（信号与信息处理专业论文）基于DICOM标准的功能模块设计.pdf

中文摘要 随着数字可视化和网络技术的不断发展，医学图像信息在现代医学中的临床诊 断、教学科研等方面的作用日益突现，相关技术和系统的研究已经成为当前数字图 像研究领域中的一个热点。医学图像存储与通信系统( p a c s ，p i c t u r e a r c h i v i n g a n d c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ) 作为实现医学图像信息管理的重要组成，其核心组件能够 实现对医学图像的采集、显示、存储、交换以及输出等多种数字化处理，最终实现 医学图像的数字化存储和传送。p a c s 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( d i c o m ，d i g i t a li m a g i n ga n dc o m m u n i c a t i o n i nm e d i c i n e ) 。它提供了一种用 于医学信息的开放性的数据交换标准，使得不同厂商生产的设备所形成的图像的统 一存档与通信成为可能。 本文首先概括介绍了p a c s 系统以及d i c o m 标准中的相关内容；其后，介绍 了基于国际标准d i c o m3 0 开发的数字医学图像处理和网络传输工具包。其中数字 图像处理部分主要实现多种非标准医学图像向标准d i c o m 图像转化以及标准图像 处理操作，便于多种图像信息资源能够进入标准p a c s 网络，而网络传输部分则主 要根据d i c o m 协议的第8 部分( n e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns u p p o r t f o r m e s s a g e e x c h a n g e ) 实现数字医学图像的传输；最后，针对不同功能模块进行相应的标准化 封装和测试，为今后完整实现p a c s 系统打下良好的基础。 关键词：医学图像，p a c s ，d i c o m ，模块，传输 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fv i s u a la n dn e t w o r kt e c h n o l o g y t h er o l eo fm e d i a li m a g e i n f o r m a t i o ni nc l i n i c a ld i a g n o s i s t e a c h i n ga n dr e s e a r c h i n ga s p e c t si sb e c o m i n gc l e a r e r a n dc l e a r e r r e l a t i v et e c h n o l o g ya n ds y s t e mr e s e a r c hh a v eb e c o m eo n eo ft h ef o c u s e si n t h ep r e s e n td i g i t a li m a g ef i e l d s p a c s ( p i c t u r ea r c h i v i n ga n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ) a st h ei m p o r t a n tp a r to f r e a l i z i n gm e d i c a li m a g ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tc a nd i g i t i z et h e d a t af r o mt h ec o l l e c t i o n ，d i s p l a y , s t o r a g e ，e x c h a n g ea n do u t r i u to fm e d i c a li m a g e so n e o f t h et e c h n o l o g yp r o b l e m st h a tp a c sh a st os o l v ei st ou n i f ya l lk i n d so fi m a g ef o r m a t s f r o md i f f c r e n ti m a g ee q u i p m e n t sa n dd a t ac o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s a sar e s u l t ，an e w s t a n d a r d ，n a m e dd i g i t a li m a g i n ga n dc o m m u n i c a t i o ni nm e d i c i n e ( d i c o m ) ，w a sb o r n i tp r o v i d e sa no p e nd a t a - e