DICOM医学图像文件格式

DICOM医学图像文件格式 
 
 
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何斌 金永杰

何斌先生，清华大学硕士研究生; 金永杰先生，清华大学教授，博士生导师，中国电子学会核医学电子学专业委员会副主任委员。

关键词: DICOM PACS 数字医学影像系统

 

为了提升医疗服务水准，跟随医学影像技术和网络技术的发展，我国众多医院都在大量配备各种数字影像设备，并开始建立医院管理信息系统(HIS)，开展远程医学试验。他们对于图像存档和传输系统(PACS)的需求越来越紧迫，PACS的应用前景十分诱人。然而，我国PACS的研究开发尚处于起步阶段，尽快自主开发适合我国国情的基于In-tranet的PACS是当务之急。

PACS必需解决的技术问题之一是统一各种数字化影像设备的图像数据格式和数据传输标准。为此，诞生了新的医学数字成像及通信标准，即DICOM 3.0。只要遵照这个标准就可以通过PACS沟通不同厂家生产的、不同种类的数字成像设备。DICOM 3.0已经得到了世界上主要厂商的支持，新一代医学影像设备均以支持该标准作为基本特征，我国的医疗器械开发、生产部门都十分重视这个发展趋势。

DICOM 3.0标准极为庞大、复杂，本文将根据我们的开发经验，介绍如何制定符合DICOM 3.0标准的医学图像文件格式。

一 DICOM概述

DICOM是Digital Imaging and Communications in Medicine的缩写，其字面含义很清楚，包括了医学的数字成像和通信两个方面。DICOM标准是由美国放射学院(Ameri-can College of Radiology，ACR)和国家电气制造商协会(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)共同制定的。

1. DICOM的发展过程

20世纪70年代以来，计算机断层成像技术(CT)和其它数字成像技术飞速发展，很多厂商都研制了具有计算机的成像设备，制定了各自不同的图像格式。随着计算机网络的普及及其在医学上的广泛应用，在不同厂商生产的设备之间交换图像和相关信息的需求日趋迫切，而缺乏统一的标准成为图像交换的主要障碍。因此，ACR和NEMA在1983年组成一个联合委员会发起制定一个公共的标准，它的目的是:

(1) 促进数字图像设备的网络化，而不论设备的开发商是谁。

(2) 有助于开发和推广图像存档和传输系统(PACS)，并能与其它医学信息系统联系。

(3) 建立有价值的诊断信息数据库，它能处理地理上分散的不同设备间的请求。

1985年，该委员会发表了ACR-NEMA 1.0标准(No. 300-1985)。1986年10月和1988年1月又公布了该标准的两个修订版。1988年公布了ACR-NEMA 2.0标准(No. 300-1988)。然而由于技术上不成熟，这些规范并没有被广泛采用。但是这些努力吸引了国际上许多著名的医学影像设备制造商的关注及参与，终于在1996年，ACR-NEMA委员会发表了一套新的规范，正式命名为DICOM 3.0。此规范一经公布立即被众多的厂商及机构采用。此后，DICOM标准不断吸纳各方反馈的有用信息，从不同专业角度对规范在范畴和深度上进行扩充，1998年又推出了修订版本，目前仍然在不断的发展中。

2. DICOM标准的组成

DICOM 标准包括以下内容:

PS 3.1: Introduction and Overview (引言和概述);

PS 3.2: Conformance(一致性);

PS 3.3: Information Object Defini-tions(信息对象定义);

PS 3.4: Service Class Specifications (服务类规范)；

PS 3.5: Data Structure and Encod-ing: (数据结构和编码规定);

PS 3.6: Data Dictionary(数据字典);

PS 3.7: Message Exchange(信息交换);

PS 3.8: Network Communication Support for Message Exchange(信息交换的网络通讯支持);

PS 3.9: Point-to-Point Communi-cation Support for Message Exchange (信息交换的点对点通讯支持);

PS 3.10: Media Storage and File Format for Data Interchange(便于数据交换的介质存储方式和文件格式);

PS 3.11: Media Storage Application Profiles(介质存储应用框架);

PS 3.12: Storage Functions and Media Formats for Data Interchange(便于数据交换的存储方案和介质格式);

PS 3.13: Print Management Point-to-Point Communication Support(打印管理的点对点通讯支持)。

这几部分文档是既相关又相互独立的。其中规定了Patient、Study、Series、Image四个层次的医学图像信息结构，以及由它们组成的信息对象(Informa-tion Object); 采用服务类客户/服务类提供者(Service Class User/Service Class Provider)概念组成的服务—对象对(Service-Object Pair); 支持点对点(PPP)和TCP/IP网络通信协议。

DICOM涵盖了数字图像信息构成和通信两个领域，内容极其烦琐、庞大，目前没有任何医学系统可以支持所有的DICOM服务，每一种设备都是只针对自己最需要的部分提供支持。我们也根据核医学的需要，制定了自己的符合DICOM标准的图像文件格式。其中核医学图像文件结构部分主要参阅了DICOM标准的PS 3.3~PS 3.6和PS 3.10。

3. DICOM文件格式

DICOM文件是指按照DICOM标准而存储的医学文件。它的组成如图1所示。图中的SOP指服务—对象对(Service-Object Pair)。

DICOM文件一般由一个DICOM文件头和一个DICOM数据集合组成。DICOM文件头的定义格式将在本文的第三部分介绍; DICOM数据集合是按照DICOM标准的PS 3.5部分来编码组成的。

