Arquitetura básica 1 Introdução

Sistemas de arquivamento e comunicação de imagens envolvem a integração de tecnologias de formação de imagem, processamento de imagem, projeto de estações de trabalho, engenharia de banco de dados, engenharia de comunicações e engenharia de programação. O resultado final da integração destes componentes são sistemas capazes de adquirir, armazenar, transmitir e visualizar imagens.

A Figura 1 mostra a estrutura genérica de um PACS. De um lado estão os equipamentos de imagens médicas e as respectivas conexões para a transferência de dados para o PACS. Os resultados destes sistemas de imagens podem ser digitais ou podem ser convertidos para o formato digital através de digitalizadores. Estando os dados na forma digital, eles podem ser incorporados ao PACS. Este processo de aquisição envolve a conexão entre os equipamentos de imagens, um banco de dados central e um sistema de armazenamento. O banco de dados é o sistema de arquivos no computador que gerencia o arquivamento e as consultas às imagens e aos dados médicos relacionados. Já o sistema de armazenamento, que é usado como repositório de dados para o banco de dados, é o análogo eletrônico dos arquivos filmes usados nos departamentos de radiologia tradicionais.

Figura 1 - Representação esquemática de PACS.*

Uma vez adquiridas e armazenadas, as imagens são colocadas à disposição dos usuários através de um sistema de rede. Dependendo do escopo do sistema, os dados podem ser transmitidos para dentro ou fora das instalações médicas, sendo possível o acesso remoto através de linhas de telefone, ligações de microondas e satélites. As imagens são apresentadas ao usuário através de monitores de alta resolução conectados a estações de trabalho específicas para PACS, que possibilitam vários graus de manipulação e processamento de imagens, dependendo da necessidade e aplicação.

Como os PACS consistem da integração de vários componentes complexos, a implementação de um sistema clinicamente útil é uma tarefa difícil. Para atender ao objetivo de ser uma alternativa ao sistema tradicional baseado em filmes, cada um dos principais componentes dos PACS e o sistema como um todo devem satisfazer requisitos específicos, descritos em detalhes nas seções subsequentes.

2.1.2.2 Aquisição de dados

Vários tipos de dispositivos de aquisição já produzem resultados digitais (CR, CT, MRI, PET) e por isso são inerentemente adequados para serem integrados a PACS.

Já as imagens de raio x convencionais devem ser digitalizadas para serem incorporadas a este tipo de sistema. Imagens de ultra-som podem ser digitalizadas a partir de filmes, de vídeos, ou podem ser obtidas diretamente no formato digital dependendo do equipamento.

O tamanho das imagens (número de pixels e número de bits/pixel) varia de acordo com a modalidade e com as implementações específicas de fabricantes. O formato das imagens e o conjunto de informações relacionadas tanto com as imagens quanto com os pacientes foram sujeitos a uma proposta de padronização formulada pelo American College of Radiology e National Electrical Manufacturers Association (ACR/NEMA). Este padrão, que será descrito em mais detalhes na seção 2.3, “Padrão DICOM 3.0”, também inclui especificações para a conexão dos equipamentos de aquisição de imagens com uma rede de dados. Apesar deste padrão não ser universalmente aceito pelos fabricantes, ele provavelmente passará a ser implementado em novos equipamentos para que estes possam ser integrados a PACS.

O componente de aquisição de dados deve ser implementado de maneira a possibilitar uma aquisição fácil e confiável de imagens, rápida revisão dos exames, e capacidade de impressão dos resultados para o caso de falha do PACS.

2.1.2.3 Sistema de armazenamento e banco de dados

O banco de dados organiza as informações sobre os exames de pacientes e gerencia o fluxo de imagens entre o sistema de armazenamento e as estações de trabalho do PACS.

Para um armazenamento e recuperação eficiente das imagens, é recomendado a utilização de uma estrutura de arquivamento de três níveis:1 _{1) armazenamento de}

imagens em estações de trabalho individuais, 2) armazenamento central de curto- prazo para estudos correntes e imagens relacionadas para comparação, e 3) armazenamento de longo prazo, de alta capacidade e acesso lento, para imagens sem previsão de interesse imediato.

Imagens e informações relacionadas que devem estar preferencialmente nos dispositivos de armazenamento de curto prazo são:6

• exames efetuados nas últimas 48 horas; • exames aguardando a interpretação primária;

• exames efetuados em um período inferior ou igual ao tempo médio de permanência de um paciente interno;

• exames históricos selecionados para serem usados em atividades clínicas; • exames históricos de pacientes que fizeram novas imagens.

O armazenamento de longo prazo deve ser capaz de armazenar dados para possíveis consultas futuras, podendo o período de retenção variar em função de diversos parâmetros:

• as imagens do ano atual e de mais quatro anos, ou pelo período mínimo definido pela legislação ou pela própria instalação médica;

• imagens de crianças até que elas atinjam 21 anos de idade;

• alguns exames de mamografia devem ser armazenados por toda a vida do paciente. O computador do banco de dados pode incorporar um conjunto de regras para a distribuição das imagens. Por exemplo, garantir que, na maioria dos casos, as imagens de cérebro sejam encaminhadas para o departamento de neurocirurgia, enquanto as radiografias de ossos devem ir para a ortopedia.

