MEDYCZNE SYSTEMY INFORMACYJNE

Transkrypt

1 CENTRA RADIOLOGII CYFROWEJ DIAGNOZA Z EKRANU Materiały KWOD, A.Przelaskowski Systemy informacyjne Radiologia cyfrowa czy analogowa? Elementy systemów radiografii cyfrowej Przykłady, zadania Inna radiologia, czyli TRIP Trendy współczesne Środowisko w pełni cyfrowe Włączenie wszystkich oddziałów w sieć wewnętrzną (integracja) - HIS (szpitalny system informacyjny) Dostęp sieciowy, internet Teleradiologia HIS,RIS,PACS,DICOM,HL-7,TELERADIOLOGIA,IHE MEDYCZNE SYSTEMY INFORMACYJNE

2 CENTRA, SIEĆ OPIEKI ZDROWOTNEJ Przykład systemy do teleradiologii MEDYCZNE (ZINTEGROWANE) ŚRODOWISKA INFORMACYJNE: PACS, RIS, CAD, Telediagnostyka, LIS,, HIS, rozliczenia, statystyka i nadzór, standardy DICOM, HL-7 HIS (Hospital Information System) szpitalny system informacyjny Integracja medycznych systemów informacyjnych HIS RIS PACS

3 HIS Warstwowa struktura HIS Definicja uproszczona (dawna): Komputerowe aplikacje wykorzystywane przez wszystkie oddziały szpitalne (w tym wyspecjalizowane) lub też definicja ideowa (docelowa): Zintegrowany, komputerowy system obiegu informacji (obsługi informatycznej) szpitala Cechy: Otwartość, modułowość, sprzęganie, złożoność, standaryzacja, regulowany dostęp, niezawodność, prostota obsługi Obejmuje: Rejestracja, nadzór ruchu pacjentów, zlecenia, leki, wyniki badań (laboratoria, radiologia, telemetria, intensywny nadzór), opisy i zalecenia, raportowanie, statystki, kosztorysy itp. Opieka domowa Opieka medyczna MAGISTRALA (SIEĆ, PRZEPŁYW INFORMACJI) Autoryzacja Plan badań Rekordy (dane) ZASTOSOWANIA Pielęgnacja Administracja Zarządzenie Służby pomocnicze WARSTWA POŚREDNIA Pacjenci (lista) WARSTWA PODSTAWOWA obrazy biosygnały dane liczbowe, teksty Zabezpieczenie medyczne Wiedza Źródła Programy, projekty strony web przykład RIS (Radiology Information System) radiologiczny system informacyjny RIS (Radiology Information System) radiologiczny system informacyjny Cel: obsługa informatyczna procedur (zadań) wykonywanych w ramach diagnostyki obrazowej w zakresie danych tekstowych: dane pacjenta zlecenia terminy wykonanie badania opisy zużyty materiał, obsługa magazynu raporty statystyka, rozliczenia Założenie: współpraca ze źródłem danych obrazowych (PACS), siecią stacji diagnostycznych oraz systemem nadrzędnym (HIS) (terminarz,

4 HL7 (Health Level 7) Przykład z HL7 Norma definiująca sposób wymiany danych (informacji) tekstowych w medycznych środowiskach informacyjnych (informatycznych) Bazuje na warstwie aplikacyjnej (warstwa 7) modelu OSI (Open Systems Interconnect) opracowanego przez ISO wymiana informacji za pomocą transakcji (bloków danych) złożonych z segmentów (tj. pól, elementów pól, podelementów pól) najważniejsze segmenty: początek-aplikacja wysyłająca i odbierająca (MSH), nagłówek transakcji (MSG), dane pacjenta (PID), dane z pobytu w szpitalu (PV1), treść zlecenia (ORC), dane zlecenia (OBR), wyniki badań (OBX), potwierdzenie odbioru (MSA), uwagi i komentarze (NTE) kodowanie znaków w ASCII, wykorzystanie kodów narodowych wymiana poprzez zdarzenia (przesłanie) i potwierdzenia odbioru segment początkowy Interface HL7 pomiędzy szpitalnym systemem informatycznym (HIS) a specjalizowanym modułem diagnostycznym Ver. 1.2, Dokument opracowany w ramach projektu HL7PL, Segmenty HL7 Przykłady transakcji HL7 segmenty danych pacjenta, danych ze szpitala, ubezpieczenia

