Workflow-Unterstützung in der Kardiologie: Integration medizinischer Daten in heterogenen Umgebungen

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1 Workflow-Unterstützung in der Kardiologie: Integration medizinischer Daten in heterogenen Umgebungen Claus, M., Riesmeier, J., Wilkens, T., Kronberg, K. 1. OFFIS, Oldenburg; 1 Klinik für Innere Medizin I Kardiologie, Klinikum Oldenburg Zusammenfassung In der Kardiologie des Klinikums Oldenburg werden zur Dokumentation von Ultraschall- und Herzkatheteruntersuchungen seit 1995 die gemeinsam mit dem Informatik-Institut OFFIS entwickelten Software-Systeme GO-Echo und GO-Kard eingesetzt. In den Jahren 2001 und 2002 wurden die Systeme um mehrere Schnittstellen erweitert, die insbesondere die Arbeitsabläufe (Workflow) in der Kardiologie unterstützen. Dieser Beitrag beschreibt die Anbindung weiterer bildgebender Geräte durch die Implementierung entsprechender Schnittstellen und veranschaulicht, wie die Bearbeitung von Routineaufgaben durch die Verwendung der Software verbessert wurde. Einführung Der ständig steigende Kostendruck im Gesundheitswesen führt zu einer immer stärkeren Berücksichtigung ökonomischer Aspekte bei der Durchführung von Prozeduren in der Medizin. Gleichzeitig steigen die Ansprüche an die Qualität und Dokumentation der angewandten Untersuchungs- und Behandlungsverfahren. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, spielt neben Aspekten wie beispielsweise der Kostensenkung bei Verbrauchsmaterialien, der Optimierung von Verfahren durch Behandlungsrichtlinien und Fortschritte in der Medizintechnik vor allem das strategische Zusammenschließen von Krankenhäusern und Praxen sowie die Automatisierung von Routinetätigkeiten eine zentrale Rolle. In letzterem Bereich kann durch Software, die gezielt auf den Workflow in der Kardiologie abgestimmt ist, die Arbeit der Ärzte und des medizinisch-technischen Personals maßgeblich unterstützt werden. Einige Arbeitsschritte wie die Einbindung von Befunden und Filmen in die elektronische Patientenakte können dadurch sogar erst ermöglicht werden. In den Jahren 2001 und 2002 wurde in enger Kooperation mit Krankenhäusern und Arztpraxen aus der Weser-Ems-Region das dort eingesetzte kardiologische Abteilungsinformationssystem GO-Kard [CLAU99] in folgender Hinsicht weiterentwickelt: Bessere Integration medizinischer Geräte, insbesondere von Herzkatheterlaboren und Ultraschallgeräten Synchronisation von Untersuchungs- und Patientendaten in verteilten Datenbanken sowohl mittels Datenträgeraustausch als auch durch Datenfernübertragung (DFÜ) Funktionale Optimierung existierender Komponenten des Abteilungsinformationssystems

