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Revista EIA

Print version ISSN 1794-1237
On-line version ISSN 2463-0950

Rev.EIA.Esc.Ing.Antioq  no.8 Envigado July/Dec. 2007

 

APROXIMACIÓN A LA REPRESENTACIÓN EN XML DE OBJETOS DICOM PARA FOTOGRAFÍA MÉDICA DIGITAL

 

Carlos Ruiz*, Andrés Trujillo**, Alvin García***

* Ingeniero Biomédico. Joven Investigador Colciencias-EIA-Universidad CES, Investigador Grupo de Investigación de Ingeniería Biomédica EIA-CES (Gibec). cruiz@eia.edu.co

** Médico y MBA. Director, Instituto Colombiano Medicina Tropical. Coordinador Programa Ingeniería Biomédica EIA-Universidad CES y Profesor Universidad CES. atrujillo@ces.edu.co

*** Zootecnista, Candidato a Magíster en Ingeniería Informática. Grupo de Investigación en Bioingeniería (GIB) Universidad CES-Universidad EAFIT y Profesor Instructor Universidad CES. agarcia@ces.edu.co

Artículo recibido 15-IX-2007. Aprobado 19-XI-2007
Discusión abierta hasta junio de 2008


RESUMEN

El estándar DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine) es un protocolo no propietario para el intercambio de información médica. DICOM representa y define la información de objetos del mundo real tales como una resonancia magnética (MRI), una tomografía computarizada (CT) y una fotografía médica digital (VL Photographic), por medio de definiciones de objeto de información llamados IOD. El presente artículo describe una metodología para representar el IOD de una fotografía médica digital de luz visible (VL Photographic Image) por intermedio de documentos XML Schema. Estos documentos se utilizan en la creación y validación de documentos XML para representar información clínica técnica asociada a fotografías médicas digitales para su posterior implementación en una aplicación web de teledermatología.

PALABRAS CLAVE: DICOM; XML Schema; fotografía médica digital; dermatología.


ABSTRACT

DICOM standard (Digital Imaging and Communication in Medicine) is a non-proprietary protocol for the medical exchange information. DICOM represents and defines the information of real world objects like a magnetic resonance image (MRI), a computerized axial tomography and a digital medical photography (VL photographic), through information object definitions called IOD. The present article describes a methodology to represent the IOD of a digital medical photography of visible light (VL Photographic Image) through XML Schema documents. These documents were used in the creation and validation of XML documents to represent digital medical photographies compiling clinical and technical information for their later implementation in a teledermatology application.

KEY WORDS: DICOM; XML Schema; digital medical photography; dermatology.


1. INTRODUCCIÓN

El estándar DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine)1 es un protocolo no propietario para el intercambio de información médica. Define un formato de imagen digital y una estructura de archivo para las imágenes e información asociada2. DICOM específicamente describe: i) el contenido de la información, incluyendo la estructura y codificación; ii) servicios DICOM para la administración de la información; y iii) protocolo de mensajería3. En la actualidad, es ampliamente usado en diversas especialidades médicas como la radiología, cardiología y oncología. Desde 1983, DICOM se ha convertido en un estándar aplicable a una gran variedad de sistemas médicos que permite producir, almacenar, visualizar, procesar, enviar, recuperar, buscar e imprimir imágenes médicas y documentos estructurados derivados, así como el manejo de volumen de trabajo4.

DICOM tomó mayor fuerza en otras especialidades médicas tales como la endoscopia, la oftalmología y la dermatología, debido al desarrollo y publicación de la estructura de la "definición de objeto de información" (IOD Information Object Definition*)5,6 para imágenes de luz visible de un solo cuadro (Visible Light Single-Frame Image) que soportan las imágenes de color o las monocromáticas producidas por endoscopios, microscopios y cámaras fotográficas. Con esta evolución se abrió la puerta para que diversos sistemas de información en especialidades como endoscopia, patología y dermatología se desarrollasen cumpliendo con ese estándar mundialmente aceptado.

