（模式识别与智能系统专业论文）脊柱微创手术机器人图像与可视化导航研究.pdf

中文摘要 中文摘要 脊柱微创外科手术是治疗脊柱疾患的重要手段，但是高精度的手术定位技术 始终是限制脊柱微创外科手术推广的瓶颈。机器人技术越来越多的应用到外科 手术中，尤其是在辅助定位方面显示出巨大的优势。 南开大学机器人与信息自动化研究所设计了一套基于c t 导航的脊柱微创外 科手术机器人辅助定位系统。在c t 图像导航下，利用机器人定位精确、抓持稳 固的特点为医生搭建一个辅助手术操作平台，医生可以在这个平台的帮助下， 对脊柱进行穿刺等手术。 本论文基于脊柱微创外科手术机器人辅助定位系统平台，对脊柱微创手术机 器人图像与可视化导航进行分析研究。首先，在分析d i c o m 通讯标准和c t 图 像文件格式的基础上，实现了c t 图像的采集与解析显示。其次，进一步实现了 c t 图像的处理功能，包括图像滤波、图像变换和图像测量等。本论文还对c t 图像的三维可视化进行了研究与分析，主要包括三维重建的体绘制和面绘制算 法。结合脊柱微创外科手术的应用背景，主要对面绘制算法中的m a r c h i n g c u b e s 和d i v i d i n g c u b e s 算法进行了分析与实现。最后一部分在深入分析d i c o m3 0 标准中对影像文件平面和立体坐标信息定义的基础上建立起c t 图像坐标系，实 现了在c t 图像平面上点坐标的获取、手术路径的规划和平面手术进针过程的模 拟。与此同时，在c t 图像面绘制的基础上，更进一步的实现了手术进针过程的 三维仿真。 关键字 脊柱微创手术机器人d i c o m 面绘制三维仿真c t 导航 a b s t r a c t a b s t r a c t t h em i n i m a l l yi n v a s i v es p i n es u r g e r yi sa l li m p o r t a n tm e t h o df o rc u r i n gs p i n e d i s e a s e s ，b u tt h es u r g i c a lp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yi sak e yp r o b l e mt h a tc o n f i n e si t s p o p u l a r i z a t i o n r o b o tt e c h n o l o g i e sh a v eb e e na p p l i e dt os u r g e r i e sm o r ea n dm o r e ， a n de x h i b i t e do b v i o u sa d v a n t a g e se s p e c i a l l yi nt h ef i e l do fs p i n es u r g e r y t h ei n s t i t u t eo fr o b o t i c sa n da u t o m a t i ci n f o r m a t i o ns y s t e mn a n k a iu n i v e r s i t y d e s i g n e dar o b o ta s s i s t a n tp o s i t i o n i n gs y s t e mf o rm i n i m a l l yi n v a s i v es p i n es u r g e r y g u i d e db yc ti m a g e s w i t hi t sa c c u r a t ep o s i t i o n i n ga n dh o l d i n gs t e a d i n e s s ，t h er o b o t c a nb u i l du pa na s s i s t a n tp l a t f o r mf o rt h es u r g e o ng u i d e db yc ti m a g e s ，w i t hw h i c h t h es u r g e o nc a np e r f o r mp u n c t u r i n ga n do t h e rs u r g i c a lo p e r a t i o n sa l o n gt h ed i r e c t i o n o fe n d e f f e c t o r i nt h i sd i s s e r t a t i o n , i m a g ea n dv i s u a ln a v i g a t i o nt e c h n o l o g i e sa b o u tt h ea s s i s t a n t r o b o ts y s t e ma r ea n a l y z e di nd e t a i l f i r s t l y , t h ea c q u i s i t i o na n dd i s p l a yo