의료용 디지털 영상 및 통신 표준

3. 구성 (2021년 표준)

DICOM 표준은 여러 파트(Part)로 구성되어 있으며, 각 파트는 특정 기능이나 정보 객체, 서비스 등을 정의한다. 2021년 기준 표준의 주요 구성 요소는 다음과 같다.

이 외에도 표준에는 인쇄 및 데이터 보존에 관한 규정, 개인 정보 보호를 위한 정보 보안 사양, DICOM 형식 데이터에 대한 웹 접근 규정 등이 포함되어 있다. 영문 위키백과에도 관련 사양 목록이 있다.

4. 데이터 형식

DICOM 데이터 형식은 의료 영상과 관련 정보를 하나의 파일 안에 통합하여 관리하는 특징을 가진다. 이는 JPEG 같은 일반 이미지 파일과 달리, 환자 정보 등이 이미지 데이터와 분리되지 않도록 설계된 것이다.^[17] 파일은 기본적으로 여러 정보 항목(속성)과 실제 이미지 데이터(픽셀)로 구성되며, 필요에 따라 여러 이미지 프레임이나 음성 같은 추가 데이터도 포함할 수 있는 컨테이너 포맷의 성격을 띤다. 데이터는 특정 인코딩 규칙과 리틀 엔디안 바이트 순서를 따른다.

4. 1. 데이터 세트와 정보 객체

4. 2. 영상 데이터 표현 및 압축

• 촬영 직후: 비트맵 계열의 RAW 포맷이 주로 사용된다.
• 단기 저장 (서버 등): 데이터 손실이 없는 RAW 포맷, 런 길이 인코딩 (RLE), 무손실 JPEG과 같은 무손실 포맷이 사용된다.
• 장기 저장: JPEG와 같은 손실 포맷이 공간 효율성을 위해 사용될 수 있다.
• 서버에서 뷰어로 전송: 통신 효율을 높이기 위해 JPEG 계열 포맷이 많이 사용되며, JPEG 2000이나 각 시스템의 독자적인 포맷으로 변환하여 전송하는 경우도 있다.

5. 서비스

DICOM 표준은 다양한 서비스로 구성되며, 이들 대부분은 네트워크를 통한 데이터 전송과 관련이 있다. 오프라인 미디어용 파일 형식은 표준에 나중에 추가되었다.

DICOM의 통신 규격은 초기에 RS-232와 같은 시리얼 케이블 통신을 포함한 광범위한 통신 수단을 지원하기 위해 OSI 참조 모델을 따랐다. 그러나 인터넷이 널리 보급되면서 RFC 1122를 따르는 제품이 일반화되었고, 이에 따라 최신 DICOM 사양은 통신 프로토콜로 TCP/IP를 사용하도록 변경되었다. 기존 사양과의 호환성을 유지하며 TCP/IP 네트워크 환경을 지원하기 위해, DICOM은 TCP/IP 위에 자체 프로토콜을 캡슐화하는 방식을 채택했다. 이는 기존 사양의 큰 변경 없이 새로운 네트워크 환경에 적응할 수 있게 했다.

하지만 이러한 캡슐화 방식은 단점도 수반한다. TCP/IP 프로토콜은 네트워크 카드 수준의 하드웨어에서 효율적으로 처리되는 패킷 재구성 등의 작업을, 캡슐화된 DICOM 데이터는 소프트웨어 수준에서 처리해야 한다. 이로 인해 오버헤드가 발생하여, HTTP와 같이 순수하게 TCP/IP를 사용하는 다른 통신 프로토콜에 비해 처리 부하가 크고 전송 속도가 느려질 수 있다. 이러한 이유로 일부 의료기기 제조사들은 다른 회사의 제품과 통신할 때는 표준 DICOM 프로토콜을 사용하지만, 자사의 제품끼리 통신할 때는 더 효율적인 자체 개발 프로토콜을 사용하는 경우도 있다.

5. 1. 저장 (Store)

5. 2. 저장 확인 (Storage Commitment)

5. 3. 조회/검색 (Query/Retrieve)

5. 4. 작업 목록 관리 (Modality Worklist)

5. 5. 수행 절차 단계 (Modality Performed Procedure Step, MPPS)

5. 6. 인쇄 (Print)

5. 7. 오프라인 미디어 (파일)

6. 응용 분야

DICOM은 전 세계적으로 의료 영상을 저장, 교환, 전송하는 데 사용되는 표준이다.^[5] 이는 의료 영상 기술 발전의 핵심적인 역할을 수행해 왔으며, 방사선 촬영, 초음파, 컴퓨터 단층 촬영 (CT), 자기 공명 영상 (MRI), 방사선 치료 등 다양한 영상 방식의 표준을 통합한다.^[5] DICOM은 단순히 이미지를 교환(예: DVD 등 휴대용 매체)하는 것 외에도 이미지 압축, 3D 시각화, 이미지 표시, 결과 보고를 위한 프로토콜까지 포함하고 있다.^[5]

DICOM 표준의 핵심 응용 분야는 의료 영상의 획득, 저장, 배포이다. 이 외에도 영상 관련하여 다음과 같은 기능을 제공한다.