x c h a n g es t a n d a r da n dm a k e si tp o s s i b l et ou n i f yt h es t o r a g ea n d c o m m u n i c a t i o no f i m a g e sp r o d u c e db y d i f f e r e n t e q u i p m e n t s f i r s t l y t h et h e s i sr e s u m p t i v e l yi n t r o d u c e st h ep a c s a n dd i c o m s t a n d a r d s e c o n d l y i t d e t a i l e d l yd e s c r i b e st h ep r o c e s st h a tw ed e v e l o pt h es o 胁a r et o o l p a c k a g eb a s e do n d i c o mn e t o o l p a c k a g ei n c l u d e si m a g ep r o c e s s i n gm o d u l e a n di m a g ec o m m u n c i a t i o n m o d u l e t h ef i r s to n em a i n l yr e a l i z e st h et r a n s f o r m a t i o nf r o mn o n s t a n d a r dm e d i c a i i m a g e st o s t a n d a r di m a g e sa n dr e l a t i v ew o r ka b o u ti m a g ep r o c e s s i n g t h el a s t o n e c o m p l e t e s t h ec o m m u n i c a t i o no fd i g i t a lm e d i c a li m a g e sb a s eo nt h ee i g h t hp a r to f d i c o ms t a n d a r d f i n a l l y , t h et h e s i sp r e s e n t st h ec o r r e s p o n d i n gt e s tr e s u l t st od i f f e r e n t 1 5 1 n c t i o nm o d u l e sa n dm a k e s g o o dp r e p a r a t i o n sf o rr e a l i z i n g t h ep a c si nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：m e d i c a li m a g e ，p a c s ，d i c o m ，m o d u l e ，c o m m u n i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得鑫壅盘堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特 授权叁盗基鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 导师签名： 签字日期：年 月 日签字日期： 年月日 第一章绪论 天津大学硕士论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着影像诊断需求的增加和影像设备的种类、数量的不断增长，用于诊断的图 像数据正在以爆炸式的方式不断增多。有关资料表明，仅美国一家普通的大医院， 每年的有关医学图像的数据量约为2 0 0 万兆，这给传统的以纸和胶片作为存储媒介 的影像数据管理带来了挑战。如何解决以下问题成为当今医学领域计算机技术应用 的另一项研究热点： 如何高效的跟踪病人的有关影像资料? 如何将已经扫描的图像数据尽快的传送到急需的科室和医疗现场，供有关 医生使用? 如何综合利用多种影像资料和信息进行符合功能性诊断? 如何实现远程诊断和会诊? 如何实现医院的信息化? 针对上述问题，图像存储与通信系统【l - 2 1 ( p a c s ，p i c t u r ea r c h i v i n g a n d c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 提出一套完整的解决方案。它是专门为医学图像管理而设 计的，包括图像存档、检索、处理、显示、传递、拷贝或打印的软硬件系统。专家 预测，p a c s 将在2 1 世纪得到迅速推广应用。p a c s 的建立，可以逐渐直至完全代 替现在使用的各种胶片，促使“无胶片医院”的出现，大大提高医院的工作效率和 诊治水平。通过p a c s 影像传输网络，不仅可以将图像和诊断结果及时传送给医院 所有有关科室，实现资源共享，还可以与远程医疗系统接轨，为远程诊断、会诊和 研究提供便利。 