Цифровая визуализация и коммуникации в медицине ( DICOM ) — это технический стандарт для цифрового хранения и передачи медицинских изображений и связанной с ними информации. [1] Он включает определение формата файла , которое определяет структуру файла DICOM , а также сетевой протокол связи , который использует TCP/IP для связи между системами. Основная цель стандарта — облегчить связь между программными и аппаратными объектами, участвующими в медицинской визуализации , особенно теми, которые созданы разными производителями. Объекты, которые используют файлы DICOM, включают компоненты систем архивации и передачи изображений (PACS) , такие как машины для обработки изображений (модальности) , радиологические информационные системы (RIS) , сканеры , принтеры , вычислительные серверы и сетевое оборудование .
Стандарт DICOM широко применяется в больницах и индустрии медицинского программного обеспечения , а иногда используется в менее масштабных приложениях, например, в кабинетах стоматологов и врачей.
Национальная ассоциация производителей электрооборудования (NEMA) владеет авторскими правами на опубликованный стандарт [2] , который был разработан Комитетом по стандартам DICOM (в который входят некоторые члены NEMA. [3] [4] Он также известен как стандарт NEMA PS3 и стандарт ISO 12052:2017: «Медицинская информатика — цифровая визуализация и связь в медицине (DICOM), включая управление рабочими процессами и данными» .
DICOM используется во всем мире для хранения, обмена и передачи медицинских изображений . DICOM играет центральную роль в развитии современной радиологической визуализации : DICOM включает стандарты для методов визуализации, таких как рентгенография, ультрасонография, компьютерная томография (КТ), магнитно-резонансная томография (МРТ) и лучевая терапия. DICOM включает протоколы для обмена изображениями (например, через портативные носители, такие как DVD), сжатия изображений, трехмерной визуализации, представления изображений и отчетности о результатах. [5]
DICOM — стандарт, разработанный Американским колледжем радиологии (ACR) и Национальной ассоциацией производителей электрооборудования (NEMA).
В начале 1980-х годов было очень сложно для кого-либо, кроме производителей устройств компьютерной томографии или магнитно-резонансной томографии, расшифровывать изображения, которые генерировали машины. Радиологи и медицинские физики хотели использовать изображения для планирования дозы для лучевой терапии . ACR и NEMA объединились и сформировали комитет по стандартизации в 1983 году. Их первый стандарт, ACR/NEMA 300, под названием «Цифровая визуализация и связь», был выпущен в 1985 году. Вскоре после его выпуска стало ясно, что необходимы улучшения. Текст был расплывчатым и имел внутренние противоречия.
В 1988 году была выпущена вторая версия. Эта версия получила большее признание среди поставщиков. Передача изображения была определена как через выделенный 2-парный кабель ( EIA-485 ). Первая демонстрация технологии межсетевого взаимодействия ACR/NEMA V2.0 состоялась в Джорджтаунском университете 21–23 мая 1990 года. В этом мероприятии приняли участие шесть компаний: DeJarnette Research Systems, General Electric Medical Systems, Merge Technologies, Siemens Medical Systems, Vortech (приобретенная Kodak в том же году) и 3M. Коммерческое оборудование, поддерживающее ACR/NEMA 2.0, было представлено на ежегодном собрании Радиологического общества Северной Америки (RSNA) в 1990 году этими же поставщиками. Многие вскоре поняли, что вторая версия также нуждается в улучшении. Было создано несколько расширений ACR/NEMA 2.0, таких как Papyrus (разработанный университетской больницей Женевы, Швейцария) и SPI (Standard Product Interconnect), продвигаемый Siemens Medical Systems и Philips Medical Systems.