• 영상 절차 작업 목록 관리
• 필름 또는 DVD와 같은 디지털 매체에 영상 인쇄
• 영상 획득 완료와 같은 절차 상태 보고
• 영상의 성공적인 보관 확인
• 데이터 세트 암호화
• 데이터 세트에서 환자 식별 정보 제거 (익명화)
• 검토를 위한 영상 레이아웃 구성
• 영상 조작 및 주석 저장
• 영상 디스플레이 보정
• 심전도(ECG) 인코딩
• 컴퓨터 지원 진단(CAD) 결과 인코딩
• 구조화된 측정 데이터 인코딩
• 영상 획득 프로토콜 저장

또한 DICOM은 영상 또는 영상 작업 흐름과 관련된 다양한 시스템 및 장치에서도 구현된다.

의학의 여러 분야에서는 DICOM 표준 활용을 위한 전담 실무 그룹을 운영하고 있으며,^[23] 영상 촬영이 널리 사용되는 거의 모든 의학 분야에 DICOM이 적용된다.

DICOM 파일 내의 영상 데이터는 상황에 따라 다른 압축 방식을 사용한다. 촬영 직후에는 비트맵 계열의 RAW 포맷이, 서버 등 단기 저장 시에는 화질 열화가 없는 무손실 포맷(RAW, 런 렝스 압축, 무손실 JPEG 등)이 주로 사용된다. 장기 보관 시에는 저장 공간 효율을 위해 JPEG과 같은 손실 포맷을 사용하기도 한다. 서버에서 뷰어로 영상을 전송할 때는 통신 효율을 높이기 위해 JPEG 계열 포맷이 많이 쓰이며, JPEG 2000이나 각 제조사의 독자적인 포맷으로 변환하여 전송하는 경우도 있다. 의료 영상의 색 깊이는 일반적으로 1 바이트(8비트)를 초과하며, 데이터는 리틀 엔디안 방식으로 저장된다.

DICOM은 단순히 이미지만 담는 것이 아니라, 다양한 데이터를 포함할 수 있는 컨테이너 포맷이다. 파일 내의 태그 정보를 통해 포함된 데이터의 종류(포맷명)와 크기(길이)를 명시한다. 태그 정보가 여러 개 있으면 여러 장의 이미지가 포함된 멀티 프레임 데이터가 된다. 예를 들어, 초음파 진단 장치의 경우 영상과 함께 심박 등의 음성 데이터를 포함하기도 하는데, 이를 동시에 재생하여 음성이 첨부된 동영상처럼 활용할 수도 있다.

하지만 "DICOM 준수"를 표방하는 기기들 사이에서도 제조사마다 이미지 포맷이나 텍스트 데이터 처리 방식에 차이가 있는 이른바 "제조사 방언"^[33]이 존재하여, 서로 다른 시설 간의 장비 호환성에 문제를 일으키기도 한다.^[34] 또한 DICOM 규격은 기본적으로 "인간의 의료 정보" 저장에 특화되어 있어, 경주마의 X선 사진과 같은 동물의 생체 정보 저장에는 적합하지 않은 측면이 있다. 이 때문에 수의학이나 축산 분야에서는 DICOM을 해당 용도에 맞게 일부 수정하여 사용하는 경우도 있다.

7. 관련 표준 및 단체

DVTk는 의료 환경에서 통신 프로토콜 및 시나리오를 테스트, 검증, 진단하기 위한 오픈 소스 프로젝트이다. DICOM, HL7, IHE 통합 프로파일을 지원한다.

헬스 레벨 7(Health Level 7)은 국제 의료 정보학 상호 운용성 표준 개발에 참여하는 비영리 단체이다. HL7과 DICOM은 두 표준이 겹치는 부분을 조화시키고 전자 의료 기록에서 이미징 통합을 처리하기 위해 공동 작업 그룹을 운영한다.

