（生物医学工程专业论文）DICOM医学图像的获取及处理方法的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a e t a l o n gw i t ht h eu s eo fd i g i t a lm e d i c a li m a g i n ge q u i p m e n t si nh o s p i t a l si na w i d er a n g e ，i tb e c o m e sm o r ea n dm o r en e c e s s a r yt os t o r e ，m a n a g ea n ds h a r e m e d i c a li m a g e sa sw e l la sr e l e v a n td a t a s ob u i l d i n gp a c si sag o o di d e ai nt h i s f i e l d ，e n g i n e e r si nw e s t e r nc o u n t r i e ss t u d i e sm o r ey e a r st h a nw ed i d ，a n dw h a t r e s t r i c ti t sd e v e l o p m e n ta r et e c h n o l o g i e st h a tc o r r e l a t e dw i t hd i c o ma n di ti s m o s ti m p o r t a n tt or e a l i z er e l i a b l e ，s t a b l ea n dc o m p a t i b l ec o m m u n i c a t i o na m o n g d i c o mi n t e r f a c e so fm e d i c a li m a g i n ge q u i p m e n t s m e a n w h i l eh o wt oe x t r a c t u s e f u li n f o r m a t i o nf r o mt h e s eo r i g i n a ld a t at oe n h a n c ed i a g n o s i sb e c a m ea n o t h e r i m p o r t a n tt e c h n o l o g y t h et h e s i sm a k e sas t u d yo fa ni n t e r n a t i o n a l l ya c c e p t e ds t a n d a r d - d i c o m ， s p e c i a l l yo ni n f o r m a t i o no b j e c t i o nd e f i n e ， i n f o r m a t i o nm o d u l e ，s o p , a n dd a t a e n c o d i n g o nt h e b a s i so fa n a l y z i n gc o m m u n i c a t i o np r o c e d u r eo fd i c o m c o m p l e t e l y w eh a v er e a l i z e dt y p i c a ls e r v i c e so f d i c o ms e r v e r i no r d e rt os a t i s f yt h en e e do fm e d i c a li m a g ea n a l y s i sa n dp r o c e s ss o f t w a r e a n dc o m b i n ec h a r a c t e r i s t i co ft h es t a n d a r do fd i c o m w ed e f i n eai m a g ef o r m a t c a l l e dd v t h e nw ed i s c u s st h ei m a g ef o r m a tt r a n s f e rf r o md i c o m i m a g ef o r m a t t od vi m a g ef o r m a t ，a f t e rt h a tw eh a v ep r e p a r e dd a t af o ri m a g ea n a l y s i sp r o c e s s a tt h ee n do ft h e s i sw em a k eas t u d yo fd i f f u s i o nt e n s o ri m a g e t h e t e c h n o l o g yo fd i f f u s i o nt e n s o ri m a g ep r o v i d ec o m p l e t eo r i e n t a t i o nd e s c r i p t i o no f s t r u c t u