中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

開發 SCP 轉換 DICOM 12 導程 心電圖閘道伺服器

Development of SCP to DICOM 12-Lead ECG Gate Server

系 所 別：資訊工程學系碩士班 學號姓名：M09202021 趙怡軒 指導教授：謝瑞建 博士

中 華 民 國 九 十 四 年 六 月

摘要

目前大部分醫用心電圖儀的數位輸出格式主要是根據心電圖標 準通訊協定(SCP-ECG)所制訂的，但是受限於其二進制編碼的不同，

因此 SCP 心電圖在院際交換的時候受到限制。近來，DICOM(補充文件 30)提出一維的生物醫學訊號標準，如：血壓、心電圖。使用 DICOM 作為心電圖標準的優點是，可整合至醫院資訊系統(HIS)下的數位影 像儲存通訊系統模組(PACS)，增進數位心電圖資料的交換。本研究的 主要目的是設計一個將 SCP 心電圖轉換成 DICOM 12 導程心電圖的閘 道伺服器軟體。本研究以 MATLAB 程式撰寫以達成：(1)將數位心電圖 訊號從 SCP 轉換為 DICOM 及(2)萃取出原始資料。將 DICOM 12 導程心 電圖報告儲存於 PACS 下的資料庫，如此一來，數位心電圖報告就可 以透過醫療資訊系統，從網頁式 DICOM 心電圖瀏覽並且臨床醫療人員 也可以直接操作原始的心電訊號作進一步的分析。

關鍵字： 心電圖、醫院資訊系統、數位影像儲存通訊系統、心電圖 標準通訊協定、醫療數位影像通訊

Abstract

Although the SCP, a digital output format of ECG, was adopted by most of ECG manufactures, heterogeneous SCP binary formats modified by various manufactures impeded the ECG interoperability between hospitals. Recently, DICOM (Supplement 30) had proposed a new communication standard for one-dimensional biomedical signals such as, blood pressure, and ECG. The benefits of this standard were that it can be implanted under existing PACS modulus of HIS, and it also can increase the ECG interoperability. The major objective of this study was to design an SCP-ECG to DICOM-ECG gate server.

The gate server, which was implanted with matlab language, can perform (1) the ECG data conversion between SCP and DICOM , and (2) extraction of raw ECG signals. The 12-lead DICOM-ECG reports were then stored on a database of PACS modulus, therefore, the ECG reports can be retrieved by web-based DICOM viewer through HIS. The clinicians also can manipulate the raw signals for advanced analysis.

Keywords: electrocardiogram(ECG)、Hospital Information System(HIS), Picture Archiving and Communication System(PACS), Standard Communication Protocol

ECG(SCP-ECG)、Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM)

致謝

首先要感謝我的指導教授 謝瑞建與曾文慶 博士，在兩年的過程 中不只傳授專業上的知識與指導，在生活上也如同朋友般相處、關 心，在遇到瓶頸、困難時，總是給予提供幫助。讓我在這兩年中不論 面對任何困境總是能突破，並從中獲得更多待人接物的處事經驗與方 法。再者要感謝實驗室的同學們－裕仁、順國、雅筑、朝慶以及家正 學長，很高興與你們一同度過碩士班的兩年，感受到如同家人般的相 處。最後，要感謝我的母親，感謝她全心全意的付出，讓我在求學過 程中能夠專心一致的學習，並在精神上給予我最大的支持。

目錄

中文摘要 ...2

致謝 ...4

目錄 ...5

圖目錄 ...6

表目錄 ...8

第一章 序論...9

1.1 研究動機...9

1.2 研究目的...10

第二章 背景知識...11

2.1 標準 12 導程心電圖...11

2.2 心電圖數位輸出的格式...14

2.3 DICOM...15

2.3.1 DICOM檔案格式與結構 ...15

2.3.2 波形訊號交換 ...22

第三章 研究方法...24

3.1 SCP-DICOM ECG轉檔程式...24

3.2 開發DICOM 12 導程心電圖瀏覽器 ...31

3.3 開發可攜式心電圖儀介面...33

第四章 結果...34

第五章 討論...41

5.1 SCP-DICOM ECG轉檔程式測試分析 ...41

5.2 DICOM 12 導程心電圖瀏覽器測試分析 ...42

5.3 未來發展...44

參考文獻 ...47

圖目錄

圖一 12 導程心電圖測量之肢導程示意圖

圖二 12 導程心電圖測量之胸導程投影空間分佈位置圖

圖三 測量 12 導程心電圖肢導程之標準雙極導程連接上肢範例 圖四 測量 12 導程心電圖肢導程之標準雙極導程連接下肢範例 圖五 DICOM 資料集和資料元素結構