Первое крупномасштабное внедрение технологии ACR/NEMA было осуществлено в 1992 году армией и военно-воздушными силами США в рамках программы MDIS (Medical Diagnostic Imaging Support) [6], базирующейся в Форт-Детрике, штат Мэриленд. Loral Aerospace и Siemens Medical Systems возглавили консорциум компаний по внедрению первой в США военной PACS (Picture Archiving and Communications System) во всех основных медицинских учреждениях армии и военно-воздушных сил, а также в узлах телерадиологии в большом количестве военных клиник США. DeJarnette Research Systems и Merge Technologies предоставили интерфейсы шлюзов модальностей от сторонних модальностей визуализации к сети Siemens SPI. Администрация по делам ветеранов и ВМС также закупили системы по этому контракту. [ необходима ссылка ]
В 1993 году была выпущена третья версия стандарта. Затем его название было изменено на «Цифровая визуализация и коммуникации в медицине», сокращенно DICOM. Были определены новые классы услуг, добавлена сетевая поддержка и введено Заявление о соответствии. Первоначально стандарт DICOM назывался «DICOM 3.0», чтобы отличать его от предшественников. [7] DICOM постоянно обновлялся и расширялся с 1993 года с намерением, чтобы изменения были обратно совместимы, за исключением редких случаев, когда более ранняя спецификация была неправильной или неоднозначной. Официально не существует «версии» стандарта, кроме текущего стандарта, поэтому номер версии «3.0» больше не используется. Нет «второстепенных» версий стандарта (например, нет такого понятия, как «DICOM 3.1»), и нет текущих планов по разработке новой, несовместимой версии стандарта (т. е. нет «DICOM 4.0»). На стандарт следует ссылаться без указания даты выпуска конкретного опубликованного издания, [8] за исключением случаев, когда применяются особые требования соответствия, зависящие от устаревшей функции, которая больше не документирована в текущем стандарте. [9]
Хотя стандарт DICOM достиг почти универсального уровня принятия среди поставщиков медицинского оборудования для визуализации и ИТ-организаций здравоохранения, у него есть свои ограничения. DICOM — это стандарт, направленный на решение технических проблем взаимодействия в медицинской визуализации. Он не является фреймворком или архитектурой для достижения полезного клинического рабочего процесса. Инициатива Integrating the Healthcare Enterprise (IHE), наложенная поверх DICOM (и HL-7 ), определяет профили для выбора функций из этих стандартов с целью реализации транзакций для конкретных случаев использования взаимодействия в медицинской визуализации.
Хотя всегда совместимый с Интернетом и основанный на транспорте по TCP , со временем возросла потребность в поддержке HTTP- транспорта порта 80 для упрощения использования в веб-браузере. Совсем недавно было определено семейство веб-сервисов DICOM RESTful , позволяющее мобильным устройствам получать доступ к объектам и сервисам DICOM, в том числе WADO-RS, STOW-RS и QIDO-RS, которые вместе составляют инициативу DICOMweb .
Существуют некоторые производные от стандарта DICOM в других областях применения. К ним относятся DICONDE ( Цифровая визуализация и связь в неразрушающей оценке ), который был создан в 2004 году ASTM International как способ для производителей и пользователей неразрушающего контроля обмениваться данными изображений. [10] DICONDE может использоваться для компьютерной радиографии , [11] цифровой радиографии , [12] компьютерной томографии , [13] ультразвукового контроля , [14] и вихретокового контроля ., [15]
DICOS ( цифровая обработка изображений и связь в сфере безопасности ), которая была создана в 2009 году для использования в целях обмена изображениями в сфере безопасности аэропортов . [16]
DICOM группирует информацию в наборы данных . Например, файл рентгеновского снимка грудной клетки может содержать идентификатор пациента внутри файла, так что изображение никогда не может быть отделено от этой информации по ошибке. Это похоже на то, как форматы изображений, такие как JPEG, также могут иметь встроенные теги для идентификации и иного описания изображения.
Объект данных DICOM состоит из ряда атрибутов, включая такие элементы, как имя, идентификатор и т. д., а также одного специального атрибута, содержащего данные пикселей изображения (т. е. логически основной объект не имеет «заголовка» как такового, являясь просто списком атрибутов, включая данные пикселей). Один объект DICOM может иметь только один атрибут, содержащий данные пикселей. Для многих модальностей это соответствует одному изображению. Однако атрибут может содержать несколько «кадров», что позволяет хранить кинопетли или другие многокадровые данные. Другим примером являются данные NM, где изображение NM по определению является многомерным многокадровым изображением. В этих случаях трех- или четырехмерные данные могут быть инкапсулированы в один объект DICOM. Данные пикселей могут быть сжаты с использованием различных стандартов, включая JPEG , JPEG без потерь , JPEG 2000 и кодирование длин серий (RLE) . Сжатие LZW (zip) можно использовать для всего набора данных (а не только для пиксельных данных), но это редко применяется.
