PACS - Apuntes de Electromedicina Xavier Pardell

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PACS

Conceptos
Picture Archiving Communication System


Los sistemas para archivo y comunicación de imágenes (por sus siglas en inglés PACS, Picture
Archiving Communication System) se han desarrollado como respuesta tecnológica al difícil manejo de la creciente cantidad de información que proviene de los distintos métodos de diagnóstico por imagen. Los resultados obtenidos, demuestran que estos sistemas aportan ventajas funcionales, especialmente a nivel de archivo y recuperación de imágenes.

La información que se maneja en un hospital aumenta día a día. De este volumen de datos el PACS manipula tanto imágenes que se utilizan para el diagnóstico, como la base de datos del paciente. Históricamente se ha utilizado la película como complemento de estas imágenes lo que ha generado costos de archivo y manipulación elevados, haciendo que la información llegue a su destinatario con dificultad, o con pérdidas y retrasos. Actualmente la informática y las comunicaciones ofrecen medios potenciales para almacenar y distribuir imágenes en formato digital, lo que contribuye a mejorar la eficacia de los Servicios de Diagnóstico por Imagen y por lo tanto al resto del Hospital.

El PACS implica una utilización compleja, especialmente en las tareas no rutinarias y requiere la presencia de operadores bien entrenados y motivados para las tareas administrativas de mantenimiento de bases de datos y distribución de imágenes. Este personal debe proceder a la verificación sistemática, para detectar problemas antes de que causen trastornos al trabajo asistencial.

De lo anterior se define que los objetivos de un PACS son: la captura, gestión, transmisión, y
exhibición de imágenes médicas; sus componentes son interfaces para los equipos de imagenología, tales como: Acelerador Lineal (LINAC), Tomografía Computada ó Tomógrafo (TAC), Resonancia Magnética (RM), Ultrasonido (US), Mastografía, Medicina Nuclear (MN), entre otros; redes de comunicación, sistemas de archivo, estaciones de trabajo para la presentación de imágenes y software para la administración de base de datos.

Cuando se enfrenta al diseño de un PACS, se debe tener claro que no es un sistema que cuenta con modelos o plantillas que se adapten a diferentes problemáticas, sino que se trata de un sistema donde las especificaciones están relacionadas directamente con el lugar en donde será instalado y el equipamiento existente de imagenología, ya que establece una forma estructurada de trabajo, en función al dimensionamiento y descripción de los requerimientos del lugar donde se va a implementar.

Cabe mencionar que éste sistema actúa en conjunto con los Sistemas de Información Radiológica (RIS) y Sistemas de Información Hospitalaria (HIS). El RIS tiene datos sobre el seguimiento de exámenes que son útiles al PACS. El HIS comúnmente administra las operaciones del hospital y los datos demográficos del paciente.

  • Los hospitales ingresan y almacenan los datos del paciente, utilizando el respectivo HIS. Las solicitudes del área de imagenología y los datos de paciente relativos a radiología utilizan el RIS.
  • HIS/RIS utilizan distintos servidores, protocolos y estructuración de los datos que el sistema PACS.
  • Para que el PACS pueda acceder a los datos del paciente y asociarlo con las imágenes de éste, es necesario que exista una computadora que pueda comunicarse con ambos sistemas. Esta es llamada gateway HIS/RIS o PACS broker.

Componentes de un sistema PACS
A continuación se presenta una descripción detallada sobre los componentes de un PACS:

1. Adquisición de imágenes: La adquisición de las imágenes tiene dos modalidades principales, las que se encuentran en forma digital (TC, RM entre otras) y las que se localizan en placa. En el primer caso, se encuentra la manera de obtener la información interna numérica (códigos binarios, hexadecimal, octal, etc.) de la computadora y transmitirla por medio de la red al archivo. En el segundo caso, se digitaliza manualmente por medio de un digitalizador de placas obteniendo la información numérica. Lo mismo sucede con las imágenes que tienen salida en formatos de video como es el caso de las de ultrasonido. En sistemas de este tipo es necesario contar con una tarjeta digitalizadora de video que entregue la adquisición en formato numérico.