fc ti m a g e d a t ai sr e a l i z e db a s e do nt h ea n a l y s i so fd i c o mc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d sa n dc t i m a g ef o r m a t s e c o n d l y , c ti m a g ep r o c e s s i n gi si m p l e m e n t e d ，i n c l u d i n gi m a g e f i l t e r i n g ，i m a g et r a n s f o r m i n g ，i m a g em e a s u r e m e n ta n ds oo n t h i r d l y , t h et e c h n o l o g y o ft h et h r e e - d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o no fc ti m a g ei sa l s od i s c u s s e d ，s u c ha sv o l u m e r e n d e r i n ga n ds u r f a c er e n d e r i n g t h e nw ea n a l y z e da n di m p l e m e n t e dm a r c h i n g c u b e s a l g o r i t h ma n dd i v i d i n g c u b e sa l g o r i t h mo ns u r f a c er e n d e r i n g f i n a l l y ，a f t e rt h e d e t a i l e da n a l y s i so fd i c o m3 0s t a n d a r d s ，w eb u i l dac o o r d i n a t es y s t e mo fc ti m a g e ， t h e nr e a l i z et h ea c q u i s i t i o no fap o i n t sc o o r d i n a t e s ，t h ep l a n n i n go fs u r g i c a lp a t ha n d t h es i m u l a t i o no fs u r g i c a lp r o c e d u r e s s i m u l t a n e o u s l y ，t h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o n o fs u r g i c a lp r o c e d u r e si sa l s oi m p l e m e n t e do nt h eb a s i so fs u r f a c er e n d e r i n go fc t i m a g e k e y w o r d r o b o tf o r m i n i m a l l yi n v a s i v es p i n es u r g e r y , d i c o m ，s u r f a c er e n d e r i n g ， t h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o n ，c tn a v i g a t i o n l i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本i ，学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 触抓 一i 州年月2 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 1 年 剐赴爪 f 月 2 日 第一章绪论 第一章绪论 第一节前言 脊柱手术是一类风险较大且病例较多的外科手术【l j 。传统脊柱手术以手术切 口大、直接暴露手术部位以及出血多愈合慢等为特征对患者造成较大创伤【2 】。随 着医疗影像技术的发展，目前医生主要依靠患者术前c t 断层图像或术中x 射 线透视来获得病人的解剖信息【3 】。虽然这种方法对手术起到了一定的辅助指导作 用，但是，医生需要通过这些影像在自己头脑中构建出入体器官的三维形态与 手术方案。手术质量很大程度上依赖于医生的临床经验，对手术操作是否正确 缺少科学的判断依据，因而增加了手术的风险和病人的损伤。除此以外，在手 术过程中，医生与病人长时间地接近各类医疗影像设备，会受到较大剂量的辐 射，增加感染的风险。同时，长时间地操作手术工具也会使医生感到疲劳，从 而影响手术精度，增加病人的痛苦【4 j 。 脊柱微创外科手术【5 】是脊柱手术中损伤较小的一类手术。它的产生得益于计 算机技术、机器人控制技术、医学成像技术、图像处理技术和医疗外科技术的 发展。