Desenvolvimento de Aplicações DICOM com o uso de Tecnologias

Desenvolvimento de Aplicações DICOM com o
Uso de Tecnologias Web: Um Servidor e Cliente
DICOM
Marcelo dos Santos1, 2, 3, Evandro Eduardo Seron Ruiz3
1
Instituto do Coração (InCor) - HC-FMUSP,
Universidade de São Paulo (USP), Brasil
2
Departamento de Engenharia Elétrica,
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP),
Universidade de São Paulo (USP), Brasil
3
Computação de Imagens - ImagCom
Departamento de Física e Matemática - Faculdade de Filosofia Ciências e Letras de Ribeirão Preto
Universidade de São Paulo (USP), Brasil
Resumo - O advento dos equipamentos digitais de diagnóstico médico possibilitou a menor utilização de
filmes em radiologia, assim o gerenciamento de imagens médicas (IM) em formato digital tornou-se uma
tarefa crítica. Neste trabalho apresentamos um protótipo, baseado em tecnologias World Wide Web
(WWW), que realiza esta tarefa. O protótipo contempla um servidor de IM que viabiliza a pesquisa e
recuperação dessas imagens armazenadas como arquivos DICOM (Digital Imaging and Communications in
Medicine), como também, recebe requisições de serviços de equipamentos/aplicações compatíveis com
este padrão. As IM podem ser visualizadas e manipuladas dentro de um navegador Web (o cliente da
aplicação) por meio de uma aplicação Java (applet ). Esta abordagem oferece algumas vantagens em
relação aos tradicionais sistemas de arquivamento e comunicação de imagens (PACS – Picture Archiving
and Communication Systems), como: facilidade de instalação e manutenção, independência de plataformas,
além das facilidades de distribuição de dados e integração com outros sistemas existentes na instituição. O
sistema pode ser utilizado dentro e fora da instituição, bastando a implementação de políticas de
segurança. A simplicidade e flexibilidade das tecnologias Web viabilizam o uso desta aplicação que provê
recursos para gerenciamento e manipulação de IM.
Palavras-chave: DICOM, Imagem Médica, Internet, Teleradiologia.
Abstract - The advent of the digital devices for medical diagnosis has decreased the use of the regular films
in radiology, like this the management of medical images in digital format has become a critical task. In this
work we present a prototype, based on World Wide Web (WWW) technologies that carries out this task. The
prototype involves a medical image server, which allows query and retrieval of medical images stored on
DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) archives, as also it receives and handles service
requests from devices and applications compliant with the DICOM standard. The medical images can be
viewed and handled inside a Web browser (the application client) by means of a Java application (applet).
This approach offers some advantages over the traditional Picture Archiving and Communications Systems
(PACS), such as: facility of installation and maintenance, platforms independence, and also contributes to
the distribution and integration with others existing systems in the institution. The system can be used inside
and outside from the health institution, which demands the implementation of security policies. The simplicity
and flexibility of the Web technologies enable the use of this application that provides and enhances
resources for management and handling of medical images in digital format.
Key-words: DICOM, Medical Image, Internet, Teleradiology.
Introdução
As IM são amplamente utilizadas em
instituições hospitalares, tornando-se ferramentas
importantes na prática da Medicina moderna, pois
tais imagens têm oferecido, não apenas uma
forma de visualização não-invasiva de órgãos,
tecidos, ossos e outras estruturas do corpo de um
paciente, mas também um meio para monitorar
os efeitos de tratamentos e planejar cirurgias. No
entanto, devido à grande utilização de
equipamentos digitais de diagnóstico, uma
instituição
que
mantém
um
Centro
ou
Departamento de Radiologia gera uma enorme
quantidade de dados sobre IM, o que torna crítica
a realização das tarefas de armazenamento,
distribuição e manipulação desses dados. Aliado
a isto, está a incompatibilidade do formato das
informações digitais geradas pelos diferentes
sistemas de aquisição existentes no meio clínico.
Somente em 1993 foi homologada, pelo
comitê ACR-NEMA (American College of
Radiology – National Electrical Manufacturers
Association),
a
última
versão
de
uma
especificação completa de um padrão, designado
DICOM (Digital Imaging and Communications in
Medicine), com ampla aceitação pelos fabricantes
de equipamentos e comunidade usuária, para
comunicação e arquivamento de IM em formato
digital. DICOM é o resultado do aperfeiçoamento
de especificações anteriores: ACR-NEMA 1.0
(1985) e ACR-NEMA 2.0 (1988) [1]. O padrão
DICOM contempla um conjunto de especificações
envolvendo um protocolo de comunicação para
troca de informações clínicas, um conjunto de
serviços para o gerenciamento das atividades
num Departamento de Radiologia, bem como o
formato e codificação dos arquivos de IM e
requisições (mensagens) de serviços deste
padrão.
