Digitales Krankenhaus: Vernetzung und medizinische Dateiformate

1. Digitales Krankenhaus: Vernetzungund medizinische Dateiformate Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl für Kommunikationstechnik Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Kays Arnt Karbaum Arnt.Karbaum@gmx.de

2. Übersicht • 1. Motivation • 2. Medizinische Dateiformate • 2.1 (radiologische) Standardformate • 2.2 Allgemeine graphische Formate • 2.3 Herstellerspezifische Formate • 3. Vernetzung im Krankenhaus • 3.1 HIS / KIS • 3.2 RIS / PACS • 3.3 EPR / EPA • 3.4 Workflow Management • 3.5 Facility Management • 4. Hürden bei der Realisierung / Ausblick • 5. Quellen Übersicht – Digitales Krankenhaus

3. Der Weg zum digitalen Krankenhaus ist eine logische Folge des gesteigerten Bedarfs an Qualität und Kosteneffizienz in modernen Krankenhäusern. • Die Idee des digitalen Krankenhauses und die Idee der Vernetzung entstanden in den frühen 1980er Jahren. • Es gab erste Versuche, die aber durch mangelnde Ressourcen stark eingeschränkt waren. Als Beispiel: In den späten 1980ern Jahren galten 10 MBit/s LANs als schnell und Bilder von 200 kByte als sehr groß. • Es wurden Standards gefunden wie ACR-NEMA, aus dem später DICOM entstand, um ein einheitliches med. Datenformat zu finden und die Kommunikation einzelner Komponenten und Teilbereiche im Krankenhaus zu ermöglichen. • 2004 wurde das erste Krankenhaus in Deutschland komplett durch Siemens digital vernetzt. Motivation: 1. Motivation

4. 1. Motivation • 2. Medizinische Dateiformate • 2.1 (radiologische) Standardformate • 2.2 Allgemeine graphische Formate • 2.3 Herstellerspezifische Formate • 3. Vernetzung im Krankenhaus • 3.1 HIS / KIS • 3.2 RIS / PACS • 3.3 EPR / EPA • 3.4 Workflow Management • 3.5 Facility Management • 4. Hürden bei der Realisierung / Ausblick • 5. Quellen Übersicht:2. Medizinische Dateiformate

5. Medizinische Dateiformate • (radiologische) Standardformate: • Interfile • ACR-NEMA • DICOM 2. Med. Dateiformate2.1 (radiologische) Standardformate

6. Interfile • Ist ein nuklearmedizinisches Dateiformat aufbauend auf dem „AAPM Image file format“ aus den frühen 80ern. • Unterstützung durch EU und die „Society of Nuclear Medicine“. ACR-NEMA (Vorläufer von DICOM) • Genormtes Format zur Übertragung und Archivierung von medizinischen Bildern. • Gemeinschaftsentwicklung vom American College of Radiology (ACR) und der National Electrical Manufacturers Association (NEMA). • Ein ACR-NEMA Datenstrom enthält neben den eigentlichen Bilddaten auch Informationen zum Patienten und der Aufnahme. • Informationen sind hierarchisch in einer Struktur aus Gruppen und Elementen organisiert. Der Standard definiert nur Gruppen mit gerader Gruppennummer. Die ungeraden Gruppen heißen shadow groups und sind herstellerabhängig. 2. Med. Dateiformate2.1 ACR-NEMA / Interfile

7. ACR-NEMA Gruppe Bezeichnung Inhalt 0000h 0008h 0010h 0018h 0020h 0028h 4000h 6000h-601Eh 7FE0h Command Identifying Patient Acquisition Relationship Image Representation Text Overlay Pixel Data Gerätesteuerung, Kommunikation Identifikation der Bilddaten Patienteninformation Aufnahmegerät und –methode Kontext der Aufnahme Informationen zur Bildwiedergabe ASCII Text Overlaydaten Die eigentlichen Bilddaten • Innerhalb der Gruppen sind die Daten nach Elementen geordnet abgelegt. Jedes Element besteht aus der Elementnummer, der Länge der Daten und den Daten selbst. Das erste Element jeder Gruppe hat die Nummer 0000h und gibt an, wie viele Byte bis zum Start der nächsten Gruppe übersprungen werden müssen. 2.1 Tabelle: ACR-NEMA