它借助于医学影像、显微内窥镜等特殊手术器械和仪器对脊柱疾患进行 诊断和治疗。其目的在于将医源性创伤减小到最低程度，同时获得最佳疗效。 脊柱微创外科手术主要包括两大类：经皮穿刺脊柱微创外科手术和借助内窥镜 进行的脊柱微创外科手术。在脊柱微创外科手术中，脊柱的病变位置一般与重 要生命器官相邻，因此手术精度要求高，对医生的手术操作也提出了更高的要 求。手术定位技术的高精度要求限制了脊柱微创外科手术的推广【6 j 。目前脊柱微 创外科手术只能在我国的一些大医院开展。 机器人技术成为解决上述问题的重要方法。机器人具有定位准确、不怕疲劳、 不怕辐射、不怕感染等特点【_ 7 1 。机器人可以在人的操作下，或者自动地进行精确 定位。机器入各关节锁定后可以作为手术器械的固定支架，为医生进行微创外 科手术提供稳定可靠的平台【8 j 。 医疗影像技术也为脊柱微创外科手术提供了有力支持。通过医疗影像设备获 取的患者脊柱病变部位的影像，经由导航计算机采集、处理、显示，可以帮助 第一章绪论 手术医生准确定位病变位置，制定手术方案、规划手术工具的运动路径，从而 降低了手术的难度，提高手术的成功率，保障手术的安全性【9 】。 随着c t 机在我国的普遍使用，基于c t 图像导航的脊柱微创外科手术机器 人将有着广阔的应用前景。本课题即在c t 图像导航下，利用图像导航和机器人 技术建立一套手术辅助定位系统，旨在解决脊柱微创外科手术中的辅助定位问 题，降低脊柱微创外科手术的难度，提高手术成功率。 第二节医疗外科手术机器人的发展现状 医疗机器人属于多学科交叉研究领域，大致可分为外科手术、康复护理和医 院服务等几种类型。其中，医疗外科手术机器人技术【l o 】的研究已经成为国际机 器人研究领域的前沿热点之一。 医疗外科手术机器人的发展受到了世界各国的重视，尤其是引起了许多发达 国家诸如美国、法国、德国、意大利、日本等国政府和学术界的极大关注。早 在上世纪8 0 年代，世界上一些先进国家就十分重视计算机和机器人系统在外科 手术方面的研究。在1 9 8 6 年，国际先进机器人研究计划组织i a r p ( i n t e m a t i o n a l a d v a n c e dr o b o t i c sp r o g r a m m ) 就曾商讨研发具有经济效益的医疗外科机器人技 术。西方七国凡尔塞会议也将医用手术规划系统与医用外科手术机器人技术列 为振兴西方经济的1 8 个合作项目之一。在同一时期，法国国家科学研究中心开 展了医疗外科仿真、规划和导航系统的研究；欧共体将机器人辅助外科手术系 统以及虚拟外科手术仿真系统列为了重点研究开发项目。 近年来，医务工作人员与工程技术人员紧密配合，将先进的机器人技术、计 算机图像技术、计算机控制技术和外科手术技术相结合，研究开发了许多类型 的医用外科手术机器人系统，有的己经应用于临床实践，一些研究成果己显示 出巨大的经济效益和社会效益。 1 9 9 6 年，c o m p u t e rm o t i o n 公司推出了用于微创手术的z e u s 机器人外科手 术系统 1 1 1 。利用z e u s 系统，医生可以在舒适的工作环境下操纵主手动作，并 通过监视器实时监视手术的过程。在手术现场，从手忠实地模拟并按比例缩放 医生用主手操作的动作。 2 0 0 1 年，美国i n t u i t i v es u r g i c a l 公司开发的d a v i n c i 系统【1 2 1 ，是世界上首套 可以正式在医院手术室腹腔手术中使用的医用机器人手术器械。该系统的构成 2 第一罩绪论 包括一台三维视像系统的外科医生控制台、三支可定位及精确操控内窥镜的机 械臂和一支腹腔镜抓持手等设备。手术中，医生在远程控制台前，通过观察病 人体内组织的三维影像，操作控制杆来完成手术，机械臂可以完成人手无法完 成的精细的动作。机械手配有特制的手术器械，可以从1 厘米的切口进入病人 体内进行手术。 九十年代至今，国内的医疗外科手术机器人研究也取得了稳步的发展。国产 的h b 1 型立体定向脑外科手术机器人【l3 。，是海军总医院和北京航空航天大学联 合研制的我国首台具有自主知识产权的医疗外科机器人。该系统主要由影像获 取、传输、虚拟手术规划、智能机械臂、病人头部固定装置等部分组成，可以 完成确定手术靶点、重建三维病灶轮廓、导航定位器械、定向手术系统等多个 复杂步骤。其基本原理是将病人影像资料三维重建后的图像空间与机器人的操 作空间，通过病人头上的标志点进行映射，手术医生在图像空间规划手术方案， 机器人则按预定规则在操作空间完成操作。 随着网络技术的不断发展，远程外科手术也显示出了广阔的应用前景。2 0 0 3 年，由海军总医院和北航合作的国内首例远程外科机器人手术利用a d s l 成功 完成【l4 1 。这也是国际上首例成功的异地遥操作神经外科手术。这次手术是在北 京和沈阳之间进行的，手术对象是一位由于脑出血而导致下肢偏瘫的患者。手 术医生通过北京通信提供的宽带e 线adsl ，在北京遥控沈阳的机器人进行颅 脑外科手术的操作。