Technische Informatik in der Biomedizin (TIBM) SS 2009

Technische Informatik in der

Biomedizin (TIBM)
SS 2009
Vorlesung Standards: DICOM, HL7 & IHE
Oliver Burgert

Innovation Center Computer Assisted

Surgery

(ICCAS)
Universität Leipzig
www.iccas.de
2
Standards - DICOM, IHE, HL7
Motivation & Überblick
 Vielzahl von Informationssystemen interagiert im klinischen
Umfeld
 Standards erleichtern eine Kommunikation über
Herstellergrenzen hinweg
 In dieser VL:
 DICOM – der Standard im radiologischen Umfeld
 “DICOM in Surgery” als Erweiterung von DICOM
 HL7 – Standard im KIS-Umfeld
 IHE als Verbindungsglied
3
Standards - DICOM, IHE, HL7
3
Einführung
Informations-

und Kommunikationstechnologie bei bildgestützten

Interventionen im heutigen modernen Operationssaal
+

Informationstechnologie


Kommunikationstechnologie
Navigationsdaten
Modelldisplay
Systemüberwachung
Tracked US-Sonde
AR im Mikroskop
US-Display
4
Standards - DICOM, IHE, HL7
4
Modularer Systemaufbau
Interventional Cockpit/SAS modules

IT Model-Centric World View
Repo-
sitory
Engine
Data Exch.
Control
Model-
ling

TIMMS ICT infrastructure (based on DICOM-X) for data, image,
model and tool communication for patient model-guided therapy
Simu-
lation
Kernel for
WF and K+D
Management
Visuali-
sation
Rep. Manager
Inter-
vention
Valid-
ation
IO Imag-
ing and
Biosensors
WF`s, EBM,
”cases”
Data and
information
Models and
intervention
protocols
Modeling
tools
Comp.
tools
WF and
K+D

tools
Rep.
tools
Devices/
Mechatr.
tools
Vali-
dation
tools
Images
and
signals
Models
(Simulated
Objects)
5
Standards - DICOM, IHE, HL7
TIMMS & die reale Welt
• Modelle
• Interaktion

mit
• Modellen
• Assistenzsystemen
• Transport

der

Modelle
• Hardware

• Software-Schnittstellen
6
Standards - DICOM, IHE, HL7
6
Modellgestützte Therapie -

Anforderungen
 Modell des Patienten
 Modell = Geeignete Abstraktion der Realität
 Welche Abstraktion ist geeignet?
 Wie wird diese Abstraktion gespeichert und präsentiert?
(z.B. Nerv-Reizung, Puls, Anatomische Lagebeziehungen)
 Kommunikation des Modells
 Übertragung der benötigten Modellteile
 Interaktion mit dem Modell
 Dienste (Services)
 Präsentation
…und die gute

Nachricht

ist:
ZDF: 2057 -

Unser Leben

in der

Zukunft
7

Standards - DICOM, IHE, HL7
7
Einzelsysteme vs. Modularisierte Systeme
Im Prinzip
ist alles
fertig!
Für jede individuelle therapeutische
Fragestellung lässt sich mit
vorhandenen Methoden ein
individuelles modellgestütztes
Therapiesystem entwickeln!
(Voraussetzung: Modellierung muss möglich sein)
Problem:
Jede Systemkomponente muss immer neu integriert (und eventuell gekauft!) werden.
Systeme teuer
Entwicklung aufwendig
Viele Spezialisten notwendig
Neue, spezialisierte Anwendungen sind schwierig
8
Standards - DICOM, IHE, HL7
Aspekte / Komponenten
TIMMS IuK -
Anforderungen
Netzwerke
Dedizierte
Subnetze
Echtzeit-
Bus
Definierte
Latenzen