圖六 DICOM 波形之巢狀式階層分類示意圖 圖七 SCP 心電圖診斷資訊

圖八 SCP 解碼後的 12 個短導程(2.5 秒記錄)之波形原始數據資 料

圖九 SCP 解碼後的 3 個長導程(10 秒紀錄)波形之原始數據資料 圖十 DICOM 12 導程心電圖規範波形存放方式

圖十一 修正 SCP 轉換為 DICOM 12 導程呈現方式 圖十二 儲存 DICOM 12 導程心電圖之導程順序

圖十三 SCP 轉換 DICOM 12 導程心電圖之 MATLAB 程式流程圖 圖十四 DICOM 12 導程心電圖的資料元素

圖十五 使用 MATLAB 顯示 DICOM 檔案結構圖(1) 圖十六 使用 MATLAB 顯示 DICOM 檔案結構圖(2)

圖十七 使用筆記本開啟 SCP 檔案

圖十八 以 DICOM 形式儲存的 12 導程心電圖報告 圖十九 掃瞄紙張 12 導程之心電圖報告

圖二十 DICOM 波形瀏覽器顯示 DICOM 12 導程心電圖 圖二十一 可攜帶式心電圖儀使用者介面

圖二十二 可攜帶式心電圖儀檔案上傳設定 圖二十三 瀏覽器顯示 DICOM 影像物件畫面 圖二十四 DICOM 12 導程心電圖報告

圖二十五 掃瞄存成 DICOM 圖檔之紙張 12 導程心電圖報告 圖二十六 心電圖特徵點的分析

圖二十七 系統架構圖

表目錄

表一 外顯式表現值為 OB,OW,OF,SQ,UT 或 UN 時的資料元素結構 表二 外顯式表現值為表一以外時的資料元素結構

表三 內隱式表現值的資料元素結構 表四 階層標籤

表五 非定義長度內隱式階層式結構 表六 非定義長度外顯式階層式結構 表七 長度定義內隱式階層式結構 表八 SCP-ECG 轉換 DICOM 導程順序

表九 DICOM 12 導程心電圖檔案中之自訂標籤

表十 DICOM Supplement 30 中所定義波形物件之媒體儲存服務 物件二元組之分類識別碼

第一章 序論

1.1 研究動機

數位化保存資料，是現在的一個必然趨勢，因為數位化資料不會 受到時間、空間而改變。減少了資料遺失的問題，以及減少了大量的 實體存放空間；更增加了資料調閱的速度。一般醫療院所保存心電圖 資料，僅留存測量當時的紙張心電圖，而紙張心電圖需要人工整理分 類，會有遺失的可能，且需要空間來保存。紙張心電圖一旦保存時間 過長，受到髒污沾染影響而無法判讀。以現今醫院臨床所使用的 12 導程心電圖儀來說，雖然已經有許多商用心電圖儀提供數位化資料，

但它們卻是使用自身專屬格式的數位化資料來儲存，使心電圖數位資 料無法整合至醫院資訊系統(HIS)，或者必須購買其昂貴的專用軟 體，方能使用。對於心電圖資料的研究分析、交換仍造成了相當大的 困擾。所以發展一種可以整合到 HIS 下儲存的心電圖報告格式是有其 必要性的，如果又能夠直接透過現存的 PACS 模組以 DICOM 瀏覽器檢 視心電圖報告將是目前最節省醫療成本的作法。

1.2

研究目的

本研究主要目的是透過本實驗室先前發展的 SCP 解碼工具，將 SCP 的醫療診斷資訊及原始訊號萃取出來[1]。並根據 DICOM 3.0 補充文 件所規範的 12 導程心電圖儲存格式[2]，將此資訊匯入本研究發展的 閘道伺服器轉成 DICOM 的格式。並透過 HIS 下數位影像儲存通訊系統 (PACS)模組的 DICOM 瀏覽器，醫療人員可從網際網路上瀏覽心電圖的 報告，並可存取原始訊號作進一步的訊號分析。

第二章 背景知識

2.1 標準 12 導程心電圖

心電圖是顯示心臟電生理訊號變化情形的圖形[3]。由於心臟肌 肉是人體唯一具有自發性及規律跳動的肌肉，從心臟傳導系統所產生 的電流，刺激整個心臟肌肉的纖維收縮。電流的產生及傳導會於身體 表面產生微弱的電流分佈，由此電流即可測量出心臟電位的變化，描 繪出心電圖。如圖一、二所示，12 個導程包含了 6 個肢導程(limb Leads) 及 6 個胸導程(chest leads)，依據每個不同向量的電位量測而獲得。

而 6 個肢導程又分為標準雙極導程(bipolar standard leads)與加壓 單極導程(unipolar augmented extremity leads)。標準雙極導程所 測得的訊號為兩特定點之間的電位差，如圖三、四分別將電極連接於 左手、右手及左腳上。以V^LA為左手電位、V^RA為右手電位、V^LL為左腳電 位，量取兩電極間的電位差，取得三組訊號其定義為[4]：