r eo fh u m a no r g a n i z a t i o n ，n o to n l yu s e f u lt os t u d yw e l ls t r u c t u r ea n d f u n c t i o n so fh u m a no r g a n i z a t i o n ，b u ta l s ou s e f u lt od i s c o v e rd i s e a s ew h i c ha f f e c t c o n t i n u eo fs t r u c t u r eo fo r g a n i z a t i o n a f t e rt h ep r a c t i c a lt e s t i n g d i c o ms e l n e ra c t s 器a c q u i s i t i o ns e r v e rf o r i m a g e ss e n tf r o mi m a g i n ge q u i p m e n t ；d vf o r m a tw h i c hw ed e f i n es a t i s f yt h e n e e do fi m a g ea n a l y s i sp r o c e s s ；d i f f u s i o nt e n s o ri m a g ea n a l y s i sn o to n l yu s e f u l t os t u d yw e l ls t r u c t u r ea n df u n c t i o n so fh u m a no r g a n i z a t i o n b u ta l s ou s e f u lt o d i s c o v e rd i s e a s ew h i c ha f f e c tc o n t i n u eo fs t r u c t u r eo fo r g a n i z a t i o n k e yw o r d s ：d i c o m ；p a c s ；d a t ae n c o d i n g ；d t i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对麻。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识歪j 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：年月日 1 1 引言 第1 章绪论 自德国物理学家伦琴于1 8 9 5 年发现x 线至今已有1 0 0 多年，特别是近3 0 年，随着计算机及其相关技术的迅速发展及图形图像技术的日益成熟，医学 数字成像技术得到了飞速的发展。 数字成像技术内容广泛，技术迥然，原理各异，它包含计算机x 线摄影 ( c o m p u t e dr a d i o g r a p h y ，c r ) 、数字x 线摄影( d i g i t a lr a d i o g r a p y ，d r ) 、 直接数字x 线摄影( d i r e c td i g i t a l g r a d i o g r a p h y ，d d r ) 、计算机体层摄影 ( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ，c t ) 、磁共振成像( m a g n e t i er e s o n a n c ei m a g e ， n r i ) 、数字减影血管造影( d i g i t a l8 u b s t r a o t i o na n g i o g r a p h y ，d s a ) 、超声 成像( u l t r a s o n a n c eo r a p h y ，u s g ) 、单光子发射体层成像( s i n g l e p h o t o n e m i s s i o nc o m p u t e dt o m o g r a p h y ，s p e c t ) 、正电子发射体层成像 ( p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ，p e t ) 等新的成像技术“1 。这些成像技术 有一个共同的特点，即以计算机为基础，使图像信息数字化。 尽管，这些数字成像技术的成像原理和方法不同，诊断价值与限度亦各异。 但都能使人体内部结构和器官形成影像，从而了解人体解剖结构、生理功能 状况以及病理变化，提高诊断的准确性和正确性。 1 2 课题背景 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 ) 的中文全称为 图像存档及通信系统。1 ，它是近几年随着计算机技术、医学数字影像技术和 网络技术的进步而迅速发展起来的，旨在全面解决医学图像的获取、显示、 存储、传送和管理的系统。但是由于不同的生产厂商生产的不同型号设备采 用多种操作系统以及多种网络通信协议和不一致的图像格式，使得各医学影 哈尔滨_ 程大学硕士学位论文 像设备之间、p a c s 与个别医学影像设备之间以及组成p a c o s 各部分之间的连 通性和协同操作变得很困难。