DICOM格式數(shù)據(jù)的自編程序顯示和處理實(shí)驗(yàn)

1、張日欣2022年5月15日生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心HTTP：/05生物醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)DICOM格式數(shù)據(jù)的自編程序顯示和處理V2015版一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簐了解DICOM標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容v研究DICOM圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)v自編程序讀取數(shù)據(jù)與顯示圖像二、實(shí)驗(yàn)軟件vMatlab 6.5版本及以上vUltraEdit文本/十六進(jìn)制編輯器vVC+2006及以上vVB6.0及以上vDelphi7.0及以上二、實(shí)驗(yàn)原理v DICOMDICOM：全稱(chēng)是Digital Imaging Communications in Medical 該標(biāo)準(zhǔn)包括數(shù)字醫(yī)學(xué)成像和通訊兩個(gè)方面。由美國(guó)放射學(xué)院（ACR

2、），美國(guó)國(guó)家電子制造協(xié)會(huì)（NEMA）共同制定。DICOM3.0 DICOM3.0 的組成的組成DICOM 3.0標(biāo)準(zhǔn)隨著技術(shù)的發(fā)展，不斷地進(jìn)行更新，目前由18部分組成：v 第一部分：引言與概述。簡(jiǎn)要介紹了DICOM的概念及其組成。v 第二部分：兼容性。定義了要求制造商精確地描述其產(chǎn)品的DICOM兼容性，即構(gòu)造一個(gè)該產(chǎn)品的DICOM兼容性聲明，它包括選擇什么樣的信息對(duì)象、服務(wù)類(lèi)、數(shù)據(jù)編碼方法等，每一個(gè)用戶(hù)都可以從制造商處得到這樣一份聲明。v 第三部分：信息對(duì)象的定義：定義了兩類(lèi)信息對(duì)象類(lèi)：普通性、復(fù)合型。v 第四部分：服務(wù)類(lèi)規(guī)范。說(shuō)明了許多服務(wù)類(lèi)，服務(wù)類(lèi)詳細(xì)論述了作用與信息對(duì)象上的命令及其產(chǎn)生的

3、結(jié)果。v 第五部分：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及編碼。描述了怎樣對(duì)信息對(duì)象類(lèi)和服務(wù)類(lèi)進(jìn)行構(gòu)造和編碼。v 第六部分：數(shù)據(jù)字典。描述了所有信息對(duì)象是由數(shù)據(jù)元素組成的，數(shù)據(jù)元素的屬性及涵義。v 第七部分：消息交換。定義了進(jìn)行消息交換通訊的醫(yī)學(xué)圖像應(yīng)用實(shí)體所用到的服務(wù)和協(xié)議。v 第八部分：消息交換的網(wǎng)絡(luò)通訊支持。說(shuō)明了在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的通訊服務(wù)和支持DICOM應(yīng)用進(jìn)行消息交換的必要的上層協(xié)議。v 第九部分：消息交換的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊支持。說(shuō)明了與ACR-NEMA2.0兼容的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊的服務(wù)和協(xié)議。v 第十部分：用于介質(zhì)交換的介質(zhì)存儲(chǔ)和文件格式。該部分說(shuō)明了在可移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)上醫(yī)學(xué)圖像信息存儲(chǔ)的通用模型。提供了在各種物理存儲(chǔ)介質(zhì)上交

4、換不同類(lèi)型的醫(yī)學(xué)圖像的框架，支持封裝任何信息對(duì)象定義的文件格式。v 第十一部分：介質(zhì)存儲(chǔ)應(yīng)用框架。用于醫(yī)學(xué)圖像及相關(guān)設(shè)備信息交換的兼容性聲明。給出了心血管造影、超聲、CT、核磁共振等圖像的應(yīng)用說(shuō)明和CD-R格式文件交換的說(shuō)明。v 第十二部分：用于介質(zhì)交換的物理介質(zhì)和介質(zhì)格式。提供了在醫(yī)學(xué)環(huán)境中數(shù)字圖像計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間信息交換的功能。這種交換功能將增強(qiáng)診斷圖像和其它潛在的臨床應(yīng)用。這部分說(shuō)明了在描述介質(zhì)存儲(chǔ)模型之間關(guān)系的結(jié)構(gòu)以及特定的物理介質(zhì)特性及其相應(yīng)的介質(zhì)格式。具體說(shuō)明了各種規(guī)格的磁光盤(pán)，PC機(jī)上使用的文件系統(tǒng)和1.44M軟盤(pán)，以及CD-R可刻寫(xiě)光盤(pán)。v 第十三部分：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信支持的打印管理。

