尤 超

0 引言

DICOM是美國(guó)放射學(xué)會(huì)和美國(guó)電器制造商協(xié)會(huì)組織制定的，專門用于醫(yī)學(xué)圖像的存儲(chǔ)和傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，它涵蓋了醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像的采集、歸檔、通信、顯示及查詢等幾乎所有信息交換的協(xié)議，結(jié)構(gòu)化地定義了醫(yī)療圖像設(shè)備制造廠商的兼容性聲明。

DICOM標(biāo)準(zhǔn)的推出與實(shí)現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了醫(yī)學(xué)影像信息交換的實(shí)現(xiàn)，并且由于DICOM的開放性與互聯(lián)性，使得醫(yī)學(xué)影像與其它醫(yī)學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)（HIS、RIS等）的集成成為可能。各類醫(yī)學(xué)影像圖像，例如心血管造影、超聲、CT、核磁共振等圖像，在醫(yī)學(xué)分析方面也越來(lái)越具有診斷性和借鑒性。如果DICOM圖像在醫(yī)院轉(zhuǎn)診或是醫(yī)學(xué)研究教育中用來(lái)參考、借鑒、瀏覽， 那么對(duì)于醫(yī)學(xué)影像條件不夠成熟的醫(yī)院來(lái)說(shuō)，從DICOM文件轉(zhuǎn)換出來(lái)的有損電子圖像文件（例如 JPG），必然會(huì)有一些影響，嚴(yán)重的甚至?xí)绊戓t(yī)療診斷結(jié)果。而以DICOM文件方式保存的原始醫(yī)學(xué)圖像，只有借助相關(guān)的醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)或者DICOM設(shè)備，才可以進(jìn)行讀取，對(duì)圖像瀏覽用戶群，有著很大的限制。

本文將對(duì)DICOM文件頭的組成和內(nèi)容進(jìn)行分析，通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)DICOM文件頭的信息讀取，進(jìn)而利用所獲得的信息，進(jìn)一步讀取DICOM文件中的數(shù)據(jù)集存儲(chǔ)內(nèi)容。此方法是讀取DICOM文件的基本解析過(guò)程，可以將對(duì)DICOM文件的讀取，從程序開發(fā)商的集成平臺(tái)中分離出來(lái)，在結(jié)合圖像顯示程序之后，作為獨(dú)立的DICOM文件讀取程序使用。

1 DICOM文件基礎(chǔ)理論

1.1 DICOM文件構(gòu)成

DICOM文件，是指按照DICOM標(biāo)準(zhǔn)而存儲(chǔ)的醫(yī)學(xué)文件，是一種專用存儲(chǔ)格式，后綴為.dcm。它實(shí)際上提供了一種封裝方式，將DICOM IOD的一個(gè)SOP實(shí)例，以數(shù)據(jù)集的形式封裝在一個(gè)文件中，一般由一個(gè)DICOM文件頭和一個(gè)DICOM數(shù)據(jù)集合組成。它的組成，如圖1所示：

圖1 DICOM數(shù)據(jù)集合組成圖

圖中的SOP指服務(wù)-對(duì)象對(duì)(Service-Object Pair), 每個(gè)文件包含一個(gè)單一的SOP實(shí)例，其中包含有一幀或多幀圖像。

存放DCM文件參數(shù)的文件頭和圖點(diǎn)數(shù)據(jù)(pixel data)構(gòu)成了DCM文件，如圖2所示：

圖2 DCM 文件的DIR 架構(gòu)

從物理結(jié)構(gòu)上來(lái)看，首先是文件元信息的定義，目錄信息，然后是4個(gè)內(nèi)容層次：Patient (病人) 、Study (檢驗(yàn)) 、Series (系列) 、Image (圖像) 。頭幾層的內(nèi)容，在很多圖像里是相同的，它們?cè)诿總€(gè)圖像文件里都要有。文件頭描述圖像的基本參數(shù)：如病人基本資料、檢驗(yàn)基本資料、系列資料、以及具有描述圖像的基本參數(shù)（幾行、幾列、每點(diǎn)用了幾位、有否壓縮、調(diào)色板。

1.2 DICOM文件頭構(gòu)成以及作用

DICOM文件頭(DICOM File Meta Information)又稱為“文件元”，是整個(gè)DICOM文件中最復(fù)雜的部分，它包含了標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)集合的各種相關(guān)信息，包括病人信息、檢查信息等。每個(gè)DICOM文件，都必須包括該文件頭。文件頭的最開始是文件前言，它通常由128個(gè)00H字節(jié)組成，接下來(lái)是DICOM前綴，它是一個(gè)長(zhǎng)度為4字節(jié)的字符串“DICM”，可以根據(jù)該值來(lái)判斷一個(gè)文件是不是DICOM文件。前言和前綴之后是具有標(biāo)記符和長(zhǎng)度的一套DICOM元要素，除它們之外，所有其它的文件頭元素，都必須采用規(guī)定的顯示格式編碼，各個(gè)數(shù)據(jù)元素排列的順序，按照標(biāo)簽數(shù)值從小到大的傳輸格式(Little Endian) 編碼，如表1所示：

