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Integration digitalisierter Filme und Bilder in die elektronische
Patientenakte am Beispiel der Echokardiographie
Claus, M., Appelrath, H.-J., Kronberg, K.1, Reil G.-H.1.
OFFIS, Oldenburg; 1Klinik für Innere Medizin I – Kardiologie, Städt. Kliniken Oldenburg
Zusammenfassung
Seit 1999 wird in der Kardiologie der Städtischen Kliniken Oldenburg das mit dem Institut
OFFIS
gemeinsam entwickelte
Programm GO-Echo (Grafisches
Oldenburger
Dokumentationssystem für die Echokardiographie) zur Erfassung der während einer
Ultraschalluntersuchung des Herzens erhobenen Daten eingesetzt. Von Anfang an wurde das
System für die Integration multimedialer Dokumente entworfen. Im folgenden Artikel wird der
Aufbau des Systems, der aktuelle Implementierungsstand und der Nutzen für die medizinische
Abteilung vorgestellt.
Einführung
Seit vielen Jahren ist die Ultraschalluntersuchung des Herzens (Echokardiographie) ein
etablierter Bestandteil der kardiologischen Patientenbeurteilung. Dies ist insbesondere auf die
technischen Fortschritte der Geräte zurückzuführen, die neben der Verbesserung der
bestehenden Untersuchungsmethoden auch neue Techniken wie die Kontrastmittel-Echographie
oder das Tissue Harmonic Imaging brachte. Daraus resultiert konsequenterweise der Wunsch
der Ärzte die beim Ultraschall erhobenen multimedialen Untersuchungsdaten in bestehende
digitale Informationssysteme zu integrieren und diese Informationen zunächst in lokalen (LAN)
und später auch in überregionalen Netzwerken (WAN) zur Verfügung zu stellen.
Überlegungen zur digitalen Erfassung von Ultraschalldaten wurden bereits in den achtziger
Jahren angestellt, lange bevor Hardware zur Verarbeitung von Filmen und Bildern im
kostengünstigen Segment der sog. „Consumer-Produkte“ verfügbar war (vgl. hierzu auch
Historie der Datenerfassung in der Echokardiographie in [FEI88] und [FEI97]). Durch die
rasante Entwicklung in der PC-Branche gibt es heute Erweiterungskarten für handelsübliche
PCs, die mit den großen Datenmengen bildgebender medizinischer Geräte umgehen können.
Die Verfügbarkeit eben dieser kostengünstigen Hardware führte in der Kardiologie der
Städtischen Kliniken Oldenburg zu der Entwicklung eines Dokumentationssystems in der
Echokardiographie (vgl. [CLAU99]), welches neben der Erfassung textueller Daten die
angesprochenen multimedialen Daten verarbeiten sollte. Bei der praktischen Umsetzung
standen folgende Anforderungen im Vordergrund:

Integration in das existierende Dokumentationssystem GO-Kard (Grafisches
Oldenburger Dokumentationssystem für die Kardiologie siehe auch [wGOK] und
[CLAU99a]) für die invasive Kardiologie

Verfügbarkeit aller Daten im Netzverbund

Dokumentation von TEE (transösophageales Echo), TTE (transthorakales Echo) und
Doppler-Untersuchungen der peripheren Arterien und Venen

Anpassung der Software an den Arbeitsablauf in der Echokardiographie

Automatische Befundgenerierung

Ausdruck von Reporten, die den einzelnen Untersuchungen angepasst sind inkl.
Ausgabe ausgewählter Einzelbilder

Erfassung von Daten auch aus vorhandenen älteren Echokardiographiegeräten

Komprimierung der Daten mit einer möglichst hohen Kompressionsrate unter
Beibehaltung einer qualitativ hochwertigen Darstellungsqualität

Gewährleistung der Verarbeitung und Übertragung multimedialer Daten mit den
bestehenden Netzwerk- und Hardwareressourcen

Einsatz von kostengünstigen PC-Komponenten zur Reduzierung der Gesamtkosten (vgl.
[THOM97])