患者床头安装两台摄像机，旁边有一台安置了话筒的电脑， 手术现场所有的影像、声音将通过a d s l 传回北京，北京的专家通过网络指导 手术的全过程。 此外，国内的一些典型研究还包括：南开大学研发的显微手术机器人、哈尔 滨工业大学与北京航空航天大学合作研制的遥操作辅助正骨机器人系统、北京 航空航天大学研制的角膜移植显微手术机器人、清华大学研制的神经康复机器 人，以及其他一些大学和研究机构开发的无损诊疗和辅助外科手术机器人系统 等。目前这些系统大多处于研究阶段，离临床应用还有一定距离。 总之，目前国内的医疗外科手术机器人正处于起步阶段，虽然在医疗机器人 关键技术的研究取得了许多重大突破，但要应用于临床实践还需要不断完善。 第一章绪论 第三节脊柱微创外科手术机器人辅助定位系统简介 针对脊柱微刨外科手术中存在的问题，本课题旨在利用机器人技术来辅助医 生完成脊柱手术。在c t 扫描图像的导航下，利用机器人的高精度、稳定性和可 控性，来完成手术工具的定位，为医生措建一个稳固的手术操作平台改变了 过去医生只能凭借主观判断和积累的手术经验来完成手术的局面，能够减少人 为因素引起的手术误差和干扰，提高手术的质量。 手术前，先把病人固定在c t 机检查床上，送入c t 机进行扫描，通过对获 取的c t 断层扫描图像进行分析，确定病灶的位置和规划手术的路径信息。通过 对这些图像信息的解析可以得到机器人的目标位姿，进而通过机器人逆运动学 计算来得到机器人各个关节的目标参数。在机器人的各个关节都设有位移传感 器，可以实时反馈机器人各个关节当前参数在这些数据的导航下，医生可咀 操作机器人到达目标位姿并锁定各关节以辅助完成穿刺手术。 脊柱微创外科手术机器人可以安装在c t 机检查床上，并可以沿着c t 机导 轨滑动。它具有五个自由度，三个平移关节和两个旋转关节，因此可保证机器 人手术工具末端以不同的位姿接近病灶，以避开血管、神经等人体重要组织。 机器人本体如图1 1 所示。 运动控制系统是机器人辅助定位系统的重要组成部分。我们以d s p 为处理 器构建了机器人各自由度的控制系统，对机器人手术工具末端在各自由度的运 动进行控制并实时采集机器人各关节相关运动参数。 囤l1 脊柱微创外科手术机器人系统 第一章绪论 c t 图像数据的获取和处理系统是在c t 图像导航下进行机器人辅助定位的 至关重要的部分，并提供了与医生交互的接口，方便医生根据病人c t 图像信息 确定病灶点并进行穿刺手术路径规划。c t 图像导航系统根据c t 图像信息为机 器人手术末端的运动和定位提供重要支持，是机器人辅助定位的关键环节。 第四节本论文研究的内容 脊柱微创外科手术机器人辅助定位系统的设计与实现是一个复杂的过程。本 人参与了课题的工作，主要对系统的c t 图像与可视化导航部分进行了相关的研 究和设计。因此，根据课题目前的进展情况，本论文分以下几个部分进行讨论： 第一章：绪论。本章主要介绍课题的背景及医疗外科手术机器人的发展现状， 并且对本课题进行总体介绍。 第二章：脊柱微创外科手术机器人系统总体设计。本章主要介绍了脊柱微创 外科手术机器人系统的工作原理及其结构，并对系统各部分设计方案进行介绍。 第三章：c t 图像采集与解析。本章主要对d i c o m 标准、d i c o m 通讯以及 d i c o m 文件格式进行分析，并在此基础上实现了c t 图像的采集与显示功能。 第四章：c t 图像处理。本章结合脊柱微创外科手术的应用背景，实现了手 术过程中医生常用的c t 图像处理功能，包括图像滤波、图像变换和图像测量等， 并对相关的算法进行分析。 第五章c t 图像三维可视化研究。本章主要对医学图像可视化技术，尤其是 三维可视化技术进行分析，介绍了面绘制和体绘制两种三维重建方法，并结合 项目应用背景选择了面绘制中的m a r c h i n g c u b e s 和d i v i d i n g c u b e s 算法进行分析 与实现。 第六章：c t 图像导航与手术仿真。本章主要对c t 图像导航的结构与流程 进行分析，介绍了d i c o m 标准中与c t 图像平面和立体坐标信息定义相关的部 分，在此基础上建立起c t 图像坐标系、实现c t 图像点坐标的获取以及c t 图 像平面手术进针过程模拟和手术进针过程三维空间仿真。 第七章：总结与展望。本章对本人所做的工作进行了总结概括，并且提出了 c t 图像与可视化导航部分以后的工作方向。 5 第二章脊柱微创外科手术机器人辅助定位系统总体设计 第二章脊柱微创外科手术机器人辅助定位系统总体设计 第一节系统的工作原理及其结构 针对脊柱微创外科手术中存在的问题，本课题设计了五自由度的机器人来完 成对手术的辅助定位。机器人可以在人的操作下到达指定位姿，并且机器人关 节锁定后保持稳定，从而为医生建立起一个稳固的手术操作平台。医生可以沿 着机器人末端执行器的方向，进行穿刺等微创手术操作。 手术前，患者俯卧在c t 机检查床上，送入c t 机扫描。导航计算机从c t 机工作站( c t 终端机) 上可以获得患者的c t 图像。医生在图像上可以确定病灶的 位置，标注手术器械进入的路径( 通常是直线) ，并将这些信息输入控制系统， 通过计算可以确定机器人定位的目标位姿，进而通过机器人逆运动学计算来得 到机器人各个关节变量的目标值。