數(shù)字醫(yī)學(xué)影像及DICOM標(biāo)準(zhǔn)范文

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1DICOM標(biāo)準(zhǔn)

DICOM(digitalimagingandcommu-nicationinmedicine)標(biāo)準(zhǔn)即醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信標(biāo)準(zhǔn),由美國放射學(xué)會(ACR)和國際電子制造商協(xié)會(NEMA)共同制定。DICOM標(biāo)準(zhǔn)致力于更有效地在醫(yī)療信息系統(tǒng)間(如PACS、HIS/RIS)、醫(yī)學(xué)影像設(shè)備間(如CT、MR、CR)傳輸、共享數(shù)字影像[2]。dicom標(biāo)準(zhǔn)的建立極大地推動了不同廠商的醫(yī)療數(shù)字影像信息的傳輸與交換,促進(jìn)了影像存儲與傳輸系統(tǒng)PACS(picturearchivingandcommunicationsys-tems)的發(fā)展與各種醫(yī)院信息系統(tǒng)(hos-pitalinformationsystems,HIS)的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了異地、異構(gòu)診斷資料庫的共享。迄今為止,DICOM共頒布了三個(gè)主要版本。CR/NEMAPSNo.300-1985,Version1.0,發(fā)表于1985年,1986年10月正式成為標(biāo)準(zhǔn);CR/NEMAPSNo.300-1988,Version2.0,1988年1月頒布為標(biāo)準(zhǔn);DICOMVersion3.0,源自ACR-NE-MA兩次發(fā)表的標(biāo)準(zhǔn),1993年。每年,ACR-NEMA都推出DICOM3.0的修定草案,目前最新的版本是DICOM3.02000年最終草案標(biāo)準(zhǔn)(FDS)[1]。相對于以前的版本,DICOM3.02000明確地劃分了設(shè)備應(yīng)遵從的標(biāo)準(zhǔn)范圍,更加明確了信息實(shí)體,強(qiáng)調(diào)了基于多元文檔的結(jié)構(gòu)、基于TCP/IP的協(xié)議和適用于網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境。隨著DICOM標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善,世界醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的主要供應(yīng)商都宣布支持DICOM標(biāo)準(zhǔn)。DICOM標(biāo)準(zhǔn)已成為北美、歐洲及日本各國在醫(yī)療信息影像系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)。我國的醫(yī)療信息綜合系統(tǒng)和PACS的建設(shè)雖然剛剛起步,但發(fā)展很快。在系統(tǒng)的建設(shè)和實(shí)施中為了確保它們能夠?qū)崿F(xiàn)開放互聯(lián)并具備與國際接軌的能力,DICOM成為必須遵循的國際標(biāo)準(zhǔn),因此對DICOM標(biāo)準(zhǔn)的分析和研究必不可少。作為國際標(biāo)準(zhǔn),DICOM具有覆蓋面廣,內(nèi)容復(fù)雜的特點(diǎn)。本文旨在分析它的總體框架和關(guān)鍵內(nèi)容,力圖從這個(gè)龐大的標(biāo)準(zhǔn)中理出一條明確的脈路,對實(shí)際應(yīng)用起到指導(dǎo)作用。