5 PACS (picture archiving and communication systems) system archiwizacji i transmisji obrazów I generacja: źródło transmisja (sieć) archiwum (serwer) stacja diagnostyczna II generacja: większa standaryzacja oraz zarządzanie (DICOM) III generacja: wykorzystanie metod CAD, kontroli jakości obrazowania i wymiany danych, przeszukiwanie bazy obrazowej po zawartości Cel: obsługa informatyczna procedur (zadań) wykonywanych w ramach diagnostyki obrazowej w zakresie danych obrazowych Elementy (systemy obrazowania, monitory, serwery zapasowe, archiwa - magazyny danych, drukarki, skanery, czytniki) DICOM Archiwum (baza danych, formaty, serwer) Komunikacja (protokoły, serwer, konwertery) Integracja PACS w medycznych systemach informacyjnych (serwer) grupa usług składowanie zarządzanie wyszukiwanie żądania SOP (para usługaobiekt) potwierdzenia klasa usług obiekty SOP (para usługaobiekt) jednostki moduły atrybuty informacyjne. SOP serviceobject pair DiCOM nieco szczegółów Badanie CT DICOM Conformance Statements PACS/DX ScanStation and DVCStation with NetSend ViewStation (Stand Alone) PACS/DX Image Server PACS/DX TeleRouter ViewStation with NetSend jednostki informacyjne

6 Informacje w DICOM jednostki, moduły, atrybuty Structured Reporting Information Model Patient 1 is the subject of 1,n Study 1 contains 1,n spatially 0,n defines Series creates 1,n Frame of Reference Equipment contains 0,n SR Document 0,n Presentation State Stored Print 0,1 Curve 0,n 0,n VOI LUT Modality LUT 0,1 0,n 0,n Overlay Image DICOM Services: DICOM Media Specifications Modality Worklist Management Information System DICOM Application Entity MR Storage Storage Commit Query/Retrieve Print part 10 part 11 Basic Dir. Service / Object Pairs DICOM File Format Media Formats: e.g. File data structures Performed Procedure Step Verification part 12 Physical Media: e.g. CD-R; 90 mm MOD, etc.

7 Reprezentacja DICOM PACS - przykład DICOM SOP Instance DICOM SOP Instance DCM DICOM DCM DICOM File Meta Info Data Set File Meta Info Data Set FILE SET Przykład: mini-pacs Telemedycyna LOCALNE CENTRUM SZPITAL GŁÓWNY telekonsultacja sieć Magazyn DICOM PACS

8 Systemy telemedyczne Systemy telemedyczne teleradiologia telekonsultacja telediagnoza telemedycyna internetowa telemedycyna bezprzewodowa Radiolog-ekspert czuwa IHE (Integrating the Healthcare Enterprise) Początki w 1998 roku, obecnie wiele podmiotów z Europy, Azji i Ameryki Liczni producenci współprojektantami! Cel: pełna integracja medycznych środowisk informacyjnych Wspólny język integracji systemów Na bazie DICOM i HL7 Zdefiniowano profile integracyjne: Sekwencji usług Aktualizacji danych pacjenta Spójnej prezentacji obrazu Prezentacji zgrupowanych procedur Obrazów kluczowych Dostępu do informacji radiologicznych Obrazów podstawowych i raportów numerycznych Przepływu procedur zaawansowanego przetwarzania (CAD-PACS) Rozliczania Bezpieczeństwa

9 IHE POJĘCIA, ZALETY CYFRY, FILOZOFIA PRACY RADIOLOGIA CYFROWA WYBRANE ELEMENTY SYSTEMÓW RADIOLOGII CYFROWEJ (RC) PODSTAWOWE DEFINICJE klisze są już niepotrzebne cyfrowa interpretacja biometryczne zabezpieczenia Radiologia dziedzina medycyny zajmująca się wykorzystaniem różnorodnych technik (systemów) obrazowania w celach diagnostycznych i leczniczych Radiologia cyfrowa zastosowanie technik cyfrowych i komputerowych w systemach obrazowania medycznego Radiografia cyfrowa zastosowanie technik cyfrowych i komputerowych do prześwietleniowych badań rentgenowskich Centrum radiologii cyfrowej zintegrowane środowisko akwizycji, gromadzenia, wymiany, wizualizacji, przeszukiwania, opisu badań obrazowych z komputerowym wspomaganiem diagnostyki Klucz do radiologii cyfrowej: radiografia cyfrowa

