DICOMファイルサーバシステムにおける画像伝送特性

研

究 論

文

DICOMフ

ァ イ ル サ ー バ シ ス テ ム に お け る画 像 伝 送 特 性

茨 城県立 医療 大学 高 橋 義 一 、 西 村 克 之 、 藤 崎 達 也 、 門 間 正 彦 、 佐 藤 斉 1.は じめ に 近 年 、 医 用 画 像 と 通 信 の 標 準 規 格 で あ る DICOM(DigitalImagingandCommunica-tionsinMedicine)に 関 心 が 高 ま って い る。 こ のDICOM規 格 に よ り異 な っ た 製 造 業 者(マ ル チ ベ ン ダ)の 異 な っ た 画 像 機 器(マ ル チ モ ダ リテ ィ)の 相 互 接 続 が 可 能 に な り、 医 用 画 像 情 報 の や り取 りが 容 易 に な って きて い る1)。 こ の よ う な 医 用 画 像 情 報 の 管 理 と し て1980 年 代 に開 発 さ れ た 医 用 画 像 管 理 シ ス テ ムPACS が あ る。 し か し、 デ ジ タ ル 画 像 と通 信 の 標 準 規 格 が な か っ た た め に 医 用 画 像 機 器 ご とに 開 発 さ れ 、 相 互 接 続 が 困 難 で あ っ た り1)、相 互 接 続 に は 特 殊 な イ ン タ ー フ ェ イ ス を 必 要 とす る こ とが 多 か っ た 。 そ の た め 、 医 用 画 像 情 報 の 標 準 化 の 必 要 性 が 検 討 さ れ 、 医 用 画 像 の た め の 規 格 が 誕 生 した 。現 存 す るDICOM規 格 はDICOMバ ー ジ ョン3.0と 呼 ば れ て い た も の で 、 米 国放 射 線 学 会(ACR>と 北 米 電 子 機 器 工 業 会(NEMA> に よ り制 定 さ れ た1)。主 要 部 分 はPart1か ら Part14に 分 か れ て お り、 年 々SupPlementと して 拡 張 さ れ て い る2}。DICOM規 格 の 前 身 は ACR-NEMA規 格 と呼 ば れ 、1985年 に は ACR-NEMAバ ー ジ ョ ソ1、1988年 に は ACR-NEMAバ ー ジ ョソ2が 制 定 さ れ た2)。 し か し 、 こ れ ら は2点 間 の 通 信 を 規 格 し た も の で 実 用 的 に 問 題 が あ っ た た め 、1993年 に は ネ ッ トワ ー ク に 対 応 した バ ー ジ ョン3。0が 制 定 さ れ た2}。 名 称 もDICOMと 改 め ら れ 、 こ の 規 格 に よ り、 マ ル チ ベ ン ダ お よび マ ル チ モ ダ リ テ イ に お け る 医 用 画 像 の 共 有 利 用 が 現 実 的 に な り、 急 速 に 採 用 さ れ て きて い る。 医 用 画 像 は 文 書 な どの テ キ ス ト情 報 に 比 べ て 大 容 量 で あ り、 か つ 、 医 療 現 場 の リア ル タ イム 性 か ら、 フ ァ イ ル サ ー バ シ ス テ ム に 対 して は 高 い 性 能 が 要 求 さ れ る。 し た が っ て 、 構 築 し た フ ァ イル サ ー バ シ ス テ ム の 性 能 評 価 を し て お く必 要 が あ る 。 性 能 評 価 の な か で 最 も重 要 な もの は 画 像 伝 送 所 要 時 間 で あ る 。 M.Kimuraら3)は 、CT画 像 に お け るDIC-OM伝 送 の 伝 送 要 求 か ら画 像 表 示 ま で の 時 間 を 測 定 し て い る。 本 研 究 で は 、MRI、DR、CR、 CTな どの 画 像 発 生 装 置 お よ び 数 種 の 画 像 観 察 装 置 をDICOM規 格 に て 接 続 し 、DICOMフ ァ イ ル サ ー バ シ ス テ ム を 構 築 し た 。 そ し て 、 DICOM伝 送 の 要 求 か ら伝 送 終 了 ま で の 時 間 を 測 定 し、 線 形 モ デ ル を 仮 定 して 解 析 した 。 2.DICOMフ ァ イ ル サ ー バ シ ス テ ム 本 研 究 で 構 築 し たDICOMフ ァ イ ル サ ー バ シ ス テ ム は 、 医 用 画 像 情 報 を 蓄 積 ・管 理 す る DICOMサ ー バ と医 用 画 像 を 送 信 ま た は 取 得 す る ク ラ イ ア ン トか ら構 成 され る。Fig.1に 本 シ ス テ ム の 接 続 図 を 示 す 。DICOMサ ー バ は UNIXコ ソ ピ ュ ー タ(SiliconGraphics社 製 Indigo2)とDICOMサ ー バ ソ フ トウ ェ ア(旭 化 成 情 報 シ ス テ ム 社 製Dr.View/SERVER)で 構 成 した 。 ク ラ イア ン トで あ る 各画 橡 発 生 装 置 、 各 画 像 観 察 装 置 はEthernet(10BASE-T)ま た はFDDIに て 接 続 さ れ て い るeこ こ で 用 い た