2. Redes de Comunicación: Es un elemento fundamental de los sistemas PACS. Comúnmente se cuenta con una de alta velocidad (10/100 Mbps) dentro del departamento de imagenología, una red de menor capacidad dentro del hospital y un sistema de acceso exterior que puede ser tan lento como el acceso telefónico. Estos esquemas se basan en el hecho de que la mayor parte del tráfico de información se encuentra dentro de la misma unidad de imagenología, donde se hace la mayor parte del diagnóstico radiológico y donde se generan los informes por parte de los especialistas. Esta demanda de ancho de banda justifica la instalación de una red de alta velocidad. En el caso de la conexión al resto del hospital la velocidad de transferencia no tiene que ser tan alta, ya que la demanda es menor. En algunos casos, todo el nosocomio está cableado con la misma tecnología (frecuentemente se trata de fibra óptica). Para las comunicaciones con el exterior se debe considerar en el diseño al menos:

  • Ancho de banda: Nos indica la capacidad de comunicación, o la velocidad de transmisión de datos de una línea de conexión, medida en bits por segundo (bps).
  • Velocidad: Rapidez a la que se transmite la información. Puede decirse que para la conexión entre las modalidades de diagnóstico y las estaciones de trabajo o dispositivo de almacenamiento local.
  • Continuidad del servicio: En caso de falla de los enlaces principales (conexiones de puntos en la red) y a fin de evitar que el PACS quede fuera de servicio, estos sistemas han de contar con un circuito alternativo de resguardo.
  • La calidad del servicio: La implementación de esta característica de servicio se puede enfocar en varios puntos según los requerimientos de la red, los principales son: Asignación de ancho de banda en forma diferenciada, administrar la congestión en la red, manejar prioridades de acuerdo al tipo de tráfico y modelar el tráfico de la red. Una red debe garantizar un cierto nivel de calidad para un nivel de tráfico que sigue un conjunto especificado de parámetros.
  • Seguridad: Es deseable que la red de imágenes sea un sistema independiente de las demás redes de datos dentro de la misma organización de salud. Esto tiene por objeto evitar problemas con los componentes del sistema, mejorar la velocidad de respuesta y estringir el acceso a aplicaciones críticas (procesamiento, adquisición, sistema, etc) a usuarios autorizados desde estaciones identificadas en la red.
  • Costos: Los precios globales de un PACS dependen en gran medida de la tecnología seleccionada para soportar las comunicaciones.

3. Gestión y transmisión de imágenes e información: El diseño de un sistema de bases de datos y su implantación son fundamentales para el buen funcionamiento de un sistema PACS. Se debe tener en cuenta una estrategia para el almacenamiento de información. En las horas siguientes a la adquisición de una imagen, ésta se consulta con más frecuencia. Sin embargo a lo largo del tiempo, la probabilidad de que esta imagen sea consultada disminuye significativamente. Debido a esto, el almacenamiento a corto plazo debe hacerse en los sistemas convencionales (computadora). A mediano plazo, el almacenamiento debe hacerse en servidores, mientras que el almacenamiento permanente y largo plazo puede hacerse ya sea en unidades de disco óptico o en cinta magnética. Asociado a esto, debe existir un módulo que se encargue de efectuar una recuperación inteligente de las imágenes que se solicitan, junto con un sistema de compresión y descompresión en línea.

4. Visualización y procesamiento de imágenes e información: Estos son los elementos que presentan la información visual a los médicos, para el caso de las estaciones de diagnóstico que se encuentran dentro del departamento de imagenología, estas deben tener una alta resolución alrededor de 5 mega pixeles y se deben poder presentar imágenes en varios monitores de 2048 x 2048 pixeles. Para las estaciones de visualización que se encontrarán dentro de un hospital, y que recibirán las imágenes ya analizadas por los especialistas, deberán tener una resolución de alrededor de 1024 x 1024 pixeles. Las estaciones de diagnóstico y visualización deben contar con algunas funciones de procesamiento de imágenes, tales como: Contraste, zoom, mediciones cuantitativas, anotación sobre la imagen, ecualización de histogramas, análisis de texturas, despliegue en 3D, filtrado y registro.

5. Sistemas de Almacenamiento: En general las imágenes recién adquiridas se consultan con mucha frecuencia en los minutos siguientes a su adquisición y su revisión de consulta disminuye con el tiempo. El almacenamiento a corto plazo o en línea (en red) tiene las siguientes características: decenas de GB, transferencia de alrededor de 50 imágenes por minuto, 115 días (rango de referencia) de almacenamiento. El almacenamiento a largo plazo o histórico debe cumplir con los siguientes requisitos: Capacidad para varios terabytes, amplio almacenamiento para años de información, empleo de cinta e imágenes comprimidas para almacenaje a plazos mayores .

Existen dos tipos de almacenamiento: en línea y el histórico.