2 Die Integration medizinischer Geräte erfordert vor allem die Unterstützung entsprechender Kommunikationsschnittstellen. Für den Bereich der bildgebenden Verfahren (z. B. Ultraschall und Angiographie) hat sich dabei der DICOM-Standard durchgesetzt. Der DICOM-Standard Seit seiner ersten Veröffentlichung im Jahre 1993 hat der DICOM-Standard ( Digital Imaging and Communications in Medicine ) [NEMA01] nicht nur äußerst erfolgreich die PACS-Welt ( Picture Archiving and Communication System ) durchdrungen, sondern gleichzeitig auch seinen Anwendungsbereich von einem reinen Austauschformat für radiologische Bilder zu einem allgegenwärtigen Standard in der medizinischen Bildverarbeitung verbreitert. Heute umfaßt DICOM eine Vielzahl von Diensten (z. B. Drucken, Speichern auf Medien, Workflow-Unterstützung, Sicherheitserweiterungen) und medizinischen Bereichen (z. B. Kardiologie, Radiotherapie, Ophthalmologie). Die für das GO-Echo- und GO-Kard-Umfeld relevanten DICOM-Dienste sind: Basic Worklist Management (WLM) für die Übermittlung von Patientendaten und Listen geplanter Untersuchungen von einem Informationssystem an ein medizinisches Großgerät Modality Performed Procedure Step (MPPS) für die Rückmeldung des aktuellen Untersuchungszustandes und das Versenden abschließender Untersuchungs- und Meßdaten von einem medizinischen Großgeräts an ein Informationssystem Storage für das Versenden von Filmen und Bildern an ein Filmarchiv (PACS) Diese Dienste spezifizieren jedoch lediglich den Austausch zwischen den Geräten. Für eine korrekte Interpretation und Weiterverarbeitung der übermittelten Daten ist die jeweilige Anwendung verantwortlich. Zur Anbindung an die existierenden Abteilungsinformationssysteme GO- Echo und GO-Kard, die auf einer relationalen Datenbank basieren, war es daher notwendig, eine Abbildung von DICOM-Attributen auf die Felder der relationalen Datenbank zu definieren. Der Basic Worklist Management -Dienst Der DICOM-Dienst des Basic Worklist Management (WLM) definiert eine Schnittstelle, mit deren Hilfe DICOM-Anwendungen Arbeitsaufträge ( Worklists ) und Informationen, die zur Durchführung dieser Aufträge benötigt werden, bei einem Informationssystem abrufen können. Handelt es sich bei der DICOM-Anwendung wie in diesem Fall um ein bildgebendes Gerät, kommt speziell die Modality Worklist zum Einsatz. Abbildung 1 stellt das Funktionsprinzip des Modality Worklist -Dienstes schematisch dar. Von einem bildgebenden Gerät aus können Anfragen zu aktuellen Arbeitsaufträgen an ein Informationssystem gesendet werden. Diese Anfragen können sich dabei sowohl auf patientenbezogene als auch auf technisch-organisatorische Informationen beziehen, die in die zu erzeugenden DICOM-Bilder übernommen werden sollen. Das Informationssystem überträgt die angeforderten Informationen zurück an die, die diese auswerten und weiterverwenden kann.

3 Was liegt an? Informationssystem MEYER, Hans männlich geb Abb. 1: Funktionsprinzip der Modality Worklist im Basic Worklist Management -Dienst Dieser Dienst ist in zweierlei Hinsicht nützlich: Zum einen werden die Arbeitsabläufe durch die Übertragung von aktuell anstehenden Arbeitsaufträgen optimal unterstützt, zum anderen können die demographischen Daten des Patienten automatisch vom Informationssystem in die zu erzeugenden DICOM-Bilder übernommen werden. Neben der Vermeidung von Mehrfacheingaben wird somit auch die Konsistenz der Patientendaten zwischen Informationssystem und Bildarchiv gewährleistet. Der Modality Performed Procedure Step -Dienst Der Modality Performed Procedure Step -Dienst (MPPS) erlaubt einer, Informationen über die Durchführung eines Arbeitsauftrages und über die dabei entstandenen Bildserien an ein Informationssystem zurückzumelden. Es bildet damit den Rückkanal zum Basic Worklist Management -Dienst. MEYER, Hans Untersuchung beendet ok Informationssystem Abb. 2: Funktionsprinzip des Modality Performed Procedure Step -Dienstes Abbildung 2 zeigt die Funktionsweise des MPPS-Dienstes in vereinfachter Form: die (Client) legt auf Seiten des Informationssystems (Server) sogenannte MPPS-Objekte an und verändert diese anschließend. Innerhalb der MPPS-Objekte werden dabei Informationen über die im Arbeitsablauf vorgesehene Prozedur, den Patienten und die tatsächlich durchgeführten Arbeitsschritte sowie Verweise auf die erzeugten Bilder verwaltet. Jedes MPPS-Objekt wird zunächst mit dem Status in progress erzeugt und solange verändert, bis der Arbeitsablauf auf