I ＝ V^LA - V^RA...(1) II ＝ V^LL - V^RA...(2) III ＝ V^LL - V^LA...(3) 其中三個導程的關係為：

II ＝ I + III...(4)

而加壓單極導程的 aVR、aVF 及 aVL 可由標準雙極導程求得，其定義 為：

aVR ＝ -(I+II) /2...(5) aVF ＝ (I-III) /2...(6) aVL ＝ (II+III)/2...(7)

圖一 12 導程心電圖測量之肢導程示意圖[5]。

圖二 12 導程心電圖測量之胸導程投影空間分佈位置圖[6]。

圖三 測量 12 導程心電圖肢導程之標準雙極導程連接上肢範例。

圖四 測量 12 導程心電圖肢導程之標準雙極導程連接下肢範例。

2.2 心電圖數位輸出的格式

目前心電圖數位輸出格式是以心電圖標準的標準化通訊協定 (Standard Communication Protocol for Computer-Assisted Electrocardiography，SCP-ECG)[7]為主。SCP-ECG 是於 1989 年，

歐洲標準化委員會(European Committee for Standardization，CEN) 為了統一心電圖數位輸出所開始制訂的標準，並在 1993 年以後逐漸 成為歐美及日本心電圖儀器製造商所廣泛使用的標準。但由於 SCP 的 定義在某些方面模糊不清[8]，使得廠商曲解原意，在 SCP 標準上自 行定義，因而產生各家儀器廠商所產生的數位心電圖檔案雖然是以 SCP 格式儲存，但是在未定義明確的地方使用未公開的加密自訂格式

來儲存。

2.3 DICOM

DICOM(Digital Imaging and Communication in Medicine)標準 [9]是由美國放射學會(American College of Radiology, ACR)及美 國電器製造商協會(National Electrical Manufacturers

Association, NEMA)於1970年代以後陸續發展修訂而成的數位醫學 影像及傳輸標準。建立DICOM標準的目的是為了推動開放式的醫學數 位影像的傳輸與交換，使醫學數位影像之間的傳輸不會因為設備的廠 牌、型號、檔案格式不相同而無法交換。目前DICOM最新的版本是3.0，

於2004年最新公布的標準文件一共有18章。其中描述了DICOM的的檔 案結構、儲存方法、資料交換傳輸、儀器規範、壓縮規定、網路發佈…

等都有做一個詳盡的介紹。

2.3.1 DICOM 檔案格式與結構

DICOM 3.0的檔案是由許多資料元素(Data Element)所組成的一 個資料集(Data Set)，而資料元素中紀錄著每個元素的標籤、表現值 (Value Representation, VR)、值長度以及資料內容如圖五所示。標 籤是由四個位元組所表示的，前兩個位元組稱之為群組編號(Group Number)；後兩個位元組之為元素編號(Element Number)。依據DICOM 所制訂的標準，群組編號必須為偶數，若群組編號為奇數則代表是使

用者自訂的標籤。表現值是定義該標籤所儲存資料的資料型態，依據 資料大小的範圍給予明確的定義，例如時間(TM)、日期(DA)、長字串 (LO)…等。值長度則是記錄了該資料集的資料內容欄位的長度(不包 含標籤、值表示法、值長度)，附帶一題的是，值長度顯示也必須為 偶數，若資料內容為奇數長度，則必須幫資料內容補上空字元或是0 來保持資料長度為偶數的條件。

另外，資料元素有三種類型，如表一、表二分為外顯式表現值 (explicit VR)及表表三內隱式表現值(implicit VR)兩種，其中又依 照著表現值的不同，外顯式又有著兩種不同的儲存格式。

圖五 DICOM資料集和資料元素結構[10]。

表一 外顯式表現值為OB, OW, OF, SQ, UT 或UN 時的資料元素結 構[10]

表二 外顯式表現值為表一以外時的資料元素結構[10]

表三 內隱式表現值的資料元素結構[10]

在 DICOM 3.0 中為了辨認階層結構關係，在資料辭典[11]中一共 有三個標籤來標示其階層關係。如表四，這三個標籤分別為

(FFFE,E0DD)回到上一層目錄。如圖六所示，以本研究的波形訊號為 例，在波形序列所代表的標籤為(5400,0100)，而在這個標籤中的值 內容又包含了波形通道數、取樣頻率、波形定義序列(Channel Definition Sequence)、取樣點、解析度以及波形資料等標籤及內 容，而在波形定義序列中又分別記錄了每一個通道的來源序列

(Channel Source Sequence)、靈敏度、解析度…等資訊。透過這三 個標籤，可以明確的將同類型的資料，如 12 個導程分類及設定。

表四 階層標籤[10]