  • Almacenamiento en línea o corto plazo: Contiene la información de los estudios recién generados o aquellos que el radiólogo necesita para realizar un diagnóstico o una revisión. Su vida dentro del dispositivo es del orden de 15 días, luego de este período se incorporan al archivo histórico.
  • Almacenamiento histórico o largo plazo: No posibilitan un acceso inmediato, sino que necesitan un período de algunas horas para recuperar el estudio. Esta tarea puede requerir intervención humana o ser un proceso automático. Un estudio dentro del archivo histórico tiene una duración del orden de miles de días.

Un punto clave en el PACS es la arquitectura de almacenamiento. El volumen que consideran los estudios de imagen digital actualmente ha supuesto un serio inconveniente para la difusión de estos sistemas; además las modalidades (RM, TAC, entre otros.) aumentan de manera considerable el tamaño de los estudios producidos.

La arquitectura clásica de un PACS ofrece un almacenamiento en discos, habitualmente SCSI, acrónimo inglés Small Computers System Interface (Sistema de Interfaz para Pequeñas Computadoras), denominado a corto plazo o en línea. Dado el limitado tamaño de este tipo de dispositivos, los estudios son transferidos a otro tipo de almacenamiento a medio plazo compuesto por librerías de cintas, dispositivos magnetoópticos, o recientemente DVDs.
Finalmente los soportes de estas librerías se extraen y se almacenan a largo plazo. Esta arquitectura conlleva problemas importantes de caducidad de los dispositivos empleados y por lo tanto es necesaria la migración a otro tipo de almacenamiento al cabo de cierto periodo de tiempo.

Actualmente algunos proveedores ofrecen como alternativa almacenamiento NAS (Network Attached Storage) o SAN (Storage Area Network). En el primer caso, un dispositivo de almacenamiento masivo con discos SCSI o DVDs se conecta a la red de manera independiente del servidor del PACS, de forma muy semejante a un almacenamiento a medio plazo clásico. Sin embargo, el almacenamiento con SAN supone la creación de una red de comunicaciones alternativa, habitualmente con canal de fibra a 2 Gbps, exclusivamente dedicada a almacenamiento. En ella se conectan las cajas de discos con interfaz de canal de fibra, habitualmente redundante para dar alta disponibilidad, y también los servidores encargados de las copias de seguridad, de forma que no influyan en el tráfico de la red. Este tipo de soluciones puede crecer en tamaño fácilmente en un futuro, aprovechando además la disminución de precio de los discos duros con el tiempo, eliminado la necesidad del archivo histórico, por lo que es la mejor opción en la actualidad.

Cabe mencionar que en un sistema de almacenamiento para un hospital, se debe conocer el peso de las imágenes que se maneja en cada modalidad. Esto facilita el cálculo del volumen que tendrá este espacio para almacenar la información. A continuación se muestra el tamaño del archivo para cada modalidad y que es necesario considerar al adquirir un sistema PACS, como se observa en la siguiente tabla 1.



6. Impresión: En el ideal de un sistema PACS bien planificado e implantado con toda su red de apoyo de distribución de imágenes digitales, no requiere impresión de radiografías, sin embargo, en la operación se ha demostrado que es necesario imprimir los estudios de radiología. Es por ello, que las estaciones de trabajo deben ordenar la impresión de copias sobre película cuando sea necesario, por ejemplo: en el traslado del paciente a otro centro, utilización en sesiones científicas (cada vez menos, con la aparición de los Vídeo Proyectores Digitales de alta definición) y, por último, los médicos que requieren disponer de copias en placa. Para la obtención de copias sobre placas radiográficas o papel, será necesario disponer, al menos, de una terminal de impresión, lo cual, permitirá realizar copias de radiografías y copias en papel. Lo normal, es tener impresoras estándares para copia de informes en papel, y las impresoras especializadas (pueden ser impresoras en seco o impresoras térmicas). Estos equipos de impresión permiten la presentación en multiformato de imágenes procedentes de distintas fuentes digitales (LINAC, TC, RM, US), y la presentación en formato real de gran tamaño (35 x 43 cm.). La resolución espacial de las copias obtenidas es muy elevada (hasta 4000 x 5000 puntos), con 4096 niveles de gris. En la conexión con los equipos PACS, se puede optar por ceder las tareas de formateo de la información a la impresora o, por el contrario, enviarlas ya compuestas en la estación de trabajo de este sistema. Esta última opción puede abaratar el costo de las impresoras y es posible con los equipos informáticos actuales. Las impresoras pueden conectase a través de una estación de trabajo o del servidor, pero también, pueden estar conectadas directamente a la red, lo que permite imprimir desde cualquier estación del PACS

