医学论文-医学影像DICOM格式转换的研究与实现.doc

医学论文-医学影像DICOM格式转换的研究与实现【摘要】 采用面向对象方法，借助中间文件方式，实现了一种在医学影像DICOM格式和通用图像/媒体格式之间进行相互转换的软件，可以使我国目前存在的大量不符合DICOM标准的医学影像设备能够方便地接入PACS中，又可以将标准数字医学影像设备获取的DICOM数据简便地转换成通用图像/媒体文件。 【关键词】 DICOM PACS 格式转换 医学影像影像存档与通讯系统 （Picture Achieving & Communication System，PACS)近年来迅速发展，PACS利用计算机通讯网络，以数字化的方式获取、存储、显示和传输医学图像及相关信息，取代传统的胶片格式图像，并高效迅速地辅助医学诊断。为了实现各医学影像设备之间方便地传输图像，国际上制定了医疗设备的国际标准通讯协议医学数字图像通讯标准（Digital Imaging and Communication in Medicine，DICOM），目前大家遵循的是DICOM 3.0版本。 DICOM标准既是医学图像格式标准，又是医学图像通讯标准。符合DICOM格式的设备可以直接接入PACS中，与其他设备进行信息传输与交换。然而，我国由于历史等许多原因，现阶段的医疗影像设备如X光机、B超、DSA等设备的接口种类多样。有的影像设备只有胶片记录影像，有的只有普通视频输入，有的采用自己专用的影像格式等等，这样造成图像格式、传输及通讯协议等很不一致。显然我国目前现存的大量不符合DICOM标准的设备已经成为阻碍PACS普及与发展的瓶颈问题，而且在短时期内这种问题不可能解决。为了充分利用这些设备资源，让他们能够融入PACS中与其他设备相互通讯，我们就必须将这些设备产生的图像/媒体格式（如BMP、TIFF、GIF、JPEG和 AVI）转换为DICOM格式。另一方面，为了科研、教学和学术交流等的需要，我们又必须将标准数字医学影像设备获取的DICOM数据转换成通用图像/媒体文件。因此，本研究严格遵循DICOM 3.0标准，采用面向对象的方法，并借助中间文件的方式，设计并实现了一种通用图像/媒体文件（如BMP、TIFF、GIF、JPEG和 AVI）格式与DICOM影像格式相互转换的软件。本软件具有结构模块化、灵活性和通用性等特点。1 DICOM标准1.1 DICOM信息模型 DICOM标准采用面向对象的方法，并按照E-R（Entity-Relationship Model）模型，描述信息对象（如医生、病人、病例、诊断、图像等）的属性及其相互关系。E-R模型由实体集、属性和联系三部分组成。实体集（Entity）表示一类具有相同特征的个体对象，用矩形表示。属性指对象的特征，用椭圆表示。联系表示实体之间的关系，用菱形表示。实体中的源实体和目标实体，其基数可在E-R图上标明，例如一个医学图像与病人的关系可用图1表示。 由以上E-R模型可以看出，病人、检查、系列和图像构成实体，他们分别有自己的属性，而这些实体之间存在包含关系。具体的说，“病人”是第一层源实体，一个病人包含一个或多个目标实体“检查”，“检查”又成为第二层源实体，每个检查包含一个或多个新的目标实体“系列”，每个“系列”又包含零或多帧“图像”。可见，E-R模型清晰的反映了现实事物之间的层次关系。1.2 DICOM信息操作 DICOM标准基于上面所述的E-R模型，采用面向对象的方法对实体进行抽象。基于E-R模型的对象称为信息对象（Information Objects, IO）,对象的属性称为信息对象定义（IOD，Information Object Definition）。我们对DICOM信息的传输和通讯抽象概括为服务类（Service Class）。DICOM标准中有12个服务类，如打印，传输，存储等，通过这些类实现医学影像在PACS中的通讯。而一个服务类是由多个SOP类（Service-Object Pair Class)，即服务-对象类构成。SOP类构成DICOM信息传输与通讯的基本功能单位，每个SOP类又由一个服务组（Service Group）和一个信息对象定义（IOD，Information Object Definition）构成。服务组是一系列消息服务元素DIMSE（DICOM Message Service Elements)命令，即对信息对象的各种操作，服务组作用于信息对象定义。对一个特定的SOP类，DICOM兼容的设备可作为两种角色的一种:服务类提供者（service class provider, SCP),它提供SOP类的服务；服务类用户（service class user, SCU),它使用SOP类的服务。DICOM信息操作方式可用E-R模型表示，见图2。1.3 DICOM文件格式 DICOM文件由多个数据集组成。数据集表现了现实世界信息对象的相关属性，如病人姓名、性别、身高和体重等。数据集由数据元素组成，数据元素包含进行编码的信息对象属性的值，并由数据元素标签（Tag）唯一标识。数据元素具有三种结构，其中两种具有类型表示VR（是否出现由传输语法决定），差别在于其长度的表达方式，另外一种不包括类型表示。类型表示指明了该数据元素中的数据是哪种类型,它是一个长度为2的字符串,例如一个数据元素的VR为FL，表示该数据元素中存储的数据类型为浮点型。所有数据元素都包含标签、值长度和数据值体。 