Tag VR Name VM

(FFFE,E000) UN Item 1 (FFFE,E00D) UN ItemDelimitationItem 1 (FFFE,E0DD) UN SequenceDelimitationItem 1 注意：(FFFE,E000)、(FFFE,E00D)、(FFFE,E0DD)三個標籤的表 現值是不存在的。

圖六 DICOM 波形之巢狀式階層分類示意圖。

如表五所示，當資料元素為內隱式表現值時，標籤(FFFE,E000) 的前一個資料元素表現值為物件序列(Sequence of Items,SQ)時，其 長度為 FFFFFFFFH 非定義長度時，在標籤(FFFE,E000)後的長度若有 定義，則不需(FFFE,E00D)來顯示結束目前階層，相反的，若長度定 義為 FFFFFFFFH，則需要(FFFE,E00D)來顯示結束目前階層，並在最 後需要(FFFE,E0DD)來代表結束所有階層。

表五 非定義長度內隱式階層式結構[10]

如表六所示，當資料元素為外顯式表現值時，標籤(FFFE,E000) 的前一個資料元素表現值為 SQ 時，其長度為 FFFFFFFFH 非定義長度 時，在標籤(FFFE,E000)的長度定義其子階層的長度之後仍需要 (FFFE,E0DD)來定義結束所有的階層。

表六 非定義長度外顯式階層式結構[10]

如表七所示，當資料元素為內隱式表現值時，標籤 (FFFE,E000) 的前一個資料元素表現值為 SQ 時，其長度完整的定義了該階層的總 長度，僅需使用標籤(FFFE,E000)的長度定義其子階層的長度，因此 並不需要結束標籤(FFFE,E00D)、(FFFE,E0DD)

表七 長度定義內隱式階層式結構 [10]

2.3.2 波形訊號交換

在 2000 年 DICOM 所新增的第三十號補充文件(Supplement 30：

Waveform Interchange)[2]將原本未規範的波形詳細定義在本文件 中，其中包含了一般的音訊、一般心電圖、12 導程心電圖…等。可 紀錄多導程且連續的數位波形訊號儲存於 DICOM 檔案中。使 DICOM 標 準不僅支援原本的醫療影像，更新增加了波形儲存交換的功能。

標準化數位心電圖對於電子病歷的管理可以更容易保存，而且能 與其他電子病歷研究、分析及診斷。除了 SCP 與 DICOM 之外，也有許

多研究學者提出相關的探討。較普遍傳統的方法是掃瞄成圖檔再對圖 檔進行數據的擷取，僅能取得與原始資料相近的波形。

OpenECG[12]是一個推動數位心電圖公開化的一個組織，希望將 心電圖的數據資料、診斷資訊公開呈現，避免醫用儀器廠商加密心電 圖資料，增加數據交換的繁複，因此另推動 DICOM[9]以及 XML[13]

等心電圖檔案格式。美國食品藥物管制局(Food and Drugs

Administration, FDA)有制訂一套 XML 的心電圖標準[14]。只要使用 符合標準之瀏覽器，即可檢視心電圖 XML 檔案之波形數據、診斷資訊 以及提供醫療研究人員進行分析，以提高心電圖原始資料的存取方便 性、資訊交換性與使用效率。ET van der Velde 在 1998[15]與 1999[16]

年中的文獻中提及將醫療影像與生理訊號同時進行診斷分析，同步顯 示於 DICOM 瀏覽器上，並實際於德國 Leiden 和 Kiel 兩所醫院進行實 驗。因而提出數位波形資料也能和影像一併儲存為 DICOM 格式，進而 保存顯示及診斷。V Sakkalis 在 2003 年所發表的文獻中[17]，建立 一個根據特定儀器所產生的 SCP-ECG 轉換為 DICOM 的通訊閘，並且發 佈於 OpenECG 中提供使用，雖然可以取出原始數據波形資料，但經過 轉換後無法保存心電圖診斷資訊。林欣怡在 2003 年提出了將心電圖 儲存為 DICOM 檔案格式[18]，可是在心電圖數據的取得，依舊是使用 圖檔來擷取，而非原始數據。

第三章 研究方法

3.1 SCP-DICOM ECG 轉檔程式

根據先前本實驗室的研究[1]，可將 SCP 檔案解讀為以下兩部分：

第一部份是 SCP 心電圖診斷資訊，其中包含了受測者的個人資訊（如 圖七），如：病歷號碼、姓名、性別、測量日期、測量時間以及心電 圖儀診斷結果；另一部份則是 SCP 解碼後的波形原始數據資料，其中 包含了約 2.5 秒的十二導程以及約 10 秒鐘的{I, II, III}三個導程 的資料（如圖八、九）。延伸之前的研究，本研究更進一步的將 SCP 轉換成為 DICOM 檔案格式。在 MATLAB[19,20]的影像工具箱中可以解 讀 DICOM 檔案。但寫入 DICOM 檔案卻僅支援影像物件，而不支援將數 位波形資料寫入 DICOM 檔案中。為解決此問題，本研究依據 DICOM 的 標準檔案格式自行撰寫 MATLAB 程式。