Erweiterungsmöglichkeiten für die Versendung der Daten im WAN
Arbeitablauf in der Echokardiographie
In Abb.1 ist der klassische Arbeitsablauf in einem Echolabor der Kardiologie der Städtischen
Kliniken Oldenburg dargestellt, welcher in etwa auch den Darstellungen in [ADAM97]
entspricht.
Dieser Arbeitsablauf kann in folgende sieben Schritte aufgegliedert werden:
1. Der Patient wird entweder von einer Station zur Echountersuchung angemeldet oder er
bekommt nach telefonischer Absprache einen Termin in der Ambulanz.
2. Der Patient stellt sich in der Echokardiographie vor, die Schwester erfasst die
Patientendaten, hilft dem Patienten in der Umkleidekabine und zur Untersuchungsliege
und legt die EKG-Ableitung an.
3. Der Arzt führt die Untersuchung durch.
4. Nach der Untersuchung erstellt der Arzt einen Befund.
5. Dieser Befund wird mit dem Patienten diskutiert und das weitere medizinische
Vorgehen geklärt.
6. Entweder geht der Patient zurück auf die Station von der er kam oder er verlässt das
Krankenhaus wieder
7. Abschließende Tätigkeiten werden durch das Personal durchgeführt.
Zusätzlich zu diesen Schritten existieren noch Tätigkeiten, die in indirektem Zusammenhang
mit der Untersuchung stehen, nach der Untersuchung durchgeführt werden und in Abb. 1 unter
den Punkt „Abschließende Tätigkeiten“ fallen:

Abruf der Untersuchungsdaten zur Betrachtung von Vorbefunden

Abruf der Untersuchungsdaten von anderen diagnostischen und therapeutischen
Verfahren (z.B. Herzkatheter)

Diskussion des Untersuchungsergebnisses mit Kollegen zur Abklärung des Befundes.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Antrag zur Echountersuchung
durch eine Station
Telefonische Terminabsprache zur
ambulanten Echountersuchung
Schwester
Vorbereitung der Untersuchung,
Erfassung der Patientendaten
Patient
Arzt
Patient wird untersucht
Patient
Arzt
Befund wird erstellt
Arzt
Abschließende Besprechung mit
dem Patienten
Patient geht mit Befund zurück
auf die Station
Patient
Patient verlässt mit Befund das
Krankenhaus
Abschließende Tätigkeiten
Abb. 1: Typischer Arbeitsablauf im Echolabor in der Kardiologie
Im klassischen analogen Echolabor werden alle Befunde, die bei den aufgezeigten
Arbeitsabläufen entstehen, auf Papier erstellt, die Aufzeichnung der Untersuchung erfolgt mit
dem Videorekorder und der Ausdruck ausgewählter Einzelbilder über einen Videoprinter. Nach
Abschluss einer Untersuchung wird ein vorläufiger Untersuchungsbefund mit Durchschlag
handschriftlich erstellt, an den die Einzelbilder angeheftet werden. Das Videoband zur
Untersuchung wird, sobald es vollständig beschrieben ist (es werden normalerweise mehrere
Untersuchungen auf einem Band abgespeichert), archiviert. Oftmals wird zusätzlich noch ein
abschließender Befund diktiert, der, nachdem er durch eine Sekretärin geschrieben und vom
Untersucher korrigiert und unterzeichnet wurde, dem behandelnden Arzt und/oder Hausarzt
zugesandt wird.
Die größten Nachteile dieses klassischen Verfahrens sind:

Die relevanten Stellen einer Untersuchung lassen sich nur sehr schwer auf dem
Videoband wiederfinden, da meistens weniger als 5 % der aufgezeichneten Daten von
Interesse sind.

Ein handschriftlicher Befund lässt sich, abhängig von der Handschrift, teilweise nur
schwer lesen.

Der Abruf der Daten erweist sich meist als sehr umständlich, da Befunde und Filme im
Archiv abgeholt werden müssen.

Der Verlust der Untersuchungsdaten liegt bei ca. 10 % resultierend aus versehentlichem
Überschreiben der Videokassetten oder Fehlern auf den Videobändern.
Das digitale Echolabor
Der im vorherigen Abschnitt vorgestellte Arbeitsablauf soll durch das digitale Echolabor
vereinfacht werden (vgl. hierzu wieder [ADAM97]):

Es können gezielt die relevanten Filme und Bilder aufgezeichnet werden anstatt die
gesamte Untersuchung aufzuzeichnen.