Integrating the Healthcare Enterprise(IHE)는 특정 의료 사용 사례를 해결하기 위해 표준 사용을 프로파일링하는 업계 후원 비영리 단체이다. DICOM은 다양한 이미징 관련 IHE 프로파일에 통합되어 있다.^[26][27]

Systematized Nomenclature of Medicine(SNOMED)은 인의 및 수의학 분야에서 사용되는 체계적이고 컴퓨터 처리 가능한 의학 용어 모음으로, 해부학, 질병, 소견, 절차, 미생물, 물질 등에 대한 코드, 용어, 동의어 및 정의를 제공한다. DICOM 데이터는 관련 개념을 인코딩하기 위해 SNOMED를 사용한다.

8. 보안

DICOM 데이터는 민감한 개인 건강 정보(PHI, Protected Health Information)를 포함하는 경우가 많아 정보 보안이 매우 중요하다. 환자 정보의 무단 접근, 수정, 공개를 방지하기 위해 암호화, 접근 제어, 감사 추적 등의 보안 조치가 필요하다.

2023년 12월, 사이버 보안 연구원 시나 야즈단메르(Sina Yazdanmehr)는 블랙 햇(Black Hat Briefings)에서 DICOM 저장(Store) 서비스의 심각한 보안 취약점을 발표했다. 이 연구는 악의적인 공격자가 기존 의료 영상 시리즈를 파괴하거나 거짓 질병 징후를 삽입하는 등 데이터를 조작할 수 있는 위험성을 보여주었다.^[30][31]

이러한 위험 때문에 환자의 프라이버시를 보호하고 의료 기록의 무결성을 유지하는 것이 필수적이다. 이를 위해 미국의 HIPAA(Health Insurance Portability and Accountability Act)나 유럽 연합의 GDPR(General Data Protection Regulation)과 같은 데이터 보호 규정을 준수해야 한다. DICOM 표준 자체에도 인쇄 및 데이터 보존 규정, 개인 정보 보호를 위한 정보 보안 사양, 웹을 통한 DICOM 형식 접근에 관한 규정 등 보안 관련 내용이 포함되어 있다.

9. 한계 및 과제

2008년 국제 심포지엄에서 발표된 논문에 따르면 DICOM 표준은 데이터 입력과 관련된 문제점을 가지고 있다. 표준의 주요 단점 중 하나는 선택적으로 입력할 수 있는 필드가 너무 많다는 점이다. 이로 인해 모든 필드를 일관성 있게 채우기 어려우며, 일부 이미지 객체는 특정 필드가 비어 있거나 잘못된 데이터로 채워져 불완전한 경우가 발생한다.^[24]

또한, 'DICOM 준거' 기기라 하더라도 제조사마다 이미지 형식이나 텍스트 데이터 등을 처리하는 방식에 차이가 있는 이른바 "제조사 방언"^[33]이 존재한다. 이는 의료 시설 간의 상호 운용성에 영향을 미칠 수 있다.^[34]

보안 측면에서는 파일 형식이 실행 코드를 허용하여 악성 코드가 포함될 가능성이 있다는 점이 지적된다.^[25]

더불어 DICOM 표준은 기본적으로 인간의 의료 정보 저장에 특화되어 있다. 따라서 경주마의 X선 사진과 같은 동물의 생체 정보 저장에는 적합하지 않아, 수의학이나 축산 분야에서는 이를 개조한 시스템을 사용하는 경우가 있다.

10. 한국의 현황과 미래 전망

DICOM 표준은 지속적으로 발전하며, 1년에 5번 개정판이 편찬된다. [https://www.dicomstandard.org/current] 표준 개정은 크게 두 가지 방식으로 이루어진다.

• 보충(Supplement): 새로운 객체 유형, 새로운 서비스, 새로운 압축 방식 등 주요 변경 사항을 다룬다. 워킹 그룹이 개발을 주도하며, 연간 약 10개의 보충 문서가 발행된다. 새로운 작업 항목 제안은 DICOM 표준 위원회의 승인이 필요하다.
• 변경 제안(Change Proposal): 기존 표준의 부분적인 수정이나 명확화를 위한 것으로, 연간 약 100건 정도 처리된다. 누구나 변경을 제안할 수 있으며, 이전 버전과의 호환성 유지가 필수적이다.

• 2018년: 7개의 보충 문서가 완료되었고, 84건의 변경 제안이 처리되었다. 주요 내용으로는 3D 제조를 위한 STL 형식 지원과 TLS 암호화 세트 강화 등이 있다.
• 2019년: 3개의 보충 문서가 완료되었으며, 인공지능 관련 내용을 포함한 11개의 보충 문서 개정 작업이 진행 중이다. 이는 향후 인공지능 기술과의 연동 등 DICOM 표준의 발전 방향을 보여주는 사례이다.

