Düşük depolu, işlem gücü az ve düşük çözünürlükte gösterim yapabilen mobil/gömülü sistemlere medikal görüntü ulaştırmak zordur ancak, modern hastane ortamında hazır bir programlama için önemli bir iştir. Endüstride genel yaklaşım ve teknik literatür JPEG2000 sıkıştırma ve görüntü akışını kullanmaktadır. Görüntü sıkıştırmanın yanı sıra JPEG2000 görüntü akışını da destekler. Farklı boydaki görüntüler sıkıştırılmış görüntünün açılırken en az bozulma yaratacak kodakışından ayrıştırılır. Biz DICOM ağlarında JPEG2000 akış sağlayacak DICOM2000 sözdizimi geliştirdik. DICOM 2000, medikal görüntü alışverişi standardı olan DICOM’a JPEG2000’nin sıkıştırma ve akış gücünü verir. Kullanıcının donanımının işlem ve gösterme kabiliyetlerine uygun en iyi kalite medikal görüntüyü iletmeyi sağlar. Bu makalede DICOM2000 tabanlı PACS mimarisinde iletişim ile DICOM tabanlı PACS’lerde kullanılan yaygın mimaride iletişim karşılaştırılacaktır. Makalenin amacı doğrultusunda bu iletişim mimarileri kategorize edilip isimlendirilip anlatılmıştır. Sonunda, DICOM2000 tabanlı PACS, standart PACS’a göre avantajlarından bahsedilecektir.

Anahtar Kelimeler: PACS, DICOM, JPEG2000, Medikal Görüntü Akışı

1.GİRİŞ

Dijital medikal görüntülerin katılımı, medikal sistem toplam maliyeti düşürüp hastane verimliliğini arttırır. Fakat bazı dezavantajlar vardır. Dijital medikal görüntüler büyük boylu olma ve büyük depolama/ağ ihtiyacı eğilimindedir. Modern bir hastanenin yıllık eksiksiz bir medikal görüntü miktarı 10 terabyte’ı aşkındır. Ayrıca, Görüntü Arşivleme ve İletim Sistemleri Gigabitlerce depo alanına veya 10 Gigabitlerce bant genişliğine ihtiyaç duyar. Mesela, tipik bir dijital X-ray görüntüsü 2Kx2K gri ölçüm ile 12bpp gösterilir ki bu değer medikal görüntülerin 50 megabit civarında olacağını gösterir.Görüntü sıkıştırma medikal görüntünün boyutlarını azaltır ve depolama ve ağ gereksinimlerini rahatlatır. Bununla beraber, modern PACSler bir kaynağa ve çeşitli uygulamalara uygun, farklı güç, depo, iletişim, kapasitedeki cihazları(mobil, gömülü) destekleyen ve içeren hazır programlama ortamı sağlama eğilimindedir. Cihazların işlemci gücü, hafıza kapasitesi, gösterme kapasitesi sınırları ve mobil ağ bant genişliği sınırları nedeniyle bu cihazlar dijital madikal görüntüleri özgün boyutlarında işleyemez. Kaynak , görüntü akışını destekleyen ve ufak bozulma sağlayan sıkıştırma teknikleriyle (kayıplı veya kayıpsız ) sıkıştırılmış medikal görüntü olduğu zaman, PACS en yüksek verimliliğe ve en düşük gereksinimlere sahiptir. Görüntü akışı, görüntünün bir kısmını veya hepsini tasvir edebilmek için gerekli olan piksel verisinin belirli bir çözünürlükte ve kalitede saklanmış bir görüntü kod akışından çıkartılması ve kullanıcı tarafı uygulamaya ulaştırılması demektir.

Mesela, şekil 1’deki üç farklı kullanıcı cihazı bir kod akışından beslenmektedir. Sadece görüntüyü en iyi kalite ve çözünürlükte  gösterebilecek verilere ihtiyaç vardır. Düşük çözünürlük ve düşük kaliteli göstericilere rağmen  görüntünün bir parçasını orjinal çözünürlükte ve olası en iyi kalitede görmek mümkündür. Sadece JPEG2000 kod akışıyla bir kaç etkileşim gerekir. Görüntünün düşük çözünürlükteki versiyonu sadece bir önizlemedir. Kullanıcı daha sonra JPEG2000’den daha yüksek çözünürlükte  ayrıştırmak için görüntünün bir bölgesini işaretleyebilir. Süreç görüntüden ayrıştırılan bölge orjinal çözünürlüğe ulaşana kadar devam eder.  Tüm görüntüyü orginal çözünürlükte görmek mümkün olmasa da, görüntü üzerinde “kesitleme” yapmak olasıdır (kullanıcı görüntünün orjinal çözünürlükteki bağlı bölgeleri üstünden ilerleyebilir).

JPEG2000 sabit görüntü sıkıştırması için bir ISO/IEC standartıdır.  Diğer sıkıştırılması açılmış görüntüde en az uzaysal bozulma sağlayan sabit görüntü sıkıştırmalarına göre daha üstün bir sıkıştırma performansı sağlar.   Kayıpsız ve kayıplı sıkıştırma modlarını aynı süreç içerisinde sunar. JPEG2000 ilgi bölgesi kodlama ve görüntü akışı destekler. En az uzaysal bozulma ile farklı büyüklükteki görüntüler sunucu tarafında bir JPEG2000 kodakışı  tek yönlü ayrıştırılarak farklı kullanıcılara gönderilebilir. Ayrıştırılmış görüntünün kalitesi görüntü tarayıcısının oto-ölçek fonksiyonu ile elde edilmiş görüntünün kalitesinden çok daha iyidir. Ancak en az veri seti kullanılmıştır. JPEG2000 sıkıştırma PACS medikal görüntü arşivlerinin büyüklüğünü önemli ölçüde azaltır. JPEG2000 görüntü akışını kayıpsız kodlanmış görüntülerde bile kullanır.

JPEG, SPHIT ve çeşitli özel sıkıştırma teknikleri gibi medikalde kullanılan başka sabit görüntü sıkıştırma standartları vardır. JPEG2000 medikalde kullanılan diğer sıkıştırma tekniklerine karşı çeşitli avantajlara sahiptir. Sıkıştırılması açılmış görüntüde en az uzaysal bozulma sağlayan üstün sıkıştırma performansı sağlar, yüksek kalite görüntü akışına izin verir, ve Medikalde Dijital Görüntü ve Haberleşme  (DICOM) standartı tarafından kabul edilen bir standarttır.

