数据库DICOM数据转换技术研究.docx
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数据库DICOM数据转换技术研究
审稿存在问题“前半部分需要再精炼”
针对该问题，本人做了如下修改。
对论文的第一部分引言进行了压缩和提炼，将原来的三段压缩为两段。
涉及内容如下：
“通常这些影像数据只是按照病人ID号、拍摄时间、影像类别等简单地存储，并没有详细地整理和分类”；“增加了数据库的存储量”；“浏览DICOM文件需要DICOM浏览器，普通的图像浏览器无法浏览”；“分析DICOM数据转换对数据库存储量的影响”；“验证三维模型的有效性，分析三维模型和二维影像的关系,设计数据库的结构，”。
对论文的第二部分进行了删减提炼，包括2.1、2.2和2.3小节。
涉及内容如下：
“它不仅包含图像数据，而且包含许多和图像有关的其它信息，如病人姓名、性别、出生日期、检查日期、检查部位等”；“常用的图像格式有BMP、JPEG、TIFF等，本文之所以将DICOM转换成BMP，是基于以下原因考虑的：
BMP是一种通用图像格式，支持网页浏览，TIFF不支持网页浏览；BMP是非压缩图像格式，DICOM转换BMP不会丢失像素数据，适合三维模型重构”；“选择工具栏ToggleOverlay工具，清除图像的覆盖物，”“滚动鼠标中键，切换到需要转换的图像，点击图像右下角虚线框，虚线框黄色显示表示图像为选中状态，选择工具栏Select/DeselectAllImagesInSelectedSeries工具，可以选中全部图像”；“选择文件菜单Export——>asImage（s）子项，”“与原DICOM数据存储量无关，BMP图像是转换后数据的主要组成部分，存储量以兆为单位计算，”。
对论文的3.1和3.3小节也进行了适当的删减提炼。
另外对论文的图片布局进行了适当的调整。
由于本文的国防基础科研基金的编号有保密要求，所以没有向贵社提供编号，望贵社谅解。
面向数据库的DICOM数据转换技术研究*
王时雨Δ刘浩
（南京航空航天大学机电学院，南京210016）
摘要建立一个综合的用于医学图像网络访问、测量、虚拟手术导航的医学影像平台，需要医学影像数据库的支撑，本文所建的医学影像数据库包含二维影像和三维模型，一般的基于DICOM存储的数据库不能满足要求，本文使用DICOM转换技术，将DICOM数据转换成BMP图像和必要数据元素信息，然后利用BMP图像和必要数据元素信息重构三维模型，并且验证了DICOM数据转换的可靠性，在此基础上建立了人体髋关节医学影像数据库，实验结果表明本文方法建立的医学影像数据库不仅能够满足数据库应用要求，而且大大降低了数据库的存储量。
关键词医学影像数据库DICOM数据转换三维重建TP311.1
DICOMDataConversionTechnologyResearchforDatabase
WangShiyuLiuHao
（CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,NanjingUniversityof
AeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China）
AbstractAcomprehensivemedicalimageplatformbuiltformedicalimagesnetworkaccess,measurementsandvirtualsurgerynavigationneedsthesupportofmedicalimagedatabases.Themedicalimagedatabasewebuiltcontainstwo-dimensionalimagesandthree-dimensionalmodels.ThecommondatabasesbasedonDICOMstoringdonotmeettherequirements.WeusethetechnologyofDICOMconversiontoconvertDICOMintoBMPimagesandindispensabledataelements,andthenweusetheBMPimagesandindispensabledataelementstoreconstructthethree-dimensionalmodel.ThereliabilityofDICOMdataconversionisverified,andonthisbasis,ahumanhipjointmedicalimagedatabaseisbuilt.Experimentalresultsshowthatthismethodusedinbuildingthemedicalimagedatabasecannotonlymeettherequirementsofdatabaseapplication,butalsogreatlyreducetheamountofdatabasestorage.
