dicom. conceptos básicos

7/25/2019 DICOM. Conceptos bsicos

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DICOM

1. Qu es DICOM?

DICOM es el acrnimo de Digital Imaging and Communications inMediciney pasa por ser el estndar universal en imgenes mdicas digitales.Como tal, proporciona todas las herramientas necesarias para el procesado deimgenes y una representacin diagnstica precisa. No se trata simplemente deun formato de archivo o de imagen, sino que constituye un protocolo universalde transferencia, almacenamiento y visualizacin de datos, diseado para cubrirtodos los aspectos funcionales de la medicina contempornea.

Otro acrnimo importante y relacionado es PACS (Picture Archiving andCommunication Systems). El PACS es el sistema mdico consistente en elnecesario hardware y software- diseado para ejecutar imgenes mdicas.

Consta de:1. Dispositivos de adquisin, tales como escneres CT o ultrasonidos.2. Archivos de imagen digital. Donde se almacenan las imgenes.3. Estaciones de trabajo. Donde los radilogos visualizan (leen las

imgenes.

El PACS est directamente relacionado con DICOM: ambos constituyenel estndar universal en imagen mdica. Cada unidad DICOM tiene su propiopropsito, implementando slo un subconjunto de los requerimientos de DICOMpara la tarea. Es por ello que cualquier dispositivo o software PACS incluye unDICOM Conformance Statement, que explica qu soporte a qu dispositivo da elestndar DICOM. De esta forma, un escner CT usa DICOM para adquirir ydistribuir imgenes tomogrficas, una impresora DICOM para imprimir, unarchivo DICOM para almacenar y una consulta de datos DICOM, etc.

2. Cmo funciona DICOM?

DICOM utiliza su propio lenguaje. Todos los datos del mundo real(pacientes, estudios, dispositivos, etc) se entienden como objetos conpropiedades o atributos. La definicin de stos se estandarizan de acuerdo a lasDICOM Information Object Definitions (IODs). Una Patient IOD, por ejemplo,puede describirse por el nombre del paciente, ID, sexo, edad, peso, si esfumador, etc. As, un paciente es el conjunto de atributos en que consiste.

DICOM contiene una lista de los atributos estndar (ms de 2000), conocidacomo DICOM Data Dictionary.

Tan pronto como los datos se interpretan como atributos DICOM, puedenser transmitidos y procesados por varios softwares y dispositivos, conocidoscomoApplication Entities (AEs) en DICOM. Cada AE proporciona servicios a lasdems. Como cada servicio generalmente incluye intercambio de datos, esnatural asociar tipos de servicio con datos (IODs) que procesan. DICOM llama aa esas asociaciones Service-Object Pairs(SOPs) y los agrupa en SOP Classes.Por ejemplo, guardar una imagen de un CT en un archivo del PACS secorresponde con el SOP de almacenamiento CT. En este ejemplo, la imagen CT

representa el IOD. El escner CT solicita el servicio de almacenamiento alarchivo y el archivo proporciona el mismo al escner. Por lo tanto, DICOM


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nombra a los solicitantes de servicio Service Class Users (SCUs) y a losproveedores, Service Class Providers (SCPs). Los roles SCU/SCP puedencambiar dependiendo del proceso lgico.

El lenguaje de DICOMLos datos clnicos se presentan en una amplia variedad de formatos. Las

distancias pueden medirse en milmetros, el tiempo en segundos, los nombresde los pacientes tpicamente se escriben con caracteres alfanumricos, etc.Cmo se relaciona DICOM con esta multitud de formatos de datos?

Se definen 27 tipos de datos bsicos, conocidos como valuerepresentations (VRs), diseados para contener todos los posibles datosclnicos. Cualquier cosa escrita en DICOM debe corresponder con uno de estos27 tipos. Cada VR tiene su nombre abreviado de dos letras, una definicin de loque representa, una descripcin de qu caracteres se permiten en este dato yuna longitud de dato prefijada.

Tipos de datos en DICOM:- Cadenas de caracteres (3): CS (Code String, cadena corta con

espacios sin significado), SH (Short String, cadena corta, 16caracteres), LO (Long String, 64 caracteres, 2)1.

