基于Qt和DCMTK的DICOM瀏覽器的開發

康亞冰，劉哲星，艾育華，陳芳炯，耿仁文

1.華南理工大學 電子與信息學院，廣東 廣州 510641；2. 南方醫科大學 生物醫學工程學院，廣東 廣州510515；3. 南方醫科大學南方醫院，廣東 廣州 510515

0 前言

計算機和通信技術的高速發展推動了數字影像的進步，醫院信息化建設目前已經取得了長足的進步。影像歸檔和通信系統（Picture Archiving and Communication System，PACS）[1]將醫學影像資料轉化為數字形式，通過高速計算設備及通訊網絡完成對圖像信息的采集、存儲、顯示及傳輸等功能，使得醫學影像資料得以有效管理和充分利用。PACS應遵循DICOM[2]醫學影像設備和系統可以互聯互通；DICOM瀏覽器是PACS的重要組成部分，它直接面向用戶，其可用性和操作友好程度直接關系到PACS系統的用戶接受度。

Qt[3]是諾基亞公司開發的一個跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序開發框架，利用Qt可以實現“一處編寫，隨處編譯”的跨平臺解決方案。這些平臺包括Windows、MacOS X、Linux、Solaris、HP-UX及 UNIX系統。因此，日益受到開發者的重視和青睞。

DCMTK（DICOM Tool Kit）[4]德國offis公司提供的開源項目，經過10多年的開發和維護，已經基本實現了DICOM協議的內容，它為實現DICOM協議提供了一個平臺。DCMTK不但提供各種操作系統平臺下已經編譯好的二進制開發包，而且提供所有的源代碼，供用戶在自己的開發平臺上自行編譯。

結合Qt強大的圖形用戶界面應用程序開發框架和DCMTK開源庫實現DICOM協議，本文提出基于Qt和DCMTK庫的DICOM瀏覽器的開發，目的是結合二者開源和跨平臺的優勢，以期開發出經濟、適應性強的DICOM瀏覽器。本文開發環境采用Windows 7，編譯開發環境選用VS2010，Qt庫采用最新版的Qt Library 4.9.2，DCMTK庫采用最新版的DCMTK 3.6.0。

1 DICOM文件格式概述

DICOM3.0標準遵照面向對象[5-6]思想進行設計，具體表現為實體-關系模式（Entity-Relations，E-R）。DICOM文件一般由DICOM文件頭和DICOM數據集（DICOM Data Set）組成。

文件頭一般由128字節的文件前言（File Preamble）組成，它包含了封裝數據的標識信息[7]以用于描述應用概略或特定實現，如果沒有這樣的描述，則要全部置零。緊跟著4字節DICOM的前綴“DICM”，它用來標識文件類型是不是DICOM文件。

數據集描述了現實世界信息對象（IOD）的單個實例。DICOM數據集是分層次的，即有四個信息層次組成：病人（Patient）、研究（Study）、系列（Series）、圖像（Image），前一個層次和后一個層次是一對多的關系。DICOM數據集由一系列的DICOM數據元素組成，每個數據元素包含元素標簽（Tag）、值表示法（VR）、值長度（VL）及值域（VF），其中，VR為可選項。其結構，見圖1。

圖1 數據元素組成

Tag是一個有序的16 位的無符號證書對，由組號和元素號組成，它是數據元素的唯一標識。

VR是2字節的字符串，表示后面的值域的數據類型，它是可選項。根據VR是否出現將數據元素分成兩類，即隱式VR數據元素（不含VR）和顯式VR數據元素（含VR）。

VL表示本元素中值域中數據的長度，它是一個16位或32位的無符號整數。

VF的長度為偶數字節，存儲了數據元素的值，其數據類型由VR指定，數據長度由VL指定。

2 DICOM圖像的像素編碼

2.1 傳輸語法

傳輸語法（transfer syntax UID）規定了數據的編碼方式，其中包括字節的排序和壓縮方式以及數據元素是否包含VR。傳輸語法由元信息中標簽為（0002,0010）的數據元素決定，它是一個唯一標識符（UID），可以用Dataset類中的getOriginalXfer()來獲取。例如傳輸語法為UID為1.2.840.10008.1.2.1，那么UID NAME，即編碼規則為Explicit VR Little Endian,表明在數據元素結構中含有VR，且對二進制數據用倒序方式編碼。

2.2 大端與小端

大端（Big Endian）是指對于多字節的二進制數據，按順序方法排列每字節，即高字節存儲在低地址中。小端（Little Endian）指對于多字節二進制數據，按照倒序方法排列每字節，即低字節存儲在低地址中。兩者對于單字節組成的字符串都是從左到右排序，另外，對于VR=OB的數據編碼不受大端小端的影響。

2.3 像素編碼

圖像的像素數據可以是壓縮格式，也可以是非壓縮格式。無論為哪種編碼格式，像素的編碼都是從左導游，從上到下的，編碼格式由傳輸語法決定。

2.3.1 非壓縮格式

非壓縮格式的VR通常為OW，像素位數不大于8 位的使用Explicit VR非壓縮格式，也可以使用VR為OB。VR為OW類型的數據存儲順序視大端小端而定。

2.3.2 壓縮格式

壓縮格式的VR通常為OB，DICOM支持游程編碼（RLE）、JPEG和JPEG2000編碼格式。

（1）游程編碼。其傳輸語法為1.2.840.10008.1.2.5，在DICOM中使用的編碼方式為：對于重復字節，用<字節數+1><字節值>編碼；對于非重復字節，用<字節數-1><字節值>編碼。這是一種無損編碼方式。