为了便于影像信息的共享和交流，美国放射学会( a c r ， a m e r i c a r ic o l l e g eo f r a d i o l o g y ) 和美国国家电器制造商协会( n e m a ，n a t i o n a le l e c t r i c a lm a n u f a c t u r e s a s s o c i a t i o n ) 联合制定了医学数字成像及通信标准a c r f n e m ad i c o m3 0 口】( d i g i t a l i m a g i n ga n dc o m m u n i c a t i o n si nm e d i c i n e ) ，其主要目的是为了在各种医疗影像产品 之间提供一致性接口，以便更有效地在医学影像设备之间传输交换数字影像。目前， 世界上主要的医疗设备生产厂家都采用此标准作为医学影像设备的互操作接口及医 学影像数字接口。 然而在我国。由于历史的原因，各医院里真正符合d i c o m3 0 标准的影像设备 只占所有影像设备的一部分。大量的老式影像设备往往只能输出胶片或者只有普 通的视频输出，或者使用专用的图像格式 4 】。因此，目前在建设p a c s 的时候必须 考虑到这一点。为了使现有的大量不符合d i c o m 的影像设备进入p a c s 网络，我 们设计并实现了一个基于d ! c o m 标准的医学图像处理和传输工具包，具有以下功 能： d i c o m 图像的显示【5 i ： 正确显示标准d 1 c o m 医学图像。 第一章绪论 天津大学硕：t 论文 实现与通用图像格式( 如b m p 、t i f f 、g i f 、j p e g 等) 之间相互转换， 使得不支持d 1 c o m 标准的应用程序能够读取、显示、处理d i c o m 图 像。 d i c o m 图像的处理【6 j ： 基本图像处理：包括对d i c o m 图像的缩放、裁剪、翻转、倒置和旋 转等。 高级图像处理：包括改变d i c o m 图像的亮度、灰度变换、颜色反转 和边缘增强等。 d i c o m 图像的传输嘿 d i c o m 客户端( s c u ) ：发起关联请求，若服务端接受该请求，则向 服务器端发送数据；否则结束关联。 d i c o m 服务器端( s c p ) ：等待关联请求，若接受来自客户端的请求， 则接收数据；否则结束本次关联。 1 2 本文结构安排 本文概括的介绍了p a c s 系统的组成和功能，详细的描述了d i c o m 标准的历 史和结构，并对基于d i c o m 标准的医学图像的处理和传输进行了深入的研究。 各章内容安排如下： 第一章绪论，介绍了该论文的研究背景和结构安排 第二章p a c s 系统综述，概括了p a c s 系统的产生、组成和功能，以及p a c s 系统的发展状况。 第三章d f c o m 标准，本章首先介绍了d i c o m 标准的历史和由来，然后详 细解析了d i c o m 通信协议标准，最后对基于d i c o m 标准的通信过程进行了分析。 第四章基于d i c o m 标准的医学图像处理和传输的设计和实现，论文详细 介绍了相关功能模块的设计思路和实现过程。 第二章p a c s 系统综述 天津大学硕士论文 2 1p a c s 的产生 第二章p a c s 系统综述 图像存储与通信系统( p a c s ，p i c t u r ea r c h i v i n ga n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ) 是近年来在国际医学界中逐渐兴起的一种先进信息系统技术，主要用于医院放射科、 超声科或医院范围内的图像获取、诊断和归档管理等，在有广域网支持的情况下， 可以进行远程医疗、网上会诊，并可以用来完成网络教学等任务j 。 医学图像诊断在现代医疗活动中占有极其重要的地位。随着可视化技术的不断 发展，现代医学已越来越离不开医学图像信息，医学图像在临床诊断、教学科研等 方面正发挥着极其重要的作用。目前的医学图像包括；b 超扫描图像、超声图像、 核磁共振( m r i ) 图像、c t 图像、x 射线透视图像、各种电子内窥镜图像、显微镜 下病理切片图像等等。通过对医学图像和信息进行计算机智能化处理后，可使图像 诊断摒弃传统的肉眼观察和主观判断。借助计算机技术，可以对图像的像素点进行 分析、计算、处理，得出相关的完整数据，为医学诊断提供更客观的信息。最新的 计算机技术不但可以提供形态图像，还可以提供功能图像，使医学图像诊断技术走 向更深层次。 同时，随着计算机技术的发展，大容量存储介质和图像压缩技术的应用，使医 学图像可以大量存储；计算机运行速度的提高，使得对图像的实时分析成为可能； 而通信技术的飞速发展，使医学图像可以迅速传输；由a c r n e m a 标准发展来的 d i c o m3 0 标准使医学图像及相关信息在计算机间传输有了一个统一的标准，通过 数据接口与互联网接通，就可以进行医学图像信息的远程传输，实现异地会诊。这 些相关技术的发展为图像归档与通信系统的实现提供了技术保障。 