4 Seiten der abgeschlossen ist. Danach wird der Status auf completed (bzw. discontinued ) gesetzt, womit der Zustand des Objektes gewissermaßen eingefroren wird Attributänderungen sind dann nicht mehr möglich. Neben dem Erzeugen und Manipulieren von MPPS-Objekten bietet dieser Dienst dem Informationssystem die Möglichkeit, alle angeschlossenen Clients über den aktuellen Zustand von bestimmten MPPS-Objekten zu unterrichten. Darüber hinaus kann ein fremder Client Informationen eines bestimmten MPPS-Objektes anfordern. Dies ist z. B. dann nützlich, wenn ein Client auf die Vollendung eines bestimmten Prozedurschrittes wartet, um eine darauf aufbauende Aufgabe zu erledigen. Der Storage -Dienst Der DICOM Storage -Dienst erlaubt es einer Anwendung, DICOM-Objekte über ein Netzwerk an eine andere Anwendung zu übertragen. Im Umfeld des GO-Kard Systems wird der Storage -Dienst für das Versenden von Filmen und Bildern an ein Filmarchiv (PACS) verwendet. Generell können mit Hilfe des Storage -Dienstes DICOM-Objekte beliebiger Art übertragen werden; die Nutzung des Dienstes ist nicht auf Filme oder Bilder beschränkt. ok Bildarchiv Abb. 3: Funktionsprinzip des Storage Dienstes Abbildung 3 stellt das Funktionsprinzip des Storage -Dienstes beispielhaft dar. Ein bildgebendes Gerät sendet nach der Untersuchung eines Patienten die dabei entstandenen Bildserien an ein Archiv. Das Bildarchiv wiederum bestätigt den korrekten Empfang jedes einzelnen Bildes mit einer entsprechenden Antwortnachricht. Eine wichtige Problematik des Storage -Dienstes ist die Frage nach der Lebensdauer eines empfangenen DICOM-Objektes. Der Standard definiert lediglich, daß der Empfänger das Objekt für eine gewisse Zeit vorhalten muß. Dementsprechend ist die Lebensdauer von empfangenen DICOM-Objekten per definitionem unbestimmt: Der Empfang eines Bildes durch ein Archivsystem hat in der Regel eine Langzeitarchivierung der übertragenen Daten zur Folge, ein DICOM-Drucker würde die Daten hingegen nur solange im Speicher halten, bis der Druckauftrag ausgeführt ist.

5 Workflow in der Kardiologie Im Rahmen des in dieser Arbeit vorgestellten Projektes wurde zunächst der Workflow in einem Ultraschall- und einem Herzkatheterlabor analysiert, um auf der Grundlage dieser Ergebnisse entsprechende Anforderungen an die spätere Software festlegen zu können. Grundsätzlich kann der Workflow in einem Ultraschall- und Herzkatheterlabor in die folgenden Arbeitsschritte unterteilt werden (vgl. [ADAM97] und [CLAU00]): 1. Anmeldung des Patienten zur geplanten Untersuchung 2. Vorbereitung des Labors auf die aktuelle Untersuchung 3. Erfassung der Patientendaten 4. Untersuchung des Patienten 5. Auswertung der Untersuchungsdaten 6. Erstellung des Befundes 7. Besprechung des Befundes mit dem Patienten 8. Rückverlegung des Patienten 9. Durchführung von abschließenden Tätigkeiten. Zu diesen neun Arbeitsschritten innerhalb der Klinik kommen noch die folgenden Aktionen hinzu, die vor und nach dem eigentlichen Aufenthalt im Krankenhaus stattfinden: Überweisung des Patienten an das Krankenhaus durch einen niedergelassenen Arzt Übermittlung der Vorbefunde vom einweisenden Arzt an die leistungserbringende Stelle Entlassung des Patienten aus der Klinik Versenden des Arztbriefes an alle beteiligten Ärzte (meist Hausarzt und einweisender Facharzt) Diese zusätzlichen vier Aktionen sollten nach Möglichkeit ebenfalls weitgehend automatisiert werden, um die daran beteiligten Personen bestmöglich zu entlasten. Sotwaretechnische Unterstützung des Workflow Die durchgeführten Workflow-Analyse machte deutlich, daß bestimmte Arbeitsschritte in einem Ultraschall- bzw. Herzkatheterlabor, die bislang noch manuell durchgeführt wurden, softwaretechnisch unterstützt werden können. Abbildung 4 zeigt die entsprechenden Arbeitsschritte zusammen mit den jeweils beteiligten Daten und Systemen. Im Detail ist dort dargestellt, welche Daten an der Durchführung eines Arbeitsschrittes beteiligt sind und wohin die Daten jeweils fließen. Aus den weiteren Rahmenbedingungen, wie den anzubindenden Fremdsystemen, ergaben sich für die Implementierung der Software folgende Anforderungen: Für die Kommunikation zwischen und Abteilungsinformationssystem sollten die DICOM-Dienste Basic Worklist Management, Modality Peformed Procedure Step und Storage verwendet werden.