DICOM, PACS’te çoğunlukla kullanılan haberleşme protokolüdür. DICOM standardı; DICOM ileti formatını, biyomedikal  görüntü ve  fotoğraf bilgisi için ileti değişiminde gereken protokolü ve dosya yapısını tanımlar. DICOM iletisi iki bölümden meydana gelir :

- İleti başlığı medikal hakkında açıklayıcı bilgiler içerir; görüntü, hasta, tıbbi çalışma vb.

- Görüntü verileri, yerli DICOM formatında olan ham ve sıkıştırılmamış medikal görüntülerin piksellerini içerir.

Ayrıca,  yerli DICOM formatı DICOM standardı için bir mekanizma tanımlar. Bu mekanizma diğer sıkıştırma ve imaj biçimlerinin sarmalanmasında görevlidir.  Şu anda, DICOM standardı uzunluk kodlamasını, kayıplı ve kayıpsız JPEG sıkıştırmasını, kayıpsız ve yakın kayıpsız JPEG-LS sıkıştırmasını, kayıplı ve kayıpsız JPEG2000 görüntü sıkıştırmasını destekler. Bu sıkıştırma standartları, JPEG2000 hariç, görüntü akışını destekler.

DICOM  standardı  JPEG2000 kodlamasını desteklemesine rağmen,  JPEG2000 in DICOM iletişim protokolünün üzerinden akışını desteklemez. Standart DICOM iletisinin görüntü akışını desteklemesi için genişletilmiş olması gerekir. DICOM standardı bilgi alışverişi için bir mekanizma tanımlar ve bu mekanizma standart tarafından öngörülmez ve böylelikle de standart DICOM iletisinde bulunmaz. DICOM2000 sözdizimi, JPEG2000’in DICOM iletişim protokolünün üzerinden akışı için DICOM standart iletisinin genişletilmiş halidir. Önerilen genişletme diğer DICOM uygulamaları için açıktır ki bu da mevcut PACS içine önerilen genişletme için daha kolay, net ve hızlı bir biçimde olanak sağlar. Önerilen sözdizimi kontrollü bir ortamda test edilmiş ve uygulanmıştır. DICOM ağları içinde hızlı medikal görüntü tarama etkinleştirmesiyle ve DICOM veri ve yüksek kaliteli, düşük çözünürlüklü medikal görüntülerin tanıtımı sınırlı ekran boyutlu cihazlarda iyi sonuçlar elde edilmiştir. Bu sonuçlar da rapor edilmiştir.

DICOM2000 tabanlı PACS mimarisinde, birçok olası mimariler de vardır. Bu mimarileri anlatacağız ve avantajlarını ve dezavantajlarını göstereceğiz. Ayrıca, teknik literatürde önerilen diğer çözümlerle ve JPEG2000 medikal görüntülerinin alışverişini destekleyen standart DICOM sözdizimi tabanlı PACS mimarileriyle de karşılaştıracağız. Genel olarak, DICOM tabanlı PACS mimarisinde JPEG2000 medikal görüntü değişimi için 3 tane kategori ve iletişim mimarisi tanımlayacağız : JPEG2000 destekli standart DICOM tabanlı PACS mimarisi, DICOM ve JPEG2000 tabanlı tescilli PACS mimarisi ve DICOM2000 tabanlı PACS mimarisi. İletişim mimarisinde referansları yollamada kolaylık sağlamak için benzersiz isimler atanmıştır. Rapor organizasyonu şöyledir : Bu bölümün geri kalanı DICOM2000 sözdizimi anket aramasının sonucunu hızlı verir;  bölüm 2 JPEG2000 destekli standart DICOM tabanlı PACS mimarisini tanımlar; bölüm 3 teknik literatürde önerilen görüntü akışı için çözümleri tanımlar; bölüm 4 DICOM2000 tabanlı PACS mimarisini tanımlar; bölüm 5 raporu sonlandırır.

1.1. DICOM2000 Syntax

Teknik literatürde önerilen çözümler, JPEG2000 akışında DICOM iletişim sistemine ek olarak harici bir iletişim sisteminin parçası dahilinde uygulanmıştır. DICOM2000 sözdizimiyle, JPEG2000 akışı DICOM iletişim protokolünde birleştirilmiştir. DICOM2000 sözdiziminin sorgu mekanizması JPEG2000 Alışveriş Protokolü (JPIP) nden sonra modellenmiştir. Standart DICOM iletisi JPIP sorgu mekanizmasını açık bir şekilde desteklemek için genişletilmiştir.

JPIP standardı  JPEG2000 aile standartlarının bir parçasıdır. Bu standart JPEG2000 içeriği ile etkileşim içindedir  ve JPEG2000 görüntü taramasını uzaktan kontrol etme kullanımında kullanılır. JPIP standardı sözdizimi bütününü tanımlar ve yöntemleri JPEG2000 içeriğini uzaktan taramada kullanılır. Çözünürlüğü, kaliteyi ve JPEG görüntüsünün istenilen bölgede olmasını istemek için JPIP kullanıcı tarafındaki uygulamaları mümkün kılar.

DICOM2000 kullanıcı tarafındaki uygulamaları sağlayan DICOM2000 iletisi, (DICOM2000 sözdizimini destekleyen DICOM kullanıcıları) JPEG2000 medikal görüntülerle  etkileşimde olmak amacıyla 2 ek özellik daha içerir. İlk özellik, JPIP İstek Dizisi adlı, DICOM kullanıcı isteğiyle JPIP İstek Dizisi olarak biçimlendirilmiştir. İkinci özellik, JPIP Yanıt Dizisi adlı, JPIP cevabı olarak yanıtlanan JPEG2000 görüntü formatı için verilen DICOM2000 sunucu yanıtıdır.

