DICOM文件頭信息讀取及解析

尤 超

0 引言

DICOM是美國放射學會和美國電器制造商協會組織制定的，專門用于醫學圖像的存儲和傳輸的標準，它涵蓋了醫學數字圖像的采集、歸檔、通信、顯示及查詢等幾乎所有信息交換的協議，結構化地定義了醫療圖像設備制造廠商的兼容性聲明。

DICOM標準的推出與實現，大大簡化了醫學影像信息交換的實現，并且由于DICOM的開放性與互聯性，使得醫學影像與其它醫學應用系統（HIS、RIS等）的集成成為可能。各類醫學影像圖像，例如心血管造影、超聲、CT、核磁共振等圖像，在醫學分析方面也越來越具有診斷性和借鑒性。如果DICOM圖像在醫院轉診或是醫學研究教育中用來參考、借鑒、瀏覽， 那么對于醫學影像條件不夠成熟的醫院來說，從DICOM文件轉換出來的有損電子圖像文件（例如 JPG），必然會有一些影響，嚴重的甚至會影響醫療診斷結果。而以DICOM文件方式保存的原始醫學圖像，只有借助相關的醫學影像系統或者DICOM設備，才可以進行讀取，對圖像瀏覽用戶群，有著很大的限制。

本文將對DICOM文件頭的組成和內容進行分析，通過程序實現對DICOM文件頭的信息讀取，進而利用所獲得的信息，進一步讀取DICOM文件中的數據集存儲內容。此方法是讀取DICOM文件的基本解析過程，可以將對DICOM文件的讀取，從程序開發商的集成平臺中分離出來，在結合圖像顯示程序之后，作為獨立的DICOM文件讀取程序使用。

1 DICOM文件基礎理論

1.1 DICOM文件構成

DICOM文件，是指按照DICOM標準而存儲的醫學文件，是一種專用存儲格式，后綴為.dcm。它實際上提供了一種封裝方式，將DICOM IOD的一個SOP實例，以數據集的形式封裝在一個文件中，一般由一個DICOM文件頭和一個DICOM數據集合組成。它的組成，如圖1所示：

圖1 DICOM數據集合組成圖

圖中的SOP指服務-對象對(Service-Object Pair), 每個文件包含一個單一的SOP實例，其中包含有一幀或多幀圖像。

存放DCM文件參數的文件頭和圖點數據(pixel data)構成了DCM文件，如圖2所示：

圖2 DCM 文件的DIR 架構

從物理結構上來看，首先是文件元信息的定義，目錄信息，然后是4個內容層次：Patient (病人) 、Study (檢驗) 、Series (系列) 、Image (圖像) 。頭幾層的內容，在很多圖像里是相同的，它們在每個圖像文件里都要有。文件頭描述圖像的基本參數：如病人基本資料、檢驗基本資料、系列資料、以及具有描述圖像的基本參數（幾行、幾列、每點用了幾位、有否壓縮、調色板。

1.2 DICOM文件頭構成以及作用

DICOM文件頭(DICOM File Meta Information)又稱為“文件元”，是整個DICOM文件中最復雜的部分，它包含了標識數據集合的各種相關信息，包括病人信息、檢查信息等。每個DICOM文件，都必須包括該文件頭。文件頭的最開始是文件前言，它通常由128個00H字節組成，接下來是DICOM前綴，它是一個長度為4字節的字符串“DICM”，可以根據該值來判斷一個文件是不是DICOM文件。前言和前綴之后是具有標記符和長度的一套DICOM元要素，除它們之外，所有其它的文件頭元素，都必須采用規定的顯示格式編碼，各個數據元素排列的順序，按照標簽數值從小到大的傳輸格式(Little Endian) 編碼，如表1所示：

表1 DICOM文件元信息(部分)

表1列出了DICOM文件頭元信息的部分內容規則，每個文件頭元素的長度必須為偶數，否則應該按照規定補充一個字節。其中UDI稱為“唯一標識符”，它的產生機制是<根＞.<后綴＞，是用來標識DICOM標準中，各種不同信息對象的字符串，以保證不同國家、地區、生產商生成的標識，可在世界上任何地點，也可與其它生產商生成的標識相互區別。所有(0002，****) 類的標簽都為DICOM所保留。為了兼容后續版本，如果發現文件中有目前尚未規定的 (0002，****)類標簽，則應該忽略它。

2 DICOM文件頭讀取及解析

2.1 數據元素組成及表示

要讀懂DCM文件的信息，首先要了解DCM文件中的數據元素組成。數據元素，都是通過（TAG）進行唯一性標識的，即我們看到的8位16進制數，如 （0002，0001），前4位是組號（Group Number），后4位是元素號（Element Number）。

