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1 Università degli Studi di Udine Facoltà di Medicina e Chirurgia CORSO DI LAUREA IN TECNICHE DI RADIOLOGIA MEDICA PER IMMAGINI E RADIOTERAPIA Introduzione ai Sistemi Informativi e alle Basi di Dati in Ambiente Medico D. Gubiani Nell ambiente medico c è l esigenza di avere a disposizione un sistema di gestione di dati sanitari efficiente. I dati trattati in ambito sanitario non sono però sempre e solo stringhe e numeri aprile 2011 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 1 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 2 HIS - Hospital Information System Schema di un HIS HIS è l acronimo di Hospital Information System Uno HIS è l insieme integrato di strumenti informatici utilizzati in ambito sanitario per gestire i flussi amministrativi e clinici di un ospedale Tipicamente comprende: - anagrafica centrale - repository dei referti - sistema di gestione dei pazienti - rendicontazione - analisi dei costi D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 3 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 4 Funzionalità di un LIS LIS è l acronimo di Laboratory Information System Un LIS è un sistema informatico utilizzato per gestire le richieste dei pazienti, oltre che processare e memorizzare le informazioni generate dai macchinari dei laboratori di analisi Alcuni sistemi più evoluti consentono anche di controllare direttamente le apparecchiature elettromedicali Funzioni di base: - accettazione del paziente - gestione delle prestazioni - dati processati - reportistica - estrapolazione dati A seconda del livello di integrazione con i sistemi informatici ospedalieri, il LIS è in grado di gestire uno scambio di informazioni con gli altri sistemi informatici ospedalieri D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 5 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 6

2 Processo di Refertazione - 1 RIS è l acronimo di Radiological Information System Un RIS è utilizzato nelle Radiologie per gestire il flusso dei dati legati ai pazienti Le funzionalità del RIS permettono di gestire il cosiddetto processo di refertazione - dall approccio del paziente con la struttura - all espletamento del referto PRENOTAZIONE: il primo approccio dal paziente alla struttura consiste nell identificare una disponibilità per l esecuzione degli esami prescritti. Importante è la gestione differenziata delle urgenze. RIS avanzati permettono la stampa di lettere di conferma appuntamento o invio di per conoscenza al medico di base. ACCETTAZIONE: il paziente viene identificato dal personale della radiologia, che provvede ad inserire nel RIS i dati necessari alla rendicontazione e stampare se necessario la modulistica richiesta. Alcuni RIS prevedono anche la gestione della cassa. In questa fase, vengono generati i riferimenti relativi all esame, che lo individueranno nell archivio secondo il protocollo DICOM. D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 7 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 8 Processo di Refertazione - 2 Processo di Refertazione - 3 AGENDE DI SALA: importanti strumenti informatici utilizzati per la produzione del programma giornaliero di sala o per verificare l attività del giorno. ESECUZIONE o ESPLETAMENTO: il personale in sala si accerta dell identità del paziente e si occupa di inserire quesito clinico e dati anamnestici. In questa fase possono venire registrati i componenti dello staff di esecuzione. CONSUMO e MAGAZZINO: vengono inseriti i dosaggi utilizzati per tarare la modalità e ci si occupa di scaricare il materiale dal magazzino. Ove previsto, vengono registrati anche i dati di dose fornita al paziente durante l esame. REFERTAZIONE e TRASCRIZIONE: i radiologi, esaminando le immagini e consultando i precedenti del paziente, effettuano la refertazione che viene trascritta. Tipicamente i referti vengono indicizzati per permettere la ricerca con keywords e vi vengono associate codifiche anatomopatologiche. FIRMA e STAMPA: il radiologo che ha effettuato l indagine diagnostica o un radiologo di sua fiducia rivede il testo inserito e provvede a validarlo con la firma autografa o con la firma digitale, rendendolo disponibile alla consegna. D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 9 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 10 Processo di Refertazione - 4 PACS - Picture Archiving and Communications System CONSEGNA: il personale addetto provvede a gestire la consegna dei referti e di eventuali supporti iconografici. RICERCHE e STATISTICHE: estrazione di dati ai fini clinici o amministrativo-gestionali, con possibilità di export. RENDICONTAZIONE: normalmente vengono gestite rendicontazioni per i pazienti esterni (che vanno rimborsati dalla Regione) e per i pazienti interni (gestiti a livello di centro di costo o in base ai drg) PACS è l acronimo di Picture Archiving and Communications System PACS è un sistema integrato, composto da un archivio di elevata capacità e da un certo numero di stazioni di visualizzazione e refertazione, collegato in rete con le modalità di acquisizione delle immagini D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 11 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 12

