DICOM标准及应用——第一讲 DICOM标准概述

一 什么是DICOM？
DICOM是Digital Imaging and COmmunication of Medicine的缩写，是美国放射学会(American College of Radiology，ACR)和美国电器制造商协会(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)组织制定的专门用于医学图像的存储和传输的标准名称。经过十多年的发展，该标准已经被医疗设备生产商和医疗界广泛接受，在医疗仪器中得到普及和应用，带有DICOM接口的计算机断层扫描(CT)、核磁共振(MR)、心血管造影和超声成像设备大量出现，在医疗信息系统数字网络化中起了重要的作用。
DICOM是随着图像化、计算机化的医疗设备的普及和医院管理信息系统，特别是图像存档和通信系统(Picture Archiving and Communication System, PACS)和远程医疗系统的发展应运而生的。当CT和MR等设备生成高质量的、形象直观的图像在医疗诊断中广泛使用时，由于不同的生产商不同型号的设备产生的图像各自采用了不同的格式，使得不同的设备之间的信息资源难以互相使用，医院PACS系统的实施具有很大的困难。医疗信息系统随之带来许多新的问题: 如何存储数据量极大的图像并能有效地管理？不同生产商的设备能否直接连接？如何能够在不同的生产商设备之间能够共享信息资源？等等。很明显这些问题的解决方法就是采用统一的标准。为此，美国放射学会和美国电器制造商协会在1983年成立了专门委员会，制定用于医学图像存储和通信的标准，提供与制造商无关的数字图像及其相关的通信和存储功能的统一格式，以促进PACS的发展，并提供广泛的分布式的诊断和查询功能。ACR-NEMA1.0版本于1985年推出，随后增加了新的数据元素并对部分内容进行修改，形成2.0版本。由于认识到标准对网络支持的不足和标准本身存在的结构性问题，ACR-NEMA结合当时的技术条件和方法对标准作了彻底的重新制定，在1993年正式公布了新的版本，命名为DICOM3.0。与原版本相比，3.0版本采用了面向对象的分析方法，定义了医学图像在存储和通信过程中的各种实体和关系，提供了对ISO-OSI(Inter-national Standard Organization-Open System Interconnection)和TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol)的支持，使得在医学图像应用层上可以与其它通信协议栈直接通信而不需要重新编写程序。考虑到技术的发展，标准采用了多部分的文档结构，对可能变化或扩充的部分以附录的形式提供，这样标准在更新时涉及面可以尽量小。
二 标准中涉及的基本概念和定义
DICOM标准涉及到医学图像、数据通信、管理信息系统等领域，在标准中又采用了面向对象的描述方法和E-R (Entity-Relation)模型，从而引入了大量的各专业方面的术语，给标准的阅读和理解带来困难。下面简要地将标准中涉及的常用的技术词汇和缩略语给予解释。
1. 实体(Entity): 表示一个或一类有相同特性个体的应用对象。在计算机系统分析中，凡是可以区别并被人们识别的事、物、概念等，都可以被抽象为实体。实体一般具有若干特征，称为属性。如: 患者是一个实体，具有姓名、性别、年龄等属性。图像也是一个实体，它有图像尺寸、图像数据等属性。
2. 联系(Relation): 表示实体之间的相互关系。如患者实体与分析实体之间存在着引用联系，打印机实体和胶片实体之间存在着打印的联系。
3. E-R模型: 描述现实世界的一种信息模型。通过定义实体以及实体间的联系，表现系统的需求和功能。通常以E-R图的方式表示。在DICOM中，用方框表示实体，菱形表示联系，用带箭头或不带箭头的线段将实体(方框)与联系(菱形)连接表示它们之间存在联系。这是面向对象的分析方法所采用的主要表示方法，是对客观世界的一种抽象。
4. 对象(Object): 外部世界事物在计算机内部的表示，是事物属性值和处理方法的集合。对象具有封装和继承的特征。封装是指对象将属性和方法集合在一起，一般情况下只提供给自己和派生对象使用。继承是指当一个对象是由另一个对象(父对象)派生出时，它就自动具有父对象所具有的属性和方法。面向对象的方法就是以对象技术为中心，分析系统中各种信息之间的关系，抽象出系统各层次的对象模型，给出准确的系统描述，并在计算机系统中给予实现。应用面向对象的方法，可以提高开发效率，实现软件复用。