- Textos con prrafos (3): ST (Short Text, 1024), LT (Long Text, 10240),UT (Unlimited Text, 264caracteres).

- Nombres de dispositivos, personas y casos (3): AE (Application Entity,16), PN (Person Name, 64), UI (Unique Identifier, 64, identifica unaamplia variedad de objetos).

- Fechas y tiempo (4): DA (Date, YYYYMMDD), TM (Time,HHMMSS.FFFFFF), DT (Date Time, concatenacin), AS (Age String,

das, semanas, meses y aos).- Nmeros en formato texto (2): IS (Integer String, 12), DS (Decimal

String, 16).- Nmeros en formato binario (10):SS (Signed Short, 2), US (Unsigned

Short, 2), SL (Signed Long, 4), UL (Unsigned Long, 4), AT (AttributeTag, 4), FL (Floating Point Single, 4), FD (Floating Point Double, 8),OB (Other Byte String, una cadena de bytes no definida en otro VR),OW (Other Word String, 2), OF (Other Float String, 4).

- Otros (2):SQ (Sequence of Items), UN (Unknown).

La parte PS3.6 del estndar contiene el DICOM Data Dictionarycompleto,que se usa para codificar todos los atributos del estndar DICOM. Todos estosatributos deben estar formados por combinaciones de estos 27 tipos de datos.Para ordenar la lista de ms de 2000 elementos, stos se dividen en gruposnumerados, ordenados por similitud general. Los grupos se organizan enelementos individuales: es decir, cada objeto se numera por s mismo como(Grupo, Elemento), tambin conocido como tag (etiqueta). Los elementosetiquetados son, precisamente, los llamados atributos, o elementos de DICOM.

Un objeto DICOM es una coleccin de elementos (o atributos). Porejemplo, consideremos una imagen mdica digital. Tendr varios atributos como

anchura, altura, colores, fecha, etc. Todos esos atributos pueden encontrarse en1Cada caracter se representa por un byte.


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el DICOM Data Dictionary y sern traducidos a elementos DICOM, cada uno consu propia etiqueta y valor. La secuencia de estos elementos traducidos, quedescriben la imagen completamente, forman un objeto DICOM.

Jerarqua de la informacin en DICOMVeamos cmo estructura su informacin DICOM. El orden jerrquico

utilizado es Paciente-Estudio-Serie-Imagen. Es decir:- Un paciente puede tener mltiples estudios.- Cada estudio puede incluir una o ms series de imgenes.- Cada serie tiene una o ms imgenes.Esta jerarqua refleja lo que ocurre en la realidad: un paciente llega a un

hospital, donde varios estudios pueden serle programados (por ejemplo,exmenes de RM, CT y US). Es posible, adems, que necesite algn otro estudiode seguimiento ms adelante. Cada estudio puede tener mltiples series deimgenes (por ejemplo, reconstrucciones CT variando los protocolos deadquisicin). Y, en cada serie, naturalmente, puede haber una o ms imgenes.

Para implementar esto, DICOM asigna una clave ID a cada nivel dejerarqua. Para el nivel de paciente, sta es el ID de paciente (Patient ID). Todoslos pacientes deben tener IDs que los identifiquen unvocamente. El mismoprincipio se aplica a los otros tres niveles: en el nivel de estudio, cada estudiotendr su Study Instance UID, cada serie su Series Instance UIDy cada imagensu SOP Instance UID.

La informacin se presenta dividida en mdulos. Por ejemplo, el Mdulode Identificacin del Paciente agrupa toda la informacin identificativa: lasetiquetas de datos para el nombre del paciente, ID, fecha de nacimiento, etc. Esposible dejar valores en blanco en un mdulo. Su principal objetivo no es

recolectar toda la informacin del paciente, sino presentarla en bloquesestructurados y relacionados entre s. Por ejemplo, si nuestro paciente se sometea un estudio clnico, se aadir un Mdulo de Estudio Clnico con el registro detodos los atributos relacionados con el mismo.

