基于DICOM标准的数字医学图像传输的研究Word文档格式.docx
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目录
第1章前言1
1.1研究背景1
1.2本论文结构安排2
第2章DICOM标准的介绍3
2.1DICOM标准的发展3
2.1.1DICOM标准的历史背景3
2.1.2DICOM标准的产生4
2.1.3DICOM标准的前景5
2.1.4DICOM在我国发展的情况5
2.2DICOM标准内容解析6
2.2.1DICOM标准的组成和功能6
2.2.2DICOM通信协议7
2.2.3DICOM信息结构9
第3章DICOM通信模块11
3.1DICOM通信体系结构11
3.2DICOM通信各模块划分12
3.2.1通信协商模块12
3.2.2数据编码模块13
3.2.3SOP服务提供模块14
3.2.4异常处理模块14
第4章基于DICOM标准的数字医学图像传输的研究15
4.1DICOM文件结构和编码方式15
4.2图像转换17
4.3数字医学图像传输的设计18
4.4数字医学图像传输的实现23
4.5研究结论26
总结27
致谢28
参考文献29
第1章前言
1.1研究背景
随着科学技术的不断发展，医学成像设备在临床上已经得到广泛的应用，那些医学图像设备上得到的各种数字医学图像已经成为医生提供了诊断各种疾病的重要依据。
但是，很多数字医学图像是以胶片形成存储的，这些图像胶片具有很高的价值，而胶片形式存储的图像的劣势就是它们难于保存、维护，不利于及时查阅及不同医院之间的共享。
为了解决这些问题，70年代末有人提出了无胶片医院（filmlesshospital）的设想，以数字图像代替胶片，也就是图像档案工作及通讯系统（PictureArchiveandCommunicationSystem,PACS），这一个是应用现代计算机技术将医学图像安全可靠地归档，并且能快速安全地提取的分布式计算机系统。
此后，PACS引起了许多放射学专家和计算机专家的高度重视，他们投入大量的精力对其进行深入细致的研究。
经过十几年的努力，PACS已得到了突飞猛进的发展。
但是在医学影像信息学的发展和PACS的研究过程中，由于医疗设备生产厂商的不同，造成与各种设备有关的医学图像存储格式、传输方式千差万别，使得医学影像及其相关信息在不同系统、不同应用之间的交换受到严重阻碍。
为了更有效的在医疗信息系统间、医学影像设备间实现传输、共享数字影像，必须在各种医疗影像产品之间提供一致性接口。
在这样的历史背景下，美国放射学会（ACR，AmericanCollegeofRadidlogy）和美国国家电器制造商协会（NEMA，NationalElectricalManufacturesAssociation）于1985年联合制定了医学数字成像及通信标准DICOM（DigitalImagingandCommunicationsinMedicine），DICOM也由最初的ACR/NEMASPNo.300-1985，Version1.0版发展到今天的DICOM3.0版。
随着DICOM标准的不断完善，世界医学影像设备的主要供应商都宣布支持DICOM标准，DICOM标准已经成为北美、欧洲以及日本各国在医疗信息影像系统中的标准。
纵然DICOM标准在欧美、日本等发达地区已经建立与发展得较为成熟，但是在我国因为各种原因各医院里真正符合DICOM3.0标准的影像设备只占所有影像设备的一部分。
大量的老式影像设备往往只能输出胶片，或者只有普通的视频输出，或者使用专用的图像格式。
因此，目前在建设PACS的时候必须考虑到这一点。
为了使现有的大量不符合DICOM的影像设备进入PACS网络，我们必须对DICOM标准进行详细而深入的认识和研究，这些对于我国远程医疗及PACS建设还处于起步阶段的现状，能避免许多重复建设，以低成本，性能优的国产产品普及PACS在我国的开展和应用，具有较高的战略意义。