DICOM2000 özelliklerinden oluşan  her DICOM özelliği, standartta tanımlanmış birçok özellikten meydana gelir. Özellik tanımlayıcılarını içeren 4 tane alan vardır (4 bit uzunlukta), veri türü (2 bit uzunlukta), büyüklük (2 bit uzunlukta) ve değer (değişken uzunluğu , maksimum bit uzunluğunun 216 olduğu alan). DICOM2000 değeri alanı öznitelikleri JPIP İstek/Yanıt Dizisi olarak biçimlendirilmiş parametre dizisini içerir. JPIP isteği bir dizi isim = değer çiftinden oluşan işaretlerden meydana gelir. JPIP işaretleri : fsiz, rsiz, roff. Bu işaretler çözünürlüğü, bölge büyüklüğünü  ve istenilen medikal görüntünün bölge uzunluğunu tanımlamada kullanılır. DICOM2000 özellikleri, DICOM2000 sözdizimini çalıştırmayan diğer tüm DICOM uygulamaları için açıktır. Tanınmayan özelliklerin çözümlenmemesine rağmen, DICOM iletisinin geri kalanı hala okunabilir ve yorumlanabilir.

DICOM sözdizimi hakkında detaylı bilgi bulabilirsiniz.

2. STANDART DICOM TABANLI VE JPEG2000 DESTEKLİ PACS

İlk bölümde JPEG2000 standardından bahsedildiği gibi DICOM iletisi tüm JPEG2000 kod akışını sarmalar.  DICOM, JPEG2000’in dosya formatlarının sarmalanmasını desteklemez. DICOM iletisinde, piksel verisi  sıkıştırılmamış yerli DICOM görüntü formatında ilgili JPEG2000 kod akışıyla yer  değiştirir. DICOM iletisinde tanımlanan görüntü piksellerinin tüm özellikleri, sıkıştırılmış medikal görüntüdeki gerçek değerleri temsil eder.

JPEG2000 kod akışının kapsüllenmesi, DICOM iletisi ile JPEG2000 arasında görüntü aktarımını sağlar. Bağlantılı olan DICOM uygulamaları JPEG2000 medikal görüntülerin aktarımını kayıplı yada kayıpsız olarak destekleyip desteklemese de kabul etmek zorundadır.

JPEG2000 de bilgi alışverişi için standart DICOM iletişimi birçok yolla uygulanabilir. Bu uygulamaların arasındaki en temel fark, DICOM sunucu içi uygulamasının JPEG2000 sıkıştırmasını destekleyip desteklemediğidir. Şekil 4’te tanımlanan JPEG2000 iki kat depo mimarisi, JPEG2000 sıkıştırmasını desteklemez. Bu yüzden, yerli DICOM formatında ve JPEG2000 formatında medikal görüntüler depolanmalıdır.  Bu depolama işlemi gereklidir, çünkü; bütün DICOM uygulamaları yerli DICOM görüntü formatındaki medikal görüntülerin aktarımını desteklemek zorundadır. DICOM kullanıcı isteği doğrultusunda, medikal görüntünün DICOM sunucusu da  yerli DICOM formatında veya JPEG2000 formatında uyarlamasına hizmet edecektir. Ayrıca,  kullanıcı uygulamaları sunucuda yeni görüntüler depolandığında medikal görüntünün her iki uyarlamasını da sağlamak zorundadır. Bu yaklaşım sadece, medikal görüntü arşivini azaltmak yerine artırır, kullanıcı uygulamalarının karmaşıklığını artırır ve yerine getirilmesi büyük ölçüde olasısızdır. Standart DICOM JPEG2000 iki kat depo mimarisinin başka bir sakıncası, yerli DICOM formatındaki eski görüntülerin, JPEG2000 medikal görüntülerini isteyen DICOM  kullanıcıları için hizmet verememesidir.

Eğer DICOM sunucu uygulaması JPEG2000 sıkıştırmasını desteklerse, JPEG2000 formatında sadece medikal görüntüler depolanmalıdır. Böylece medikal görüntü arşivi azalır. Standart DICOM JPEG2000 Tek Depo Mimarisi Şekil 5 te tanımlanmıştır. DICOM kullanıcı uygulaması, yerli DICOM formatında medikal görüntü istediği zaman, JPEG2000 görüntü sıkıştırılması çözülür, yerli DICOM formatının koduna dönüştürülür ve DICOM kullanıcısına gönderilir. Eğer DICOM kullanıcısı JPEG2000 formatında medikal görüntü isterse, DICOM iletisinde sarmalanır ve kullanıcıya gönderilir.

JPEG2000 medikal görüntüleri sıradan bir veritabanı sisteminin içinde ya da JPIP sunucusunda depolanabilir (Şekil 9’un altında belirtildiği gibi). JPIP tabanlı PACS sunucusu uygulaması, bu kısımdan sonra tanımlanacak olan JPEG2000 medikal görüntü değiş tokuşu için ekstra yolları destekler.  Standart DICOM JPEG2000 Tek Depo Mimarisi için eski DICOM görüntü arşivlerini JPEG2000 görüntü aşivlerine dönüştürmek gereklidir. Bu sayede DICOM  kullanıcıları JPEG2000 formatındaki eski medikal görüntüleri isteyebilir.

JPEG2000 medikal görüntülerinin sarmalanması yerli DICOM göre formatına göre ağ bant gereksinimlerini azaltmasına rağmen,  JPEG2000 akışını sağlamaz. Kullanıcı cihazı bunu desteklemese bile, tüm JPEG2000 kod akışını göndermek hala gereklidir. Medikal görüntü çözünürlüğü, kullanıcı cihazının ekran çözünürlüğü için çok büyük olabilir veya kullanıcı cihazı bunu işleyebilmek için yeterli belleğe sahip olmayabilir. Sadece PC DICOM tabanlı kullanıcı cihazları verimli görüntü işlemeyi destekler. Bu nedenle, Standart DICOM Tek Depo Mimarisi  güçlü kullanıcı cihazları talep eder.