Dentro de la comunidad clínica se ha reconocido la necesidad de utilizar estándares de información en todos los aspectos de la consulta médica. En el caso dermatológico, la información técnica relacionada con la adquisición de fotografías médicas debe ser gestionada de forma adecuada con el fin de brindarle al personal clínico una mayor calidad en tratamiento de las imágenes de estudio7. Con respecto a esto, DICOM define la estructura de información necesaria por medio de IOD para integrar información clínica estructurada junto con fotografías médicas digitales. Además, brinda la oportunidad de utilizar herramientas de desarrollo open source y comerciales que facilitan el desarrollo e interoperabilidad de aplicaciones en informática médica con un estándar no propietario7.

Una de las herramientas de mayor uso actual para la creación de documentos que contienen información estructurada es XML (Extensible Markup Language). XML es un lenguaje metasintaxis, derivado de SGML (Standard Generalizad Markup Language) diseñado para crear nuevos lenguajes, describir información con sus respectivas estructuras, con el fin de transferirse a través de redes (Internet) y ser procesada por el usuario final8,9. En los últimos años, DICOM ha seguido los pasos de HL7 (Health Level 7)10 incursionando en XML por medio de sus grupos de trabajo (WG). Específicamente, el WG-06 (Base Standard) ha trabajado en el desarrollo de mecanismos para la publicación del estándar DICOM en XML. Por su parte, la hoja de ruta del WG-10 (Strategic Advisory) está encaminada a explorar y dirigir la evolución del SR DICOM en relación con el progreso de CDA (Clinical Document Architecture) de HL7 y desarrollos web en donde se encuentra XML. Aunque este trabajo ha sido extenso y tiene el objetivo de desarrollar un modelo de información compartido para trabajar con otros estándares que utilizan otras tecnologías, la creación de una estructura para representar el estándar DICOM en XML no se ha completado a la fecha, mucho menos la generación de un comunicado oficial sobre su aplicación11.

Lo anterior no ha sido un impedimento para que diversos trabajos y una patente se hayan desarrollado, con el fin de representar partes del estándar DICOM en documentos XML utilizando el lenguaje derivado XML Schema2,9,12-14. Estos trabajos se enfocan en la representación de reportes estructurados (SR) definidos por DICOM, facilitando la recolección y muestra de esta información. Pero a su vez brinda las pautas para la representación de la totalidad del estándar.

Lo anterior, sumado al auge y perfeccionamiento de la fotografía digital, brinda el potencial para el desarrollo de sistemas de información confiables basados en estándares y tecnologías de amplia aceptación, de fácil manejo y aplicación, adaptables a sistemas de almacenamiento de imágenes y comunicaciones (PACS Picture Archiving and Communication Systems). A su vez, la transmisión de esta información a través de redes de telecomunicación electrónicas extensamente accesibles como Internet permiten un mejor servicio y acceso a la información3.

En este artículo se describen los desarrollos en XML Schema que buscan representar objetos DICOM, específicamente el VL Photographic IOD, que servirá como modelo de datos para la recopilación de información clínica y fotográfica para su posterior implementación en un sistema de teledermatología, aplicando el estándar DICOM con el uso de una plataforma de gestión de imágenes vía web15.

La organización del presente artículo es la siguiente. En la primera sección, se brinda una breve introducción a la estructura de datos utilizada por el estándar DICOM y a las aproximaciones para representarlo mediante XML Schema. En la siguiente sección, se apreciarán las representaciones gráficas e interpretación de los resultados. Por último, se analiza el trabajo desarrollado y se proponen conclusiones y sugerencias para trabajos futuros.

