DICOM标准及应用——第五讲 医学图像的信息组织及其表现

如同我们前面所介绍的那样，DICOM是有关医学图像的标准。前面介绍了图像在存储介质和通信环境下的交换，本讲主要介绍有关图像的组织和表现方面的内容。
所谓表现(Presentation)是指图像数据在显示设备或胶片上完成可视化的过程。它要求在不同的系统，不同特性的设备上达到一致的显示效果，即视觉等价。这样才能保证临床应用上的要求。
为此，DICOM标准规定了相应的图像信息组织和处理功能。下面分别作介绍。
一 图像编码格式
对于图像的描述，DICOM采用的是位图的方式。即逐点表示出其位置上的颜色、亮度等信息。对单色图像只有亮度信息，称灰度级。而对彩色图像则存在不同的颜色表示方法。一般采用的是RGB三原色的表示，即一个点用红绿蓝三个分量的值表示。DICOM允许用三个矩阵(称位平面)分别表示三个分量，也允许仅用一个矩阵表示整个图像，在这种情况下，矩阵中每一点是由三个值组成的。
对于一个象素值，DICOM称为采样值(Sample Value)。采样值的描述方法用三个数据元素给出，分配位数(Bits Allocated)指出了该采样值存储的二进制位数。存储位数(Bits Stored)指实际占用的位数。最高位位置(High Bit)指明该值最高位在分配的存储单元中的位置。
例如: 某CT中的图像象素存储格式如图1所示: 则分配位数为16位，存储位数为12，最高位为11。
必须说明的是，在实际存取图像数据的时候，还必须由传输语法中的Big-Endian或LittleEndian属性来决定象素高低字节的实际存储单元地址顺序。当然，在DICOM标准中还存在许多说明图像的其它属性，可以参考标准的具体内容。
DICOM对多帧图像的支持，是通过将多帧图像封装在一个象素数据元素(Pixel Data)中实现的。由帧数属性(0028，0008)指出。
二 压缩方法简述
原始医学图像占用存储量大，在传输与存储过程中效率较低，必须使用压缩的方法来减少图像中的冗余信息，以达到在不损失图像信息或少损失的情况下，减少图像存储所需要的字节数，对于缩短通信传输时间，减少存储空间都是十分必要的。
压缩方法分为无损压缩和有损压缩两种方法。无损压缩方法可以将原数据原封不动地恢复，而有损压缩则是不可逆的过程，不能恢复到原来的情况。无损压缩由于对还原的约束，其压缩比较小，一般为2~10∶1。而有损压缩则可达到较大的压缩比，一般可以达到10~ 200∶1，甚至可以达到300∶1以上。根据被压缩对象的特点，无损压缩适合于对文本类的压缩，因为文本信息损失后不能表达出原来的意义。而有损压缩适合于语音、图像一类的多媒体信息，这些信息由人类的听觉和视觉器官所感受，有很大的冗余度，适当的损失对信息的理解并无损害，可以以此来达到较高的压缩比。
无损压缩使用的方法主要有游程编码(Run Length Encode，RLE)和霍夫曼(Huffman)编码。有损压缩的方法常用的是变换压缩，即将信息变换到另一个表示域中，利用在不同的域中的分布特点，去除冗余。例如通过富氏变换变换到频域，保存图像的低频部分，以损失一些细节实现压缩。再比如通过小波变换将图像变换到不同的尺度，保存不同区域不同尺度下的变换值，可以实现较高的压缩比。
由于涉及到医疗责任和法律的原因，西方医疗界对医学图像的有损压缩采取了相当谨慎的态度。反映在DICOM标准中，主要推荐使用无损压缩的方法。具体讲，使用了简单的RLE和JPEG标准中的无损压缩算法。
游程编码RLE有很多形式，在DICOM中采用的编码算法如下:
对重复字节，用< -字节数+ 1><字节值>代替。
对非重复字节，用< 字节数- 1 > <非重复字节序列>代替。
用RLE压缩方法封装的图像格式如图2。
JPEG是目前使用最广的图像压缩标准。在JPEG标准中，包含了有损压缩和无损压缩的多种方法。JPEG压缩的基本过程是被压缩图像分割成8×8的方格，先进行差分编码以减小码长，再用霍夫曼或算术编码进行无损压缩，或者用离散余弦编码进行有损压缩。JPEG标准实现的压缩比高，效果也不错，由于算法比较复杂，这里就不给出详细的说明，具体的内容可以查阅有关文献。采用JPEG无损压缩的DICOM的唯一标识符是“1.2.840.10008.1.2.4.70”。
三 灰度显示
来自图像的数字信号可以被精确地和有目的地测量、描述、传送和重建。然而，信号的可视化解释依靠于显示图像时所用的不同特性的系统。因此，由相同信号产生的图像在不同的显示设备下可能会有完全不同的可视化表现、信息和特征。