참조

_[1] 웹사이트 1 Scope and Field of Application http://dicom.nema.or[...]
_[2] 간행물 DICOM brochure http://medical.nema.[...] nema.org
_[3] 웹사이트 Members of the DICOM Standards Committee http://medical.nema.[...]
_[4] 웹사이트 NEMA Members – NEMA http://www.nema.org/[...] 2016-09-15
_[5] 논문 DICOM and Radiology: Past, Present, and Future 2007-09
_[6] 논문 Evaluation of the Medical Diagnostic Imaging Support system based on 2 years of clinical experience 1995-05
_[7] 논문 Update of the ACR-NEMA digital imaging and communications in medicine standard 1992-07-01
_[8] 웹사이트 7 Referencing The DICOM Standard http://dicom.nema.or[...]
_[9] 웹사이트 1.4.2 Continuous Maintenance http://dicom.nema.or[...]
_[10] 웹사이트 ASTM DICONDE Standard https://www.astm.org[...] 2018-12-21
_[11] 웹사이트 ASTM E2738-18 Standard Practice for Digital Imaging and Communication in Nondestructive Evaluation (DICONDE) for Computed Radiography (CR) Test https://www.astm.org[...]
_[12] 웹사이트 ASTM E2699-20 Standard Practice for Digital Imaging and Communication in Nondestructive Evaluation (DICONDE) for Digital Radiographic (DR) Test Methods https://www.astm.org[...]
_[13] 웹사이트 ASTM E2767-21 Standard Practice for Digital Imaging and Communication in Nondestructive Evaluation (DICONDE) for X-ray Computed Tomography (CT) Test Methods https://www.astm.org[...]
_[14] 웹사이트 ASTM E2663-23 Standard Practice for Digital Imaging and Communication in Nondestructive Evaluation (DICONDE) for Ultrasonic Test Methods https://www.astm.org[...]
_[15] 웹사이트 ASTM E2934-23 Standard Practice for Digital Imaging and Communication in Nondestructive Evaluation (DICONDE) for Eddy Current (EC) Test Methods https://www.astm.org[...]
_[16] 웹사이트 http://www.nema.org: Industrial Imaging and Communications Section http://www.nema.org/[...] 2010-02-11
_[17] 웹사이트 K.1.2: DICOM File https://dicom.nema.o[...] 2023
_[18] 문서 http://medical.nema.[...]
_[19] 논문 An introduction to DICOM 2006-12
_[20] 문서 Table 6.2-1 of PS 3.5 http://dicom.nema.or[...]
_[21] 웹사이트 PS3.3 http://dicom.nema.or[...]
_[22] 웹사이트 C.7.3 Common Series IE Modules http://dicom.nema.or[...]
_[23] 웹사이트 DICOM Strategy Document http://dicom.nema.or[...]
_[24] 간행물 Overview of the DICOM Standard http://www.vcl.fer.h[...] 2008-09
_[25] 웹사이트 HIPAA-Protected Malware? Exploiting DICOM Flaw to Embed Malware in CT/MRI Imagery https://labs.cylera.[...] 2019-04-23
_[26] 웹사이트 Profiles – IHE Wiki https://wiki.ihe.net[...]
_[27] 문서 Understanding DICOM and IHE 2003
_[28] 간행물 Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) – Application/dicom MIME Sub-type Registration Internet Engineering Task Force 2014-03-02
_[29] 웹사이트 DICOM https://www.dicomsta[...]
_[30] 웹사이트 Millions of Patient Records at Risk: The Perils of Legacy Protocols https://i.blackhat.c[...]
_[31] 웹사이트 Millions of patient scans and health records spilling online thanks to decades-old protocol bug https://techcrunch.c[...] 2023-12-06
_[32] 웹사이트 DICOM De-identification/Anonymization: Protecting Patient Privacy in Medical Imaging https://apicom.pro/d[...]
_[33] 문서 ＦＡＱ　（ＰＭＡに関するよくある質問） http://ctp.umin.jp/p[...]
_[34] 문서 DICOM接続の問題点 http://www.ihe-j.org[...]
_[35] 웹사이트 GIMP https://www.gimp.org 2020-11-19
_[36] 웹사이트 ImageJ https://imagej.nih.g[...] 2020-11-19
_[37] 웹사이트 OsiriX DICOM Viewer https://www.osirix-v[...] 2020-11-19
_[38] 웹사이트 Pydicom https://pydicom.gith[...] 2020-11-19