為了符合 DICOM 12 導程心電圖的規範，首先，以波形資料來看，

如圖十所示，將 12 組心電圖訊號以三個導程為一組，根據心電圖儀 擷取資料的切換順序將資料延長，並將沒有資料的部分以 0 補足(如 圖十)。再將約 10 秒鐘的{I, II, III}三個導程置換原本經過延長後 的{I, II, III}(如圖十一)。由於 DICOM 12 導程心電圖的導程順序 不同於 SCP-ECG。因此，導程順序根據表一重新排列並計算所有訊號

總長度，作為稍後檢查波形序列(5400,0100)及波形資料(5400,1010) 長度修改的依據(如圖十三)。接著，將波形資料以表現值 OW 寫入標 籤(5400,1010)，OW(Other Word String)代表資料內容以 16-bit 的 型態寫入，波形內容包含了 12 個導程所有的數據資料，每次以 12 個 導程同一時間的取樣點為單位依序排列，根據這樣的排列方式寫入 DICOM 檔案中。最後，修改波形序列(5400,0100)及波形資料

(5400,1010)以及定義波形序列階層(FFFE,E000)的值長度以確認波 形數據部分的完整。

其次，針對標頭資訊的重要診斷資訊寫入DICOM檔案中。由於在 DICOM文件中的資料辭典內[11]，並沒有針對心電圖診斷資訊所定義 的標籤。因此本研究如表九所示，自訂標籤儲存心跳、PR波寬、QRSD 波寬、QT的寬度、QTc以及P、QRS、T波的軸向，還有電腦診斷資訊的 資訊寫入DICOM檔案中，以US(Unsigned Short)代表 0~2¹⁶大小範圍的 數字或LO來定義自訂標籤的資料型態。藉此來保持心電圖診斷資訊的 完整。整個程式流程如圖十三即所示。

表八 SCP-ECG 轉換 DICOM 導程順序

SCP I II III aVR aVL aVF V1 V2 V3 V4 V5 V6 DICOM I II V1 V2 V3 V4 V5 V6 III aVR aVL aVF

圖七 SCP 心電圖診斷資訊。

圖八 SCP 解碼後的 12 個短導程(2.5 秒記錄)之波形原始數據資料。

圖九 SCP 解碼後的 3 個長導程(10 秒紀錄)波形之原始數據資料。

圖十 DICOM 12 導程心電圖規範波形存放方式。

圖十一 修正 SCP 轉換為 DICOM 12 導程呈現方式。

圖十二 儲存 DICOM 12 導程心電圖之導程順序。

表九 DICOM 12 導程心電圖檔案中之自訂標籤

Tag VR Name VM

(5401,0001) US HeartRate 1

(5401,0002) US PR 1

(5401,0003) US QRSD 1

(5401,0004) US QT 1

(5401,0005) US QTc 1

(5401,0006) US P 1

(5401,0007) US QRS 1

(5401,0008) US T 1

(5401,0009) LO Anno_Line1 1

(5401,000A) LO Anno_Line2 1

(5401,000B) LO Anno_Line3 1

(5401,000C) LO Anno_Line4 1

(5401,000D) LO Anno_Line5 1

(5401,000E) LO Anno_Line6 1

(5401,000F) LO Anno_Line7 1

(5401,0010) LO Anno_Line8 1

(5401,0011) LO Anno_Line9 1

(5401,0012) LO Diagnosis 1

Start

圖十三 SCP 轉換 DICOM 12 導程心電圖之 MATLAB 程式流程圖。

讀取標頭資訊

讀取訊號檔案

End 延長訊號長度

分析數據 診斷訊息

訊號

置換長導程

導程順序交換 訊號

計算訊號長度

寫入自訂標籤 寫入波形長度

寫入波形資料

病歷號碼

擷取時間日期 訊號長度

階層長度

DICOM

3.2 開發 DICOM 12 導程心電圖瀏覽器

為了呈現在前一節所提到轉換的檔案，在本節將會在開發一套瀏 覽器，不僅可以顯示 DICOM 12 導程心電圖，更可以顯示原本的影像 物件。瀏覽器透過 MATLAB 中的影像處理程式讀取 DICOM 檔，藉由 DICOM 3.0 中 所 定 義 的 媒 體 儲 存 服 務 物 件 二 元 組 之 分 類 識 別 碼 (Media Storage Standard SOP Classes UID)識別標籤(0002, 0002)內容為 DICOM 物件為影像或波形。當程式讀取二元組分類識別碼(SOP Class UID)確認為 DICOM Supplement 30 中所定義的波形物件類型－12 導 程心電圖之後，開始解讀波形資料。波形資料儲存於標籤(5400,1010) 之資料元素中，每 2 bytes 代表一筆資料，並且每次記錄同一時間 12 導程之電位。經由標籤(003A,001A), (003A,0010)分別取得心電 圖波形取樣頻率及取樣點，而取樣時間則可由取樣頻率及取樣點計算 得到。