Las DICOM Information Entities (IEs)se construyen a partir de mdulosde forma directa. Para cada IE, DICOM simplemente lista unos cuantos mdulosque deberan incluirse. Por ejemplo, la IE Comn de un paciente debera listar elMdulo del Paciente, el Mdulo de Identificacin y el Mdulo de Estudio Clnico.Las IEs representan el siguiente nivel de complejidad en el modelo deinformacin de DICOM.

3. Imgenes mdicas en DICOM

Mapas de bit DICOMUna imagen digital es una matriz rectangular de pxeles, es decir,

minsculos puntos de diferente color que forman la imagen real. Por ejemplo,una imagen tpica de CT tiene 512x512=262144 pxeles. Si escribimos esospxeles lnea a lnea empezando desde la esquina superior izquierda tendremosuna secuencia de 262144 valores de pxel, que pueden almacenarse en unregistro. Esencialmente, este archivo es la imagen mapa de bits raw(bruta).

Los atributos que DICOM considera importantes en una imagen son:

- Anchura y altura. Su producto a menudo se refiere como resolucinespacial de imageny es igual al nmero de pxeles total en la imagen.


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- Valor de pxel. Cada pxel puede ser una mezcla de varios valoresmuestrales. El caso ms tpico es el color de pxel, que comprende tresvalores diferentes (RGB). Ya que el valor de cada escala contribuye albrillo de pxel, la mezcla de los tres constituye el color. En imgenesen escala de grises, sin embargo, los pxeles suelen almacenarse con

una sola escala monocromtica por pxel, que corresponde a laluminosidad del pxel en la escala de grises. Cuando se usanmuestreos de 2 bytes (16 bits), se obtienen 216=65536 posibles nivelesde gris. En cualquier caso, la eleccin del muestreo de pxelpermenece constante para todos los pxeles de una imagen.

- Bits usados para almacenar un pxel, Bs. DICOM llama a esteparmetro bits de almacenamiento (bits stored). Por ejemplo, sitenemos una imagen en escala de grises donde cada pxel usa 8 bits,entonces Bs=8 y el nmero de grises en esta imagen ser 2Bs=28=256.Si incrementamos el nmero de stored bitsa 10, tendremos 210=1024grises por muestra, etc. Es decir, el nmero de bits stored es el

responsable de la profundidad del color: muesta cmo de rica es laimagen. Es similar a la resolucin espacial, pero en el dominio de laluminosidad: cuanto ms, mejor.

- Bits adjudicados por pxel, Ba. Es esencialmente Bs, redondeado aun mltiplo de 8 (un byte). Muestra cunta memoria ser usada paraalmacenar un valor de pxel. Claramente, BsBa.

- High bit, Bh. Corresponde al ltimo valor de Bsdentro del segmentode longitud Ba.

Veamos un ejemplo: una muestra se almacena en Bs=10 bits, perocontando desde el bit nmero dos. Como DICOM almacena los valores de highbit Bhy de bits stored Bs, podemos recuperar la primera posicin low bit comoBh+ 1 - Bsy el resto seguir a la misma. La parte complicada en la manerahistrica de codificar es cmo DICOM puede aprovechar los bits no usados. Ennuestro ejemplo, Ba- Bs= 6 bits: los bits 0-1 y 12-15 no contienen ningn dato,as que desperdiciamos el 6/16=37.5% del espacio de almacenamiento. Paraocuparlo, DICOM sola almacenar informacin adicional. Esta forma de codificares confusa, por lo que, hoy en da se utilizan otras tcnicas, como la compresinde imgenes.

Compresin de imgenesConsideremos una tpica imagen de CT con anchura=altura=512, en

escala de grises (una muestra por pxel) y bits stored=12. Cunta memoria

ocupar el almacenamiento de esta imagen?

Para almacenar 12 bits, necesitamos 2 bytes. Si el nmero total de pxeleses 512x512, necesitaremos 2x512x512=524288 bytes. Sin embargo, lasimgenes CT no vienen solas, sino en series y estudios, cada uno conteniendode cientos a miles de imgenes. En nuestro caso, simplemente 200 imgenesCT ocuparan 100 MB. Cmo tratamos con un volumen de datos tan grande?