标签是一个16位无符号整数对,按顺序排列包括组号和元素号。数据集中的数据元素应按数据元素标签号的递增顺序组织，且在一个数据集中最多出现一次。值长度是一个16或32位（取决于显式VR或隐式VR)无符号整数,表明了准确的数据值的长度,按字节数目（为偶数)记录。此长度不包含数据元素标签、VR、值长度字段。数据值体表明了数据元素的值，其长度为偶数字节,该字段的数据类型是由数据元素的VR所明确定义。数据元素字段由三个公共字段和一个可选字段组成。下面分别列出具有显式VR和隐式VR的数据元素的结构：2 Bytes2 Bytes4 Bytes在对DICOM文件格式进行分析后，可依据其格式特点对其进行解析，即对文件中的各个数据元素依次辨别并处理。具体来说，先根据数据元素的组号辨别出该数据元素所在组，再根据数据元素的元素号进行辨别，最终达到根据组号和元素号标识出一个数据元素标签，并根据该数据元素标签所对应的具体含义获取所需要的信息，并保存在相应变量中。2 DICOM格式转换实施方案 DICOM图像本身的解码和信息提取比较复杂，若从DICOM图像到每一种格式文件都生成一种编码方案的工作量很大。为了软件结构的模块性和单纯性，我们在此软件中借助了中间文件的方式，本软件选择BMP文件为中间文件。而且由BMP文件与通用图像/媒体文件（如BMP、TIFF、GIF、JPEG和 AVI）之间的转换比较简单。整个软件的格式转换流程见图5。我们可以通过视频捕获卡捕获视频流，实现从模拟图像到数字图像之间的转换，获取计算机通用图像/媒体文件（如BMP、TIFF、GIF、JPEG和 AVI）。而计算机通用图像/媒体文件与中间文件（BMP文件）之间的转换，本软件调用Intel公司的IJG JPEG LIBRARY动态链接库中的函数来实现JPEG与BMP之间的转换，当然也可以利用许多商业软件如ACDSee、PhotoShop等。 本软件的核心内容是中间文件（BMP文件）与DICOM图像之间的转换。从DICOM图像向中间文件（BMP文件）转换过程中，要详细提取图像象素信息，包括从DICOM图像中获取图片的大小，压缩格式，图像位深，色彩信息等。根据前面所述DICOM标准，必须提取的图像象素信息如图6所示。而中间文件即 BMP文件由文件头、位图信息头、颜色信息和图形数据四部分组成，其具体结构在此不作详述。根据以上DICOM图像象素信息和我们所熟悉的BMP文件格式，就可以编写相应代码，将DICOM图像转换为BMP文件格式，保存即可。当然也可以转换为JPEG格式作为中间文件，这样更简便，因为 DICOM图像中色彩信息标签中的信息就是一个完整的JPEG文件信息。从中间文件（BMP文件）向DICOM图像转换，也是根据上面所述DICOM信息模板实现，只是不仅是图像信息的转换，同时要需要生成DICOM文件的其它信息，如前面所述病人姓名，系列等。 我们采用面向对象的方法和Visual C+开发环境，借助中间文件的方式，还利用C语言编写的Windows最底层的接口函数API（Application Programming Interface)，而API函数由许多动态链接库（DLL）组成。Visual C+6.0开发环境提供了各种类型库和ActiveX，构架在Win32 API函数基础上，能替代API的部分功能。这些类型库和ActiveX集中了常用的API函数，能方便地调用它们，使程序开发变得简单和快捷。 整个程序中心问题是对医学图像的处理，特别是中间文件（BMP文件）与DICOM图像之间的转换，它是由我们定义的几个核心类（Class）完成的，而这几个核心类（Class）分别负责图像的解析，对各种通用图像/媒体文件（如BMP、TIFF、GIF、JPEG和 AVI）进行解码和编码，然后还可作数据压缩和解压缩等处理。 我们定义了三个核心类（Class）：CDom、CPictureDom和CView，它们负责不同的任务。其中，CDom类负责解析图像的位置、大小和类型等，CPictureDom类负责对图像进行解码和编码，CView类负责显示解码和编码了的图像。其中CDom是极其重要的类，它针对前面所叙述的DICOM数据格式特点，先根据数据元素的组号辨别出该数据元素所在组，再辨别数据元素的元素号，根据组号和元素号标识出一个数据元素标签（Tag），然后根据类型表示（VR)确定图片格式，这样就解析了图片的信息并保存在相应变量中。CPictureDom类主要负责对图片进行重新编码，是根据由DICOM标准而自己设计的DICOM模板来实现的。这三个类又派生出若干子类，子类负责更细致的操作分工。如CDom类派生出CAVItoDom类、CJPEGtoDom类、CDVItoDom类等，他们分别将AVI图像格式、JPEG图像格式和DVI图像格式转换为DICOM标准格式。3 结论 由于我国存在大量非DICOM标准的影像设备而无法直接应用于PACS中，因此DICOM标准的格式转换势在必行。本研究讨论了关于DICOM标准的DICOM信息模型、信息操作和数据格式几个重要问题，然后针对所论述的DICOM标准特点，设计并实现了一种在通用图像/媒体文件格式与DICOM标准格式之间转换的软件。软件所采用的是面向对象的方法和Visual C+6.0开发环境，借助中间文件的方式，并采用了Windows编程最底层的接口函数API。这样，软件开发者还可以根据自己的实际需要将自定义的数据元