Geringe
Durchsatzraten
Video
Dedizierte
Video-
Netze
Ethernet
Gigabit-
Netzwerk f.
Datentransport
Streaming
von Daten
Biosignaldaten
Navigationsdaten
Video
Intraoperative
Bilder
Funknetz
Mobile
Datenerfassung
Flexible
Systemkonfiguration
Lokalisation
der Geräte?
Trennung von
Datentransport
und
Kontrollflüssen
Punkt-zu-
Punkt-

Verbindungen
Bus-
Topologie
Integration
in
Kliniknetz
HIS
RIS
PACS
Grid-
Computing
Lastverteilung
Simulation
von
Lastfällen
Monitoring des
Netzwerkstatus
Anbindung
ans Internet
Grid-
Computing
Teleconsulting
Teleradiologie
Videorouting
Telemonitoring
Netzwerkdiagnose
Komponentenstatus
Telechirurgie
Lehre /
Präsentation

Hardwarekomponenten
Lokalisation
RFID
Tracking
Interaktion
Anzeigen
Zntraler
Monitor
Anzeige für
Chirurg
Anzeige für
Anästhesie
Eingabemöglichkeiten
Touch
Panel
Sterilisierbar
Spracherkennung
OP-
Saalsteuerung
Dedizierte
Gerätesteuerung
OP-Bericht
Manipulationsassistenz
Automatisierungslevel
Miniaturisierung
Sicherheit
Zuverlässigkeit
Ausfallsicherheit
Redundanz
Lastmessungen

Tests
Interoperabilität
Zerifizierung
von
Komponenten
Zertifizierung
von Systemen
Schutz
Manipulation
Bewusst
Unbewusst
Zugriff auf
Daten
Streams
abhören
EPR lesen
Handlungsauthorisierung
Planung
Diagnostik
Intelligenz /
Workflow
Workflowakquisition
Softwarekomponenten
Diagnose
CAD
Ferndiagnose
Planung
Arbeitsraumplanung
Zugangsplanung
Planungsalternativen /

Simulation
Einbeziehung aller
Modellparameter
Bildverarbeitung
Modelldatenverarbeitung
Musterpatienten
Registrierung
Segmentierung
Visualisierung
von
Modelldaten
Speicherung im
Patientenmodell
Workflowmanagement
Ontologien
Patiendenmodell
Andere
Modelle
Chirurgischer
Workflow
Implantate
Manipulatoren
Ergonomie
Anatomie
Pathologie
Radiologie
Modellparameter
Chirurgischer
Workflow
Instrumente

Assistenzsysteme
OP-
Steuerung
OP-Setup
Patientenvorbereitung
Modellaktualisierung
Intraoperative
Datenerfassung
Patientenmonitoring
Klinik-
Workflows
Lastausgleich
9
Standards - DICOM, IHE, HL7
Integration?  Standards nutzen und erweitern!
TIMMS IuK -
Anforderungen
Netzwerke
Dedizierte
Subnetze
Echtzeit-
Bus
Definierte
Latenzen
Geringe
Durchsatzraten
Video
Dedizierte
Video-
Netze

Ethernet
Gigabit-
Netzwerk f.
Datentransport
Streaming
von Daten
Biosignaldaten
Navigationsdaten
Video
Intraoperative
Bilder
Funknetz
Mobile
Datenerfassung
Flexible
Systemkonfiguration
Lokalisation
der Geräte?
Trennung von
Datentransport
und
Kontrollflüssen
Punkt-zu-
Punkt-
Verbindungen
Bus-
Topologie
Integration
in
Kliniknetz

HIS
RIS
PACS
Grid-
Computing
Lastverteilung
Simulation
von
Lastfällen
Monitoring des
Netzwerkstatus
Anbindung
ans Internet
Grid-
Computing
Teleconsulting
Teleradiologie
Videorouting
Telemonitoring
Netzwerkdiagnose
Komponentenstatus
Telechirurgie
Lehre /
Präsentation
Hardwarekomponenten
Lokalisation
RFID
Tracking
Interaktion
Anzeigen