d i c o m ( 医学数字图像和通信) 标准的引进，使 得在医学影像设备与p a c s 部件之问的数据通讯成为了可行。遵从d i c o m 标准 以成为p a c s 不可缺少的关键技术之一，只有最大限度遵从d i c o m 标准才能实 现p a c s 与多个具有d i c o m 接口的医疗影像设备之间进行可靠、稳定以及兼容 的数据通信。在我国，p a c s 的研究开发处于起步阶段，目前还未见有真正使 用的p a c s 的报道，而制约其发展的一个重要技术之一就是d i c o m 相关的技术， 其中最为关键的是实现与具有d i c o m 接口的医疗影像设备间的可靠、稳定以 及兼容的数据通信。 医学影像数据实现有效管理的同时如何从这些原始数据中提取更多的信 息迸一步提高渗断水平成为了另一个关键的技术。医学影像处理与分析是近 几年兴起的新兴交叉学科。借助图形、图像技术等有力手段，医学影像的质 量和显示方法得到了极大的改善，从而借助于图像处理与分析手段使得诊疗 水平大大提高o ”。这不仅可以基于现有的医学影像设备来极大地提高医学临 床诊断水平，而且能为医学培训、医学研究与教学、计算机辅助临床外科手 术提供数字实现手段，为医学的研究与发展提供坚实的基础，具有不可估量 的价值。 基于以上的出发点，我们将对p c 机与医学影像设备间进行符合d i c o m 标准的网络通信进行研究，实现医学影像信息无失真或失真较小的方式取到 p c 机中，并进行有效管理；对获得的i ) i c o m 图像进程重新封装，形成自定 义格式的图像文件，为图像分析处理做好数据准备；对图像进行分析处理， 分析功能主要包括弥散张量分析。 1 3d i o o m 通信标准的发展现状 为了利用网络在不同的设备和其他医疗信息系统之间交换数据和诊断信 息。美国放射学会( a c r ) 和国家电子制造商协会心e 醯a ) 在1 9 8 3 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，并于1 9 8 5 年发布了 a c r n e m a l 0 版本，随后增加了新的数据元素并对内部内容进行了修改，形 成了2 0 版本。出于认识到标准对网络支持的不足和标准本身存在结构性的 喻尔滨：e 脞火学硕七学位论文 问题，a c r - - n e m a 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1 9 9 3 年正式公布了新的版本，命名为d i c o m 3 0 “1 d i c o m 标准从诞生之日就是一个开放的标准，它不断地进行自我完善、 扩充和和演化。为了适应内容不断扩充和更新地需要，d i c o m 标准采用了广 义地信息对象定义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，并且在 此基础上定义了大量不同的服务类( s e r v i c ec l a s s ) 用于完成不同的服务功 能。因此不断更新的医疗设备及其各种类型的数据，乐意通过修改或定义新 的i o d 使得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。这样就达到了不需对d i c o m 标准的整体框架进行修改的情 况下，完成标准本身的不断扩充和更新的目的。 1 4 医学图像处理分析的国内外现状 通过图形图像技术，可以对影像进行任意放大、缩小、旋转、对比调整、 分割、多平面重组以及三维重建等处理，使得医务工作者可以从多方位，多 层次的观察角度对影像数据进行详细的观察。”。目前世界上已有不少国家的 研究开始致力于这个领域的研发工作，并且研究出了一些面向临床的、功能 简单的医学影像处理与分析系统。这些系统虽然仅能提供有限的临床所需的 功能，但在临床研究中已经发挥重要的作用。 我国的医疗影像数字化起步比较晚，在过去的十多年间，引进了大批先 进的医学影像设备，但由于多方面的原因，大多数医学影像设备通常只配置 一台打印机或用x 光胶片做影像记录，医生通过肉眼观察仪器屏幕的图像进 行诊断。由于图像质量不够好，而且一些医生缺乏临床经验和专业水平，诊 断水平不够理想。虽然国内也越来越重视计算机及图像处理技术在医学领域 的应用，医学研究机构、医疗单位和公司企业都在进行该领域的研发工作， 但是由于医学影像处理与分析是- - f 新兴的交叉学科，其中很多关键性技术 问题还没有得到圆满解决，而这些问题的解决直接影响到计算机图形图像技 术在医学上的成功应用，因而现在具有自主知识产权的国产p a c s 系统上很难 见到图像处理与分析功能，而专业的图像处理与分析软件现在还是空白。 哈尔滨i ：程大学硕士学位论文 1 5 课题的主要研究内容 本论文首先研究符合d i c o m 3 0 通信协议的d i c o m 服务器的设计，它 是d i s c o v e r yv e n t u r ef o rd o c t o ri m a g ea n a l y s i ss y s t e m 医疗图像分 析系统的重要组成部分，主要用于各主要影像设备数据的接受和发送，并 对影像数据进行有效的管理；然后对获得的影像数据封装成自定义的图像 格式方便分析处理；最后对脑功能成像进行了分析处理，这些分析处理包 括弥散张量成像分析。