顯式時

Tag(group ,element) VR Value Length Value

隱式時

Tag(group ,element) 00H Value Length Value

標記符(Tag)用4字節的16進制數表示，前面2字節的數是數據元素的組號，后面2字節的數是元素號。組號為偶數的是標準數據元素，具體含義可以在DICOM的數據字典中查到。

VR有顯式和隱式2種方式，當顯式傳輸時，VR有值，當隱式傳輸時，VR無值；另外，組號是0002的元素都是顯式的。

當VR值是OB，OW，OF，SQ，UT或者UN的時候，VR的長度為4字節，由2字節的字符串和2字節的00H組成。當VR值是其他值的時候，VR的長度為2字節，即2字節的字符串。

Value Length的長度是根據VR可變的，共有2種長度，當VR為OB，OW，OF，SQ，UT或者UN的時候長度為4字節。當VR為其他值時，長度為2字節。Value Length表示的是Value的長度，另外，當Data Length的長度不為偶數時，則根據需要添加前綴或者后綴補齊。

2.2 DCM文件頭讀取設計和實現

本文基于C#進行DCM讀取的設計，首先將一個DCM文件讀入到內存后，按照文件結構順序進行信息獲取。

DICOM文件頭的最開始是文件前言，這部分為128位為空字符，由”0”表示，直接讀取即可，之后讀取文件頭前綴的4個字節，并記錄這個4個字節進行分析，判斷所讀文件是否為DICOM文件，判斷標準是看是否為4字節的大寫字符串“DICM”，通過ASC碼表對應并轉換成16進制就是“4449434D”，只有判斷符合才進一步做分析。

文件頭元素默認的傳輸語法，是隱式值表示法(VR)Little Endian，在這個傳輸語法下，數據元素的格式為組號(2字節)、元素號(2字節)、值長度(4字節)以及值(值長度給出的字節數)，所以讀取4字節，是為了將TAG位解析出來，按照Little Endian的規則，2字節的組成方法，是后一位+前一位，例如4字節“02000000”中，按照傳輸語法解析，就是讀取2字節（0200）表示組號為0002，2字節（0000）表示元素號為0000，從而構成了Tag（0002,0000）；而后對該數據元素其他部分的解析也按照類似的方法進行。

至此，DICOM文件頭的一條數據元素讀取完成，之后按照上述過程反復讀取文件內的其他數據元素，當全部數據元素讀取完成后，一個DICOM文件頭的信息也就分析出來，包括病人信息、檢查信息等等。第三行即為程序中讀取的內容，如圖3所示：

圖3 第三行讀取的內容

第三行的（02000000554C 0400 A8000000）讀取下來，就是2字節（0200）表示組號為0002，2字節（0000）表示元素號為0000，構成了 Tag（0002,0000）；而 0002組號的元素是顯示的，即2字節（554C），轉換成10進制再由ACS碼表知道是UL；2字節（0400）表示長度為4；4字節（A8000000）表示該數據值域為168。需要注意的是，根據DCOM頭元素要求，組號標簽為0002的頭元素中強制要求的有(0002,0000)，(0002,0001)，(0002,0002)，(0002,0003)，(0002,0010)，(0002,0012)，而在其后面組號標簽為其他的數據元素將表示其他的基本信息。

3 程序結果分析及討論

在整個解析過程中可以看到，對DICOM文件頭的編程過程并不困難，大多數是對文件中16進制數據的讀取、轉換、移位、判斷，而關鍵在于，必須清楚的判斷出每條數據元素的傳輸語法類型，不同的傳輸語法，將決定不同的讀取順序，這就要求開發人員必須熟悉并深入了解DICOM文件頭以及數據元素的組成和含義，特別是值表示法和值長度在不同情況下的表示及意義，其中隱式就要采用預先規定的表示方法，通過標記從共享的數據字典中查到DICOM對這個屬性表示方法的規定，而顯式則要用兩個字符明確表示值的表示方法，如AE表示應用實體，AS表示年齡字符串，DT是日期和時間，FD表示雙精度浮點數等，至于值長度在隱式和顯式下也不同，這就需要加強對DICOM文件的學習和理解了。

4 總結

DICOM文件頭信息的解析，在DICOM文件的讀取過程中占有重要意義，同時結合圖像讀取顯示程序，將文件頭內的成像參數進行顯影和繪制，最終顯示圖像。現在有很多利用 VTK、ITK集成或是用當前主流程序語言設計的像素顯影程序，都已經可以很好的進行像素點描繪，并且在盡可能減少像素缺損的情況下，呈現出圖像的原來面貌。我們可以利用成熟的計算機技術，將兩方面進行統一接口設計和程序實現，將文件頭的讀取與像素集合的繪制，用更便捷開放的技術結合在一起，為醫學影像方面提供廣泛、創新的技術指導和支持。

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