1、DICOM 图像处理技术研究【摘要】 针对 DICOM3.0 标准,详细分析了文件结构及数据集,给出了其中一些关键技术问题及相应的解决措施。最后基于 VC 开发出一种医学图像处理软件,该软件能实现医学图像的显示、通用图像格式转换等功能,该方法克服了传统 DICOM 图象显示软件的局限性。 【关键词】 DICOM 标准 DICOM 数据集 显示与处理 医学图像解码 Abstract:According to the information contents and data format defined by DICOM standard, some classes corresponding
2、to the types of medical image are defined for image information recording. A DICOM image viewer based on VC is designed, which is able to display and process various types of medical image. A method is thus provided, by which the problem of limitation of traditional DICOM image viewers can be solved
3、. Key words: DICOM; DICOM DataSet; display and process; medical image decoding DICOM(Digital Imaging Communications in Medicine)标准是医学数字成像和通信的国际标准。DICOM 虽然是在美国产生、发展的，但已被欧洲各国、日本等发达国家和地区接受，并被列入国家标准。在我国，DICOM 是唯一被接受的医疗影像国际规范。DICOM 已经成为国际医疗影像设备的图像通信/交流的唯一规范。DICOM 标准逐渐得到国内外的高度重视,一些科研机构和高等院校纷纷展开了对标准的研究和基于标
4、准的开发。因此对 DICOM 标准文件的正确解读是医学数字图像处理和建设的关键技术之一。 1 DICOM 文件的数据结构和编码规定 DICOM 格式文件包括了数字成像和通信两个方面内容。该文件格式基于面向对象的思想,制定了一系列信息对象定义和服务对象定义,文件的数据结构和编码规则包含了数字成像和通信的真实信息 。 1.1 DCM 文件的结构 DCM 是比较常用的 DICOM 文件名后缀，其他PACS 软件也使用到了 IMG，或是完全不使用后缀，直接就是一连串的数字或字符串命名的。DCM 文件从本质上说是一个关于信息体实例的数据集,主要包括患者、检查、序列和图像等信息。文件的结构主要由文件头和文
5、件结构像素数据两大部分组成,文件头又分为文件引言和数据集两部分,其中文件引言是由 128 个全部置为 00 的字节序列和一个长度为 4 个字节的字符串组成 。数据集是整个文件中信息量最大的部分,囊括了所有信息实体(患者、图像、检查等)的信息,结构也最为复杂,文件最后的图像数据表示像素,数据结构单一,因此解读文件实际上就是解读数据集。1.2 DICOM 数据集结构 数据集由多个数据元素串连组成,每个数据元素具有类似的结构,都是由标签、值描述、值长度和值域组成。标签表示该数据元素的特定含义。每个标签在整个数据集中只能出现 1 次(嵌套除外),共 4 个字节,分为组号(高位两字节)和元素号(低位两字
6、节)。如00100010 表示该数据元素里的信息为患者姓名。标签含义的详细规定在标准的 3.62004(数据字典)中。描述了该数据元素中值域的数据种类,大多数情况下是一个长度为 2 字节的字符串。值得注意的是标签是可选的,取决于商定的传输语法。值域表示该数据元素所保存的实际信息,必须为偶数个字节,不足补 0 或空格。 2 DCM 文件的读取 理解了文件的结构和数据集的结构,解读文件就不是一件很难的事情,但有些关键性的问题如数据嵌套、高位截取等在读取时需要注意。 2.1 数据嵌套 当数据元素的值为 0 时,则该数据元素的值域又是由 1 个或多个数据元素组成的,即数据元素中包含了子数据集。如果子数
7、据集中又有值为 0 的数据元素时,就构成了递归嵌套。嵌套的存在要求解读算法能遍历树型数据结构的所有元素。 2.2 图像数据的高位截取 通常文件采取 2 个字节表示 1 个像素,但是一般情况下,真实像素值的动态范围不足以完全填满这 2 个字节。因此,高字节的高位可能因为被用于存储其他信息。解读图像数据时应该截取高位,把低位的信息读取出来。标准规定标签为 00280101 的数据元素储存像素数据的最高位数,标签为 00280102 的数据元素储存实际存储像素数据的位数。对于某些图像,图像数据中储存的像素值没有实际意义,需要采用斜率和截距来修正,而斜率和截距则储存在标签为 00281053 和002
8、81052 的数据元素中。因为一般情况下这两个值为 1 或 0,图像数据中储存的像素值和实际值相等,所以这一点常常为人们所忽略。 3 DICOM 图像处理 3.1 DCM 图像处理的原理 文件描述的是医学图像,反映人体器官及组织对 X 线的吸收程度,用色值作为人体器官图像信息。目前计算机常用的位图文件是由红、绿、蓝三基色组成,作为灰度图像所能显示的等级数在 0255 之间；在操作平台上处理图像,即需要对值进行处理。处理的方法是在描述显示数据的范围时,用窗宽表示;确定数据的中心值,用窗位表示。对于人体器官获得的某个值,如果小于某个值,可转换成位图图像的黑色,即 0 值;如果大于某个值,可转换成位
