康亞冰，劉哲星，艾育華，陳芳炯，耿仁文

1.華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510641；2. 南方醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州510515；3. 南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院，廣東 廣州 510515

0 前言

計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的高速發(fā)展推動(dòng)了數(shù)字影像的進(jìn)步，醫(yī)院信息化建設(shè)目前已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。影像歸檔和通信系統(tǒng)（Picture Archiving and Communication System，PACS）[1]將醫(yī)學(xué)影像資料轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式，通過(guò)高速計(jì)算設(shè)備及通訊網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)圖像信息的采集、存儲(chǔ)、顯示及傳輸?shù)裙δ埽沟冕t(yī)學(xué)影像資料得以有效管理和充分利用。PACS應(yīng)遵循DICOM[2]醫(yī)學(xué)影像設(shè)備和系統(tǒng)可以互聯(lián)互通；DICOM瀏覽器是PACS的重要組成部分，它直接面向用戶，其可用性和操作友好程度直接關(guān)系到PACS系統(tǒng)的用戶接受度。

Qt[3]是諾基亞公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架，利用Qt可以實(shí)現(xiàn)“一處編寫(xiě)，隨處編譯”的跨平臺(tái)解決方案。這些平臺(tái)包括Windows、MacOS X、Linux、Solaris、HP-UX及 UNIX系統(tǒng)。因此，日益受到開(kāi)發(fā)者的重視和青睞。

DCMTK（DICOM Tool Kit）[4]德國(guó)offis公司提供的開(kāi)源項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)10多年的開(kāi)發(fā)和維護(hù)，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了DICOM協(xié)議的內(nèi)容，它為實(shí)現(xiàn)DICOM協(xié)議提供了一個(gè)平臺(tái)。DCMTK不但提供各種操作系統(tǒng)平臺(tái)下已經(jīng)編譯好的二進(jìn)制開(kāi)發(fā)包，而且提供所有的源代碼，供用戶在自己的開(kāi)發(fā)平臺(tái)上自行編譯。

結(jié)合Qt強(qiáng)大的圖形用戶界面應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架和DCMTK開(kāi)源庫(kù)實(shí)現(xiàn)DICOM協(xié)議，本文提出基于Qt和DCMTK庫(kù)的DICOM瀏覽器的開(kāi)發(fā)，目的是結(jié)合二者開(kāi)源和跨平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，以期開(kāi)發(fā)出經(jīng)濟(jì)、適應(yīng)性強(qiáng)的DICOM瀏覽器。本文開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Windows 7，編譯開(kāi)發(fā)環(huán)境選用VS2010，Qt庫(kù)采用最新版的Qt Library 4.9.2，DCMTK庫(kù)采用最新版的DCMTK 3.6.0。

1 DICOM文件格式概述

DICOM3.0標(biāo)準(zhǔn)遵照面向?qū)ο骩5-6]思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體表現(xiàn)為實(shí)體-關(guān)系模式（Entity-Relations，E-R）。DICOM文件一般由DICOM文件頭和DICOM數(shù)據(jù)集（DICOM Data Set）組成。

文件頭一般由128字節(jié)的文件前言（File Preamble）組成，它包含了封裝數(shù)據(jù)的標(biāo)識(shí)信息[7]以用于描述應(yīng)用概略或特定實(shí)現(xiàn)，如果沒(méi)有這樣的描述，則要全部置零。緊跟著4字節(jié)DICOM的前綴“DICM”，它用來(lái)標(biāo)識(shí)文件類(lèi)型是不是DICOM文件。

數(shù)據(jù)集描述了現(xiàn)實(shí)世界信息對(duì)象（IOD）的單個(gè)實(shí)例。DICOM數(shù)據(jù)集是分層次的，即有四個(gè)信息層次組成：病人（Patient）、研究（Study）、系列（Series）、圖像（Image），前一個(gè)層次和后一個(gè)層次是一對(duì)多的關(guān)系。DICOM數(shù)據(jù)集由一系列的DICOM數(shù)據(jù)元素組成，每個(gè)數(shù)據(jù)元素包含元素標(biāo)簽（Tag）、值表示法（VR）、值長(zhǎng)度（VL）及值域（VF），其中，VR為可選項(xiàng)。其結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

圖1 數(shù)據(jù)元素組成

Tag是一個(gè)有序的16 位的無(wú)符號(hào)證書(shū)對(duì)，由組號(hào)和元素號(hào)組成，它是數(shù)據(jù)元素的唯一標(biāo)識(shí)。

VR是2字節(jié)的字符串，表示后面的值域的數(shù)據(jù)類(lèi)型，它是可選項(xiàng)。根據(jù)VR是否出現(xiàn)將數(shù)據(jù)元素分成兩類(lèi)，即隱式VR數(shù)據(jù)元素（不含VR）和顯式VR數(shù)據(jù)元素（含VR）。