在机器人的各个关节都设有位移传感器，可 以采集到各个关节变量的当前值。控制系统将机器人关节变量的目标值和当前 值显示在液晶显示屏上，从而引导医生操作机器人在病人体外将手术工具末端 位姿与所规划的手术路径对正。机器人手术工具末端到达目标位置和姿态后， 可以将各个关节锁定，建立一个手术工具的进入通道。医生可以沿着手术工具 通道进行相关的手术操作( 如穿刺进针操作等) 。 脊柱微创外科手术机器人辅助定位系统可以分为三个部分： 1 机器人操作机：机器人操作机部分包括了机器人传动执行装置，驱动结 构以及各个关节位置反馈装置； 2 控制系统：将病灶位置和路径信息输入到控制系统中，可以确定机器人 目标位姿，进而确定机器人各个关节的目标参数，形成控制目标。控制 系统还要实时采集机器人各个关节参数并显示； 3 c t 图像导航系统：获取c t 图像数据，在导航计算机上进行解析和显示， 并按照医生的需要进行图像处理、测量和变换等操作，确定病灶点位置， 规划手术路径以及形成控制参数传输给控制系统。手术过程中，采集反 馈信息，实时检测穿刺过程。 6 第二章脊柱微创外科手术机器人辅助定位系统总体设计 第二节系统各部分方案设计 2 2 1 脊柱微创外科手术机器人操作机的设计 机器人操作机的设计必须满足手术的各项要求。手术时，为了避开病灶周 围的血管和神经等敏感组织，必须选择一条合适的路径( 通常为直线) ，因此就 要求机器人有多个自由度能够与路径对正。机器人要能够承受一定的力度，因 而必须有良好的刚度。此外，为了验证机器人定位的准确性，初步定位后，有 可能需要再次对病人进行c t 扫描，因此机器人操作机要设计的易于拆装。 我们设计的机器人操作机构有五个自由度，三个平移和两个旋转，可以保 证机器人以不同的位姿接近病灶。 机器人安装在c t 机检查床上，可以沿着c t 机检查床的导轨滑动，因此可 以在c t 机检查床上取一点作为机器人的参考坐标系，从而解决了机器人工作空 间和c t 图像坐标系之间的映射问题。 脊柱微创外科手术机器人是在医生的操作下到达指定位姿的。为了对机器 人的位置进行反馈，在机器人的各个关节安装了位移传感器，能够实时反馈机 器人关节的位置，并且在各个关节设计了锁定装置，保证机器人能够稳定在任 何一个位置上。 2 2 2 脊柱微创外科手术机器人运动学分析 机器人的运动学分析是机器人的设计和控制系统设计的基础。机器人运动学 分析可以建立机器人关节变量和机器人手术工具末端位姿的关系。 对于脊柱微创外科手术机器人，我们采用d h 表示法建立脊柱微创外科手 术机器人的运动学模型。在已知机器人目标位姿的情况下，通过机器人逆运动 学运算得到机器人各个关节目标参数，从而形成控制目标，引导医生操作机器 人完成定位操作。 2 2 3 脊柱微创外科手术机器人控制系统的实现 为了引导医生操作机器人到达目标位置和姿态，需要一个友好的人机界面。 7 第二章脊柱微创外科手术机器人辅助定位系统总体设计 液晶显示具有体积小、视域宽、显示信息量大的优点，因此控制系统采用了液 晶作为显示界面。控制系统可以根据病灶位置及手术路径规划信息得到机器人 的目标位姿，并且计算出机器人各个关节的目标参数。机器人上安装有位移传 感装置，因此采集处理机器人各个关节的位置信号也是控制系统的重要部分。 我们采用t i 公司的d s p 芯片作为核心处理器来构建控制系统。它以丰富的 接口方式和良好的数据处理能力保证了控制系统功能的实现。 2 2 4c t 图像导航系统方案 为了使医生更方便地控制机器人本体完成手术、确定病灶位置、规划手术 路径以及检查手术进程，我们设计了c t 图像导航系统。它实现了c t 图像的采 集与解析，以及在此基础上的c t 图像处理、c t 图像三维可视化、c t 图像导航 和手术仿真等功能，并为控制机器人手术工具末端定位提供重要的参数信息。 c t 图像导航系统主要运行在高性能的导航计算机上，用于对c t 图像的浏览和 处理，协助医生对病灶位置的识别和定位，帮助医生制定治疗方案，规划手术 路径。导航计算机能够与c t 机工作站( c t 终端机) 通信，采集病人的c t 扫描图 像数据进行解析与显示。同时，为了实时检测手术过程，操作机通过设置多个 传感器实时采集手术工具的位置信息并反馈给c t 图像导航系统。总之，手术医 生通过c t 图像导航系统分析图像并形成控制目标、采集机器人位置传感数据并 实施控制。 8 第三章c t 图像采集与解析 第三章c t 图像采集与解析 在脊柱微创手术过程中，为了使医生对病灶部位有直观的了解，需要用影 像设备形成病人剖面图像，并用计算机进行医学图像的处理和显示。本课题主 要处理的是c t 机扫描形成的图像数据，它的格式遵循d i c o m 标准，因此，深 入理解d i c o m 标准有关内容是进行图像显示和处理的前提。 第一节d i c o m 标准介绍 3 1 1d i c o m 标准简介 在上世纪7 0 年代，随着c t ( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ) 的出现，数字式诊断成 像设备也相继出现，而且在临床应用中计算机的使用也迅速增多。