DICOM-Database: Uma ferramenta de suporte à extração e publicação de imagens médicas DICOM através da Internet

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1 DICOM-Database: Uma ferramenta de suporte à extração e publicação de imagens médicas DICOM através da Internet Renato Rangel Guimarães 1, Jacob Scharcanski 2 1 Universidade Católica de Pelotas (UCPel)- Centro de Informática Rua Felix da Cunha, 412 Centro Pelotas - RS - Brasil 2 Instituto de Informática - Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) Caixa Postal Porto Alegre-RS-Brasil Resumo. Este trabalho descreve um modelo baseado no estudo das funcionalidades da metodologia de metadados sobre documentos eletrônicos, visando ampliar as possibilidades de extrair semântica de imagem digital médica DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine). A partir desses metadados, é proposta uma ferramenta 1 (DICOM-Database) com a finalidade de extrair dados textuais da imagem DICOM de modo a proporcionar uma estrutura para a sua visualização na Internet. Palavras-chave: Metadado, DICOM, Dublin Core, Imagens Digitais. Abstract. This work describes a model based on the study of the functionalities of the metadata methodology for electronic documents, seeking to enlarge the possibilities for extraction semantics from DICOM image (Digital Imaging and Communication in Medicine). To leave, it is tool is proposed (DICOM- Database) with the purpose of a structure for its visualization in the Internet. Keywords: Metadata, DICOM, Dublin Core, Digital Image. 1 Introdução Sistemas de prontuário eletrônico de paciente juntamente com imagens digitais de exames estão sendo cada vez mais utilizadas nas organizações como ferramenta de pesquisa por usuários da saúde mais experientes e que necessitam de informações mais especializadas em domínios específicos do conhecimento. Esta tendência em parte é justificada pela grande concentração de informação acumulada num mesmo site e pelos inúmeros serviços que um repositório de imagens digitais pode prestar, muitos dos quais assemelham-se aos de um arquivo tradicional. Porém, pelo fato de um repositório digital 1 Protótipo desenvolvido como requisito parcial para obtenção do grau de mestre em Ciências da Computação da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

2 de imagem ser disseminado num meio distribuído tal como a Internet, este repositório requer um conjunto complementar de ferramentas e serviços de forma a prover acesso eficiente e agradável aos seus usuários. Apesar do grande número de soluções sendo utilizadas e em desenvolvimento, ainda não existe uma estrutura conceitual de integração destas soluções. As abordagens existentes são superficiais em relação aos tipos de repositórios de dados utilizados por sistemas de de extração de conteúdo textual de imagens médicas, sendo necessárias transformações entre formatos, aumentando a complexidade das soluções. Dentre as abordagens existentes, a mais viável são os padrões de metadados. Existem padrões específicos para a representação de dados de imagens, a exemplo do Dublin Core [MIL99]. Porém, durante o desenvolvimento desse trabalho foi verificado que, apesar desses padrões serem muito utilizados para a definição de descritores para dados bibliográficos, ainda possuem um baixo poder de representação da parte estrutural dos repositórios de dados. Todos esses aspectos, somados a falta do poder de representação da estrutura dos dados nos padrões de metadados para representação de dados de imagens, geraram a necessidade da criação de uma estrutura adequada para o armazenamento da informação estrutural dos dados textuais de cada imagem inserida no repositório de dados, de forma clara, mantendo-os armazenados em seus locais de origem. Para atingir tal objetivo foi criado um meta-modelo capaz de mapear a estrutura dos dados da imagem em um nível intermediário, permitindo aos usuários extrair e acessar a informação de forma direta, sem a necessidade de adaptar modelos ou de mudanças na sua estrutura de armazenamento e padrão dos dados. Esse meta-modelo faz parte de um dos componentes da arquitetura proposta para a extração de dados de imagem DICOM, também apresentada neste artigo. De forma a facilitar a criação e manutenção de instâncias da meta-modelagem desenvolvida foi criada uma ferramenta para ambiente Internet com o objetivo de facilitar o acesso a usuários em qualquer parte do mundo. Este requisito é de essencial importância num sistema de extração e visualização de dados na Internet, dada a sua característica natural de distribuição das informações [BID98]. 2 Justificativa Muitos sistemas de extração de conteúdo de imagens disponibilizam sua funcionalidade através de ligações (links) para diversas páginas, acarretando com isso alguns problemas de manutenção. Neste trabalho será utilizado um mecanismo para a determinação das formas de utilização e manipulação dos dados da aplicação, onde serão incorporados agentes construtores que possibilitem a re-expressão do real significado dos dados. A utilização de um modelo para o controle de interfaces segue uma tendência, onde o repositório dos dados serve também para descrever e armazenar dados e metadados para a manipulação da estrutura. O uso de um meta-modelo conceitual para extrair conteúdo de imagem e agregar semântica traz a necessidade de criar ferramentas específicas a fim de reduzir o tempo e o esforço de desenvolvimento, tornando automática a geração de páginas dinâmicas na Internet [SHA97]. 3 Padrões de Representação dos Dados Metadados são normalmente conhecidos como informação que descreve informação. Em um ambiente como o da Internet, isto pode ser entendido como os dados que podem auxiliar na organização, identificação, segurança, descrição, localização, recuperação,