Fig.1 The DICOM server, image acqusition systems and viewers used in this study were connected in the network. ネ ッ トワ ー ク は 、 本 研 究 用 に閉 じ られ た 環 境 で あ る 。 各 画 像 発 生 装 置 で 発 生 し た 医 用 画 像 はDIG OMサ ー バ に 伝 送 し 、 蓄 積 ・管 理 さ れ る 。 DICOMサ ー バ 内 の 画 像 フ ァ イ ル は 各 画 像 観 察 装 置 に よ り、 検 索 さ れ 、 モ ニ タ上 に 画 像 が 表 示 さ れ る 。MRI(日 立 社 製MRP-7000AD)は 装 置 内 のDICOM伝 送 機 能 に よ り、DICOM サ ー バ へ 画 像 伝 送 す る 。DR(日 立 社 製 DR-2000MC)お よびFCR(富 士 フ イル ム 社 製FCR-9000)は 、DICOMコ ソ バ ー タ ま た はDICOMGATEWAYを 介 して 伝 送 を 可 能 に し て い る 。 フ ィル ム デ ジ タ イザ(コ ニ カ 社 製 KI_2000)は ア ナ ロ グ のX線 フ ィル ム を デ ジ タ ル 化 し 、DICOM伝 送 機 能 に よ りDICOMフ ァ イ ル サ ー パ へ 画 像 伝 送 す る 。 本 研 究 で 用 い た x線cT(東 芝 社Ptxvision1Gx)に つ い て は 、 DICOMオ プ シ ョン を 装 備 して い な い た め 、 汎 用 画 像 処 理 ソ フ トDr.View(旭 化 成 情 報 シ ス テ ム 社 製)を 使 用 してX線CT内 蔵 の ハ ー ドデ ィ ス ク 内 の 画 像 を 取 り込 み 、DICOMフ ォー マ ッ トに 変 換 し、DICOMサ ー バ へ 画 像 を 登 録 す る 。 画 像 観 察 装 置 内 のDr.Viewお よ びFAIN-WORKS(J-MACSYSTEM社 製)はUNIX 上 で 動 作 す る ソ フ トウ ェア で 、DICOMサ ー バ 内 の 画 像 フ ァ イ ル を 検 索 ・ 取 得 (Query/Retrieve)す る機 能 を も ち 、 取 得 した 画 縁 に 対 して 様 々な 画 像 処 理 や 計 測 を 行 う こ と が で き る 。POP-Net(イ メー ジ ア ソ ド メジ ャ ー メ ン ト社 製)はPowerMacintosh上 で 動 作 す る ソ フ トウ ェア で 、DICOMサ ー バ 内 の 画 像 を