DICOM standardının doğrudan onu desteklememesine rağmen, medikal görüntü akışının önemini tanır. Standart, DICOM standartının dışında tanımlanan bir ağ protokolünü kullanıyor olan piksel veri aktarmasını sağlayan Piksel veri sağlayıcı hizmetini tanımlar. Güncel olarak, desteklenen tek hizmet, JPIP ağ protokolünün kullanımını desteklemek için bir mekanizmayı temsil eden JPIP Piksel veri sağlayıcısıdır. JPIP Pixel veri sağlayıcı mimarisi, Şekil 6′da tanımlanmıştır. Bu mekanizma kullanıldığı zaman, DICOM iletisinde yer alan pixel verisi, JPIP isteğini temsil eden URL dizisini içeren tek bir DICOM niteliğiyle özel hedef bilgisi dahilinde değiştirilir. DICOM standart JPIP Pixel veri sağlayıcı hizmetinde DICOM kullanıcı uygulaması, JPIP protokolünü yerine getirmek zorundadır ve JPIP kullanıcısının rolünü göz önünde bulundurmalıdır. DICOM kullanıcısı, JPIP Pixel veri sağlayıcı hizmetinin üzerinden DICOM görüntüsünü talep eder, Şekil 6′nın sol tarafı. DICOM yanıt mesajı, medikal görüntüyle pixel verisinden başka ilgili olan tüm bilgiyi içerir. Ayrıca, JPIP sunucusnun ağ adresini  ve hedef görüntüsünün  ismini içerir. İkinci iletişim kanalının üzerinde(JPIP ağı), DICOM kullanıcı uygulaması, şimdi bir JPIP kullanıcısının rolünde, JPIP sunucusu tarafından hizmet edilen hedeflenen görüntünün olduğu talep eder, Şekil  6′nın sağ tarafı.  JPIP protokolünün kullanımından dolayı, JPEG2000 akma yeteneklerinin tüm yayılma alanı, kontrol altındadır. Kullanıcı uygulaması, tam çözünürlük ve kalitede medikal görüntü parçalarına talep edebilir. Hem de, DICOM formatındaki eski medikal görüntüler, JPEG2000 formatına kodlanmak ve JPIP sunucu tarafına depolanmak zorundadır. Bu şekilde eski görüntüler bile, JPIP Piksel veri sağlayıcı hizmetinin üzerinde kullanışlıdır.

DICOM standart JPIP Piksel veri sağlayıcı hizmeti, üç yolda yerine getirilebilir. İlk yol, standart DICOM JPIP İki Kat Depo Mimarisi Sağlayıcısıdır. DICOM sunucu uygulaması, yerli DICOM görüntü formatındaki medikal görüntülerin erişimine sahip olmak zorundadır, çünkü yerli DICOM formatındaki medikal görüntülerin aktarımını desteklemelidir. JPIP Piksel veri sağlayıcı hizmetinin anlambilimi, JPIP sunucu uygulamasına DICOM sunucu uygulamasından tamamen bağımsız olarak davranır. Bu demektir ki; sunucu uygulamaları medikal görüntü arşivlerini paylaşmaz. Bu bir sakıncadır çünkü; JPIP sunucusu ve DICOM sunucusu medikal görüntü depoları senkronize olmak zorundadır. Sunucu İçerik Yönetimi, bir çıkış ve veri eşlemesinin yerine getirilmesi gereken bir yol olur, fakat bu DICOM standartı tarafından tanımlanmaz. Hem de DICOM sunucu uygulamasının, piksel veri aktarmasının üzerinde hiçbir kontrolü yoktur. DICOM sunucusu ile alakalı olduğu gibi, tüm DICOM görüntüsü için uygundur.  Eğer, bir sebep için, görüntü JPIP sunucusunda yoksa yada görüntü uygun değilse DICOM görüntüsü baştan aktarılmalıdır. Bu kez,medikal görüntü tam boyutunda ve tamamen DICOM ağ protokolünün üzerinden aktarılmak zorundadır. Bu yüzden, JPEG2000 akışı garanti edilemez. Eğer DICOM ve JPIP sunucusu, medikal görüntü arşivini paylaşırsa, bu sunucular arasındaki zaman uyumu,  DICOM standartı biçiminde olmamasına rağmen kaçınılabilir. Paylaşılan medikal görüntü arşivi, bazı sınırlamaları koyar. JPIP sunucusu sadece JPEG2000 görüntülerini kullanır. Bu yüzden, medikal görüntüler JPEG2000 formatında depolanmalıdır. Çünkü, DICOM sunucusu yerli DICOM görüntülerinin aktarımını destekler, ve JPEG2000 sıkıştırmasını da desteklemek zorundadır. DICOM standartı, JPIP Piksel Veri Sağlayıcı hizmetini kullanan görüntü depolama işlemini desteklemez. Bu yüzden, görüntü depolama işlemi, JPIP sunucusunda engellenmek zorundadır.

DICOM standardı JPIP Piksel veri sağlayıcı hizmetinin uygulanması için ikinci yol, standart DICOM JPIP sağlayıcı JPEG2000 depo mimarisidir. JPEG2000 medikal görüntüleri, paylaşılan görüntü arşivinde depolanır. Bu durumdaki problem, yerli DICOM görüntü formatında, JPEG2000 görüntü formatında veya her ikisinde de görüntülerin depolanıp depolanmadığıdır. Son seçenek,standart DICOM JPEG2000 iki kat depo mimarisi için açıklanan aynı nedenlerle söz konusu değildir. Diğer iki seçenek, görüntü formatı kodlama esnasında işleme tabi tutmayı artırabilir, ama bu kaçınılmazdır.

DICOM standart JPIP Piksel veri sağlayıcı hizmetini yerine getirmesi için üçüncü yol, standart DICOM JPIP sağlayıcı JPIP depo mimarisidir. Medikal görüntüler, JPIP sunucusunda JPEG2000 görüntü arşivinde depolanır. Bu durumda, DICOM sunucusu JPIP iletişim protokolünü desteklemek zorundadır. Standart DICOM JPIP sağlayıcı JPIP depo mimarisi, JPEG2000 medikal görüntülerin ve DICOM JPIP Piksel veri sağlayıcı hizmetinin DICOM aktarımını destekler. Ayrıca, JPIP sunucu uygulaması, görüntü depolama çalışmasının DICOM sunucu uygulamasından başlattığını desteklemeli ve bütün diğerlerini engellemelidir.

Çünkü DICOM, JPIP Piksel veri sağlayıcı hizmetini kullanan medikal görüntü depolama çalışmasını desteklemez,  JPIP Piksel veri sağlayıcı hizmeti üzerinden alınan medikal görüntüler için değişiklikleri güncellemek , incelemek ve yorumlamak imkansızdır. DICOM kullanıcı uygulamaları diğer DICOM hizmetlerini kullanan DICOM sunucusunda görüntüleri depolamak zorundadır. Temelde, işleme tabi tutulan ve/veya yorum yapılan medikal görüntüler, yeni örnekler olarak depolanır, veya birçok olayda olduğu gibi, onlar basitçe atılandır ve kaybedilendir.