3 controle de acesso, proteção dos direitos autorais e de propriedade, etc..., de documentos eletrônicos. No estudo, a imagem médica é um exemplo típico de metadados, pois nela existem várias informações que descrevem os recursos armazenados, auxiliando os usuários na sua recuperação. Assim, podemos dizer que metadados têm importantes funções e que não estão somente associados à localização do recurso, podendo abranger outras propriedades tais como: semântica, conteúdo, verificação, controle, gerenciamento do recurso e também a de padronização de um formato para a utilização entre instituições de saúde [MIL99]. 3.1 Dublin Core Com o objetivo de criar um formato para solucionar o problema da localização e descrição de recurso, foi criado um conjunto de 15 descritores, formando o padrão de metadados Dublin Core [DUB02]. A idéia principal foi a de identificar a semântica de um conjunto de descritores que tornasse o processo de localização do recurso na Internet mais fácil, onde os documentos pudessem ser pensados como objetos, permitindo assim, que provedores de informação pudessem descrever seus recursos por conta própria, sem a necessidade de criação de registros conforme os padrões préestabelecidos. Abaixo, alguns descritores do padrão de metadados Dublin Core : Descrição: Abstract ou resumo; Língua: Idioma utilizado para expressar o conteúdo intelectual do objeto; Relação: Relacionamento lógico do objeto com outros recursos; Fonte: Referência a partir do qual o presente recurso foi derivado; Título: Nome dado ao recurso ou forma como é conhecido; Contribuidor: Entidade responsável por realizar contribuições ; Criador: Nome da entidade responsável pelo conteúdo intelectual; Data: Data associada a um evento no ciclo de vida do documento.; Identificador: URL ou ISBN. 3.2 DICOM O padrão DICOM é o padrão internacional para a comunicação de imagens médicas e de informações relacionadas, agregando em um único arquivo imagem e dados dos dados da própria imagem. Este padrão contém em sua estrutura, no seu cabeçalho (Header) uma grande quantidade de atributos (descritores) que descrevem sob forma textual os elementos contidos na imagem (ex: nome do paciente). Esta riqueza de informações fez com a indústria adotasse este padrão para a transferência de imagens, criado pelos fabricantes de equipamentos de imagens médicas [CLU02, HOE96]. Esta aproximação entre diferentes fabricantes trouxe para o plano do desenvolvimento de sistemas, estruturas de dados baseadas em modelos e análise de versões abstratas de entidades reais usadas nos modelos chamadas de objetos. Estes objetos são as entidades (ou coleção de entidades) definidas pelo modelo. A descrição das características de cada uma das entidades são os atributos. Por exemplo, a entidade "patient" na Figura 1 tem atributos que inclui o "patient name" e " patient ID number" (para simplificar o diagrama, os atributos das entidades não são mostradas, mas o padrão inclui tabelas que as definem). DICOM chama os objetos baseados nestes modelos de "information

