Сжатие и хранение медицинских изображений

Принципы сжатия и хранения медицинских изображений

Медицинские изображения, получаемые с помощью таких модальностей, как компьютерная томография (КТ), магнитно-резонансная томография (МРТ), ультразвук (УЗИ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и рентгенография, изначально представляют собой матрицы интенсивностей, оцифрованных в виде двумерных (а иногда и трёхмерных) массивов пикселей или вокселей. Размер таких изображений может достигать гигабайт, особенно при серийной визуализации (например, 4D МРТ или мультифазная КТ).

Ввиду больших объёмов данных, возникающих при диагностике и мониторинге пациентов, эффективное сжатие и надёжное хранение медицинских изображений стало неотъемлемой задачей медицинской физики и информационных технологий в здравоохранении.

Форматы хранения: стандартизация и DICOM

DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) — международный стандарт для обработки, хранения, печати и передачи медицинских изображений. Он обеспечивает:

  • Интеграцию изображений с информацией о пациенте (имя, дата рождения, медицинская история и др.);
  • Поддержку множества типов изображений и устройств;
  • Совместимость между системами разных производителей.

Каждый файл DICOM содержит не только само изображение, но и метаданные, критически важные для клинической интерпретации.

Основные принципы сжатия изображений

Сжатие изображений — это процесс уменьшения количества данных, необходимых для представления изображения. В медицине различают два типа сжатия:

Без потерь (lossless compression)

При этом методе изображение может быть восстановлено точно до последнего бита. Используется для:

  • Диагностических целей, где недопустима потеря информации;
  • Хранения оригиналов в архивных системах PACS (Picture Archiving and Communication System);
  • Юридически значимых медицинских данных.

Типичные алгоритмы:

  • Huffman-кодирование;
  • RLE (Run-Length Encoding);
  • LZW (Lempel-Ziv-Welch);
  • JPEG-LS (lossless режим);
  • JPEG 2000 (в без потерь режиме).

С потерями (lossy compression)

В этом случае часть информации необратимо теряется. Однако, при правильно подобранных параметрах степень потерь может быть незаметна для врача. Этот тип сжатия применяется:

  • Для ускоренной передачи изображений по сети;
  • В телемедицине и при предварительном просмотре;
  • В системах, где требуется высокая компрессия и ограничено пространство хранения.

Типичные алгоритмы:

  • JPEG (Joint Photographic Experts Group);
  • JPEG 2000 (в режиме с потерями);
  • Wavelet-компрессия.

Сравнение алгоритмов JPEG и JPEG 2000

JPEG использует дискретное косинус-преобразование (DCT), обеспечивая хорошую компрессию, но страдает от артефактов при высоких коэффициентах сжатия.

JPEG 2000 основан на вейвлет-преобразовании, позволяющем:

  • Гибко регулировать компрессию;
  • Сохранять больше деталей;
  • Поддерживать как режим с потерями, так и без потерь;
  • Эффективно работать с изображениями большого разрешения;
  • Обеспечивать прогрессивную передачу (изображение появляется по частям, начиная с грубой версии).

Архивирование и хранение данных

PACS-системы

PACS — это система архивации и передачи медицинских изображений, которая обеспечивает:

  • Централизованное хранение;
  • Доступ к изображениям с рабочих станций врачей;
  • Интеграцию с системами HIS (Hospital Information System) и RIS (Radiology Information System);
  • Защиту данных пациента с помощью стандартов HL7, HIPAA и других.

Хранилища: локальные и облачные

  • Локальные хранилища (серверы в больнице или клинике) обеспечивают быстрый доступ и контроль, но требуют затрат на инфраструктуру.
  • Облачные решения позволяют хранить большие объемы данных без физической инфраструктуры, но требуют надёжного шифрования и соответствия стандартам конфиденциальности.

Резервное копирование и отказоустойчивость

Любая система хранения должна предусматривать:

  • Многоуровневое резервное копирование (локальное + внешнее);
  • Репликацию данных между серверами;
  • Протоколы аварийного восстановления;
  • Журналирование доступа к изображениям.

Этические и правовые аспекты хранения

  • Конфиденциальность данных пациента должна обеспечиваться средствами шифрования и контроля доступа.
  • Хранение и передача данных регулируется нормативными документами: в США — HIPAA, в Европе — GDPR, в СНГ — локальные законы о защите персональных данных.
  • Временные рамки хранения: изображения и сопутствующая информация должны храниться в течение установленного законом срока (в некоторых странах — не менее 5–10 лет).

Компромисс между качеством и объемом

Основная задача — найти баланс между уменьшением объема данных и сохранением диагностически значимой информации. Это достигается:

  • Адаптивным выбором алгоритма в зависимости от вида исследования;
  • Контролем качества после сжатия (метрики PSNR, SSIM);
  • Визуальной проверкой результатов врачом-радиологом.

Будущее хранения медицинских изображений

  • Искусственный интеллект и машинное обучение требуют всё больших массивов изображений, что актуализирует вопросы масштабируемого хранения.
  • Разрабатываются новые форматы сжатия, основанные на нейросетевых кодировщиках (например, learned image compression).
  • Применение блокчейн-технологий для обеспечения неизменности и прослеживаемости данных.
  • Интеграция с большими национальными и международными базами данных для исследования и анализа (например, в онкологии или кардиологии).

Ключевые задачи медицинского физика

  • Обеспечение соответствия систем хранения действующим нормативам;
  • Выбор и внедрение эффективных алгоритмов сжатия;
  • Оценка компромисса между качеством изображения и объёмом хранимых данных;
  • Контроль технического состояния архивных систем;
  • Сопровождение передачи изображений между учреждениями;
  • Обеспечение совместимости различных форматов и программного обеспечения.
Оглавление