Con la compresin de imgenes, cogemos los dos bytes de pxel y losreordenamos en una forma mucho ms corta. Esto reduce significativamente eltamao de la imagen original. DICOM incluye algoritmos de compresin bien

conocidos como RLE, JPEG, JPEG2000, JPEG-LS y ZIP. Todos estosalgoritmos se desarrollaron separadamente, resultando en estndares ISO y


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aplicaciones distintas. DICOM simplemente los adopta. Todos los objetosDICOM con pxel comprimidos se codifican con un VR especfico.

Cualquier algoritmo de compresin intentar encontrar y cortar cualquierinformacin redundante haciendo el archivo ms corto. La eficiencia de esterecortese cuantifica por el ratio de compresin:

=Tamao original

Tamao comprimido

A mayor ratio, mejor compresin. Cada algoritmo ofrece su propiaestrategia para maximizar Rcomp, pero conceptualmente y en la prctica, todaslas tcnicas de compresin pueden clasificarse en: reversiblese irreversibles.

Compresinreversible(sinprdidas,lossless)

La compresin reversible no cambia la imagen. Tras comprimir ydescomprimir, se obtiene el archivo original, pxel por pxel. Esto se hace

reagrupando y renombrando los bytes de pxel. Por ejemplo, consideremos lasecuencia de valores de pxel: 1000, 1001, 1002, 1002, 1000, 1000, 1001,1057Una compresin reversible tratar de explotar la repeticin de los valoresms frecuentes como 1000 y sustituyndolos por smbolos ms cortos. Porejemplo, si reemplazamos 1000 por a, se obtiene: a, 1001, 1002, 1002, a, a,1001, 1057Como aes ms corto que 1000, nuestra cadena de datos se havuelto ms corta y mientras que recordemos que aequivale a 1000, podemosrecuperar la cadena original.

Toda imagen naturalsiempre tiene algo repetitivo a comprimir. Los pxelesvecinos tienden a menudo a tener valores similares, as como una imagen puedetener grandes reas con el mismo valor de pxel (como, por ejemplo, en un fondonegro). Sin embargo, la repetitividad de pxel puede explotarse solo en ciertascondiciones y para una imagen mdica media, Rcompestar entre 2 y 4, lo quesignifica que la imagen comprimida ocupar entre la mitad y un cuarto de laoriginal. Esto est bien, pero no es tanto como se consigue con compresinirreversible.

Compresinirreversible(conprdidas,lossy)

La compresin irreversible sacrifica algo de la informacin originalparaconseguir un ratio de compresin mucho ms alto. Este sacrificio se hace paraforzar a una redundancia adicional de datos para que pueda ser complementadacon una compresin reversible. Tomemos la secuencia anterior: 1000, 1001,1002, 1002, 1000, 1000, 1001, 1057 Ahora, la secuencia se modificaescogiendo un nivel de gris con un error aceptable (por ejemplo, un 0,1%), demodo que los valores 1001 se reemplazarn por 1000: 1000, 1000, 1002, 1002,1000, 1000, 1000, 1057 Aplicando ahora la compresin reversible,obtendramos: a, a, 1002, 1002, a, a, a, 1057Este resultado es mucho mscorto que con una compresin reversible pura. En otras palabras, mientras lacompresin lossless toma ventaja de los pxeles iguales, la compresin lossyaprovecha los pxeles casiiguales.

Los algoritmos actuales de compresin irreversible alcanzan valores delratio de compresin de hasta 100. Para imges mdicas medias, un valor

razonable de dicho ratio est entre 10 y 20. Obviamente, el margen de error nopuede ampliarse indefinidamente: en cierto punto, se aadirn artefactos. El


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equilibrio entre un alto Rcompy la degradacin visible de la imagen es un arte ens mismo. No osbtante, algunas consideraciones son:

1. Las imgenes con compresin lossydeben ser etiquetadas como tal.2. Los software CAD (Computer-Aided Diagnosis) constituyen

herramientas para evaluar la compresin de la imagen.

En la actualidad, las compresiones lossy se han vuelto relevantes envarios sistemas teleradiolgicos donde las imgenes deben ser transmitidas amenudo por redes con escaso ancho de banda. La responsabilidad por el uso deeste tipo de compresin recae en los radilogos.