3 Situazione Regionale Progetto PACS Regionale - 1 La delibera di Giunta Regionale n 1479 dd. 22/06/2007 approva il Piano preventivo consolidato per il 2008: - autorizza l attuazione del piano di rinnovo tecnologico nel settore della radiodiagnostica - autorizza la realizzazione di un sistema PACS di tipo multidisciplinare e territoriale ad estensione regionale Il modello proposto si basa su un architettura e funzionalità distribuite a più livelli a seconda delle necessità operative e delle opportunità di concentrazione delle funzionalità gestionali e di controllo D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 13 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 14 Progetto PACS Regionale - 2 Allo stato attuale, è stata definito e costituito l assetto organizzativo per la realizzazione del progetto - componente centrale di coordinamento e progettazione - dimensione aziendale per la raccolta dei dati e delle esigenze funzionali per le successive fasi di implementazione Molte delle informazioni gestite dai sistemi HIS sono di tipo tradizionale: - amministrazione - anagrafica pazienti -... Si aggiungono però tutta una serie di dati multimediali (immagini, audio, video), oltre che dati spaziali (sistemi territoriali) D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 15 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 16 Dati di Radiologia... immagini radiologiche Un immagine (digitale) è costituita da un insieme di elementi detti pixel Ad ogni pixel viene associato un valore - un colore per immagini a colori - un tono di grigio per immagini a scale di grigio o immagini in bianco e nero Analogamente a quello che succede per i dati tradizionali: - un immagine in quanto tale non ha, se non interpretata dal radiologo, alcun valore clinico - deve essere modellata e correlata con altri dati D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 17 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 18

4 Proprietà delle Profondità La dimensione di un immagine è espressa indicando il numero di pixel orizzontali e il numero di pixel verticali - esempio 800 x 640 pixel La risoluzione di un immagine si misura in punti/cm o, più comunemente, punti/pollice (dpi) - legato a quanto sono fitti i punti che visualizziamo Per poter elaborare e gestire un immagine digitale è necessario che il valore associato ai pixel sia espressa in bit Il numero di bit riservati ad ogni pixel identifica la profondità, la capacità di rappresentare e distinguere le varie sfumature di grigio - 1 bit per pixel immagine in bianco/nero (1/0, cioè 2 1 toni) - 8 bit (1 Byte) per pixel permettono di rappresentare 2 8 = 256 livelli di grigio D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 19 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 20 a Colori Spazi di Colore - 1 Le rappresentazioni delle immagini a colori variano a seconda dei campi di colore che si usano Ad ogni pixel viene associato un insieme di campi di colore Un immagine RGB utilizza tre campi di colore: - componente rossa (R) - componente verde (G) - componente blu (B) Se ogni campo di colore è associato a 1 byte: - avremo 3 Byte per pixel x 256 x 256 = colori diversi Il concetto spazio di colore nasce dal fatto che, nella maggior parte dei casi, il colore associato ad un pixel viene espresso da 3 grandezze Due spazi di colore noti sono: - RGB Red Green Blue - CMY Cyan Magenta Yellow Alla base di questi spazi stanno i due modi diversi di sintetizzare il colore: - RGB sintesi additiva dei colori - CMY sintesi sottrattiva dei colori D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 21 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 22 Spazi di Colore - 2 Quanto Spazio Occupa un Immagine? Immagine a Colori 1600x x 1200 x 3 Byte = Byte = KByte = 5,49 MByte D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 23 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 24