検 索 ・取 得 す る 機 能 を も ち 、 簡 単 な 画 像 処 理 も 可 能 で あ る 。VOX-BASE(J-MAσSYS-TEM社 製)はWindows上 で 動 作 す る ソ フ ト ウ ェア で 、DICOMサ ー バ 内 の 画 像 を 検 索 ・取 得 ・管 理 す る機 能 を もち 、 簡 単 な 画 像 処 理 も 可 能 で あ る 。 Table1に 本 シ ス テ ム に お け る画 像 装 置 、 用 い て い るハ ー ドウ ェア お よび ソ フ トウ ェア を 示 した 。 3.実 験 方 法 伝 送 時 間 は 、 伝 送 開 始 決 定 の 操 作 か ら伝 送 終 J'ま で の 時 間 と したe画 像 発 生 装 置 か らDIG OMサ ー バ へ 画 像 を 送 信 す る 場 合 の 伝 送 時 間 を Fig.2の よ う に 定 義 し た 。 伝 送 時 間Tsは 送 信 開 始 決 定 の 操 作 か ら 画 像 フ ァ イル 送 信 開 始 ま で の 送 信 準 備 時 間Tspと 画 像 フ ァ イ ル 送 信 開 始 か ら送 信 終 了 ま で の 送 信 時 間 五、の 和 す な わ ち Ts=Tsp+Tssと し た 。 ま た 、DICOMサ ー バ か ら画 像 を 取 得 す る場 合 の 伝 送 時 間Teは 、Fig. 3に 示 す よ うに 取 得 開 始 決 定 の 操 作 か ら画 像 フ ァ イル 取 得 開 始 ま で の 取 得 準 備 時 間T。Pと 画 像 フ ァ イル 取 得 開 始 か ら取 得 終 了 ま で の 取 得 時 間 T.の 和 す な わ ちT。=T。P+Ta,と した 。DRと FCRに つ い て は 、Fig.4、5の よ うに2段 階 に な っ て い る た め 、DRとDICOMコ ン バ ー タ間 、 FCRとDICOMGATEWAY間 のTsp、T.も 測 定 した 。 賑 、 嬬 、の 測 定 は パ ケ ッ トキ ャ プ チ

ヤー一ソ フ トウ ェ アtcpdumpを 用 い て 、 直 接 パ ケ ヅ ト を 観 察 す る こ と に よ っ て 行 っ た 。 tcpdumpで 測 定 で き な いT、p.T。pは 、 各 装 置 の ス テ ー タ ス メ ッセ ー ジ な どを 参 考 に ス ト ップ ウ ォ ッチ で 測 定 した 。 各 画 像 発 生 装 置 か らDICOMサ ー バ へ1つ の 画 像 フ ァ イル を伝 送 した 場 合 の 送 信 準 備 時 間 乳ρと送 信 時 間 怨,を 測 定 し た 。 ま た 、 画 像 取 得 の 場 合 も同 様 に 、 画 像 観 察 装 置 か らDICOM サ ー バ 内 の1つ の 画 像 フ ァ イ ル を 取 得 し た 場 合 の 取 得 準 備 時 間T。Pと 取 得 時 間Tasを 測 定 し た 。 こ の 測 定 を さ ま ざ ま な 容 量 の 画 像 フ ァ イル で 行 っ た 。 そ の 測 定 結 果 か らT、p、Tss、T。P、 %と 画 像 フ ァ イ ル の 容 量 に は 次 式 が 成 り立 つ もの と考 え た。

こ こ で 、iはsp、ss、aP、as、qは 単 位 容 量 あ た りの 伝 送 ま た は 準 備 時 間 、Cは 画 像 フ ァ イ ル の 容 量 、'は 画 像 フ ァ イ ル の 容 量 に は 依 存 し な い 時 間 で あ る 。 そ して 、 画 像 フ ァ イル の 伝 送 (準 備)時 間 と画 像 フ ァ イル の 容 量 の グ ラ フ に 回帰 直 線 を 描 き、 単 位 容 量 あ た りの 伝 送 ま た は 準 備 時 間 の、 画 像 フ ァ イ ル の 容 量 に は 依 存 し な い時 間tiを 求 め た 。qの逆 数 が伝 送 速 度 と な る。 4.結 果 測 定 し た 伝 送 時 間 か ら 回 帰 直 線 に よ り求 め た qi、tiをTable2、3、4、5に 示 す 。Ts、 お よ び T、pはCと 良 い 直 線 性 を 示 し た 。KI-2000に つ い て の 回 帰 直 線 の 例 をFig.6に 示 す 。