VL表示本元素中值域中數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，它是一個(gè)16位或32位的無(wú)符號(hào)整數(shù)。

VF的長(zhǎng)度為偶數(shù)字節(jié)，存儲(chǔ)了數(shù)據(jù)元素的值，其數(shù)據(jù)類(lèi)型由VR指定，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度由VL指定。

2 DICOM圖像的像素編碼

2.1 傳輸語(yǔ)法

傳輸語(yǔ)法（transfer syntax UID）規(guī)定了數(shù)據(jù)的編碼方式，其中包括字節(jié)的排序和壓縮方式以及數(shù)據(jù)元素是否包含VR。傳輸語(yǔ)法由元信息中標(biāo)簽為（0002,0010）的數(shù)據(jù)元素決定，它是一個(gè)唯一標(biāo)識(shí)符（UID），可以用Dataset類(lèi)中的getOriginalXfer()來(lái)獲取。例如傳輸語(yǔ)法為UID為1.2.840.10008.1.2.1，那么UID NAME，即編碼規(guī)則為Explicit VR Little Endian,表明在數(shù)據(jù)元素結(jié)構(gòu)中含有VR，且對(duì)二進(jìn)制數(shù)據(jù)用倒序方式編碼。

2.2 大端與小端

大端（Big Endian）是指對(duì)于多字節(jié)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，按順序方法排列每字節(jié)，即高字節(jié)存儲(chǔ)在低地址中。小端（Little Endian）指對(duì)于多字節(jié)二進(jìn)制數(shù)據(jù)，按照倒序方法排列每字節(jié)，即低字節(jié)存儲(chǔ)在低地址中。兩者對(duì)于單字節(jié)組成的字符串都是從左到右排序，另外，對(duì)于VR=OB的數(shù)據(jù)編碼不受大端小端的影響。

2.3 像素編碼

圖像的像素?cái)?shù)據(jù)可以是壓縮格式，也可以是非壓縮格式。無(wú)論為哪種編碼格式，像素的編碼都是從左導(dǎo)游，從上到下的，編碼格式由傳輸語(yǔ)法決定。

2.3.1 非壓縮格式

非壓縮格式的VR通常為OW，像素位數(shù)不大于8 位的使用Explicit VR非壓縮格式，也可以使用VR為OB。VR為OW類(lèi)型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)順序視大端小端而定。

2.3.2 壓縮格式

壓縮格式的VR通常為OB，DICOM支持游程編碼（RLE）、JPEG和JPEG2000編碼格式。

（1）游程編碼。其傳輸語(yǔ)法為1.2.840.10008.1.2.5，在DICOM中使用的編碼方式為：對(duì)于重復(fù)字節(jié)，用<字節(jié)數(shù)+1><字節(jié)值>編碼；對(duì)于非重復(fù)字節(jié)，用<字節(jié)數(shù)-1><字節(jié)值>編碼。這是一種無(wú)損編碼方式。

（2）JPEG編 碼。DICOM標(biāo) 準(zhǔn) 支 持4種JPEG壓 縮，其傳輸語(yǔ)法分別為1.2.840.10008.1.2.4.50、1.2.840. 10008.1.2.4.51、1.2.840.10008.1.2.4.57、1.2.840.10008. 1.2.4.70，前兩種為有損壓縮，采用DCT變換，后兩種為無(wú)損壓縮，采用DPCM編碼。

（3）JPEG2000編碼。其傳輸語(yǔ)法分別為1.2.10008.1.2.4.90、1.2.10008.1.2.4.91，前者是無(wú)損編碼，后者可以是有損編碼，也可以是無(wú)損編碼。

3 DICOM文件的讀取及圖像的顯示

DICOM文件的讀取要用到DCMTK中的dcmdata 和dcmimage兩個(gè)工具包。dcmdata包含了管理DICOM文件和結(jié)構(gòu)的類(lèi)，同時(shí)它也提供對(duì)DICOMDIR的支持以滿足DICOM Storage Media的需要。dcmimage提供對(duì)彩色圖像的支持，對(duì)單色圖像的支持由dcmimgle提供。

3.1 文件的讀取

dcmdata中的DcmFileFormat是負(fù)責(zé)處理DICOM文件的類(lèi)。其中，loadFile()方法可以讀入DICOM文件，getDataset()可以獲取DICOM數(shù)據(jù)集。DIOCM文件的讀取代碼如下：

3.2 DICOM圖像信息解析

dcmdata中的DcmDataset類(lèi)負(fù)責(zé)處理DICOM文件數(shù)據(jù)集。其中，findAndGet系列函數(shù)可以解析和獲取DICOM文件中包含的各類(lèi)信息。下面的代碼演示從DICOM數(shù)據(jù)集中提取病人的姓名和圖像顯示默認(rèn)的窗寬、窗位信息。