5 Compressione - 1 La compressione è un metodo che consente di ridurre la dimensione di un file combinando le informazioni sui pixel relative a colori simili e memorizzando tali dati in uno spazio ridotto Esistono due tipi di compressione: - dei dati (o reversibile): riduce la dimensione del file senza modificare la qualità dell immagine (GIF e PNG) - delle immagini (o parzialmente reversibile): elimina le informazioni non necessarie dal file immagine (JPEG) Formati non compressi: TIFF, RAW DICOM è l acronimo di Digital Imaging and Communications in Medicine DICOM definisce i criteri per la comunicazione, la visualizzazione, l archiviazione e la stampa di informazioni di tipo biomedico - esempio: immagini radiologiche D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 25 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 26-2 Un Po di Storia - 1 DICOM identifica uno standard sviluppato nel 1993 per la gestione di immagini digitali e informazioni ad esse correlate in medicina: - ha stabilito la non divisibilità tra le immagini (i dati dei pixel) e i dati descriventi il procedimento che ha portato alla loro formazione - ha promosso l interconnessione tra le apparecchiature di diagnostica medica Originariamente sviluppato da American College of Radiology (ACR) e National Electrica Manufacturers Association (NEMA) Nel 1985 venne ufficializzata la versione 1.0 dello Standard ACR-NEMA Nel 1988 segui la versione 2.0: definiva il formato dei file conteneti le immagini oltre che lo standard fisico e di protocollo per l interconnessione punto-punto fra apparecchiature (implementazioni limitate) D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 27 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 28 Un Po di Storia - 2 DICOM VS Formato Immagine Nel 1993, con la versione 3.0, vennero introdotte specifiche inerenti il formato delle immagini, aggiunti numerosi servizi e implementati i protocolli TCP/IP e OSI Tale versione venne identificata con il termine DICOM Le immagini DICOM non sono assimilabili ad altri formati di compressione delle immagini E fondamentalmente un metodo per incapsulare i dati e per definire come questi debbano essere usati La maggior parte delle immagini DICOM vengono archiviate in forma non compressa D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 29 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 30

6 Informazioni DICOM Modello DICOM PAZIENTE: informazioni anagrafiche della persona sottoposta all indagine STUDIO: caratteristiche dell indagine diagnostrica e diverse modalità SERIE: per ogni modalità diagnostica è descritta ciascuna collezione di immagine IMMAGINE: attributi dei pixel che compongono l immagine (dimensione matrice, profondità pixel, rappresentazione del pixel e interpretazione fotometrica) D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 31 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 32 Principali Servizi di una Rete DICOM DICOM-Compliant STORAGE: archiviazione delle immagini (per inviare immagini ad un server) STORAGE COMMITMENT: archiviazione con l aggiunta della conferma di archiviazione avvenuta QUERY/RETRIEVE: richiesta da parte di un apparecchiatura verso un altra per conoscere la lista delle immagini su quest ultima MODALITY WORKLIST: gestione della lista degli esami da acquisire per ciascun paziente PRINT: stampa delle immagini DICOM è uno standard industriale e non uno standard ISO Una apparecchiatura DICOM-compliant non è detto che disponga di tutti i servizi Una certificazione di conformità (Conformance Statement) raccoglie i dettagli dell implementazione D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 33 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 34 Medical Image Viewer - Interfaccia Esistono numerosi software che permettono di visualizzare immagini codificate secondo lo standard DICOM Molti di pubblico dominio e scaricabili dalla rete Internet: - Medical Image Viewer [http://www.gbooksoft.com/features.php] D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 35 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 36

7 Medical Image Viewer - Browser DICOM Medical Image Viewer - Informazioni Immagine DICOM D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 37 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 38 Problematiche nella Gestione delle Le basi di dati tradizionali permettono il trattamento di quelli che sono definiti tradizionali: - pazienti - prenotazioni - amministrazione -... La gestione di immagini richiede l estensione dei modelli tradizionali come si possono rappresentare le immagini tramite dati alfanumerici? quali proprietà delle immagini devono essere rappresentate? quali proprietà invarianti deve soddisfare la rappresentazione? come è possibile ottenere (automaticamente o semi automaticamente) tale rappresentazione? dato uno schema di rappresentazione, come dovrebbero essere confrontate due immagini? quale misura deve essere utilizzata per determinare una similarità visiva? quali metodi (di indicizzazione) dovrebbero essere usati per ritrovare efficientemente un immagine nel database? D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 39 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 40 Standard SQL-99 - BLOB - 1 Standard SQL-99 - BLOB - 2 Lo standard SQL-1999 è suddiviso in un nucleo e una serie di pacchetti specializzati opzionali Il nucleo di SQL-1999 ha introdotto fra gli altri il dominio elementare BLOB Il tipo di dato BLOB (Binary Large OBject) permette di rappresentare oggetti di grande dimensioni costituiti da sequenze arbitrarie di valori binari Le basi di dati garantiscono solo la memorizzazione del valore ma non permette di utilizzarlo come criterio di selezione per le interrogazioni E stato introdotto perchè le basi di dati sono il cuore dei sistemi di archiviazione dei sistemi informatici e oggigiorno c è sempre più l esigenza di gestire dati di tipo semi-strutturato e multimediale (immagini, video, documenti) D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 41 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 42