表1 DICOM文件元信息(部分)

表1列出了DICOM文件頭元信息的部分內(nèi)容規(guī)則，每個(gè)文件頭元素的長(zhǎng)度必須為偶數(shù)，否則應(yīng)該按照規(guī)定補(bǔ)充一個(gè)字節(jié)。其中UDI稱為“唯一標(biāo)識(shí)符”，它的產(chǎn)生機(jī)制是<根＞.<后綴＞，是用來(lái)標(biāo)識(shí)DICOM標(biāo)準(zhǔn)中，各種不同信息對(duì)象的字符串，以保證不同國(guó)家、地區(qū)、生產(chǎn)商生成的標(biāo)識(shí)，可在世界上任何地點(diǎn)，也可與其它生產(chǎn)商生成的標(biāo)識(shí)相互區(qū)別。所有(0002，****) 類的標(biāo)簽都為DICOM所保留。為了兼容后續(xù)版本，如果發(fā)現(xiàn)文件中有目前尚未規(guī)定的 (0002，****)類標(biāo)簽，則應(yīng)該忽略它。

2 DICOM文件頭讀取及解析

2.1 數(shù)據(jù)元素組成及表示

要讀懂DCM文件的信息，首先要了解DCM文件中的數(shù)據(jù)元素組成。數(shù)據(jù)元素，都是通過(guò)（TAG）進(jìn)行唯一性標(biāo)識(shí)的，即我們看到的8位16進(jìn)制數(shù)，如 （0002，0001），前4位是組號(hào)（Group Number），后4位是元素號(hào)（Element Number）。

顯式時(shí)

Tag(group ,element) VR Value Length Value

隱式時(shí)

Tag(group ,element) 00H Value Length Value

標(biāo)記符(Tag)用4字節(jié)的16進(jìn)制數(shù)表示，前面2字節(jié)的數(shù)是數(shù)據(jù)元素的組號(hào)，后面2字節(jié)的數(shù)是元素號(hào)。組號(hào)為偶數(shù)的是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)元素，具體含義可以在DICOM的數(shù)據(jù)字典中查到。

VR有顯式和隱式2種方式，當(dāng)顯式傳輸時(shí)，VR有值，當(dāng)隱式傳輸時(shí)，VR無(wú)值；另外，組號(hào)是0002的元素都是顯式的。

當(dāng)VR值是OB，OW，OF，SQ，UT或者UN的時(shí)候，VR的長(zhǎng)度為4字節(jié)，由2字節(jié)的字符串和2字節(jié)的00H組成。當(dāng)VR值是其他值的時(shí)候，VR的長(zhǎng)度為2字節(jié)，即2字節(jié)的字符串。

Value Length的長(zhǎng)度是根據(jù)VR可變的，共有2種長(zhǎng)度，當(dāng)VR為OB，OW，OF，SQ，UT或者UN的時(shí)候長(zhǎng)度為4字節(jié)。當(dāng)VR為其他值時(shí)，長(zhǎng)度為2字節(jié)。Value Length表示的是Value的長(zhǎng)度，另外，當(dāng)Data Length的長(zhǎng)度不為偶數(shù)時(shí)，則根據(jù)需要添加前綴或者后綴補(bǔ)齊。

2.2 DCM文件頭讀取設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

本文基于C#進(jìn)行DCM讀取的設(shè)計(jì)，首先將一個(gè)DCM文件讀入到內(nèi)存后，按照文件結(jié)構(gòu)順序進(jìn)行信息獲取。

DICOM文件頭的最開始是文件前言，這部分為128位為空字符，由”0”表示，直接讀取即可，之后讀取文件頭前綴的4個(gè)字節(jié)，并記錄這個(gè)4個(gè)字節(jié)進(jìn)行分析，判斷所讀文件是否為DICOM文件，判斷標(biāo)準(zhǔn)是看是否為4字節(jié)的大寫字符串“DICM”，通過(guò)ASC碼表對(duì)應(yīng)并轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制就是“4449434D”，只有判斷符合才進(jìn)一步做分析。