3. DICOM ve JPEG2000 TABANLI TESCİLLİ PACS

DICOM tabanlı PACS üzerinden medikal görüntü akışı için bizim bilgimize birçok çözüm teklif edildi. Çözümler çoğunlukla, standartların JPEG2000 ailesi tabanlı ve/veya standart olmayan sıkıştırma tekniklerinde JPEG2000′e benzer temel alınır. İki temel yaklaşım vardır. İlk yaklaşımda, yeni ağ protokolleri DICOM ileti format tabanlı geliştirilmiştir. Medikal görüntü paylaşımı için eşleme sistemi, Blanquer et al tarafından geliştirildi. Teklif edilen sistem, medikal görüntülerin DICOM iletilerinde sarmalandığı JPEG2000′i kullanır. Görüntüler, sıradan ağ protokolünün üzerinden sistemin çeşitli parçalarının arasında paylaşılır — ne DICOM ne de JPIP protokolleri kullanılır. DICOM başlığı ilk olarak yollanır. Medikal görüntü piksel verisi, tabaka tabaka varış noktasına gönderilir. Bu sistem sadece kalite ölçeklenebilirlik sağlar. Çözünürlük ölçeklenebilirliğini sağlayabilecek hiçbir mekanizma yoktur.

DICOM medikal görüntülerin kalite ölçeklenebilirliği Ramakrishnan ve Sriraan tarafından uygulanmıştır. Bu uygulama, JPEG2000 sıkıştırmasına çok benzeyen Hiyerarşik Ağaçlandırmada Bölmelendirme (Set Partitioning In Hierarchical Trees – SPIHT) sıkıştırma tabanlıdır. Veri aktarımı HTTP ağ protokolüne göre esas alınmıştır. DICOM başlığı ilk takipte medikal görüntü piksel verisi ile gönderilir. Piksel verisi kademeli gönderilir. Böylece kullanıcı uygulaması, aktarım tam kaliteye ulaştığında durabilir. Blanquer’in çözümüne benzer olarak, bu sistem, sadece kaliteli ölçeklenebilirlik sağlar.

Yeni ağ protokollerine dayanan çözüm sınırlıdır, çünkü eksiklik olduğunda kullanılamaz ve sanayi PACS sistemlerini onaylar.  Ayrıca, mevcut PACS ‘ te teklif edilen sistemlerin gerçek bütünleştirmesini sağlamaz. Genellikle, iki iletişim kanalı ve iki sistemin arasındaki aracın bazı türlerini sağlamak için zorunludur. Her iki teklifte de, sahipler yeni PACS in tamamen önerilen ağ protokolüne dayanarak uygulanması fikrindedir.

DICOM medikal görüntü akışı için ikinci yaklaşım; iki tabaka iletişim mimarisinin gelişimini belirtir. İlk tabaka, DICOM tabanlı PACS ile iletişim için kullanılır, Şekil 10 sağ taraf. İkinci tabaka ise görüntülerin kullanıcı cihazlarına aktarımında kullanılır. Şekil 10 sağ taraf. İletişimin ikinci tabakası genellikle JPIP iletişim protokolüne dayanır.

Bu yaklaşımın örneği Tian et al’ın çalışmalarında bulunabilir. Bu öneride, medikal görüntü arşivi yerli DICOM görüntü formatına dayanır. Görüntü akışı ve sıkıştırması birleştirilmemiştir. Bu yüzden, depolama gereksinimi yüksek kalır. JPIP piksel veri sağlayıcı mekanizmasında olduğu gibi, en azından iki iletişim protokolü olmak zorundadır. Kullanıcı uygulaması, JPIP protokolü üzerinde medikal görüntü istemelidir. Aracı, JPIP isteğini DICOM isteğine çevirir ve isteği DICOM sunucu uygulamasına taşır. Alınan medikal görüntü, aracı kenarında daha fazla işleme tabi tutulandır, ve kullanıcı uygulamasına geri gönderilir. Eğer DICOM iletisi, JPEG2000 medikal görüntü içermiyorsa, görüntü ilk sıkıştırılmalıdır. Bu yüzden, ekstra işleme tabi tutma yer alır ve toplam hizmet eden zaman, önemli şekilde büyür.

4. DICOM2000 TABANLI PACS

DICOM2000 sözdizimi, standart DICOM sorgu mekanizmasını genişletir. Bunun yanında, hasta hakkında bilgi, çalışma, bir başka medikal görüntü  hakkındaki veriler, DICOM2000 kullanıcı uygulaması çözünürlüğü, kaliteyi ve istenilen JPEG2000 medikal görüntünün ilgili bölgesini tanımlayabilir.

DICOM2000 sözdizimine dayanan iletişim Şekil 11’de tanımlanmıştır. İki tip kullanıcı vardır: DICOM2000 kullanıcıları ve standart DICOM kullanıcıları. DICOM2000 sözdizimi, onu desteklemeyen diğer DICOM uygulamaları için tamamen açıktır. Böylece, DICOM2000 sunucu uygulaması standart DICOM kullanıcılarıyla iletişim kurar. Bu da DICOM standardı ile uyum içindedir.

DICOM2000 sunucu uygulaması DICOM2000 isteğini aldıktan sonra, hedefteki JPEG2000 medikal görüntü işleme sokulur ve kullanıcı isteğine göre koda dönüştürülür, Şekil 11’in sol kısmı. Sonuç veren JPEG2000 piksel verisi (DICOM2000 kullanıcı cihazının yürürlüğü ve yeteneklerini göstermesi), uygun bilgiyle yan yana DICOM2000 mesajının içinde sarmalanır, ve DICOM2000 iletişim kanalından yollanır. Sarmalanan JPEG2000 piksel verisi çıkarılır, sıkıştırması çözülür, ve kullanıcı uygulaması cihazında gösterime uygun  hale getirilir.

Eğer DICOM2000 sunucusu DICOM isteğini alırsa, tam JPEG2000 görüntüsü, yerli DICOM formatında sıkıştırılması çözülür ve DICOM kullanıcısına yollanır. DICOM2000 sunucu uygulamasının, sıkıştırmayı çözme  ve JPEG2000 medikal görüntülerin yerli DICOM görüntü formatına dönüştürme yeteneği olmalıdır. Ayrıca, eğer DICOM kullanıcısının JPEG2000’i gösterme yeteneği varsa, tam JPEG2000 görüntüsü, DICOM iletisinin içinde sarmalanır ve aktarılır. Eğer kullanıcı isteği, JPIP İstek Dizisi’nin niteliğini içermezse, DICOM2000 sunucusu, DICOM isteğinin olduğu gibi davranır.