9、图图像的白色,即 255 值;如果在某个值的范围之内,可转换成对应位图图像的某个值,在 1254 之间,其转换公式： G（v）= 0 vc-w2 gmw(v+w2-c) c-w2vc+w2(*) gm vc+w2 v：为图像数据；G：计算机操作平台上显示值；gm：为显示器的最大值,位图文件为 255；w：为窗宽；c：为窗位。 在该转换关系中,窗宽和窗位的选择决定了图像所需显示的部分,对每一个文件,可以从该文件头获取,并且在图像处理中,也可以进行人为地改变窗宽、窗位,来获取不同的显示效果及选择人体器官某部分内容。 3.2 DICOM 类定义 在正确理解文件结构和数据集结构之后,就不难正确解读文件
10、。首先读取文件引言,检查文件格式;然后提取传输语法,根据传输语法,采取相对应的解码方式,如果是显式就采取显式的读取方式,如果有嵌套存在就调用嵌套处理模块;如果图像数据经过压缩就调用解压模块 。最后得到图像数据,并利用设备无关位图（device-independent bitmap， DIB，设备无关位图可以在不同的机器或系统中显示位图)显示出来。这里需要注意的是在数据集中存在上百个数据元素,我们只要读取其中相对重要的元素即可,表 1 中列出了这些数据元素的标签 。表 1 重要的数据元素标签 由于图像数据的动态范围较大(一般大于 4096,这个数值取决于采用的图像处理算法和计算机的虚拟内存),而
11、普通显示器只能显示 256 级灰度,因此读取到图像数据后,要经过窗宽窗位调节才能显示。DICOM 数据集包含的信息很多，其中有些信息很少用到或者与具体的医疗情况不符，因此去除冗余信息、保留主要信息是很有必要的。采用面向对象的思想，笔者设计了简化的 DICOM 图像类结构。其中患者信息主要获取患者的姓名、性别等信息；检查信息主要获取检查的标识、序列号等信息；图像信息参数主要获取图像的长、宽以及存储每个像素所用的比特数等信息；图像像素信息获取图像数据信息。DICOM 图像的数据结构语言描述如下：struct PatientInfo患者信息结构 String PatientName; Int age
12、; Bool sex; struct StudyInfo检查信息结构 Int StudyID; Int SeriesNumber; struct ImageInfo图像信息结构 Float height, width; Int pixel; struct Pixel Int pointx, pointy, pixelvalue; 像素信息结构 DICOM 类定义如下： Class DICOM； DICOM 图像类 int level; struct PatientInfo；患者信息 struct StudyInfo；检查信息 struct ImageInfo；图像信息参数 struct Pix
13、el; 图像像素信息 Public； Dicom 文件读写、处理方法的定义略 ; 3.3 DICOM 图像处理算法设计 在定义好 DCM 文件类之后，可以通过 DCM 文件类还能实现一些实用的功能,如把文件转换为位图、JPG 等格式文件 。简单读取 DCM 文件的软件流程如图 1 所示。图 读取DCM 文件的流程图 在 VC6.0 环境下,首先设置图像像素缓冲所需要容量的内存,分行读入图像数据；然后按公式(*)进行处理,设置图像点数据,进行移位处理 。设窗宽为 H,窗位为 W,其算法描述为； for(i=0;i for (j=0;j t1=*(Datai+j*2); t4=t116; t3=t
14、1/16; t2=*(Datai+j*2+1); t2=t2%16 Pixel_value=t2*256+t3*16+t4/1024; pDibInitimage_Dicomj i=pixel_value; if(pixel_value=win_centerwin_width/2) pixel_value=0; else if(pixel_value=win_centerwin_width/2) pixel_value=255; else pixel_value temp=(pixel_valueW+H/2)/Hf*255; pixel_value=int(pixel_value temp+0
15、.5f); imagei j=byte(pixel_value); 【参考文献】 1 谢长生,熊华明 ,陈 颉. DICOM 图像显示的研究与实现J.计算机工程与科学,2002,24(6):38-. 2 朱剑锋,温 浩,周 昀，等. DCM 文件的构成分析和编解码实现J.中国医疗器械杂志,2003,27(4):247. 3 王光飞,刘 杰,刘 文.DICOM 医学图像的调窗技术及 DIB 显示J.医疗装备,2005,18(8):1-4. 4 林春漪,尹俊勋，马丽红，等.论解读 DICOM 医学图像文件及其显示的 VC+实施办法J.现代医学仪器与应用,2005,17(1): 1-4. 5 胡阳秋,高小榕,高上凯.医学图像 DICOM 格式转换软件的设计与实现J.北京生物医学工程,2000,19(4):193-197. 6 张尤赛,陈福民. DICOM 医学图像窗宽变换的加速算法J.计算机工程与应用,2003,（13）:218-220.