此外，p a c s 系统与起源于2 0 世纪5 0 年代的远程医学( t e l e m e d i c i n e ) 有极 其密切的联系，它被认为是实现未来远程医学的基础。作为实现医学图像信息管理 的重要条件，它对医学图像的采集、显示、存储、交换和输出进行数字化处理，最 终实现图像的数字化存储和传输。p a c s 的目标是实现医学图像在医院内外的迅速 传递和分发，使医生或病人本人能随时随地获得需要的医学图像一j 。 2 2p a c s 的应用范围和功能 p a c s 可以指任何一种放射医学图像管理系统。在实际应用中，可以按应用把 p a c s 划分为四类”： 在整个医院内实施的完整的p a c s 系统。其目标是支持在医院内部所有关 于图像的工作。系统集成了医疗设备、图像存储和分发，数字图像在重要诊断和会 诊时的显示，图像归档以及外部信息等部分。 在医院某个部门内实施的p a c s 。其目标是提高部门内医疗设备的使用效 塞。 第二章p a c s 系统综述天津大学硕：七论文 在医院内部的图像分发系统。其目标是协助医院的其他部门，特别是急诊 室( e r ) 和监护房( i c u ) 获得放射医疗部门生成的图像。 远程放射医疗。其目标是支持远程图像传输和显示。 根据医院的实际要求，一个实用的p a c s 系统可能包含了上述四类应用中的一 类或多类。完整的p a c s 系统应该包括图像获取、数据库管理、在线存储、离线归 档、图像显示及处理、与外部信息系统的接口、胶片打印及用于传输数据的高速局 域网络和支持远程数据传输的广域网。 p a c s 系统一般具有以下几方面的功能p 1 ： 将医院中已有的医学图像设备产生的图像通过直接或间接的方式转换为系 统能够存储和处理的数字化形式。随着d i c o m 标准的逐步应用，未来的医学影像 设备将统一使用d i c o m 标准接口，图像获取会更加方便。 存储和管理检查所产生的图像数据，这是p a c s 系统最重要的功能。由于 p a c s 系统中存储的图像数据量特别巨大，医院每天生成的图像总量可以从几百兆 到几十个吉，需要有能够管理超大规模数据库的数据库管理系统，当前尚无很成熟 的产品。受存储器容量的限制，p a c s 系统的数据通常要分级存储，常用数据存放 在在线设备、过期数据存放在离线设备中，为减少存储容量，还要对数据进行压缩。 图像显示和处理，这是医生接触和使用最多的功能。在显示工作站上的软 件应能满足医生最常用的功能，包括查询数据库中的图像记录，显示图像并且对图 像进行一些简单的处理，如缩放、旋转等，有些工作站还有生成和操作三维图像的 能力。在某些情况下，医生还要在工作站上写出诊断报告、注释等文本信息。 与h i s r i s 的接口。p a c s 系统在医院中不是独立存在的放射科信息系统 ( r i s ，r a d i o l o g y i n f o r m a t i o n s y s t e m ) 和医院信息系统“副( h i s ，h o s p i t a l i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 。为了与其他系统互连，p a c s 系统应当遵循一个信息交换的标 准。目前国际上的h l 7 ( h e a l t hl e v e l7 ) 标准已为多数厂商认可。 2 3p a c s 的体系结构和组成 2 3 1p a c s 的体系结构 p a c s 根据其使用的范围不同分为以下三个层次，放射科内部p a c s ；医院内部 p a c s 和较大范围的p a c s ( 指医院之间或跨地区之间的p a c s ) ，当前国际上各个 p a c s 生产厂商以放射科内部p a c s 和医院内部p a c s 作为主要产品，而更大范围的 p a c s 随着计算机网络的发展，尤其是i n t e m e t 网性能的进一步提高，也将会有相应 的产品问世。 放射科内部的p a c s 系统实现相对容易，利用以太网( e t h e m e t ) ，将科室或医 院内部图像资源完全共享，在现阶段利用局域网在医院内部传输文本、图像甚至 视频、声音等多媒体数据完全可以的。但是医院范围的p a c s 还要设计到与h i s 系 统的集成问题，必须考虑到h i s 的发展情况，两者的接口的实现有定的难度，h i s 和p a c s 的共同建设需要很高的经济成本目前只限于在我国的大医院推广。而对 于更大范围的p a c s ，受当前计算机网络尤其是网络带宽的制约，仍然处于研究阶 第二章p a c s 系统综述天津大学硕士论文 段。 早期的p a c s 主要医院甚至放射科内部的应用为主，因此p a c s 系统主要以集 中式系统为主，它的特点是将病人的影像数据( 通过影像设备直接或间接获取的) 存储在主服务器上，当p a c s 系统的其他客户端需要进行显示或查询时，通过服务 器的数据库管理系统( d b m s ) 调用数据到本地客户端，从它的基本工作流程可以 看出，它容易实现，管理和维护方便，但是由于图像数据量非常大，传输时间较长， 难以保证实时性，并且所有的图像数据都放置在一个服务器上，因此可靠性变得很 差，对服务器硬件提出了很高的要求1 1 4 1 。