10 CYFROWE DANE OBRAZOWE - konieczność Dawno, dawno temu Radiografia obejmuje blisko 70% medycznych badań obrazowych CYFROWO CZY ANALOGOWO? PORÓWNANIE Detekcja guzka Dr. Martin Yaffe, Imaging Research Program, Sunnybrook & Women's College Health Sciences Centre, Toronto, Canada cyfrowy analogowy

11 MOŻLIWOŚĆ RADIOGRAFII CYFROWEJ WIĘKSZA DYNAMIKA dane z akwizycji poprawiony kontrast wyostrzone krawędzie Film za duŝa ekspozycja RC kości palca (fantom) za mała ekspozycja RADIOGRAFIA ANALOGOWA (ograniczenia) Ograniczenia radiografii analogowej Jedna kopia obrazu Ograniczony dostęp Ręczna dystrybucja Możliwość utraty badania Trudności w śledzeniu (pełnym wykorzystaniu) rezultatów badania Trudność z zestawieniem pełnych wyników badań Problem z gromadzeniem (wymaga dużo miejsca, ręczne przeszukiwanie) Ograniczona interakcja podczas badania obrazowego Problemy z kontrolą jakości procesu akwizycji Wymagania dotyczące sposobu i czasu przetwarzania ( brudna chemia, obróbka ręczna) Dodatkowe wymagania dot. pomieszczeń, zabezpieczeń Ograniczone możliwości komputerowego wspomagania.

12 RADIOGRAFIA CYFROWA (zalety) Scentralizowane gromadzenie i udostępnianie danych Szybszy, wydajniejszy dostęp do danych, wymiana danych Bogate formy interakcji na różnym poziomie wykorzystania obrazów Elastyczny sposób wizualizacji badań Komputerowe wspomaganie, teleradiologia Obniżenie kosztów eksploatacyjnych (za to sprzęt droższy 5 razy) Łatwość zestawień wyników badań, porównań, indeksowania Zintegrowana opieka nad pacjentem (przepływ danych) Wygoda pracy radiologów oraz większy komfort dla pacjentów Skuteczniejsza kontrola jakości, wyższa jakość opieki medycznej Obiektywizacja interpretacji, standaryzacja procedur Edukacja, zestawy przykładowych badań, referencyjnych opisów Generalnie poprawa efektywności diagnostycznej Redukcja dawki pochłoniętej podczas badania Krótki czas badania (średnio 35% czasu badania tradycyjnego) Praca w centrum radiologii cyfrowej Rejestracja, zlecenie badania Przygotowania pacjenta do badania Wykonanie badania, kontrola jakości akceptacja, archiwizacja Wizualizacja, analiza, protokół, interpretacja wstępna Poprawa jakości, komputerowe wspomaganie, konsultacja, interpretacja finalna Raport końcowy Praca według schematu: system obrazujący (pacjent) stacja technika (kontrola jakości) środowisko informacyjne (archiwum) stacja diagnostyczna (radiolog) raport końcowy (diagnoza) stacja przeglądowa (klinicysta) Procedura wstępna Przygotowanie do badania obrazowego rejestracja pacjenta w HIS/RIS początek badania (ustalenie warunków akwizycji) wybór pacjenta z listy pozycjonowanie pacjenta

13 Obrazowanie (akwizycja) szybki podgląd Zakończenie badania zatwierdzenie badania, wprowadzenie danych do systemu (PACS, RIS), powrót do listy pacjentów kolejne badanie transmisja (DICOM) PACS/RIS weryfikacja obrazu (pozycja, artefakty, ustalenie warunków prezentacji) archiwizacja urządzenie obrazujące drukowanie (DICOM) Drukarka Analiza badań, diagnostyka (stacja diagnostyczna, telekonsultacja) Analiza obrazów, poprawa percepcji, CAD Raport wstępny Wizualizacja