3.3 獲取圖像像素信息

在Qt架構(gòu)中顯示圖像，要把DICOM中的圖像轉(zhuǎn)化為Qt中支持的圖像，本文中轉(zhuǎn)化為QImage。QImage支持獨(dú)立與硬件的圖像，且支持直接訪問(wèn)像素。

在Qt窗口下顯示圖像，首先需要根據(jù)DICOM文件中圖像信息創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的QImage。如果是單色圖像，則創(chuàng)建Format_Indexed8格式的8位灰度圖像QImag。如果是彩色圖像，則創(chuàng)建Format_ARGB32格式的32位彩色圖像QImage。

然后給創(chuàng)建的QImage的每個(gè)像素賦值。如果是灰度圖像，在賦值之前，設(shè)置好默認(rèn)的窗寬、窗位。給QImage像素賦值后，就可以在Qt框架中直接顯示，如為一幅DICOM格式的胸片的顯示結(jié)果，見(jiàn)圖2。

圖2 DICOM文件格式的胸片的顯示結(jié)果

3.4 DICOM圖像處理

DCMTK中包含了對(duì)圖像處理的包和類(lèi)。dcmimgle是一個(gè)圖像處理庫(kù)和可用的工具模塊，它包括了對(duì)DICOM單色圖像的訪問(wèn)和顯示。其中，DICOMImage類(lèi)為模塊提供接口，主要目的是顯示；dcmimgle模塊提供對(duì)彩色圖像的支持。dcm2pnm工具支持轉(zhuǎn)換DICOM圖像為PPM/PGM、PNG、TIFF或 BMP格式，dcmscale工具支持縮放DICOM圖像。dcmjpeg提供了JPEG格式的壓縮/解壓縮庫(kù)以及工具。使用該模塊包含的類(lèi)，可將DICOM圖像對(duì)象在非壓縮和JPEG壓縮表示（傳輸協(xié)議）之間轉(zhuǎn)換，既支持無(wú)失真的JPEG處理，也支持有失真的JPEG處理。其中，DJCodecEncoder是JPEG編碼器的一個(gè)抽象codec類(lèi)，DJCodecDecoder是JPEG解碼器的一個(gè)抽象codec類(lèi)。

DICOM瀏覽器中，最常用的圖像處理操作是窗寬、窗位[8]。在DICOM文件中，灰度圖像存儲(chǔ)的位數(shù)通常為8位、12位、16位、24位等，而目前計(jì)算機(jī)所能顯示的灰度圖像的等級(jí)數(shù)在0～255之間[9]，因此，在顯示DICOM圖像之前，需要對(duì)圖像進(jìn)行響應(yīng)的轉(zhuǎn)換，即通過(guò)窗位（Window Center）和窗寬（Window Width）將某段感興趣的灰度值轉(zhuǎn)換到0～255之間。窗位和窗寬指定了從存儲(chǔ)的像素值到顯示像素值的線性變換。線性變換公式，見(jiàn)式(1)[10]。

式中，G(V)為顯示器的顯示值，g為顯示器顯示的最大值，W為窗寬，C為窗位。

DICOMImage中的setWindow（const double center,constdouble width）函數(shù)實(shí)現(xiàn)了窗寬窗位的調(diào)整。專(zhuān)業(yè)DICOM瀏覽器使用鼠標(biāo)的滑動(dòng)來(lái)調(diào)整窗寬窗位，上下滑動(dòng)調(diào)整窗位，左右滑動(dòng)調(diào)整窗寬，可以使用Qt中的鼠標(biāo)移動(dòng)事件mouseMoveEvent（QMouseEvent* event）和鼠標(biāo)按鍵事件mouse zPressEvent（QMouseEvent*event）來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

圖3 調(diào)整窗寬窗位前后的對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于DICOM3.0標(biāo)準(zhǔn)和Qt架構(gòu)，采用DCMTK開(kāi)源庫(kù)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)一個(gè)跨平臺(tái)的DICOM圖像瀏覽器，實(shí)現(xiàn)了DICOM文件的讀取和圖像的顯示、窗寬和窗位的調(diào)整等圖像處理操作。以本文開(kāi)發(fā)的DICOM瀏覽器為基礎(chǔ)，通過(guò)增加DICOM圖像的傳輸、分割、配準(zhǔn)[11]及三維圖像重建等功能，可進(jìn)一步開(kāi)發(fā)為一個(gè)功能強(qiáng)大的DICOM圖像診斷平臺(tái)，并作為PACS的重要組成部分。DCMTK開(kāi)源庫(kù)提供了較完整的DICOM標(biāo)準(zhǔn)支持，Qt架構(gòu)具有強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)功能、簡(jiǎn)易的GUI編程特點(diǎn)以及跨平臺(tái)特性，二者結(jié)合，可以快速開(kāi)發(fā)出功能更強(qiáng)大的DICOM瀏覽器軟件。

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