本文主要从DICOM的标准以及原理入手，对数字医学图像的通信过程进行了深入的研究。
1.2本论文结构安排
由于本文是一篇研究型论文，因此本文详细的介绍了DICOM的原理及标准，对基于DICOM标准的数字医学图像传输进行了研究。
各章内容安排如下：
第1章介绍该论文的研究背景和本论文的结构安排。
第2章介绍DICOM标准，产生背景由来以及DICOM标准在我国的发展状况。
接着详细的介绍了DICOM标准的相关内容。
第3章详细的分析DICOM通讯模块。
第4章先对DICOM文件结构和编码方式进行介绍与研究，然后对图像间转换进行探讨，最后对基于DICOM标准的数字医学图像传输进行研究，介绍相关功能模块的设计并对其实现进行一定的介绍。
第2章DICOM标准的介绍
2.1DICOM标准的发展
2.1.1DICOM标准的历史背景
随着科学技术的不断发展，计算机与通信技术在医学界的广泛应用，使医学图像可以大量存储；
通过计算机网络技术，医生可以进行远程会诊和远程诊断；
随着计算机显示技术的发展，使得医生不用动手术也可以看到病人体内逼真的三维图像。
虽然计算机和网络通信在医学界上取得如此多的成绩，但是在期间还是遇到很多问题：
1、通讯方面
随着各种数字成像设备越来越广泛的用于临床的医学诊断，而不同很多不同的设备都是又不同厂家制造出来的，因此有可能每个厂家在设计该设备的数据传输机制上都有自己的规范，然而当一个医院把各厂商的医疗设备买回来后，由于各设备的数据传输机制不一样，这样就给医院内部资源共享带来很大的不便，因此在不同厂家制造的设备之间传输医学图像和其他相关信息已经成为迫切需要。
如何实现这些设备的互联，关系到能否实现数字图像的存储和分发、数字通讯在重要诊断和会诊时的显示、图像归档等。
不同厂家的设备互联，能够大大提高医院内部医疗设备的使用效率，实现资源共享，例如急诊室（ER）和监护房（ICU）可以获得放射医疗部门生成的图像。
另一方面，除图像数据之外，还有大量与这些图像相关的医疗诊断信息，如病人信息、检查的日期和时间、检查设备、图像的摄取角度和标注信息等等。
医疗设备间的互联也可解决这些重要诊断信息的共享问题。
2、存储容量方面
数字医学图像具有高分辨率、高精度和大数据量的特点。
空间分辨率和灰度量化级的提高将使图像数据量急剧增加，对于PACS来说，这意味着存储容量和图像传送所需时间的增加。
对于放射图像来说由于画面常呈矩形，而图像（例如CT图像）常占据画面的一部分，相当于一部分画面不含有诊断信息，可以剔除。
在图像处理领域中，数字图像正在日渐代替传统的模拟图像以作为图像的保存手段。
数字化是医学图像处理的趋势，其基本目标是把图像表示为数字格式以使其能支持图像的传输、归档，以及其他针对诊断信息的操作如图像增强等。
然而，描述一幅图像所需的数据量是如此之大，以至于极大的限制了传输速度，加上存储所需空间也非常大，这些都限制了它的广泛使用。
数字化医学图像庞大的信息量和储存空间以及高昂的储存费用一直困扰着各家使用数字化医学图像储存的医院。
另外，数据量庞大的数字化图像在网络上传输时所占用的巨大的带宽和缓慢的传输时间，一直是PACS系统设计中头痛问题[4]。
3、为远程医学应用提供基础
随着计算机网络技术的高速发展，20世纪50年代的远程医学（Tele-Medicine）得到了新的发展机会。
医学图像及其相关数据的通信是实现未来的远程医学的基础。
远程医学可以分为三类：
远程医学教学（Tele-Education）、远程会诊（Tele-Consultation）、远程诊断（Tele-Diagnosis）。
远程医学教学是通过通信网络进行教学，与其它远程教学不同的是，远程医学教学需要提供高质量的医学图像；
远程会诊是两地或多地的医生通过网络共享病人诊断信息，由异地医生或专家提出诊断建议，最后由本地医生确定诊断报告，在这个过程中需要由一点向多点传输病人的医学图像及其它信息；