然而，不同 厂家的设备采用不同的数字图像格式，设备之间传输文件和其它信息难以进行。 为了解决这个问题，美国放射学会a c r ( t h ea m e r i c a nc o l l e g eo fr a d i o l o g y ) 和国 家电气制造厂商协会n e m a ( t h en 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 r sa s s o c i a t i o n ) 在 1 9 8 3 年成立了一个联合委员会，致力于开发一个标准，使得不同厂家的设备之 间可以传输图像及其他信息。早期该标准叫做a c r - n e m a ，后来就更名为 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 si nm e d i c i n e ) ，中文名为医学数字成 像与通信标准 1 5 , 1 6 j 。 d i c o m 标准是目前医学影像界的工业标准。d i c o m 标准虽然主要应用于 诊断和医学成像中，特别是在放射学科、心脏学科和其他相关学科，但是它仍 然可以广泛应用于临床与其他医学环境中的图像和非图像信息的交换。在 d i c o m 标准中详细定义了影像及其相关信息的组成格式和交换方法。利用这个 标准，人们可以在影像设备上建立一个接口来完成影像数据的输入输出工作。 d i c o m 标准以计算机网络的工业化标准为基础，它能更有效地在医学影像设备 之间传输交换数字影像，这些设备不仅包括c t 、m r 、核医学和超声检查，而 且还包括c r 、胶片数字化系统、视频采集系统和h i s r i s 信息管理系统等。 目前，世界医学影像设备的主要供应商都宣布支持d i c o m 标准。无论在提高医 9 第三章c t 图像采集与解析 疗诊断水平方面，还是在提高与医学影像及其信息有关的经济效益方面，d i c o m 标准的出现为医疗机构带来了全新的机会【1 7 , 1 8 j 。 d i c o m 标准指定了在网络通信中的一套协议，所有声明为符合该标准的设 备都要以该协议的要求来进行通信【1 9 1 。它还指定了使用该协议通信时的命令和 相关信息的语法和语义。在介质通信中，为了便于访问存储介质中的图像和相 关信息，它指定了文件格式和医学目录结构及一套设备要遵循的介质存储服务。 另外它还指定了对于一个声明为符合该标准的实现所需要提供的信息。 图3 1 描述了d i c o m 标准的通用通信模型【2 们。该模型可用于网络通信( 在 线) 和介质存储交换( 离线) 。图中有两个边界，一个是d i c o m 上层服务边界， 它提供了独立于物理网络的通信支持和协议，例如对t c p f i p 的支持。另一个是 d i c o m 基本文件服务边界，它提供了对独立于特定介质存储格式和文件结构的 存储介质的访问。应用程序可以依赖任意一个边界来实现相应的功能。 a p p l i c a t i o ne n t i t y s e r v i c ec l a s ss p e c i f i c a t i o n 千千 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 千千 d a t as e ts t r u c t u r ea n de n c o d i n g - d a t ad i c t i o n a r y 千千 + + m e s s a g ee x c h a n g e f i l ef o r m a t jlj d i c o mu p p e rl a y ,i rs e r v i c eb o u n d a r yd i c o mb a s i cf il es e r v i c eb o u n d a r y r1r d i c o m 。j p p e rl a y e r s e c u r i t yl a y e r ( o p t i o n a l ) ： 。l s e c u r i t yl a y e r ( o p t i o n a l ) ， ： p h y s i c a lm e d i aa n d t c p i pt r a n s p o r tl a y e r m e d i af i l ef o r m a t c o m m u n i c a t i o nc o m m u n i c a t i o n 图3 1d i c o m 标准通用通信模型图 l o 第三苹c t 图像采集与解析 本系统采用的是最新的d i c o m3 0 版本【2 1 1 。d i c o m3 0 标准共有1 8 个部 分，其各部分的内容概要如下： 第一部分：引言与概述，简要介绍了d i c o m 的概念及其组成。 第二部分：d i c o m 兼容性声明。声明d i c o m 要求制造商精确地描述其产品的 d i c o m 兼容性，即构造一个该产品的d i c o m 兼容性声明。 