Optimal genutzt: Digitale Bild- & Tonformate für Ultraschall

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1 Optimal genutzt: Digitale Bild- & Tonformate für Ultraschall - Anwendungen und Pitfalls Christian Kollmann Zentrum für Biomedizinische Technik & Physik Medizinische Universität Wien UltraSchall-Labor am Allg. Krankenhaus (AKH Wien) Währinger Gürtel A Wien Tel : (+43 1) Fax: (+43 1)

2 Inhalt Status Quo bei US-Geräten Speichermedien digitale Formate Pitfalls - Video -Audio -DICOM - Video -Audio Anforderungen seitens Telemedizin

3 Status Quo bei Ultraschall-Geräten ten

4 Audio & Video-Speichermöglichkeiten extern : - Videorekorder - Frame Grabber - Soundkarte analog Video, Movies : S-VHS (klassisch, extern) Tiff, BMP, JPG (intern, via Floppy) DICOM (Digital Imaging & Communications in Medicine, intern) AVI, MPEG (intern) Audio (Spektrum) : via S-VHS oder auf interne Festplatte (Wav) digital DICOM (intern) intern : - Festplatte - Floppy - MO-, CD-Laufwerk

5 Audio & Video-Speichermöglichkeiten II analoge Aufzeichnung Video Konversion A/D-Wandler Frame Grabber digitale Kodierung Tiff BMP AVI MPEG Wav digitale Formate (verlustfrei & verlustbehaftet) analoge Aufzeichnung Audio Soundkarte Konversion MP3 DICOM

6 Speichermedien

7 Speichermedien & Archivierung I Auslaufmodell seit 1976 bzw : Diskette Größe : 3,5 / 5,25 Zoll Kapazitäten : 720 kbyte 2,88 MByte Haltbarkeit : ca Jahre zwar in einigen alt -US-Geräten vorhanden, jedoch wg. Bild-Datengröße überholt Quelle : Wikipedia Chr Kollmann

8 Speichermedien & Archivierung II Klassiker (seit mehr als 15 Jahren) : MO-Disk (Magneto-Optisch) Größe : 3,5 / 5,25 Zoll Kapazitäten : 540 / 650 MByte 1,3 / 2,3 GByte MO-Laufwerk (i. Ultraschall-Gerät) oder Jukebox (Library) Speicherkosten : < 1 -Cent / MB Problematik Haltbarkeit > 50 Jahre (geschätzt), mehrere Millionenmal beschreibbar MO ideales Speichermedium für Langzeitarchiv Chr Kollmann

9 Speichermedien & Archivierung III seit den 80er Jahren bzw : CD-R (CompactDisk Recordable) CD-RW (CompactDisk ReWritable) Kapazitäten : 700 / 800 MByte Speicherkosten : < 0.1 -Cent / MB bzw < 0.2 -Cent / MB Beschreibbarkeit (CD-RW) : ca x Bsp.: pro Tag 1 Datei (32-Bit OS) 24 CD-RW-Zugriffe FAT / TOC- Bereich kann nach 41,67 Tagen nicht mehr gelesen werden Chr Kollmann

10 Speichermedien & Archivierung IV seit Mitte der 1990er Jahre : DVD ±R (Digital Versatile Disc Recordable) DVD ±RW (DVD ReWritable) DVD RAM (DVD Random Access Memory) Kapazitäten : 4,38 7,95 / 9,4 GByte Speicherkosten : < ,07 -Cent / MB Beschreibbarkeit (DVD) : ca x (± RW) ca x (RAM) Bsp.: pro Tag 1 Datei (32-Bit OS) 24 DVD-Zugriffe Bsp.: pro Tag 1 Datei (32-Bit OS) 24 DVD-Zugriffe Unlesbarkeit FAT / TOC- Bereich : nach 41,6 Tagen nach 11,4 Jahren Quelle : Wikipedia das Elektronik-Kompendium (www.elektronik-kompendium.de) Chr Kollmann

11 Speichermedien & Archivierung IV USB-Stick / Speicherkarten (CF etc) : 16 MB 8 GB ca. 10 Jahre lesbar Speicherkosten : < 0.1 -Cent / MB eignen sich zum manuellen & mobilen Bilddaten-Transfer vom US-Gerät zum PC Quelle : Wikipedia Chr Kollmann

