Tìm hiểu về Ảnh dùng trong y tế

Mục lục Chƣơng 1 . ẢNH DÙNG TRONG Y TẾ............................................................................................................ 4 1.1. Giới thiệu về ảnh y tế. ......................................................................................................................... 4 1.2. Các chuẩn lƣu trữ ảnh trong y tế ........................................................................................................ 4 1.2.1. Analysis of Functional NeuroImaging – AFNI .................................................................................. 6 1.2.2.Analyse ............................................................................................................................................. 7 1.3. DICOM ............................................................................................................................................... 8 1.3.2.Chuẩn DICOM ............................................................................................................................... 9 1.3.3. Phạm vi và trƣờng ứng dụng ..................................................................................................... 10 1.3.4. Mục tiêu .................................................................................................................................... 11 1.3.5. Xu hƣớng hiện tại ...................................................................................................................... 12 1.4. File ảnh DICOM ............................................................................................................................ 14 1.5.Giao thức DICOM .............................................................................................................................. 21 1.5.1 Tổng quan về giao thức .............................................................................................................. 21 1.5.2. DICOM Message ........................................................................................................................ 22 1.5.3. Dịch vụ DICOM .......................................................................................................................... 23 1.5.4.Dịch vụ Association .................................................................................................................... 25 1.5.5. Dịch vụ DIMSE ........................................................................................................................... 25 1.6. Giao thức DICOM Upper Layer với TCP/IP ....................................................................................... 28 Chƣơng 2 . MỘT SỐ CHƢƠNG TRÌNH PHẦN MỀM XEM VÀ ĐỌC ẢNH DICOM ........................................ 37 2.1.Analysis of Functional NeuroImaging – AFNI .................................................................................... 37 2.1.1.Chức năng của phần mềm AFNI ............................................................................................... 37 2.1.2. Một số chƣơng trình dòng lệnh ................................................................................................. 38 2.1.3. AFNI Plugins ............................................................................................................................. 39 2.2. MicroDicom ...................................................................................................................................... 41 2.2.1. Chức năng của MicroDicom ..................................................................................................... 42 2.2.2 . Một số dòng lệnh ..................................................................................................................... 