其主要内容包括： 第1 章，首先介绍了本论文课题的背景和国内外技术现状，揭示了 d i c o m 通信的重要性和图像分析的重要意义，并概述了本文的主要研究内 容。 第2 章，详细介绍了d i c o m 3 0 标准的历史、应用范围、主要内容及 其发展，指出d i c o m 3 0 将是一个不断完善的医学数字影像通信的标准。 第3 章，详细分析了d i c o m 通信过程，从标准的角度说明了实现d i c o m 通信的思路。 第4 章，从程序的兔度说明了d i c o m 服务器的设计和实现。 第5 章，论述了d i c o m 图像到自定义图像格式间的转换过程 第6 章，对弥散张量成像进行了分析研究。 最后对本论文的总结及对课题的展望。 ；一。；一；墅鎏型尘茎堡圭耋! 窑篁兰 ；一； 第2 章医学成像与通信协议( d l o o m ) 研究 2 。1 引言 医疗数字成像与通信标准( d i c o m ) 是随着图像化、计算机化的医疗设备的 普及和医疗管理信息系统，特别是图像存档和通信系统( p a c s ) 和远程医疗 系统的发展应运而生的，它是医疗数字影像设备间以及和其他医疗信息系统 间交换数据和诊断信息专用数字接口应满足的标准协议。本章详细介绍了该 协议的发展历史、制定d i c o m 标准的目的以及d i c o m 标准的各部分内容，并 对其中的主要概念d i c o m 标准的信息模型和d i c o m 数据结构和编码进行了详 细介绍。 2 。2d i o o m 标准的发展过程 2 0 世纪7 0 年代以来，各种医疗影像技术不断推陈出新，仪器设备r 新 月异，以及计算机在临床应用中的增长，美国放射学会( a c r ) 和国家电子制 造商协会( n e m a ) 认识到需要一个在不同的制造商制造的设备之间传输图像和 联合信息的标准。 在1 9 8 3 年，美国放射学会( a c r ) 和国家电子制造商协会( n e m a ) 成立了一 个联合委员会来开发相应的标准。希望通过该标准能够： 1 、促进不同厂商设备间的数字图像信息通信交换； 2 、促进p a c s 的发展和扩展，p a c s 也可以与其他的医院信息系统接口： 3 、允许创建诊断信息数据库，并且允许分布在最大范围的不同设备能够 对这些数据可以进行查看访问。 在1 9 8 5 年发布了a c r n e m a l 0 标准版本。接下来对标准进行了两次修 订，第一次在1 9 8 6 年1 0 月，第二次在1 9 8 8 年1 月。并于1 9 8 8 年出版了 a c r n e m a 2 0 ，它不仅包含版本1 0 ，印刷修订版本和附加的修订版本，而且 还包括新的资料来提供显示设备的命令支持，从而引入一个新的分级表来识 哈尔滨1 i 程大学硕士学位论文 别一个图像，并且当描述一个图像时，可以为增加的特性加入新的数据元素。 这些标准出版物指定了一个硬件接口( 包括物理层的电气规范、信号的电气 特性、插座插脚定义、插座机和信号定时规范) ，一套软件命令的最小集合， 和成像设备和网络接口单元( n i u ) 间或两个成像设备间通信的数据格式集合 ：鄙 由于认识到标准对网络支持的不足和标准本身存在结构性的问题，a c r n e m a 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1 9 9 3 年正 式公布了新的版本，命名为d i c o m 3 0 。d i c o m 3 0 标准和以前几个版本的许多 主要功能增强了，主要体现在： i 、它适用于网络环境。前几个版本只在点对点的环境中可用，若要在网 络环境中可用，需要增加一个网络接口单元( n i u ) 。d i c o m3 0 支持在使用 符合工业标准的网络协议( 如i s o o s i 和t c p i p ) 的网络环境下的操作，不 需要n i u ，这样既方便又节约成本； 2 、它指定设备如何声明对命令和交换数据的标准应答的一致性。前面的 版本只能进行数据传输，即仅是在不同厂商的装置之间交换图像，完成互连 ( i n t e r c o n n e c t i o n ) 的功能。例如，要将一台成像装置发送的图像送至归档 系统，成像装置只要将它要发送的图像及相关信息放到一个包中，“告诉”归 档系统存储该包即可。至于归档系统如何完成存储动作，对成像装置无关紧 要，成像装置只要求归档系统做它该做的工作。而d i c o m3 0 标准的目标是 使互连设备能互操作( i n t e r c p e r a b l e ) ，这比互连大大前进了一步。d i c o m3 0 标准通过服务类的概念，说明了命令和相关数据的语义。例如，一台成像装 置要打印图像，打印机处理信息的方式对于成像装置来说非常重要，因为它 影响到图像的色调定标方法及多幅图像在胶片上的组合方式等。通过d i c o m 标准，成像装置可以使用与图像打印管理相应的服务类来控制这些功能； 3 、它指定了遵从性的等级，即在多种水平上的一致性。