目前国外的一些大公司如西门子的s i e n e t i s a 系统就采用这种体系结构。 近几年随着计算机科学的发展，分布式的思想逐步被许多开发p a c s 的厂商所 采用，在这样的系统中，图像数据被分别存储在不同的物理服务器上，它们的数据 可以被网络的合法用户共享，分布式系统采用多点存储代替一点存储，提高了系统 的可靠性，但却相应增加了系统的复杂性，因此系统的实现和维护困难，所需经济 成本高5 1 。采用这种体系结构的由瑞士g e n e v a 大学附属医院开发的p a c s 。p a c s 的两种主要的体系，具体结构请见图2 1 。 2 3 2p a c s 系统的组成 图2 - ip a c s 的两种体系 p a c s 系统在物理结构上采用各种网络将不同类型的计算机连接起来，包括医 学成像设备、图像采集计算机、p a c s 控制器( 包括数据库和存档管理) 以及图像 显示工作站。图2 2 为p a c s 系统组成及数据流。 图2 - 2p a c s 系统组成及数据流 第二章p a c s 系统综述 天津大学硕士论文 i图像数据获取 由于计算机工作平台、成像设备和生产厂家的不同，使得图像格式、传输方式 千差万别，很难实现医学信息的共享。为了解决这个问题，人们规定了一系列医学 电子数据的交换标准，这些标准主要定义了用于传输的医学信息的格式( 即数据打 包) a 借助这些标准，用户只需将自己的请求按标准打包送出，服务器一端收到数据 后按标准将数据解包为自己能识别的格式，然后将处理后的结果再按标准打包送回。 这样，用户端和服务段都只需开发一套自己系统与交换标准的接口，就可以实现数 据共享。 目前正在使用的用于实现医学信息共享的医学数据交换标准主要有h l 7 ( h e a l t hl e v e ls e v e n ) 数据交换标准和医学数字成像和通信标准d i c o m ( d i g i t a l i m a g i n gc o m m u n i c a t i o ni nm e d i c i n e ) 其中h l 7 在i s o ，o s i 的应用层上定义了一组数 据交换的编码格式，对医院和医院的常用信息的各种格式和操作都给了一个相应的 编码，主要用于文本数据交换；而d i c o m 则包括标准化图像数据格式和通信协议 定义了一个应用消息交换和通信协议，支持o s i 和t c p i p ，定义了命令和交换数据 的标准响应和兼容水平引入了图像、分析、报告等信息，主要用于图像数据交换。 目前，h i s 和r i s 广泛使用h l 7 标准。p a c s 系统将d i c o m3 0 作为图像文件 标准，采集计算机从成像设备获得的图像文件需编码成标准图像文件，然后存储到 p a c s 图像数据库中。这些标准图像也可以被解码成非标准的内部格式。例如，显 示工作站为了快速显示图像，需要将标准格式图像转化为非标准的内部格式，其内 部处理器会自动将图像再转换成标准格式后送往其它地方7 j 。 临床医学图像包括静止图像和运动图像。静止图像可以分为三类： 符合d i c o m 3 0 的数字数据； 非标准的数字数据； 非数字数据( 如胶片、视频图像等) 。 对于符合d i c o m3 0 的数字图像，可以直接与采集计算机相连。对于胶片这类 非数字图像，一种方法是使用专用扫描仪直接得到数字图像。另一种则用摄像头获 得模拟输出，然后用祯捕捉的方式将其转换成数字图像，这种方法也适用于从医疗 设备的监视器输出获得的数字图像。最困难的是对非标准数字图像的处理，设计者 必须获得设备生产厂商关于数据结构和接口的详细说明，才能设计应用软件，从设 备的串行口或并行口读取非标准数据，并转换为标准化数据。动态医学图像( 如超 声心动图和血管造影) 包括一系列随时间变化的图像，这些设备一般没有数字化视 频输出，通常采用祯捕捉的方式将其转换成数字图像。 2 数字通信网络 p a c s 系统结构中，数字通信网络主要完成图像从获取设备到p a c s 控制器， 然后到显示工作站的传送。只要满足t c p i p 通信协议，网络实现可以采用任何拓扑 结构和物理结构。许多计算机和处理器用于图像通信，有些具有高速通信协议，有 些则没有。因此在网络设计中，要运用不同的通信技术以适应各种计算和处理需要， 第二章p a c s 系统综述天津大学硕士论文 目标是给临床提供最佳的图像吞吐能力。 3 图像存储管理系统 图像存储管理系统能够实现对短期，中期和长期图像存档数据的分级管理。系 统设计中的两个核心问题是数据完整性和系统效率。数据完整性是指p a c s 系统从 成像设备获得的图像数据不能被丢失，系统效率是指要缩短显示工作站对图像数据 的访问时间。 为保证数据的完整性，p a c s 系统一般在不同存储设备中保存两份图像文件， 包括成像设备、图像采集计算机、p a c s 控制中心和显示工作站、以保证图像被成 功的存档在长期存储设备( 如光盘库) 中。 存储管理系统中一般有四种存储介质：廉价冗余磁盘阵列( r a i d ) 用于立即访 问当前图像；磁盘用于快速检索缓存图像；可擦除磁光盘用于较长期存档；不可擦 除光盘( w o r m ) 位于光盘库中，用于图像的永久存档。