RED PARA TRANSMISIÓN Y MANEJO DE IMÁGENES RADIOLÓGICAS

Uriel Zapata1, Edwin Montoya2, Alvin García3, Samuel Roldan4

1. INTRODUCCIÓN Los desarrollos tecnológicos modernos apoyados en la creciente difusión de la información, han influenciado, tanto directa como indirectamente las múltiples áreas de la ciencia y el conocimiento, de tal forma que su incidencia ha transformado radicalmente la practica de la medicina. El sector de la salud demanda cada vez más una mejor prestación de servicios con mayor precisión en el diagnóstico y una respuesta ágil y oportuna al paciente. Para dicho efecto, el avance de las telecomunicaciones y nuevas tecnologías de la informática representan una importante alternativa en el manejo de la información y su implementación puede provocar importantes cambios, tanto en la gestión hospitalaria como en la introducción de nuevos esquemas de atención en un área conocida como la telemedicina. La necesidad global de competir disminuyendo los costos de operación pero manteniendo o aumentando la eficiencia de los servicios e innovando en beneficio de la calidad de atención de los pacientes, ha llevado a las organizaciones del sector de la salud a buscar el uso de las tecnologías de telecomunicaciones e informáticas para la generación de nuevas ideas y soluciones económicamente realizables. Como consecuencia de esta situación la aplicabilidad de un sistema de almacenamiento e intercambio de imágenes, y/o Sistemas de gestión de Información Hospitalaria (HIS), es considerada, como una ventaja competitiva y una inversión estratégica para mejorar la productividad y la imagen de la organización en el medio.

1 Ingeniero Civil, EAFIT. Maestría en Estructuras, UNAM, Profesor Asociado Universidad EAFIT. Investigador Grupo de Investigación en Bioingeniería. (uzapata@eafit.edu.co). 2 Ingeniero de Sistemas, EAFIT. Ph. D. en Telecomunicaciones, Universidad Politécnica de Valencia. Profesor Asociado Universidad EAFIT, Investigador Grupo de Investigación en Bioingeniería. (emontoya@eafit.edu.co). 3 Estudiante Maestría en Ingeniería Telemática, Universidad EAFIT. Joven Investigador CONCIENCIAS. (algarcia@eafit.edu.co). 4 Odontólogo, CES. Especialista en Ortodoncia, Universidad Javeriana, Profesor e investigador Universidad CES, Director Grupo de Investigación en Bioingeniería. (sroldan@epm.net.co).

Gran parte de la información médica está constituida por imágenes biomédicas digitales o análogas, producidas en diferentes modalidades como Tomografía Computarizada (TC), Resonancia Magnética (RM), Radiografía Computarizada (RC), exámenes de medicina nuclear (SPECT, PET) y Ultrasonido (US), entre otras. Estas imágenes, frecuentemente son almacenadas en formatos digitales estándares como DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine), el cuál es un estándar abierto, adoptado universalmente para la representación de información médica, fue creado hacia los años de 1993 para promover la transmisión y almacenamiento de imágenes digitales médicas. En Medellín y el área Metropolitana no se dispone en la actualidad de una conexión que permita una eficiente transferencia de este tipo de imágenes por lo que se buscará emplear las tecnologías de telecomunicaciones que se ofrecen actualmente en la ciudad para diseñar e implementar una red telemática para la comunicación e intercambio seguro de imágenes biomédicas digitales entre diferentes centros hospitalarios y de diagnóstico médico en el área metropolitana de la ciudad de Medellín. Igualmente se desarrollará un software que permita la adquisición, almacenamiento e intercambio eficiente y seguro de información radiológica entre equipos de diagnóstico imagenológico y computadores personales (PC), utilizando el protocolo estándar de comunicación y almacenamiento de imágenes en medicina DICOM. La universidad EAFIT hará las veces de un nodo central por donde deben pasar todas las comunicaciones de los centros médicos. En el futuro, este nodo será un servidor que optimizará el rendimiento y funcionalidad de toda la red que podrá operar en una entidad definida por los socios de la Red Metropolitana de Teleradiología. La importancia de este proyecto radica en integrar adecuadamente tecnologías de telecomunicación e informática para proveer al sector de la salud aplicaciones que permitan realizar diagnósticos con gran agilidad y confiabilidad, disminuyendo riesgos para la integridad de los profesionales, así como la oportuna atención de los pacientes, brindando soluciones efectivas, con los menores costos posibles y acorde con las necesidades. Debido al carácter interdisciplinario del tema de estudio, este proyecto será realizado por varias instituciones: Hospital Universitario San Vicente de Paul (HUSVP)), el Instituto de Alta Tecnología Médica de Antioquia (IATA), Instituto de Ciencias de la Salud (CES) y la Universidad EAFIT. El presente proyecto permitirá consolidar el Grupo de Investigación en Bioingeniería GIB (www.eafit.edu.co/gib), con la formación de recurso humano de pre y posgrado y la obtención de publicaciones nacionales e internacionales, tesis de Maestría, desarrollo de prototipos y participaciones en eventos. Esto dará al grupo