2DICOM的主要內(nèi)容和信息模型

2.1DICOM標(biāo)準(zhǔn)的組成、功能及其相互

關(guān)系完整的DICOM3.02000標(biāo)準(zhǔn)由15個(gè)部分構(gòu)成[1],各部分是相互關(guān)聯(lián)的獨(dú)立文件。雖然某些部分的內(nèi)容在不斷補(bǔ)充和完善,但總體框架已經(jīng)最終確定:(1)介紹與總論:全面介紹DICOM的歷史、目的、結(jié)構(gòu)和適用范圍,并對其他部分的內(nèi)容做了簡介。(2)兼容性(或稱遵從性):詳細(xì)說明DICOM的兼容性目的和架構(gòu),同時(shí)給出了在開放互聯(lián)方面對遵守該協(xié)議的設(shè)備的具體要求。(3)信息實(shí)體定義:針對用于數(shù)字化交流的實(shí)際醫(yī)學(xué)影像給出一個(gè)抽象的定義,同時(shí)定義了可以使用DICOM進(jìn)行通信的類別。(4)服務(wù)類的說明:對一系列的服務(wù)類進(jìn)行了定義,給出用于數(shù)字化交流的操作行為的抽象定義,即定義使用DI-COM進(jìn)行通信的服務(wù)的類別。(5)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和語義:對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)的編碼進(jìn)行說明。(6)數(shù)據(jù)字典:包括對所有DICOM數(shù)據(jù)以及所有在DICOM標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部定義的數(shù)據(jù)的注冊和認(rèn)可信息。(7)信息交換:本部分定義了DI-COM命令的結(jié)構(gòu)(命令結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)即組成DICOM消息),同時(shí)也定義了DI-COM應(yīng)用實(shí)體間的協(xié)議握手方式。(8)網(wǎng)絡(luò)通信支持下的數(shù)據(jù)交換:這一部分說明了在網(wǎng)絡(luò)中,DICOM如何使用TCP/IP和OSI網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。(9)點(diǎn)對點(diǎn)傳輸下的信息交換:說明在點(diǎn)對點(diǎn)傳輸下支持應(yīng)用DICOM協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)上層協(xié)議。說明DICOM如何支持50針點(diǎn)對點(diǎn)消息通信的服務(wù)和協(xié)議。(10)介質(zhì)儲存和存儲介質(zhì)間交換的文件格式:它提供了一個(gè)用于不同類型醫(yī)學(xué)影像間數(shù)據(jù)交換及不同物理介質(zhì)相關(guān)信息交換的框架。(11)介質(zhì)存儲的應(yīng)用方式:說明將醫(yī)學(xué)影像信息存儲于可移動介質(zhì)的的模式。(12)介質(zhì)格式和用于內(nèi)部交換的物理介質(zhì):描述了如何便利醫(yī)療環(huán)境中數(shù)字影像計(jì)算機(jī)間的內(nèi)部信息交換。這樣的交換可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像診斷或其他潛在的臨床領(lǐng)域。(13)點(diǎn)對點(diǎn)傳輸下的打印管理:詳細(xì)說明打印提供者在點(diǎn)對點(diǎn)聯(lián)接的情況下支持DICOM打印管理所必須的服務(wù)和協(xié)議。(14)顯示的灰度標(biāo)準(zhǔn):詳細(xì)說明灰度圖像的標(biāo)準(zhǔn)顯示功能,它提供了一些樣例方法,說明如何調(diào)整灰度圖像與顯示系統(tǒng)。(15)安全策略方法:說明了具體應(yīng)用所應(yīng)遵循安全策略的兼容方式。DICOM的15個(gè)部分之間既相互獨(dú)立,又互相聯(lián)系,從涉及的主要內(nèi)容和關(guān)聯(lián)程度出發(fā)可分為3個(gè)集合[4]。數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議集包括第7、8、9部分及第13部分,描述了點(diǎn)對點(diǎn)連接與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,定義了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的打印管理應(yīng)用。數(shù)據(jù)格式(編碼、儲存)集包括第5、6部分及第10、11、12部分,描述了不同條件下數(shù)據(jù)存儲的標(biāo)準(zhǔn)格式。標(biāo)準(zhǔn)框架及其他包括第1、2、3、4部分、第14部分及第15部分,描述整個(gè)DI-COM標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)、目的和要求及圖像灰度標(biāo)準(zhǔn),并定義了安全策略。

2.2DICOM的一些重要概念

DICOM標(biāo)準(zhǔn)中定義了一些重要的概念,有關(guān)模型和協(xié)議也是以這些概念為基礎(chǔ)來設(shè)計(jì)和制定的。(1)應(yīng)用實(shí)體:應(yīng)用實(shí)體是指一個(gè)具體的DICOM應(yīng)用程序。(2)服務(wù)類:服務(wù)類是對現(xiàn)實(shí)中醫(yī)學(xué)信息的傳遞和通信的抽象概括,它包括作用于信息對象的命令及結(jié)果。DICOM服務(wù)類提供客戶/服務(wù)角色,通過網(wǎng)絡(luò)要求DICOM服務(wù)的應(yīng)用實(shí)體稱為服務(wù)類使用者(SCU)。提供DICOM服務(wù)的應(yīng)用實(shí)體稱為服務(wù)類提供者(SCP)。(3)信息模型(informationmodel):信息模型描述了實(shí)體之間的關(guān)系。通常,用“E-R”模型定義一對多或多對多的關(guān)系。(4)消息服務(wù)元素(DICOMmessageserviceelements,DIMSE):DICOM標(biāo)準(zhǔn)定義了一系列系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)命令。SCU/SCP利用消息服務(wù)元素在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行服務(wù),消息服務(wù)元素可以被認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)通信的最基本單位。(5)協(xié)議握手:應(yīng)用實(shí)體間必須達(dá)成一個(gè)協(xié)議,才能相互通信。這個(gè)協(xié)議包括:①哪些服務(wù)可以操作,命令和數(shù)據(jù)如何相互交流;②傳輸規(guī)則,消息流(包括命令和信息對象)如何在通信過程中進(jìn)行編碼。