DICOM2000 sözdiziminin açıklığından dolayı, DICOM2000 tabanlı uygulamaları önceden var olan DICOM tabanlı PACS yeni iletileriyle birleştirmek kolaydır. Bu, gerçekten medikal görüntü akışı için yeni ağ protokollerinde temel alınan PACS te bir avantajdır. DICOM2000 sözdizimini desteklemeyen uygulamalar basitçe, eklenen nitelikleri görmezlikten gelecektir.

DICOM2000 sözdizimi, bütün DICOM JPEG2000 transfer sözdizimlerinin yararlarını arşivler ve JPIP Piksel veri sağlayıcı hizmeti birinde birleştirilir. Medikal görüntü arşivinin büyüklüğü JPEG2000 sıkıştırması kullanıldığında daha küçüktür. Medikal görüntülerin akışı, DICOM iletişim kanalı boyunca elde edilir. Görüntü arşivi her bir görüntünün sadece bir kopyasını içerir ve kapasiteleri ne olursa olsun tüm kullanıcı cihazları hizmet için kullanılır. Farklı büyüklükteki görüntüler, minimal uzamsal bir  çarpıtmayla JPEG2000 kod akışından basit bir yolla çıkarılır (Maksimum kalite). Önerilen diğer çözümün aksine DICOM medikal görüntü akışı için, DICOM2000 medikal görüntü depolama işlemi mobil cihazları bile destekler. Bu yüzden, mobil cihazlarda medikal görüntüleri depolamak ve güncellemek mümkündür.

DICOM2000 iletişimi iki yolla uygulanır. İlk yol; DICOM2000 Tek Sunuculu Mimari, Şekil 12. Tüm işlevsellikler DICOM2000 sunucusunda yerleştirilmiştir. DICOM2000 sıkıştırmasının yanında, sunucu uygulaması JPEG2000 kodlamasını desteklemek zorundadır. Bu, DICOM2000 sunucusunun kullanıcı istekleri doğrultusundaki JPEG2000 görüntüleri kodlamasını sağlar. DICOM2000 kullanıcı uygulaması JPEG2000 medikal görüntüleri istediği zaman; JPIP İstek Dizisi çözümlenir ve JPEG2000 medikal görüntüsü kullanıcı isteğine göre kodlandırılır.

DICOM2000 iletişimini uygulamanın ikinci yolu DICOM2000 İki Sunuculu Mimaridir, Şekil 13. Tüm işlevsellikler DICOM2000 ve JPIP sunucu uygulamaları arasında bölünür. JPEG2000 kodlama işlevselliği JPIP sunucusuyla değiştirilmiştir. Ayrıca, JPEG2000 medikal görüntüleri JPIP sunucusunda depolanır. Sadece medikal görüntüye ilişkin bilgi DICOM2000 sunucusunda depolanır. DICOM2000 sunucusu tüm iletişimi kontrol eder. Kullanıcı uygulaması DICOM2000 sunucusu boyunca medikal görüntüleri ele alabilir. Medikal görüntü depolama işlemini DICOM2000 sunucusu boyunca ele alır. Kullanıcı uygulamaları yeni medikal görüntüleri, JPIP sunucu uygulamasında depolayan DICOM2000 sunucusunda uzaktan bilgisayarına yükler. Yüklenen yerli DICOM görüntüleri ilk JPEG2000 formatında sıkıştırılır.

DICOM2000 kullanıcı uygulaması JPEG2000 medikal görütülerini istediğinde, JPIP İstek Dizisi DICOM2000 iletisinden çıkarılır, hedeflenen JPEG2000 medikal görüntünün ismi ile yanyana JPIP isteğiyle bütünleştirilir ve JPIP sunucu uygulamasına gönderilir. JPIP sunucusuyla olan iletişimde, DICOM2000 sunucusu JPIP kullanıcı uygulaması gibi davranır. JPIP sunucusu istenilen JPEG2000 akışını , ve sadece DICOM2000 müşteri isteğine hizmet eden JPEG2000 piksel verisi, DICOM2000 sunucusu uygulaması için geri akıştır. DICOM2000 sunucusu tarafından alınan DICOM2000 iletisindeki ilgili bilgi ile birlikte JPEG2000 piksel verisi sarmalanır ve DICOM2000 kullanıcı uygulamasına geri gönderilir.

DICOM2000 İki Sunuculu Mimarisi uygulamaya konmuştur ve kontrollü ortamda test edilmiştir. Çok iyi sonuçlar elde edilmiştir. PACS görüntü arşivinin büyüklüğü 10 kezden daha fazla azaltıldı. Düşük çözünürlük ve düşük kalitedeki JPEG2000 görüntüleri JPEG2000 kod akışından çıkarılmıştır ve verilen çözünürlük için mümkün kalitede başarıyla incelenen cep telefonlarına gönderilmiştir. Alınan görüntüler sadece öngörünüm olarak işlenmiştir. İlgi alanı sonradan seçilen ve yüksek çözünürlükte istenendir. Süreç, görüntü bölgesinin orijinal görüntü gibi  aynı çözünürlükte işlenememesine kadar devam eder. Görüntüleyici, orijinal çözünürlükteki görüntünün bölgesinden sonra kayan bölge boyunca yönetebilir. 

5. SONUÇ

Modern PACS, medikal işler için heryeri kapsayan mobil cihazları içermelidir. Bu yüzden, DICOM standartı, medikal görüntülerin iletişimindeki olduğu standart gibi, görüntü akışını desteklemelidir. Görüntü akışı için modern çözümler, genelde JPEG2000 standardında temel alınır. Bu standart, görüntü sıkıştırması ile veri akışını birleştirir. Farklı büyüklükteki görüntüler, minimal uzaya ait bozulmayla, birinden basit bir yolda (kayıplı veya kayıpsız) JPEG2000 kod akışı sunucusundan çıkarılmış ve  farklı kullanıcılara sunulmuştur. Bizim bilgimize, DICOM ağlarının üzerinden JPEG2000 akışını yerine getiren PACS için hiçbir çözüm yoktur. DICOM üzerinden JPEG2000 medikal görüntülerin akışını biz  teklif ettik ve kesinlikle onu uygulayan DICOM2000 söz dizimini geliştirdik. DICOM2000 sıkıştırmayı ve DICOM2000’e JPEG2000’den akış gücünü getirir.