6 Überweisung des Patienten Vorbefunde Klinik Datenbank Erfassung der Patientendaten Patientendaten, technische Daten WLM Untersuchung des Patienten MPPS, Storage Untersuchungsergebnis Entlassung des Patienten Briefe, Reporte Postausgang Befunddaten externe Datenbank Arbeitsschritt Daten System Abb. 4: Datenbereitstellung in unterschiedlichen Arbeitsschritten Um die Kommunikation zwischen unterschiedlichen en (Ultraschall und Angiographie) und Datenbanken (GO-Echo und GO-Kard) zu ermöglichen, sollte bei der Implementierung der Software ein generischer Ansatz gewählt werden, der eine Konfiguration der Software für unterschiedliche Datenquellen ermöglicht. Da die im Klinikum Oldenburg verwendeten Ultraschallgeräte nicht über den MPPS-Dienst verfügten, sollten die Untersuchungsdaten zunächst in einem proprietären Format über die serielle Schnittstelle übergeben werden.

7 Als Grundlage für die Implementierung der benötigten DICOM-Dienste wurde die von OFFIS entwickelte DICOM-Bibliothek dcmtk verwendet (siehe [wdcmt]). Der generische Ansatz zur Kommunikation zwischen en und Datenbanken basiert auf einer frei konfigurierbaren Abbildung von DICOM-Anfragen auf entsprechende SQL-Anfragen und von DICOM- Attributen auf die zugehörigen Datenbank-Felder. Da diese Zuordnung in einer Konfigurationsdatei vorgenommen wird, ist kein erneutes Kompilieren der Software erforderlich, wenn sich das zugrundeliegende Datenschema ändert. Im nächsten Abschnitt wird auf diese Abbildungsvorschrift sowie ihre Implementierung näher eingegangen. Abbildung von DICOM-Anfragen auf SQL-Anfragen Bei der Realisierung einer allgemeinen Abbildung von DICOM-Anfragen auf entsprechende SQL-Anfragen wurde auf das Prinzip der Variablensubstitution zurückgegriffen. Die genaue Verfahrensweise soll anhand der Implementierung des Basic Worklist Management -Dienstes beispielhaft erläutert werden. Beim Basic Worklist Management -Dienst werden aus der von der empfangenen DICOM-Anfrage in einem ersten Schritt die folgenden Kerninformationen extrahiert: die Bedingungen, die von übereinstimmenden Arbeitsaufträgen erfüllt sein müssen (z. B. Datum des Eingriffs, Patientenname, Art des Eingriffs) und die Auswahl der zurückzuliefernden Daten (z. B. Patientenstammdaten, Kennnummer des Eingriffs). Nach der Bestimmung dieser beiden Informationen werden im nächsten Schritt die Abfragebedingungen auf ihre Gültigkeit untersucht und anschließend in ein vordefiniertes SQL-SELECT- Kommando umgewandelt. Dieses SELECT-Kommando ist dabei so spezifiziert, daß bei seiner Ausführung genau die Primärschlüssel derjenigen Arbeitsaufträge zurückgeliefert werden, die den Bedingungen genügen. Das folgende Beispiel stellt die beschriebene Verfahrensweise vereinfacht dar. 1 Ausgangspunkt ist eine von einer stammende DICOM-Anfrage, die für alle Untersuchungen, die ab dem auf einem Gerät mit dem Namen VISUB durchgeführt werden sollen, bestimmte Informationen ermittelt (unter anderem Patientenname und Geburtsdatum): (0040,0100) SQ (Sequence) # ScheduledProcedureStepSequence (fffe,e000) na (Item) # Item (0008,0060) CS (no value) # Modality (0040,0001) AE [VISUB ] # ScheduledStationAETitle (0040,0002) DA [ ] # ScheduledProcedureStepStartDate (0040,0006) PN (no value) # ScheduledPerformingPhysiciansName (0040,0007) LO (no value) # ScheduledProcedureStepDescription (0040,0009) SH (no value) # ScheduledProcedureStepID (fffe,e00d) na (Item-End) # ItemDelimitationItem (fffe,e0dd) na (Seq-End) # SequenceDelimitationItem 1 Textuelle Ausgabe wurde mit dem Programm dcmdump aus der OFFIS DICOM-Bibliothek erzeugt.