画 像 フ ァ イ ル の 容 量C[MByte】 Fig。6RegressionlineofTspandTssvs.image sizeCforthedatatransferfromKl-2000 toDICOMserver. X線CTに お い て は取 り扱 え る 画 像 サ イ ズ が 1種 類 の み で あ っ た た め 、qssは 送 信 時 間T.を 画 像 フ ァ イ ル の 容 量Cで 除 して 求 め た 。X線 CTの 準 備 時 間T、pは 非 常 に 短 く、 ス トッ プ ウ ォ ッチ で の 測 定 が 困 難 で あ った 。 画 像 観 察 装 置 の 準 備 時 間 は 、 フ ァ イル の 容 量 に 依 存 せ ず 、 ほ ぼ 一 定 の 値 を 示 した 。 本 研 究 で 用 い たDRの 準 備 時 間 は 他 の 装 置 よ り非 常 に 遅 い 結 果 を 示 し た 。 画 像 発 生 装 置 とDICOMサ ー バ がFDDIで 接 続 さ れ て い る 装 置 のq,sは 、Ethemetで 接 続 さ れ て い る装 置 と比 べ て1/10以 下 だ っ た 。tss は 通 信 媒 体 に よ らず 、 各 画 像 発 生 装 置 で 固 有 の 値 を 示 した 。 画 像 観 察 装 置 で はFDDIに 接 続 さ れ て い る FAINWORKSのqasは 、Ethernetで 接 続 さ れ て い るPOP-Netと 比 べ て1/10以 下 だ っ た 。 転 に つ い て は 、 画 像 発 生 装 置 と 同 様 に 各 装 置 で 固 有 の 値 を 示 した 。 5.考 察 FDDIで 接 続 さ れ て い る 装 置 の 単 位 容 量 あ た りの 伝 送 時 間qss、q。、は0.28∼0.79sec1MByte と な っ た 。 ま た 、Ethernetで 接i続 さ れ て い る 装 置 の 単 位 容 量 あ た りの 伝 送 時 間qss、q。sは 1.12∼13,36sec1MByteと 幅 が あ っ た 。これ は 、 各 装 置 の コ ン ピ ュー一タの 性 能 の 差 が 、 表 れ て い る と考 え られ る。 FDDIで 接 続 さ れ て い る 装 置 の 伝 送 時 間 は Ethernetを 用 い た もの よ り2∼48倍 速 い とい う結 果 が 得 られ た こ と か ら 、FCRやDRの よ う に 画 像 フ ァ イル の 容 量 が 数MByteに な る よ う な 装 置 とDICOMサ ー バ の 画 像 伝 送 に は 、 高 速 な ネ ッ ト ワ ー ク で あ るFDDIや100 BASE_TXを 用 い る こ とで 、 装 置 の 専 有 時 間 や オペ レ ー タの 待 ち 時 間 に 対 す る ス トレ ス を 軽 減 す る こ とが で き る と考 え ら れ る 。 本 研 究 で 用 い たDR装 置 は 、qssが13.36 sec1MByteと 他 の 装 置 に 比 べ て 非 常 に 遅 い と い う 結 果 に な っ た 。 ま た 、 送 信 時 間 も 同 じ Ethernetに 接 続iされ て い るMRIに 比 べ て 約3 倍 遅 い 結 果 と な っ た 。DRが 遅 い 原 因 は 現 在 調 査 中 で あ る が 、 送 信 準 備 時 間 が 非 常 に 長 い た め ハ ー ドウ ェ ア の み な ら ず ソ フ トウ ェア も 含 め た