成像设备和采集计算机磁 盘都用来保存最新获得的图像，这些图像文件一旦被成功存档到w o r m 中会被删 除。 4p a c s 存档系统 p a c s 存档系统是p a c s 系统的核心，主要有四部分构成：存档服务器、数据 库系统、光盘库以及通信网络。采集计算机和显示工作站通过网络与存档系统连接。 采集计算机从各种成像设备获得的图像首先被送到存档服务器，然后存储到光盘库， 最后送到指定的显示工作站”。 存档服务器的主要任务包括：图像接收、图像暂存、图像路由、图像存档、病 案分组、盘片管理、r i s 接口、p a c s 数据库更新、图像检索和图像预取。存档服务 器软件应使用标准编程语言和u n i x 开放系统结构。存档服务器中，完成各种任务 的处理过程独立运行，并使用客户服务器结构、查询控制机制和任务优先级控制， 同时与其它处理过程通信。 5 数据库集成 医学图像数据库具有以下特点： 多模式和数据异构：各种成像设备能提供多种模式的生物医学信息，包括 解剖学上的、空间的、生化的和生理的信息。各种医学图像在图像获取、分布和显 示方面存在差别。 结构与功能关联：医学图像的结构信息为疾病诊断提供了基本知识，而且 与功能紧密联系。 非精确性和时态性：医学图像的记录的是病人某个时刻的信息、受成像设 备精度的限制，记录的信息不很准确。 大数据集：医学图像数据量一般在1 - 2 m b 到3 2 m b 以上，远远大于文本 数据。 第二章p a c s 系统综述天津大学硕士论文 基础结构支持：临床诊断中常常需要将存储在不同地方的各种医学图像， 病人数据以及相关材料集中起来分析，而目前各种数据库是独立的，由于缺乏结构 上的支持，很难实现多媒体数据库集成。 安全性：如何保证数据库的安全是多媒体数据库集成引发的新问题，特别 在数据库与公共图书馆或国际网络互连时尤为重要。 6 图像显示工作站 图像显示工作站是控制图像显示的主计算机。用户通过它实现图像及其相关信 息的查询和显示。图像软拷贝是p a c s 系统的一个重要部件，有时也需要实现图像 硬拷贝，即将图像印在胶片上。图像显示工作站的硬件由图像缓存和处理器、显示 器及存储器三个部分组成，通过通信网络和应用软件实现与p a c s 控制器相连。图 像缓存和处理器用于实现图像数据到显示器的可视化转换，存储器要满足大容量、 高性能的图像显示需要，通过通信网络实现图像到显示工作站的数据传送。 第三章d i c o m 标准 天津大学硕士论文 第三章d i c o m 标准 3 1d i c o m 标准的产生 3 1 】医疗数据通信问题的提出 计算机技术的发展，大容量存储介质和图像压缩技术的应用，使医学图像可以 大量存储，计算机运行速度的提高，使得对图像的实时分析成为可能；计算机显示 技术和虚拟显示技术的发展，使得医生不用开刀就可以看到病人体内逼真的三维图 像。在这些医学图像诊断的技术当中，现在的热点和关键问题之一是医学图像及诊 断数据的通信问题。通信问题的重要性表现在以下两个方面。 1 解决不同厂家设备的互连问题 随着c t 、m r i 、x 光机、b 超以及其他医学诊断设备在医学图像领域的大规模 应用，在不同厂家制造的设备之间传输医学图像和其他相关信息已经成为迫切需要 【3 】o 各厂家的图像获取系统能够将医院中已有的医学图像设备产生的图像通过直接 或间接的方式转换为系统能够存储和处理的数字化形式，但是由于多数图像的格式 是厂家专有的，并且不对外公开，所以需要将这些非标准的信息转换为某种标准的 格式，并通过通信接口才能实现设备间的互连。在医院内部，经常有不同厂家的设 备，如何实现这些设备的互连，关系到能否实现数字图像的存储和分发、数字图像 在重要诊断和会诊时的显示、图像归档等应用【8 1 。不同厂家的设备互连，能够大大 提高医院内部医疗设备的使用效率。实现资源共享，例如急诊是( e r ) 和脏护房( i c u ) 可以获得放射医疗部门生成的图像。 除图像数据之外，还有大量与这些图像相关的医疗诊断信息。如病人信息、检 查的日期和时间、检查设备、图像的摄取角度和标注信息等。医疗设备间的互连也 可解决这些重要诊断信息的共享问题。 2 为远程医学应用提供基础 近年来，计算机网络技术的飞速发展，使得起源于2 0 世纪5 0 年代的远程医学 ( t e l e m e d i c i n e ) 得到了新的发展契机。医学图像及其相关数据的通信是实现未来 的远程医学的基础”j 。 远程医学可以分为三类：远程医学教学( t e l e e d u c a t i o n ) 、远程会诊 ( t e l e c o n s u l t a t i o n ) 、远程诊断( t e l e d i a g n o s i s ) 。远程医学教学是通过通信网络进 行教学，与其它远程教学不同的是，远程医学教学需要提供高质量的医学图像：远 程会诊是两地或多地的医生通过网络共享病人诊断信息，由异地医生或专家提出诊 第三章d i c o m 标准 天津大学硕士论文 断建议，最后由本地医生确定诊断报告，在这个过程中需要由一点向多点传输病人 的医学图像及其它信息：远程诊断是在远程会诊的进一步发展，需要异地的医生或 专家最终签署诊断报告，需要高质量的医学图像数据，因此所需的图像数据在质量 上不能与医生在当地观察到的图像质量有差别，这也是目前国内外远程医疗的发展 方向和热点。 