Verlustfreie Komprimierung von DICOM Bildern

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1 Verlustfreie Komprimierung von DICOM Bildern ist ein neues Verfahren zur verlustfreien Komprimierung digitaler medizinischer Bilder, nach dem Prinzip der adaptiven LZW-JPEG Bildkomprimierung. Entwickelt von Deutschlands Spitzenforschungs-Zentrum im Hightech Bereich rund um das Internet, dem mit der Fraunhofer Gesellschaft verbundenen Institut für Telematik in Trier, setzt mit seinen hohen verlustfreien - Komprimierungsraten neue Standards in der Komprimierung von DICOM Bildern. DICOM Bild (Orginalgröße) Einsparungseffekte: 100! Speicherplatzbedarf wird reduziert (effektiv)! Übertragungszeit im Internet / Intranet wird verkürzt 30 % 10 % Verbesserung zu WinZip i.d.r. um Faktor 3 Die mit komprimierten Bilder inkl. der von generierten und mitgespeicherten Servicetools (Bild-Schnellansicht, Patientendaten-Schnellansicht/ Bildparameter, Komprimierungsbericht) haben in der Regel eine Größe von nicht mehr als 10% bis 30% des Orginalbildes (Faktor 1:10 bis 1:3). Die maximal erzielbare verlustfreie Komprimierung richtet sich dabei u.a. nach der Art (CT, CR, DS usw. ), dem Bildinhalt (Hintergrundanteil) und der Qualität des Orginalbildes.

2 Die Zielsetzung von Die digitale Bildverarbeitung im Gesundheitswesen ist durch außerordentlich hohe Datenmengen pro Bild bzw. Bildsequenz, einem hohen Bedarf an Speicherplatz und nach wie vor inakzeptabel langen Übertragungszeiten sowohl im Bereich der Unfallmedizin als auch beim Outsourcing medizinischer Datenarchivierung gekennzeichnet. wurde gezielt für die Anwendung in der medizinischen Bildverarbeitung entwickelt, mit dem Ziel, diese Mängel abzustellen und gleichzeitig den hohen Anforderungen in der Telemedizin mit Blick auf Geschwindigkeit und Bildqualität Rechnung zu tragen. So läßt sich ein mit komprimiertes Bild um 70% - 90% schneller über das Internet versenden (Geschwindigkeit) und verursacht einen im gleichen Maße verringerten Speicherplatzbedarf (Kostenreduzierung). Nutzer und Anwendungsfelder von Radiologie Computertomographie Kernspintomographie Nuklearmedizin Sonographie Kliniken Niedergelassene > Ärzte, > insbesondere Radiologen Archivierung Übertragung > Internet > Intranet Telemetrie Krankenhausinformationssysteme Radiologieinformationssysteme PACS - 2 -

3 Features A. Kurze Lieferzeit - Kostenlose 30 Tage Testversion auf Anfrage - Bestellung durch an Telematik@telematik-institut.de B. Einfache Installation und hohe Kompatibilität - integrierter Installationsmanager - ist in Java programmiert C. Unkomplizierte Komprimierung und Dekomprimierung - keine Einarbeitungszeit - System verarbeitet alle DICOM Formate D. Bedienerfreundliche Anwendung - Datei Explorer - Bild Schnellansicht - Komprimierungsbericht mit jeder Komprimierung und Dekomprimierung - Separat verfügbare Bildparameter und Patientendaten E. Automatische Bildanalyse und Berechnung des optimalen (verlustfreien) Komprimierungsfaktors anhand von Datei-Typ, Bildinhalt und Bildqualität - Komprimierungsraten zwischen 1:3 bis 1:10 - Mathematisch verlustfreie Komprimierung der Befund relevanten Bildinformationen (siehe auch Funktionsprinzip) F. Erhalt des Orginalbildes, bis zur separaten Löschung durch den Benutzer - Unbeabsichtigtes löschen von Originaldateien während Komprimierung und Dekomprimierung ausgeschlossen - 3 -

4 Screenshots Datei Explorer / Bildansicht Komprimierungsbericht Bild- / Patientenparameter - 4 -

5 Das Funktionsprinzip des Kompressors 1. Zuerst wird das Originalbild in zwei Bilder aufgeteilt. Das erste Bild besteht aus den höchsten Bit-Ebenen des Originalbildes, das zweite Bild besteht aus den niedrigsten Bit-Ebenen des Originalbildes. Die Einteilung der Bit-Ebenen in die zwei Klassen erfolgt aufgrund der Analyse des Mittelwertes der Segmentparameter für jede Bit-Ebene