12 Langzeitstabilität von Speichermedien Aufbau CD : Aufbau DVD : Oberfläche-Label double-layer Technik für Datenspeicherung Laser brennt in den Dye (Daten-Input, Verfärbung) Daten stabilität beeinflußt durch : Additive & die chemische Zusammensetzung der Farbschicht (Dye) Exaktheit / Güte der Rille (groove) Lagerungsbedingungen Zustand der Reflexionsschicht Chargenschwankungen BLER (BLock Error Rate) - Fehler Dye-Reflexionsschicht-Varianten : Cyanin/Gold (grün) Cyanin/Silber (hellgrünblau) Phthalocyanin/Gold-silber (gelbgold) Azo/Silber (blau) Chr Kollmann Quelle : Steinbrink, Behr; c t 9 (1997), Slattery, Lu et al.; J res Natl Inst Stand Technol 109/5 (2004),

13 Langzeitstabilität von Speichermedien II standardisierte Testzyklen (teilw. Extrembed.) : Dry Heat Test (IEC 68-22BA) Cyclic Dump Heat Test (IEC Db) Lichtexposition Ergebnisse CD-R : BLER (BLock Error Rate) - Fehler Beispielzyklus stabilste CD-R : S4 / Phthalocyanin/Gold-silber (gelbgold) Quelle : Slattery, Lu et al.; J res Natl Inst Stand Technol 109/5 (2004), Chr Kollmann

14 Langzeitstabilität von Speichermedien III Ergebnisse DVD-R : Jitter (zeitl. Änderung einer Signalcharakteristik bzgl. einer Referenz) PO (Parity Outer Errors, Anz. inkorrekter PO-Reihen innerhalb eines Blocks) stabilste DVD-R : D2 (Cyanin-Dye) Chr Kollmann Quelle : Slattery, Lu et al.; J res Natl Inst Stand Technol 109/5 (2004),

15 FAZIT (Speichermedien & Datensicherheit) CD / DVD : Produkt-Unterschiede, die schwer vom Verbraucher zu identifizieren sind (Phthalocyanin-Silber/Gold evt. zu bevorzugen) Jahre Datensicherheit (bei Archiv-Lagerbedingung) CD / DVD : einmalig in-toto Datenbestand brennen, periodische Datenmigration USB-Sticks & Speicherkarten: nur als mobilen Transfer-Speicher nutzen Magneto-optische Disk (MO): eignet sich als Langzeit-Speichermedium (> 50 Jahre) Chr Kollmann

16 digitale Formate MP

17 Warum diverse digitale Formate (Bild)? UltraSound-Lab anfallende Datenmengen : Filegröße = Farbtiefe [byte] x Pixelzahl quer x Pixelzahl horizontal PAL-Bild (768 x 576 px), 8-bit Farbtiefe (S/W) PAL-Bild (768 x 576 px), 24-bit Farbtiefe (RGB) Datenmenge!! Faktor 3 größer!! Filegröße = 1 x 768 x 576 = 442,3 kb Filegröße = 3 x 768 x 576 = 1,33 MB

18 Warum diverse digitale Formate (Movie)? UltraSound-Lab anfallende Datenmengen : PAL-Videobild (768 x 576 px, 25 fps), 24-bit Farbtiefe (S/W) Filegröße = Farbtiefe [byte] x Pixelzahl quer x Pixelzahl horizontal x Framerate x Zeit [sec] + (Audiogröße) PAL-Video von 30 sec Länge ohne Ton : Filegröße = 3 x 768 x 576 x 25 x 30 = 995,3 MB speicherbare SW-Bild Farbbild Video Rohdaten (unkomprimiert) Datenmenge ca ca. 526 ca. 21 sec auf CD (700 MB) :

19 Auswahl an digitalen Formaten (Bild & Movie) Format BMP (MS Windows Bitmap) Tiff (Tag Image File Format) GIF (Graphics Interchange Format) Farbtiefe/- verfahren Mono, 4,8,24 bit bis 24 bit Komprimierverfahren unkomprimiert, RLE unkomprimiert, RLE, LZW, JPEG 1-8 bit LZW JPEG (Joint Photographic Experts Group) bis 24 bit JPEG, QF 1-100, lossless AVI (Audio Video Interleaved) MPEG (Motion Picture Expert Group) PAL mit 30 fps PAL mit 30 fps Cinepak, Indeo, RLE, Video1, unkomprimiert MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 Movie- Formate JPEG : 1 Qualitätsfaktor 100 kleinste, schlechteste Bildqualität größte, beste Standardfaktor für US-Bilder QF = 75

