DICOM标准及应用——第二讲 DICOM信息模型和信息定义

一 概述
DICOM标准是要解决在不同的地点、不同设备制造商、不同国家等复杂的网络环境下的医学图像存储和传输的问题。要在这样复杂的情况下能够实现准确的无歧义的信息交换，当然存在许多技术问题，基本问题有语法和语义两大类。
所谓语义的问题就是指交换信息的具体含义。通常人们都是用自己的语言(称自然语言)进行交流，但世界上使用的自然语言种类繁多，还存在二义性问题，表达的意思存在多种含义，使得计算机处理有困难，这在医疗技术方面更是要解决的问题。因此DICOM中专门定义了自己的“语法”和“词汇”。DICOM的“词汇”是用一对整数表示的，称为标记(Tag)，用数据字典给出详细的定义和解释。另外用UID的方法给出唯一标识。
语法则是指信息组成的规则。在DICOM中，数据种类相当多，被分成各个层次，有信息对象定义(IOD)、消息(Message)、命令集、数据集、数据元素、传输语法等。只有通信双方按约定的统一的方法组织数据，才可能准确获得对方传输的信息。
下面就DICOM标准中数据定义、表示，以及组织所涉及到的概念和方法加以介绍，并通过一些具体实例帮助理解。
二 数据组织形式
1. 唯一标识符UID
这个标识可被用在世界上不同地点的多制造商环境中。为保证每个标识的全球的唯一性，使用了下面的字符串(称为唯一标识符或UID)产生机制:
<根>.<后缀>
根部分是由权威部门支持的，它保证没有其他人或机构再使用这个根标识。这个数值由标准化组织分配给公司或医院，但也必须保证在它们自己内部网络中也是唯一的。通过使用一个唯一的系统标识，每个系统在世界范围内有一个唯一的根。后缀是由系统在产生实例时动态产生的。例如:
“1.2.840.113619.2.16.1.120.940 481283.2.61”是GE的心血管造影系统产生的一个UID。
一旦一个实例通过UID标识，必须一致地使用它。若制作了复件或未加修改的再生成，它必须使用相同的UID。否则相同信息的两部分将存在不同的标识，这会导致混乱。在DICOM中UID也用于标识有关的属性，如:
“1.2.840.10008.1.1”是验证服务类。
“1.2.840.10008.1.2”是DICOM默认的隐式LittleEndian传输语法。
“1.2.840.10008.5.1.4.1.1.2”是CT图像存储。
2. 标记Tag
标记是用一对16进制数表示的，前面的数是数据元素的组号，后面的是元素号。组号为偶数的是标准数据元素，具体含义可以在DICOM的数据字典中查到。DICOM的数据字典定义了许多数据元素标记，涵盖了大多数的应用需要。组号为奇数的为私有数据元素，由用户在使用过程中自己定义。
例如: 在DICOM中(0007，0000)表示组长，(0008，0020)表示研究日期， (0018，1088)表示心率。
3. 值表示法
DICOM标准中，对每个属性都定义了值表示法。值表示法具体描述了属性值如何进行编码。
值表示法有隐式和显式这两种形式。隐式就是采用预先规定的表示方法，通过标记从数据字典中查到DICOM对这个属性表示方法的规定，从而正确解释属性值的内容。显式是用两个字符明确表示值的表示方法，如AE表示应用实体，AS表示年龄字符串，DT是日期和时间，FD表示双精度浮点数等。
值表示法的知识是信息交换双方所共享的。对某个属性(以标记标识)的解码和编码过程必须仔细选择正确的值表示法。共享这个信息有两种可能的方法:共享包含所有可能属性的数据字典，或把数值表示法作为数据元素的一部分。后一种方法增加了信息交换的开销，但比用共享数据字典更灵活，尤其在多制造商环境，数据字典同步更新很困难。
4. 传输语法
在SOP实例数据集能被交换之前，数据集编码到字节流的编码方式是固定的，或者是网络交换中协商的，或者在介质上是与数据存储在一起的。编码方式由传输语法指明。
传输语法定义了三个方面的内容:数值表示法如何指定; 多字节数在存储或传输时的字节顺序，是低位字节先存储或发送(Little Endian)，还是高位字节先存储或发送(Big Endian); 封装情况下的压缩格式，是采用JPEG还是RLE的压缩算法，是有损方式还是无损方式等。
例如，对于一个32位无符号整数12345678H，在LittleEndian方式下的字节顺序为78、56、34、12，而在Big Endian方式下的字节顺序则为12、34、56、78。
传输语法的处理是服务提供方的一部分，但双方都要初始设置正确的对双方都可接受的传输语法。
传输语法是由一个UID标识的。DICOM默认的传输语法是隐式VR Li-ttleEndian传输语法，并采用无损方式的JPEG压缩算法。
5. 数据元素
数据元素是通过数据元素标记唯一标识的。一个数据元素包含了数据元素标记、值长度和数据元素值。数据元素的值表示法是否存在决定于协商的传输语法。对隐式VR 的传输语法，数据元素没有也没必要有值表示法域。而在显式VR下，存在表示长度方法上不同的两种形式。
数据元素有标准数据元素和私有数据元素两种类型。标准数据元素具有偶数值组号，私有数据元素具有奇数组号，自DICOM 3.0以后，数据组号并不传递任何语义上的含义。数据元素结构见表1。