二 DICOM最基本的

结构单元—数据元素

在DICOM文件中最基本的单元是数据元素(Data Element)。DICOM数据集合就是由DICOM数据元素按照一定的顺序排列组成的。

DICOM数据元素的组成如图2所示。它主要由四个部分组成: 标签、VR (Value Representation，数据描述)、数据长度和数据域。

(1) 标签是一个4字节的无符号整数。DICOM所有的数据元素都可以用标签来唯一表示，各个标签对应什么数据元素可以查阅DICOM标准PS 3.6部分—数据字典。

在DICOM中人为地将标签分为两个部分: 组号(高位2字节)和元素号(低位2字节)，在数据字典中所有的元素都是用“(组号，元素号)”这种方式来表示的。

(2) VR指明了该数据元素中的数据是哪种类型的。在DICOM文件中，它是一个长度为2的字符串，例如，如果一个数据元素的VR为“DA”，则表示该数据元素中存储的数据为日期型数据，如果一个数据元素的VR为“FL”则表示该数据元素中存储的数据为浮点型数据。关于VR的详细取值和说明可以参阅DICOM标准PS 3.5部分第15~21页的表6.2-1。

在数据元素中，VR是可选的，它取决于协商的传输数据格式。DICOM中规定了显式(Explicit VR)和隐式(Inexplicit VR)两种传输格式，其中在显式传输时，VR必须存在; 在隐式传输时，VR必须省略。表1和表2是显式传输时数据元素的格式，表3为隐式传输时数据元素的格式。

(3) 数据长度指明该数据元素的数据域中数据的长度(字节数)。

(4) 数据域中包含了该数据元素的数值。

DICOM中所有的数据都是以数据元素的形式出现的(除文件头中128字节的文件前言)，下面就开始详细介绍如何制定DICOM文件结构。

三 DICOM文件头

DICOM文件头(DICOM File Meta Information)包含了标识数据集合的相关信息。每个DICOM文件都必须包括该文件头。文件头的最开始是文件前言，它由128个00H字节组成，接下来是DICOM前缀，它是一个长度为4字节的字符串“DICM”，可以根据该值来判断一个文件是不是DICOM文件。文件头中还包括其它一些非常有用的信息，如文件的传输格式、生成该文件的应用程序等等，关于文件头详细的说明请参阅DICOM标准PS 3.10的13~14页表7.1-1。

说明:

(1) 除了128字节的文件前言和4字节的DICOM前缀外，所有其它的文件头元素都必须采用上面介绍的显示格式编码，各个数据元素排列的顺序按照标签数值从小到大的传输格式(Little Endian)编码。

(2) 每个文件头元素的长度必须为偶数，否则应该按照规定补充一个字节。

(3) 所有(0002，****)类的标签都为DICOM所保留。为了兼容后续版本，如果发现文件中有目前尚未规定的(0002，****)类标签，则应该忽略它。

四 DICOM数据集合

DICOM文件主要组成部分就是数据集合。这不仅包括医学图像，还包括许多和医学图像有关的信息，如病人姓名、图像大小等。

DICOM数据集合是由DICOM数据元素按照指定的顺序依次排列组成的。对于DICOM文件，一般采用显式传输，数据元素按标签从小到大顺序排列，即DICOM PS 3.5规定的Explicit VR Little En-dian Transfer Syntax。

在DIOCM标准的PS 3.3部分(Information Object Defini-tions)中，定义了各种类型的图像文件必须包括和可选的DICOM数据元素，在制定自己的DICOM文件结构时，必须严格遵照该部分规定。例如，制定核磁共振医学图像的DICOM文件，可以查阅DICOM标准PS 3.3中的A.4节。其中定义了如下的核磁共振医学图像信息实体(Information Entity，IE)的内容(表4)。

表中“使用”列为“M”时表示该模块必须存在，“U”表示可选，“C”表示在特定的情况下必须存在。

要构造信息实体，按照表中指定的模块参考相应的DICOM标准章节即可。例如，在制定Patient模块时，查阅DICOM标准PS 3.3部分的C.7.1.1小节，可以查到如表5所示的病人模块属性表。

这样按照表5中所列出的元素，选出自己需要的元素(表中类型为1和2的元素是必须包括的，3可选)即可。按照表4中指出的所有模块，查阅DICOM标准中相应的章节，选出合适的DICOM元素，这样DICOM文件的格式就确定下来了。

五 DICOM文件 示例

表6中列出了CAR *97 DICOM Demon-stration CD中由西门子公司提供的一幅核磁共振图像的结构:

如果对照DI-COM标准检查该文件结构，可以发现该文件的确是按照DICOM标准来制定的。DICOM中规定必须包含的数据元素都不缺少!图3是该文件所包含的图像。

六 关于 DIOCM的 网络资源

1. 关于DICOM标准的WWW站点和FTP站点:

http//www. nema.org/nema/medical/

ftp://ftp.nema.org/medical/dicom

在该站点上，可以获取DICOM标准以及最新更新情况。

2. 关于医学图像格式常见问题可以参阅下面的网站:

http://www.rahul.net/dclunie/medical-image-faq/html/

3. 获取DICOM最新补充和更新可以访问网站:

http://www.rahul.net/dclunie/dicomstatus/status. html

4. DICOM资源目录:

http://www.merge.com/DICOM/

5. Philips公司提供的关于如何开发DICOM的资料:

ftp://ftp.philips.com/pub/ms/dicom/DICOM_ Infor-mation/CookBook.pdf

6. OFFIS提供的关于DICOM的网站:

http://www.offis.uni-oldenburg.de/projekte/dicom/dicom_main_e.html

7. CEN/TC251/WG4提供的关于DICOM标准的网站:

http://www.ehto.be/cen251w4/

8. 在下列网址，可以获得一些免费的DICOM图像浏览器:

http://www.expasy.ch/UIN

ftp://ftp.u.washington. edu/public/razz/

http: //rsb.info.nih.gov/nih-image/

 

来源：《世界医疗器械》

出版日期：2001年1