2.3DICOM的信息模型

DICOM的信息模型,DI-COM協(xié)議為外界提供服務(wù)的最高層次是服務(wù)類,每個(gè)服務(wù)類可包含多個(gè)服務(wù)對象對,信息實(shí)體定義包含了大量的相關(guān)屬性。圖1清晰的給出了SOP、IOD和服務(wù)類之間的關(guān)系。下面據(jù)DICOM的信息模型,討論其中的概念。

2.3.1DICOM信息實(shí)體的概念DI-COM標(biāo)準(zhǔn)采用了信息實(shí)體關(guān)系模型E-R模型(如圖2)。信息實(shí)體代表一個(gè)實(shí)際的對象、實(shí)際對象類或者DICOM內(nèi)部定義的數(shù)據(jù)類如信息對象(informationob-jects);關(guān)系定義有多少其他實(shí)體與該實(shí)體有聯(lián)系[5]。通過建立這個(gè)模型,DI-COM標(biāo)準(zhǔn)能夠方便的描述醫(yī)學(xué)實(shí)踐中的事物如病人、報(bào)告、圖像及它們之間的關(guān)系。由E-R模型和真實(shí)實(shí)體可以抽象出模型定義的實(shí)體,每一個(gè)實(shí)體的特征用屬性來描述,例如“病人”這個(gè)實(shí)體的屬性包括“病人姓名”、“病人ID號”等。DICOM稱基于其模型的對象為信息對象,對應(yīng)于某類圖像如CT、MR;稱定義它們屬性的表格和模型為信息實(shí)體定義(IOD)。

2.3.2服務(wù)類/服務(wù)對象對類(serviceclass/SOPclass)服務(wù)類指能夠發(fā)生的各種服務(wù)和操作,DICOM中的服務(wù)類包括驗(yàn)證服務(wù)類;存儲服務(wù)類;病人管理服務(wù)類;查詢檢索服務(wù)類;打印管理類等[3]。服務(wù)/對象對類由信息實(shí)體定義和消息服務(wù)元素組一一對應(yīng)組合定義。SOP類是DICOM信息傳遞活動的基本功能單位,它包括了限定消息服務(wù)元素組服務(wù)和信息實(shí)體屬性的規(guī)則和語意,可以將它類比為ISO/OSI中的管理對象類。

3DICOM的網(wǎng)絡(luò)通信

3.1DICOM的網(wǎng)絡(luò)通信

DICOM為了傳輸醫(yī)學(xué)影像和相關(guān)的信息,結(jié)合ISO/OSI和TCP/IP協(xié)議設(shè)計(jì)了自己的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和消息交換機(jī)制[1]。圖3的參考模型表明,DI-COM應(yīng)用實(shí)體屬于網(wǎng)絡(luò)分層模型的應(yīng)用層,它使用上層服務(wù)完成消息交換和信息傳輸。為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)用實(shí)體間的通信,相應(yīng)于ISO/OSI協(xié)議模型,DICOM標(biāo)準(zhǔn)使用關(guān)聯(lián)控制服務(wù)元素、表示層內(nèi)核、會話層內(nèi)核提供上層協(xié)議服務(wù);相應(yīng)于TCP/IP協(xié)議模型,DICOM標(biāo)準(zhǔn)定義TCP/IP上層協(xié)議提供上層協(xié)議服務(wù)。