在医学图像中，重要的一点是保持在各种已给数字图像表示时的一致性，而不管这个图像是否被观察。例如，在一个工作站的视频监视器上显示，或作为幻灯片播放，它们都应该保持一致。如果缺乏规范，不能形成在不同设备下图像可视化表示的标准，那么极有可能出现这样一种现象: 即一幅图像在某一设备下观察时，有非常好的诊断价值; 但是在另一设备上观察时却与前者大不相同，这样就大大地减少了其诊断价值。因此，DICOM为将数字图像值转换至不同层次的亮度值的描绘方法提供了一种有目的的、高质量的机制，若将这种方法应用于已知数字图像值和显示亮度之间的关联时，则无论是在各种性质截然不同的显示设备上显示都能够产生较好的视觉一致性。DICOM所定义的存在于数字图像值和显示亮度之间的关系是基于人类对于较大范围亮度的理解而产生的模型和测量标准，而并非基于任一种图像显示设备或是任一种图像格式的形态特征描述，它也不依赖于用户的个人喜好。因为它很容易被其它诸如DICOM查找表之类的结构所正确的调用。DICOM标准使用了人类的视觉系统的BARTEN模型来处理图像数据，达到视觉一致性的目的。
DICOM从数学角度定义了标准图像系统中的标准灰度阶显示函数。这些图像系统可以是打印硬拷贝的打印机，或是用于显示软拷贝内容的电子显示系统。硬拷贝既包含透射性的图像，也包含反射性的打印图像。这些打印件中的图像，在被重现时由于传输过程中的散射型反射的影响，将在图像上有光密度的差异。对于一个观察者来说，它所看到的图像中每一个具有一定亮度的象素都是图像元素的照明度和光密度所决定的。软拷贝由发射性显示系统(如CRT监视器)和电子光阀系统(如光源型和液晶显示系统)产生。
DICOM的目的是显示系统采用数字驱动层次产生亮度和光密度的变化来表现图像。图像传输的可预测性应用，如形态、有价值的数值(VOL)和查找表LUT等，都需知道显示系统的特性曲线。若将显示系统的响应函数及曲线标准化，就可使在不同的显示系统中传输图像(如在一个网络环境中传输图像)变得简单而易用。
图3和4阐明了标准灰度显示函数的内容，标准灰度显示函数是图像表现的一部分。在采用灰度显示函数之前有很多其它图像修饰的环节。图像的获取设备将在图像产生的同时对图像作适当的调整。而其它环节将产生一些窗口或是层次来为图像的表现选择各部分的动态范围。即使其它环节能够调节显示准备工作中所选取的动态区域。表现查找表LUT输出P值(表现值)。这些P值就成为了标准显示系统中的数字驱动层次(DDL)。标准灰度显示函数将P值映射到标准显示系统中的亮度的对数值。而标准显示系统所产生的这个映射过程是由其独立完成的。
在图像获取的DICOM模型、显示链和标准化显示系统之间的边界上，用P值表示时，便趋向于设备的独立化和概念上的视觉线性化。换一句话说，不管标准化显示系统的性能如何，相同的P值范围都将表现得非常相似。
DICOM的主要目标是从数学的角度为所有的图像表现系统定义一类合适的标准灰度显示函数。定义这类标准灰度显示函数的目的是允许去发掘早先P值怎样被转换为标准化显示系统中可观测的亮度值。在本质上，定义灰度阶标准显示函数固定了来自LUT显示的P值输出的单位，而且还能够用作标准化显示系统的数字驱动层次。
DICOM的第二目标是选择一个显示函数，这一函数能够提供对于已给定的图像在不同亮度级的显示系统和非常容易使用的可求得的显示系统的数字驱动等级之间的灰度感知度或基本表示的几个相似的层次。在许多其他函数能够为实现第一目标而服务的同时，这个灰度阶显示函数便能被选取去实现第二个目标。对于这一类函数，P值几乎是线性的与人类感知反应度相关。相近却并不保证有同样的信息内容。拥有更大亮度区域范围和(或)更高的亮度的显示系统将有能力展现更多的细微差异。
由于感知度是依靠与图像内容和观测者的主观想法两方面的因素而定的，因此，亮度差异对于一个观测者来讲，同样不能严格的遵循感知度的绝对线性化。为了达到绝对的线性化感知度，应用时必须通过在DICOM标准(例如: VOL和LUT显示)中所定义的某些方法来调整图像的表现以符合用户的期望值。如果没有这个已定义的显示函数，那么在网络上遇到这类基于范围更广、类型更多的显示系统的调节问题时，这一切将变得很复杂，处理起来也相对困难。
显示系统的特性曲线与标准灰度显示函数的特性曲线一般说来是不同的，这些设备可能会包含合并的方法，特别是那些在变换中定义的能够使设备与灰度阶标准显示函数达到一致的那些方法。DICOM为这些显示系统的测试形式提供了实例。这些显示系统一般都有这样一个特点，即他们的性能工作能够被标量，其过程与标准灰度显示函数的评价相似。
DICOM没有详细规定用于彩色图像的特定显示函数。
四 结束语
图像是DICOM标准的核心，除了以前介绍的图像存储和图像传输外，图像的表现也是一个相当重要的内容，它涉及到使用者对图像的最终感受，进而影响到对图像的理解和对疾病的诊断。