第三部分：d i c o m 信息对象定义。介绍了i o d 和s o p 类。 第四部分：服务类，说明了1 4 个服务类，服务类详细介绍了功能与信息对象上 的命令及其产生的结果。 第五部分：数据结构及语意，描述了怎样对信息对象类和服务类进行构造编码。 第六部分：数据字典，描述了所有信息对象是由数据元素组成的，数据元素是 对属性值的编码。 第七部分：消息交换，定义了进行消息交换时相互通讯的医学图像应用实体所 用到的服务和协议。 第八部分：消息交换的网络通讯支持，说明了在网络环境下的通讯服务和支持 d i c o m 应用实体进行消息交换的必要的上层协议。 第九部分：消息交换的点对点通讯支持。由于目前在实际中很少使用点对点通 信，该部分在d i c o m2 0 0 3 版中已经被删除。 第十部分：介质存储与文件格式。 第十一部分：介质存储应用描述。 第十二部分：存储功能和用于数据交换的介质格式。 第十三部分：打印管理的点对点通讯支持。 第十四部分：灰度图的标准显示( 显示和打印) 功能。 第十五部分：安全特性描述。 第十六部分：内容资源映射。 第十七部分：说明信息。这部分包含标准化表格和信息附件中的说明信息。 第十八部分：w e b 访问d i c o m 持久对象。定义基于w e b 服务的简单机制。 第三章c t 图像采集与解析 第二节c t 图像采集 本系统的图像数据来源于c t 机扫描得到的病人断层图像信息( 保存为 d i c o m 文件格式) 。c t 机的存储传输格式符合d i c o m3 0 标准定义。因此深入 了解d i c o m 标准通讯协议部分是完成c t 图像采集的基础。下面将对d i c o m 通讯体系结构、d i c o m 通讯过程以及c t 图像采集过程与实现三部分加以分析。 3 2 1d i c o m 通讯体系结构 d i c o m 协议是在开放系统互连( o s i ) 七层协议的框架之内，是o s i 七层协议 的一个子集，它是基于t c p i p 协议( 如图3 2 ) ，主要完成o s i 应用层、表示层和 会话层的部分功能。该分层协议中，每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一层提供自己的服务。这种分层结构的优点是上层 不必关心下层的实现细节。分层协议定义网络上的两个通信实体同层之间的联 系为“协议”，而同一个系统内部的纵向联系称为“服务。层间的边界称为“服 务访问点”( s e r v i c e a c c e s sp o i n t ) 。“服务原语 通过服务访问点在层间传递服务 信息。d i c o m 上层协议以及应用实体都属于网络协议的应用层，所有与d i c o m 有关的信息都封装在t c p 协议数据单元( p d u ) 中进行传输。t c p 层负责t c p 连 接的建立、释放以及t c p 上p d u 的传送和接收，为d i c o m 上层协议层提供 t c p 连接服务。d i c o m 上层服务包括a a s s o c i a t e 、a r e l e a s e 、a a b o r t 、 p d a t a 、a p a b o r t 五种服务。这些上层服务允许对等的d i c o m 应用之间建 立连接、传送数据、中断连接。d i c o m 应用实体就是利用这些上层服务来完成 消息传送和信息交换【2 2 j 。 一 内田丰呈庳 ( 匡堂圉堡窒旦 ) 卜荔尚赫1 o s i 上层 d i c o m 会话层 传输层 网络层 d i c o m 链路层 物理层 d i c o m o s i 连接控制 上层协 服务单元 o s i 表示层 议 o s i 会话层 t c p 0 s i 传输层 0 s i 网络层 i p o s i 链路层 网络物理层 + 一服务边界 图3 2d i c o m 网络体系与o s i 互连模型对应关系示意图 1 2 第三章c t 图像采集与解析 d i c o m 网络协议只定义了o s i 协议模型的会话层、表示层和应用层，重点 是应用层规范的定义，即协议第七章d i c o m 消息交换。表示层和会话层很大程 度上是对o s i 协议模型的具体化和特定化，使之适应于医学影像领域的应用。 d i c o m 标准定义了d i c o m 上层协议( d i c o mu p p e rl a y e rp r o t o c 0 1 ) 来实现表示 层和会话层的功能，d i c o mu p p e rl a y e r 可以运行在t c p 传输层之上，也可以运 行在点对点连接之上。d i c o m 标准为了使协议层次简单，在d i c o m 表述中， 标准将网络协议简化为两个层次：应用层和上层协议层。应用层负责消息交换， 上层协议层则负责为消息交换提供表示和关联控制服务，包含了应用层以下和 传输层以上各层的功能，不论传输层使用何种连接技术只要能提供给应用层统 一的服务即可，所以在d i c o m 网络体系和o s i 互联模型对应关系示意图中，强 调一个o s i 上层服务边界( u p p e r l a y e rs e r v i c eb o u n d a r y ) 的概念。 