因此可见，远程医学的三类应用有一个共同要求，即都要求得到高质量的图像 和完整、全面的相关医疗信息。但是。当前的远程医疗一般仍局限于使用视频会议 系统进行双方的通信，病人信息和诊断图像通过视频方式传递，图像质量得不到保 证，与通过胶片观察有明显的差距。这显然与远程医学应用的要求不符。因此，研 究如何通过由局域网和广域网组成的互联网络。实现网际、网内对医疗信息的实时 访问构成了开展远程医疗的基础。 3 1 2 医学数字图像通讯标准的产生 2 0 世纪8 0 年代以来，为了利用网络在不同的设备和医疗诊断系统之间交换图 像数据和诊断信息，国外开始制订专门针对医学信息通信的协议。1 9 8 3 年，美国放 射学会( a m e r i c a nc o l l e g eo fr a d i o l o g y ，a c r ) 和美国电器制造商协会( n a t i o n a l e l e c t r i c a lm a n u f a c t u r e r s a s s o c i a t i o n ，n e m a ) 成立了一个联合委员会开发相关标准， 并于1 9 8 5 年发布了a c r - n e m a 标准【2 0 1 。目前，a c r - n e m a 标准已经演变成为医 学数字成像及通信标准( d 1 c o m3 0 ，d i g i t a l i m a g i n g a n dc o m m u n i c a t i o ni n m e d i c i n e ) 。在这个标准中，增强了对网络的支持，成为医学影像设备的国际标准通 信协议。现在，各个厂家的医疗仪器和医学诊断系统都已开始使用国际化的通信和 数据格式标准d i c o m3 , 0 j 。 目前，d i c o m 标准分为以下1 4 个相关却又相对独立的部分【2 2 j ： d i c o m 标准介绍和概观( i n t r o d u c t i o na n do v e r v i e w ) 一致性声明( c o n f o i t n a n c e ) 信息对象定义( i n f o r m a t i o no b j e c td e f i n i t i o n s ) 服务类规范( s e r v i c ec l a s ss p e c i f i c a t i o n s ) 数据结构和编码( d a t as t r u c t u r ea n de n c o d i n g ) 数据字典( d a t ad i c t i o n a r y ) 消息交换( m e s s a g ee x c h a n g e ) 消息交换的网络通信模式( n e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns u p p o r tf o rm e s s a g e e x c h a n g e ) 消息交换的点到点通信模式( p o i n t t o - p o i n tc o m m u n i c a t i o ns u p p o r tf o r m e s s a g ee x c h a n g e ) 数据媒体存储和文件格式( m e d i as t o r a g ea n df i l ef o r m a tf o rd a t a i n t e r c h a n g e ) 媒体存储策略( m e d i as t o r a g ea p p l i c a t i o n p r o f i l e s ) 数据交换的存储功能和媒体格式( s t o r a g ef u n c t i o n sa n dm e d i a f o r m a t sf o r d a t ai n t e r c h a n g e ) 点到点打印管理( p r i n tm a n a g e m e n t p o i n t t o p o i n tc o m m u n i c a t i o ns u p p o r 【) 第三章d i c o m 标准天津大学硕士论文 灰度显示功能( g r a y s c a l es t a n d a r dd i s p l a yf u n c t i o n ) 对于d i c o m 通信来讲，上述协议中的第2 - 9 部分是其重点内容，其中由于第 9 部分“点到点数据通信”已经逐渐被网络通信所代替。 3 1 3d i c o m 标准未来的发展方向 医学信息数据通信领域正在经历一个飞速发展的阶段，大量新的医疗设备、计 算机诊断系统和诊疗理念不断丰富着这一领域。因此，d i c o m 标准从诞生之日起 就是一个开放的标准，它不断的进行着自我完善、扩充和演化的过程。为了适应这 种内容不断扩充和更新的需要，d i c o m 标准采用了广义的信息对象定义i o d ( i n f o r m a t i o no b j e c td e f i n i t i o n ) 的概念，不仅包括医学图形和图像，也包括大量相 关的检查、报告等广义的信息对象，并且通过唯一表示u i d ( u n i q u ei d e n t i f i e r ) 的 方式在网络环境下唯一地确定这些信息对象。