远程诊断是在远程会诊的进一步发展，需要异地的医生或专家最终签署诊断报告，需要高质量的医学图像数据，因此所需的图像数据在质量上不能与医生在当地观察到的图像质量有差别，这也是目前国内外远程医疗的发展方向和热点。
因此可见，远程医学的三类应用有一个共同要求，即都要求得到高质量的图像和完整、全面的相关医疗信息。
但是，当前的远程医疗一般仍局限于使用视频会议系统进行双方的通信，病人信息和诊断图像通过视频方式传递，图像质量得不到保证，与通过胶片观察有明显的差距。
这显然与远程医学应用的要求不符。
因此，研究如何通过由局域网和广域网组成的互联网络，实现网际、网内对医疗信息的实时访问构成了开展远程医疗的基础[5]。
2.1.2DICOM标准的产生
为解决以上各种不便，美国放射学会（ACR）和全美电子厂商联合会（NEMA）联合组成委员会，在参考了其他相关国际标准（CNET251、JIRA、IEEE、ANSI等）的基础上，推出了医学数字图像存储与通信标准，即DICOM标准。
它从最初的1.0版本（ACR/NEMASPNo.300-1985，Version1.0）到1988年推出的2.0版本（ACR/NEMASPNo.300-1988，Version1.0），到1993年发布的DICOM标准3.0，
近年来由於ACR与NEMA在医疗数位影像传输规范的发展与努力，DICOM3.0已成为北美、欧洲及日本各国在Health
care
informatics影像应用的标准。
这些协会除了ANSI,ISO外，还包括欧洲的“EuropenCommitteeforStandardizationTechnicalcommitteeonMedicalInformatics（CENTC251）”及日本的“Japan
Industries
of
Association
for
RadiationApparatus
（JIRA）”。
1994年，
在美国芝加哥所举办的RSNA
年会上，
就已经有40个以上的厂商参与DICOM的成果展示，他们利用DICOM3.0的标准，透过网络与各医院连线，进行医学影像传输及处理的功能显示，主题包括：
CR，CT，MR，US各类型医学影像资料。
2.1.3DICOM标准的前景
医学信息数据通信领域正在经历一个飞速发展的阶段，大量新的医疗设备、计算机诊断系统和诊疗理念不断丰富着这一领域。
因此，DICOM标准从诞生之日起就是一个开放的标准，它不断的进行着自我完善、扩充和演化的过程。
为了适应这种内容不断扩充和更新的需要，DICOM标准采用了广义的信息对象定义IOD（InformationObjectDefinition）的概念，不仅包括医学图形和图像，也包括大量相关的检查、报告等广义的信息对象，并且通过唯一表示UID（UniqueIdentifier）的方式在网络环境下唯一地确定这些信息对象。
在此基础上，DICOM标准定义了大量不同的服务类（ServiceClass），用以完成不同的服务功能。
因此，对于不断更新的医疗设备及其各种类型的数据，可以通过修改或定义新的IOD使得标准与之相适应并得以扩充；
而对于新增的功能，则可以通过定义新的服务类来完成。
这样就达到了不需要对DICOM标准的整体架构进行修改的情况下，完成标准本身不断扩充和更新的目的。
也就是说，DICOM标准可以在不断吸收新特性的同时，仍能很好的保持与原先版本的兼容性。
2.1.4DICOM在我国发展的情况
在过去10多年间，我国的医院从国外引进了大批先进的医学图像设备，确实给我国的医学医疗事业产生了巨大的贡献，起到极其重要的推动作用。
但由于各种原因，大多数医学图像设备和系统都没有考虑图像和相关医学信息的存储和通信功能，更多的是配置一部打印机或用X光胶片做图像记录，医生通过肉眼观察仪器屏幕的图像进行诊断。