根據這些資料，即可繪製典型 12 導程 ECG。將 12 導程波形資料 依照四等分進行分割，根據所得到的取樣時間及頻率依照 X 軸一大格 代表 0.25 秒，Y 軸一大格代表 0.5mV 換算之後繪製在網格上。最後，

本研究所產生之 DICOM 12 導程心電圖文件根據上一節表 2 的自訂標 籤來記錄診斷說明之內容，其中包含了典型 12 導程 ECG 的心跳、PR 波寬、QRSD 波寬、QT 的寬度、QTc 以及 P、QRS、T 波的軸向，還有

電腦診斷資訊。瀏覽時，經由這些自訂標籤的內容呈現於瀏覽器畫面 之上。

表十 DICOM Supplement 30 中所定義波形物件之媒體儲存服務物 件二元組之分類識別碼

SOP Class UID SOP Class Name

1.2.840.10008.5.1.4.1.1.9.1.1 12-lead ECG Waveform Storage 1.2.840.10008.5.1.4.1.1.9.1.2 General ECG Waveform Storage 1.2.840.10008.5.1.4.1.1.9.1.3 Ambulatory ECG Waveform Storage 1.2.840.10008.5.1.4.1.1.9.2.1 Hemodynamic Waveform Storage

1.2.840.10008.5.1.4.1.1.9.3.1 Cardiac Electrophysiology Waveform Storage 1.2.840.10008.5.1.4.1.1.9.4.1 Basic Voice Audio Waveform Storage

3.3 開發可攜式心電圖儀介面

本研究想要以 DICOM 12 導程心電圖作為檔案儲存格式，取代一 般心電圖儀及擷取裝置使用 SCP-ECG 和文字數據資料來進行可攜式 心電圖儀的開發。在目前缺少硬體設備的情況下，本研究先行開發使 用者介面，希望能夠使介面更佳容易操作。

可攜式心電圖儀介面使用 MATLAB 的 GUI（Graphic User

Interface）進行開發。將前兩節的 SCP-DICOM ECG 轉換程式與 DICOM 12 導程心電圖瀏覽器整合在一起。暫時由文字檔取代輸入原當作暫 存空間，直接讀取由 SCP-ECG 所解讀出來的波形數據資料。首先，可 以透過操作介面輸入病歷號碼（Patient ID）、授權碼（Accession Number）以及擷取時間。接著，從按下「開始鈕」之後開始記錄心電 訊號變化。擷取結束之後，會先將 12 個導程同時顯示在螢幕上，另 外還可每次顯示以三個為一組的導程，分別是：{I,II,III}、

{aVR,aVL,aVF}、{V1,V2,V3}、{V3,V4,V5}四組導程。最後，將擷取 時間、日期、病歷號碼以及訊號資料以 DICOM 12 導程心電圖格式寫 入標籤

第四章 結果

如圖十四所示，為了瞭解 DICOM 檔個檔案結構所撰寫的程式，顯 示每一個 DICOM 資料元素。圖十五為使用 MATLAB 顯示 DICOM 檔案架 構。圖十六為點選進入波形序列(Waveform Sequence)的內容顯示。

圖十七為一般筆記本開啟 SCP 心電圖檔案所看到的畫面呈現。透過本 研究的閘道伺服器轉換之後所產生的 DICOM 12 導程心電圖如圖十八 所示。若將心電圖以 DICOM 影像方式儲存，透過瀏覽器所顯示畫面則 如圖十九。圖二十是將本研究所轉換的檔案使用網路上所提供的 DICOM 波形瀏覽器[21]所顯示，由於比例顯示的關係，無法顯示較清 晰的心電圖波形，並且可以看到該瀏覽器無法支援顯示診斷資訊。如 下圖二十一為可攜式心電圖儀介面。操作者僅需輸入病歷號碼、授權 碼和測量時間，即可開始進行心電圖量測。於測量完畢之後將所量測 到的心電圖波形顯示在程式視窗右方。其中，除了一次檢視 12 導程，

還可以選擇不同的導程來檢視，本介面目前提供了{I, II, III}、{aVR, aVL, aVF}、{V1, V2, V3}、{V4, V5, V6}四種檢視模式。而圖二十 二為介面上傳控制設定，預先設定好資料庫伺服器位置及帳號密碼，