Zntraler
Monitor
Anzeige für
Chirurg
Anzeige für
Anästhesie
Eingabemöglichkeiten
Touch
Panel
Sterilisierbar
Spracherkennung
OP-
Saalsteuerung
Dedizierte
Gerätesteuerung
OP-Bericht
Manipulationsassistenz
Automatisierungslevel
Miniaturisierung
Sicherheit
Zuverlässigkeit
Ausfallsicherheit
Redundanz
Lastmessungen
Tests
Interoperabilität
Zerifizierung
von
Komponenten
Zertifizierung

von Systemen
Schutz
Manipulation
Bewusst
Unbewusst
Zugriff auf
Daten
Streams
abhören
EPR lesen
Handlungsauthorisierung
Planung
Diagnostik
Intelligenz /
Workflow
Workflowakquisition
Softwarekomponenten
Diagnose
CAD
Ferndiagnose
Planung
Arbeitsraumplanung
Zugangsplanung
Planungsalternativen /
Simulation
Einbeziehung aller
Modellparameter
Bildverarbeitung
Modelldatenverarbeitung
Musterpatienten

Registrierung
Segmentierung
Visualisierung
von
Modelldaten
Speicherung im
Patientenmodell
Workflowmanagement
Ontologien
Patiendenmodell
Andere
Modelle
Chirurgischer
Workflow
Implantate
Manipulatoren
Ergonomie
Anatomie
Pathologie
Radiologie
Modellparameter
Chirurgischer
Workflow
Instrumente
Assistenzsysteme
OP-
Steuerung
OP-Setup
Patientenvorbereitung
Modellaktualisierung

Intraoperative
Datenerfassung
Patientenmonitoring
Klinik-
Workflows
Lastausgleich
 SDS-Gruppe
 TIMMS-Gruppe
 Workflow-Gruppe
 Patient-Modeling-Gruppe
10
Standards - DICOM, IHE, HL7
10
Standardisierung!
 Interoperabilität technischer Systeme wird auf lange Sicht immer über
Standards (ISO, DIN, ANSI, ieee, …) erreicht.
 Es existiert eine Palette an Standards, die zum Datenaustausch zwischen OP-
Systemen verwendet werden können:
 Klinische- bzw. Medizinprodukte-Standards
 Standardisierte Nomenklatur (SNOMED, LOINC, …)
 Standards aus anderen technischen Bereichen
(Computerwissenschaften, Telekommunikation, Maschinenbau,
Elektrotechnik, Unterhaltungselektronik, …)
 (De-Facto-Standards)
 Regeln zur Nutzung von Standards
 IHE (Integrating the Healthcare Enterprise)
 Der im Rahmen des Projekts wichtigste Standard ist
„Digital Imaging and Communication in Medicine (DICOM)“
11
Standards - DICOM, IHE, HL7

IT in der Radiologie (RIS und PACS)
RIS: Radiologisches Informationssystem
 Welcher Patient wird wann in welchem Raum mit welchen Methoden untersucht.
 Protokollierung nach RöV (Geräteparameter, Strahlendosis, )
 Befundschreibung
 Schnittstelle zu Geräten (Parameter)
 Zugriff auf klinische Daten und Vorbefunde
PACS: Picture

Archiving

and Communication

System
 „elektronischer Röntgenlichtrahmen“
 Infrastruktur zur Bildkommunikation
inkl. Patientendatenbank
 Archivierung der Aufnahmen
 Zugriff auf Voraufnahmen
12
Standards - DICOM, IHE, HL7
Bildgebung im klinischen Workflow
13
Standards - DICOM, IHE, HL7
Etablierte Industriestandards
 Health Level 7 (HL7)
Standard für elektronischen (textuellen) Datenaustausch im Gesundheitswesen
 Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM)
Standard zur Bildübertragung