8. Im ACR-NEMA Bildformat ist es nicht möglich, drei- oder mehrdimensionale Daten abzulegen, wie sie beispielsweise für Animationssequenzen oder Studien eines zeitlichen Verlaufes nötig sind. • Weiterhin gibt es Beschränkungen in den zusätzlich ablegbaren Informationen und den zur Verfügung stehenden Datentypen. • Deshalb ist es für die Bildverarbeitung in der täglichen Routine schlecht geeignet. Konsequenz: Weiterentwicklung zum DICOM - Standard Nachteile von ACR-NEMA

9. Das „DICOM“ Format (Digital Imaging and Communications in Medicine) • Vorteile: • DICOM ist laut zahlreicher Hersteller die Zukunft für Bildtransfer zwischen • Einrichtungen und Anbietern • Ein Radiologie - PACS lässt sich oft einfach integrieren • Nachteile: • Sehr teuer in der Lizensierung • DICOM benötigt Workstations • Bietet keine oder schlechte Farbunterstützung 2. Med. Dateiformate2.1 DICOM

10. DICOM -Schichtenmodell Quelle: PennState College of Medicine, Department of Radiology 2. Med. Dateiformate2.1 Bild: DICOM - Schichtenmodell

11. Allgemeine graphische Formate • Rastergraphik – Formate • Vektorgraphik – Formate • Film - Formate 2. Med. Dateiformate2.2 Allgemeine graphische Formate

12. Rastergraphik – Formate BMP GIF TIFF JPG/JPEG PBM PGM PPM PNG TGA/TARGA PIC SGI rgb SUN Raster XBM XWD Microsoft Windows Bitmap (24 BitFarbtiefe) Graphics Interchange Format (8 Bit Farbtiefe) Tagged Image File Format(48 BitFarbtiefe) Joint Photographic Expert Group (24 BitFarbtiefe) Portable BitMap in Monochrom (1 BitFarbtiefe) Portable BitMap in Graustufen (8 Bit „Farbtiefe“) Portable BitMap in Farbe Portable Network Graphics Bilddateiformat (48 BitFarbtiefe) Format von TrueVision (32 BitFarbtiefe) 2D Dateiformat von Softimage Format von Silicon Graphics 2D Dateiformat von Sun Microsystems X-windows BitMap X-windows dump Bilddateiformat 2. Med. Dateiformate2.2 Rastergraphik - Formate

13. Vektorgraphik – Formate DXF OBJ HPGL IGES IV POLY SLC STL WRL AutoCAD ASCII Format Alias Wavefront ASCII Format Hewlett-Packard 3D Plotter Format Initial Graphics Exchange Specification SGI Open Inventor ver. 2.1 Format SGI Poly Format 3D Systems Stereolithography Slice-Format 3D Systems Stereolithography Polygon-Format VRML ver. 1.0 Format 2. Med. Dateiformate2.2 Vektorgraphik - Formate

14. Film – Formate Quicktime ASF/WMA/WMV DivX IVF AVI MOV SGI_Movie YUV Film-Dateiformat von Apple Advanced Systems Format - Windows Media Audio / Video von Microsoft Hochkomprimiertes Dateiformat Indeo File Format Audio Video Interleaved Audio Video getrennt Komprimiert (Apple) SGI – Filmformat (Silicon Graphics) Single Frame Color Video Format 2. Med. Dateiformate2.2 Film - Formate

15. Herstellerspezifische Formate • Analyze • AVW • AVW Volume Files • Image (7.5) • Object Maps • Screen Files (7.5) • GE • Advantage • Signa MRI • 9800 CT • Advance PET • Starcam • Siemens • CT • MAGVIS • CTI PET • Picker (Marcconi) MRI • IMATRON (EBCT) • SMIS 2. Med. Dateiformate2.3 Herstellerspezifische Formate

16. 1. Motivation • 2. Medizinische Dateiformate • 2.1 (radiologische) Standardformate • 2.2 Allgemeine graphische Formate • 2.3 Herstellerspezifische Formate • 3. Vernetzung im Krankenhaus • 3.1 HIS / KIS • 3.2 RIS / PACS • 3.3 EPR / EPA • 3.4 Workflow Management • 3.5 Facility Management • 4. Hürden bei der Realisierung / Ausblick • 5. Quellen Übersicht:3. Vernetzung im Krankenhaus

17. Das Vernetzte Krankenhaus… …ist eine Komposition verschiedener Netze und verschiedener einzelner Teilbereiche zu einem großen Netz- und Datenbanksystem • HIS / KIS • RIS / PACS • EPR / EPA • Workflow Management • Facility Management || V „Das vernetzte Krankenhaus“ 3. Das vernetzte Krankenhaus