2. ESTÁNDAR DICOM Y METODOLOGÍA DE REPRESENTACIÓN EN XML SCHEMA

2.1 Estructura del IOD DICOM

El componente de información de DICOM se representa por medio de "definiciones de objeto de información" denominados IOD. Estos IOD representan entidades del mundo real, como una tomografía computarizada (CT), una resonancia magnética (RM), una fotografía digital o un reporte estructurado. Los IOD están integrados por componentes o entidades de información (IE). En DICOM se definen 17 IE para describir información del paciente, estudios, series, equipos, imágenes, entre las más importantes. Así mismo cada IE está integrada por diversos atributos de información llamados módulos. Para el desarrollo de este trabajo se enfocó en representar el VL fotográfico IOD (tabla 1).

2.1.1 VL fotográfico IOD

El VL fotográfico IOD especifica los atributos de información para una imagen fotográfica de luz visible de un solo cuadro o fotografía médica digital. Está compuesto por 5 IE y 16 módulos entre obligatorios (M), condicionales (C) y opcionales (U). El IE paciente (Patient IE) describe e identifica al paciente que es sujeto del estudio diagnóstico. El IE Estudio (Study IE) describe los atributos de información del paciente y estudio necesarios para la interpretación diagnóstica de la imagen. El IE Series (Series IE) especifica los atributos de información que identifican y describen la información general sobre la serie de instancias compuestas agrupadas dentro de un solo estudio. El IE equipo (Equipment IE) describe el dispositivo que produce la serie de instancias compuestas y, por último, el IE Imagen (Image IE) identifica y describe la imagen dentro de una serie particular. De esta manera, el estándar DICOM promueve la calidad e integridad de los datos por medio de la unión de importante información estructurada sobre la imagen junto con la imagen como tal.

2.2 Metodología para la representación de VL fotográfico IOD en XML Schema

En la figura 1 se ilustra un esquema básico utilizado para generar la representación del IOD correspondiente. En primer lugar se debe desarrollar un documento XML Schema correspondiente al diccionario de datos (DICOM Dictionary, en este caso) de conformidad con los atributos de información necesarios para nuestro IOD. En segundo lugar, se representan los módulos y macros obligatorios identificando los atributos de información contenidos en varios módulos. En ese caso los atributos se designan de acuerdo con el menor tipo, a menos que su descripción indique lo contrario. A continuación se generan los documentos XML Schemas pertenecientes a los IE comunes para nuestro IOD. Por último, estos IE se integran en un documento general que contiene el diccionario de datos y los macros para formar el documento XML Schema del IOD.

A partir del documento XML Schema, se genera un archivo XML que se utiliza como plantilla de recopilación de información en formato XHTML por medio de transformaciones XSLT. Así mismo, los metadatos asociados se ingresan a la base de datos de la aplicación web permitiendo al usuario final visualizar la información, consultar estudios anteriores y establecer búsquedas según atributos específicos de información.

2.2.1 Atributo de información, elementos de datos

El estándar DICOM ordena los atributos de información en tablas que poseen especificaciones sobre el uso, tipo y valor de representación de cada atributo de información, así como las secuencias de atributos y macros anidados en las tablas. Los atributos de información de un IOD definido por DICOM describen las propiedades de una instancia de una entidad del mundo real5. Tales atributos se codifican como elementos de datos (data element), que son unidades de información que poseen valores codificados para los diferentes atributos del IOD. Estos elementos de datos poseen campos de información que definen su estructura16:

- Etiqueta del elemento de datos (data element tag).

- Representación del valor (value representation VR).

- Campo de valor (value field).

- Valor de multiplicidad (value multiplicity VM).

Adicionalmente a estos campos, DICOM define en los módulos otras características para los elementos de datos16:

- Tipo de elemento de datos (data element type)

- Valores enumerados (enumerated value)

- Elementos de datos privados (private data element)

- Elementos de dato retirado

Representación de atributo de información en XML Schema

XML Schema da la posibilidad de crear elementos con sus respectivos atributos, valores fijos y enumerados. Una representación gráfica del XML Schema del elemento de datos Content Sequence se observa en la figura 2. En la figura 3 aparece la codificación del mismo elemento en XML Schema.