5. 信息对象定义(Information Ob-ject Definition，IOD): 信息实体的抽象，是DICOM命令的作用受体。
6. 服务(Service): 某对象为其它对象或程序提供的功能。当要求使用此功能时称申请服务，申请服务的对象称服务用户，而能完成该功能的对象是服务的提供者。
7. 服务对象对(Service Object Pair，SOP): DICOM信息传递的基本功能单位。包括一个信息对象和一组DICOM消息服务元素。
8. 协议: 计算机网络中为保证能正确地传输数据而必须共同遵守的通信规则和格式。
9. ISO-OSI: 国际标准化组织(ISO)所定义的开放系统互联(OSI)的七层网络参考模型。作为一个严格的网络模型，对于计算机网络的研究和发展起了重要的作用，但是由于种种原因在实际中并未得到广泛的普及使用。DICOM标准在制定时，OSI正是发展的高潮，因此也作为DICOM中主要的网络参考模型。
10. TCP/IP: 是传输控制协议/互联网协议，它首先在UNIX系统中使用，随后成为计算机网络中不同种类计算机之间通信的主要通信协议，是互联网的基础。
三 标准的组成
DICOM标准是经历了一个从无到有、从简单到复杂的发展过程。在标准的制定过程中不断听取工业界、学术界、医疗界等各方面的意见和建议，注意标准的可扩充性和可扩展性，经历了ACR-NEMA 1.0和2.0的版本到目前的DICOM 3.0版本，标准的组成也在不断地加以补充，目前标准共有以下14个基本部分和扩充部分组成，见图1:
1. 第1部分: 给出了标准的设计原则，定义了标准中使用的一些术语，对标准的其它部分给了一个简要的概述。
2. 第2部分: 给出了DICOM的兼容性定义和方法。兼容性是指遵守DICOM标准的设备能够互相连接互相操作的能力。由于DICOM标准内容庞大，功能复杂，包含面广，目前为止，还没有什么设备能够涵盖所有的DICOM功能，只是实现本设备必需的功能。因此标准要求设备制造商必须给出本设备所支持的DICOM功能的说明，即兼容性声明。本部分标准内容定义了声明的结构和必须表现的信息，包含三个主要部分:
a. 本实现中可以识别的信息对象集合;
b. 本实现支持的服务类集合;
c. 本实现支持的通信协议集合。
标准没有规定兼容性实现的测试和验证的过程。用户在采购DICOM功能的设备时，必须注意各设备的兼容性水平是否一致，否则各设备互连时会出现一些问题。
3. 第3部分: 描述如何定义信息对象，对医学数字图像存储和通信方面的信息对象提供了抽象的定义。每个信息对象定义是由其用途和属性组成的。为方便标准的扩充和保持与老版本的兼容，在DICOM中定义了复合型和普通型两大类的信息对象类。普通型信息对象类仅包含现实世界实体中固有的那些属性。复合型信息对象类可以附加上并不是现实世界实体中固有的属性。如CT图像信息对象类既包含了图像固有的图像日期、图像数据等图像实体的属性，又包含了如病人姓名等并不属于图像本身的属性。复合对象类提供了表达图像通信所需求的结构性框架，使网络环境下的应用更加方便。
4. 第4部分: 服务类的说明。服务类是将信息对象与作用在该对象上的命令联系在一起，并说明了命令元素的要求以及作用在信息对象上的结果。典型的DICOM服务类有查询/检索服务类、存储服务类、打印管理服务类等。服务类可以简单理解为DICOM提供的命令或提供给应用程序使用的内部调用函数。这部分实际上说明的是DICOM消息中的命令流。
5. 第5部分: 数据结构和语义，说明了DICOM应用实体如何构造从信息对象与服务类的用途中导出的数据集信息，给出了构成消息中传递的数据流编码规则。数据流是由数据集的数据元素产生的，几个数据集可以被一个复合数据集引用或包容。一个复合数据集可以在一个“数据包”中传递信息对象的内容。这部分着重说明的是有关DICOM消息中数据流方面的内容。此外也定义了许多信息对象共同的基本函数的语义，即要求的条件、完成的结果、实现的功能等等。
6. 第6部分: 数据字典，是DICOM中所有表示信息的数据元素定义的集合。在DICOM标准中为每一个数据元素指定了唯一的标记、名字、数字特征和语义，这样在DICOM设备之间进行消息交换时，消息中的内容具有明确的无歧义的编号和意义，可以相互理解和解释。