Raporda, JPEG2000 medikal görüntülerin değiş tokuşuna izin veren PACS mimarilerini sunduk. DICOM2000 tabanlı PACS mimarileri, standart DICOM sözdizimi tabanlı PACS mimarileriyle karşılaştırılmış ve çözümler teknik literatürde sunulmuştur. DICOM2000 tabanlı PACS var olan diğer DICOM tabanlı JPEG2000 medikal görüntülerin değişimini uygulayan PACS üzerinde önemli avantajları vardır. Kısaca listelendiğinde, bu avantajlar şunlardır :

• PACS görüntü arşivinin büyüklüğü on kat daha küçüktür.

• Görüntü sıkıştırması görüntü akışıyla birleştirilmiştir. Bu demektir ki; herhangi bir kullanıcı en kaliteli görüntüye uygun yeteneklerle hizmet edebilir.

• Çıkarılan medikal görüntüler, minimum uzaysal bozulma ile vardır. Bunlar, aynı büyüklüğün otomatik ölçeklendirilen görüntülerinden çok daha kalitelidir.

• Bir medikal görüntüye bağlanan bütün kullanıcı istekleri, tek görüntü kod akışından hizmet edilir.

• Gereksiz veri olmadığından, ağ trafiği azaltılır. Alçak – bant ağlarında bile hızlı medikal görüntü gösterimini sağlar.

• Tüm iletişim, DICOM iletişim protokolü üzerinden sağlanır. DICOM sunucusu piksel veri iletimi üzerinde kontrole sahiptir.

• DICOM2000 tabanlı PACS, standart DICOM iletişimini destekleyen diğer PACS ile kolaylıkla birleşebilir.  DICOM2000 uygulamaları kolay ve açık olarak var olan DICOM tabanlı PACS ile birleştirilebilir.

• JPEG2000 medikal görüntü değişimi için olan diğer PACS mimarisini içermez. Örneğin; JPIP Piksel Veri Sağlayıcı Hizmeti ile DICOM2000’i birleştirmek mümkündür.

• Medikal görüntü depolama işlemi mobil cihazları bile destekler.

• DICOM2000 tabanlı PACS, yerli DICOM formatındaki eski DICOM görüntü arşivleriyle kolayca birleştirilebilir. Arka plan süreci, eski DICOM medikal görüntüleri JPEG2000 formatına çevirebilir, ve onları yeni medikal görüntü arşivine depolayabilir.

DICOM tabanlı PACS in iki mümkün mimarisi vardır. DICOM2000 Tek Sunuculu Mimari tüm işlevsellikleri DICOM2000 sunucu uygulamasına koyar. DICOM2000 İki Sunuculu Mimari DICOM2000 ve JPIP sunucu uygulamaları arasındaki tüm işlevsellikleri böler. DICOM2000 İki Sunuculu Mimarisi daha karmaşık ve daha zaman alıcı gözükse de, ekstra yararlar sunar – JPEG2000 medikal görüntü değişimi için standart DICOM hizmetleri ile DICOM2000 sözdizimi işlevselliklerini birleştirme ihtimali.

DICOM2000 İki Sunuculu Mimari’yi uyguladık. Sistem iyi sonuçlar verdi. Farklı büyüklükteki medikal görüntüler orijinal JPEG2000 kod akışından çıkarıldı ve DICOM2000 kullanıcılarına ulaştırıldı. Görüntülerin kalitesi ve büyüklüğü kullanıcı cihazı işlemesine ve görünen yeteneklere uyum sağladı.

DICOM2000 sisteminin mevcut uygulaması tamamlanmamıştır, çünkü; ROI görüntüsünün görünümünü desteklemez. Bu, orijinal çözünürlükte medikal görüntünün istenilen parçasına talep etmesi için DICOM2000 kullanıcı uygulamalarını sağlayacaktır. Tüm medikal görüntü bölgeye görüntülenebilir hale gelebilir.

DICOM2000 tabanlı PACS, heryerde olan medikal bilgi işlem ortamına doğru yön değiştirmiştir.

6. Acknowledgments

The work presented in the paper was developed within the: project “Eroentgenology of Special hospital for lung disease,” No. 6233B [31] and IT

Project “WEB portals for data analysis and consulting,” No. 13013, supported by the government of Republic of Serbia, 2006. – 2010.

7. References

1. Choong, M.K., Logeswaran, R., Bister, M.: Cost-effective handling of digital medical images in the telemedicine environment. International Journal of Medical Informatics, Vol. 76, No. 9, 646-654. (2007)

2. Huang, H. K.: Enterprise PACS and image distribution. Computerized Medical Imaging and Graphics, Vol. 27, No.2-3, 241-253. (2003)

3. Sneha, S. and Dulipovici, A.: Strategies for Working with Digital Medical Images. In Proceedings of the 39th Annual Hawaii international Conference on System Sciences, HICSS, Vol. 05, Kauai, HI, USA. IEEE Computer Society, Washington, DC, 100.1. (2006)

4. Skodras, A. N.: The JPEG2000 Image Compression Standard in Mobile Health. MHealth: Emerging Mobile Health Systems, SpringerLink, 313-327. (2006)

5. Bardram, J.E.: Hospitals of the future – ubiquitous computing support for medical work in hospitals. The 2nd international workshop on ubiquitous computing for pervasive healthcare applications – UbiHealth 2003, Seattle, Washington, USA. (2003)

6. Atkinson, C., Kaplan, B., Larson, K., Martins, H.M.G, Lundell, J., Harris, M.: Ubiquitous Computing for Health and Medicine. Designing Ubiquitous Information Environments: Socio-technical Issues and Challenges, eds. C. Sørenson, Y. Yoo, K. Lyytinen, and J.I. DeGross, London: Kluwer Academic Publishers, 355-358. (2005)

7. Dragan, D. and Ivetic, D.: An Approach to DICOM Extension for Medical Image Streaming. In Proceedings of the 19th DAAAM International Symposium, “Intelligent Manufacturing & Automation”, Trnava, Slovakia. (2008)