Como se aprecia en la figura 3, los atributos de información de cada elemento de datos se representan de forma grupal por medio del elemento de XML Schema "attribute Group". Estos grupos de información se codifican en un documento XML Schema llamado "DICOMdictionary.xsd", que permite estructurar modularmente los documentos, insertando diversos XML Schemas dentro de otros.

Por su parte el atributo "anyAttribute" permite extender un documento XML instancia proveniente del XML Schema, con atributos no especificados anteriormente.

2.2.2 Restricciones para atributos de información

Todos los atributos de información definidos en DICOM poseen restricciones con respecto a sus valores. Antes se describe la representación del valor (value representation VR) definido por DICOM. Estas restricciones definen la estructura del valor del atributo de información. Específicamente, definen la lista de caracteres que se pueden utilizar, así como la longitud de su valor. Adicionalmente a estas restricciones, DICOM define en los módulos los valores definidos o enumerados para algunos atributos de información.

2.2.3 Restricciones en la representación del valor

Para las representaciones de valor XML Schema provee mecanismos para representar estas restricciones por medio de su lenguaje natural. Para la siguiente representación definida en la parte 5 del estándar DICOM16: IS (cadena de caracteres de entero) su codificación se desarrolla de la siguiente manera.

- IS: Es una cadena de caracteres que representan un número entero. Su lista de caracteres está limitada a los números de 0 hasta 9 y los símbolos "+" y "-" con una longitud máxima de 12 bytes. Su representación en XML Schema se presenta en la figura 4.

2.2.4 Restricciones en valores enumerados

Diversos atributos de información poseen valores enumerados. Es el caso del atributo de información Patient`s Sex, el cual solo puede tomar los valores de M (masculino), F (femenino) u O (otro). Su representación en XML Schema se presenta en la figura 5.

2.2.5 Atributos de información en secuencias

En ciertas tablas de los IOD se describen secuencias de atributos de información llamadas secuencias de ítems. Estas secuencias se representan por medio del símbolo ">", el cual precede al ítem de información de la secuencia. En la tabla 2 se observa un ejemplo de la estructura de un módulo de información de DICOM con secuencias.

En la figura 6 se observa la representación gráfica del XML Schema del elemento Specimen Sequence, que posee una secuencia de ítems.

En la figura 7 se presenta la codificación del elemento Specimen Sequence en XML Schema.

Con respecto a la figura 7, los siguientes puntos de desarrollo deben ser analizados:

- La secuencia de ítems del atributo Specimen Sequence se representa por una secuencia de elementos anidados por medio del Complex Type "specimen_sequence_item", que posee un elemento del mismo nombre que define su contenido mediante el Complex Type "specimen_sequence_ item_content". Este define la secuencia de ítems anidados por medio del elemento de XML Schema Sequence.

- Como se observa en la descripción del atributo Specimen Sequence en la figura 7, este atributo puede contener uno o más ítems, en donde cada uno de ellos contiene los atributos anidados. Para representar esto se utilizan los atributos "minOccurs" y "maxOccurs". Este último atributo especifica el número máximo de veces que puede presentarse un elemento. Para este caso su valor "unbounded" no define un límite.

2.2.6 Atributos de información en macros

En ciertas tablas de módulos, algunos atributos de información hacen referencia a atributos tipo macro que se emplean en casos en los cuales los mismos atributos de información son utilizados en múltiples tablas o en múltiples ubicaciones dentro de un mismo módulo. En la figura 7 se observa el uso del Code Sequence Macro por parte del atributo Specimen Type Code Sequence. En esta ocasión el macro se usa como una secuencia, en donde se insertan los atributos de información de la tabla básica del Code Sequence Macro (tabla 3)

2.2.7 Atributos de información dentro de módulos del IOD

En las tablas de los módulos de los IOD, DICOM define el tipo del elemento de datos para utilizar, junto con una descripción breve sobre su significado. En la tabla 4 se observa un ejemplo de la estructura de un módulo de información de DICOM.En la figura 8 se observa la representación gráfica del XML Schema de este módulo.