应用程序与d i c o m 应用实体之间的应用程序接口( a p i ) 并不是在d i c o m 标 准中说明，而决定于实现。一般这个a p i 提供了对其它应用实体的连接、构造 s o p 实例并传送到远方应用实体等函数。 在应用层，需要对应用实体提供两组服务：联系协商服务和d i c o m 消息服 务( d i m s e ) ，它们都必须对d i c o m 实现有效。 c t 图像导航系统工作在以太网环境下，因此采用d i c o m 标准中扩充了 t c p i p 上层协议的通讯方式。由于t c p i p 没有定义高层，d i c o m 所要求的应 用层、表示层和会话层功能在d i c o m 标准中组合为一个层，称为d i c o m 上层 或d u l ( d i c o mu p p e rl a y e r ) 。在底层，d u l 具有与t c p 层相同的接口。在应 用实体之间，d i c o m 联系映射到一个t c p 连接，地址映射到一个t c p 端口号， 与i p 号或主机名相结合。这个i p 号或主机名和t c p 端口的组合称为套接地址。 在网络中这个套接地址是唯一的。 第三章c t 图像采集与解析 3 2 2d i c o m 通讯过程分析 3 2 2 1 连接协商 在实现通信过程中，双方必须进行关联协商，确定所传输数据的类型和信 息编码格式。协商成功，建立了一个“关联 后，才能真正完成数据传输过程。 客户应用实体建立连接时，将应用层上下文、表示层上下文、应用实体的连接 信息、s c u s c p 角色选择和s o p ( s e r v e r0 b j e c tp a i r ) 扩展协商等信息封装成连接 请求协议数据单元( a a s s o c i a t e r qp d u ) 发送给t c p 传输服务，然后t c p 传 输服务将p d u 发送给对等应用实体。对等应用实体收到该p d u 后，进行协商 校验，发出响应数据，再通过t c p 传输服务发送回客户应用实体，客户应用实 体根据收到的响应数据判断连接是否成功。 1 连接协商的目的 协商的目的是确定双方将要交换哪些数据以及数据如何编码。在关联没有 建立起来或关联建立失败的情况下，说明通信双方没有进行通信的必要条件。 一个应用实体可以同时与多个对等应用实体进行协商并建立关联。 2 连接协商的内容 d i c o m 协商过程包括了大量内容，主要有：应用层上下文、表示层上下文、 应用实体连接信息、服务类应用者和服务类提供者( s c u s c p ) 角色选择、服务 对象对( s o p ) 扩展协商等，内容具体定义可参看标准的相关部分。 3 协商过程所提供的协议数据单元p d u 协议数据单元p d u ( p r o t o c o ld a t au n i t ) 是同一层上对等实体之间的数据用 于交换的消息格式。每个p d u 都包含协议控制信息和用户数据。p d u 由必要的 固定域后跟可选的( 包含一个或多个条目) 可变域构成。在d i c o m 协议所定义 的七种协议数据单元( p d u ) 中，协商过程占有六种。这六种p d u 根据其功能可 以分为两类： 第一类是与建立“关联 相联系的，包括a a s s o c i a t e r q 、a a s s o c i a t e a c 、 a - a s s o c i a t e r j 。连接协商的请求方首先使用t c p i p 协议与指定地址和端口号的 协商接收方建立连接。然后请求方发送一个“连接请求协议数据单元” ( a - a s s o c i a t e r q ) ，此p d u 中包含了上述协商内容部分的所有信息。最后，接收 方解析请求方发送来的p d u ，并根据不同情况响应一个“连接接受协议数据单 元( a a s s o c i a t e a c ) 或“连接拒绝协议数据单元 ( a a s s o c i a t e r j ) 给请求方。 1 4 第三章c t 图像采集与解析 一旦关联建立，d i c o m 允许连接中的任何一方发送请求消息，这取决于 s c u s c p 角色的选择及消息的类型。 第二类p d u 是与结束“关联，相联系的，包括a r e l e a s e r q 、a r e l e a s e r s p 、 a a b o r t 。已经建立的关联可以被连接双方的任何一方关闭或中断。有以下两种 机制：一种可称为正常释放，即关联的一方发出“连接释放请求协议数据单元 ( a r e l e a s e r q ) ，如果接到“连接释放响应协议数据单元( a r e l e a s e r s p ) 贝, u 此 关联被成功释放；另一种释放为非正常释放，即关联的某一方由于某种原因( 入 网络超时、断电等原因) 发出“连接失败协议数据单元 ( a a b o r t ) 并关闭连接 而不再等待对方的任何响应。 3 2 2 2