Das Suchen innerhalb der multimedialen Daten wird durch Direktzugriff auf einzelne
Filme und Bilder erheblich beschleunigt.

Durch eine automatische Befundgenerierung entfällt das Diktieren des abschliessenden
Befundes, da alle Informationen bereits im Untersuchungsbefund stehen.

Der gesamte Prozess der Archivierung von Filmen, Bildern und Befunden erfolgt durch
den Computer.

Durch eine automatisierte Archivierung werden keine Daten mehr versehentlich
überschrieben.

Alle Informationen können zu jeder Zeit an jedem Ort abgerufen, mit Kollegen oder
Patienten diskutiert oder als Hilfe bei der Entscheidungsfindung durch andere
diagnostische und therapeutische Verfahren verwendet werden.
GO-Echo
1999 begann in Zusammenarbeit mit OFFIS die Entwicklung einer neuen Software für die
Echokardiographie der Kardiologie der Städtischen Kliniken Oldenburg. Die Entscheidung
wurde für eine Eigenentwicklung getroffen, da die am Markt befindlichen evaluierten Systeme
nicht den Vorstellungen der Ärzte entsprachen, eine Integration in das bestehende
Dokumentationssystem nicht zugesichert werden konnte und durch GO-Kard bereits gute
Erfahrungen mit Eigenentwicklungen vorlagen.
Die Rahmenbedingungen für die Erfassung der textuellen Daten und das grundsätzliche Design
als Bestandteil der EPA (elektronische Patientenakte) war durch die bestehenden Infrastruktur
bereits vorgegeben:

Datenbankgestützte Client-/Server-Architektur

ORACLE Version 8i als RDBMS

ORACLE Developer 2000/6i als 4-GL-Werkzeug zur Implementierung der Software

PCs mit i386-Architektur als Clients mit WindowsNT und Windows2000 als
Betriebssystem für die Arbeitsplätze

