Data Ontology and an Information System Realization for Web-Based Management of Image Measurements

Image acquisition, processing, and quantification of objects (morphometry) require the integration of data inputs and outputs originating from heterogeneous sources. Management of the data exchange along this workflow in a systematic manner poses several challenges, notably the description of the heterogeneous meta-data and the interoperability between the software used. The use of integrated software solutions for morphometry and management of imaging data in combination with ontologies can reduce meta-data loss and greatly facilitate subsequent data analysis. This paper presents an integrated information system, called LabIS. The system has the objectives to automate (i) the process of storage, annotation, and querying of image measurements and (ii) to provide means for data sharing with third party applications consuming measurement data using open standard communication protocols. LabIS implements 3-tier architecture with a relational database back-end and an application logic middle tier realizing web-based user interface for reporting and annotation and a web-service communication layer. The image processing and morphometry functionality is backed by interoperability with ImageJ, a public domain image processing software, via integrated clients. Instrumental for the latter feat was the construction of a data ontology representing the common measurement data model. LabIS supports user profiling and can store arbitrary types of measurements, regions of interest, calibrations, and ImageJ settings. Interpretation of the stored measurements is facilitated by atlas mapping and ontology-based markup. The system can be used as an experimental workflow management tool allowing for description and reporting of the performed experiments. LabIS can be also used as a measurements repository that can be transparently accessed by computational environments, such as Matlab. Finally, the system can be used as a data sharing tool

