Μοντελοποίηση ανοιχτής αρχιτεκτονικής για επικοινωνία ιατρικών απεικονιστικών εξετάσεων με βάση το πρωτόκολλο WADO του DICOM

Abstract

This dissertation introduces a new open architecture for medical imaging communication. This architecture is illustrated as a novel web Picture Archiving and Communication System (PACS) and focuses on teleradiology services. It is based on the concept of the web extension of Digital Imaging and Communication in Medicine (DICOM) that is the Web Access to DICOM Persistent Objects (WADO) protocol/service. WADO is the core of medical imaging communications through the Internet. The proposed architecture integrates DICOM services and common Internet services (based on web, FTP, and E-mail) into a unique operational domain. The dissertation also analyzes the operational specifications of the WADO service, detects the limits of its functionality and extends its access capability to the whole DICOM hierarchy (Patient, Study, Series and Object). The proposed service is called Web Access to DICOM Archives (WADA). WADA, as opposed to WADO, includes an extra internal query mechanism and support of medical reports submission. The whole of the proposed architecture services allow the access to all levels of the DICOM information hierarchy. The proposed architecture has a three-tier structure which includes client, server and data tiers and integrates the whole of the proposed services. This structure, including novelties, ensures flexibility in access, user mobility and enhanced data security. A lightweight client site is considered adequate, so that users fulfill their applications’ tasks, because the server site of the architecture provides clients with service interfaces through the web as well as with invulnerable space for temporary storage, called as User Domains. This dissertation also proposes the upgrade of the web PACS architecture in order to be established in a grid infrastructure. Grid provides a collaborative infrastructure for the distribution of the demanded web PACS server side resources (i.e. processing power, storage space and software applications) to more but available computer systems. Consequently, grid can meet high requirements effectively employing available low-cost PCs as servers. The dissertation presents the design characteristics of a data-centric grid PACS. Finally, the dissertation describes an integrated cooperative scheme between PACS and Radiology Information System (RIS). Two basic components (Main Patient Catalogue and HL7-DICOM Translator) create a dynamic and flexible interface between the two medical communication systems. The new scheme creates reference points between PACS and RIS and provides the infrastructure, which creates the conditions for integrated and automated administration of medical imaging examinations through web, from the request of them until the final format and delivery. Advanced security mechanisms are appended to the proposed web PACS in order to ensure communication encryption, user identification and access restrictions to data according to user roles. The proposed web-PACS architecture is pilot implemented using mainly Java-based technologies and standard-compliant products. The implemented web PACS and the PACS-RIS cooperative scheme were tested in laboratory and hospital environment. The functionality of the architecture proposed in this dissertation was evaluated by engineers in collaboration with doctors.