KeywordsMedicalimagedatabaseDICOMdataconversionThree-dimensionalreconstruction
1引言
随着医学成像技术的成熟，医学影像的应用得到了飞速发展，医学影像已经成为医生辅以诊断的重要工具。
医疗数字化的改革，使得大量的医学影像资料不再以胶片形式存储，而是以电子数据形式存储，出于临床研究和病理研究等目的，人们日益重视对医学影像数据的整理应用并建立数据库。
本文拟建立人体髋关节医学影像数据库，该数据库是一个综合医学影像平台的数据支撑，该平台能够实现医学图像网络访问、测量以及虚拟手术导航等功能，数据库的存储对象包括二维影像及由二维影像重构的三维模型。
DICOM是医学影像数据的国际标准，国内外学者研究和建立的医学影像数据库主要是基于DICOM数据存储的[1-5]。
但是直接存储DICOM数据存在许多缺点：
DICOM包含的信息非常庞大，就本文数据库应用要求而言，存在过多的冗余信息；DICOM数据在网络上传输速度较慢，而且不支持网页浏览。
本文以DICOM数据转换技术为基础，提出了一种医学影像数据库建立方法。
研究过程分为两部分：
①二维影像转换，依据数据库的应用要求，对DICOM数据进行拆分转换，提取必要的数据元素信息，将像素数据转换成BMP图像。
②三维模型重构，利用转换后的BMP图像和提取的必要数据元素信息重构三维模型，建立人体髋关节医学影像数据库。
实验结果表明本文方法建立的医学影像数据库能够满足应用要求，与直接将DICOM文件入库相比，数据库的存储量提高了近一倍。
2DICOM包含的基本信息及其提取
2.1DICOIM包含的基本信息
DICOM是美国制造商协会和美国放射学会联合制定的医学数字成像和通信标准。
DICOM文件一般由文件头和数据集组成，其主要组成部分是数据集，它包括图像数据和与图像有关的其它信息。
像素数据元素是DICOM文件最重要的一个数据单元，包含了图像显示所必需的数据，存储方式由传输语法数据元素给出，主要有压缩格式和非压缩格式[6]。
数据元素是构成数据集的基本单元，它由4个部分组成：
标签、数据描述（VR）、数据长度和数据域。
DICOM数据集是一组数据元素的集合，数据元素在数据集中按照标签的升序排列，如图1所示。
2.2DICOM数据转换
DICOM数据集包含的信息非常丰富[7]，根据本文数据库的应用要求，只有像素数据和部分数据元素信息是必需信息。
我们把必要数据元素信息分为附加信息和重构信息，附加信息包括病人姓名、性别、出生日期和病人ID，DICOM数据元素对应标签是（0010,0010）、（0010,0040）、（0010,0030）和（0010,0020），附加信息主要用于数据库对象的组织和检索。
重构信息包括像素间距、切片厚度和构台斜角，数据元素对应标签是（0028,0030）、（0018,0050）和（0018,1120），用于三维模型的重构。
DICOM数据转换包括两个方面：
①提取必要数据元素信息，②将像素数据转换成BMP图像。
DICOM转换BMP已经是一项比较成熟的技术，研究DICOM转换BMP的文献很多[8-11]，许多软件已经实现该功能，eFilm是一款免费的医学影像诊断成像桌面系统，集医学影像的浏览、测量等功能于一体，在医学界广泛使用，本文依据eFilm软件，分析DICOM数据转换的具体过程。
选择一组人体髋关节螺旋CT扫描的DICOM数据，数据来源于南京某医院，病人性别男，年龄65岁，投照条件为X线，电压130kV，X线曝光量1.0s，用eFilm软件打开这组DICOM数据，如图2所示。
在eFilm软件的客户区可以看到图像、文字和标尺三个部分，文字信息包括部分DICOM头文件和图像显示信息，如下：
DICOM头文件信息：
病人姓名、出生日期、病人性别、病人ID、切片位置、构台斜角、图像大小，这些信息全部来自DICOM数据元素。
图像显示信息：
显示比例、显示区域。
2.2.1BMP转换首先清除图像的覆盖物，包括文字和标尺。
然后选择需要转换的图像。
最后转换图像，设置保存路径，选择保存类型为BitmapFiles，确定保存，如图3所示。
2.2.2提取必要数据元素信息必要数据元素信息分为附加信息和重构信息。
附加信息包括病人姓名、性别、出生日期和病人ID，直接在eFilm软件上读取。