6 2. Im zweiten Schritt wird das erste Bild analysiert und daraus eine Einteilung des zweiten Bildes in zwei Bereiche abgeleitet, wobei der erste Bereich die Informationen zum eigentlichen Untersuchungsobjekt (Region des Interesses) beinhaltet und der zweite Bereich ohne jedes Interesse für die Diagnose ist, da er keinerlei wichtige Bildinformationen beinhaltet. 3. Im dritten Schritt wird das erste Bild mittels des LZW-Verfahrens (GIF), also verlustfrei komprimiert. Das zweite Bild wird mittels des JPEG-Verfahrens kodiert. Dabei wird der erste Bereich des zweiten Bildes verlustfrei (und folglich mit einem kleineren Kompressionsfaktor) komprimiert während er zweite Bereich mit der uninteressanten Information mit einem großen Kompressionsfaktor komprimiert wird. 4. Zum Abschluß werden die bei der Kompression erzeugten LZW-Daten und JPEG-Daten zu einer Datei kombiniert, die sämtliche komprimierten Bilddaten beinhaltet. Die Effektivität des Kompressors wurde mittels einer statistischen Modellierung bewertet. Dazu wurden DICOM-Bilder verschiedener Hersteller radiologischer Geräte (Siemens, Philips, u.a.) und unterschiedlicher Anwendungsfelder mit dem Kompressor verarbeitet und mit den Ergebnissen herkömmlicher Verfahren verglichen

7 Kompressionsraten digitaler Bilder im Vergleich (PSNR > 40dB): Computertomographitomographimedizin Kernspin- Sonographie Nuklear- Radiologie Substrakt.- angiograph. (CT) (MR) (US) (NUK) (CR) (DS) LZW 1.3 : : : : : : 1 Huffman 1.4 : : : : : : 1 Arithmetik 1.4 : : : : : : 1 JPEG 4 : 1 4 : 1 5 : 1 3 : 1 5 : 1 5 : 1 Wavelet 5 : 1 4 : 1 6 : 1 3 : 1 6 : 1 6 : 1 Fraktal 5 : 1 4 : 1 4 : 1 4 : 1 5 : 1 5 : 1 VQ 4 : 1 4 : 1 4 : 1 4 : 1 4 : 1 4 : 1 - Kompressor 7 : 1 7 : 1 20 : 1 6 : 1 12 : 1 12 : 1 Keine sichtbare Verzerrung zum Originalbild und Erfüllung des PSNR-Kriterium (gem. Peak-Signal-to-Noise-Ratio müssen die acht höherwertigen Bit-Ebenen des Originalbildes und des dekodierten Bildes Werte größer als 40dB als Mindestwert aufweisen). Die oben stehenden Werte geben ausschließlich das Kompressionspotential des Kompressors im Vergleich mit anderen Komprimierungsverfahren wieder und beziehen sich auf die Verarbeitung der reinen Bildinformationen. Dabei sind die von zusätzlich generierten Servicefeatures (Bild-Schnellansicht usw.), die die Dateigröße entsprechend erhöhen, noch nicht enthalten

8 Systemanforderungen Betriebssystem: Windows 2000, NT 4.0, ME, 98, 95 (Linux, Unix u.a. auf Anfrage / kundenspezifische Programmierung) Dateiformate: DICOM 3 Prozessor: min. 300 MHz / optimal ab 600MHz. Arbeitsspeicher: min. 64 MB RAM (für Windows 2000, 98 und 95) min. 128 MB RAM (für Windows NT 4.0 und ME) Freier Festplattenspeicher: min. 500 MB - 8 -

9 Über uns Das Institut für Telematik ( befasst sich mit Forschungsund Entwicklungsprojekten auf dem Gebiet der Telematik mit Schwerpunkten in den Kompetenzbereichen - Telemedizin, - Internet/Intranet, - Electronic Publishing, - Sicherheit in offenen Datennetzen sowie - Systementwurf und -analyse. Das Institut unterhält Kooperationen mit der Universität Trier, der Fraunhofer Gesellschaft München, der TU München u.a.m., sowie Projektpartnerschaften mit namhaften Unternehmen wie ZFE Siemens AG, DG Bank, Dresdner Bank und weiteren namhaften Unternehmen

10 Kontaktinformationen Institut für Telematik Bahnhofstraße Trier Tel. (0651) Fax (0651)

11 ANLAGE Performance Referenzen Als adaptives Verfahren berechnet für jedes zu komprimierende DICOM - Bild den optimalen (verlustfreien) Komprimierungfaktor. Dazu werden Dateityp, Bildinformationen und Bildqualität bildspezifisch analysiert. D.h. für jedes Bild ergibt sich ein individueller Komprimierungsfaktor. Neben der Eingangs dargestellten Spanne von 1:10 bis 1:3 sollen Ihnen die nachstehenden Beispiele aus der Praxis, einen weiteren Einblick in die mit erzielbaren Komprimierungsfaktoren ermöglichen. DICOM - Original KB KB (21,9 %) Kompressionsfaktor 1 : KB 807 KB (12,3 %) Kompressionsfaktor 1 :

12 8.380 KB 631 KB (7,5 %) Kompressionsfaktor 1 : KB KB (14,2 %) Kompressionsfaktor 1 : KB 290 KB (17,3 %) Kompressionsfaktor 1 :

13 514 KB 92 KB (17,9 %) Kompressionsfaktor 1 : KB 39 KB (29,1 %) Kompressionsfaktor 1 : KB 232 KB (11,3 %) Kompressionsfaktor 1 :

14 2.052 KB 433 KB (21,1 %) Kompressionsfaktor 1 : KB KB (22,6 %) Kompressionsfaktor 1 : KB 305 KB (20,4 %) Kompressionsfaktor 1 :

15 513 KB 53 KB (10,3 %) Kompressionsfaktor 1 : KB 150 KB (29,3 %) Kompressionsfaktor 1 : KB 83 KB (16,2 %) Kompressionsfaktor 1 :