Herramienta de gestión integral en innovación en imagen médica

La implementació de les Tecnologies de la informació i la Comunicació (TIC) i la digitalització de la imatge medica ha suposat un canvi en tot el progres clínic assistencial per part de radiòlegs i metges nuclears encarregats de realitzar l'informe diagnòstic i les intervencions radiològiques. Actualment, els sistemes d'informació coneguts com Picture Archiving and Communication System (PACS), Radiology Information System (RIS), i Hospital Information System (HIS) permeten el maneig dels estudis adquirits, el seu informat i el seguiment dels processos de gestió associats als fluxos de l'activitat assistencial. Propiciat per aquest profund canvi han nascut noves oportunitats i necessitats que, desafortunadament, no han sigut resoltes i integrades en la majoria dels entorns hospitalaris. Per exemple, gracies a la digitalització de la imatge i als avanços en investigació, és possible obtindré dades quantitatives de l'exploració adquirida que reflecteixen l'estat d'una malaltia o de l'efecte d'un fàrmac sobre aquesta. Aquestes mesures es coneixen com biomarcadors d'imatge. Per altra part, actualment els informes realitzats pels metges especialistes no tenen una estructura que impedisca una variabilitat en el contingut i en conseqüència l'absència potencial d'informació rellevant pel metge peticionari de l'exploració. El disseny i desenvolupament dels informes estructurats mitjançant l'ús de lèxics normalitzats i plantilles es factible amb les TIC. Aquests informes deuen establir-se per malalties i lesions concretes, i deuen estar consensuats entre els metges especialistes de la imatge i els metges peticionaris. Degut al volum de dades generades pels sistemes d'informació citats anteriorment, es crea contínuament una font de coneixement de dades que no son explotades. L'extracció d'aquest coneixement a través d'indicadors deu de permetre visualitzar l'estat actual dels serveis de radiologia i de medicina nuclear, de tal manera que es possibilite corregir els colls de botella i realitzar accions correctores oportunes front a una situació critica. El proposit final és promoure un funcionament òptim dels serveis i facilitar la presa de decisions fonamentades a les dades d'activitat que millor s'ajusten per a una millor atenció al pacient. Aquesta Tesi Doctoral té per objectiu l'integració eficient dels biomarcadors d'imatge, els informes estructurats, i els indicadors d'activitat en la pràctica assistencial dels serveis de radiologia i de medicina nuclear. Per aconseguir aquest objectiu s'utilitzaren estàndards d'imatge medica com el Digital Imaging and Communication in Medicine (DICOM) i altres com eXtensible Language Market (XML). Mitjançant la tecnologia JAVA es desenvolupà una plataforma per a la integració dels biomarcadors d'imatge. Mitjançant l'utilització de lèxics com el Systematized Nomenclature of Medicine - Clinical Terms (SNOMED-CT) i Radiology Lexicon (RADLEX), més l'estàndard DICOM i l'estàndard HML5, es va implantar una aplicació que permet l'integració de l'informe estructurat. D'aquesta manera es poden realitzar estudis poblacionals, així com analitzar la relació de determinats factors en una malaltia especifica. Per últim, de l'informació obtinguda del RIS i del PACS, es va construir una plataforma d'indicadors amb tecnologia JAVA per a permetre visualitzar l'estat dels serveis respecte a l'activitat assistencial; activitat d'innovació; i activitat d'investigació i docent. Per tant, la present Tesi Doctoral aporta als servicis de radiologia i de medicina nuclear una ferramenta d'innovació amb tres camps fonamentals per a oferir un millor diagnòstic, una millor cura i atenció al pacient. A través de la quantificació dels biomarcadors d'imatge i l'informe estructurat per a una medicina personalitzada, i amb els indicadors d'activitat per a una presa de decisions i d'accions basades en l'evidència.La implantación de las Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC) y la digitalización de la imagen médica supuso un cambio en todo el proceso clínico asistencial por parte de los radiólogos y médicos nucleares encargados de realizar el informe diagnóstico y las intervenciones radiológicas. Actualmente, los sistemas de información conocidos como Picture Archiving and Communication System (PACS), Radiology Information System (RIS), y Hospital Information System (HIS) permiten el manejo de los estudios adquiridos, su informado y el seguimiento de los procesos de gestión asociados a los flujos de la actividad asistencial. A raíz de este profundo cambio han nacido nuevas oportunidades y necesidades que, desafortunadamente, no han sido resueltas e integradas en la mayoría de los entornos hospitalarios. Por ejemplo, gracias a la digitalización de la imagen y a los avances en investigación, es posible obtener datos cuantitativos de la exploración adquirida que reflejen el estado de una enfermedad o el efecto de un fármaco sobre ella. Estas medidas se conocen como biomarcadores de imagen. Por otra parte, actualmente los informes realizados por los médicos especialistas carecen de un esqueleto que impida la variabilidad de contenido y en consecuencia la ausencia potencial de información relevante para el médico peticionario de la exploración. El diseño y desarrollo de los informes estructurados mediante el uso de léxicos normalizados y plantillas es factible con el uso de las TIC. Estos informes deben establecerse para enfermedades y lesiones concretas, y deben estar consensuados entre los médicos especialistas en la imagen y los médicos peticionarios. Debido a los volúmenes de datos generados por los sistemas de información citados anteriormente, se crea continuamente una fuente de conocimiento con datos no explotados. La extracción de este conocimiento a través de indicadores debe permitir visualizar el estado actual de los servicios de radiología y medicina nuclear, de tal forma que se posibilite corregir los cuellos de botella y realizar las acciones correctoras oportunas ante una situación crítica. El propósito final es promover un funcionamiento óptimo de los servicios y facilitar la toma de decisiones en base a los datos de actividad que mejor se ajusten para una mejor atención al paciente. Esta Tesis Doctoral tiene por justificación la integración eficiente de los biomarcadores de imagen, los informes estructurados, y los indicadores de actividad en la práctica asistencial de los servicios de radiología y medicina nuclear. Para lograr este objetivo se utilizaron estándares de imagen médica como el Digital Imaging and Communication in Medicine (DICOM) y otros como eXtensible Language Market (XML). A través de tecnología JAVA se desarrolló una plataforma para la integración de los biomarcadores de imagen. Mediante la utilización de léxicos como el Systematized Nomenclature of Medicine - Clinical Terms (SNOMED-CT) y Radiology Lexicon (RADLEX), más el estándar DICOM y el estándar HTML5, se implantó una aplicación que permite la integración del informe estructurado. De este modo se podrán realizar estudios poblacionales así como analizar la relación de determinados factores con una patología determinada. Por último, de la información obtenida del RIS y del PACS, se construyó una plataforma de indicadores con tecnología JAVA para permitir visualizar el estado de los servicios respecto a la actividad asistencial; actividad de innovación; y actividad científico-docente. Por tanto, la presente Tesis Doctoral aporta a los servicios de radiología y de medicina nuclear una herramienta de innovación en tres campos fundamentales para ofrecer un mejor diagnostico, cuidado y atención al paciente. A través de cuantificación de los biomarcadores de imagen y el informe estructurado para una medicina personalizada, y con los indicadores de actividad para una toma de deThe implementation of Information and Communication Technologies (ICT) and the digitization of medical images implies a change in the entire clinical care process for radiologists and nuclear physicians responsible for the diagnostic report and the radiological interventions. Nowadays, information systems such as Picture Archiving and Communication System (PACS), Radiology Information System (RIS) and Hospital Information System (HIS) enable the management of medical imaging studies, their reports and the follow-up of the management processes associated to the workflow of healthcare activities. These changes (use of ICT and digitization in hospitals) have created new opportunities and needs. Unfortunately, they have not been solved and integrated in most hospital settings. For example, thanks to the digitization of the image and research advances, it is possible to obtain quantitative data from the acquired exploration that reflect the state of a disease or the effect of a drug on it. These measures are known as image biomarkers. Reports made by specialist physicians currently lack of a skeleton that reduces the variability of content and consequently there are potential lack of relevant information for the applicant¿s physician. The design and development of structured reports using standard lexicon and templates is feasible with the use of ICT. These reports should be set up for diseases and specific injuries, and should be agreed upon between specialists and applicant¿s physicians. Due to the volume of data generated by the information systems mentioned above, a source of knowledge is continuously growing but data remains unexploited. The extraction of this knowledge through indicators could enable us to improve the processes in radiology and nuclear medicine departments which should help to correct bottlenecks and take corrective actions in critical situations. The final purpose is to promote the optimal functioning of the services departments and to facilitate the decision-making for a better attention to the patient care based on data activity. This Doctoral Thesis aims at integrating efficiently image biomarkers, structured reports and activity indicators into the clinical practice in the radiology and nuclear medicine departments. To achieve this goal, we have used medical imaging standards such as Digital Imaging and Communication in Medicine (DICOM) and eXtensible Language Market (XML). We used JAVA technology to develop a platform for the integration of image biomarkers. An application was implemented using lexicons such as the Systematized Nomenclature of Medicine - Clinical Terms (SNOMED-CT), Radiology Lexicon (RADLEX), the DICOM standard and the HTML5 standard. This application allows the integration of the structured report. In this way, it will be possible to make population studies, as well as to analyze the relation of certain factors with a certain disease. Finally, based on RIS and PACS data, a platform was developed using JAVA technology to provide the visualization of the status of key indicators of the performance of radiology departments; innovation activity; and research & teaching activities. This Doctoral Thesis provides the radiology and nuclear medicine departments with an innovative tool in three fundamental fields, offering a better diagnosis, health-care and attention to the patient. This has been done, using the quantification of image biomarkers and the structured report for a personalized medicine, and selecting those indicators of activity to make decisions based on data evidence.Ruiz Martínez, E. (2017). Herramienta de gestión integral en innovación en imagen médica [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90429TESI