7. 第7部分: 消息交换。消息是由用于交换的一个或多个命令以及完成命令所必需的数据组成，是DICOM应用实体之间进行通信的基本单元。这部分说明了在医学图像环境中的应用实体用于交换消息的服务和协议。
8. 第8部分: 消息交换的网络支持。说明了DICOM实体之间在网络环境中通信服务和必要的上层协议的支持。这些服务和协议保证了应用实体之间有效地和正确地通过网络进行通信。DICOM中的网络环境包括OSI和TCP/IP两种参考模型，DICOM只是使用而不是实现这两类协议，因而具有通用性。
9. 第9部分: 消息交换的点对点通信支持。说明了与ACR-NEMA2.0相兼容的点对点通信环境下的服务和协议。它包括物理接口、信号联络过程以及使用该物理接口的与OSI类似的会话/传输/网络协议及其服务。
10. 第10部分: 用于介质交换的介质存储和文件格式。这一部分说明了一个在可移动存储介质上医学图像信息存储的通用模型。提供了在各种物理存储介质上不同类型的医学图像和相关信息进行交换的框架，以及支持封装任何信息对象定义的文件格式。
11. 第11部分: 介质存储应用卷宗，用于医学图像及相关设备信息交换的兼容性声明。给出了心血管造影、超声、CT、核磁共振等图像的应用说明和CD-R格式文件交换的说明。
12. 第12部分: 用于介质交换的物理介质和介质格式。它提供了在医学环境中数字图像计算机系统之间信息交换的功能。这种交换功能将增强诊断图像和其它潜在的临床应用。这部分说明了在描述介质存储模型之间关系的结构以及特定的物理介质特性及其相应的介质格式。具体说明了各种规格的磁光盘，PC机上使用的文件系统和1.44M软盘，以及CD-R可刻写光盘。
13. 第13部分: 点对点通信支持的打印管理。定义了在打印用户和打印提供方之间点对点连接时，支持DICOM打印管理应用实体通信的必要的服务和协议。点对点通信卷宗提供了与第8部分相同的上层服务，因此打印管理应用实体能够应用在点对点连接和网络连接。点对点打印管理通信也使用了低层的协议，与已有的并行图像通道和串行控制通道硬件硬拷贝通信相兼容。
14. 第14部分: 说明了灰度图像的标准显示功能。这部分仅提供了用于测量特定显示系统显示特性的方法。这些方法可用于改变显示系统以与标准的灰度显示功能相匹配或用于测量显示系统与标准灰度显示功能的兼容程度。
四 应用
毫无疑问，DICOM是医学图像信息系统领域中的核心，它主要涉及到信息系统中最主要也是最困难的医学图像的存储和通信，可直接应用在放射学信息系统(RIS)和图像存档与通信系统(PACS)中。DICOM也是研究和开发具有网络连接功能，实现信息资源共享的新型医疗仪器的技术基础。医疗仪器在朝着自动化、智能化发展的同时，也在向着具有通信能力的遥控遥测和信息远程获取的网络功能发展，医疗仪器既是医疗信息系统中的信息源，又是系统中的信息使用者，是信息系统中的一个主要环节，网络化的医疗仪器对医学信息系统的重要性是不言而喻的。
DICOM标准的另一个特点是它定义在网络通信协议的最上层，不涉及到具体的硬件实现而直接应用网络协议，因此与网络技术的发展保持相对独立，可以随着网络性能的提高而使DICOM系统的性能立即得到改善。DICOM尽管提供了OSI的网络模型，但现在实际上网络绝大部分都是在TCP/IP协议下构成的，网络硬件采用的形式可以多种多样，如100M的双绞线100Base-T，光纤FDDI，综合业务数字网ISDN，T1线路等，还有速度较低的10兆网10Base-T和电话线路。只要设备具有支持TCP/IP协议的网络接口，在软件的支持下，就可以做到像PC机一样实现“即插即用”，非常方便地加入到医学信息系统的网络中。在这样的意义下，用DICOM实现的医疗信息系统，无论是RIS还是PACS，都具有类似的结构，如图2所示:
在采用DICOM标准的信息网络系统中，所有DICOM设备之间都可以按照DICOM的网络上层协议进行互相连接和操作。临床医生可以在办公室查看B超设备的图像和结果，可以在CT机上调用核磁共振图像进行图像的叠加融合，也可以通过网络调用存储在其他医院的图像结果。无论是本院、本地还是相距很远的外地，DICOM设备都可以通过网络相互联系，交换信息。
由于提供了统一的存储格式和通信方式，普及DICOM标准，可以简化医疗信息系统设计，避免许多重复性的工作，加快信息系统的开发速度。对于实现无纸化、无胶片化的医院和远程医疗系统的实施将会起极其重要的作用。