装 置 全 体 の 改 良 が 今 後 検 討 さ れ る必 要 が あ る。 POP-Netで は 取 得 時 間 が か な り長 く、2048 ×2048×16bitsの 画 像 フ ァ イ ル を取 得 した 場 合 、95.6secで あ っ た 。 臨 床 に 使 用 す る に は 改 善 が 望 ま れ る。 X線CTの 送 信 時 間 が 、 他 のEthernetで 接 続 さ れ て い る 装 置 に 比 べ て 、 短 い の は 伝 送 プ ロ ト コ ル にftpを 使 用 し て い る た め と 考 え ら れ る。 奄 お よ び 転 の 値 が 負 の も の が あ る が 値 が 小 さ い た め 、 誤 差 で あ る と考 え られ る。 伝 送 時 間 と画 像 フ ァ イ ル 容 量 との 関 係 は 、 式 (1)の よ う に ほ ぼ 薩 線 関 係 に あ り、 今 回 求 め たqi、tiな ど は 、 伝 送 時 間 の シ ュ ミ レ ー シ ョン に利 用 す る こ とが で き る。 6、 ま とめ DICOMフ ァ イ ル サ ー バ シ ス テ ム を 構 築 し、 伝 送 時 間 の 測 定 を行 い、伝 送 速 度 の 評 価 を した 。 そ して 、 以 下 の 結 果 を得 た 。 1)伝 送 時 間 と伝 送 画 像 容 量 の 間 に は 線 形 モ デ ル が 適 応 で き る。 2)DICOMフ ァ イル サ ー バ 、 医 用 画 像 発 生 装 置5台 お よび 画 像 観 察 装 置4台 で のDICOM 画 像 伝 送 が 可 能 で あ る こ とを 確 認 した 。 3)送 信 時 間 お よ び 取 得 時 間 は 通 信 媒 体 に 依 存 して お り、FDDIを 用 い た 装 置 はEthernet を 用 い た 装 置 に 比 べ て 最 大 で 約48倍 速 か っ た 。 4)今 回 の 実 験 で 得 られ た 単 位 容 量 あ た りの 伝 送 時 間 等 は 、 画 像 伝 送 シ ス テ ム の シ ュ ミ レー シ ョン に利 用 す る こ とが で き る。 7.謝 辞 本 研 究 に 対 して 、 援 助 と助 言 を 頂 き ま し た 旭 化 成 情 報 シ ス テ ム の 黒 木 博 氏 に 厚 く御 礼 申 し上 げ ます 。 こ の 研 究 の 一 部 は 文 部 省 科 学 研 究 費 補 助 金(基 盤 研 究No.10670865)に よ り行 わ れ て い ま す 。 参 考 文 献 1)伊 藤 彬:DICOM規 格 の 概 要 。 新 医 療No. 262:30-34,1996 2>安 藤 裕:DICOM規 格 の 理 解 。 放 射 線 医 学 物 理17:252-262,1997

3) Michio Kimura, Shigeki Tani, Shirchin Baatar, et al.: Implementation of

ti — vender DICOM standard image transfer

in hospital wide ATM network. Computer

Methods and Programs in Biomedicine 57: 85-89, 1998

Characteristics

of image

transfer

in DICOM

file

server

system

Yoshikazu Takahashi, Katsuyuki Nishinura, Tatsuya Fujisaki,

Masahiko Monma, Hitoshi Sato

Ibaraki Prefectural University of Health Sciences

Code No.: 220.9

Key words : DICOM, network, PACS

Recently many attentions have been paid on DICOM which is a standard of medical image com-munication. Communications between imaging apparatuses provided by different vendors have been made possible by DICOM and have become easy.

In this study we connected medical image acquisition apparatuses and image processing systems to a DICOM file server system. The characteristics of image - transfer between these systems were studied. These systems were connected to each other via TCP/IP on FDDI or Ethernet. Images ac-quired with the apparatuses (MRI, DR, FCR, and Film digitizer) were possible to be transferred to the DICOM file server and stored herein. Image files in the DICOM file server were possible to be retrieved and fetched with the image viewers (FAINWORKS, POP Net, VOX - BASE, and Dr. View) and then displayed hereon.

The linear model was assumed for the relation between the time required for image transfer and the file size, to study the characteristics of image transfer. The times were measured with varying different file size for the communications between image acquisition apparatus and the DICOM server and between the viewers and DICOM server. From these measurements the characteristics of the system were clarified.

It was found that the time required for whole transfer process could be divided into two parts, namely, the time for preparation and the transfer time during which data were on the transfer line. The latter depends on network protocol. The transfer time for FDDI was about 1/10 of that for Ethernet. In dealing with the large imaging files such as DR or CR, waiting time can be alleviated by using the high speed network — protocol like FDDI or 100BASE -TX.