重构信息包括像素间距、切片厚度和构台斜角，其中构台斜角可以直接读取，像素间距和切片厚度则需要读取相关数据后，经过计算得到，过程如下：
像素间距：
读取显示区域（DFOV：
35.7*35.7cm）和图像大小（512*512），则水平像素间距=35.7cm/512=0.6973mm，垂直像素间距=35.7cm/512=0.6973mm，水平像素间距和垂直像素间距相等，统称像素间距。
切片厚度：
读取第一张图像的切片位置（I1559.5），后滚鼠标中键，切换到第二张图像，读取切片位置（I1565.5），切片厚度=1559.5-1565.5=6，通常切片厚度是定值。
上述计算结果与通过程序解读DICOM数据元素（0028,0030）、切片厚度（0018,0050）的结果一致。
2.3存储量分析
DICOM数据来源于南京某医院，选取10组来自不同病人不同部位的螺旋CT扫描的DICOM数据，对其进行BMP图像转换和头文件信息提取。
这10组DICOM数据转换前后数据的存储量如表1所示。
表1DICOM转换前后的存储量
Table1TheDICOMstoragecapacitybeforeandafterconversion
序号
病人ID
BMP图像
头文件信息
总和
DICOM
压缩率
1
2000497998
11.5M
157b
11.5M
23.1M
50.2%
2
2003183024
5.27M
160b
5.27M
10.5M
49.8%
3
2002394956
6.02M
158b
6.02M
12M
49.8%
4
2002431007
2.50M
154b
2.50M
5.35M
53.3%
5
2002435407
6.27M
152b
6.27M
12.5M
49.8%
6
2002437531
3.51M
148b
3.51M
7.04M
50.1%
7
2002446708
6.77M
156b
6.77M
13.7M
50.6%
8
2001082953
12.0M
161b
12.0M
24.1M
50.2%
9
2002396349
6.52M
159b
6.52M
13M
49.8%
10
2002939899
6.02M
162b
6.02M
12M
49.8%
比较这10组DICOM数据转换前后数据的存储量，可以发现头文件信息所占存储量相当少，只有150b左右，与BMP图像存储量相比可以忽略，BMP图像是转换后数据的主要组成部分，大约是原DICOM数据存储量的一半。
由此可见，本文方法对DICOM数据的压缩非常稳定有效，压缩率达到将近50%。
3三维模型及数据库的建立
3.1三维模型的重构
医学三维重构软件很多，如VGStudioMax、3DMed、Mimics等，其中比利时的Mimics软件的三维重构功能最为强大，使用最为广泛，本文选择Mimics软件对2.2.1小节转换的BMP图像进行三维重构。
首先导入BMP图像，在属性设置对话框的SliceDistance、PixelSize、GantryTilt栏中分别输入切片厚度、像素间距、构台斜角，它们是2.2.2小节提取的重构信息。
然后设置阈值的最小值和最大值，在每幅图像上选择需要重构的部分，擦掉不需要的部分。
最后计算生成三维模型，导出三维模型的STL文件，如图4所示。
图4髋关节三维模型的重构结果
Fig4Thereconstructionofthehipjointthree-dimensionalmodel
3.2三维模型的验证
为了验证本文方法重构的三维模型的有效性，本文对重构的髋关节三维模型进行几何参数测量[12-13]，比较BMP图像重构的髋关节模型和DICOM重构的髋关节模型的几何参数。
选测的几何参数有髋臼间距（图5a）、髋臼直径（图5b）、股骨直径（图5c）、颈干角（图5d），测量结果如表2所示。
表2髋关节模型几何参数的比较
Table2Thegeometricparameterscomparisonofhipjointmodel
髋关节重构方式
髋臼间距
髋臼直径
股骨直径
颈干角
BMP图像
123.0mm
50.1mm
36.6mm
133.3°
DICOM
123.2mm
50.0mm
36.5mm
133.5°
比较BMP图像重构的髋关节模型和DICOM重构的髋关节模型的几何参数，几何参数的误差不超过0.3mm（°），忽略人为测量误差，可以认为这两种方式重构的三维模型是一致的，这说明本文使用BMP图像重构的三维模型是可靠的。