而DICOM3.0标准相对来说是一个比较新的协议，同时它也比较庞大，目前国内对它的研究非常少，实现其功能的系统还基本没有。
另一方面，DICOM标准使得医学图像及相关信息在计算机间传输有了统一的国际标准，通过数据接口与互联网接通，就可以进行医学图像信息的远程传输，实现异地会诊、远程医疗等应用。
这些无疑可以大大提高诊断的效率和准确性，有很重要的实际意义。
因此，医学数据通信的问题已经成为目前各大医疗系统的焦点问题之一[5]。
2.2DICOM标准内容解析
2.2.1DICOM标准的组成和功能
DICOM标准分为很多个部分，且各部分是相互关联的独立文件，虽然某些部分的内容在不断补充和完善，但总体框架已经最终确定，下面以DICOM3.02000为例对DICOM标准的组成及功能进行介绍：
（1）总则：
全面的介绍了DICOM的历史、目的、结构和适用范围，并对其他部分的内容做了一定的简介。
（2）兼容性：
详细说明DICOM的兼容性目的和架构，同时给出了在开放互联方面对遵守该协议的设备的具体要求。
（3）信息对象定义：
用于对现实世界中的医疗信息实体做抽象的定义，同时定义了可以使用DICOM进行通信的类别。
（4）服务类的说明：
对DICOM通信中用于建立关联和进行数据传输的服务类进行了定义，给出用于数字化交流的操作行为的抽象定义。
（5）数据结构和语义：
主要用于说明DICOM数据结构及数据的编码。
（6）数据字典：
用于标明了已注册的IOD属性数据的类型、标识和含义。
。
（7）信息交换：
本部分定义了DICOM命令的结构（命令结合相关数据即组成DICOM消息），同时也定义了DICOM应用实体间的协商。
（8）网络通信支持下的数据交换：
这一部分用于说明在TCP/IP和OSI网络传输协议的基础上DICOM如何使用建立的。
（9）点对点传输下的信息交换：
说明在点对点传输下支持应用DICOM协议进行数据交换的服务器和网络上层协议，说明DICOM如何支持50针点对点消息通信的服务和协议。
（10）介质储存和存储介质间交换的文件格式：
它提供了一个用于不同类型医学影像间数据交换及不同物理介质相关信息交换的框架。
（11）介质存储的应用方式：
说明将医学影像信息存储于可移动介质的的模式。
（12）介质格式和用于内部交换的物理介质：
描述了如何便利医疗环境中数字影像计算机间的内部信息交换，这样的交换可应用于医学图像诊断或其他潜在的临床领域。
（13）点对点传输下的打印管理：
详细说明打印提供者在点对点联接的情况下支持DICOM打印管理所必须的服务和协议。
（14）显示的灰度标准：
详细说明灰度图像的标准显示功能，它提供了一些样例方法，说明如何调整灰度图像与显示系统。
（15）安全策略方法：
说明了具体应用所应遵循安全策略的兼容方式。
如前面所说DICOM的这15个部分之间既相互独立，又互相联系，一般我们把它分为3个集合，5、6部分是数据格式（编码、储存）集数，据传输协议集包括第7、8、9部分及第13部分，描述了点对点连接与网络环境下的数据传输协议，定义了网络环境下的打印管理应用。
第10、11、12部分,描述了不同条件下数据存储的标准格式。
标准框架及其他包括第1、2、3、4部分，第14部分及第15部分，描述整个DICOM标准的结构、目的和要求及图像灰度标准，并定义了安全策略。
2.2.2DICOM通信协议
1、一致性声明（Conformance）。
原则上，DICOM标准的各个部分都有自己的规范声明，此处的“一致性声明”是各部分规范声明的汇总。
医疗设备或诊断系统要满足DICOM标准的要求则必须遵循相应的规范，这一部分就是用来说明这个规范的。
它详细地规定了规范声明的层次结构，以及声明中各部分所必须包含的内容。
一致性声明通常分为以下几个部分：
医疗设备或诊断系统（即应用实体）所支持的信息对象定义、.应用实体系统支持的服务类、应用实体系统支持的通信协议、所支持的表示上下文信息、系统配置信息。