42 2.3.Ginkgo CADx ...................................................................................................................................... 43 2.3.1. Chức năng của Ginkgo CADx .................................................................................................. 43 2.3.2 .Một số ƣu điểm của Ginkgo CADx .......................................................................................... 44 Chƣơng 3: PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG ĐỌC ẢNH DICOM ............................................................................. 45 3.1. Nhu cầu ứng dụng đọc ảnh. .............................................................................................................. 45 3.2. Định dạng tập tin hình ảnh DICOM sử dụng trong ứng dụng. .......................................................... 45 3.3. Phát triển ứng dụng đọc ảnh DICOM................................................................................................ 47 3.3.1 . Chức năng chính ....................................................................................................................... 47 3.3.2. Đặc tả các thành phần chính ..................................................................................................... 47 3.3.3. Cấp độ và chiều rộng cửa sổ ảnh ............................................................................................... 50 KẾT LUẬN ................................................................................................................................................... 54 Tài liệu tham khảo ....................................................................................................................................... 55 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, Ths Trần Ngọc Thái – giảng viên khoa CNTT đã tận tâm và nhiệt tình dạy bảo trong suốt thời gian học và làm đồ án tốt nghiệp, thầy đã dành nhiều thời gian quý báu để tận tình chỉ bảo, hƣớng dẫn, định hƣớng cho em thực hiện đồ án, giúp em học hỏi những kinh nghiệm quý báu và đã đạt đƣợc những thành quả nhất định. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Công nghệ thông tin đã nhiệt tình dạy bảo và tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình đƣợc học tại trƣờng. Em xin cảm ơn các bạn bè và nhất là các thành viên trong gia đình đã tạo mọi điều kiện tốt nhất, động viên, cổ vũ trong suốt quá trình học tập và đồ án tốt nghiệp. Do khả năng và thời gian hạn chế, kinh nghiệm thực tế chƣa nhiều nên không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong đƣợc sự chỉ bảo của các thầy cô. Cuối cùng em xin đƣợc gửi tới các thầy, các cô, các anh, các chị cùng toàn thể các bạn một lời chúc tốt đẹp nhất, sức khỏe, thịnh vƣợng và phát triển. Chúc các thầy cô đạt đƣợc nhiều thành công hơn nữa trong công cuộc trồng ngƣời. Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, tháng 11 năm 2012 Sinh viên Đỗ Đức Hiếu Chƣơng 1 . ẢNH DÙNG TRONG Y TẾ 1.1. Giới thiệu về ảnh y tế. Ảnh y tế là kĩ thuật và quá trình đƣợc sử dụng để tái tạo ra hình ảnh cơ thể con ngƣời hoặc bộ phận cơ thể ngƣời phục vụ cho mục đích lâm sàng và cận lâm sàng nhu chuẩn đoán , kiểm tra bệnh ) hoặc khoa học y tế ( bao gồm cả giải phẫu và sinh lý ) . Ảnh y tế theo nghĩa rộng của nó có nghĩa là một phần hình ảnh sinh học và kết hợp X – quang , y học hạt nhân , nội soi , dùng trong chuẩn đoán bệnh lý con ngƣời Y học hiện đại chẩn đoán bệnh dựa vào các triệu chứng lâm sàng (chẩn đoán lâm sàng) và các triệu chứng cận lâm sàng (chẩn đoán cận lâm sàng). Trong chẩn đoán cận lâm sàng thì chẩn đoán dựa trên hình ảnh thu đƣợc từ các thiết bị, máy y tế (chẩn đoán hình ảnh) ngày càng chiếm một vai trò quan trọng, nhất là ngày nay với sự trợ giúp của các thiết bị, máy y tế hiện đại, công nghệ cao có các phần mềm tin học hỗ trợ giúp cho hình ánh rõ nét và chính xác hơn tạo thuận lợi cho việc xác định và điều trị bệnh . 