DICOM использует три различные схемы кодирования элементов данных. С элементами данных явного представления значений (VR) для VR, которые не являются OB, OW, OF, SQ, UT или UN [ необходимо разъяснение ] , формат для каждого элемента данных следующий: GROUP (2 байта) ELEMENT (2 байта) VR (2 байта) LengthInByte (2 байта) Данные (переменной длины). Для других явных элементов данных или неявных элементов данных см. раздел 7.1 Части 5 Стандарта DICOM.
Для всех приложений, включая сетевое и файловое использование, используется один и тот же базовый формат, но при записи в файл обычно добавляется настоящий «заголовок» (содержащий копии нескольких ключевых атрибутов и сведений о приложении, которое его записало).
Для продвижения идентичного отображения изображений в оттенках серого на разных мониторах и согласованных изображений на бумажных носителях с разных принтеров комитет DICOM разработал таблицу поиска для отображения цифровых значений пикселей. Для использования функции стандартного отображения в оттенках серого DICOM (GSDF) [ 18] изображения должны просматриваться (или печататься) на устройствах, имеющих эту кривую поиска или на устройствах, которые были откалиброваны по кривой GSDF. [19]
В дополнение к представлению значения, каждый атрибут также имеет кратность значения , указывающую количество элементов данных, содержащихся в атрибуте. Для представлений значений строк символов, если кодируется более одного элемента данных, последовательные элементы данных разделяются символом обратной косой черты "\". [20]
DICOM состоит из служб, большинство из которых связаны с передачей данных по сети. Формат файла для офлайн-носителей является более поздним дополнением к стандарту.
Служба хранилища DICOM используется для отправки изображений или других постоянных объектов (структурированных отчетов и т. д.) в систему архивации и передачи изображений (PACS) или на рабочую станцию.
Служба подтверждения хранения DICOM используется для подтверждения того, что изображение было постоянно сохранено устройством (либо на избыточных дисках, либо на резервном носителе, например, записано на CD). Пользователь класса обслуживания (SCU: аналогично клиенту ) , модальность или рабочая станция и т. д., использует подтверждение от поставщика класса обслуживания (SCP: аналогично серверу ) , например, архивной станции, чтобы убедиться в безопасности локального удаления изображений.
Это позволяет рабочей станции находить списки изображений или других подобных объектов, а затем извлекать их из системы архивации и передачи изображений.
Служба рабочего списка модальностей DICOM предоставляет список процедур визуализации, запланированных для выполнения устройством получения изображений (иногда называемым системой модальности). Элементы рабочего списка включают соответствующие сведения о субъекте процедуры (идентификатор пациента, имя, пол и возраст), тип процедуры (тип оборудования, описание процедуры, код процедуры) и порядок процедуры (направляющий врач, номер доступа , причина обследования). Устройство получения изображений, такое как КТ-сканер, запрашивает поставщика услуг, такого как RIS , для получения этой информации, которая затем предоставляется оператору системы и используется устройством визуализации для заполнения сведений в метаданных изображения.
До использования службы рабочего списка модальностей DICOM оператору сканера приходилось вручную вводить все соответствующие данные. Ручной ввод медленнее и создает риск неправильного написания имен пациентов и других ошибок ввода данных.
Дополнительный сервис для modality worklist, который позволяет модальности отправлять отчет о выполненном обследовании, включая данные о полученных изображениях, времени начала, времени окончания и продолжительности исследования, доставленной дозе и т. д. Он помогает рентгенологическому отделению более точно управлять использованием ресурсов (станций сбора данных). Также известный как MPPS, этот сервис позволяет модальности лучше координировать работу с серверами хранения изображений, предоставляя серверу список объектов для отправки до или во время фактической отправки таких объектов.
Служба печати DICOM используется для отправки изображений на принтер DICOM, обычно для печати "рентгеновской" пленки. Существует стандартная калибровка (определенная в DICOM Часть 14), которая помогает обеспечить согласованность между различными устройствами отображения, включая распечатку на бумажном носителе.
Формат файлов офлайн-медиа указан в Части 10 стандарта DICOM. Такие файлы иногда называют «файлами Части 10».