14 Dostęp, przeglądanie, selekcja informacji, raportowanie Narzędzie - kliniczna stacja przeglądowa HIS, konsultacje, decyzje terapeutyczne (klinicysta) przykładowe narzędzia kompleksowa informacja, personalizacja funkcji, wprowadzanie/wyświetlanie różnego typu danych RADIOGRAFIA CYFROWA szczegóły akwizycji Akwizycja cyfrowa macierz obrazu Wyświetlanie Ekspozycja prom. X przetwarzanie cyfrowe AKWIZYCJA, DETEKTORY SKANERY, CR, CCD, CYFROWE, URZĄDZENIA, MONITORY, MAMMOGRAF, NOWE MOZLIWOŚCI OBRAZOWANIA RADIOGRAFIA CYFROWA gromadzenie ładunku w strukturze dyskretnej konwerter: X elektrony szybkie badanie, mniejsze dawki elastyczność akwizycji i wyświetlania cyfrowe gromadzenie i przeglądanie dystrybucja wielu dokładnych kopii ilościowa ocena danych\konsultacje Archiwizacja

15 WYMAGANIA stawiane detektorom cyfrowym (zastępującym klisze) Skanery mikrozwapnienie µm parametr radiografia ogólna mammografia rozmiar obrazu 40x40cm 18x24cm rozmiar piksela ~150µm µm typowa liczba fotonów/piksel ~1000 ~5000 dawka 2.5 µgy 100 µgy zakres energii keV ~20keV dynamika 12bitów 12bitów czas ekspozycji/odczytu 0.5/1s 1/5s potrzeba 25 µm analogowo rozdzielczość: pl/mm, ale gorszy kontrast CAD do mammografii ze skanerem (ImageChecker) Computed Radiography (CR), czyli wykorzystanie płyt obrazowych zamiast kliszy edge protection struktura płyty (PSP -photostimulable storage phosphor) Surface layer 10µ Phosphor layer 250µ Anti reflection layer 10µ White pet layer 330µ Glue 10µ Yellow PET 100µ

16 Ekspozycja i odczyt płyt fosforowych Nieliniowa charakterystyka S/F stymulacja laserem prom. X pułapki elektronowe Ekspozycja pułapki elektronowe Odczyt Intensywność 1,0 0,5 emisja stymulacja 0,0 blue red λ Fosfor (3 rodzaje): BaFI:Eu 2+, BaFCl:Eu 2+, BaFBr:Eu 2+ Elementy systemu CR Korekcja tła w CR stacja technika Problemy z czyszczeniem kaset czytniki wielokasetowe czytnik laserowy (87 µm, 12 bitów, 55x69 cm) czytnik przenośny (50 µm) czytnik (85 µm) Zróżnicowanie cieni (tła) w odczytach CR

17 DETEKTORY CYFROWE detektor CsI-CCD CsI CCD (macierze) CsI TFD am-si TFT dielektryczne elektrody Se am-si TFT CsI - CCD pośredni: CsI TFT (TFD) bezpośredni: amorficzny Si - TFT igłowa struktura CsI (grubość µm, duża powierzchnia 43x43cm, absorpcja fotonów X na poziomie 80% przy 60keV) Charged Coupled Device (CCD) problem: rozdzielczość 2pl/mm (piksel 200µm) przy 40% spadku MTF 1000 ładunków (60keV) ładunków (60keV) 17 milionów pikseli 9 µm DETEKTOR Z CCD CsI TFT (TFD) lampa rentgenowska obiekt lampa rentgenowska Flat Panel Detector (FPD) TFT thin-film transistor detektor scyntylator wzmacniacz obrazu detektor CCD scyntylator wzmacniacze CMOS am-si linie adresowe obiektyw CCD przetwornik A/C szkło obiektyw

18 amorficzny Se TFT (detektor FPD) Bezpośrednia i pośrednia detekcja elektroda czytanie danych Se aktywna matryca TFT elektroda zbierająca piksela Ewolucja systemów radiografii cyfrowej Przykładowe detektory (FPD) mammografia radiografia ogólna, badanie serca angiografia

19 Przykładowe badania z detektorami FPD Możliwości powiększania i wzmacniania Poprawa kontrastu w FPD Porównanie jakości obrazowania