TCP/IP mit 100 MBit Fast-Ethernet.
Neben dem Datenbankserver stand noch ein weiterer Fileserver mit 25 GB Kapazität zum
Speichern der Filme und Bilder zur Verfügung.
Zunächst wurde eine Datenbankanwendung entwickelt mit der neben den Patientenstammdaten
die medizinisch relevanten Informationen erfasst werden können. Die Eingabemasken zur
Datenerfassung wurden dem Arbeitsablauf in der Echokardiografie angepasst (dies entspricht
den Schritten 1. bis 4. aus Abb. 1). Hier wurde insbesondere Wert auf die einfache
Bedienbarkeit durch ein übersichtlich strukturierte grafische Benutzungsoberfläche gelegt. Nach
dem Entwurf der Eingabemasken für die Patientendaten wurde die Einbindung der
multimedialen Daten realisiert.
Als erstes wurden die vorhandenen Ultraschallgeräte bezüglich ihrer Schnittstellen für
multimediale Daten betrachtet. Einige Geräte besitzen keinen digitalen Ausgang, bei anderen
Ultraschall-Maschinen ist die Übertragungsbandbreite digitaler Daten sehr gering oder es
können nur Bilder und keine Filme abgerufen werden. Daher wurde auf eine direkte Erfassung
der digitalen Daten aus den Echogeräten verzichtet. Es blieb somit nur der Anschluss einer
Framegrabber-Karte an den analogen S-VHS-Ausgang der Echogeräte.
Durch diese Entscheidung war die maximale Auflösung auf die S-VHS-Auflösung von 768 x
576 Pixel beschränkt. Im folgenden wurden zunächst theoretische Überlegungen für das zu
erwartende Datenaufkommen unter Nutzung der maximal möglichen Qualität erstellt. Bei einer
Farbtiefe von 16 Bit und der Aufzeichnung von 50 Halbbildern pro Sekunde ergibt sich ein
Datendurchsatz von:
768 x 576 x 16 x (50 / 2) [Bit/sec.] = 176.947.200 [Bit/sec.] = 22.118.400 [Byte/sec.] =
21,09375 [MByte/sec.]
Rechnerintern ist die Verarbeitung dieses Datenstroms kein Problem, da sowohl die Bandbreite
des PCI-Busses mit ca. 133 MByte/sec. als auch die Transferraten moderner
Hauptspeicherinterfaces mit 100 bis 250 MByte/sec. ausreichend sind. Da die Daten vor der
Komprimierung zwischengespeichert werden müssen, muss die angeschlossene Festplatte
entweder den Datenstrom verarbeiten können oder so viele Daten im Hauptspeicher gepuffert
werden, dass kein Bild verloren geht.
Theoretisch können Festplatten mit UltraDMA-Schnittstelle mit diesem Datenvolumen
umgehen (vgl. Tabelle 1). In der Praxis ist jedoch der ausschlaggebende Faktor die tatsächliche
Transfergeschwindigkeit auf die Festplatte durch das Betriebssystem und nicht die
Geschwindigkeit der Schnittstelle. Der Transfer über diese Schnittstelle versorgt mit der vollen
Geschwindigkeit nur den Cache einer Festplatte, der, je nach Modell, eine Größe von 512
KByte bis 4 MByte aufweist und somit nicht einmal einen Film fassen kann.
Interne Transferraten, kontinuierliche Transferraten und Schreibleistung durch das
Betriebssystem ausgewählter Festplatten können Tabelle 2 entnommen werden. Ganz deutlich
ist zu erkennen, dass die tatsächliche Schreibleistung von aktuellen Festplatten unter realen
Bedingungen nur ganz knapp die notwendige Leistung von 21 MByte/sec. erreichen. Für die
Praxis bedeutet dies derzeit eine sehr genaue Auswahl der verwendeten Hardware und den
Einsatz eines betriebssystemseitigen Buffer-Caches für den Festplattenzugriff.
Interface
IDE-Interface
DMA
Mode 2
Max. Geschwindigkeit in MB/sec.
16
SCSI-Interface
UltraDMA UltraDMA UltraDMA Ultra
2 / 33
4 / 66
5 / 100
33
66
100
20
Ultra
Wide
Ultra2
Wide
40
80
Tabelle 1: Transferraten aktueller Schnittstellen von Massenspeichern
Eine weitere Überlegung bei der Auswahl der Festplatte spielen die Kosten und die
Temperaturentwicklung. Eine Hochleistungs-SCSI-Festplatte wie z. B. die „Seagate Cheetah
18XL“ ist fast dreimal so teuer wie eine IDE-Festplatte und muss zur Vermeidung von
Hitzeschäden mit einem Lüfter betrieben werden. Weiterhin sind diese Festplatten auch im