在此基础上，d i c o m 标准定义了大 量不同的服务类( s e r v i c ec l a s s ) ，用以完成不同的服务功能。因此，对于不断更新 的医疗设备及其各种类型的数据，可以通过修改或定义新的i o d 使得标准与之相适 应并得以扩充；而对于新增的功能，则可以通过定义新的服务类来完成。这样就达 到了不需要对d i c o m 标准的整体架构进行修改的情况下，完成标准本身不断扩充 和更新的目的。也就是说，d i c o m 标准可以在不断吸收新特性的同时，仍能很好 的保持与原先版本的兼容性。 3 1 4 医疗数据通信在我国的现状 我国的医院在过去1 0 多年间，引进了大批先进的医学图像设备，对提高诊断水 平起到了重要的积极作用。但由于多方面的原因，大多数医学图像设备和系统都没 有考虑图像和相关医学信息的存储和通信功能，更多的是配置一部打印机或用x 光 胶片做图像记录，医生通过肉眼观察仪器屏幕的图像进行诊断。 一方面，有a c r - n e m a 标准发展而来的d i c o m3 0 标准相对来说是一个比较 新的协议，同时它也比较庞大日前国内对它的研究非常少，实现其功能的系统还 基本没有。另一方面，d i c o m 标准使得医学图像及相关信息在计算机间传输有了 统一的国际标准，通过数据接1 ：3 与互联网接通，就可以进行医学图像信息的远程传 输，实现异地会诊、远程医疗等应用。这些无疑可以大大提高诊断的效率和准确性， 有很重要的实际意义。因此，医学数据通信的问题已经成为目前各大医疗系统的焦 点问题之一。 3 2d i c o m 通信协议标准解析 3 2 1d i c o m 通信协议的特点和内容概述 ld i c o m 标准的主要特点 第三章d i c o m 标准 天津大学硕士论文 作为医学信息通信领域的国际标准d i c o m 协议具有以下一些突出特点 ( 1 ) d i c o m 协议是一种上层网络协议 d 1 c o m 协议处于o s i 开放系统互连7 成协议的上三层，即会话层，表示层和 应用层的位置，而在7 层协议的下层主要使用t c p i p 协议所提供的服务。d i c o m 协议要求在数据的编码、传输之前，必须先进行连接协商以确认双方“统一”某些 特定的条件，可以完成特定的通信功能。d i c o m 称连接协商的成功为建立一个“关 联”( a s s o c i a t e i o n ) 。只有在建立“关联”之后，才能进行d i c o m 命令和数据的发 送和接收。 ( 2 ) d i c o m 数据编码的特点 标准定义了2 6 种内部数据类型 像素数据的编码支持j p e g 图像压缩 图像可以包含缩略图和正常图像，也可以有多帧格式 d i c o m 标准支持多个字符集 d i c o m 具有自己独特的数据模型 d i c o m 通过“信息对象定义”i o d ( i n f o r m a t i o no b j e c td e f i n i t i o n ) 的形式 完整地建立和定义医疗环境下的数据模型 d 1 c o m 使用“全局唯一标识”u i d ( u n i q u ei d e n t i f i e r ) 在网络环境下唯一 的标识各种i o d 信息对象，使之不致混淆。 ( 3 ) 拥有完整、庞大的数据字典 d i c o m 标准拥有一个庞大的数据字典，其内容包含了几乎所有医疗环境下的 常用数据，可以完整地描述各种医学设备、图像格式数据及病人相关信息。 数据字典的条目以“数据元素”( d a t ae l e m e n t ) 为单位，每个数据元素描述- ， 项数据内容，如病人姓名、检查日期、一幅图像的像素数据等都可以是一个数据元 素。 数据字典具有可扩充性。d i c o m 标准预留出数据字典的一部分，允许各厂家按 照标准的格式自定义新的数据元素。 ( 4 ) 通过“服务类”概念实现应用层功能 为了完成某个特定的应用功能( 如图像管理、打印管理等) ，d i c o m 定义了 “服务类”( s e r v i c ec l a s s ) 的概念。服务类描述了可以对信息对蒙i o d 所做的操 作。服务类和信息对象结合起来构成了d i c o m 的基本单元，称为服务一对象对 ( s e r v i c e o b j e c tp a i r ，s o p ) 。表3 - 1 列举了一些典型的服务类及其描述。 第三章d i c o m 标准天津大学硕：e 论文 表3 - 1d i c o m 服务类举例 服务类描述 i m a g es t o r a g e 提供数据集的存储服务 i m a g eq u e r y 支持数据集的查询 i m a g er e t r i e v a l 支持从存储设备检索图像 i m a g ep r i n t 提供硬拷贝图像生成服务 e x a m i n a t i o n支持检查管理 s t o r a g et e