数字医学影像及DICOM标准

1、数字医学影像及DICOM标准    1DICOM标准DICOM(digitalimagingandcommu-nicationinmedicine)标准即医学数字成像和通信标准,由美国放射学会(ACR)和国际电子制造商协会(NEMA)共同制定。DICOM标准致力于更有效地在医疗信息系统间(如PACS、HIS/RIS)、医学影像设备间(如CT、MR、CR)传输、共享数字影像2。DICOM标准的建立极大地推动了不同厂商的医疗数字影像信息的传输与交换,促进了影像存储与传输系统PACS(picturearchivingandcommunicationsys-te

2、ms)的发展与各种医院信息系统(hos-pitalinformationsystems,HIS)的结合,实现了异地、异构诊断资料库的共享。迄今为止,DICOM共颁布了三个主要版本。CR/NEMAPSNo.300-1985,Version1.0,发表于1985年,1986年10月正式成为标准;CR/NEMAPSNo.300-1988,Version2.0,1988年1月颁布为标准;DICOMVersion3.0,源自ACR-NE-MA两次发表的标准,1993年发布。每年,ACR-NEMA都推出DICOM3.0的修定草案,目前最新的版本是DICOM3.02000年最终草案标准(FDS)1。相对于以

3、前的版本,DICOM3.02000明确地划分了设备应遵从的标准范围,更加明确了信息实体,强调了基于多元文档的结构、基于TCP/IP的协议和适用于网络的环境。随着DICOM标准的不断完善,世界医学影像设备的主要供应商都宣布支持DICOM标准。DICOM标准已成为北美、欧洲及日本各国在医疗信息影像系统中的标准。我国的医疗信息综合系统和PACS的建设虽然刚刚起步,但发展很快。在系统的建设和实施中为了确保它们能够实现开放互联并具备与国际接轨的能力,DICOM成为必须遵循的国际标准,因此对DICOM标准的分析和研究必不可少。作为国际标准,DICOM具有覆盖面广,内容复杂的特点。本文旨在分析它的总体框架和

4、关键内容,力图从这个庞大的标准中理出一条明确的脉路,对实际应用起到指导作用。2DICOM的主要内容和信息模型2.1DICOM标准的组成、功能及其相互关系完整的DICOM3.02000标准由15个部分构成1,各部分是相互关联的独立文件。虽然某些部分的内容在不断补充和完善,但总体框架已经最终确定:(1)介绍与总论:全面介绍DICOM的历史、目的、结构和适用范围,并对其他部分的内容做了简介。(2)兼容性(或称遵从性):详细说明DICOM的兼容性目的和架构,同时给出了在开放互联方面对遵守该协议的设备的具体要求。(3)信息实体定义:针对用于数字化交流的实际医学影像给出一个抽象的定义,同时定义了可以使用D

5、ICOM进行通信的类别。(4)服务类的说明:对一系列的服务类进行了定义,给出用于数字化交流的操作行为的抽象定义,即定义使用DI-COM进行通信的服务的类别。(5)数据结构和语义:对数据结构及数据的编码进行说明。(6)数据字典:包括对所有DICOM数据以及所有在DICOM标准内部定义的数据的注册和认可信息。(7)信息交换:本部分定义了DI-COM命令的结构(命令结合相关数据即组成DICOM消息),同时也定义了DI-COM应用实体间的协议握手方式。(8)网络通信支持下的数据交换:这一部分说明了在网络中,DICOM如何使用TCP/IP和OSI网络传输协议。(9)点对点传输下的信息交换:说明在点对点传

6、输下支持应用DICOM协议进行数据交换的服务器和网络上层协议。说明DICOM如何支持50针点对点消息通信的服务和协议。(10)介质储存和存储介质间交换的文件格式:它提供了一个用于不同类型医学影像间数据交换及不同物理介质相关信息交换的框架。(11)介质存储的应用方式:说明将医学影像信息存储于可移动介质的的模式。(12)介质格式和用于内部交换的物理介质:描述了如何便利医疗环境中数字影像计算机间的内部信息交换。这样的交换可应用于医学图像诊断或其他潜在的临床领域。(13)点对点传输下的打印管理:详细说明打印提供者在点对点联接的情况下支持DICOM打印管理所必须的服务和协议。(14)显示的灰度标准:详细

7、说明灰度图像的标准显示功能,它提供了一些样例方法,说明如何调整灰度图像与显示系统。(15)安全策略方法:说明了具体应用所应遵循安全策略的兼容方式。DICOM的15个部分之间既相互独立,又互相联系,从涉及的主要内容和关联程度出发可分为3个集合4。数据传输协议集包括第7、8、9部分及第13部分,描述了点对点连接与网络环境下的数据传输协议,定义了网络环境下的打印管理应用。数据格式(编码、储存)集包括第5、6部分及第10、11、12部分,描述了不同条件下数据存储的标准格式。标准框架及其他包括第1、2、3、4部分、第14部分及第15部分,描述整个DI-COM标准的结构、目的和要求及图像灰度标准,并定义了

8、安全策略。2.2DICOM的一些重要概念DICOM标准中定义了一些重要的概念,有关模型和协议也是以这些概念为基础来设计和制定的。(1)应用实体:应用实体是指一个具体的DICOM应用程序。(2)服务类:服务类是对现实中医学信息的传递和通信的抽象概括,它包括作用于信息对象的命令及结果。DICOM服务类提供客户/服务角色,通过网络要求DICOM服务的应用实体称为服务类使用者(SCU)。提供DICOM服务的应用实体称为服务类提供者(SCP)。(3)信息模型(informationmodel):信息模型描述了实体之间的关系。通常,用“E-R”模型定义一对多或多对多的关系。(4)消息服务元素(DICOMm