及可以在心電圖量測完畢之後將 DICOM 心電圖檔案上傳至資料庫。如 圖二十三所示，以可攜式心電圖儀介面開啟 DICOM 影像檔案。使本介

面不僅可以擷取心電圖訊號，更結合了 DICOM 影像瀏覽器的功能。

圖十四 DICOM 12 導程心電圖的資料元素。

圖十五 使用 MATLAB 顯示 DICOM 檔案結構圖(1) 。

圖十六 使用 MATLAB 顯示 DICOM 檔案結構圖(2) 。

圖十八 以 DICOM 形式儲存的 12 導程心電圖報告。

圖十九 掃瞄紙張 12 導程之心電圖報告。

圖二十 DICOM 波形瀏覽器顯示 DICOM 12 導程心電圖[21] 。

圖二十一 可攜帶式心電圖儀使用者介面。

圖二十二 可攜帶式心電圖儀檔案上傳設定。

圖二十三 瀏覽器顯示 DICOM 影像物件畫面。

第五章 討論

5.1 SCP-DICOM ECG 轉檔程式測試分析

本研究所轉換的 SCP 檔案由財團法人為恭紀念醫院所提供，到目 前為止一共有 7906 例。本研究將分析資料及原始數據從 SCP 檔案萃 取出來，以 DICOM 12 導程心電圖格式儲存，其檔案大小約在 60~65K bytes 之間。然而，使用傳統掃瞄方式，將心電圖以全彩掃瞄紙張心 電圖儲存為 PNG 格式，再將掃瞄的影像檔案，經過灰階處理，儲存為 DICOM 影像圖檔，檔案大小約為 1~2 M bytes。使用 DICOM 影像來儲 存心電圖資料，不僅無法直接取得文字診斷說明以及原始資料提供研 究人員分析，檔案大小也會隨著掃描器的解析度有所不同。

在本轉檔程式開發的時候，較困難的部分是階層結構的建立。在 研究初期的時候，雖然將訊號成功的加入資料波形標籤，可是未將階 層長度定義完整，但卻仍舊可以在 DICOM 波形瀏覽器[21]上顯示，因 此在增加自訂標籤於檔案最後時，MATLAB 無法正確的解讀自訂標籤。

因此，本程式特別加強了每個標籤長度與內容對照的識別能力，在寫 入標籤內容之後，都會重新計算內容長度。

5.2 DICOM 12 導程心電圖瀏覽器測試分析

如圖二十四、二十五所示，分別為本研究開發之瀏覽器顯示 DICOM 12 導程心電圖以及 DICOM 影像圖檔顯示之畫面。雖然，同樣以 12 導程心電圖方式呈現，但是，以影像圖檔製作成 DICOM 的心電圖會 因為原始掃瞄的紙張心電圖污損而不清晰，並且從影像中無法直接 取得文字診斷訊息以及數位心電圖的原始數據。僅能將檔案保存，

而無法提供醫療研究人員作進一步的分析。而本研究所轉換的 DICOM 檔案保留了原始的心電圖波形數據，如圖二十六所示，可以提供研 究者大量而開放的心電圖波形數據作為病症特徵點的分析…等研 究。

圖二十四 DICOM 12 導程心電圖報告。

圖二十五 掃瞄存成 DICOM 圖檔之紙張 12 導程心電圖報告。

圖二十六 心電圖特徵點的分析。

5.3 未來發展

未來發展可如圖二十七的系統架構圖所示，將心電圖儀從受測者 身上所得到的 SCP 心電圖檔案，匯入本研究所開發的 SCP-ECG 轉換 DICOM-ECG 閘道伺服器，將 SCP 檔案轉換成 DICOM 12 導程心電圖。

與醫院資訊系統連接將檔案透過 PACS 模組儲存到 PACS 資料庫中。醫 療人員可從網際網路上連接到醫院資訊系統，使用本機端的 DICOM 12 導程心電圖瀏覽器來觀看心電圖報告，並由得到原始訊號作進一步的 分析。

圖二十七 系統架構圖。

醫療資訊的標準化及交換對醫院電子化的發展過程是非常重要 的一環。因此，需要一套統一的標準格式作為交換的基礎，並且能將 原有的儲存形式轉換為新式的標準格式儲存。本研究以 12 導程心電 圖為例，設計了一套閘道伺服器，可以將心電圖原有的 SCP 標準轉換 成為醫院已經普遍通用的 DICOM 檔案格式。醫療人員可從網際網路上 連接到 HIS，使用本機端的 DICOM 12 導程心電圖瀏覽器來觀看心電 圖報告，並由得到原始訊號作進一步的分析。對醫院來說，將 DICOM 12 導程心電圖整合進醫院資訊系統，不需重新購買新式心電圖儀設 備及其專屬瀏覽軟體。僅需將舊有之心電圖儀與醫院資系統的 PACS 模組中間建立本研究的閘道伺服器軟體。即可將 SCP 心電圖資料轉換 為 DICOM 的格式儲存在 PACS 的影像資料庫中，與 HIS 結合。電子化 可以解決固有紙張病歷缺點，如：污損、存放空間、保存期限、查詢 不易…等。而標準化可以增加電子化流通的速度，不會因為檔案格式 的不相容而無法讀取。電子化大量精簡了多餘的人力、物力、時間上 的問題。因此，使用標準電子化絕對是醫療院所必須要面正視的問題。