5、定義了在打印用戶(hù)和打印提供方之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接時(shí)，支持DICOM打印管理應(yīng)用實(shí)體通信的必要的服務(wù)和協(xié)議。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信框架提供了與第8部分相同的上層服務(wù)，因此打印管理應(yīng)用實(shí)體能夠應(yīng)用在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接和網(wǎng)絡(luò)連接。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)打印管理通信也使用了低層的協(xié)議，與已有的并行圖像通道和串行控制通道硬件硬拷貝通信相兼容。v 第十四部分：說(shuō)明了灰度圖像的標(biāo)準(zhǔn)顯示功能。這部分僅提供了用于測(cè)量特定顯示系統(tǒng)顯示特性的方法。這些方法可用于改變顯示系統(tǒng)以與標(biāo)準(zhǔn)的灰度顯示功能相匹配或用于測(cè)量顯示系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)灰度顯示功能的兼容程度。v 第十五部分：安全措施 v 第十六部分 內(nèi)容映射資源(content mapping resource)定義

6、了標(biāo)準(zhǔn)使用的模板和上下文組。v 第十七部分 說(shuō)明信息v 第十八部分 由WEB接入DICOM持久對(duì)象 DICOM3標(biāo)準(zhǔn)下載v這幾部分文檔是既相關(guān)又相互獨(dú)立的。其中規(guī)定了Patient、Study、Series、Image 四個(gè)層次的醫(yī)學(xué)圖像信息結(jié)構(gòu)，以及由它們組成的信息對(duì)象（Information Object）；采用服務(wù)類(lèi)客戶(hù)/服務(wù)類(lèi)提供者（Service Class User/Service Class Provider）概念組成的服務(wù)對(duì)象對(duì)（ServiceObject Pair）；支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（PPP）和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容v采用Matlab打開(kāi)DICOM圖像文件、觀察數(shù)據(jù)

7、元素變量中的信息；v采用UltraEdit編輯器觀察DICOM圖像文件結(jié)構(gòu)；v分析DICOM圖像文件結(jié)構(gòu)，分解出DICOM各數(shù)據(jù)元素；v采用VC+、VB或Delphi等開(kāi)發(fā)工具之一編寫(xiě)程序：讀取DICOM文件；分析關(guān)鍵數(shù)據(jù)元素；顯示圖像。四、實(shí)驗(yàn)步驟v 采用Matlab讀取DICOM圖像文件：I=dicomread(ankle.dcm); %讀取圖像 讀取和顯示DICOM圖像數(shù)據(jù)元素：metadata = dicominfo(ankle.dcm); %存儲(chǔ)信息 metadata %顯示圖像元素信息請(qǐng)找出DICOM圖像中的一下元素的值：Rows：_、Columns：_、Bits Depth：_、

8、PixDataGroupLength：_。Window Center： 、 Window Width： 。顯示DICOM圖像：imagesc(I); %顯示圖像 v采用UltraEdit編輯器觀察DICOM圖像文件結(jié)構(gòu),打開(kāi) ankle.dcm 文件；v分析DICOM圖像文件結(jié)構(gòu)，分解出DICOM各數(shù)據(jù)元素：DICOMDICOM文件是按照文件是按照DICOMDICOM標(biāo)準(zhǔn)而標(biāo)準(zhǔn)而存儲(chǔ)的醫(yī)學(xué)圖像文件，組成如左圖存儲(chǔ)的醫(yī)學(xué)圖像文件，組成如左圖所示。所示。圖中的圖中的SOP SOP 指服務(wù)對(duì)象對(duì)指服務(wù)對(duì)象對(duì)（Service-Object PairService-Object Pair）。）。一般由一