20 Auswahl an digitalen Formaten (Bild & Movie) II DICOM 3.0 : beinhaltet : File-Format beschreibt - Bilddaten (inkl. Format & Kompression) - Header (Patientendaten, Befunde etc...) - Syntax & Semantik von Kommandos & Nachrichten - Vorschrift f. kompatible Geräte (Conformance Statement!) - Grundlage für PACS - mehrere Teile : Part 5: Datenstrukturen und Kodierung (RLE, JPG2000 etc., lossy, lossless, MPEG-1) Part 7: Nachrichtenaustausch Part 8: Netzwerkkommunikationsunterstützung für Datenaustausch Part 12:Speicherung auf Medien und Dateiformat für den Medienaustausch (Diskette, MO, CD-R, DVD-Ram) - unterscheidet Modalitäten (US; MR, CT, ) - Objekt & ausführbare Aktionen (SOP-Class) Sup5: US Application Profile Sup71: Vascular Ultrasound Procedure Report seit 2004: Europäische Norm (EN 12052)

21 Auswahl an digitalen Formaten (Bild & Movie) II DICOM 3.0-Struktur (Auszug Header-file) 0008,0008 Image Type: ORIGINAL\PRIMARY\AXIAL 0008,0016 SOP Class UID: ,0018 SOP Instance UID: ,0020 Study Date: ,0023 Image Date: ,0030 Study Time: ,0033 Image Time: ,0050 Accession Number: 0008,0060 Modality: US 0008,0070 Manufacturer: Medison 0008,0090 Referring Physician's Name: 0008,1090 Manufacturer's Model Name: 0010,0010 Patient's Name: 0010,0020 Patient ID: ,0030 Patient's Birth Date: 0010,0040 Patient's Sex: M 0010,1000 Other Patient IDs: 0018,0015 Body Part Examined: 0018,5101 View Position: 0020,000D Study Instance UID: ,000E Series Instance UID: ,0010 Study ID: Study 0020,0011 Series Number: ,0013 Image Number: ,0020 Patient Orientation: 0020,0032 Image Position (Patient): \ \ ,0037 Image Orientation (Patient): \ \ \ \ \ ,0002 Samples per Pixel: ,0004 Photometric Interpretation: MONOCHROME2 0028,0010 Rows: ,0011 Columns: ,0030 Pixel Spacing: \ ,0100 Bits Allocated: ,0101 Bits Stored: ,0102 High Bit: 15 allg. Header Patientendaten Bilddaten DICOM-Bildformat einer Prostata DICOM-Viewer (freeware) : MRIcro Able Software 3D-Doctor Osiris ImageJ...

22 Komprimierverfahren (Bild & Movie) RLE (run length encoding): Reduzierung der physikalischen Größe von wiederkehrenden Merkmalen orig.: AAAAAAAA (8 byte) AAAAAAbbbXXXXXt (15-byte) RLE: 8A (2-byte) 6A3b5X1t (8-byte) LZW (Lempel-Ziv-Welch): substituierender oder eintragsbasierter Kodieralgorithmus! verlustlos! Einsatz TIFF BMP PKzip Arj JPEG (Kompression): Baseline JPG : Blocks 8 x 8, lossy aufgrund der Diskreten Kosinustransformation JPEG 2000 : wavelet-transf., lossy JPEG (RLE) : lossless JPEG 2000 (lossless) Datenreduktion Bildverarbeitung Quantisierung Kodierung z.b. : plug-ins für Adobe Phototshop

23 US-Bilder & Komprimierung (Bild) - Pitfalls 3 : 1 Original : 24-bit unkomprimiert (815 kb) Kopie : 8-bit komprimiert (273 kb) Farbkomprimierung : 24-bit -> 8-bit Palette erzeugt weniger Farbnuancen

24 US-Bilder & Komprimierung (Bild) - Pitfalls Original 24-bit unkomprimiert (172 kb) Effekte (JPG) : Farb-Rundungsfehler Pixelkompression ( Textur ) Farbuntersampling aber keine direkte Bildverzerrung erkennbar 15 : 1 34 : 1 B a s e l i n e (QL=75 komprimiert, 11 kb) 1.5 : 1 24-bit TiFF (LZW-komprimiert, 112 kb) 2 : 1 J P G J P G (QL=25 komprimiert, 5 kb) (lossless-komprimiert, 81 kb)

