Medical imaging compression for high-performance storage systems

Abstract

Information systems and the medical subject are two widespread topics that have interwoven so that medical help could become more efficient. This relation has bred the PACS and the international standard DICOM directed to the organization of digital medical information. The concept of image compression is applied to most images throughout the web. The compression formats used for medical imaging have become outdated. The new formats that have been developed in the past few years are candidates for replacing the old ones in such contexts, possibly enhancing the process. Before they are adopted, an evaluation should be carried out that validates their admissibility. This dissertation reviews the state of the art of medical imaging information systems, namely PACS systems and the DICOM standard. Furthermore, some topics of image compression are covered, such as the metrics for evaluating the algorithms’ performance, finalizing with a survey of four modern formats: JPEG XL, AVIF, and WebP. Two software projects were developed, where the first one carries out an analysis of the formats based on the metrics, using DICOM datasets and producing results that can be used for creating recommendations on the format’s use. The second consists of an application that encodes and decodes medical images with the formats covered in this dissertation. This proof-of-concept works as a medical imaging archive for the storage, distribution, and visualization of compressed data.

Os sistemas de informação e o assunto médico são dois temas difundidos que se entrelaçam para que a ajuda médica se torne mais eficiente. Essa relação deu origem ao PACS e ao padrão internacional DICOM direcionado à organização da informação médica digital. O conceito de compressão de imagem é aplicado à maioria das imagens em toda a web. Os formatos de compressão usados para imagens médicas tornaram-se desatualizados. Os novos formatos desenvolvidos nos últimos anos são candidatos a substituir os antigos nesses contextos, possivelmente potencializando o processo. Antes de serem adotados, deve ser realizada uma avaliação que valide sua admissibilidade. Esta dissertação revisa o estado da arte dos sistemas de informação de imagens médicas, nomeadamente os sistemas PACS e a norma DICOM. Além disso, são abordados alguns tópicos de compressão de imagens, como as métricas para avaliação do desempenho dos algoritmos, finalizando com um levantamento de três formatos modernos: JPEG XL, AVIF e WebP. Foram desenvolvidos dois projetos de software, onde o primeiro realiza uma análise dos formatos com base nas métricas, utilizando conjuntos de dados DICOM e produzindo resultados que podem ser utilizados para a criação de recomendações sobre o uso do formato. A segunda consiste numa aplicação capaz de codificar e descodificar imagens médicas com os formatos abordados nesta dissertação. Essa prova de conceito funciona como um arquivo de imagens médicas para armazenamento, distribuição e visualização de dados compactados.