8. Mirkovic, J., Ivetic, D., Dragan, D.: Presentation of Medical Images Extracted From DICOM Objects on Mobile Devices. In Proceedings of the 9th International Symposium of Interdisciplinary Regional Research “ISIRR 2007” Hungary – Serbia – Romania, Novi Sad, Serbia. (2007)

9. Dragan, D. and Ivetic, D.: An Implementation of DICOM/JPEG2000 Client/Server Architecture. In Proceedings of the 9th International Symposium of Interdisciplinary Regional Research “ISIRR 2007” Hungary – Serbia – Romania, Novi Sad, Serbia. (2007)

10. Eyadat, M. and Muhi, I.: Compression Standards Roles in Image Processing: Case Study. The Proceedings of the International Conference on Information Technology: Coding and Computing – ITCC’05, 135-140. (2005)

11. Information technology – JPEG2000 image coding system: Core coding system. ISO/IEC 15444-1, 2000 | ITU-T Recommendation T.800. (2002)

12. Taubman, D. and Marcellin, M.: JPEG2000: Image compression fundamentals, standards and practice. Kluwer Academic Publishers, Boston, USA. (2001)

13. Tinku, A., and Ping-Sing, T.: JPEG2000 Standard for Image Compression – Concepts, Algorithms and VLSI Architecture. Wiley-Interscience publication. (2005)

14. Dragan D.: Encapsulation of JPEG2000 Compression by DICOM standard message [master thesis]. University of Novi Sad, Faculty of Technical Science, Department for Computing and Control, Novi Sad, Serbia. (2008)

15. Przelaskowski, A.: Compression of mammograms for medical practice. In Proceedings of the 2004 ACM Symposium on Applied Computing – SAC ’04, 249-253. (2004)

16. Clunie D.A.: Lossless Compression of Grayscale  Medical Images – Effectiveness of Traditional and State of the Art Approaches. Proceedings of SPIE, 74-84. (2000)

17. American College of Radiology, National Electrical Manufacturers Association: Digital imaging and communication in medicine (DICOM): version 3. Draft Standard, ACR-NEMA Committee, Working Group VI, Washington DC. (1993)

18. Dragan, D., and Ivetić, D.: DICOM overview. The VII International Symposium “Young People and Multidisciplinary Research”, Resita, Romania. (2005)

19. Dragan, D., Ivetić, D., and Popović, M.: DICOM Communication and Mapping on TCP/IP Protocol. In Proceedings of the Symposium INFOTEH-JAHORINA 2006 [CD-ROM], Vol. 5, Ref. E-II-15, 384-388, Jahorina, Bosnia and  Hercegovina. (2006)

20. Bidgood, W. D. Jr., Horii, S. C., Prior, F. W., and Van Syckle, D. E.: Understanding and using DICOM, the data interchange standard for biomedical imaging. Journal of American Medical Information Association Vol. 4, No. 3, 199-212. (1997)

21. Oosterwijk, H.: DICOM Basics. OTech Inc/Cap Gemini Ernst and Young. (2002)

22. Seok-Hwan, J. and Whoi-Yul, K.: Defining a New Annotation Object for DICOM Image: a Practical Approach. Computerized Medical Imaging and Graphics, Vol. 28, No. 2-3, 371-375. (2003)

23. American College of Radiology, National Electrical Manufacturers Association: Digital imaging and communication in medicine (DICOM): revision PS 3.1-2006 ~PS 3.15-2006. Draft Standard, ACR-NEMA Committee, Rosslyn, VA. (2006)

24. Tian, Y., and Zhang, J.G.: JPIP-based Wireless Transmission and Display of High Resolution DICOM Medical Images. Chinese Journal of Medical Instrumentation (Zhongguo Yi Liao Qi Xie Za Zhi), Vol. 30, No. 4, 299-301. (2006)

25. Tian, Y., Cai, W., Sun, J., and Zhang, J.: Accessing medical image databases on the go. SPIE Newsroom, Electronic Imaging & Signal Processing [Online]. Available at: http://spie.org/x19505.xml. (cited 2008 Feb)

26. Information technology – JPEG2000 image coding system: Interactivity tools, APIs and protocols. ISO/IEC 15444-9, 2005 | ITU-T Recommendation T.808. (2005)

27. Taubman, D., and Prandolini, R.: Architecture, Philosophy and Performance of JPIP: Internet Protocol Standard for JPEG2000. In Proceedings of the International Symposium on Visual Communications and Image Processing (VCIP2003), Lugano, Italy. SPIE Vol. 5150, No. 3, 791-805. (2003)

28. Moshfeghi, M. and Ta, J.: Efficient Image Browsing with JPEG2000 Internet Protocol. Medical Imaging 2004: PACS and Imaging Informatics, Proceedings of SPIE, Vol. 5371, 31-42. (2004)

29. Blanquer, I., Hernández, V., and Mas, F.: A Peer-to-Peer Environment to Share Medical Images and Diagnoses Providing Context-Based Searching. In Proceedings of the 13th Euromicro Conference on Parallel, Distributed and Network-Based Processing (Euromicro-PDP’05), Lugano, Switzerland. IEEE  Computer Society, Washington, DC, 42-48. (2005)

30. Ramakrishnan, B., and Sriraam, N.: Internet Transmission of DICOM Images with Effective Low Bandwidth Utilization. Digital Signal Processing, Vol. 16, No. 6, 825-831. (2006)

31. Ivetić, D., Berković I., and Dragan, D.: Technological Aspects of E-Rentgenology Systems. In proceedings of the Symposium INFOTEH-JAHORINA 2006 [CDROM], Jahorina, Bosnia and Hercegovina. Vol. 5, Ref. E-II-10, 373-375. (2006)

Kayıplı ve Kayıpsız Sıkıştırma Yöntemi

ROI Belirlenen BT Görüntüsü

Segmentasyon ile sınırları çizilmiş CT görüntüsü

Kayıpsız sıkıştırma algoritmalarının sıkıştırma performansları kıyaslaması

   Y  =  0.2989 R + 0.5866 G + 0.1145 B
   Cb = -0.1687 R - 0.3312 G + 0.5000 B
   Cr =  0.5000 R - 0.4183 G - 0.0816 B