9、個(gè)一般由一個(gè)DICOMDICOM文件頭和一文件頭和一個(gè)個(gè)DICOMDICOM數(shù)據(jù)集合組成。數(shù)據(jù)集合組成。DICOMDICOM數(shù)據(jù)集合是按照數(shù)據(jù)集合是按照DICOMDICOM標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)的PS 3.5PS 3.5部分來(lái)編碼組成的。部分來(lái)編碼組成的。DICOM文件組成規(guī)則1 1、DICOMDICOM文件頭文件頭(DICOM File Meta Information)(DICOM File Meta Information)組成：組成：(1)包含了標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)集合的相關(guān)信息。DICOM文件都包括該文件頭，最開(kāi)始是文件前言，由128個(gè)00H字節(jié)組成，接下來(lái)是DICOM前綴，為4字節(jié)的字符串“DICM”。(

10、2) 除了128字節(jié)的文件前言和4字節(jié)的DICM前綴外，其它文件頭元素都采用明文編碼，各個(gè)數(shù)據(jù)元素排列的順序按照標(biāo)簽數(shù)值Little Endian編碼（小寫(xiě)低字節(jié)序：低位字節(jié)排放在內(nèi)存的低地址端，高位字節(jié)排放在內(nèi)存的高地址端）。(3) 每個(gè)文件頭元素的長(zhǎng)度必須為偶數(shù)，否則補(bǔ)充一個(gè)字節(jié)。(4) 所有(0002，*)類(lèi)的標(biāo)簽都為DICOM所保留。為了兼容后續(xù)版本，應(yīng)忽略文件中有目前尚未規(guī)定的(0002，*)類(lèi)標(biāo)簽。2 2、數(shù)據(jù)集合、數(shù)據(jù)集合 DICOM文件主要組成部分就是數(shù)據(jù)集合。包括醫(yī)學(xué)圖像，還有很多相關(guān)的信息：病人姓名、圖像大小等。 DICOM數(shù)據(jù)集合是由DICOM數(shù)據(jù)元素按照指定的順序依次排

11、列組成的。 DICOM文件一般采用明文傳輸，數(shù)據(jù)元素按標(biāo)簽從小到大順序排列，一個(gè)數(shù)據(jù)元素在數(shù)據(jù)集內(nèi)至多只能出現(xiàn)一次。vDICOM圖像文件結(jié)構(gòu)：128字節(jié)DICM4字節(jié)數(shù)據(jù)元素?cái)?shù)據(jù)元素 DICOM文件中最基本的單元是數(shù)據(jù)元素(Data Element)。DICOM數(shù)據(jù)集合就是由DICOM數(shù)據(jù)元素按照一定的順序排列組成的。 由四個(gè)部分組成: 標(biāo)簽、數(shù)據(jù)描述 (VR， Value Representation)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)域。(1) 標(biāo)簽是一個(gè)4字節(jié)的無(wú)符號(hào)整數(shù)，DICOM所有的數(shù)據(jù)元素都可以用標(biāo)簽來(lái)唯一表示。方式為：(組號(hào)，元素號(hào))，其中組號(hào)為高位2字節(jié)，元素號(hào)為低位2字節(jié)。 組號(hào)為偶數(shù)的是標(biāo)

12、準(zhǔn)數(shù)據(jù)元素，組號(hào)為奇數(shù)的為私有數(shù)據(jù)元素。例如: 有標(biāo)簽(0008，0020)，可以在DICOM字典中查出其代表研究日期。(2) VR具體描述了屬性值如何進(jìn)行編碼，指明了該數(shù)據(jù)元素中的數(shù)據(jù)的類(lèi)型。在DICOM文件中，它是一個(gè)長(zhǎng)度為2的字符串，例如，如果一個(gè)數(shù)據(jù)元素的VR為“DA”，則表示該數(shù)據(jù)元素中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為日期型數(shù)據(jù)，如果一個(gè)數(shù)據(jù)元素的VR為“FL”則表示該數(shù)據(jù)元素中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)元素中，VR是可選的，它取決于協(xié)商的傳輸數(shù)據(jù)格式。DICOM中規(guī)定了顯式(Explicit VR)和隱式(Inexplicit VR)兩種傳輸格式：顯式傳輸時(shí)，VR必須存在，用兩個(gè)字符明確表示值的表