25 Komprimierverfahren (Movie) II PAL : 25 fps, 625 Zeilen / Bild, 768 x 576 px CODEC FORMAT Vorteil Nachteil Cinepak mov, avi Gute Qualität, gute Farbwiederg. Indeo mov, avi Sehr gut bei Motiven ohne viel Bewegung RLE avi Verlustfrei, rel. schnell Video 1 mov, avi Gute Qualität, Schnelle Berechnung MPEG-2 Mpeg DVD-Qualität, Interlace Modus MPEG-4 Mpeg DVD-Qualität, Effizientere Kompression Lange Rechenzeit Lange Rechenzeit, Große Flächen unruhig Auf 8-bit Farbtiefe begrenzt Hohe Datenrate, Farbtiefe auf 16-bit begrenzt Codec : Kompressions- / Dekompressions-Paar

26 US-Bilder & Komprimierung (Movie) - Pitfalls 147 : 1 Original 25 fps, 24-bit unkomprimiert (9 sec, 126,3 MB) 298 :1 MPEG4-komprimiert (0,87 MB) 92 : 1 falsche Kodierung von Pixeln MS Video 1-komprimiert (16-bit, 0,43 MB) Indeo 50%-komprimiert (1,4 MB)

27 Fazit digitale Formate (Bild & Movie) I Original-Farbtiefe erhalten d.h. 24-bit 24-bit 8-bit 8-bit verlustfreie Formate oder LZW, RLE verwenden - BMP, TIFF, JPEG (RLE), JPEG 2000 lossless für Video : MPEG-2/-4 oder verlustlose Verfahren einsetzen DICOM-Format einsetzen - unumgänglich f. PACS!! - vollständige Daten-Beschreibung - JPEG 2000 lossless aus Kardiologie : JPEG-Kompression 6 :1 (Befundung) verlustlos (wiss. Zwecke) Quelle : Hamm el al.; Z f. Kardiologie 90/5 (2001),

28 Fazit digitale Formate (Bild & Movie) II bzgl. Textur-Analysen 1st-Order Statistiken von JPEG/JPEG2000 (lossy) nahezu unbeeinflußt - Kontraständerung, wenn QL < 35 - mittl. Grauwertänderung, wenn QL < 65 2nd-Order Statistiken von JPEG/JPEG2000 (lossy) beeinflußt - z.b. Entropy-Maß analoge Video-Speicherung + Frame Grabbing ändert Texturparameter sic : Original Digitalbild digital gewandeltes Analogbild!! d.h. ungleiche Ergebnisse von S-VHS Rekorderaufnahmen unkomprimierte oder verlustlose (lossless) Komprimierverfahren & Formate verwenden - z.b. BMP, JPEG 2000 lossless, RLE Quelle : Aschkenasy et al.; Ultrasound Med Biol 31/3 (2005), Karson et al.; J Am Soc Echocardiogr. 8 (1995),

29 digitale Formate (Audio, Wav) Audio (Spektrum, PW-Doppler) : Audio-Ausgang A/D-Wandlung linker Kanal interne Festplatte S-VHS-Ausgang PC-Soundkarte Stereo-Signal 44,1 khz 16 bit rechter graf. Darstellung der Doppler- Frequenzverschiebungen über die Zeit (Audiosignal) med. Anwendung : transk. Doppler (TCD-Monitoring) Embolien Handdoppler-Postprocessing analoger Signalverlauf Wav-Datei (Wavelet, IBM 1980er,dig. Format) unkomprimierte Audiodaten im PulseCodeModulation Format Abtaststufe PCM : Analogsignal wird in Bezug auf die Amplitudenstufen linear kodiert (16 bit Stufen)

30 digitale Formate (Audio, Wav) Audio (Spektrum, PW-Doppler) : Filegröße = Kanalzahl x Samplingrate [Hz] x Zeit [sec] x Bytes in Soundkarte : Stereo-Signal 44,1 khz, 16 bit Filegröße! 176,4 kb/s! Samplingrate 44,1 khz Frequenzbereich von Hz Hz f D = 5 MHz, α = 60, c = 1540 m/s, f = 22,05 khz v = 6,79 m/s max. Blutflußgeschwindigkeit 0 Hz TCD-Monitoring (1 h) Audio-File ca. 635 MB ( 1 CD-R)

31 Audio-Komprimierformate faktor Komprimier- Effizienz Standard FORMAT CD-Qualität bei Bitrate Grenzfrequenz [Hz] Kompressions- Wavelet (1980) wav 1411 kb/s : 1 Pkzip zip 1411 kb/s ,2 : 1 MPEG-1 Layer 3 (1991) MPEG-2 AAC (1994) MP3PRO (2001) MPEG-4 (1998) aacplus (2002) mp3 128 kb/s : 1 mp2 96 kb/s : 1 mp3 64 kb/s : 1 mp4 64 kb/s - 22 : 1 aac 48 kb/s - 29 : 1 alle MP/AAC-Formate beinhalten Informationsverluste! Quelle : Brandenburg; AES 17th Intern. Conf. on High Quality Audio Coding