Muitos PACS têm sido desenvolvidos com
o intuito de gerenciar este enorme volume de
dados gerados pelos diferentes sistemas de
aquisição de IM, oferecendo funções de
armazenamento, recuperação, processamento e
visualização destes dados num ambiente clínico.
Nestes sistemas as IM e suas informações
associadas podem ser recuperadas rápida e
eletronicamente [2]. Porém, o alto custo destes
sistemas, muitas vezes, inviabiliza usufruir por
completo dos recursos trazidos pela digitalização
das IM [3] e o fato de muitos destes sistemas
constituírem soluções proprietárias dificulta a
possibilidade
de
compartilhamento
de
informações clínicas e interoperabilidade entre os
diferentes
sistemas
das
instituições
de
assistência à saúde, principalmente aquelas que
mantêm atividades ligadas ao ensino e pesquisa.
Em adição ao desenvolvimento de
metodologias e abordagens para aquisição e
processamento de IM, o uso da Internet e
tecnologias complementares em aplicações
clínicas não é novidade. Tais tecnologias têm sido
utilizadas na transmissão de arquivos, acesso às
informações de um PACS e propostas de
teleradiologia e telemedicina. O sistema de
comunicação Web, baseia-se na troca de
informações e hipertextos, operando sobre um
modelo baseado numa arquitetura cliente-servidor
que envolve três componentes básicos: o cliente
(navegador Web), o servidor (servidor Web) e a
rede (Internet ou Intranet). A distribuição de IM e
informações associadas com o uso de tais
tecnologias torna-se uma solução atrativa, a qual
faz uso de padrões e equipamentos já disponíveis
em muitos ambientes clínicos [4].
Este trabalho apresenta a implementação
de um conjunto de aplicações composto por um
servidor e um cliente DICOM. Tal conjunto,
disponível como um protótipo, faz uso do canal de
comunicação disponibilizado pela Internet, com o
intuito de prover os serviços de gerenciamento de
IM e informações associadas, envolvendo a
transmissão, armazenamento e recuperação,
bem como a eficiente manipulação destas
imagens. Todas as operações realizadas por este
conjunto de aplicações são executadas em
conformidade com a especificação do padrão
DICOM.
Metodologia
Aliado ao rápido avanço da Internet, a
linguagem
Java,
desenvolvida
pela
Sun
Microsystems, revolucionou as aplicações Web
[5]. Java é uma linguagem estritamente orientada
a objetos, robusta, segura, de arquitetura neutra,
portável, de alta performance, multithreaded,
dinâmica e que oferece um número de extensões
que suportam o desenvolvimento tanto de
aplicações cliente/servidor como stand-alone [6].
A portabilidade e facilidade de desenvolvimento
de aplicações Web fazem de Java uma boa
opção para o desenvolvimento e implementação
de
aplicações
clínicas,
considerando
a
heterogeneidade e natureza distribuída do
ambiente clínico.
As aplicações desenvolvidas neste trabalho
foram escritas em Java, com o uso de um
conjunto de classes oferecido por um toolkit
DICOM, também escrito em Java e desenvolvido
em um trabalho de mestrado [7], o
qual
encapsula toda a especificação deste padrão.
Primeiramente, construímos o servidor
DICOM de IM, chamado ImagCom DICOM Image
Server (IDIS). Esta aplicação recebe, executa e
reage coerentemente às requisições de serviço
originadas de equipamentos e/ou aplicações
compatíveis com o padrão DICOM. O IDIS reúne
diferentes módulos que fazem o armazenamento,
pesquisa e recuperação de IM de diferentes
modalidades, mantendo uma base de IM DICOM.