4 objects" e os modelos e tabelas dos atributos que os definem de "information object definitions" (IODs). As entidades mostradas no modelo são abstrações. Se valores reais são substituídos pelos atributos, a entidade é chamada uma "instance". Como mostra a Figura 1, o cabeçalho da imagem DICOM pode carregar no seu conteúdo uma infinidade de informações de forma estruturada, de modo que este conjunto forme um único o arquivo contendo: dados (texto) e a imagem propriamente dita. Patient Atributo Tag Patient's Name 0010, 0010 Patient ID 0010, 0020 Patient's Birth Date 0010, 0030 Patient's Sex 0010, 0040 General Study Atributo Tag Study Date 0008, 0020 Study Time 0008, 0030 Referring Physician s 0008, 0090 Name 0020, 0010 Study ID 0008, 1030 General Image Atributo Image Number Tag 0020, 0013 Image Date 0008, 0023 Image Time 0008, 0033 Image Type 0008, 0008 Acquisition Date Acquisition Time Image Comments 0008, , , 4000 Figura 1 - Cabeçalho (Header) do arquivo DICOM 4 Proposta de representação na Internet Com base nos formatos e padrões estudados, e tendo em vista a aplicação desses descritores em uma representação de imagens médicas digitais, é necessário considerar um conjunto mais amplo para representar o conteúdo real da imagem. Conforme observado anteriormente, o formato DICOM é bastante direcionado para descrição de conteúdo da imagem, enquanto que o Dublin Core preocupa-se com a descoberta de recursos. A utilização de uma imagem digital médica implica não somente na descrição minuciosa de sua semântica, como também das fontes destes documentos, de modo a permitir que uma cadeia de informação possa ser verificada, sendo que esta cadeia é iniciada a partir das referências contidas no documento. Para o presente trabalho, foi mantido os nomes comuns em conformidade com o formato de atributos DICOM. Sendo assim, aplica-se diretamente esta pesquisa para a descrição de imagens médicas. Na Tabela 1 é apresentada uma proposta de remapeamento com a finalidade de extrair dados em conformidade com os atributos DICOM para o formato Dublin Core. Abaixo, algumas tags re-mapeadas para o modelo proposto [BID98]:

5 DICOM Tabela 1 - Re-mapeamento dos atributos DICOM para DUBLIN CORE DUBLIN CORE Localização da imagem (diretório) Titulo Tipo Identificador Date Fonte Criador Descrição Contribuidor 4.1 Adaptação dos Padrões Geralmente a criação de metadados é manual, dependendo de alguém que conheça como obter e interpretar a informação ali contida. A solução viável para o problema seria a criação de um processo de extração automática dos metadados. Tal solução tem conquistado um espaço, apesar de ainda ser difícil controlar uma alternativa viável de controlar descritores de dados. Uma solução que facilita o processo de geração de metadados é a criação de padrões de metadados, que fornecem uma maneira sistemática de coletar os metadados. Dentre os mais importantes padrões de metadados referentes a imagens médicas está o padrão DICOM. Ambos documentam as características dos dados da imagem, conteúdo, proprietário, procedência e origem, da mesma forma que os rótulos auxiliam o médico, permitindo aos usuários de tais dados determinarem se eles servem ou não para seus propósitos. Em [BID98] é feito um estudo detalhado desses padrões, a partir do qual foi possível concluir que: o padrão DICOM possui um maior apoio (documentação) para seu desenvolvimento e utilização pelas entidades de saúde tanto públicas ou particulares. Conforme já mencionado, a principal deficiência do padrão DICOM é não permitir uma representação adaptada para a estrutura dados para a Internet, visto que essa especificação é feita em texto livre e, portanto, não estruturada. A idéia seria estender este modelo de dados, estruturando-a, de forma a abranger diversos tipos de fontes de dados. Metadados representam portanto um módulo de extrema relevância numa arquitetura de extração dados em ambientes heterogêneos. Analisando os padrões de distribuição de objetos nota-se que o melhor modelo, relacionando custos e benefícios, para a implementação de um sistema de imagens médicas é considerado o uso de DICOM como padrão para a representação e comunicação de imagens médicas. Para isso, também é analisado o padrão de descritores Dublin Core para visualização na Internet, de forma que seja necessário utilizar uma técnica de Re-expressão/Mapeamento para traduzir o conteúdo da imagem DICOM para o padrão SGML (Standard Generalized Markup Language). Também é usada a técnica de harmonização para adaptar o modelo de dados DICOM ao padrão próprio desenvolvido na ferramenta. 4.2 Meta-Modelo para Suporte à Extração de Dados Os estudos de padrões de metadados para representar imagens e a definição de uma arquitetura de extração de dados levaram à conclusão de que um padrão de metadados abrangente deve contemplar também metadados que representem a estrutura de armazenamento de dados envolvidas no sistema. Esta seção apresenta um dos componentes necessários à construção de um sistema através de um meta-modelo