20 Który lepszy? PORÓWNANIE SYSTEMÓW CYFROWYCH bezpośrednia detekcja z a-se FSM Atrybut CR DR CCD elastyczne pozycjonowanie **** * * wymienialność z kliszą **** ** * DQE(detective quantum efficiency)/ dawka ** *** * wydajność/liczba pacjentów * *** ** integracja wewnętrzna systemu ** **** **** integracja z PACS ** **** **** koszty (względem wydajności) *** ** *** zaawansowanie technologiczne * *** ** kontrola jakości * ** ** Zestawienie zdolności rozdzielczych i wydajności detekcji Poszukiwanie nowych materiałów (fotoprzewodników) a-se kryształy film 50-70% 50-80% 95% Liczba atomowa Gęstość Przerwa energetyczna [ev] Energia potrzebna do gen. pary ładunków [ev] Temperatura przetwarzania [ o C] CdTe Modulation Transfer Function (MTF) 2 SNRwyj Detective Quantum Efficiency (DQE): DQE = 2 SNRwej SHARP

21 Rozwiązania rynkowe RADIOGRAF CYFROWY RADIOGRAF CYFROWY Badanie płuc

22 Badania neurologiczne Inne badania badania brzuszne badania struktur kostnych MAMMOGRAFIA CYFROWA MAMMOGRAF CYFROWY Wcześniejsza detekcja raka (u kobiet poniżej 50) Mniej błędów w diagnozie Mniejsza dawka (od 20% do 80%) Znacząco krótszy czas badań (kilka sekund vs kilkanaście minut) Zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych Nowe metody obrazowania badania przestrzenne Digital Mammographic Imaging Screening Trial (DMIST) Rozmiar piksela Wymiary obrazu 100 µm 50 µm 40 µm pojedynczy obraz obciążenie roczne 18x24 cm 8.6 MB 34.6 MB 54.0 MB 24x30 cm 14.4 MB 57.6 MB 90.0 MB 18x24 cm 0.6 TB 2.5 TB 3.9 TB 24x30 cm 1.0 TB 4.2 TB 6.5 TB Detektor cyfrowy Film

23 Składany detektor CMOS (pośrednia konwersja z CsI) MONITORY pole 10x10cm dynamika 14 bitów piksel 48µm wymienny z kasetami FSM wydajniejszy niż CR, tańszy i poręczniejszy niż a-se, a-si, CCD MONITORY JAKOŚĆ MONITORA CRT LCD

24 Kontrola warunków prezentacji (kontrast) Kontrast niezależny od urządzenia (DICOM) guz widoczny lub niewidoczny Stacja robocza Archiwa, serwery, łącza

25 Personalny asystent cyfrowy Cyfrowe aparaty fotograficzne Canon PowerShot600 CCD 832 x 608 pikseli 24-bitowa rozdzielczość koloru Plik 150 kb file size Dwa zdjęcia radiogramu: globalne i ROI Wykorzystanie: edukacja, prezentacje, telekonsultacje, obrazowanie kości, archiwum podręczne Radiogramy z aparatu Ocena jakości oryginał na kliszy zdjęcia

26 Zastosowanie: sieć telemedyczna (Arizona Telemedicine Program) Nowe możliwości obrazowania z detektorami cyfrowymi Możliwość konsultacji z wysokiej klasy specjalistą Szybciej Tuba City Kingman Ganado Cottonwood Springerville Payson DOC - Phoenix DOC - Buckeye Whiteriver DOC - Yuma DOC - Florence AHSC Hub Telemedycyna Telepatologia Teleradiologia Obrazowanie z kontrastem Obrazowanie dwu-energetyczne Tomosynteza (stereoskopia) inne AHSC Tucson VA Kino Patagonia Nogales Douglas DOC - Douglas Przetwarzanie cyfrowe MAMMOGRAFIA Z POPRAWĄ KONTRASTU (algorytm) 1) Akwizycja sekwencji obrazów; kontrast jodowy wprowadzany jest dożylnie pomiędzy akwizycją 1 i 2 obrazu 2) Korekcja ewentualnych ruchów pacjentki (białe punkty na obrazach)