En la figura 9 se presenta la codificación de tal módulo en XML Schema.

Con respecto a la figura 9, los siguientes puntos de desarrollo deben analizarse:

- Los atributos de información definidos por este módulo se tipifican en 1, 2 y 2C. Esta tipificación se refleja en cada elemento por medio del atributo "nillable". Este atributo del XML Schema especifica si el valor de un elemento puede ser nulo o no. Cuando su valor es "False" (falso), un elemento no puede tener un valor nulo (característico de los elementos 1 y 1C); por lo tanto, cuando su valor es "True" (verdadero), un elemento puede tener un valor nulo (característico de los elementos 2, 2C y 3).

- Los atributos de información tipificados como 1C y 2C deben ser incluidos en la codificación del estándar con ciertas condiciones. Esto se representa por medio del atributo "minOccurs", que especifica el número mínimo de veces que puede presentarse un elemento. Para los elementos como Clinical Trial Subject Reading ID de la figura 9 se aplica este atributo. Para el resto de los elementos el valor preestablecido de este atributo (1) se aplica.

- Los atributos de información dentro del estándar DICOM pueden aparecer en diferentes tablas con diversos tipos, siendo imposible representar esta característica por medio de un diccionario global ("DICOMdictionary.xsd", en este caso). Por consiguiente, en este desarrollo se define en cada módulo la tipificación de cada elemento.

Con respecto a la figura 11, el siguiente punto de desarrollo debe analizarse con base en la estructura modular del estándar DICOM, los módulos de información se crean individualmente. A continuación se origina un documento XML Schema que representa cada IE. En estos se hace referencia a los módulos y sus respectivos elementos (xs:element ref="PatientModule").

2.2.8 Entidades de información

Las IE están compuestas por los módulos descritos. Son comunes para gran cantidad de IOD, por lo tanto, se denominan Módulos IE Comunes (Common IE Modules). En la figura 10 se observa la representación gráfica del XML Schema para los módulos IE comunes del paciente.

3. REPRESENTACIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE VL FOTOGRÁFICO IOD EN XML

3.1 Representación del VL fotográfico IOD en XML Schema

En la figura 12 se observa la representación general del XML Schema para el VL fotográfico IOD.

En la figura 13 se presenta la codificación de este IOD en XML Schema.

3.2 Implementación del VL fotográfico IOD

La representación del VL fotográfico IOD en XML Schema permite la flexibilidad para transformar el documento en múltiples formatos diferentes. En primera instancia, un documento XML se obtiene a partir del XML Schema descrito (figura 12). A partir de éste, generamos documentos en formatos XHTML por medio de transformaciones XSLT, necesarios para el ingreso y visualización de la información en la aplicación web. En la figura 14 se observan los pasos de implementación y en la figura 15 se aprecia el proceso en la aplicación web correspondiente15.

3.3 Informaciòn clìnica recopilada

Para realizar las pruebas del esquema definido, se tomó la estructura de información de la historia clínica dermatológica definida por el Centro Dermatológico CES Sabaneta. El presente IOD recopila atributos de información comunes con respecto a la información específica del paciente: motivo de consulta, antecedentes personales, revisión por sistemas, entre los más importantes. Además información técnica proveniente de la adquisición de las fotografías: descripción de las imágenes adquiridas, área anatómica de estudio, métodos de compresión, entre otros. Esto permite al IOD adquirir suficiente información, para establecer criterios de búsqueda básicos y avanzados, facilitando al personal dermatológico extraer conocimiento, relacionar estudios y detectar tendencias epidemiológicas. Así mismo, la disposición para intercambiar esta información facilita compartir diversos estudios entre personal capacitado, con el fin de obtener segundas opiniones, impulsar el estudio de casos y establecer comunidades virtuales de ayuda en dermatología.

En la figura 15 se observa en a) la página de inicio de la aplicación web; el usuario podrá ingresar a revisar o buscar sus estudios correspondientes, gestionar sus detalles de información y salir de la aplicación. En b) se observan las series pertenecientes a un estudio dermatológico DICOM en particular, y en c) se observa un reporte general sobre una imagen dermatológica de estudio.

4. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO

La creación y validación de IOD DICOM en XML Schema para la representación de fotografías médicas digitales que integran información clínica y fotográfica es un claro acercamiento a la aplicación de estándares de información en especialidades médicas y, en nuestro caso, a la telemedicina. Diversos autores7,17 concluyen que la necesidad de desarrollar y aplicar estándares y guías para la implementación de sistemas en telemedicina es prioritaria. En el caso de la teledermatología, esta necesidad se aprecia en todos los aspectos de la teleconsulta dermatológica, desde la adquisición de imágenes y su resolución hasta la estructura de la información clínica enviada al teleexperto por parte del médico referente. Con el desarrollo y la publicación del VL Photographic IOD por parte de DICOM, estas necesidades se van supliendo por intermedio de un estándar de información y comunicación que nos permite buscar, visualizar y almacenar fotografías médicas digitales con su respectiva información.

Técnicamente, el desarrollo de documentos que representan objetos DICOM por medio de XML brinda un alto nivel de operabilidad, modularidad, estructuración de información y fácil transmisión por la web. Además, brinda la flexibilidad de transformar los documentos XML a otros formatos útiles, como PDF, así como "parsear" y "renderizar" documentos XML.

La relevancia de la metodología aplicada para representar objetos de información DICOM radica en su aplicabilidad para representar la totalidad del estándar DICOM, permitiendo la representación de estructuras más complejas como los reportes estructurados. Así mismo, permite interactuar con vocabularios controlados para reportar información médica reduciendo la ambigüedad de informes en formato de lenguaje natural, aumentando la precisión, claridad y el valor de los documentos clínicos18.

Dentro de los trabajos similares desarrollados a la fecha9,12-14, la creación de los XML Schemas se ha realizado con técnicas complejas patentadas que utilizan diversas herramientas de desarrollo de aplicaciones tales como Majix19, Java20 y Xerces Document Object Model Parser21, que realizan un proceso semiautomático de generación de XML Schemas a partir de conversiones especiales de la información impresa del estándar DICOM. Nuestro desarrollo fue manual, lo que permitió un claro entendimiento de las capacidades de XML Schema dentro del estándar DICOM.

Los resultados son acordes con los rasgos generales descritos por Zhao et al.13 y Lee et al.14 para la generación de documentos DICOM. Es de destacar que nuestro desarrollo modular es extensible para la creación de otros IOD y que es fácil el mantenimiento y actualización de archivos.

Para terminar, este acercamiento a la representación del estándar DICOM en XML Schema para recopilar y describir información clínica y fotográfica en telemedicina es la base para trabajos futuros en diversas áreas médicas que requieran el estudio de imágenes fotográficas. A partir de este enfoque se podrían obtener resultados en el manejo estandarizado e interoperable de imágenes provenientes de biotecnología y patología, entre las más importantes.

RECONOCIMIENTOS

El joven investigador de este proyecto fue financiado por el Instituto Colombiano para el Desarrollo de la Ciencia y la Tecnología (Colciencias), la Escuela de Ingeniería de Antioquia y la Universidad CES. Este proyecto cuenta con el apoyo del proyecto "Servicios basados en web para acceder a objetos DICOM", financiado por Colciencias cod. 121614-17898, la Universidad CES y la Universidad EAFIT.

Los autores desean expresar los agradecimientos al Grupo de Investigación en Bioingeniería (GIB) por su apoyo y soporte técnico y a la empresa Altova por suministrar la licencia del su producto XMLSpy.

COMENTARIOS

* Una Definición de Objeto de Información (Information Object Definition IOD) es un modelo de datos abstractos orientado a objetos utilizado para especificar información sobre objetos del mundo real. Un IOD proporciona comunicación de entidades aplicativas con un "vistazo general" de la información para ser intercambiada.

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