18. Hospital Information System (HIS) / Krankenhaus Informationssystem (KIS) • Das KIS / HIS ist der „Überbau“ für das vernetzte Krankenhaus. • Informationenversorgung des Klinikpersonals • Verbesserung des Kommunikationsumfeld • Bietet eine verbesserte Kommunikation zwischen einem zentralen Hospital und dessen Zweigstellen oder Spezialisten in einem anderen Krankenhaus. • Über das Krankenhaus verteilte Workstations ermöglichen es dem med. Personal Einträge in die Patientenakte zu machen, Medikamente zu ordern oder Berichte / Bilder anzufordern. 3.1 KIS / HIS

19. Könnte eine konventionelle relationale Datenbank sein, die über die Möglichkeit verfügt, z.B. das DICOM Format zu exportieren. (Daten-)Serveraufbau || V RAID Jukebox Zur Wahrung der Daten- und Zugriffskonsistenz Archiv / Datenbank 3.1 KIS / HISArchiv / Datenbank

20. Bildgebende • „Einrichtungen“: • CT • MRT • Röntgenapparat, usw. • Datengebende • „Einrichtungen“: • Ärzte • Check-In • Pflegepersonal • Med. Datenbank: • RIS / PACS • EPR / EPA • Techn. Datenbank: • Workflow Management • Facility Management KIS / HIS 3.1 Bild: Krankenhausvernetzung

21. Radiologisches Informationssystem (RIS) • Ein RIS verwaltet die Operationen der radiologischen Abteilung. Die Funktionalität umfasst Terminvergabe, Patienten- und Bilderverfolgung und das schnelle Bereitstellen von Diagnoseberichten. • Das RIS hat Schnittstellen zum RIS / KIS, um eine effiziente Umgebung zur Datenerfassung, -verarbeitung und zum Datenmanagement zu bieten. Picture Archiving and Communication System (PACS) • Ein PACS wird typischerweise im medizinischen Bereich der Bildgebenden Systeme eingesetzt, zum Beispiel in der Radiologie. Es erfasst und verwaltet alle aufgenommen Bilddaten. 3.2 RIS / PACS

22. PACS (Picture Archiving and Communication System) Bildarchivierungs- und Kommunikationssystem • Filmlos • „elektronische“ Archivierung • Zentrale Archivierung • Zugriff auf Daten an allen am PACS beteiligten Workstations Mehrere Komponenten: • Computerradiographiegeräte • Digitalisierungsgeräte • Workstations • Datenbankserver 3.2 PACS

23. Electronic Patient Record (EPR) / Elektronische Patientenakte (EPA) • Bietet die Möglichkeit, alle med. relevanten Daten einer Person zentral zu sammeln, abzuspeichern und zu verwalten. • Lokal (nur in dem Krankenhaus, in dem der Patient eingeliefert ist / Arztpraxis) oder national / global (Sammlung aller med. Daten in einem Bundes- / Weltweiten Datenbank) • Schneller Zugriff auf relevante Daten bei der Notaufnahme • Wegfall von Filmbergen, bei denen die Datenkonsistenz nicht vorhanden war (durchschnittlich 10% Verlust über die Jahre pro Patient) • Erleichterung bei Überweisungen. • Die Kritiker der EPA warnen allerdings vor dem „gläsernen Patienten“ und befürchten, dass eine zentrale Speicherung der med. Daten zu Missbrauch führen wird (daher: informationelle Selbstbestimmung) • Die Anforderungen an die Datensicherheit sind dementsprechend hoch. 3.3 EPR / EPA

24. Workflow - Management Quelle: Siemens 3.4 Workflow ManagementBild: Ablauf

25. Workflow - Management Quelle: Siemens 3.4 Workflow ManagementBild: Ablauf

26. Facility Management: Beispiel für eine Graphikbasierte Belegungsübersicht Quelle: GIS Projekt / ACK GmbH 3.5 Facility ManagementBild: Belegungsübersicht

27. Beispiele für eine Graphikbasierte Boden- und Instandhaltungsübersicht Quelle: GIS Projekt / ACK GmbH 3.5 Facility ManagementBild: Boden- / Instandhaltungsübersicht