reconocimiento nacional y será un paso significativo en el posicionamiento del GIB a nivel internacional. 2. TELERADIOLOGIA La información contenida en un archivo de imagen médica debe permitir a los usuarios determinar el contexto clínico y técnico, en el cual la imagen ha sido adquirida. En este sentido, un archivo de imagen médica generalmente presenta la siguiente información: § Datos de la imagen, los cuales pueden ser originales o comprimidos. § Datos de identificación del paciente y aspectos demográficos . § Información técnica del examen, condiciones de adquisición de la imagen.

Las imágenes biomédicas a transmitir son archivos almacenados en formato digital DICOM, obtenidos en diferentes modalidades de estudio como tomografía computarizada (TC), resonancia magnética (RM), radiografía computarizada (RC), exámenes de medicina nuclear (SPECT, PET) y ultrasonido (US), entre otras (Tabla 3.1). El sistema de almacenamiento y administración de imágenes ideal es una conexión al Sistema de Almacenamiento e intercambio de Imágenes o PACS (Picture Archiving and Communication System ). El almacenamiento masivo se puede realizar mediante grabadores de CD-ROM o Tape Backup. Luego, es necesaria una aplicación que gestione el manejo de imágenes en una base de datos, almacene la información en un formato estándar (DICOM) y envíe los datos con opción de compresión de forma confiable a la estación receptora.

FIG. 1. IMÁGENES MÉDICAS A TRANSMITIR EN UN SISTEMA DE RED

Ax

RD

TC

RMM

MN

US

RM

4000 X 4000 (92MB)

512 X 512 (11MB)

4096X 4096 (48MB)

128 X 128 (0.78MB)

512 X 512 (9MB)

512 X 512 (18.8 MB)

1024 X 1024 (20MB)

Los monitores son importantes en este sistema. La fidelidad en el despliegue de la imagen es vital para un diagnóstico correcto. Ésta se puede caracterizar por parámetros como: luminancia, rango dinámico, distorsión, resolución y ruido electrónico. La visualización puede tener dos requerimientos diferentes: diagnóstico o consulta. El monitor para diagnóstico debe tener las dimensiones suficientes para desplegar la imagen digitalizada completa (2048 x 2048) y tener 12 bits de profundidad en tonos de gris. El monitor de consulta o clínico puede ser cualquier monitor convencional bueno, que tenga una resolución igual o superior a 1600 x 1200. Tabla 2.1. Características de imágenes por modalidad

Modalidad Imagen por estudio Resolución bppa

Radiografía Digital 4 4000 x 4000 12

Radiografía Computarizada 4 2000 x 2000 12

Mamografía 2 4096 x 4096 12

Tomografía Computarizada 30 512 x 512 12

Resonancia Magnética 50 512 x 512 12

Angiografía 20 1024 x 1024 8

MN 50 128 x 128 8

US 36 512 x 512 8

a bits por píxel.