27 MAMMOGRAFIA Z POPRAWĄ KONTRASTU (algorytm) MAMMOGRAFIA Z POPRAWĄ KONTRASTU (wyniki) 3) Logarytmiczne odejmowanie obrazów średnia jasność zmiany i tła czas Problem: przemieszczenia struktur 4) Analiza morfologii i kinetyki zmian patologicznych obraz odniesienia (t=0) obrazy w chwilach (1,3,5,7) Wykorzystanie kontrastu Obrazowanie radiograficzne z dwoma energiami uwydatnienie masy na obrazie subtrakcyjnym obraz niskiej energii kości Curtesy of John M. Lewin, University of Colorado, Denver obraz wysokiej energii tkanka miękka

28 Korekcja rozproszeń Możliwości technik cyfrowych tkanka miękka tkanka gęsta Tomosynteza Tomosynteza (steroskopia) Prezentacja cine Przełączanie 2D-3D 1 mm warstwy Detektor małej dawki, szybki Seria obrazów do 1º tomosynteza, uzyskuje się kilka warstw stereoskopia

29 Tomosynteza: dokładniej proces akwizycji Akwizycja i rekonstrukcja T. Wu, J. Zhang i inni, Digital tomosynthesis mammography using a parallel maximum likelihood reconstruction method, Proc SPIE vol , 2004 Tomosynteza 16% wzrost czułości detekcji zmian 85% mniej decyzji fałszywych dawka niewiększa niż w badaniu standardowym łagodniejsza kompresja piersi szybsze badanie (jedna pozycja)

30 Redukcja dawki Obrazy kolejnych warstw, 2 metody rekonstrukcji Metody dwuenergetyczne z kontrastem Tomosynteza czyli mammografia 3W W kolejnych chwilach czasowych obrazy różnicowe powstają poprzez ważone odejmowanie obrazów wysoko- i niskoenergetycznych (jest możliwość ekstrakcji jodu lub zróżnicowania tkanki sutka) Nie ma zniekształceń związanych z ruchem pacjenta Nadaje się do zastosowań w tomosyntezie Obrazowanie przestrzenne Badanie równoczesne Mniejsza dawka Rozsądne koszty Technologia cyfrowa Możliwość badań dynamicznych XC Mammo -3T Dual-energy subtraction for contrast-enhanced digital breast tomosynthesis, Ann-Katherine Carton, Karin Lindman, Christer Ullberg, Tom Francke, Andrew D.A. Maidment, Proc. SPIE, 2007 Królik w CT i w technologii XCounter 3D

31 Przykłady systemu tomo Inne metody obróbki cyfrowej 60 µm w 3W 48 obrazów co 2ms Pary stereoskopowe 3W Korekta grubości sutka Normalizacja warunków akwizycji Ekstrakcja tkanki gruczołowej Elasto-mammografia. Inne modalności: wysoka jakość badań MRI Przykładowe badania rezonansem widoczne zmiany rakowe wprowadzenie kontrastu trudny diagnostycznie gęsty sutek: widoczna zmiana w lewej piersi Badanie drogie, zbyt dużo wskazań fałszywych, wykorzystywane do badań diagnostycznych

32 Badanie kontrastowe Kompleksowa stacja diagnostyczna Dużo danych Inicjatywa TRIP (Transforming the Radiological Interpretation Process) The Society for Computer Applications in Radiology Dane z Department of Radiology, Mayo Clinic Jacksonville, FL, USA Lata Liczba obrazów zbieranych i gromadzonych dziennie Konieczny czas pracy radiologów (w obecnym składzie, według obowiązujących procedur) 22,2 godziny/dobę wielka liczba obrazów w badaniach, rośnie liczba badań każdego pacjenta i liczba pacjentów w centrach radiografii cyfrowej nowy paradygmat interpretacji obrazów medycznych z celem poprawy jakości i skuteczności opieki medycznej poprzez: diagnoza - zmniejszenie liczby błędów medycznych (CAD) czas - poprawa efektywności interpretacji licznych zbiorów danych (CAD) dostęp - usprawnienie dostępu i wymiany informacji, oszczędności czasowe (telecad)

33 Futurystyczne miejsce pracy radiologa (stacja diagnostyczna) O. Ratib, D.J. Valentino, M.J. McCoy et al. Computer-aided Design and Modeling of Workstations and Radiology Reading Rooms for the New Millennium Radiographics. 2000;20: