cấu trúc Bộ Dữ liệu- Từ điển Dữ liệuã Trao đổi Bản tin Khuôn dạng File Tầng Trên DICOM Tầng Bảo Mật (Tuỳ chọn) Tầng Bảo Mật (Tuỳ chọn) Tầng Chuyển vận TCP/IP Trung gian Vật lý và Khuôn dạng File Trung gian Trao đổi Mạng -Truyền tin Trực tuyến Trao đổi Lưu trữ Trung gian -Truyền tin Ngoại tuyến Phân giới Dịch vụ Tầng trên DICOM