En el aspecto de comunicaciones podemos distinguir dos niveles de interacción: asincrónico y sincrónico. En el primero las imágenes enviadas en tiempo diferido serán vistas por el radiólogo en el momento más oportuno para él. En el segundo caso, modo sincrónico, ambos participantes mantienen una comunicación en tiempo real y discuten interactivamente sobre un estudio en particular. La imagen puede haber sido enviada mediante la modalidad asincrónica con anterioridad, por lo que no es necesaria su transmisión. De otro modo, las imágenes serán transmitidas en el momento. En este último caso, los tiempos de transmis ión son importantes. La Tabla 2.2 muestra los tiempos de transmisión para un estudio seleccionado, según el tamaño y el ancho de banda disponible.

Tabla 2.2. Tiempos de transmisión (minutos)

Ancho de banda (Kbps) Estudio

33,6 56 64 128 256 512 1024 2048 11000

Radiografía Digital 380,95 228,57 200,00 100,00 50,00 25,00 12,50 6,25 1,16

Mamografía 199,73 119,84 104,86 52,43 26,21 13,11 6,55 3,28 0,61

Radiografía Computarizada95,24 57,14 50,00 25,00 12,50 6,25 3,13 1,56 0,29

Angiografía 83,22 49,93 43,69 21,85 10,92 5,46 2,73 1,37 0,25

Resonancia Magnética 78,02 46,81 40,96 20,48 10,24 5,12 2,56 1,28 0,24

Tomografía Computarizada46,81 28,09 24,58 12,29 6,14 3,07 1,54 0,77 0,14

Ultrasonido 37,45 22,47 19,66 9,83 4,92 2,46 1,23 0,61 0,11

Medicina Nuclear 3,25 1,95 1,71 0,85 0,43 0,21 0,11 0,05 0,01

Nota: Las combinaciones con tiempos superiores a 20 minutos se encuentran sombreadas, pues se considera que resultan incómodas para un diagnóstico fluido.

Vemos por ejemplo que para un estudio de Radiografía Digital las imágenes digitalizadas son 4000 x 4000 píxeles, con 12 bits de resolución. A una velocidad de 33,6 Kbps la transferencia de un estudio de este tipo (ver Tabla 1) tardaría: (4000 x 4000 x 12 x 4 / 33600) = 22857,14 segundos = 380,95 minutos Arquitectura de Red El concepto de redes de área local LAN (Local Area Network) se diseñan al interior de edificios y áreas relativamente pequeñas. Para el proyecto que nos ocupa, los centros médicos dispondrán de un equipo terminal que debe acceder a la información de formato DICOM generada en los equipos de adquisición del centro radiológico. El medio más conveniente para ello es utilizar una red interna tipo LAN. Al evaluar el diseño de redes de área extensa WAN (Wide Area Network) para la conexión entre los diferentes centros, se deben considerar las variables más importantes en el momento de contratar un servicio para transmitir información: tecnología de punta, ancho de banda (velocidad de transmisión), costo y soporte técnico, entre otros.

En este sentido, las tecnologías disponibles para red WAN, dentro de las cuales se enmarcará el diseño de la red son: MODEM ANÁLOGO Sólo para usuarios o redes de área local con poca necesidad de ancho de banda y con acceso inferior a una hora al día a velocidades bajas (no superiores a 56 Kbps) o para líneas de respaldo puntuales que pueden suplir a las que se utilizan habitualmente. ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) Esta tecnología brinda velocidades de hasta 6 Mbps, utilizando par de cobre tradicional y dispositivos especiales de comunicación en los extremos. Aconsejables para usuarios o redes con necesidades de comunicación puntuales. LÍNEAS DEDICADAS Sólo para redes con necesidades de comunicación permanentes punto a punto o para líneas de respaldo de alta capacidad puntuales. Cuando se quieren tener líneas seguras entre puntos distantes son una buena y costosa opción. Las líneas de microondas tienen un gran ancho de banda alcanzando velocidades de hasta 130 Mbps. RDSI (Red Digital de Servicios Integrados) Ofrece acceso remoto con soporte simultáneo para voz y video con buenos resultados en la relación de costos y ancho de banda. Se alcanzan velocidades de hasta 128 kbps. FRAME RELAY Tiene muy buenos resultados para líneas permanentes de conexión. Se pueden obtener velocidades de hasta 2 Mbps, a buenos costes con latencias bajas y baja probabilidad de errores. Resulta un método ideal cuando se quieren unir puntos remotos utilizando una red privada común, como puede ser el caso de una empresa con varias delegaciones, ya que crea una topología entremezclada con