并不是所有的一致性声明都只有上面几项或者说一定要有上面的项目，因为DICOM协议太庞大了，以致于至今仍没有一个公司或团体已经将其完全实现。
事实上，只要能实现该声明其中的一部分功能则已经足够可满足实际需要。
实现者也可根据需求选择支持哪些DICOM组件，允许对DICOM的一致性声明进行扩展。
由此不同的系统会有不同的支持部分，所以也会有不同的一致性声明；
用户或系统设计人员通过对比两种不同实现的一致性声明，就能够判断出两个系统是否可以进行互操作和通信。
2、服务类规范（ServiceClassSpecifications）。
服务类即是对医疗信息实体的操作，所提供的服务，这一节说明定义了许多服务类,服务类详述了作用于信息对象上的命令及其产生的结果。
一个服务类可对应于一个或多个命令作用于一个或多个信息对象。
服务类还给出了角色:
服务类提供者和服务类用户。
典型的服务类有:
存储服务类,查询服务类,恢复（图象存储后重新取出）服务类,（对患者的）分析管理服类。
这里具体阐明了每个服务类对其命令元素的规范要求，以及通信服务的提供者和使用者应完成的功能。
这一部分还提供了以下一些服务类的实例：
（1）存储服务类（StorageServiceClass）
（2）查询服务类（QueryServiceClass）
（3）检索服务类（RetrievalServiceClass）
（4）检查管理服务类（StudyManagementServiceClass）
（5）数据结构和编码（DataStructureandEncoding）
这一部分规定了服务类的构造过程和编码结构。
服务类里面的的命令和信息对象定义数据都要经过编码成DICOM结构的数据流，才能形成“消息”并完成发送过程；
同样，要接收网络上的命令和数据，必须进行解码。
数据流里面的数据可以分为“命令集”（Command-set）和“数据集”（Data-set）。
[5]
3、信息对象定义IOD（InformationObjectDefinitions）。
一个信息对象定义（IOD）是用来说明关于现实世界事物信息的对象定向的抽象数据，即IOD为对现实世界中医疗信息实体的抽象。
这里详细定义了多种IOD，并规定了它们的内部结构。
IOD不是表示为现实世界事物的一个特殊的事例，而是有着相同属性的一类现实世界事物。
一个IOD用来描述一类称为规格化信息对象的现实世界事物。
DICOM用IOD定义服务类所作用的对象的数据结构和属性，IOD是对现实世界中具有共同属性实体的面向对象的抽象。
DICOM定义了两种IOD，正规IOD（NormalizedIOD）和复合IOD（CompositeIOD）。
每个IOD由用途说明和大量相关的“属性”组成，但IOD本身并不包括各个“属性”的值，而只包含其定义。
这些属性描述的内容虽然千差万别，却拥有几乎相同的结构。
属性又按照一定规则分成组，以利于被不同的IOD复用。
当需要表示现实世界的某个实体时，就要将相应的IOD实例化，这时IOD属性的值被填充进来。
4、数据字典（DataDictionary）。
数据字典描述了所有信息对象是由数据元素组成的,数据元素是对属性值的编码。
一般来说数据字典里包含的内容有：
属性的惟一标签（Tag）、属性的名称、属性的数据类型（如characterstring，integer等）。
在通信过程中，数据字典被用于辅助建造数据集。
5、消息交换（MessageExchange）。
定义了进行消息交换通讯的医学图像应用实体所用到的服务和协议。
消息是在两个交互的DICOM应用实体之间进行交换的符合消息交换协议的数据单元，它包含一个命令流和（如果需要的话）一个数据流。
这部分详述了：
建立和终止通讯联接的规则；
管理“请求及回应”命令的交换规则；
构造命令流和消息所必要的编码规则。
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