3.3三维模型与二维影像的关系
3.3.1像素点的坐标计算在讨论像素点坐标计算之前，先介绍一下解剖坐标轴。
解剖学规定，人体有3个互相垂直的基本切面。
冠状面：
于左右方向垂直，将人体分为前后两部分的切面，也称为额状面。
矢状面：
于前后方向垂直，将人体分为左右两部分的切面。
水平面：
横切直立人体与地平面平行的切面。
同时规定人体有3个基本轴。
冠状轴（额状轴）：
呈左右方向平行于地面，与矢状面互相垂直的轴。
矢状轴：
呈前后方向平行于地面，与冠状面互相垂直的轴。
垂直轴：
呈上下方向垂直于地面的轴。
BMP图像在计算机中可以看作一个像素矩阵，由许多行和列组成，每一行由若干像素点构成，每个像素点有一个灰度值，相邻两个像素点之间对应一个实际距离，称为像素间距（pixelspacing），如图6所示。
对于一组从DICOM数据转换的BMP图像，它们的像素矩阵大小相等，像素间距相等，在空间中相互平行，有序排列，相邻两个图像之间的距离称为切片厚度（slicethickness），如图7所示。
基于阈值分割的三维重构过程可以简单理解为，将一组BMP图像的处于阈值范围内的像素点提取出来，转换成三维空间坐标点，利用函数对这些点进行插值计算，构造出相应的三维模型。
根据构台斜角是否为0度，像素点转换成三维空间坐标点的计算方法分为如下两种情况。
①构台斜角为0度。
此时BMP图像在三维空间中按照解剖坐标轴排列，所有BMP图像平行于水平面，而且在水平面上的投影重合，如图7所示。
坐标系：
三维空间坐标系的x轴是解剖坐标轴的冠状轴，y轴是矢状轴，z轴是垂直轴，方向如图9所示，坐标原点是第一张BMP图像（由下向上）的右上角第一个像素点。
坐标计算：
对于任意一张MBP图像上一个像素点m，其所在的图像序列号是i，x轴方向上距离坐标原点的像素个数是nx，y轴方向上距离坐标原点的像素个数是ny，像素间距是p，切片厚度是s，令m的三维空间坐标为（mx,my,m），则:
（1）
②构台斜角
。
BMP图像在空间中的排列方式与①稍有不同，所有BMP图像和水平面有一个夹角
，在水平面上的投影仍然重合，坐标系及坐标计算与①相同，不再赘述。
3.3.2BMP的像素点和三维模型顶点的对应关系BMP的像素点和三维模型顶点的对应关系分为以下两种情况讨论。
①已知BMP图像上一像素点，求三维模型上对应点。
设已知像素点为Q，三维模型上对应点为Q'，求Q'的步骤如下：
Step1.由4.2.1计算Q点的坐标Q=（qx,qy,qz）；
Step2.以Q点的坐标为中心建立容差包围盒；
Step3.判断三维模型上是否存在点在容差包围盒内，如果不存在，则点Q'不存在，如果存在多个点在包围盒内，则计算它们与Q点的距离，距离最小的点为Q'。
②已知三维模型上一点，求BMP图像上对应像素点。
设三维模型上点为W，w=（wx,wy,wz），像素间距p，切片厚度s，BMP图像上对应点W'，求W'的过程如下：
wx/p四舍五入取整，得到x方向上距原点的像素个数nx，wy/p四舍五入取整，得到y方向上距原点的像素个数ny，wz/s四舍五入取整，加上1得到BMP图像的序列i，由nx、ny和i确定像素点W'。
3.4数据库的构建
使用本文的DICOM数据转换技术，建立了人体髋关节医学影像数据库，数据库的存储对象包括髋关节BMP图像、髋关节三维重构模型、髋关节附加信息和重构信息进行存储，我们设置了3个表对它们进行存储，image表存储BMP图像，patient表存储附加信息，hip表存储三维模型和重构信息，另外对于image表预留了图像属性字段，可以用来存储图像的特征，hip表预留了髋关节属性字段，用来存储髋关节属性参数，数据库的结构如图8所示。
4小结
依据本文数据库的应用要求，提出了一种基于DICOM数据转换的医学影像数据库建立方法，详细论述了DICOM数据转换方法和三维模型的重构过程，并且进一步论证了三维模型和BMP图像的关系，同时对三维模型的可靠性进行了验证。
本文方法一方面满足了数据库应用要求，如医学图像网络访问等等，这是基于DICOM数据存储的数据库所不能实现的，另一方面有效地压缩了DICOM数据量，避免了DICOM数据直接入库，提高了数据库的存储量。
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