8 Tabella con Attributi BLOB Importazione di Creazione di una tabella: CREATE TABLE IMMAGINI ( id integer primary key immagine blob ); Creazione di una directory degli oggetti: CREATE DIRECTORY IMAGEDIR AS c:/imagedir/ ; CREATE PROCEDURE import image (idimg integer, nomefile varchar2) IS src file BFILE; dst file BLOB; lgh file BINARY INTEGER; BEGIN src file := bfilename( IMG, nomefile); INSERT INTO TestBlob(id, immagine) VALUES (idimg, EMPTY BLOB()) RETURNING immagine INTO dst file; dbms lob.fileopen(src file, dbms lob.file readonly); lgh file := dbms lob.getlength(src file); dbms lob.loadfromfile(dst file, src file, lgh file); UPDATE IMMAGINI SET immagine = dst file WHERE id = idimg; dbms lob.fileclose(src file); END; D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 43 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 44 call import image (1, img.jpg ) SQL e l Object-Oriented SQL-99 ha incorporato molte funzionalità che provengono dai modelli orientati agli oggetti per incorporare capacità più potenti Il modello che si ottiene è detto relazionale ad oggetti Ambiti applicativi: dati spaziali, dati multimediali... intermedia estende Database per integrare i contenuti multimediali intermedia permette di memorizzare, gestire e recuperare immagini, audio e video - ORDImage - ORDAudio - ORDVideo - ORDDoc D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 45 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 46 intermedia - ORDImage Tabella con una Colonna ORDImage Perchè utilizzare ORDImage e non BLOB? - integrazione con gli ambienti di sviluppo di - alcune proprietà delle immagini sono determinate e memorizzate in modo automatico Creazione di una tabella: CREATE TABLE IMMAGINI ( id integer primary key immagine ordsys.ordimage ); Creazione di una directory degli oggetti: CREATE DIRECTORY IMAGEDIR AS c:/imagedir/ ; D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 47 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 48

9 Importazione di Selezione di Proprietà di CREATE PROCEDURE import image (idimg integer, nomefile varchar2) IS img ordsys.ordimage; ctx RAW(64): = null; BEGIN INSERT INTO IMMAGINI (id, immagine) VALUES (idimg, ordsys.ordimage.init()) RETURNING immagine INTO img; img.importfrom(ctx, file, IMAGEDIR, nomefile); UPDATE IMMAGINI SET immagine=img WHERE id=idimg; END; SELECT id, immagine.getheight(), immagine.getwidth(), immagine.getfileformat(), immagine.getcompressionformat(), immagine.getcontentformat(), immagine.getcontentlength() FROM IMMAGINI call import image (1, auto.jpg ) call import image (2, moto.jpg ) D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 49 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 50 Operazioni su Esportazione di CREATE PROCEDURE process image (in integer, out integer, verb varchar2) IS imgin ordsys.ordimage; imgout ordsys.ordimage; BEGIN INSERT INTO IMMAGINI (id, immagine) VALUES (out, ordsys.ordimage.init()) SELECT image INTO imgin FROM IMMAGINI WHERE id = in; SELECT image INTO imgout FROM IMMAGINI WHERE id = out; imgout.processcopy(verb, imgout); UPDATE IMMAGINI SET immagine=imgout WHERE id=out; END; call process image (1, 3, scale=.1 ) call export image (2, 4, fileformat=jfif contentformat=8bitgray maxscale= ) CREATE PROCEDURE export image (idimg integer, nomefile varchar2) IS img ordsys.ordimage; ctx RAW(64): = null; BEGIN SELECT image INTO img FROM IMMAGINI WHERE id = idimg; img.export(ctx, file, IMAGEDIR, nomefile); END; call export image (1, auto.jpg ) call export image (2, moto.jpg ) D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 51 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 52 DICOM Tabella con una Colonna ORDImage per DICOM Un primo passo verso il supporto dello standard DICOM è stata l aggiunta di funzioni di estrazione dell insieme di attributi definiti nello standard Riconoscendo un oggetto DICOM intermedia può estrarre a partire dalla rappresentazione binaria dei dati i metadati DICOM associati all oggetto I dati possono essere memorizzati in attributi ORDImage, o direttamente BLOB o BFILE Creazione di una tabella: CREATE TABLE IMMAGINIMEDICHE (, id integer primary key, immagine ordsys.ordimage, metadata XMLType ); La colonna dei metadati è rappresentata sulla base del XML schema memorizzato in che definisce l elemento XML DICOM IMAGE: XMLType column metadata XMLSCHEMA ELEMENT DICOM IMAGE ; D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 53 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 54