13、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。隱式通過(guò)標(biāo)記查出DICOM對(duì)這個(gè)屬性表示方法的規(guī)定，從而解釋屬性值的內(nèi)容，隱式傳輸時(shí)，VR必須省略。(3) 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度指明該數(shù)據(jù)元素的數(shù)據(jù)域中數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度(字節(jié)數(shù))。(4) 數(shù)據(jù)域中包含了該數(shù)據(jù)元素的數(shù)值。 DICOM中所有的數(shù)據(jù)都是以數(shù)據(jù)元素的形式出現(xiàn)的(除文件頭中128字節(jié)的文件前言)。顯式傳輸顯式傳輸隱式傳輸* 無(wú)VR項(xiàng)vTag標(biāo)簽查閱DICOM3標(biāo)準(zhǔn)第六部分 數(shù)據(jù)字典v 編程讀取DICOM圖像文件數(shù)據(jù)元素信息：采用VC+、VB、Delphi Pascal開(kāi)發(fā)平臺(tái)編程讀DICOM圖像文件數(shù)據(jù)元素，在me

14、mo控件中顯示：Rows(0 x0028, 0010)：value _、 Columns(0 x0028, 0011)：value_、Bits Allocated(0 x0028, 0100)：value_、PixDataGroupLength(0 x7FE0, 0010)：Length_、Window Width(0 x0028,1051) ： value 、(窗寬)Window Center(0 x0028,1050)： Value 。(窗位) 采用VC+、VB、或Delphi Pascal開(kāi)發(fā)平臺(tái)編程讀DICOM圖像文件ankle.dcm，顯示圖像： 采用VC+、VB、或Delphi P

15、ascal開(kāi)發(fā)平臺(tái)編程讀其他DICOM圖像文件（MR或Brain目錄中的文件），并顯示圖像。1.窗寬是圖像上顯示的灰度值范圍，在此灰度值范圍內(nèi)的組織和病變均以不同的模擬灰度顯示。而灰度值高于此范圍的組織和病變，無(wú)論高出程度有多少，均以白影顯示，不再有灰度差異；反之，低于此范圍的組織結(jié)構(gòu)，不論低的程度有多少，均以黑影顯示，也不存在灰度差別。2.對(duì)圖像的影響：增大窗寬，則圖像所示CT值范圍加大，顯示具有不同密度的組織結(jié)構(gòu)增多，但各結(jié)構(gòu)之間的灰度差別減少。減小窗寬，則顯示的組織結(jié)構(gòu)減少，然而各結(jié)構(gòu)之間的灰度差別增加。窗位是窗的中心位置，同樣的窗寬，由于窗位不同，其所包括CT值范圍的CT值也有差異。例

16、如窗寬同為300H，當(dāng)窗位是0H時(shí)，其CT值范圍為150150H；如窗位是40H時(shí)，則CT值范圍為110190H。通常欲觀察某一組織的結(jié)構(gòu)及發(fā)生的病變，應(yīng)以該組織的CT值為窗位。v自編程讀取DICOM圖像方法一：使用開(kāi)發(fā)平臺(tái)，如VC+、Delphi（Pascal）、VB等。用文件操作直接讀取“.DCM”文件，見(jiàn)流程圖。方法二：使用開(kāi)發(fā)平臺(tái)，安裝DICOM圖像操作開(kāi)發(fā)包，如“DICOM3DSDK”，使用“DICOMImageViewer”組件讀取“.DCM”文件。打開(kāi).DCM文件文件讀取指針跳過(guò)128字節(jié)讀取4字節(jié)是否為“DICM”？不是DICOM文件讀取元素信息是否匹配元素信息？返回元素信息NOYesYesNO數(shù)據(jù)是否讀完？顯示圖像YesNO讀取DICOM文件數(shù)據(jù)流程圖灰度等級(jí)轉(zhuǎn)換225522/255*)2(20)(WXXWCXWCWWCXWCXxY其中：C: 窗位值(window Center)W: 窗寬值(window Width)使用DICOM3DSDK組件讀取DICO