1.2. Các chuẩn lƣu trữ ảnh trong y tế Các phƣơng pháp chẩn đoán hình ảnh rất phong phú, nhƣ chẩn đoán qua hình ảnh X quang, hình ảnh siêu âm, siêu âm - Doppler màu, hình ảnh nội soi (mà thông dụng là nội soi tiêu hoá và nội soi tiết niệu) hình ảnh chụp cắt lớp vi tính (Computed Tomography Scanner- CT. Scanner), hình ảnh chụp cộng hƣởng từ hạt nhân (Magnetic Resonance Imaging-mrl)... Chẩn đoán hình ảnh đã góp phần quan trọng nâng cao tính chính xác, kịp thời và hiệu quả cao trong chẩn đoán bệnh. Nhƣ dựa trên hình ảnh siêu âm, các bác sỹ có thể đo đƣợc tƣơng đối chính xác kích thƣớc các tạng đặc trong ổ bụng (gan, lách, thận, tuỵ, ...) và phát hiện các khối bất thƣờng nếu có. Các máy thiết bị và máy y tế chẩn đoán hình ảnh đầu tiên khi mới ra đời chỉ là tín hiệu dạng sóng (Analog) đƣa lên màn hình VIDEO của máy. Theo thời gian, máy đƣợc chế tạo ngày càng có cấu hình cao hơn và chuyển dần sang tín hiệu số, các phần mềm xử lý tín hiệu lƣu trữ thông tin số ngay tại các máy đó (ví dụ máy siêu âm có thể lƣu đƣợc 5000 ảnh của bệnh nhân gần đây nhất). Tuy nhiên, dần từng bƣớc khi có các điều kiện đặt ra và nhu cầu giao tiếp giữa các máy với nhau (ví dụ: máy CT Scanner chuyển cho máy chiếu tia Coban...) và truyền ảnh số giữa các vùng với nhau để trợ giúp chẩn đoán thì các chuẩn dữ liệu chung về hình ảnh của y tế dần ra đời. Vì vậy, các máy y tế ngày nay có gắn thiết bị tin học thì đã sẵn sàng đƣa ra các tín hiệu thông qua các D-Shell chuẩn nhƣ COM, LPT... hoặc USB port. Tuy nhiên, phần tín hiệu đƣa ra các cổng này tuỳ nhà cung cấp trang bị phần mềm khi ngƣời sử dụng yêu cầu. Có nhiều chuẩn để truyền ảnh trên mạng nhƣ chuẩn PACS (Picture Archiving and Communication System) là hệ thống lƣu trữ, xử lý và truyền ảnh động, hoặc mạng xử lý và truyền ảnh số hoá DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine). Tất cả các chuẩn này có chung một tiêu chí là nén ảnh ở mức độ tối đa để giảm kích thƣớc lƣu trữ, giảm kích thƣớc khi truyền trên mạng, có các mức độ phân giải khác nhau khi truyền. Nếu hình ảnh không cần chất lƣợng cao thì có thể truyền ở độ phân giải thấp và khi cần độ nét để chẩn đoán với chất lƣợng cao thì truyền ảnh với các độ phân giải cao hơn, nhƣng tốc độ truyền trên mạng sẽ chậm đi nhiều. Các ảnh truyền thƣờng là các ảnh về X quang, ảnh siêu âm, ảnh nội soi, ảnh CT Scanner... Việc truyền ảnh này giúp cho hỗ trợ chẩn đoán từ xa, cho các thầy thuốc, học viên, sinh viên học tập và nghiên cứu. Hiện tại việc ứng dụng lƣu trữ ảnh theo các chuẩn nhất định ở Việt Nam vẫn chỉ đƣợc lƣu trữ trên một máy mà không có sự giao tiếp giữa các máy với nhau, nhƣ vậy dung lƣợng lƣu trữ không cao và không có khả năng trợ giúp trong chẩn đoán và không thể là dữ liệu dùng chung trong bệnh viện. Một số nơi có các MINI-PACS mang tính chất thử nghiệm truyền qua lại trong một mạng LAN hoặc Intranet (mạng ở Bệnh viện chợ Rẫy, Trung tâm chấn thƣơng chỉnh hình Thành phố Hồ Chí Minh). Việc ứng dụng rộng rãi trợ giúp từ xa qua Telemedicine ở Việt Nam còn hầu nhƣ chƣa đƣợc ứng dụng, trong khi đó các nƣớc đã và đang ứng dụng tƣơng đối rộng rãi kỹ thuật này nhất là các nƣớc phát triển. Các máy y tế đời cũ không có cổng giao diện, không có tín hiệu ảnh số, việc nghiên cứu chế tạo ADC card chuyển đổi ở một số máy đã đƣợc nghiên cứu nhƣng chƣa nhiều và các phần mềm xử lý ảnh chuyển đổi chất lƣợng chƣa cao 1.2.1. Analysis of Functional NeuroImaging – AFNI - AFNI (Analysis of Functional NeuroImaging) là một môi trƣờng xử lý, phân tích và hiển thị fMRI data – một kĩ thuật mô phỏng hoạt động của bộ não con ngƣời. AFNI chạy trên hệ thống Unix+X11+MOTIF, bao gồm