Para assegurar a disponibilidade de todas as imagens necessárias, o banco de dados pode antecipar estudos passados que provavelmente serão necessários em cada estação de trabalho.1 _{Estes possíveis estudos podem ser selecionados baseado na}

parte do corpo que está sendo examinada, no tipo de modalidade de imagem médica que está sendo utilizada, no departamento de origem do exame e na data do exame. Por exemplo, uma requisição de um estudo de CT abdominal pode automaticamente recuperar imagens fluoroscópicas armazenadas com os dados do paciente. Estas imagens seriam automaticamente encaminhadas às estações de trabalho do radiologista responsável e do médico requisitante. Esta capacidade é desejável pois o armazenamento de longo prazo (terceiro nível) é geralmente lento. A capacidade de armazenamento de segundo nível depende da velocidade de seleção e recuperação de

imagens no terceiro nível. Armazenamento de imagens dos últimos 15 dias é recomendável para o segundo nível.

As imagens médicas devem ser armazenadas por um período mínimo determinado pela legislação. Assumindo um período de sete anos para um hospital como o da Tabela 1, a capacidade de armazenamento necessária é de aproximadamente 7 Tbytes. Esta estimativa assume a utilização de compressão de dados reversível capaz de reduzir o volume por um fator de dois. A exigência legal de armazenamento de tal volume de dados estimula a utilização de técnicas de compressão de dados poderosas. Para obter altas taxas de compressão existem algoritmos de compressão com perdas, mas a aceitação destas técnicas para serem usadas em imagens de diagnóstico ainda é um problema aberto, apesar existirem estudos que mostram a equivalência da capacidade diagnóstica de imagens de certas patologias com compressão de 10:1 e sem compressão (CHEN apud LEOTTA).*

Muitos hospitais administram as informações sobre pacientes através de sistemas de informação hospitalar (HIS - Hospital Information System) computadorizados. Um sistema de informação radiológico (RIS - Radiology Information System), que pode ser módulo de um HIS ou ser independente, é usado para gerenciar exames radiológicos, relatórios e contas. Estes sistemas são baseados em texto, enquanto PACS são orientados a imagens. Se no passado estes sistemas foram implementados separadamente, dificultando a integração entre eles, novas implementações devem permitir a comunicação entre HIS/RIS e PACS. Assim, além dos processamentos relativos às imagens, um PACS deve incluir funções de entrada e utilização de dados demográficos de pacientes, entrada de pedidos e elaboração de relatórios de resultados, todas funções tradicionalmente desempenhadas por RIS. Os dados de pacientes existentes no RIS devem estar disponíveis para os usuários do PACS, e uma interface adequada de PACS com RIS evita que ocorram entradas manuais redundantes de elementos de dados comuns. Comunicação PACS/PACS também deve ser possível para facilitar a troca de informações entre diferentes unidades médicas para os casos de transferência de paciente, emergência ou consulta.

* _{CHEN, J. et al. Observer detection of image degradation caused by irreversible data compression}

processes. Medical Imaging V: Image Capture, Formatting, and Dsiplay, Y Kim (ed), Proc SPIE 1444:256-264. 1991.

2.1.2.4 Distribuição das imagens

Sistemas de comunicação em rede para a transferência de imagens de PACS podem ser divididos em três segmentos principais:1 _{1) rede de alto desempenho para o}

departamento de radiologia; 2) rede de menor capacidade para outros setores hospital; e 3) acesso externo, tipicamente através de linhas telefônicas. A rede de alto desempenho, que pode ser, por exemplo, de fibra ótica com protocolo FDDI, ou tecnologias mais modernas como ATM ou Fast Ethernet, deve ser restrita para a transmissão de imagens dentro da radiologia e para outros departamentos com reconhecida alta demanda por imagens. Ela deve ser isolada de outras redes de menor capacidade como, por exemplo, uma rede Ethernet que pode ser usada para conectar setores do hospital com pequena demanda por imagens. Esta separação reduz a sobrecarga na rede ocasionada pelo grande tráfego de dados.

A compressão de dados é aqui, também, um aspecto importante. Ela pode ser usada para melhorar o desempenho da rede, mas os tempos de compressão e descompressão devem ser levados em consideração para se avaliar os benefícios de utilização de compressão.

As redes de comunicação para PACS devem ser seguras para proteger dados confidenciais sobre pacientes, e devem ser confiáveis para suportar um grande volume de imagens. Flexibilidade deve ser uma de suas principais características, já que um dos principais benefícios de sistemas do tipo PACS é a habilidade de expansão e de incorporação de novas tecnologias à medida que elas ficam disponíveis. Expansões, reconfigurações e manutenções de rotina devem ser simples e não devem comprometer o funcionamento de todo o sistema.