28. Quelle: GIS Projekt / ACK GmbH 3.5 Facility ManagementBild: Instandhaltung

29. 1. Motivation • 2. Medizinische Dateiformate • 2.1 (radiologische) Standardformate • 2.2 Allgemeine graphische Formate • 2.3 Herstellerspezifische Formate • 3. Vernetzung im Krankenhaus • 3.1 HIS / KIS • 3.2 RIS / PACS • 3.3 EPR / EPA • 3.4 Workflow Management • 3.5 Facility Management • 4. Hürden bei der Realisierung / Ausblick • 5. Quellen Übersicht:4. Hürden / Ausblick

30. Hürden bei der Realisierung • Widerstand des med. Personals: • „Ich brauche meinen Lichtkasten“ • „Früher ging alles schneller und flüssiger“ => Die direkt „Betroffenen“ müssen direkt mit eingebunden werden • Anlaufschwierigkeiten: • Abrupter Wechsel des Systems kann zu großen Problemen und sogar Fehlern führen, die gerade im med. Sektor strikt zu vermeiden sind => Parallelbetrieb von Filmlosen und Filmnutzenden System • Widerstand durch Datenschützer: • Stichwort: „Der gläserne Patient“, Gefahr des Datenmissbrauchs => Gewährleistung höchster Sicherheit seitens der Hersteller und Nutzer 4. Hürden

31. Ausblick • Weitgehende Vernetzung aller Bereiche des Krankenhaus • Elektronische Patientenakte flächendeckend • Weitere Unterstützung des med. Personals bei Diagnose und Pflege • Verstärkte Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Kliniken und auch niedergelassenen Ärzten • Verbesserte Möglichkeiten bei der Langzeitbeobachtung von Krankheitsverläufen => erleichterte Forschung = > bessere Behandlungen 4. Ausblick

32. 1. Motivation • 2. Medizinische Dateiformate • 2.1 (radiologische) Standardformate • 2.2 Allgemeine graphische Formate • 2.3 Herstellerspezifische Formate • 3. Vernetzung im Krankenhaus • 3.1 HIS / KIS • 3.2 RIS / PACS • 3.3 EPR / EPA • 3.4 Workflow Management • 3.5 Facility Management • 4. Hürden bei der Realisierung / Ausblick • 5. Quellen Übersicht:5. Quellen

33. Quellen: • PACS 2000+ from networks to workflow and beyond S. Bocionek – General Manager, PACS Division, Siemens Health Services GmbH & Co. KG Erlangen, Germany • A view to the past and future – A decade of digital (r)evolution at the Danube hospital W. Hruby – Danube Hospital, Vienna / A. Maltsidis Siemens AG Austria • Das Kabelfreie Krankenhaus URL: http://www.networkcomputing.de/cms/1338.0.html • Software: Analyze Program URL: http://www.mayo.edu/bir/Software/Analyze/AnalyzeTechInfo.html - • Referenzhandbuch Dateiformate -5. überarbeitete Auflage 1997 Günter Born • Filmlos aus Überzeugung – Die wichtigsten Schritte zur erfolgreichen Einführung von PACS – eine Fallstudie C. Jansen, M. Veatch – Arrowhead Regional Medical Center, Colton, Kalifornien, USA • Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) National Electrical Manufacturers Association, Rosslyn, Virginia, USA • Gutachten: Informationstechnologien im Gesundheitswesen – Telemedizin in Deutschland Karl Lauterbach, Markus Lindlar • Diplomarbeit: Strukturierung, Retrieval und Darstellung von medizinischen Texten mit XML Dr. med. Martin Boeker • Das digitale Krankenhaus – eine Technikfolgen-Abschätzung moderner Telekommunikationstechnologien am Beispiel des Donauspitals Walter Peissl, Hilda Tellioglu, Claudia Wild, unter Mitarbeit von Michael Nentwich • dicomPACS in Radiologie und Krankenhaus • Facilitymanagement mit ACK-Instand ACK Software und Beratungsgesellschaft mbH • Facilitymanagement mit VISA 32 GIS Project / ACK Software und Beratungsgesellschaft mbH • PACS How To Choose / Integrating a PACS – Interfacing Computers, Doctors and IT Personnel Robert E. Zimmerman – Harvard Medical School, Boston MA • Bilddatenmanagementsysteme in der Medizin Empfehlungen der Kommission für Rechenanlagen und des Apparateausschusses der Deutschen Forschungsgemeinschaft 5. Quellenangaben