3.2DICOM的通信方式符合DICOM標(biāo)準(zhǔn)通信模式的應(yīng)用實(shí)體間的信息交換采用了客戶/服務(wù)器模型。服務(wù)類使用者(SCU)和服務(wù)類提供者(SCP)分別扮演了客戶/服務(wù)器的角色。SCU/SCP采用了DICOM定義的消息機(jī)制完成相關(guān)信息的交換。實(shí)際通信中,應(yīng)用實(shí)體間首先需要建立協(xié)商,協(xié)商的內(nèi)容包括:①哪些服務(wù)可以操作,哪些命令和數(shù)據(jù)可以相互交流;②傳輸語法,消息流(包括命令和信息實(shí)體)如何在通信過程中進(jìn)行編碼。給出了遵從DICOM標(biāo)準(zhǔn)的通信方式。第一步和第二步合稱為連接協(xié)商,確定交換哪些數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)如何編碼交換,交換內(nèi)容包括應(yīng)用層上下文,其中定義了應(yīng)用服務(wù)元素組、相關(guān)操作以及其他相關(guān)互操作應(yīng)用實(shí)體的必要信息;表示層上下文,定義連接中的數(shù)據(jù)表示方式;應(yīng)用連接信息,列出了與DIMSE協(xié)議相關(guān)的一些所需信息,包括SCP/SCU角色選擇、應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元最大長度等。第三步建立協(xié)商,進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,應(yīng)用實(shí)體間進(jìn)行信息的傳遞,DICOM命令和DICOM文件被組裝成協(xié)議數(shù)據(jù)單元,并通過協(xié)議數(shù)據(jù)單元服務(wù)傳送數(shù)據(jù)。第四步撤銷協(xié)商,中止應(yīng)用實(shí)體間的通信,可以是連接方發(fā)出的正常釋放方式或連接某一方發(fā)出的突發(fā)中止方式。

4DICOM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及文件格式

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是針對如何組織數(shù)據(jù)而定義的。給出了具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),其中數(shù)據(jù)集(DataSet)定義為DICOM信息對象和服務(wù)類信息的集合,如病人IOD就可以用一個(gè)數(shù)據(jù)集合來表示;數(shù)據(jù)元素用來表示信息對象的屬性如病人性別、姓名等,每一個(gè)數(shù)據(jù)元素又可以再分為標(biāo)識(Tag)、數(shù)值表征(VR)、數(shù)據(jù)長度(valuelength)和數(shù)據(jù)域(valuefield),其中數(shù)值表征只存在于特定的情況下,而其余三個(gè)部分是所有數(shù)據(jù)元素共有的。DICOM文件結(jié)構(gòu)提供了一種打包文件的手段,將代表SOP實(shí)例的數(shù)據(jù)集保存到DICOM文件中。圖6給出了DI-COM文件格式。圖中,SOP實(shí)例必須經(jīng)過編碼,編碼的規(guī)定涉及JPEG壓縮編碼描述及傳輸語法規(guī)定等,圖中的DICOMFileMetaInformation是必須的,相當(dāng)于DICOM文件頭,它的組成元素見表1。

5DICOM支持的影像壓縮方法

醫(yī)學(xué)圖像的壓縮無疑是降低應(yīng)用系統(tǒng)成本,提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率,減少存儲空間的一個(gè)重要方式。DICOM標(biāo)準(zhǔn)加入了對圖像壓縮算法的支持,DICOM已宣布支持的壓縮算法有:①JPEG(ISO10918-1)-全部有損(DCT)、無損、Huff-man,arithmetic熵編碼;②游程長編碼RLE;③JPEG-LS(ISO14495-1)(DI-COMCP-174)無損和近無損。目前,DICOM正在研究對最新的壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000支持的可能性[2]。在DICOM標(biāo)準(zhǔn)的傳輸語法中,為其支持的壓縮算法設(shè)置了相應(yīng)的惟一標(biāo)識值(不同的編碼過程,對應(yīng)有不同的惟一標(biāo)識值)如惟一標(biāo)識值1.2.840.10008.1.2.4.80代表JPEG-LS編碼過程無損模式。

6結(jié)束語

本文對DICOM標(biāo)準(zhǔn)的歷史、意義、發(fā)展、整體構(gòu)成和關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行了討論。從目前的發(fā)展來看,美國、歐洲、日本的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的主要制造商,都已經(jīng)支持DICOM標(biāo)準(zhǔn)。在他們的有力推動下,DICOM標(biāo)準(zhǔn)正迅速的發(fā)展,不斷的擴(kuò)充,已經(jīng)由初期的僅僅限于放射醫(yī)學(xué)的影像交換協(xié)議,發(fā)展成為無所不在的、涵概了多種服務(wù)(打印、存儲、工作流支持及最新的安全策略),多個(gè)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域(放射醫(yī)學(xué)、心臟醫(yī)學(xué)、眼科醫(yī)學(xué))的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)階段,我們對DICOM標(biāo)準(zhǔn)作了一定的理論研究,下一階段在加深研究的同時(shí),對基于DICOM標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)將是工作的重點(diǎn)。