cả SGI và Linux. - ANFI đƣợc viết bằng ngôn ngữ C, đƣợc phát triển rất mạnh ở đại học y dƣợc Wisconsin vào năm 1994 và sau này Robert W. Cox phát triển thêm. Việc phát triển này mang lại nhiều điểm nhấn trong NIH (National Institutes of Health) vào năm 2001 và tiếp tục phát triển ở NIMH Scientific and Statistical Computing Core. - AFNI lƣu trữ thông tin vào 2 file: File BRIK lƣu trữ dữ liệu. File ACII HEAD lƣu trữ các thông tin header. Hinh 1.1 Chương trình phần mềm AFNI 1.2.2.Analyse - Analyze là chƣơng trình phần mềm mạnh do BIR (Biomedical Imaging Resource) ở Mayo Clinic phát triền, dùng trong hiển thị, xử lí và đo đạc các ảnh đa chiều trong trong y khoa. Analyze đƣợc sử dụng để lấy các ảnh chụp từ MRI, CT and PET. - Định dạng file trong Analyse 7.5 đã đƣợc sử dụng sâu rộng trên lĩnh vực xử lí ảnh não bộ thần kinh, và các chƣơng trình khác nhƣ SPM (Statistical Parametric Mapping), AIR, MRIcro có thể đọc và ghi định dạng đó. Những file có thể đƣợc sử dụng để lƣu trữ những hình khối đa chiều. - Một mục dữ liệu gồm hai file : Một file chứa dữ liệu kiểu binary với phần mở rộng .img Một file chứa metadata với phần mở rộng .hdr Hinh1.2 Chương trình phần mềm Analyse 1.3. DICOM DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) là tập hợp các chuẩn dùng trong xử lý, truyền tải thông tin, lƣu trữ và in ấn ảnh y khoa. Chuẩn này bao gồm định dạng file và giao thức truyền tin qua mạng. File DICOM đƣợc trao đổi giữa 2 chƣơng trình và các chƣơng trình này có thể nhận ảnh và dữ liệu bệnh nhân theo định dạng DICOM. DICOM cho phép tích hợp máy scan, server, trạm làm việc, máy tin và các thiết bị mạng từ nhiều nhà cung cấp vào thành một hệ thống truyền tải và lƣu trữ ảnh. Ngày nay, các hầu hết các bệnh viện trên thế giới đều áp dụng DICOM vào trong các thiết bị y khoa, máy trạm, server, các hệ thống quản lý trong hoạt động khám và chữa bệnh. 1.3.1 Ảnh DICOM Vào năm 1970, trƣớc sự ra đời của phƣơng pháp chụp ảnh CT (Computed Tomography) cùng với các phƣơng pháp chụp ảnh số dùng trong chẩn đoán y khoa khác, và sự gia tăng nhanh chóng ứng dụng tin học trong các lĩnh vực y khoa lâm sàng, hai tổ chức ACR (American College of Radiology) và NEMA (National Electrical Manufacturers Association) đã nhận ra yêu cầu cần thiết phải có một phƣơng pháp chuẩn dùng trong truyền tải ảnh và thông tin liên quan đến ảnh đó giữa các nhà sản xuất thiết bị y khoa, mặc dù những thiết bị đó lại cho ra các định dạng ảnh khác nhau. Trong năm 1983, ACR và NEMA thành lập một ủy ban chung để phát triển phƣơng pháp chuẩn này với mục đích: - Tăng cƣờng khả năng giao tiếp thông tin ảnh số của thiết bị y khoa bất chấp thiết bị đó là của nhà sản xuất nào. - Giúp cho việc phát triển và mở rộng các hệ thống truyển tải và lƣu trữ ảnh trở nên dễ dàng hơn, từ đó các hệ thống này sẽ là nơi giao tiếp với các hệ thống thông tin bệnh viện khác. - Cho phép tạo ra thông tin thông tin cở sở chẩn đoán, từ đó nhiều loại thiết bị chẩn bệnh sẽ sử dụng và tra cứu thông tin này. ACR-NEMA công bố "ACR-NEMA Standards Publication" phiên bản 1.0 vào năm 1985. Và năm 1988, ủy ban này công bố tiếp "ACR-NEMA Standards Publication" phiên bản 2.0. Tài liệu "ACR-NEMA Standards Publication" đặc tả giao tiếp phần cứng, số lƣợng tối thiểu các lệnh phần mềm và các định dạng dữ liệu. Chuẩn DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) đƣa ra nhiều cải tiến qua trọng so với 2 phiên bản của chuẩn ACR-NEMA trƣớc: Chuẩn DICOM này áp dụng đƣợc trong môi trƣờng mạng vì chúng dùng giao thức mạng chuẩn là TCP/IP. Chuẩn ACR-NEMA chỉ có thể áp dụng cho mạng point-to-point. Chuẩn DICOM áp dụng cho môi trƣờng lƣu trữ off-line, DICOM dùng các thiết bị lƣu trữ chuẩn nhƣ CD-R, MOD và filesystem luận lý nhƣ ISO 9660 và FAT16 . Chuẩn ACR-NEMA không đặc tả định dạng file, thiết