und Datenformat zur Bildspeicherung
14
Standards - DICOM, IHE, HL7
DICOM
 Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM)
 Bilddatenübertragung
 Bilddatenspeicherung (Datenformat)
 Zunächst begegnet einem DICOM
meist als Dateiformat:
 Header enthält Metadaten
 Body enthält Bilddaten
0002,0000,File Meta Elements Group Len=198
0002,0001,File Meta Info Version=256
0002,0002,Media Storage SOP Class UID=1.2.840.10008.5.1.4.1.1.2.
0002,0003,Media Storage SOP Inst
UID=1.2.840.113619.2.55.3.2126732283.5888.1175231464.730.11
.
[…]
0008,0008,Image Type=AXIAL
[…]
0008,0020,Study Date=20070330
0008,0021,Series Date=20070330
0008,0022,Acquisition Date=20070330
0008,0023,Image Date=20070330
0008,0030,Study Time=120230
0008,0031,Series Time=120425
[…]
0008,0060,Modality=CT
0008,0070,Manufacturer=GE MEDICAL SYSTEMS
0008,0080,Institution Name=HELIOS.Krankenhaus.Leisnig

0008,0090,Referring Physician's Name=UNIHN
0008,1010,Station Name=CT99.OC0
0008,1030,Study Description=CT Hals
0008,103E,Series Description=3.5 Flow. 100 ml
[…]
0010,0010,Patient's Name=Vorname.Nachname
0010,0020,Patient ID=0050074xxx
0010,0030,Patient Date of Birth=19991201
0010,0040,Patient Sex=F
0010,1010,Patient Age=042Y
[…]
0018,0022,Scan Options=HELICAL MODE
0018,0050,Slice Thickness=2.500000
[…]
0028,0010,Rows=512
0028,0011,Columns=512
0028,0030,Pixel Spacing=0.486328 0.486328
15
Standards - DICOM, IHE, HL7
DICOM
DICOM umfasst
 Geräte-Kommunikationsprotokoll
über Netzwerke
 Kommunikation über
Wechseldatenträger (CD-ROM, ZIP,
MOD, …)
 Dateninhalte
 Funktionelle Anwendungen
 Hardwareübergreifend konsistente
Anzeige von Bildern

 Sicherheits- und
Konfigurationsmanagement
 Arztbezogene Konfiguration der
Benutzerschnittstelle (Hanging
Protocol)
 Identifikation und Gruppierung
verwandter Informationen
(Structured Reports)
 …
DICOM umfasst

nicht
 Implementierungsdetails
 Datenbankstrukturen
 Programmiersprachen
 Hardware
 Betriebssysteme
 GUI-Design
 …
16
Standards - DICOM, IHE, HL7
Beispiele

für

DICOM-Nutzung
17
Standards - DICOM, IHE, HL7
DICOM-Aufbau
 Umfang (Version 2007): 18 Dokumente, 3433 Seiten

 PS 3.1: Introduction and Overview
 PS 3.2: Conformance
 PS 3.3: Information Object Definitions
 PS 3.4: Service Class Specifications
 PS 3.5: Data Structure and Encoding
 PS 3.6: Data Dictionary
 PS 3.7: Message Exchange
 PS 3.8: Network Communication Support for Message Exchange
 PS 3.9: Retired
 PS 3.10: Media Storage and File Format for Data Interchange
 PS 3.11: Media Storage Application Profiles
 PS 3.12: Media Formats and Physical Media for Data Interchange
 PS 3.13: Retired
 PS 3.14 Grayscale Standard Display Function
 PS 3.15: Security & System Management Profiles
 PS 3.16: Content Mapping Resource
 PS 3.17: Explanatory Information
 PS 3.18: Web Access to DICOM Persistent Objects (WADO)
 Permanente Aktualisierung durch Supplements und Correction Items
18
Standards - DICOM, IHE, HL7
DICOM-Aufbau
Message exchange
Network
Communication
for Message
exchange
Part 14
Greyscale
Standard

Display
Function
Part 15
Security and System Management Profiles
Part 16
Content
Mapping
Ressource
Part 17
Explan
atory
Info
Part 18
Web Access
Hitchhikers Guide to DICOM-Extensions
Die folgenden

5 Folien

“Guide”

entstammen

einer

ICCAS-internen

Präsentation

von Michael Gessat zur

Erweiterung

von DICOM.
Sie

geben

einen

guten

Überblick

über

die DICOM-Teile

und den
Aufbau

von DICOM und sind

daher

in diese

Folien

gewandert.