前面的版本指定 了遵从性等级的最小集合。d i c o m 在标准的第2 部分及其余部分的相关小节 中明确描述了如何选择特定的选项，以构造一个一致性说明的过程。有经验 的工程师通过对比两台装置说明书的一致性说明部分，就能大致判断出这两 台装置能否进行互操作； 4 、它按照多部分的文档结构来组织。通过简化新特性的增加，促进了标 哈尔滨工程大学硕士学位论文 准在迅速进化的环境中的发展。i s o 指令一定义如何去构造多部分文档一已 经加入到d i c o m 标准的构造中； 5 、它提出了明确的信息对象，并不只是针对图像和图形，还有检查、报 告等； 6 、它为唯一的识别任何信息对象指定了一个确定的技术。这促进了在网 络上运作的信息之间的关系的明确定义。 d i c o m 标准在不断扩充、发展的过程中完善自己，使它满足闩益增加的 信息对象和新的成像设备的需要。其制定委员会不断接受d i c o m 标准用户的 反馈意见，提出了许多补充意见，并经委员会投票决定是否采纳。如在2 0 0 1 年有补充2 3 结构化报告、补充3 0 波形、补充3 1 网络安全、补充3 3 软拷贝 状态4 个补充部分和第4 2 部分修正项目被决定加在2 0 0 1 年的d i c o m 标准中。 2 3d i c o m 标准的目标 d i c o m 标准促进了声明遵从d i c o m 标准设备的互操作性。特别地，它的 主要目的如下： 1 、负责说明传输的命令和相关数据的语义。对于相互操作的设备，必须 有一个标准，规定设备如何应答命令和相关数据，而不只是表明在设备之间 移动的信息； 2 、清楚定义标准实现的遵从性要求。特别地，一个遵从性声明必须指定 足够的信息来决定与其他声明遵从性的设备进行互操作的功能； 3 、促进了在网络环境中不需网络接口单元的操作； 4 、构造为可容纳新设备的结构，因而促进对未来医学成像应用的支持； 5 、使用可在任何地方应用的已经存在的国际标准，并且它自己符合已存 在的国际标准文档准则。 虽然d i c o m 标准有促进p a c s 解决方案的潜在性，单独使用标准并不担保 所有的p a c s 的目的都能够达到。这个标准促进了在多个制造商的系统声明的 遵从性范围内的互操作性，但不是由它自己担保互操作性。这个标准是以放 射学的诊断医学成像部分为重点发展起来的；然而，它被认为将广泛适用于 临床环境中的图像及相关信息交换。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4d i c o m 标准的主要内容 2 4 1 d i c o m 标准的总体结构 目前，d i c o m 标准由以下1 6 个相关却又相对独立的部分组成”1 ： 1 d i c o m 标准的介绍和概述( i n t r o d u c t i o na n do v e r v i e w ) 2 一致性声明( c o n f o r m a n c e ) 3 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 ) 4 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 ) 5 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 ) 6 数据字典( d a t ad i c ti o n a r y ) 7 消息交换( m e s s a g ee x c h a n g e ) 8 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 r m e s s a g ee x c h a n g e ) 9 r e t i r e d 1 0 数据媒体存储和文件格式( m e d i as t o r a g ea n df il ef o r m a tf o rd a t a i n t e r c h a n g e ) 1 1 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 np r o f i l e s ) 1 2 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 rd a t ai n t e r c h a n g e ) 1 3 r e t i r e d 1 4 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 y ) 1 5 安全策略( s e c u r i t yp r o f i l e ) 1 6 资源的内涵映射( c o n t e n tm a p p i n gr e s s o u r c e ) 对于d i c o m 通信来讲，上述协议中的第1 8 部分是其重点内容，因此下 面只就最重要的第l 8 部分内容进行介绍。 2 4 2d i c o m 标准的主要内容介绍 1 简介和概要 该部分介绍了d i c o m 的概念、应用范围、制定目的以及对标准的其他部 分作了简要的概述。 