6 denominado Meta-Modelo para visualização de dados na Internet, permitindo que os agentes extratores recuperem a estrutura das fontes de dados a partir de um repositório central. O DICOM-Database foi desenvolvido tendo como base de fonte de dados arquivos exclusivamente no formato DICOM gerado por equipamentos específicos para esta finalidade. O modelo é plenamente extensível, não impedindo que outros tipos de formatos sejam acomodados, de acordo com as necessidades dos usuários. A idéia dessa modelagem é permitir a criação de um repositório de informações sobre a estrutura de dados proporcionada pelo DICOM e agregando ao novo sistema participando e permitindo que um agente extrator que possa utilizar esse repositório para recuperar a estrutura de cada imagem armazenada. Cada imagem possui um conjunto de atributos que a definem o seu conteúdo, sendo que cada uma destas pode ter um arquivo gerado pelo extrator em conjunto de arquivos com as definições de estruturas em XML (Extensible Markup Language). 4.3 Características da Implementação Para o desenvolvimento deste protótipo (DICOM-Database) foi utilizado o sistema operacional LINUX [LIN02]. Como linguagem de programação foi escolhida a linguagem PHP (Pré-processador de Hipertexto) [CAS01]. A linguagem JAVA [JAV02], foi utilizada no ambiente do servidor, possibilitando a extração do conteúdo das imagens DICOM. O XML foi utilizado tornando-se um aliado na criação da página dinâmica, pois ele é responsável pela criação da estrutura dos dados em forma de tags publicadas em tempo real. O servidor de Internet foi utilizado o APACHE [APA02] por oferecer uma utilização combinada com o LINUX. 5 Conclusão Este trabalho abordou o esforço de representação do conteúdo das imagens geradas a partir de exames de pacientes. Para tal, foi proposta uma ferramenta de apresentação que agregasse um modelo de dados da imagem incorporando aspectos de metadados ao protótipo (DICOM-Database) de modo que as suas funcionalidades possam expressar o conteúdo textual oferecido pelo padrão de transferência de imagens DICOM. De modo a ampliar o poder de pesquisa das interfaces, se procurou estudar os padrões de metadados voltados para imagens médicas digitais. Estes descritores contemplam uma melhor compreensão semântica dos descritores para imagens médicas, com isso proporcionando uma nova expressão em conformidade com o padrão DICOM consagrado para esta representação imagens médicas para um formato Dublin Core, no qual apresenta um total reconhecimento no ambiente Internet. Dentre as fases de desenvolvimento do DICOM-Database, a gerência de metadados é um ponto de grande relevância. A fase de extração da informação a partir da imagem, onde acontece a definição dos descritores de dados, foi o momento mais trabalhoso do protótipo. Definição em que a boa estrutura dos dados é imprescindível durante a criação do extrator para a recuperação dos dados centralizados, já que esses precisam conhecer a estrutura de armazenamento dos dados para poder recuperá-los de forma correta. Esta estrutura não é contemplada, por exemplo, no padrão de metadados Dublin Core tão utilizado para descrição de dados na Internet. Este artigo apresentou uma arquitetura genérica para a extração de dados textuais de imagens centralizada e um meta-modelo para a definição de uma estrutura re-mapeada para ser utilizada na Internet permitindo a sua visualização. Com base nesse meta-

7 modelo foi construída uma ferramenta para gerência de metadados do conteúdo implícito à imagem. Um dos objetivos deste trabalho foi criar um ambiente dinâmico, utilizando preferencialmente software livre. Para isso, o DICOM-Database buscou este propósito para se tornar um sistema que possa ser instalado em um servidor web e acessado a partir de qualquer computador com acesso a internet e que possua um simples browser instalado. Referências Bibliográficas [APA02] APACHE SOFTWARE FOUNDATION. Diponivel em: Acesso em março [BID98] BIDGOOD WD, et al. The role of digital imaging and communications in medicine in an evolving healthcare computing environment: the model is the message. Journal of Digital Imaging, v.11, n.1, Feb [CAS01] CASTANETTO, Jesus. et al. Professional PHP Programando, Makron Books do Brasil, p. [CLU02] CLUNIE,David A. Medical Image Format FAQ. START OF PART INDEX.Version: Disponivel em: Acesso em janeiro [DUB02] DUBLIN, Dublin Core Metadata Initiative, Disponivel em: [HOE96] HOEHN, Hervé. PAPYRUS S3.1 3The DICOM compatible image file format. Working Draft February Digital Imaging Unit Center of Medical Informatics University Hospital of Geneva [JAV02] [LIN02] [MIL99] JAVA, SUN Microsystems. Diponivel em: Acesso em junho LINUX ON-LINE. Diponivel em: Acesso em junho MILSTEAD, J.; FELDMAN S. Metadata: Cataloging by Any Other Name...,1999, - projects;. Diponivel em: [SHA97] SHAH, Kshitij et al. Black Box Approach to Image Feature Manipulation used y Visual Information Retrieval Engines - Second IEEE Metadata Conference, Silver Spring, Maryland,. Diponivel em: setembro Acesso em dezembro 2002.

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