10 Estrazione di Metadati DICOM Esempio di Metadati DICOM PROCEDURE extractdicommetadata (inid integer) IS local image ORDSYS.ORDIMAGE; local id integer; dicom metadata XMLType := NULL; BEGIN SELECT immagine INTO local image FROM IMMAGINIMEDICHE WHERE id = inid; dicom metadata := local image.getdicommetadata( imagegeneral ); IF (dicom metadata IS NULL) THEN DBMS OUTPUT.PUT LINE( metadata is NULL ); ELSE UPDATE IMMAGINIMEDICHE SET metadata = dicom metadata WHERE id = inid; END IF; DBMS OUTPUT.PUT LINE( namespace: dicom metadata.getnamespace()); END; D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 55 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 56 DICOM e ORDDicom ORDDICOM - Costruttore Il tipo di oggetto ORDDicom supporta la memeorizzazione, la gestione e la manipolazione di immagini mediche definite secondo lo standard DICOM Gli attributi del tipo di oggetto sono: SOP INSTANCE UID VARCHAR2(128), SOP CLASS UID VARCHAR2(64), STUDY INSTANCE UID VARCHAR2(64), SERIES INSTANCE UID VARCHAR2(64), source ORDDataSource, metadata SYS.XMLType, contentlength INTEGER, flag INTEGER, extension BLOB Il tipo di oggetto ORDDicom può essere costruito mediante uno dei seguenti costruttori: - ORDDicom( ) da BLOBs - ORDDicom( ) da ORDImage - ORDDicom( ) da altri tipi di sorgenti D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 57 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 58 Tabella con una Colonna ORDDICOM selezione di Metadati DICOM Creazione di una tabella: CREATE TABLE IMMAGINIMEDICHE ( id integer primary key, dicom ordsys.orddicom ); SELECT id, dicom.getsopinstanceuid() as SOP Instance UID, dicom.getsopclassuid() as SOP Class UID, dicom.getstudyinstanceuid() as Study Instance UID, dicom.getseriesinstanceuid() as Series Instance UID, dicom.getcontentlength() as content Length, extractvalue(dicom.metadata, /DICOM OBJECT/ Patient s Name ]/VALUE, xmlns=http://xmlns.oracle.com/ord/dicom/metadata 1 0 ) as PATIENT NAME, extractvalue(dicom.metadata, /DICOM OBJECT/ Patient ID ], xmlns=http://xmlns.oracle.com/ord/dicom/metadata 1 0 ) as PATIENT ID, extractvalue(dicom.metadata, /DICOM OBJECT/ Modality ], xmlns=http://xmlns.oracle.com/ord/dicom/metadata 1 0 ) as MODALITY FROM IMMAGINIMEDICHE; D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 59 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 60

11 - 1-2 Agenzia Regionale della Sanità [http://www.ars.sanita.fvg.it/] M. Larobina, Lo standard DICOM, Notiziario di Medicina Nucleare ed Imaging Molecolare, Ottobre 2007 [http://www.area.na.cnr.it/ cmn/aimn-dicom.pdf] Medical Image View [http://www.gbooksoft.com/features.php] [http://www.oracle.com] Wikipedia [http://it.wikipedia.org] D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 61 D. Gubiani SI e BD in Ambiente Medico 62

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