2 一致性声明( c o n f o r m a n c e ) 该部分精确定义了d i c o m 一致性声明的原则。由于d i c o m 标准内容十分 庞大、功能复杂、包含面广，到目前为止还没有什么设备能够涵盖所有的功 能，只是实现了本设备必须的功能以满足实际的需要。因此标准要求设备制 造商或软件提供商必须给出本设备或本系统所支持的d i c o m 的功能说明即一 致性声明。 一致性声明的主要内容包括： l 、实现d i c o m 兼容的设备或应用系统的可识别的信息对象集： 2 、实现d i c o m 兼容的设备或应用系统的服务类； 3 、实现d i c o m 兼容的设备或应用系统支持的通信协议或物理介质； 4 、实现d i c o m 兼容的设备或应用系统所支持的安全策略。 设备或应用软件系统有了一致性声明。用户或系统设计人员可以通过两 个系统的一致性声明就能判断出这两个系统是否可以进行互操作和通信。 3 信息对象定义 该部分利用面向对象的方法，对医学数字图像通信中涉及的图像和相关 信息( 例如，波形，结构化报告，放射治疗剂量等) 等现实世界中的实体进 行了抽象定义了许多信息对象类。鉴于信息对象定义和服务类说明在d i c o m 标准中是一个及其重要的概念，是深入全面理解d i c o m 的关键，所以将在下 一节中进行更详细的介绍。 4 服务类说明 这部分定义了一系列的服务类。一个服务类把一个或多个信息对象和作 用在它们上的一个或多个命令联系起来。典型的d i c o m 服务类有查询、检索 服务类、存储服务类和打印服务管理类等。鉴于信息服务类说明和对象定义 在d i c o m 标准中是一个及其重要的概念，是深入全面理解d i c o m 的关键，所 哈尔滨工程大学硕士学位论文 以将在下一节中进行更详细的介绍。 5 数据结构和语义 该部分描述了对信息对象类和服务类如何进行构造和编码，同时也指出 了标准支持的图像压缩技术( 例如：j p e g 有损和无损压缩等) 。 6 数据字典 数据字典是所有已经注册的i o d 属性数据元素的集合。每个数据元素包 含唯一的标记、名称、数据类型和用途说明。在通信过程中，可以利用数据 字典来构造数据集和解析数据集，使通信双方互相理解，进行正确的通信。 该部分还说明了所有d i c o m 标准中所用的唯一标识符u i d 的名字和对应的值 及u i d 类型。 7 消息交换 这部分说明了在医学图像环境中的d i c o m 应用实体在交换消息时的服务 和协议。一个典型的d i c o m 消息由一个命令流和紧随的数据流( 可选) 组成， 是d i c o m 应用实体间进行通信的基本单元。 这部分定义了： 1 、服务类( 在第4 章定义) 能进行的操作和通知( d i m s e 服务) ： 2 、建立和终止通信连接的规则： 3 、控制交换网络命令请求和响应的规则： 4 、构造命令流和消息的编码规则。 这部分和第8 部分是通信协议的核心。本文的下一章将对d i c o m 的通信 过程进行详细的研究。 8 消息交换的网络通信模式 这部分说明了d i c o m 应用实体之间在网络环境中的通信服务和必要的上 层协议支持。这些服务和协议保证了应用实体之间进行有效和正确的通信。 这些通信服务是o s i7 层协议的一个子集，它主要包括一些o s i 的上层服 务，包括表示层服务和o s i 规定的连接控制服务单元( a s s o c i a t i o nc o n t r o l s e r v i c ee l e m e n t ，a c s e ) 。在此基础上，允许对等应用实体间建立连接，传 送消息和终止连接。 2 5d l o o m 标准的信息模型 d i c o m 信息模型定义了与医学图像通信相关信息的结构和组织。d i c o m 信 息模型主要结构如图2 1 所示。 从上图可以看出，d i c o m 协议为外界提供服务的最高层次是服务类，每个 服务类可包含一个至多个服务对象对s o p 。服务对象对由服务组及其所作用 的信息对象配对组成，其中服务组由消息服务元素或媒质存储服务组成，而 信息对象定义i o d 包含大量相关属性。从中我们发现d i c o m 信息模型具有明 显的面向对象特征，这使得d i c o m 所定义的数据信息可以进行自由扩展，并 保持与先前的版本兼容性。因此在进行d i c o m 服务器设计时，我们采用了面 向对象的编程语言c + + ”“。 哈尔滨：r 程大学硕士学位论文 2 5 1 信息对象定义 一个信息对象定义( i o d ) 是一个面向对象的抽象数据模型，用来指定关 于现实世界对象的信息。信息对象定义不是代表某个现实世界对象的实例， 而是代表了现实世界中对象所共有的属性。这也和面向对象编程中的“类” 的概念十分相似。d i c o m 定义了两类信息对象定义：规范型i o d 和复合型i o d 。 规范型i o d 代表d i c o m 模型中的单个实体，其中的属性均为现实世界实 体所固有的属性。例如，“检查信息对象定义( s t u d yi o d ) ”是规范型i o d ， 它包含了“检查r 期”、“检查时间”等属性，这些属性是一个实际的医学检 查所固有的。