32 Audio-Komprimierformate II Blockdiagramm (MPEG-1 Layer 3 / MP3) :! verlustbehaftet!! verlustlos! MDCT : modifizierte diskrete Kosinus-Transformation MP3-Prinzip : Quelle : Brandenburg; AES 17th Intern. Conf. on High Quality Audio Coding 1. Signal wird in Frequenzgruppen zerlegt (Filterbank) 2. Maskierungsschwelle via MDCT, psychoakust. Modell und Quantisierungsrate festgelegt 3. Kompression mit Huffman-Algorithmus

33 Audio-Komprimierformate II Blockdiagramm (MPEG-1 Layer 3 / MP3) : DICOM-Standard legt MP3-Code zugrunde MPEG Code- Varianten : Quelle : Brandenburg; AES 17th Intern. Conf. on High Quality Audio Coding AAC (Advanced Audio Coding) : mehr Subbänder (1024), flex. Huffman-Kodierung MP3PRO (MP3 + SBR) SBR : Spectral Band Replication MP4 : Vergrößerung der Bandbreite bei kleinen Bitraten durch effiz. Kodierung v. hohen Frequenzen : AAC erweitert um Rauschreduk. & diff. Kodierung

34 Audio-Pitfalls (MP3) Flußphantom : Simulierung Carotis interna (ICA) MP3 MP3 Quelle : Poepping et al. MP3 compression of Doppler signals, UMB 29/1 (2003),65-75 v Peak werden gut wiedergegeben Änderungen bei v mean ab MP3-Kompression 64 kbps MP3 < 64 kbps : limit. Bandbreite & Leistungsverteilung Richtungsinformation & zeitabhäng. Werte werden verändert

35 Audio-Pitfalls (MP3) Grenzfrequenzen von kodierten Aorta-Audiodaten bei konst. Bitrate (CBR) : AAC 96 & MP3 128 erreichen höchste Grenzfrequenzen bei var. Bitrate (VBR) : AAC 96 & MP3 128 kodieren höhere Frequenzen besser als mit CBR

36 Fazit digitale Formate (Audio) I Soundkarte korrekt konfigurieren - Stereo, 16 bit, wav MP3 nur mit Bitraten 128 kbps (11:1) verwenden AAC Advanced Audio Kompressionsverfahren bevorzugen MPEG-Kompression hat Grenzfrequenz 16 khz - wichtig f. Vorkommen höherer Dopplerfrequenzen Encoder (freeware) : ladeenc AudioGrabber Switch Sound File Conversion Lame encoder...

37 Anforderungen seitens der Telemedizin via Internet / / UMTS

38 Telemedizin - Anforderungen dig. Bilder nach RöV & DIN zu archivieren Gewährleistung v. Datenschutz & eindeutiger Zuordnung DICOM-Standard soll gelten Kryptographische Verfahren & dig. Signatur sind zu nutzen Bildqualität für Befundung : kein Verlust an diagn. rel. Information während Übermittlung & Visualisierung für Demo, Besprechung : Entscheidung über Bildqualität bei Ärzten Technologie Durchsatz Übertragungsdauer US-Bild ca. 1,4MB US-Movie 126 MB ATM Asynchronous transfer mode W-LAN Wireless local area network UMTS Universal mobile telecommunication system ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line ISDN Integrated services digital network 155 Mbit/s 108 Mbit/s 2 Mbit/s 768 kb/s 64 kbit/s 0,001 s 0,85 s 0,01 s 1,22 s 0,7 s 66 s 1,9 s 2,8 min 22,9 s 34,4 min Fazit : schnelle Verbindungen und/oder verlustarme Kompression

39 Zusammenfassung & Ausblick bzgl. Digitaler Speicherung & Archivierung von Audio- und Videoinformationen

40 Zusammenfassung direkte digitale Datenformate verwenden - verlustlose bevorzugen, ansonsten - MPEG-4 (f. Movies) - AAC-Kodecs > 128 kbps (f. Audio) & VBR statt CBR Medien f. Archivierung (10-30 Jahre) - MO ideal, sonst DVD-RAM mit period. Datenmigration DICOM-Standard & -Format verwenden

41 Ausblick DICOM- Verfahren f. Teleradiologie - Verbreitung Breitband-Internet (> 768 kbps) neue, effizientere Kodieralgorithmen - evt. speziell für Ultraschall leistungsfähigere Speichermedien DICOM-Vorschrift f. digitales Audio

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