数据元素中值域的字节长度必须是偶数个，不足的部分填充空格。
6. 数据集
数据集是由若干个数据元素组成，按数据元素标记中的组号以及元素号数值增加的方式进行排序，依次排列。一个数据元素在数据集内至多只能出现一次。但是在嵌套的数据集中可以再次出现。
显式和隐式VR在数据集精确嵌套数据集中并不同时存在，一个数据集是否使用显式或隐式VR以及其它特性，取决于传输语法的协商。
数据集的作用有两个:
(1) 作为信息对象定义IOD中的信息对象模块IOM;
(2) 作为信息交换中消息(Message)携带的数据内容。
三 信息对象定义(IOD)
一个信息对象定义(IOD)是信息实体的集合，而信息实体是信息有关成分的组合。每个实体包含有关现实世界单个条目信息，如患者、图像等，称为属性。一个属性描述了信息某一特征，如患者姓名等。相互关联的属性组合到信息对象模块IOM中。IOM以数据集的形式出现，可以使用在多于一个IOD中。这些IOM具有属性的语义描述，可以组合到一起。
在DICOM中，一个IOD可以由单个信息实体(称普通IOD)或多个信息实体组合(称复合IOD)组成。实现管理功能(通常是单一条目)的服务类使用普通IOD，而那些处理图像数据流(具有复杂信息结构)的服务类使用复合IOD。
DICOM定义了在医学环境中所需的大部分的信息对象，详细规定了这些对象的组成格式、要求、相互之间的关系等等各方面的内容，如患者、CT、磁共振、核医学、超声等等，具体内容可参见标准的第三部分“信息对象定义”。
患者IOD是最基本的普通IOD，DICOM对其定义如下:
患者IOD:
● SOP公用模块
SOP类UID，SOP实例UID，特殊字符集，实例生成的日期和时间，生成者UID，实例号。
● 患者关系模块
引用研究序列，引用访问序列，引用患者别名序列。
● 患者标识模块
姓名，ID，issuer，其它ID，其它名，出生日，母亲生日，医疗记录定位。
● 患者人口统计信息
年龄，职业，数据保密限制描述，出生日期，出生时间，性别，保险计划代码序列，身高，体重，住址，军阶，服务机构，居住国家，电话号码，种族，宗教，注解。
● 患者医疗信息
医疗警告，对比敏感，吸烟情况，患者其它历史，怀孕情况，上次月经日期，特殊需求，患者症状。
作为一个复合IOD的例子，一个图像IOD的主要内容在图1中示意性表示。
四 图像信息模型
DICOM图像信息模型是从放射科处理图像的方式中衍生出来的，它是基于来自不同形态方式上的假设，见图2。图像从多种形态上被收集到患者的病历中。患者病历中的图像是以检查的类型(与图像系列有一定的关系)排序。每一种形态类型的用户对这些排序都有自己的术语，如检查、运行、扫描、切片等。当不同来源的图像数据集合到一个单一的环境中，必须将不同来源的图像数据排序，这仅在所有图像数据依照同一个信息模型构造时才有可能。
在DICOM的信息模型上主要有四个层次，分别是患者、研究、系列和图像层次。这四个层次分别对应了相关类型的信息的生成阶段和不同来源。
1. 患者层次
患者层次包含属于某个研究的患者标识和人口统计信息。由于一个患者可能存在多个研究，患者层次是最高层次(当一个患者的所有信息被考虑时)。然而在通常的实践中是使用研究层次用于对单个的检查请求由不同系统处理的信息的收集。
2. 研究层次
研究层次是在信息模型中最重要的层次。一个研究是某个特定类型检查请求的结果。在一个放射科的所有活动都围绕着研究的正确处理。在研究层次上，保持着标识信息，并可以包含有与同一个研究有关的医院管理信息系统中的信息引用。
一般，一个请求可能会涉及不同形态的检查过程。这导致一个或多个图像的序列，取决于检查所定义的协议。研究作为“根”将所有图像数据收集到一起。一个患者可能由于其它或以前的检查而有多个研究。
3. 序列层次
在研究层次下收集了所有的图像序列。序列层次标识了生成图像的形态类型、序列生成的日期、检查类型的细节和使用的设备。
序列是来自单一形态有关图像的集合。图像组合到序列中的方式取决于它们的临床用途。而图像在形态上是如何获取的对分组并不重要。但是不同的属性将获取标识，并在显示图像时表现出来。
在许多情况下，图像关系是通过获取发生的方式定义的。当按顺序地获取具有空间或普通的关系时，这种获取结果的图像可以组成到一个序列中。当存在于图像之间的关系不再有效时，必须开始新序列。
4. 图像层次
信息模型的最低层次是图像层次，每个图像包含获取和位置以及图像数据本身，取决于方法的类型。图像层次包含有一幅(单幅)、两幅(双屏)和在相对短的时间内收集的多幅图像(多帧图像)。
多帧图像的使用节约了高层次上信息的重复，但这仅在帧之间关系可以用简单方法描述时才有可能。例如时间或系统移动的增量在所有帧之间都是相等的。
生成多帧图像比单帧图像更复杂，会消耗更多的资源。帧之间的关系、方法的能力、产生图像数据的数目，可用来确定是单帧系列还是多帧系列更适用。
五 总结
本篇较为详细地介绍了DICOM中的信息定义和信息模型，通过这些内容可以了解DICOM标准对现实世界的信息是如何进行组织、表示和定义的，掌握这些内容是理解和实现DICOM标准的基础。