DICOM ограничивает имена файлов на носителях DICOM 8 символами (некоторые системы ошибочно используют 8.3, но это не соответствует стандарту). Из этих имен не должна извлекаться никакая информация (PS3.10 Раздел 6.2.3.2). Это распространенный источник проблем с носителями, созданными разработчиками, которые невнимательно читали спецификации. Это историческое требование для поддержания совместимости со старыми существующими системами. Оно также предписывает наличие каталога носителя, файла DICOMDIR, который предоставляет индексную и сводную информацию для всех файлов DICOM на носителе. Информация DICOMDIR предоставляет существенно больше информации о каждом файле, чем любое имя файла, поэтому в осмысленных именах файлов меньше необходимости.
Файлы DICOM обычно имеют расширение .dcm, если они не являются частью носителя DICOM (что требует, чтобы они не имели расширения).
Тип MIME для файлов DICOM определен в RFC 3240 как application/dicom.
Тип унифицированного идентификатора типа для файлов DICOM — org.nema.dicom.
Также в настоящее время проводится тестирование обмена носителями и процесс «connectathon» для CD-носителей и работы сети, организованный организацией IHE .
Основное применение стандарта DICOM — захват, хранение и распространение медицинских изображений. Стандарт также предоставляет услуги, связанные с визуализацией, такие как управление рабочими списками процедур визуализации, печать изображений на пленке или цифровых носителях, таких как DVD, отчетность о статусе процедуры, например, о завершении получения изображения, подтверждение успешного архивирования изображений, шифрование наборов данных, удаление идентификационной информации пациента из наборов данных, организация макетов изображений для просмотра, сохранение манипуляций с изображениями и аннотаций, калибровка дисплеев изображений, кодирование ЭКГ, кодирование результатов САПР, кодирование структурированных данных измерений и хранение протоколов получения.
Определения информационных объектов DICOM [21] кодируют данные, полученные с помощью самых разных типов устройств визуализации, [22] включая КТ (компьютерную томографию), МРТ (магнитно-резонансную томографию), УЗИ , рентген , флюороскопию , ангиографию , маммографию , томосинтез молочной железы, ПЭТ ( позитронно-эмиссионную томографию ), ОФЭКТ (однофотонную эмиссионную компьютерную томографию), эндоскопию, микроскопию, полнодиапазонную визуализацию, ОКТ (оптическую когерентную томографию).
DICOM также реализуется устройствами, связанными с изображениями или рабочим процессом визуализации, включая PACS (системы архивации и передачи изображений), просмотрщики и станции отображения изображений, CAD (системы автоматизированного обнаружения/диагностики), системы 3D-визуализации, приложения для клинического анализа, принтеры изображений, сканеры пленок, устройства записи носителей (которые экспортируют файлы DICOM на CD, DVD и т. д.), импортеры носителей (которые импортируют файлы DICOM с CD, DVD, USB и т. д.), RIS (системы радиологической информации), VNA (независимые от поставщика архивы), системы EMR (электронные медицинские записи) и системы отчетности по радиологии.
Во многих областях медицины есть специальная рабочая группа в рамках DICOM [23] , и DICOM применим к любой области медицины, в которой распространена визуализация, включая: рентгенологию, кардиологию, онкологию, ядерную медицину, радиотерапию, неврологию, ортопедию, акушерство, гинекологию, офтальмологию, стоматологию, челюстно-лицевую хирургию, дерматологию, патологию, клинические испытания, ветеринарию и медицинскую/клиническую фотографию.
DICOM зарезервировал следующие номера портов TCP и UDP Управлением по распределению адресов в Интернете (IANA): 104 — известный порт для DICOM по протоколу управления передачей (TCP) или протоколу пользовательских датаграмм (UDP). Поскольку 104 находится в зарезервированном подмножестве, многим операционным системам требуются специальные привилегии для его использования; 2761 — зарегистрированный порт для DICOM с использованием Integrated Secure Communication Layer (ISCL) по TCP или UDP; 2762 — зарегистрированный порт для DICOM с использованием Transport Layer Security (TLS) по TCP или UDP; 11112 — зарегистрированный порт для DICOM с использованием стандартной открытой связи по TCP или UDP. Стандарт рекомендует, но не требует использования этих номеров портов.