7. Los Servidores WEB: Es un programa que implementa un protocolo diseñado para transferir lo que llamamos hipertextos, páginas Web o páginas HTML (hypertext markup language): textos complejos con enlaces, figuras, formularios, botones y objetos incrustados como animaciones o reproductores de música. La finalidad de un servidor WEB, en este caso, es la de mantener las imágenes listas en red para poder evaluarlas, analizarlas y compartirlas si es necesaria la interpretación de otro especialista.


Estos equipos de apoyo se han relacionado a tal grado con el desarrollo de los PACS, que podemos decir que han realizado una interacción con estos sistemas.

Pero aquí no terminan los componentes de un PACS, quedan tres temas, que aunque no puedan considerarse como parte tecnológica de estos sistemas, son vitales en la actualidad para su funcionamiento:

Estandarización.
Representada por el estándar DICOM y sus especificaciones para comunicación en red. El Nivel de Salud 7 es otro estándar de comunicación (por sus siglas en inglés HL7, Health Level 7) que se utiliza como interfase con el Sistema de Información Radiológico (por sus siglas en inglés RIS, Radiology Information System) o Sistema de Información Hospitalario (por sus siglas en inglés HIS, Hospital Information System).

Estándar HL7
El Health Level 7 (HL7) es una especificación para un estándar de intercambio de datos electrónicos en el sector de los cuidados de la salud, especialmente enfocado hacia las comunicaciones intrahospitalarias, que facilita el desarrollo de interfaces. La creciente necesidad de generar sistemas de información integrados regionalmente (ciudades, regiones, países) hizo necesario el desarrollo de un espectro más amplio de estándares que faciliten la interoperabilidad. Por esta razón, en la actualidad (a partir del año 2000), la organización HL7, es una estructura que desarrolla estándares de informática médica, cuenta con un proceso para definir una serie de herramientas de interoperabilidad, tales como: mensajes, documentos electrónicos, reglas, modelos de referencia, entre otros; esto ha dado origen a varios estándares que facilitan los procesos de intercambio de información en el ámbito de la salud. Debido a ello, hoy en día, se habla de Estándares HL7.

Algunos de estos estándares son:
  • Mensajería HL7 Versión 2: Estándar de mensajería para el intercambio electrónico de datos de salud.
  • Mensajería HL7 Versión 3: Estándar de mensajería para el intercambio electrónico de datos de salud basada en el RIM (Reference Information Model).
  • CDA HL7: (Clinical Document Architecture) Estándar de arquitectura de documentos clínicos electrónicos.
  • SPL HL7: (Structured Product Labeling) Estándar electrónico de etiquetado de medicamentos.
  • HL7 Medical Records: Estándar de administración de Registros Médicos.

Estándar DICOM.
Al tener las imágenes digitales se hace necesario encontrar la manera de que el formato sea leíble y procesable por los equipos. Para esto se ha desarrollado el estándar DICOM 3.0 creado 1993 por una comisión conjunta de Universidades y Productores de Equipo de Imagen y avalado por la NEMA (National Electrical Manufacturers Association). De esta forma el modelo DICOM ayuda a que la información contenida en HIS pueda ser entendida y transferida tanto a RIS como a PACS con la finalidad de conjuntarla y poder trabajar con ella.

“Las principales características de DICOM son:
1. Intercambiar información en redes de comunicación y en medios de almacenamiento a través
de protocolos y servicios, manteniendo independencia de la red y del volumen físico.

2. Especificación de diferentes niveles de compatibilidad para escoger sólo opciones específicas de
DICOM.

3. Información explícita de objetos a través de estructuras de datos, que facilitan su manipulación
como entidades autocontenidas. La información no es únicamente imágenes digitales y gráficas, sino también estudios y reportes.

4. Clasificación de objetos.

5. Flexibilidad al definir nuevos servicios.

6. Interoperabilidad entre servicios y aplicaciones a través de una configuración definida por el
estándar, manteniendo una comunicación eficiente entre el usuario de servicios y el proveedor de losmismos.

7. Representación de aspectos del mundo real, utilizando objetos compuestos que describen un contexto completo, y objetos normalizados como entidades del mundo real.