但是，像“病人姓名”这样的属性不属于检查i o d 。这是因为 病人姓名是病人的内在属性，而不是检查的固有属性。 表2 1c t 图像i o d 信息实体模块( m o d u l e ) 包含要求 病人信息( p a t i e a t ) 病人信息( p a t i e n t ) 必需 检查( s t u d y ) 一般检商( g e n e r a ls t u d y )必需 病人检查( p a t i e n ts t u d y )可选 系列( s e r i e s )一般系列( g e n e r a ls e r i e s )必需 参考框架( f r a m eo fr e f e r e n c e )参考框架( f r a m eo fr e f e r e n c e )必需 仪器( e q u i p m e n t ) 一般仪器( g e n e r a le q u i p m e n t )必需 图像( i m a g e )一般图像( g e n e r a li m a g e )必需 图像平面( i m a g ep l a n e )必需 图像像素( i m a g ep i x e l ) 必需 对比突显( c o n t r a s t b o l u s )若使用突显药剂则为 必需 c t 图像( c ti m a g e )必需 覆益平面( o v e r l a yp l a n e ) 可选 v o i 查询表“o il u t ) 可选 服务对象对( s o pc o m m o n ) 必需 哈尔滨工程大学硕十学位论文 复合型i o d 是d i c o m 模型中多个实体的一部分信息对象的定义，这就是 说复合型i o o 所包含的属性不仅包含有现实世界实体所固有的属性，还有与 现实世界实体相关的但不是本身所固有的属性。例如“c t 图像i o d ”是一个 复合型i o d ，它包含了图像的固有属性( 如图像的摄影时间) 和非固有属性 ( 如病人姓名) 。表2 1 是“c t 图像1 0 3 ”所包含的信息实体和模块实例。 信息对象定义i o o 具有层次结构：每个i o i ) 由多个信息实体( i e ) 组成， 每个信息实体由一个或多个模块( m o d u l e ) 组成，每个模块又包含大量相关 的属性。这个层次结构可以从表2 1 中看出。信息对象定义中的属性在编码 时用数据元素表示，关于编码和数据元素将在下一节中介绍。 2 5 2 服务对象对s o p 服务对象对由i o d 与d i m s e 服务组的联合来定义。s o p 定义了一些规则 和语义，用来限定d i m s e 服务组的使用和i o d 的属性。 一组b i c o m 消息服务单元( d i c o mm e s s a g es e r v i c ee l e m e n t ，d i m s e ) 指明了一个或多个作用在一个信息对象定义上的操作和通知。d i m s e 可分为 d i m s e c 服务( 为复合型i o d 提供操作和服务) 和d i m s e n 服务( 为规范型 i o d 提供操作或通知服务) 。 2 5 。3 服务类 一个服务类由一个或更多的与一个特定的功能( 由通信应用实体实现) 相关的s o p 组成。d i c o m 应用实体如果遵从s o p 类，即可以作为服务类用户 ( s c u ) 也可以作为服务类提供者( s c p ) 。在对等应用实体间服务类用户和服 务类使用者间的交互工作类似于“客户端服务器模型”，d i c o m 应用实体可 以遵从s o p 类，作为一个服务类用户( s c u ) 或服务类提供者( s c p ) 。 典型的服务类有： l 、验证( v e r i f i c a t i o n ) 服务类； 2 、存储( s t o r a g e ) 服务类； 3 、查询检索服务类( q u e w r e t r i e v e ) 服务类； 哈尔滨l ：程大学硕士学位论文 4 、( 对病人的) 管t 里( m a n a g e m e n t ) f l e 务类。 2 6d i c o m 数据结构和编码 2 6 1d i c o m 数据元素结构 上文简述的信息对象定义i o d 是d i c o m 对信息组织的逻辑模型，而在实 际数据存储和传输时，d i c o m 将会把每个信息对象定义i o d 中的属性编码为 一个规定格式的数据元素，把这些数据元素组织在一起形成数据集，用于 d i c o m 信息的交换；同时d i c o m 文件组成的基本元素也是数据元素，理解数 据元素的格式和内容，才能对d i c o m 交换信息进行正确封装和解析，才能对 d i c o m 文件进行正确的读写。 数据元素是通过数据元素标记标识唯一性的。一个数据元素包含了数据 元素标记( t a g ) 、数据类型v r ( v a l u er e p r e s e n t a t i o n ) 、值长度( v a l u e l e n g t h ) 和数据元素值( v a l u ef i e l d ) 四个部分组成。1 ： 1 、数据元素标记( t a g ) 。