（2）JPEG編 碼。DICOM標 準 支 持4種JPEG壓 縮，其傳輸語法分別為1.2.840.10008.1.2.4.50、1.2.840. 10008.1.2.4.51、1.2.840.10008.1.2.4.57、1.2.840.10008. 1.2.4.70，前兩種為有損壓縮，采用DCT變換，后兩種為無損壓縮，采用DPCM編碼。

（3）JPEG2000編碼。其傳輸語法分別為1.2.10008.1.2.4.90、1.2.10008.1.2.4.91，前者是無損編碼，后者可以是有損編碼，也可以是無損編碼。

3 DICOM文件的讀取及圖像的顯示

DICOM文件的讀取要用到DCMTK中的dcmdata 和dcmimage兩個工具包。dcmdata包含了管理DICOM文件和結構的類，同時它也提供對DICOMDIR的支持以滿足DICOM Storage Media的需要。dcmimage提供對彩色圖像的支持，對單色圖像的支持由dcmimgle提供。

3.1 文件的讀取

dcmdata中的DcmFileFormat是負責處理DICOM文件的類。其中，loadFile()方法可以讀入DICOM文件，getDataset()可以獲取DICOM數據集。DIOCM文件的讀取代碼如下：

3.2 DICOM圖像信息解析

dcmdata中的DcmDataset類負責處理DICOM文件數據集。其中，findAndGet系列函數可以解析和獲取DICOM文件中包含的各類信息。下面的代碼演示從DICOM數據集中提取病人的姓名和圖像顯示默認的窗寬、窗位信息。

3.3 獲取圖像像素信息

在Qt架構中顯示圖像，要把DICOM中的圖像轉化為Qt中支持的圖像，本文中轉化為QImage。QImage支持獨立與硬件的圖像，且支持直接訪問像素。

在Qt窗口下顯示圖像，首先需要根據DICOM文件中圖像信息創建對應的QImage。如果是單色圖像，則創建Format_Indexed8格式的8位灰度圖像QImag。如果是彩色圖像，則創建Format_ARGB32格式的32位彩色圖像QImage。

然后給創建的QImage的每個像素賦值。如果是灰度圖像，在賦值之前，設置好默認的窗寬、窗位。給QImage像素賦值后，就可以在Qt框架中直接顯示，如為一幅DICOM格式的胸片的顯示結果，見圖2。

圖2 DICOM文件格式的胸片的顯示結果

3.4 DICOM圖像處理

DCMTK中包含了對圖像處理的包和類。dcmimgle是一個圖像處理庫和可用的工具模塊，它包括了對DICOM單色圖像的訪問和顯示。其中，DICOMImage類為模塊提供接口，主要目的是顯示；dcmimgle模塊提供對彩色圖像的支持。dcm2pnm工具支持轉換DICOM圖像為PPM/PGM、PNG、TIFF或 BMP格式，dcmscale工具支持縮放DICOM圖像。dcmjpeg提供了JPEG格式的壓縮/解壓縮庫以及工具。使用該模塊包含的類，可將DICOM圖像對象在非壓縮和JPEG壓縮表示（傳輸協議）之間轉換，既支持無失真的JPEG處理，也支持有失真的JPEG處理。其中，DJCodecEncoder是JPEG編碼器的一個抽象codec類，DJCodecDecoder是JPEG解碼器的一個抽象codec類。

DICOM瀏覽器中，最常用的圖像處理操作是窗寬、窗位[8]。在DICOM文件中，灰度圖像存儲的位數通常為8位、12位、16位、24位等，而目前計算機所能顯示的灰度圖像的等級數在0～255之間[9]，因此，在顯示DICOM圖像之前，需要對圖像進行響應的轉換，即通過窗位（Window Center）和窗寬（Window Width）將某段感興趣的灰度值轉換到0～255之間。窗位和窗寬指定了從存儲的像素值到顯示像素值的線性變換。線性變換公式，見式(1)[10]。

式中，G(V)為顯示器的顯示值，g為顯示器顯示的最大值，W為窗寬，C為窗位。

DICOMImage中的setWindow（const double center,constdouble width）函數實現了窗寬窗位的調整。專業DICOM瀏覽器使用鼠標的滑動來調整窗寬窗位，上下滑動調整窗位，左右滑動調整窗寬，可以使用Qt中的鼠標移動事件mouseMoveEvent（QMouseEvent* event）和鼠標按鍵事件mouse zPressEvent（QMouseEvent*event）來實現。實現過程如下：

圖3 調整窗寬窗位前后的對比

4 結束語

本文基于DICOM3.0標準和Qt架構，采用DCMTK開源庫平臺，開發一個跨平臺的DICOM圖像瀏覽器，實現了DICOM文件的讀取和圖像的顯示、窗寬和窗位的調整等圖像處理操作。以本文開發的DICOM瀏覽器為基礎，通過增加DICOM圖像的傳輸、分割、配準[11]及三維圖像重建等功能，可進一步開發為一個功能強大的DICOM圖像診斷平臺，并作為PACS的重要組成部分。DCMTK開源庫提供了較完整的DICOM標準支持，Qt架構具有強大的開發功能、簡易的GUI編程特點以及跨平臺特性，二者結合，可以快速開發出功能更強大的DICOM瀏覽器軟件。

[1]邱峰,田捷,曹勇,等. PACS系統綜述[J].中國醫學影像技術,2000,16(1):73.

[2]于鳳海.DICOM標準綜述[J].紅外,2003,(9):30-33.

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[11]阮秋琦,阮宇智.數字圖像處理[M].2版.北京:電子工業出版社,2007.