utilización optimizada de los anchos de banda, en función de las necesidades de tráfico. SMDS (Switched Multimegabit Data Service) Brinda altas velocidades y alto rendimiento para conexiones a través de redes públicas. Establece un modelo aplicable a redes mayores del tipo WAN. Utiliza fibra óptica o cobre para ofrecer velocidades que van desde los 1,544 Mbps hasta los 45 Mbps. Utiliza la misma tecnología de transmisión de celdas de tamaño fijo que ATM. X.25 Es un protocolo orientado a la conexión para comunicaciones en redes WAN propuesto por la Organización Internacional de las Naciones Unidas responsable de establecer normas mundiales en materia de telefonía y comunicación de datos CCITT. Tecnología basada en circuitos de WAN, cada vez más en desuso. ATM (Asynchronous Transfer Mode) El Modo de Transmisión Asíncrono utiliza la tecnología de transmisión de celdas de tamaño fijo. Satisface requerimientos muy altos en ancho de banda. Se pueden lograr velocidades entre 155 Mbps y 622 Mbps por un medio de transmisión de fibra óptica. Es una tecnología costosa, con excelentes resultados cuando se quieren obtener diferentes calidades de servicio y se quiere diferenciar el tipo de información transmitida. Apropiada para la transmisión de multimedia. 3. METODOLOGÍA DE IMPLEMENTACIÓN Este trabajo propone el seguimiento de una serie de etapas tomando como base la metodología orientada a la investigación, con el fin de implementar un sistema de red piloto constituido por un hospital, un centro radiológico, un servidor central y un nodo residencial para especialista o residente de radiología. Una vez puesto en marcha el sistema de red piloto será posible implementar la adición de nuevos usuarios del servicio de manera que el crecimiento de la red pueda darse sin mayores contratiempos y donde solo será necesario tener en cuenta los costos de red y de almacenamiento.

Así mismo, se dará inicio a un trabajo complementario de investigación sobre la comercialización de los servicios de teleradiología a nivel centroamericano y del caribe como primeros mercados factibles, mediante una tesis de Maestría en Administración que aborde todas las variables relacionadas con el tema.

Recolección y análisis de Información. Esta actividad se debe realizar a lo largo de toda la fase del proyecto. En ella se debe identificar y depurar toda la información relacionada con el objeto problema, la cual será obtenida de fuentes bibliográficas disponibles tanto física como electrónicamente, de la información especial proporcionada por técnicos y radiólogos expertos junto con la identificación física del estado de equipos y tecnología disponible en los centros radiológicos. Con este procedimiento se buscará adquirir conocimientos referentes a este tema y mantener vigente su estado del arte.

Análisis y diseño del sistema. Para el análisis y diseño de las aplicaciones y protocolos necesarios a implementar se debe estudiar y analizar la estructura de datos que conforma una imagen de formato digital DICOM. Basados en dicha estructura, la especificación del modelo se deben realizar siguiendo un enfoque de desarrollo orientado a objetos, utilizando la notación y algunas de las aproximaciones metodológicas propuestas por UML (Unified Modeling Language), lo cual permitirá la construcción de un software modular que se adapte fácilmente a las continuas mejoras y modificaciones del estándar DICOM. El diseño de la red telemática se realizará a través de una Red de Área Extensa (WAN), que puede ser de carácter público o privado y en ese sentido se deben estudiar las diversas alternativas tecnológicas disponibles en la ciudad.

Figura 1. Arquitectura preliminar de la red

Etapa de implementación. De acuerdo con el modelo obtenido en la etapa anterior, para la implementación del software se debe utilizar el lenguaje de programación C#, compilado con la plataforma de desarrollo Visual Studio .NET®, dada sus características de soporte de tecnologías Orientadas a Objetos y gran versatilidad en el desarrollo de aplicaciones gráficas para sistemas operativos Windows®.