它是占4 个字节的无符号整数，前两个字节 是组号，后两个字节是元素号，十六进制格式为( g g g g ，e e e e ) 。其中组号表 明这个数据元素属于哪个数据组，如d i c o m 命令的组号是0 0 0 0 ；而元素号用 于区分同一组中的不同数据元素；组号和元素号组成了数据元素的唯一标识， 数据字典就是依据数据元素标记来检索不同数据的。 2 、数据类型v r ( v a l u er e p r e s e n t a t i o n ) 。它占2 个字节，规定了数据 元素的数据类型和格式。数据类型v r 根据不同的传输语法可以省略，即如果 传输使用隐式( i m p l i c i t ) 传输语法，数据类型v r 将被省略；而如果传输显 式( e x p l i c i t ) 传输语法。数据类型v r 必须包含在数据元素中，用于显示说明 数据类型。 3 、数据长度( v a l u el e n g t h ) 。占2 个或4 个字节( 取决于数据类型的 种类，以及传输语法) ，用于指定数据域长度。d i c o m 规定数据长度必须是偶 数。但是如果数据类型v r 为s q ( 序列类型) 数据长度编码可为( f f f f f f f f ) ， 用于表明长度不确定。 1 4 哈尔滨：释人学硕十学位论文 4 、数据域( v a l u ef i e l d ) 。用于存放真正的数据。数据可以有多个值， 但总长度必须是偶数，不足时用“补丁字符”补齐。 d i c o m 通信过程中，传输语法的不同决定了数据格式的不同。下面分别 列出了三种不同传输语法作用下的数据元素格式。 表2 2 显式传输时数据元素的格式( 除v r 为o b 、o w 和s o 的元素) 标记 v r 数据长度数据 组号 元素号v r ( 字符串)无符号整数按照传输语法的偶数字节数据 2 字节2 字竹2 字节2 字节 “数据长度”指定的字节，数 表2 3 显式传输时v r 为o b 、o w 和s q 的数据元素的格式 标记 v r 数据长度 数据 组号元素号 o r 、o w 或s q o o o o h无符号整数 按照传输语法的偶数字节数据 2 字节2 字节2 字节2 字节4 字节“数据长度”指定的字仃数 表2 4 隐式传输时数据元素的格式 标记数据长度数据 组号 元素号无符号整数按照传输语法的偶数字节数据 2 字节2 字节2 字节“数据长度叶日定的字节数 2 6 2d l g o m 数据编码 在s o p 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( l i t t l ee n d i a n ) ，还是高 位字节先存储或发送( b i ge n d i a n ) ：封装情况下的压缩格式，是采用j p e g 还是r l e 的压缩算法，是有损方式还是无损方式等。例如，对于一个3 2 位无 哈尔滨工程大学硕士学位论文 符号整数1 2 3 4 5 6 7 8 h ，在l l t t l e e n d i a n 方式下的字节顺序为7 8 、5 6 、3 4 、1 2 ， 而在b i ge n d i a l l 方式下的字节顺序则为1 2 、3 4 、5 6 、7 8 ”o3 。 传输语法的处理是服务提供方的一部分，但双方都要初始设最j 下确的对 双方都可接受的传输语法。传输语法是由一个u i d 标识的。d i c o m 默认的传 输语法是隐式v rl i t t l ee n d i a n 传输语法： 2 7 本章小结 在这一章旱，我们首先通过d i c o m 标准的发展过程、制定目的和主要内 容的介绍对d i c o m 标准有了一个全面的了解和认识；然后详细地介绍了d i c o m 信息模型，通过这些内容可以了解d i c o m 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d i c o m 标准的基础。最后 对数据元素和编码进行了详细介绍，理解数据元素的格式、内容及编码，是 对d i c o m 交换信息进行正确封装和解析以及对d i c o m 文件进行正确的读写的 基础。 在下一章中，我们将对d i c o m 的通信过程进行深入解析，为d i c o m 服务 器的具体实现做好准备。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 1 引言 第3 章d lc o m 通信过程解析 在上一章中我们对d i c o m 标准作了较为详细的介绍。在本章中我们将对 d i c o m 的通信过程进行详细的解析，在下一章中我们将在此基础上实现符合 d i c o m 标准的d i c o m 服务器。 3 2d l c o m 通信的体系结构 3 2 1d ic o m 和0 s l 参考模型 医疗图像设备的互连通信模型采用的是开放系统互连( o p e ns y s t e m i n t e r n e to s i ) 基本参考模型”“。对于o s i 这样的分层协议来说，每一层都 使用其直接相邻的下一层所提供的服务，而同时又向相邻的上层提供自己的 服务。采用分层结构的优点在于