Esta aplicação oferece os seguintes serviços:
• Gerenciamento da base de IM, recebendo
imagens de diferentes modalidades, a partir
de fontes externas, como equipamentos de
ultra-sonografia
(US),
tomografia
computadorizada
(CT)
e
ressonância
magnética (RM), entre outros;
• Concessão de permissões para que clientes
DICOM distribuídos geograficamente possam
interrogar a base de IM, respeitando-se as
normas de segurança implementadas na
instituição;
• Controle das conexões e acesso à base de
IM;
• Disponibilização
dos
serviços
de
armazenamento, pesquisa e recuperação de
•
IM, independentemente do fabricante do
equipamento, por meio de comandos e
requisições de serviços DICOM para troca de
informações;
Conexão de clientes, tanto por uma porta
TCP/IP (Transmission Control Protocol /
Internet
Protocol),
quanto
via
HTTP
(Hypertext Transfer Protocol), por meio de um
navegador Web.
ImagCom DICOM Image Server
Camada de Dados
Base de IM
D
Camada de Aplicação
I
C
(Armazenamento, Pesquisa e Recuperação)
O
HTTP
M
Internet
Internet
...
Clientes Web
Navegador Web
...
Navegador Web
Navegador Web
Figura 1 – Contextualização do IDIS.
A Figura 1 mostra a contextualização do
ambiente onde servidor (IDIS) pode ser inserido.
O IDIS possui duas interfaces, DICOM e HTTP,
para troca de informações entre os sistemas
clínicos, por meio de protocolos padrão.
Internamente, o servidor está dividido em duas
camadas: camada de dados e camada de
aplicação. A camada de dados contempla as
funções relativas ao gerenciamento da base de
IM e informações clínicas. Para tanto, esta
camada dispõe de um conjunto de métodos
(rotinas) que implementam a funcionalidade dos
serviços especificados pelo padrão DICOM,
manipulando as informações contidas na base de
IM. Ao lado desta camada está a camada de
aplicação que mantém uma infra-estrutura de
forma a suportar a comunicação (recebimento e
envio) de mensagens DICOM provenientes de
equipamentos e sistemas clínicos. Além da
interface DICOM, o IDIS também disponibiliza
uma interface HTTP que possibilita a conexão de
clientes para realização de consultas e
recuperação de informações DICOM na base IM
do IDIS ou de outras bases de IM que o IDIS
pode acessar.
O IDIS e a aplicação cliente foram
implementados e testados sob a plataforma
Microsoft Windows NT. Para desenvolvimento e
testes utilizamos um computador pessoal (PC)
com processador Athlon 900MHZ, com 256MB de
memória RAM, com sistema operacional MSWindows NT server 4.0 com o servidor de HTTP
Apache 1.3.23 [8]. Para implementação do IDIS,
começamos investigando a troca de informações
entre um equipamento de US e um PC.
Inicialmente, pretendíamos escrever o serviço de
verificação (C-ECHO), porém antes de um par de
aplicações DICOM iniciar a troca de serviços é
preciso que estas aplicações executem um
processo que trata da negociação da associação.
Este processo cria um canal para troca de
mensagens entre as partes envolvidas na
comunicação e define os papéis de provedor e
usuário (cliente e servidor) dos serviços DICOM,
quais serviços uma aplicação pode oferecer, bem
como, as regras de codificação dos dados e
mensagens. Após a implementação, teste e
validação do funcionamento do serviço C-ECHO,
incorporamos ao servidor as classes de
armazenamento,
pesquisa
e
recuperação
DICOM.
Na camada aplicação, o IDIS contempla
um módulo próprio que realiza os serviços de
pesquisa e recuperação DICOM requisitados
pelas aplicações clientes. A camada provê os
serviços
de
pesquisa,
recuperação
e
armazenamento de IM, em resposta às
requisições de equipamentos e/ou aplicações
DICOM de diferentes modalidades.
Para manter a localização dos estudos
disponíveis na base, o IDIS, na camada de
dados, manipula um banco de dados relacional, o
MySQL 3.22 [10], para indexar as séries de IM
pertencentes aos estudos clínicos. Quando o
usuário interroga a base sobre um paciente
específico, o IDIS pesquisa sua base de IM e as
diferentes bases de IM DICOM disponíveis na
rede, pela execução do serviço DICOM C-FIND.
A mesma base é atualizada quando é atendida
uma requisição do comando C-STORE.
Analogamente ao servidor e, novamente
utilizando o toolkit DICOM, implementamos os
clientes, chamados DICOM Web Viewer, com a
função de requisitar os serviços de pesquisa e
recuperação, exibir e possibilitar a manipulação
de IM. Os clientes estão implementados em duas
versões, uma como sendo uma aplicação standalone e outra como sendo uma applet Java,
ambas com a mesma interface gráfica para o
usuário.