Interpolacin de imgenesNotemos que cuando una imagen tiene 256x256 pxeles, por ejemplo, y

se visualiza en un monitor con una resolucin superior, por ejemplo, 1024x1024pxeles, la imagen parecer minscula a fines radiolgicos. Por ello, el PACSrealiza algo que cualquier otro software de imagen no hace: siempre interpolanlas imgenes pequeas para hacerlas ms grandes, de modo que pueda

aprovecharse todo el rea de un monitor.La interpolacin (zoom digital) es el proceso de cambiar la resolucin

original de una imagen digital incrementando artificialmente su nmero depxeles. Esto se hace mediante un algoritmo de interpolacin que inserta nuevospxeles entre los originales. Esto puede provocar una dominancia de los pxelesartificiales (aadidos por el programa), por lo que estas imgenes deben tomarsecon cautela.

La interpolacin puede ser de mejor o peor calidad segn la potencia delalgoritmo usado. Adems, tiene otro artefacto imposible de evitar y es laborrosidad a un zoom suficientemente grande al no poder aadir detalles finos y

bordes.

Profundidad de la escala de grisesConsideremos una imagen de CT con 10 bits de almacenamiento. Esto

produce 1024 niveles de gris. Siempre y cuando la imagen se mantenga en suformato DICOM original, mantendr sus 1024 niveles de gris, por lo que podrser mostrada y visualizada con monitores o software adecuados. Por otra parte,cuando la imagen se exporte a un formato no DICOM, como JPEG o BMP, quesoporte slo 256 niveles de gris o sea comprimida con una tcnica errnea, nohay manera de preservar los 1024 niveles originales.

Consideremos la funcin ventana/nivel, disponible en cualquier softwareDICOM o del PACS, que es usada para ajustar el rango de escala de grisesmomentneo. Por ejemplo, si estamos viendo una imagen CT con 1024 nivelesde gris, podramos navegaren los 1024 niveles originales- entre los huesos, elhgado, el cerebro y otras ventanas. Cada una de estas ventanas simplementetoma la correspondencia del subrango [C0,C1] con el rango de 1024 nivelesoriginal y lo ajusta al de 256 disponible en el monitor. En otras palabras, esto esmuy similar a hacer zoom en una ventana y recorrer un rango de nivelesconcreto.

Podemos discutir sobre el efecto que los diferentes monitores producenen la escala de grises ptima de visualizacin. De lejos, las propiedades ms

importantes del monitor son la luminanciay el contraste. El contraste es el ratioentre el blanco ms brillante y el negro ms oscuro que el monitor puede


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reproducir. Por ejemplo, un contraste de 1000:1 significa que el tono ms brillantees 1000 veces ms brillante que el ms oscuro. La luminancia del monitor seexpresa tpicamente en nits(cd/m2) y mide la cantidad de luz producida por elmonitor. Naturalmente, a mayor luminancia y contraste se diferenciarn mejorlos tonos de la imagen, obteniendo una imagen de mayor calidad. DICOM

describe esta diferenciacin con el concepto de Just Noticeable Difference(JND), la diferencia ms pequea en la escala de grises que el humano mediopuede observar en condiciones de visibilidad.

Tericamente, la JND depende de la luminancia del monitor. Por ejemplo,a unos buenos 500 cd/m2, los ojos humanos pueden distinguir 700 niveles degris. Al margen de esto, la JND puede ser usada para calibrar monitoresradiolgicos.

Formas de ondaLas formas de onda (waveforms) no son imgenes, pero casi en muchos

aspectos. Representan medidas de algunas cualidades fsicas muestreadas a

intervalos de tiempo constantes. Por ejemplo, el pulso arterial y respiratorio sepueden registrar en DICOM. En cada caso, el proceso de captura puederepresentarse con varios canales de seal (sonido estreo, por ejemplo). A esterespecto, las formas de onda son muy similares a las imgenes. Pero mientraslas imgenes se caracterizan por coordenadas espaciales (x e y), las formas deonda tienen una amplitud monodimensional variable en el tiempo.

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