原始數據對於醫療人員來說僅是一堆數字，但是對研究人員來說 卻是相當重要的研究資料，透過與 HIS 的結合，可以迅速的查詢相關 病歷、診斷報告、檢驗數據，予以做出做精準的分析。

目前本研究的 DICOM 12 導程心電圖瀏覽器產生的心電圖報告。

是屬於唯讀型態，將可在未來的研究中，研究互動式的心電圖報告，

醫師可在檢視心電圖報告時，另外附加註解欄位於心電圖報告上，而 不影響原本心電圖的報告。本研究希望能與醫院合作，將本套系統整 合實際在醫院資訊系統上進行測試。 目前，也有學者廣為研究可擴 充標示語言（Extensible Markup Language, XML）[13]。XML 文件 只要資料結構、語意和資料值定義明確，應用程式即能依 XML 自我定 義(self-defining)之特性解讀 XML 文件。XML 本身只是文字資料，

因此不需要任何專用軟體。以心電圖類型的原始數據來說，能使用可 變式向量圖形(Scalable Vector Graphics, SVG)來呈現，且不會因 為畫面縮放及解析度而造成呈現的數據失真。是否可以整合至醫院標 準，也是值得研究探討的方向。

參考文獻

[1] CC Chiang, YC Yang, WC Tzeng, WD Tseng, JC Hsieh , "A SCP Compatible 12-Lead Electrocardiogram Database for Signal Transmission, Storage and Analysis", IEEE Computers in Cardiology, Vol 31, 621-624, 2004.

[2] DICOM Supplement 30, Waveform Interchange, Nat. Elect.

Manufacturers Assoc.: ARC-NEMA, Digital Imaging and Communications, NEMA, Washington D.C., 2000.

[3] WB Fye, "A history of the origin, evolution, and impact of electrocardiography", Am. J. Cardiol. Vol 73, 937-949, 1994.

[4] Richard Aston, Principles of Biomedical Instrumentation and Measurement, MERRILL, p188, 1990.

[5] Mary B. Conover, Pocket guide to electrocardiography.

p33, 1999.

[6] Mary B. Conover, Pocket guide to electrocardiography.

p4, 1999.

[7] Standard Communication Protocol for Computer-Assisted

Electrocardiography, CEN/TC 251/N02-015, 2003.

[8] F Chiarugi, PJ Lees, CE Chronaki, M Tsiknakis, SC Orphanoudakis, "Developing Manufacturer-Independent Components for ECG Viewing and for Data Exchange with ECG Devices: Can the SCP-ECG Standard Help?", IEEE Computers in Cardiology, Vol 28, 185-188, 2001.

[9] http://medical.nema.org/.

[10] DICOM 3.0 Part 5. Data Structure and Encoding, 2003.

[11] DICOM 3.0 Part 6. Data Dictionary, 2003.

[12] http://www.openecg.net/.

[13] http://www.xml.org.tw/.

[14] Brown B, Kohls M, Stockbridge N： FDA XML Data Format Design Specification ： http://www.cdisc.org/discussions/EGC/FDA__XML_Data_F ormat_Design_Specification_DRAFT_C.pdf.

[15] E. T. van der Velde, H. Oon, A. Kleijhorst, G. de Steur, S. Meji, N. H. van der Putten, H. J. Spruijt, M. G. J.

M. Gerritsen, and M. H. Baljon, "A testbed project for DICOM images and waveforms integration", IEEE Computers

in Cardiology, Vol 25, 325-328, 1998.

[16] T Becker, ET Van Der Velde, M Baljon, G De Steur, MGJM Gerritsen,S Meij, "The development of an application profile for DICOM waveforms in the cathlab", IEEE Computers in Cardiology, Vol 26, 97-99, 1999.

[17] V Sakkalis, F Chiarugi, S Kostomanolakis,CE Chronaki, M Tsiknakis, SC Orphanoudakis, "A gateway between the SCP-ECG and the DICOM supplement 30 waveform standard", IEEE Computers in Cardiology, Vol 30, 25-28, 2003.

[18] 林欣怡, "發展標準DICOM心電圖儲存與診斷系統" 陽明大學, 民92.

[19] 張智星，MATLAB程式設計與應用：清蔚科技, 2000.

[20] William J., "Introduction to MATLAB 6 for Engineers":McGRAW-HILL, 2001.

[21] http://www.excel-medical.com/waveforms/Viewer/Dicom WaveformViewer.htm.