8 (0040,1001) SH (no value) # RequestedProcedureID (0010,0010) PN (no value) # PatientsName (0010,0020) LO (no value) # PatientID (0010,0030) DA (no value) # PatientsBirthDate (0010,0040) CS (no value) # PatientsSex Sei nun für das Basic Worklist Management in der Konfigurationsdatei der Software folgende SQL-Anfrage für die Identifikation der Primärschlüssel definiert: select k_hk.unr from k_hk, k_basis where k_hk.unr = k_basis.unr and to_char(datum, 'YYYYMMDD')>=':STARTDATE' and to_char(datum, 'YYYYMMDD')<=':STOPDATE' and decode(labor, '1', 'VISUB', labor)=rtrim(':aetitle', ' ') Dann wird nach der Substitution der Variablen (beginnen jeweils mit einem Doppelpunkt) folgendes Kommando in SQL-Notation an die Datenbank abgesetzt: select k_hk.unr from k_hk, k_basis where k_hk.unr = k_basis.unr and to_char(datum, 'YYYYMMDD')>=' ' and to_char(datum, 'YYYYMMDD')<=' ' and decode(labor, '1', 'VISUB', labor)=rtrim('visub', ' ') Als Antwort werden die Primärschlüssel aller von der angeforderten Arbeitsaufträge zurückgeliefert. Mit diesen Schlüsseln ist es dann möglich, für jeden einzelnen Eintrag die von der angeforderten Attributwerte (z. B. Patientenname) zu bestimmen, in eine entsprechende Antwortnachricht im DICOM-Format abzulegen und diese an die zurückzusenden. Damit sind im wesentlichen alle Anforderungen des Basic Worklist Management Dienstes realisiert. Analog zu dem oben beschriebenen Verfahren wurde ebenfalls der DICOM-Dienst Modality Performed Procedure Step implementiert, der bei der Übertragung von durchgeführten Prozedurschritten während und nach der Untersuchung des Patienten zum Einsatz kommt. Auch bei diesem Dienst sind sämtliche SQL-Kommandos durch die Nutzung von Substitutionsvariablen und durch die Spezifikation in einer (von der Software zur Laufzeit ausgelesenen) Konfigurationsdatei frei konfigurierbar und können so an unterschiedliche Datenquellen angepaßt werden. Fazit Durch die beschriebene Erweiterung der Softwaresysteme GO-Echo und GO-Kard wurde der Workflow in den beteiligten Ultraschall- und Herzkatheterlaboren dahingehend unterstützt, daß eine doppelte Erfassung von Patientendaten bzw. ein zeitaufwendiges und eventuell fehlerbehaftes Abschreiben von diagnostischen oder therapeutischen Informationen durch einen Klinik-

9 mitarbeiter nicht mehr erforderlich ist. Die entsprechenden Daten können automatisch in die angeschlossenen Systeme übertragen, dort gespeichert und ausgewertet werden. Vom bildgebenden Gerät werden die Mess-, Bild- und Filmdaten übernommen und dem Patientendatensatz eindeutig zugeordnet. Dadurch stehen jedem behandelnden Arzt zu jeder Zeit und an jedem Ort alle kardiologisch relevanten Daten inklusive der Echo- und Herzkatheterfilme zur Verfügung. Dies führt zum einen zu einer erheblichen Entlastung des medizinischen Personals, vor allem aber zu einer deutlichen Vereinfachung und Verbesserung der medizinischen Entscheidungen. Literatur [ADAM97] Adams, David B.: The Digital Echo Lab ; Cardiac Imaging in the 21 st Century: A Primer; S ; Maryland; 1997 [CLAU99] Claus, M., Tröster, J., Kronberg, K., Reil, G.-H., Jensch, P.: Software for documentation, automated result and report generation, medical and economical statistics, and quality control in the cardiac catheterisation laboratory ; XXIst Congress of the European Society of Cardiology, Supplement Vol. 20 ISSN X, Barcelona, August 1999 [CLAU00] Claus, M., Appelrath, H.-J., Kronberg, K., Reil G.-H.: Integration digitalisierter Filme und Bilder in die elektronische Patientenakte am Beispiel der Echokardiographie ; Telemedizin 2000, Kongress der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie e.v. (GMDS), S , Berlin, November 2000 [CLAU01] Claus, M., K. Kronberg, J. Riesmeier, G.-H. Reil: Automatisierte Archivierung von angiografischen Filmen zur Workflow-Unterstützung im Herzkatheterlabor ; Zeitschrift für Kardiologie Band 90, Supplement , Seite V/57, September 2001 [NEMA01] NEMA Standards Publication PS 3.x: Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) ; National Electrical Manufacturers Association, 2101 L Street, N. W., Washington, D. C , Web-Links [wdcmt] OFFIS DICOM Toolkit dcmtk : Anschrift des Verfassers: Dipl.-Inform. M. Claus, OFFIS, Escherweg 2, Oldenburg, marcel.claus@offis.de