Pelo
fato
da
aplicação
manipular
informações clínicas de diversos pacientes, o
acesso a este servidor está restrito a usuários
devidamente cadastrados e autorizados, de forma
a considerar os aspectos éticos, de privacidade e
segurança das informações. Após a conexão e
autenticação do usuário, este pode acessar as IM
da base do IDIS, enviando requisições de
pesquisa, baseadas no comando C-FIND, pelo
nome do paciente, identificação, modalidade do
exame ou data do estudo. Com base no critério
da pesquisa, o IDIS retorna uma lista dos
pacientes que satisfazem a requisição de busca,
com seus respectivos estudos. A Figura 2 mostra
o módulo de gerenciamento dos estudos, onde o
usuário pode pesquisar e recuperar as
informações contidas na base de IM da
instituição. Na parte superior estão disponíveis os
parâmetros de configuração da conexão com o
servidor de IM, juntamente com o critério para
buscas na base.
No lado esquerdo é
apresentada a lista de pacientes (como uma
estrutura de árvores) com seus estudos clínicos,
pela qual o usuário pode selecionar e recuperar
os estudos de um determinado paciente.
Figura 2 – Gerenciador de Estudos.
Quando um estudo é selecionado, as
imagens que o compõem são carregadas, por
meio de uma requisição do serviço C-GET, a
partir da base do IDIS e das demais bases de IM
DICOM disponíveis na rede. As imagens que
compõem o estudo selecionado são mostradas
na janela ao lado direito, para uma visualização
prévia destas (como thumbnails). Inicialmente, é
apresentada uma visualização com baixa
resolução, até que todas as imagens que
compõem o estudo estejam completamente
carregadas.
Apesar do IDIS ter uma interface Web e os
clientes também serem executados num
navegador
Web,
os
arquivos
das
IM
armazenadas em sua base são arquivos DICOM
e em nenhum momento estes arquivos são
comprimidos ou convertidos para qualquer outro
formato, como os formatos padrão da Internet,
tais como, JPEG (Joint Photographics Experts
Group) ou GIF (Graphic Interchange File). O
visualizador de IM DICOM do cliente pode exibir
imagens com 8, 12 ou 16 bits por pixel e,
adicionalmente, imagens com algum tipo de
compressão DICOM e paleta de cores, como as
obtidas em ultra-sonografia e medicina nuclear.
Figura 3 – O negatoscópio virtual.
Após selecionar o estudo, o usuário pode
visualizar as imagens componentes deste estudo,
como um thumbnail, dispostas numa janela, uma
ao lado da outra, como que num negatoscópio
(Figura 3), com a possibilidade de interagir,
individualmente, com cada uma delas, com o
suporte às funções básicas de processamento de
imagens, como alteração de brilho e contraste,
alteração de escala (zoom), rotação, adição de
tabelas de cores falsas e animação dos frames
componentes do estudo, incluindo funções de
seleção de regiões de interesse. Nenhuma das
operações, realizadas nas imagens neste módulo
da aplicação, altera o arquivo original da IM.
Para imagens dinâmicas, pode-se salvar a
animação dos frames. As regiões de interesse,
juntamente com as respectivas imagens, podem
ser salvas para futura utilização. Algumas das
funções da seleção de regiões de interesse
incluem:
1. Linhas, retângulo, círculo, contorno à mão
livre;
2. Textos de anotação;
3. Algumas funções para seleção de cores do
texto e da caneta de desenho.
Tanto o cliente quanto o servidor utilizam
técnicas de processamento multithread. No caso
do cliente, esta técnica é utilizada para acelerar o
processo de carregamento da imagem. Enquanto
uma linha de execução cuida de carregar a IM a
partir do servidor, outra cuida da decodificação e
visualização das informações.
Resultados
O acesso e manipulação de IM digitais
utilizando ferramentas Web oferece um relevante
conjunto de vantagens que se inicia na natureza
onipresente da Internet e potencialidade de
qualquer computador, equipado com um
navegador Web, executar aplicações Java,
inclusive aplicações de âmbito clínico.
A abordagem apresentada neste trabalho
foi
testada
somente
em
ambiente
de
desenvolvimento, em laboratório e para validar a
funcionalidade, fizemos testes numa sala de
exames de ultra-sonografia, de uma clínica de
diagnóstico por imagens de Ribeirão Preto - SP.
Nos testes iniciais destinamos o uso da aplicação
exclusivamente à modalidade de ultra-som.
