La compression d'images médicales DICOM

21/08/2018

La quantité de donnée phénoménale générée par l'imagerie médicale nécessite de réfléchir à la diminution des coûts de stockage et de transfert.

La compression est une technique qui permet de réduire la taille d'une image et permet ainsi de stocker plus d'images dans un même espace et de les transférer plus rapidement d'un point A à un point B.

Pour compresser, l'algorithme peut exploiter la redondance des données et les limitations de l'œil humain.

Ainsi, il y a 2 grandes familles d'algorithmes :

  • Avec perte : le taux de compression est amélioré en contre-partie d'une perte d'information généralement indiscernable par l'œil humain. Cette altération ne doit pas provoquer une erreur de diagnostique.
  • Sans perte : il n'y a aucune perte d'information, lors de la décompression nous retrouvons exactement les mêmes données qu'au départ (avant compression). Des paramètres peuvent être modifiés pour améliorer le taux de compression au détriment d'une utilisation mémoire et processeur plus importante.

Chaque algorithme de compression a ses avantages et ses inconvénients.

Il n'y a pas d'algorithme universel qui soit efficace quelque soit le type de données.

L'algorithme et ses paramètres doivent être choisis suivant les caractéristiques de l'image que l'on souhaite compresser ainsi que la précision nécessaire au diagnostique. Par exemple, une image de mammographie doit offrir une qualité supérieure à une image d'échographie.

La législation sur la compression d'images médicales

Le domaine de la santé étant sensible et réglementé, il est nécessaire de se conformer à la législation.

En matière de remboursement, l'article sur la prise en charge par l'assurance maladie indique "ces images doivent être disponibles en accès immédiat sur le site pendant au moins trois ans à compter de la date de l'examen. Au-delà de trois ans, l'accès peut être différé ... En ce qui concerne l'archivage en accès différé, une compression plus importante sera admise (DICOM lossy) ".

Concernant la compression avec perte (DICOM lossy), le seuil acceptable pour un diagnostique est prédéfini dans le logiciel qui comme tout dispositif médical devrait être certifié CE Medical.

Si par exemple un service souhaite conserver ses images sur 10 ans avec une production d'images de 4 Téra-Octets par an :

  • sans aucune compression = 40 To (4 * 10)
  • avec compression sans perte 1:2 sur 3 ans puis avec perte 1:5 sur 7 ans = 11,6 To (3x4/2+7x4/5)

Les caractéristiques d'une image médicale DICOM

Une image DICOM est une image au sens classique (un tableau de pixels) mais respectant le standard DICOM, c'est à dire avec un entête contenant des informations sur le type d'examen, l'identité du patient, etc, il est donc possible d'appliquer à une image DICOM n'importe quel algorithme initialement conçu pour la photographie.

C'est par exemple le cas de l'algorithme JPEG (Joint Photographic Experts Group) intégré au standard DICOM.

Mais 2 caractéristiques distinguent une image DICOM d'une photographie "classique" :

  • Les images DICOM sont très majoritairement en noir et blanc, certaines peuvent être en couleurs comme une échographie ou une reconstruction 3D. La plupart des algorithmes et leurs paramètres dans la photographie sont optimisés pour la couleur.
  • Elles ont généralement une profondeur de 4096 niveaux de gris (12 bits), une photographie "classique" ne pourra "en théorie" rendre que 256 niveaux de gris.

Une image DICOM peut avoir différentes résolutions mais elles sont généralement standardisées par le constructeur suivant le type d'examen effectué.

Et comme le type et les paramètres de l'examen médical sont indiqués dans l'entête de l'image DICOM, il est donc possible d'appliquer des paramètres de compression les plus adaptés.

Les limites du standard DICOM

Le standard DICOM n'intègre que les algorithmes RLE, JPEG et JPEG 2000.

Les constructeurs ou les éditeurs de logiciels ne couvrent généralement pas correctement cette partie du standard. Des incompatibilités lors de la communication d'images compressées sont fréquentes, il est donc courant de décompresser une image DICOM avant de pouvoir la communiquer à un autre appareil.

Pour le stockage et une communication interne avec vos propres solutions, il n'est pas nécessaire de respecter le standard DICOM, par exemple :

  • les images peuvent être compressées automatiquement en utilisant l'algorithme LZW lors de la réception puis décompressées automatiquement lors du transfert vers un autre appareil.
  • ou utiliser votre propre algorithme exploitant les ondelettes pour communiquer par internet entre votre application web et votre PACS.

Mais il faut toujours prévoir la possibilité de reconstruire l'image au standard DICOM pour des raisons d'interopérabilité avec les autres acteurs de l'imagerie médicale.

Quelques algorithmes

Par dictionnaire adaptable

L'algorithme crée un dictionnaire au fur et à mesure qu'il parcourt les données, si il rencontre une chaîne déjà présente dans le dictionnaire, il la remplace par son numéro d'index du dictionnaire. L'algorithme LZW est l'un des plus connu.

Cette technique se prête mieux aux données textuelles qu'aux images, elle est donc adaptée pour l'entête de l'image DICOM principalement constituée de données textuelles.

Entête DICOM originale Entête compressée avec LZW
3746 octets 1762 octets

JPEG-LS (JPEG lossless)

Le JPEG-LS garantit une compression sans perte d'information, il est optimisé pour les images numériques.

Le JPEG-LS n'utilise pas du tout le même algorithme que le JPEG "classique".

Compresser une image avec JPEG "classique" en indiquant une qualité de 100% n'est pas une compression sans perte, en effet l'algorithme fera des erreurs d'arrondies.

Exemple de compression d'une image DICOM avec JPEG-LS :

Image originale Image compressé avec JPEG-LS
817216 octets 254216 octets

JPEG et JPEG 2000

Pour déterminer les parties de l'image les moins significatives pour l'œil humain, le JPEG utilise la transformée de Fourier tandis que le JPEG 2000 utilise la transformée en ondelettes.

Globalement le JPEG 2000 est plus performant que le JPEG, principalement dans le transfert d'images par internet grâce au protocole JPIP parfaitement adapté à l'imagerie médicale, en effet le JPIP permet de télécharger uniquement la zone de l'image demandée. Mais, plusieurs parties du JPEG 2000 sont brevetées ce qui empêche de l'exploiter librement.

Le JPEG est toujours très utilisé, il est normalisé et libre d'utilisation, il a fait ses preuves pour le stockage et le transfert sur un réseau local.

Tandis que le JPEG 2000 sera préféré pour une utilisation par Internet puisqu'il offre plus de possibilités d'optimisation. Par exemple, le médecin radiologue peut visualiser immédiatement une zone précise de l'image en haute résolution sans devoir attendre le téléchargement total de l'image.

Exemple de compression d'une image DICOM avec JPEG :

Image originale Qualité 100% avec JPEG Qualité 90% avec JPEG
817216 octetsdoepierre 84732 octetsdlossy100 23720 octetsdlossy90

La compression 3D et autres

L'organisation des données de certains types d'examens permet d'améliorer le taux de compression.

Dans le cadre de la compression respectant le standard DICOM, les images sont compressées indépendamment les unes des autres.

Mais pour un examen de scanner, il est possible de rassembler une série d'images dans un objet 3D pour profiter de la redondance des données entre les coupes. L'objet 3D est ensuite compressé d'un seul bloc.

Il existe d'autres algorithmes de compression applicables aux images médicales DICOM, comme la compression fractale.

Auteurs: Emmanuel ROECKER, Rym BOUCHAGOUR
Formations, Conseil & Développement e-Santé

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