bị lƣu trữ vật lý hay filesystem luận lý. Chuẩn DICOM đặc tả các thiết bị y khoa cần tuân theo chuẩn DICOM sẽ phải đáp ứng lệnh và dữ liệu nhƣ thế nào. Chuẩn ACR-NEMA bị giới hạn về truyền tải dữ liệu, DICOM dùng khái niệm Service Classes để mô tả ngữ nghĩa lệnh và dữ liệu đi kèm. DICOM có kèm đặc tả về yêu cầu, quy tắc cho các nhà sản xuất thiết bị y khoa sản xuất sản phẩm tuân theo chuẩn DICOM. Chuẩn ACR-NEMA đặc tả rất ít về điều này. Hƣớng phát triển hiện thời: chuẩn DICOM luôn phát triển và do Procedures of the DICOM Standards Committee quản lý. Đề nghị nâng cấp trong tƣơng lại của các thành viên trong ủy ban DICOM dựa trên thông tin từ các những ngƣời đã dùng qua chuẩn DICOM. Các ý kiến đƣợc xem xét để đƣa vào phiên bản tiếp theo của DICOM và các thay đổi của DICOM phải đảm bảo tƣơng thích tốt với phiên bản trƣớc. 1.3.2.Chuẩn DICOM Đặc tả DICOM áp dụng cho: Định dạng file ảnh dùng trong trong y khoa. Giao thức truyền thông dữ liệu DICOM. DICOM (Verson 3.0) ra đời có những ƣu điểm hơn hẳn các phiên bản trƣớc. Thể hiện ở chỗ: 1. Khả dụng với môi trƣờng mạng. Các phiên bản trƣớc chỉ thích nghi với môi trƣờng truyền điểm-tới-điểm (point-to-point). Để có thể hoạt động trong môi trƣờng mạng cần có Khối Giao diện Mạng NIU (Network Interface Unit). DICOM 3.0 hỗ trợ hoạt động trong môi trƣờng mạng sử dụng giao thức mạng chuẩn công nghiệp nhƣ OSI và TCP/IP. 2. Khả dụng với môi trƣờng trung gian ngoại tuyến (off-line). Các phiên bản trƣớc không định ra khuôn dạng file DICOM. DICOM hỗ trợ hoạt động trong môi trƣờng ngoại tuyến sử dụng các trung gian theo chuẩn công nghiệp nhƣ CD-R và MOD, hệ thống file logic nhƣ ISO 9660 và Hệ thống File PC (FAT 16). 3. 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 trƣớc bị hạn chế trong truyền dữ liệu, nhƣng 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. 4. Định rõ mức thích nghi. Các phiên bản trƣớc chỉ định rõ mức tuân thủ thấp nhất. Phiên bản DICOM 3.0 qui định rõ ràng đối tƣợng thực hiện (implementor) phải cấu trúc một Bản Báo cáo Thích nghi (Comformance Statement) lựa chọn cụ thể các mục đáp ứng nhƣ thế nào. 5. Đƣợc cấu trúc là một tài liệu đa thành phần. Do đó tạo thuận lợi cho sự phát triển của Chuẩn trong môi trƣờng phát triển nhanh chóng bằng việc thêm vào các đặc tính mới. DICOM đƣợc thiết kế dạng tài liệu đa phần tuân theo cách thức của ISO. 6. Đƣa ra các Đối tƣợng thông tin (Information Object) một cách rõ ràng không chỉ hình ảnh và đồ hoạ mà còn cả báo cáo, in ấn.. 7. Định rõ cách xác định duy nhất Đối tƣợng Thông tin (Information Object). Điều này tạo thuận lợi khi sử dụng các khái niệm trừu tƣợng trong quan hệ của các Đối tƣợng Thông tin hoạt động trong mạng. 1.3.3. Phạm vi và trƣờng 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 tƣơng 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. Dữ liệu thí nghiệm Hành chính HIS/RIS Hình ảnh chẩn đoán Theo dõi Bệnh nhân Hình1.3 : Phạm vi ứng dụng của Dicom Chuẩn tăng cƣờng khả năng hoạt động tƣơng tác của các thiết bị hình ảnh y tế bằng cách định ra: - Với truyền tin qua mạng, một bộ Giao thức (protocol) đƣợc 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 đƣợc trao đổi sử dụng các Giao thức. - Với truyền tin bằng phƣơng tiện trung gian, đƣa ra một bộ các dịch vụ lƣu trữ trung gian, cũng nhƣ Khuôn dạng File và cấu trúc thƣ mục y tế - Thông tin sử dụng trong ứng dụng cũng đƣợc đòi hỏi tuân theo Chuẩn. Chuẩn không qui định: - Các chi tiết thực thi với mọi đặc tính của Chuẩn trên một thiết bị. - Bộ tổng thể các đặc tính và chức năng đƣợc 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. 1.3.4. Mục tiêu Chuẩn DICOM tạo thuận lợi cho khả năng hoạt động tƣơng 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 thƣ 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