Verificada a funcionalidade para esta modalidade,
estendemos seu uso para outras modalidades. E,
com novos testes, validamos a funcionalidade da
aplicação para diferentes modalidades de estudos
clínicos.
Com esta abordagem conseguimos, além
da manipulação e visualização eficientes de IM
disponíveis num PACS, algumas vantagens em
relação aos tradicionais PACS para acesso e
manipulação de dados sobre IM:
•
A Web, dada à sua natureza onipresente,
oferece uma interface de rede com
funcionalidade universal e independente de
plataforma;
• Facilidade de instalação e manutenção do
software;
• Facilidade de integração com outros sistemas
existentes na instituição.
Uma outra característica relevante nesta
abordagem é que as imagens devem “viajar” da
base de IM DICOM do servidor até o navegador
do usuário cliente. Assim, o sistema fica mais
dependente da rede, neste caso a Internet.
Assim, a velocidade de transmissão dos dados
dependerá da estrutura da rede. Porém, esta
abordagem supre a necessidade de troca de
informações
entre
diferentes
setores
da
instituição e outras instituições. Além disso, o
problema de desempenho do sistema, devido à
velocidade de transmissão dos dados, é
contornado pelo pré-carregamento das IM da
base do IDIS.
Figura 4 – PACS tradicional.
Figura 5 – Utilização do IDIS.
A Figura 4 ilustra um PACS tradicional. O
arquivo central de IM, normalmente, é
“sobrecarregado” por imagens enviadas a partir
dos equipamentos da instituição e deve
responder a todas as requisições de serviços de
pesquisa e recuperação dos equipamentos da
rede. Em nossa abordagem (Figura 5), com a
utilização do IDIS, podemos, praticamente,
minimizar e, até mesmo, descartar o acesso
exclusivo ao PACS com a diminuição do fluxo das
requisições feitas ao servidor deste sistema.
Dentre os resultados obtidos, destaca-se a
apresentação
deste
conjunto
aplicações,
juntamente com outras aplicações, em uma das
conferências do JavaOne 2002 [11], relatando a
experiência do Brasil no desenvolvimento de
aplicações clínicas com a tecnologia Java.
Discussão e Conclusões
Nosso sistema oferece algumas vantagens
em relação aos tradicionais PACS. Pelo fato do
sistema
estar
baseado
num
modelo
cliente/servidor em que o cliente necessita
apenas ter um navegador Web instalado, isto
torna fácil a instalação e manutenção do sistema.
Além disso, o sistema também está baseado
numa interface Web, viabilizando sua utilização
numa
rede
heterogênea
(multiplataforma).
Adicionalmente, se existir na instituição uma
política de segurança implementada, o sistema
também pode ser facilmente utilizado fora do
ambiente clínico.
Nos tradicionais PACS, o servidor de
arquivo de IM está sempre ocupado recebendo
exames de diversas modalidades e respondendo
às requisições das estações de visualização e
equipamentos
de
aquisição.
Com
esta
abordagem tende a ocorrer uma diminuição no
fluxo de requisições enviadas ao arquivo central
da rede PACS (como mostra a Figura 5).
Podendo este, ser substituído pelo IDIS, numa
situação de diminuição de custos.
Nossa aplicação oferece um acesso
eficiente e flexível à base de IM digitais,
viabilizando
manipulá-las sobre a Internet,
reduzindo custos de aquisição de equipamentos
para a construção de uma infra-estrutura
dedicada à transmissão, gerenciamento e
manipulação de IM digitais, dentro e fora de um
departamento de radiologia. A solução é
independente de plataforma, viabilizando a
integração de diferentes sistemas e aplicações
DICOM. Além disso, em complemento às
tecnologias WWW, Java permite a manipulação e
exibição eficiente de IM.
A disponibilidade de uma aplicação, como
esta, desenvolvida para uma arquitetura aberta
como a Web favorecerá o desenvolvimento de
aplicações de pronto atendimento, fornecendo ao
corpo clínico responsável plenas condições de
monitoramento remoto do estado do paciente,
bem como auxílio à tomada de decisões.
Agradecimentos
À Fundação de Amparo à Pesquisa do
Estado de São Paulo (FAPESP), pelo apoio e
financiamento do projeto de pesquisa que
viabilizou o desenvolvimento e implementação
deste trabalho.
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Contato
Marcelo dos Santos, MSc.
Aluno de Doutorado
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