20
Standards - DICOM, IHE, HL7
The Hitchhiker‘s Guide to DICOM
 Part 1: Introduction & Overview: Tells you about what DICOM is, where it is
coming from and something about the general architecture. It also contains a
brief overview of the content of each of the following parts.
 Don’t expect any changes here. Just read it. It helps!
 Part 2: Conformance:
DICOM is to some extent a meta-standard. In the
conformance statement, the vendor of a DICOM conform device states how he
implements DICOM and which parts of DICOM his device implements. The
form and content of this conformance statement is specified in chapter 2.
 I didn’t see much change here in the supplements I read. But maybe there
will be a lot concerning the zero-conf stuff?
21
Standards - DICOM, IHE, HL7
Guide #2
 Part 3: Information Object Definitions: The static part of DICOM is contained in
this chapter. The Model of the World, the Information Model, the general
definition of a DICOM IOD and 59 IODs for different purposes are specified
here.
 Here, you specify your new data structures and their relations to the
existing ones. Most of the time for the Surface Meshes went into this part.
 Part 4: Service Class Specifications:
DICOM Objects can not be defined
without a Service Group applying to it and vice versa. Part 4 specifies the
DIMSE (DICOM Message Service Element) Services and the Media Storage
Services. The Service Class Specifications describes the effect DICOM Services
have on the IODs they apply to.
 As long as you only add new data-types to DICOM, you won’t have to

change an lot here. Maybe we’ll have to add new service types for
streaming and for zero-conf.
22
Standards - DICOM, IHE, HL7
Guide #3
 Part 5: Data Structures and Semantics: Tells you all about the dirty bits-and-
bites-details of encoding. How many bits does an integer have? How long may
a string be? Look it up here!
 Table 6.2-1 contains all available basic data types in DICOM. That’s what
you need! If you don’t plan to write your own parser or hand-code DICOM
files, you won’t spend too much time with this one.
 Part 6: Data Dictionary
: The Data Dictionary is the centralized registry for all
Information Elements available in DICOM. Nothing new here, basically a table
containing all the attributes from Part 3 ordered by their tag-number and all
UIDs given to concepts, SOPs,….
 Once you’ve done your work in Parts 3 and 4, this is basically copy-paste.
23
Standards - DICOM, IHE, HL7
Guide #4
 Part 8: Network Communication Support for Message Exchange: Specifies how
DICOM uses the underlying network to transfer the messages from one
application to the other. Herein, the DICOM upper layer protocol for TCP/IP is
specified.
 To be honest, I can’t foresee how our work will affect this part. I just added
it since Parts 4 and 7 seem to have effects here. We’ll possibly include
some new protocols here.
 Part 15: Security and System Management Profiles
: Specifies how DICOM uses
several security-oriented standards in order to guarantee safe and secure

access and transfer to the Data.
 Whenever you add a module, you’ll have to insert it into the “what shall be
considered” - tables. Zero-conf might hugely affect this part.
24
Standards - DICOM, IHE, HL7
Guide #5
 Part 16: Content Mapping Resource: Contains huge tables encoding words,
concepts, names,…. This part provides a kind of structured glossary and is the
closest thing to an ontology in DICOM. One of the fastest growing parts of
DICOM.
 When you include lists of anatomical structures, types of equipment, ways
to do something,… within a module, you put your list of possible entries
here.
 Part 17: Explanatory Information
: Whenever you feel, that the reader of your
supplement might need a bit of assistance to understand it, like an example,
put it here. Nobody will admit, but this is what we all read when nobody
watches…
 Especially in the discussion-phase: If in doubt, put it in!
25
Standards - DICOM, IHE, HL7
World Model
DICOM part 3, p 52