文件頭元素默認(rèn)的傳輸語(yǔ)法，是隱式值表示法(VR)Little Endian，在這個(gè)傳輸語(yǔ)法下，數(shù)據(jù)元素的格式為組號(hào)(2字節(jié))、元素號(hào)(2字節(jié))、值長(zhǎng)度(4字節(jié))以及值(值長(zhǎng)度給出的字節(jié)數(shù))，所以讀取4字節(jié)，是為了將TAG位解析出來(lái)，按照Little Endian的規(guī)則，2字節(jié)的組成方法，是后一位+前一位，例如4字節(jié)“02000000”中，按照傳輸語(yǔ)法解析，就是讀取2字節(jié)（0200）表示組號(hào)為0002，2字節(jié)（0000）表示元素號(hào)為0000，從而構(gòu)成了Tag（0002,0000）；而后對(duì)該數(shù)據(jù)元素其他部分的解析也按照類似的方法進(jìn)行。

至此，DICOM文件頭的一條數(shù)據(jù)元素讀取完成，之后按照上述過(guò)程反復(fù)讀取文件內(nèi)的其他數(shù)據(jù)元素，當(dāng)全部數(shù)據(jù)元素讀取完成后，一個(gè)DICOM文件頭的信息也就分析出來(lái)，包括病人信息、檢查信息等等。第三行即為程序中讀取的內(nèi)容，如圖3所示：

圖3 第三行讀取的內(nèi)容

第三行的（02000000554C 0400 A8000000）讀取下來(lái)，就是2字節(jié)（0200）表示組號(hào)為0002，2字節(jié)（0000）表示元素號(hào)為0000，構(gòu)成了 Tag（0002,0000）；而 0002組號(hào)的元素是顯示的，即2字節(jié)（554C），轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制再由ACS碼表知道是UL；2字節(jié)（0400）表示長(zhǎng)度為4；4字節(jié)（A8000000）表示該數(shù)據(jù)值域?yàn)?68。需要注意的是，根據(jù)DCOM頭元素要求，組號(hào)標(biāo)簽為0002的頭元素中強(qiáng)制要求的有(0002,0000)，(0002,0001)，(0002,0002)，(0002,0003)，(0002,0010)，(0002,0012)，而在其后面組號(hào)標(biāo)簽為其他的數(shù)據(jù)元素將表示其他的基本信息。

3 程序結(jié)果分析及討論

在整個(gè)解析過(guò)程中可以看到，對(duì)DICOM文件頭的編程過(guò)程并不困難，大多數(shù)是對(duì)文件中16進(jìn)制數(shù)據(jù)的讀取、轉(zhuǎn)換、移位、判斷，而關(guān)鍵在于，必須清楚的判斷出每條數(shù)據(jù)元素的傳輸語(yǔ)法類型，不同的傳輸語(yǔ)法，將決定不同的讀取順序，這就要求開發(fā)人員必須熟悉并深入了解DICOM文件頭以及數(shù)據(jù)元素的組成和含義，特別是值表示法和值長(zhǎng)度在不同情況下的表示及意義，其中隱式就要采用預(yù)先規(guī)定的表示方法，通過(guò)標(biāo)記從共享的數(shù)據(jù)字典中查到DICOM對(duì)這個(gè)屬性表示方法的規(guī)定，而顯式則要用兩個(gè)字符明確表示值的表示方法，如AE表示應(yīng)用實(shí)體，AS表示年齡字符串，DT是日期和時(shí)間，F(xiàn)D表示雙精度浮點(diǎn)數(shù)等，至于值長(zhǎng)度在隱式和顯式下也不同，這就需要加強(qiáng)對(duì)DICOM文件的學(xué)習(xí)和理解了。

4 總結(jié)

DICOM文件頭信息的解析，在DICOM文件的讀取過(guò)程中占有重要意義，同時(shí)結(jié)合圖像讀取顯示程序，將文件頭內(nèi)的成像參數(shù)進(jìn)行顯影和繪制，最終顯示圖像?，F(xiàn)在有很多利用 VTK、ITK集成或是用當(dāng)前主流程序語(yǔ)言設(shè)計(jì)的像素顯影程序，都已經(jīng)可以很好的進(jìn)行像素點(diǎn)描繪，并且在盡可能減少像素缺損的情況下，呈現(xiàn)出圖像的原來(lái)面貌。我們可以利用成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)，將兩方面進(jìn)行統(tǒng)一接口設(shè)計(jì)和程序?qū)崿F(xiàn)，將文件頭的讀取與像素集合的繪制，用更便捷開放的技術(shù)結(jié)合在一起，為醫(yī)學(xué)影像方面提供廣泛、創(chuàng)新的技術(shù)指導(dǎo)和支持。

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