8. Sigue las directivas de ISOOSI (International Standards Organization Open Systems
Interconnection) en la estructura de su documentación multipartes. De esta forma facilita su evolución, simplificando la adición de nuevas partes. Los beneficios obtenidos de estos servicios son el poder de establecer una interfaz entre los diferentes sistemas de información en un hospital, como los Sistemas PACS, RIS y HIS.

Podría pensarse que la instalación de un sistema PACS, es inalcanzable por la gran cantidad de recursos que requiere. Sin embargo el costo/beneficio del sistema es rentable a largo plazo, por el ahorro que podría obtenerse”.
Codificación y compresión de imágenes. La compresión resuelve parcialmente los problemas de espacio de almacenamiento y de velocidad de transferencia en un medio ambiente PACS.

  • Técnicas de compresión.Existen dos tipos posibles de compresión: la exacta y la irreversible. En el primer caso, las técnicas actuales permiten una tasa de compresión de 3:1 como máximo, mientras que en promedio no pasan de un índice de 1.5:1. En el caso de la compresión irreversible, las tasas de compresión son mucho más elevadas, pero las imágenes reconstruidas presentan pérdida de información. Los algoritmos más avanzados permiten emplear medidas altas de compresión, mientras se mantiene una calidad de imagen alta con diferencias casi imperceptibles.

  • Medidas de Distorsión.
Existen criterios cuantitativos y cualitativos para establecer la distorsión en imágenes comprimidas. En la primera se emplean frecuentemente para comparar distintos tipos de procesadores o de algoritmos. Las medidas más utilizadas se calculan alrededor del error cuadrático medio y la relación señal/ruido. Para el uso de criterios cualitativos, es necesario conseguir un grupo de observadores expertos que comparen entre las imágenes originales y las procesadas, proporcionando su opinión sobre la calidad visual de estas. Se ha establecido expresar los resultados en una escala que va del 7 para una sin degradación perceptible, a 1 para una calidad extremadamente mala.

Clasificación de modalidades
Llamaremos modalidad a las distintas formas de producir imágenes médicas.
  • Medicina Nuclear (MN): Imagen capturada de un detector de radiación y procesada en forma digital.
  • Fluoroscopía: Tomada a través de Rayos X, es una imagen dinámica, analógica y almacenada de manera digital por una computadora.
  • Radiografía Convencional: Tomada a través de Rayos X, es una imagen estática analógica
  • Radiografía Computada: (CR) Rayos X, es una imagen leída por medio de un cassette de fósforo y procesada digitalmente.
  • Radiografía Directa: (DR): Tomada a través de Rayos X captados por un detector digital de imagen que la procesa digitalmente.
  • Imagen digitalizada de una placa radiográfica: Son aquellas imágenes por lo general de radiología convencional, que han sido digitalizadas por un equipo dedicado a ese proceso.
  • Mastografía Analógica: Imágenes de Rayos X captadas por una película radiográfica con características especiales de contraste, nitidez y revelado que representan la anatomía, la función de la sangre y los vasos linfáticos en el pecho humano.
  • Mastografía Digital: Imágenes de Rayos X captadas por un detector digital y procesadas en una computadora para realizar estudios radiológicos de mama con adquisición de imagen digital.
  • Tomografía Computada ó Tomógrafo (TAC): Es una exploración de Rayos X que produce imágenes detalladas de cortes axiales del cuerpo.
  • Resonancia Magnética (RM): Equipo para obtener imágenes diagnósticas, de cuerpo entero, mediante el uso de radiofrecuencias y campos magnéticos.
  • Ultrasonido: Imagen obtenida de detectores o transductores para diagnostico, diseñado para su utilización en una amplia variedad de procedimientos extracorpóreos/intracorporeos del cuerpo humano.

De las modalidades arriba mencionadas encontramos que en su mayoría las imágenes ya se encuentran digitalizadas, siendo la radiografía convencional la única que es analógica en todo su proceso.
La radiografía convencional continúa siendo la que más volumen de imágenes produce por ser la modalidad más cercana a la atención médica de primer nivel y por lo tanto la que está al alcance de mayor número de pacientes. Para hacer que estas imágenes puedan ser digitalizadas sin cambiar el equipo de Rayos X, se necesita un sistema de cassettes de fósforo y lector de cassettes (CR) o bien un digitalizador de películas radiográficas.
El resto de las modalidades ya son digitales al ser plasmadas en una película radiográfica, un monitor de televisión o un monitor de computadora, para ser visualizadas por el médico.

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Xavier Pardell Peña
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