abgeschalteten Zustand empfindlich gegen mechanische Beanspruchung in Form von Stößen.
Das Einsatzgebiet solcher SCSI-Festplatten sind Server und nicht Arbeitsplatz-PCs.
Unter diesen Umständen ist es daher wünschenswert eine IDE-Festplatte zu verwenden zumal
die theoretische Transferleistung einiger Modelle für den Datenstrom eines unkomprimierten
Filmes ausreicht. Erste Versuche mit Framegrabber-Karten unterschiedlicher Firmen unter
WindowsNT zeigten auch, dass tatsächlich der volle Datenstrom aufgezeichnet werden kann.
Hier erwies sich aber die vom Hersteller mitgelieferte Software als unzureichend, da sie nicht
den Wünschen der Ärzte anzupassen war. Für die einfache Bedienung der digitalen Film- und
Bildaufzeichnung im Echolabor sollte durch einen rechten Mausklick eine Filmschleife und
einen linken Mausklick ein Standbild aufzeichnen werden. Diese Funktionalität war in den
getesteten kommerziellen Produkten nicht vorgesehen. Hier simuliert die Software meistens
einen digitalen Videorekorder bei dem die Aufzeichnung erst nach Bedienen diverser
Schaltflächen und Beantwortung einiger Dialoge startet. Dies ist für den Einsatz im Echolabor
aber ungeeignet.
Festplatte
Interface
Interne
Kontinuierliche BenchmarkTransferrate
Transferrate in ergebnis
in
in MByte/sec. MByte/sec.
MByte/sec.
IBM Deskstar 75GXP
UltraDMA 5 / 100 bis zu 55,5
37
25
IBM Deskstar 40 GV
UltraDMA 5 / 100 bis zu 46,5
32
22
IBM Ultrastar 18LZX
Ultra 2 Wide
15,2 - 29,5
23
23,3 - 44,3
Maxtor DiamondMax UltraDMA 5 / 100 bis zu 49,4
Plus
Keine Angabe
26
Maxtor DiamondMax UltraDMA 4 / 66
Plus Modell 1999
bis zu 40,8
Keine Angabe
18,5
Seagate
ATA III
Barracuda UltraDMA 5 / 100 bis zu 62,5
Keine Angabe
25
Seagate
ATA
Barracuda UltraDMA 4 / 66
Keine Angabe
22
Seagate Cheetah 18XL Ultra 2 Wide
bis zu 40,3
35 - 53,3
26.7 - 40.2
32
Tabelle 2: Transferraten aktueller Festplatten: die Werte für „Interne Transferrate“ und
„Kontinuierliche Transferrate“ entsprechen den Herstellerangaben (siehe [wIBM],
[wMAX], [wSEA]), der Wert unter „Benchmark“ entspricht der mittleren
Schreibleistung unter Windows2000 gemessen mit dem Programm Clibench
([wCLI]) auf einem ASUS CUSL2-Mainboard mit i815-Chipsatz.
Der Versuch eine Software unter Windows mittels der von Microsoft gebotenen
Multimediaschnittstelle zu entwickelten scheiterte, da diese Schnittstelle bei einer Auflösung
von mehr als 384 x 293 Pixeln (Quarter-S-VHS-Size) bei 50 Halbbildern pro Sekunde immer
fehlende Bilder im Datenstrom (Framedrops) produzierte.
Unter Verwendung des im Quellcode frei verfügbare Programms xawtv [wKNOR], welches
unter dem Betriebssystem LINUX läuft, traten diese Probleme nicht auf. Dieses Programm
bietet zusätzlich den Vorteil, dass es den Wünschen der Ärzte bezüglich der Bedienung durch
die Maustasten angepasst werden konnte. Die Videodigitalisierung wurde daher unter
Verwendung einer handelsüblichen, kostengünstigen Framegrabber-Karte mit Bt878-Chipsatz
und dieser Softwarekombination realisiert. Dadurch kann sowohl die volle S-VHS-Qualität
aufgezeichnet als auch eine kostengünstige IDE-Festplatten verwendet werden. Die
Filmschleifen werden im AVI-Format, die Standbilder als JPEG-kodiert abgelegt. Die exakte
Systemarchitektur kann Abb. 2 entnommen werden.
Die Ansteuerung des Digitalisierungsrechners erfolgt über einen weiteren PC im Echolabor, auf
dem die Dokumentationssoftware GO-Echo arbeitet. Ein Modul in GO-Echo sorgt für die
Komprimierung der Daten, die Synchronisation mit der aufgezeichneten multimedialen Daten
mit der Datenbank und die Bereitstellung der Filme für alle im Netzverbund verfügbaren
Arbeitsplätze. Innerhalb von GO-Echo wird für jeden empfangenen Film ein Übersichtsbild
(Thumbnail) abgespeichert. Dies erleichtert das Finden und Abspielen der Filme (vgl. Abb. 3).
Echo-Labor