2.1.2.5 Visualização

Um projeto adequado para estações de trabalho para PACS é um fator determinante na aceitação deste tipo de sistema pela comunidade médica. Radiologistas e clínicos sem muita experiência com computadores devem se sentir confortáveis com a capacidade de visualização e com a interface com o usuário destes sistemas. O processamento de imagens radiológicas é normalmente realizado em três níveis:6 no sistema de imagens, pelo operador que produz a cópia das imagens em filmes e pelo

radiologista, no momento que analisa as imagens. Pelo menos três tipos de estações de trabalho são necessárias: para elaboração de laudos diagnósticos, para revisão e para aplicações especiais.

Os requisitos físicos de uma estação de trabalho indicados na literatura como sendo aceitos para radiologia e para diagnóstico primário incluem vários monitores de 19”, resolução de aproximadamente 2048 x 2048 pixels, 256 tons de cinza e brilho de 60 footlamberts*_.1 _{O processamento para visualização deve preservar toda a faixa}

dinâmica dos dados das imagens. A capacidade de armazenamento dos discos locais deve comportar pelo menos uma sessão inteira de diagnóstico se o acesso aos arquivos de segundo nível for lento.

A interface com o usuário deve ser eficiente e fácil de usar. A seleção de funções específicas deve ser fácil e deve poder ser feita rapidamente. Deve existir uma padronização para a apresentação de exames com várias imagens, com uma opção para ver uma versão minimizada de todo o conjunto de imagens. A apresentação da interface com o usuário deve ser configurável para as preferências de usuários individuais. Estudos de uma lista de trabalho e imagens individuais do arquivo eletrônico de pacientes devem ser selecionáveis à partir de listas disponíveis na tela. Deve ser possível trocar rapidamente de casos, já que os radiologistas são freqüentemente chamados para atender a casos de emergência. O sistema deve fornecer ajuda na forma de manuais e tutoriais. Devem haver mensagens claras a respeito do funcionamento do sistema e do andamento das operações, como, por exemplo, uma indicação de que a transferência de um conjunto de imagens foi bem sucedida.

As característica de processamento de imagens podem ser divididas em dois grupos: um conjunto mínimo necessário e características desejáveis adicionais.1 _As

funções básicas incluem:

* _{Footlambert é uma unidade de medida de brilho fotométrico. Um footlambert (candela/πpé}2_{) é igual}

a 3,426259 candela/metro2_{, onde candela é uma unidade de intensidade luminosa. O brilho}

fotométrico é definido pela equação L d= 2_Φ dwd A

(

)

(

)

fluxo radiante (energia radiante por unidade de tempo), w é o ângulo sólido relativo a fonte de radição onde o fluxo é considerado, A é a área da superfície considerada, θ é o ângulo entre a linha de visão e a normal da superfície e I é a intesidade luminosa.8

• ajuste de contraste e brilho através de window/level (W/L); • maximizar e minimizar;

• reorientação; • inversão de vídeo; • navegação;

• medidas quantitativas (distância, área, estatística, etc.); • anotação na imagem.

As características avançadas desejáveis são:

• funções de processamento de imagens adicionais (equalização adaptativa por histograma, filtros, medida de textura, etc.);

• visualização tridimensional;

• registro espacial de diferentes estudos; • elaboração de arquivos didáticos.

A visualização de imagens em três dimensões não possui alta prioridade no diagnóstico radiológico, mas é um tópico de grande interesse nas áreas de terapia por radiação, planejamento cirúrgico e outras áreas com aplicações especiais.6

Fora do departamento de radiologia, os requisitos para a visualização de imagens são basicamente os mesmos citados acima, mas menos exigentes e extensos.1 Os médicos que pedem os exames, em nome de seus pacientes, são os usuários primários do serviço radiológico e, para eles, a disponibilidade dos resultados diagnósticos é muitas vezes mais importante que as imagens propriamente ditas. Relatórios perdidos ou sem assinaturas e relatórios separados de suas imagens são um dos maiores problemas atualmente. O número de monitores em cada estação de trabalho pode ser menor, e com menor resolução (1024 x 1024 pixels). A possibilidade de distribuir imagens para fora do departamento de radiologia é uma característica atrativa de PACS, pois, sem o risco de perder cópias originais de imagens durante o transporte pelo hospital, as imagens ficam disponíveis para os médicos rapidamente, em qualquer lugar e hora do dia, sem a necessidade de requisições formais.

2.1.2.6 Requisitos de sistema

Segurança e confiabilidade são características essenciais para PACS devido a própria natureza do tipo de dados com que este tipo de sistema lida. Ao mesmo tempo que o sistema deve proteger os dados que ele acabou de adquirir, ele deve ser capaz de suportar um fluxo constante de dados novos. Redundâncias e cópias de segurança devem ser implementadas no sistema para prevenir atrasos e falhas que possam afetar negativamente o tratamento de pacientes. O sistema deve ser flexível para acomodar atualizações e adições de novos componentes. A manutenção deve ser automatizada ao máximo para diminuir a necessidade de intervenção humana e, conseqüentemente, diminuir os custos. Neste sentido, devem haver funções automáticas de controle de qualidade e de acompanhamento do funcionamento dos diversos componentes que formam o sistema.

2.1.3 Sistemas de banco de dados em PACS