EEPPM INTERNET

HUSVP

Dr. RESIDENTE

Otros Hospitales

intranet

intranet

Dr. EXTERNO

EAFIT

IATM

TCP/IP

128 kbps

128 kbps

256 kbps

128 kbps 128 kbps

56 kbps

56 kbps

Etapa de evaluación y pruebas de verificación. Esta etapa indica un proceso conjunto e iterativo con la etapa de desarrollo, que debe buscar obtener una versión beta del prototipo. Las pruebas a estas versiones de la aplicación se realizarán inicialmente en los centros radiológicos del IATM y el HUSVP de la ciudad de Medellín. Esta etapa involucra pruebas de tiempos de transmisión, lectura de archivos DICOM de diferentes equipos y modalidades médicas.

Análisis de resultados. Es la fase de análisis y conclusiones de los resultados alcanzados durante el desarrollo de este proyecto.

Documentación e informe final. El propósito de esta etapa es producir los documentos necesarios para el seguimiento y la evaluación de resultados, junto con la elaboración de un informe final que recopile los resultados obtenidos en el desarrollo del trabajo y la preparación de artículos científicos. 4. IMPACTOS ESPERADOS Con el desarrollo del presente trabajo se pretende proveer a los profesionales de la salud con una herramienta invaluable capaz de adquirir, manipular, distribuir y almacenar imágenes biomédicas conforme a un estándar abierto y de amplia aceptación a nivel global como lo es actualmente DICOM, que permita hacer una gestión en un contexto específico de redes más eficiente y ágil de la información generada en los diversos equipos radiológicos que existen en el mercado actual. Con la implementación de este tipo de proyectos se fortalecerá la investigación en áreas de gran desarrollo tecnológico a nivel mundial como la telemedicina, lo cual nos permitirá:

§ Optimizar los servicios y recursos de diagnostico imagenológico. § Dar solución a problemas asociados con el almacenamiento de films

radiológicos. § Mejorar la gestión de la información. § Acceder remotamente a la información. § Propiciar la creación de ambientes de diagnósticos colaborativos e

interconsultas entre instituciones y profesionales. § Desarrollar un proceso de integración (medicina, ingeniería y tecnología de la

información) para prestar servicios de salud con una visión más global. § Ampliar el portafolio de productos y servicios médicos para enfrentar la

competencia en otros mercados. § Fortalecer la prestación de servicios a un alto nivel, a través de la formación

de alianzas estratégicas entre entidades del sector de la salud. § Introducir otros tipos de modalidades de telemedicina viables de desarrollar

como telepatología, teledermatología, biblioteca digital médica, foros de discusión de casos en Internet, entre otros.

§ Permitir la posibilidad de postprocesamiento de la información (procesamiento de imágenes, análisis estadísticos, etc)

Actualmente, los rápidos progresos en tecnologías de informática e infraestructuras de comunicaciones y de igual manera la tendencia general de implementar especificaciones estándares, permite el establecimiento de plataformas propicias para el desarrollo de este tipo de aplicaciones escalable a nivel Metropolitano y con la posibilidad de ofrecer servicios de diagnóstico a nivel nacional e internacional. 5. RECOMENDACIONES Es necesario el apoyo gubernamental en las primeras etapas de investigación en telemedicina por medio de Colciencias, El Ministerio de Comunicaciones y el Ministerio de Protección Social. Las entidades investigadoras deben buscar los medios de financiación externos iniciales y definir políticas de comercialización de los productos obtenidos, con el fin de que la mayoría de las variable involucradas en la telemedicina sean rentables por si mismas y permitan el desarrollo creciente de este sistema a nivel Nacional. El Gobierno Nacional debe financiar a largo plazo la implementación de sistemas de telemedicina en lugares alejados de la geografía nacional donde no existen sistemas adecuados de vías de comunicación que permitan un fácil acceso de

los usuarios a los servicios de salud. En este sentido el programa de Agenda de Conectividad podría implementar un sistema de red de telemedicina entre los Grupos de Investigación que actualmente trabajan en el área, con el fin de lograr mayores avances por el trabajo mancomunado que poco a poco se vera reflejado a las comunidades alejadas.