Echogerät
PC unter LINUX
mit xawtv
PC unter Win2000
mit GO-Echo
Server-Raum
ORACLE-DB-Server
File-Server
(Filme/Bilder)
Arbeitsplatz-PC
HK-Labor
Arbeitsplatz-PC
Bettenstation
Arbeitsplatz-PC
andere Abteilung
Abb. 2: Systemarchitektur von GO-Echo: Im Echolabor werden mit einem PC unter LINUX die
Filme und Bilder über die S-VHS-Schnittstelle digitalisiert. Über das Netzwerk werden
diese dann durch GO-Echo komprimiert, auf dem Fileserver abgelegt und der
Zugriffspfad in der Datenbank an den Patientendatensatz angehängt. Diese Daten
werden dann als Bestandteil der EPA bereitgestellt.
Abb. 3: Abspielen eines Filmes in GO-Echo
Fazit
Seit der Einführung im Dezember 1999 wurden mit GO-Echo bereits über 3.000
Untersuchungen erfasst. Nach Überwindung von Anfangsschwierigkeiten hat die Software
unterdessen eine hohe Akzeptanz bei den Ärzten in der Kardiologie der Städtischen Kliniken
Oldenburg, welche zum einen auf die sehr gute Qualität der Filme und Bilder (S-VHS-Qualität,
768x576 Pixel x 15 bit Farbtiefe bei 25 Bilder/sec.) und zum anderen auf die sehr gute
Antwortzeit des Systems, welches in weniger als vier Sekunden den gewünschten Film
bereitstellt, im Netzverbund zurückzuführen ist.
Durch die konsequente Verwendung von Hardware aus dem Consumer-Bereich liegen die
Gesamtkosten für die zwei notwendigen PCs im Echolabor bei ca. DM 5.000,-.
Für die Zukunft ist die Erprobung und Integration neuer Film-Standards, insbesondere MPEG 4
und DICOM und die Übertragung der Daten im WAN mit modernen breitbandigen Techniken
(DSL) unter Berücksichtigung von Datenschutz- und -sicherheitaspekten, geplant.
Eine weitere Entwicklung beschäftigt sich mit einer Softwarelösung für den mobilen Einsatz.
Da alle Echogeräte fahrbar sind, werden häufig Untersuchungen außerhalb des Echolabors z. B.
am Patientenbett auf der Intensivstation durchgeführt. Es soll hier eine digitale Datenerfassung,
die unabhängig von einem Netzwerkanschluss ist, auf einem PC ermöglicht werden. Der Arzt
wird dann in der Lage sein, sobald der PC wieder mit dem Netzwerk verbunden ist, auf Grund
der gesammelten Daten Befunde zu schreiben und die mobil erfassten Bilder und Filme mit der
Datenbank zu synchronisieren.
Literatur
[ADAM97] Adams, David B.: „The Digital Echo Lab“; Cardiac Imaging in the 21st Century: A
Primer; S. 129 – 133; Maryland; 1997
[CLAU99] Claus, M., Kronberg, K., Reil, G.-H., Jensch, P.: „Computer Aided Quality
Control, Documentation, Report Generation and Education in Echocardiography“;
XXIst Congress of the European Society of Cardiology, Supplement Vol. 20 ISSN
0195 668X, Barcelona, 08/99
[CLAU99a] Claus, M., Tröster, J., Kronberg, K., Reil, G.-H., Jensch, P.: „GO-Kard“; XXIst
Congress of the European Society of Cardiology, Supplement Vol. 20 ISSN 0195
668X, Barcelona, 08/99
[FEI88]
Feigenbaum, H.: „Digital recording, display, and storage of echocardiograms“; J
Am Soc Echocardiogr; S. 378 – 383; 1988
[FEI97]
Feigenbaum, H.: „History of Digital Echocardiography“; Cardiac Imaging in the
21st Century: A Primer; S. 124 – 127; Maryland; 1997
[THOM97] Thomas, J. D., Nissen, S. E.: „Digital storage and transmission of cardiovascular
images: what are the costs, benefits and timetable for conversion?“; Cardiac
Imaging in the 21st Century: A Primer; S. 119 – 123; Maryland; 1997
Web-Links
[wCLI]
Clibench-Home: http://www.ncpro.com/clibench/clibench.htm
[wGOK]
GO-Kard Homepage: http://www.gokard.de
[wIBM]
IBM-Festplatten: http://www.storage.ibm.com/hardsoft/diskdrdl/hddprod.htm
[wKNOR] Knorr, G.: „xawtv Homepage“; http://me.in-berlin.de/~kraxel/xawtv.html
[wMAX]
Maxtor-Festplatten: http://www.maxtor.com/Maxtorhome.htm
[wSEA]
Seagate-Festplatten: http://www.seagate.com/
Anschrift des Verfassers:
Dipl. Inform. M. Claus, OFFIS, Escherweg 2, 26127 Oldenburg, e-mail: [email protected]