Согласно докладу, представленному на международном симпозиуме в 2008 году, стандарт DICOM имеет проблемы, связанные с вводом данных. «Основным недостатком стандарта DICOM является возможность ввода, вероятно, слишком большого количества необязательных полей. Этот недостаток в основном проявляется в непоследовательности заполнения всех полей данными. Некоторые объекты изображения часто неполны, поскольку некоторые поля остаются пустыми, а некоторые заполняются неверными данными». [24]
Другим недостатком является то, что формат файла допускает исполняемый код и может содержать вредоносное ПО . [25]
DVTk — проект с открытым исходным кодом для тестирования, проверки и диагностики протоколов и сценариев связи в медицинских средах. Поддерживает профили интеграции DICOM, HL7 и IHE.
Health Level 7 — некоммерческая организация, занимающаяся разработкой международных стандартов взаимодействия в области медицинской информатики. HL7 и DICOM управляют совместной рабочей группой по гармонизации областей, в которых пересекаются два стандарта, и решению вопросов интеграции изображений в электронную медицинскую карту.
Integrating the Healthcare Enterprise (IHE) — это спонсируемая отраслью некоммерческая организация, которая профилирует использование стандартов для решения конкретных случаев использования в здравоохранении. DICOM включен в различные профили IHE, связанные с визуализацией. [26] [27]
Систематизированная номенклатура лекарств (SNOMED) — это систематизированный, обрабатываемый компьютером набор медицинских терминов в области медицины и ветеринарии, содержащий коды, термины, синонимы и определения, охватывающие анатомию, заболевания, результаты исследований, процедуры, микроорганизмы, вещества и т. д. Данные DICOM используют SNOMED для кодирования соответствующих понятий.
XnView поддерживает .dic/ .dicomдля типа MIME application/dicom[28]
Наиболее известные стандарты и протоколы, используемые DICOM: [29]
Стандарт DICOM используется в самых разных ресурсах (IHE, HL7 ... a), связанных с изображениями.
Стандарты ISO12052: 2017 и CEN 12052 ссылаются на стандарт DICOM. [29]
В декабре 2023 года исследователь кибербезопасности Сина Язданмехр раскрыл критическую проблему безопасности в сервисе Store. Это открытие, представленное на Black Hat Briefings , продемонстрировало потенциальную возможность злоумышленников манипулировать существующими сериями медицинских изображений. Исследование Язданмехр выявило тревожную способность злоумышленников уничтожать серии изображений или вводить вводящие в заблуждение индикаторы заболеваний. [30] [31]
Обеспечение безопасности данных пациентов в DICOM имеет решающее значение, поскольку эти файлы часто содержат конфиденциальную персональную медицинскую информацию (PHI). Меры безопасности для данных DICOM включают шифрование, контроль доступа и механизмы аудита для предотвращения несанкционированного доступа, изменения или раскрытия информации о пациентах. Соблюдение таких нормативных актов, как Закон о переносимости и подотчетности медицинского страхования ( HIPAA ) в США и Общий регламент по защите данных ( GDPR ) в Европе, имеет важное значение для защиты конфиденциальности пациентов и обеспечения целостности медицинских записей.
Деидентификация DICOM относится к процессу удаления или анонимизации личной медицинской информации (PHI) из медицинских изображений для защиты конфиденциальности пациента. Этот процесс жизненно важен для обмена медицинскими данными в исследовательских, образовательных целях или для мероприятий общественного здравоохранения с соблюдением правил конфиденциальности. Методы деидентификации включают удаление или маскировку идентифицируемых элементов данных в метаданных DICOM, таких как имена пациентов, даты рождения и другие уникальные идентификаторы. Обеспечение тщательной деидентификации имеет решающее значение для баланса преимуществ обмена данными с обязательством сохранения конфиденциальности пациента. [32]
Уязвимость в формате изображения DICOM позволяет вредоносному ПО заражать данные пациентов, напрямую вставляя себя в файлы медицинских изображений. Эти гибридные файлы представляют собой как полностью исполняемые двоичные файлы вредоносного ПО, так и полностью функциональные, соответствующие стандартам изображения DICOM, которые сохраняют исходные данные пациентов и могут использоваться врачами, не вызывая подозрений.