Η παρούσα διατριβή εισάγει μια νέα ανοιχτή αρχιτεκτονική για επικοινωνία ιατρικών απεικονιστικών εξετάσεων. Η αρχιτεκτονική αυτή παρουσιάζεται μέσα στα πλαίσια ενός νέου PACS-ιστού (PACS: Picture Archiving and Communication System - Σύστημα Αρχειοθέτησης και Επικοινωνίας Απεικονιστικών Εξετάσεων) και εστιάζεται σε υπηρεσίες τηλεακτινολογίας. Είναι βασισμένη στις γενικές αρχές της επέκτασης ιστού του DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine - Ψηφιακή Απεικόνιση και Επικοινωνίες στην Ιατρική) που έχουν ενσωματωθεί στο πρωτόκολλο/υπηρεσία WADO (Web Access to DICOM Persistent Objects - Πρόσβαση μέσω Ιστού σε Επίμονα Στοιχεία Εξέτασης DICOM). Η WADO είναι ο πυρήνας της επικοινωνίας ιατρικών απεικονιστικών εξετάσεων μέσω του Διαδικτύου. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική ολοκληρώνει υπηρεσίες DICOM και κοινές υπηρεσίες Διαδικτύου (που βασίζονται στον ιστό, στο FTP, και στο ηλεκτρονικό ταχυδρομείο) σε μια ενιαία λειτουργική δομή. Η διατριβή αναλύει επίσης τις λειτουργικές προδιαγραφές της υπηρεσίας WADO, διαπιστώνει τις αδυναμίες της και επεκτείνει τη δυνατότητα πρόσβασής της σε ολόκληρη την ιεραρχία DICOM (Ασθενής, Διαγνωστική Εξέταση, Σειρά Εξέτασης και Στοιχείο Εξέτασης). Η προτεινόμενη υπηρεσία ονομάζεται WADA (Web Access to DICOM Archives - Πρόσβασης μέσω Ιστού σε Σύστημα Αρχειοθέτησης DICOM). Σε αντιδιαστολή με τη WADO, η WADA περιλαμβάνει έναν πρόσθετο εσωτερικό μηχανισμό αναζήτησης και υποστηρίζει την υποβολής ιατρικής διάγνωσης. Το σύνολο των προτεινόμενων υπηρεσιών της αρχιτεκτονικής επιτρέπει την πρόσβαση σε όλα τα επίπεδα της ιεραρχίας της πληροφορίας DICOM. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική έχει μια δομή τριών επιπέδων που περιλαμβάνει τα επίπεδα πελάτη, εξυπηρετητή και δεδομένων και ενσωματώνει το σύνολο των προτεινόμενων υπηρεσιών. Η δομή αυτή συνδυαζόμενη με καινοτόμα στοιχεία διασφαλίζει την ευελιξία στην πρόσβαση, την κινητικότητα των χρηστών και την ενισχυμένη ασφάλεια των δεδομένων. Ένα «ελαφρύ» επίπεδο πελάτη θεωρείται επαρκές, έτσι ώστε οι χρήστες να είναι σε θέση να εκτελέσουν το έργο τους, επειδή το επίπεδο εξυπηρετητή της αρχιτεκτονικής παρέχει στους πελάτες διεπαφές των υπηρεσιών μέσω του ιστού καθώς επίσης και διασφαλισμένο χώρο για την προσωρινή αποθήκευση που καλείται Περιοχές Χρηστών (User Domains). Η παρούσα διατριβή προτείνει επίσης αναβάθμιση της αρχιτεκτονικής PACS-ιστού, ώστε να εγκαθίσταται σε μια υποδομή πλέγματος. Το πλέγμα παρέχει μια συνεργατική υποδομή που έχει ως αποτέλεσμα την κατανομή σε περισσότερα διαθέσιμα υπολογιστικά συστήματα των πόρων που απαιτείται να έχει η πλευρά των εξυπηρετητών του PACS-ιστού, όπως είναι η επεξεργαστική ισχύς, ο χώρος αποθήκευσης και οι εφαρμογές λογισμικού. Κατά αυτό τον τρόπο το πλέγμα καλύπτει τις υψηλές απαιτήσεις αποτελεσματικά χρησιμοποιώντας διαθέσιμα υπολογιστικά συστήματα χαμηλού κόστους ως εξυπηρετητές. Η διατριβή παρουσιάζει τα σχεδιαστικά χαρακτηριστικά ενός PACS-πλέγματος κεντρικοποιημένου αναφορικά με την πρόσβαση στα δεδομένα. Τέλος, η διατριβή περιγράφει ένα ολοκληρωμένο συνεργατικό σχήμα μεταξύ του PACS και του RIS (Radiology Information System - Σύστημα Πληροφοριών Ακτινολογικού). Δύο βασικές μονάδες (ο Κύριος Κατάλογος Ασθενών και ο Μεταφραστής HL7-DICOM) δημιουργούν μια δυναμική και ευέλικτη διεπαφή μεταξύ των δύο ιατρικών επικοινωνιακών συστημάτων. Το νέο σχήμα δημιουργεί σημεία αναφοράς μεταξύ PACS και RIS και παρέχει την υποδομή, η οποία δημιουργεί τους όρους για ολοκληρωμένη και αυτοματοποιημένη διαχείριση των ιατρικών απεικονιστικών εξετάσεων διαμέσου του ιστού, από την αίτηση τους μέχρι την τελική μορφοποίηση και παράδοση. Προηγμένοι μηχανισμοί ασφάλειας προστίθενται στο προτεινόμενο PACS-ιστού για να εξασφαλίσουν κρυπτογραφημένη επικοινωνία, προσδιορισμό της ταυτότητας των χρηστών και περιορισμούς της πρόσβασης στα δεδομένα σύμφωνα με τους ρόλους των χρηστών. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική PACS-ιστού υλοποιήθηκε πιλοτικά χρησιμοποιώντας κυρίως τεχνολογίες βασισμένες σε Java και προϊόντα συμβατά με τα αντίστοιχα πρότυπα. Το υλοποιημένο PACS-ιστού και το συνεργατικό σχήμα PACS-RIS εξετάστηκαν τόσο σε περιβάλλον εργαστηρίου όσο και σε περιβάλλον νοσοκομείων. Η λειτουργικότητα της αρχιτεκτονικής που προτείνει η παρούσα διατριβή αξιολογήθηκε από μηχανικούς σε συνεργασία με ιατρούς.