9、essageserviceelements,DIMSE):DICOM标准定义了一系列系统网络命令。SCU/SCP利用消息服务元素在网络上进行服务,消息服务元素可以被认为是网络通信的最基本单位。(5)协议握手:应用实体间必须达成一个协议,才能相互通信。这个协议包括:哪些服务可以操作,命令和数据如何相互交流;传输规则,消息流(包括命令和信息对象)如何在通信过程中进行编码。2.3DICOM的信息模型DICOM的信息模型,DI-COM协议为外界提供服务的最高层次是服务类,每个服务类可包含多个服务对象对,信息实体定义包含了大量的相关属性。图1清晰的给出了SOP、IOD和服务类之间的关系。下面据DICOM

10、的信息模型,讨论其中的概念。2.3.1DICOM信息实体的概念DI-COM标准采用了信息实体关系模型E-R模型(如图2)。信息实体代表一个实际的对象、实际对象类或者DICOM内部定义的数据类如信息对象(informationob-jects);关系定义有多少其他实体与该实体有联系5。通过建立这个模型,DI-COM标准能够方便的描述医学实践中的事物如病人、报告、图像及它们之间的关系。由E-R模型和真实实体可以抽象出模型定义的实体,每一个实体的特征用属性来描述,例如“病人”这个实体的属性包括“病人姓名”、“病人ID号”等。DICOM称基于其模型的对象为信息对象,对应于某类图像如CT、MR;称定义它

11、们属性的表格和模型为信息实体定义(IOD)。2.3.2服务类/服务对象对类(serviceclass/SOPclass)服务类指能够发生的各种服务和操作,DICOM中的服务类包括验证服务类;存储服务类;病人管理服务类;查询检索服务类;打印管理类等3。服务/对象对类由信息实体定义和消息服务元素组一一对应组合定义。SOP类是DICOM信息传递活动的基本功能单位,它包括了限定消息服务元素组服务和信息实体属性的规则和语意,可以将它类比为ISO/OSI中的管理对象类。3DICOM的网络通信3.1DICOM的网络通信DICOM为了传输医学影像和相关的信息,结合ISO/OSI和TCP/IP协议设计了自己的网

12、络通信协议和消息交换机制1。图3的参考模型表明,DI-COM应用实体属于网络分层模型的应用层,它使用上层服务完成消息交换和信息传输。为了实现应用实体间的通信,相应于ISO/OSI协议模型,DICOM标准使用关联控制服务元素、表示层内核、会话层内核提供上层协议服务;相应于TCP/IP协议模型,DICOM标准定义TCP/IP上层协议提供上层协议服务。3.2DICOM的通信方式符合DICOM标准通信模式的应用实体间的信息交换采用了客户/服务器模型。服务类使用者(SCU)和服务类提供者(SCP)分别扮演了客户/服务器的角色。SCU/SCP采用了DICOM定义的消息机制完成相关信息的交换。实际通信中,应

13、用实体间首先需要建立协商,协商的内容包括:哪些服务可以操作,哪些命令和数据可以相互交流;传输语法,消息流(包括命令和信息实体)如何在通信过程中进行编码。给出了遵从DICOM标准的通信方式。第一步和第二步合称为连接协商,确定交换哪些数据以及数据如何编码交换,交换内容包括应用层上下文,其中定义了应用服务元素组、相关操作以及其他相关互操作应用实体的必要信息;表示层上下文,定义连接中的数据表示方式;应用连接信息,列出了与DIMSE协议相关的一些所需信息,包括SCP/SCU角色选择、应用层协议数据单元最大长度等。第三步建立协商,进行数据传输,应用实体间进行信息的传递,DICOM命令和DICOM文件被组装

14、成协议数据单元,并通过协议数据单元服务传送数据。第四步撤销协商,中止应用实体间的通信,可以是连接方发出的正常释放方式或连接某一方发出的突发中止方式。4DICOM数据结构及文件格式数据结构是针对如何组织数据而定义的。给出了具体的数据结构,其中数据集(DataSet)定义为DICOM信息对象和服务类信息的集合,如病人IOD就可以用一个数据集合来表示;数据元素用来表示信息对象的属性如病人性别、姓名等,每一个数据元素又可以再分为标识(Tag)、数值表征(VR)、数据长度(valuelength)和数据域(valuefield),其中数值表征只存在于特定的情况下,而其余三个部分是所有数据元素共有的。DI

15、COM文件结构提供了一种打包文件的手段,将代表SOP实例的数据集保存到DICOM文件中。图6给出了DI-COM文件格式。图中,SOP实例必须经过编码,编码的规定涉及JPEG压缩编码描述及传输语法规定等,图中的DICOMFileMetaInformation是必须的,相当于DICOM文件头,它的组成元素见表1。5DICOM支持的影像压缩方法医学图像的压缩无疑是降低应用系统成本,提高网络传输效率,减少存储空间的一个重要方式。DICOM标准加入了对图像压缩算法的支持,DICOM已宣布支持的压缩算法有:JPEG(ISO10918-1)-全部有损(DCT)、无损、Huff-man,arithmetic熵编码;游程长编码RLE;JPEG-LS(ISO14495-1)(DI-COMCP-174)无损和近无损。目前,DICOM正在研究对最新的压缩标准JPEG2000支持的可能性2。在DICOM标准的传输语法中,为其支持的压缩算法设置了相应的惟一标识值(不同的编码过程,对应有不同的惟一标识值)如惟一标识值1.2.840.10008.1.2.4.80代表JPEG-LS编码过程无损模式。6结束语本文对DICOM标准的历史、意义、发展、整体构成和关键内容进行了讨论。从目前的发展来看,美国、欧洲、日本的医学影像