基于DICOM的醫(yī)學(xué)影像接收存儲技術(shù)研究

楊征宇 趙建傳 張立波

基于DICOM的醫(yī)學(xué)影像接收存儲技術(shù)研究

楊征宇①*趙建傳①張立波②

目的：通過研究PC機通過網(wǎng)絡(luò)接收、存儲醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(DICOM)影像的方法，闡述DICOM存儲SCP的編程實現(xiàn)技術(shù)。方法：運用VC++6.0及LeadTools工具包實現(xiàn)在Windows 2000/XP操作系統(tǒng)中編程。結(jié)果：成功地實現(xiàn)了PC機網(wǎng)絡(luò)接收、存儲基于DICOM影像的功能。結(jié)論：本方法可集成并應(yīng)用于其他諸如圖文報告、影像病例收集等應(yīng)用軟件中，并可為PC機從醫(yī)療影像設(shè)備中采集存儲DICOM影像提供有價值的思路。

醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信; 存儲SCP; Leadtools; VC++

隨著全新的醫(yī)學(xué)數(shù)字化影像設(shè)備應(yīng)用于臨床，數(shù)字化、標準化、網(wǎng)絡(luò)化逐步成為醫(yī)院影像科室發(fā)展的必然趨勢。目前，近乎所有的新式醫(yī)療影像設(shè)備都具備了醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(digital imaging and communications in medicine, DICOM)標準的支持，當(dāng)需要從醫(yī)學(xué)影像設(shè)備中獲取無失真的影像時，將DICOM格式的數(shù)字影像從影像設(shè)備傳輸至PC機中，為了便于開發(fā)其他相關(guān)的應(yīng)用軟件，在重點分析DICOM協(xié)議中網(wǎng)絡(luò)傳輸及消息交換部分技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，同時借助于LeadTools工具包成功地編寫DICOM影像的接收軟件。

在DICOM標準中，任何通訊過程都是通過各種客戶機/服務(wù)器模式的服務(wù)而實現(xiàn)的，其中客戶機稱做服務(wù)類用戶(service class user, SCU)，服務(wù)器端稱為服務(wù)類提供者(service class Provider，SCP)。SCU負責(zé)請求服務(wù)，SCP負責(zé)執(zhí)行服務(wù)。20世紀90年代中期以后的數(shù)字化醫(yī)療成像設(shè)備(如CR，DR，CT，MRI，DSA，ECT，PET等)都可以提供DICOM Storage SCU支持，因此只需要在PC機上實現(xiàn)DICOM Storage SCP服務(wù)功能就可以從數(shù)字化成像設(shè)備中接收存儲DICOM影像。本研究是一種利用Visual C++6.0及LeadTools工具包在Windows 2000/XP下實現(xiàn)DICOM Storage SCP服務(wù)功能的編程方法。

1 DICOM協(xié)議簡介

DICOM標準是美國放射學(xué)會和美國國家電子制造商協(xié)會聯(lián)合制定的用于數(shù)字化醫(yī)學(xué)影像傳輸、顯示與存儲的協(xié)議，1993年發(fā)布的DICOM標準3.0已發(fā)展成為醫(yī)學(xué)影像信息學(xué)領(lǐng)域的國際通用標準[1]。

1.1 信息對象定義(information object definition, IOD)

DICOM信息對象定義(IOD)是信息實體的集合，信息實體是信息成分的組合。每個信息實體包含現(xiàn)實世界實體的一個抽象數(shù)據(jù)(如患者、圖像數(shù)據(jù)等)。每個信息實體是由多個屬性組成，一個屬性描述了信息特征即：患者姓名、成像模式及掃描日期等。每個屬性用一個數(shù)據(jù)元素描述，相互關(guān)聯(lián)的屬性組合到信息對象模塊Module中。Module模塊以數(shù)據(jù)集的形式出現(xiàn)，可以使用在數(shù)個IOD中。這些信息對象模塊Module具有屬性的語義描述可以組合到一起。 DICOM定義了在醫(yī)學(xué)環(huán)境中所需的大部分的信息對象，詳細規(guī)定了這些對象的組成格式、要求以及相互之間的關(guān)系等各方面的內(nèi)容，如患者、CT、核醫(yī)學(xué)和超聲等[2]。

1.2 服務(wù)對象對(service-object pair, SOP)

為了完成諸如打印、存儲影像等功能，DICOM協(xié)議定義了“服務(wù)類”的概念。服務(wù)類描述了對IOD所可以做的操作。服務(wù)類和信息對象結(jié)合起來構(gòu)成了DICOM的服務(wù)對象對(SOP)[3]。一個服務(wù)類由數(shù)個相關(guān)的SOP組成。對于1個SOP類，1臺設(shè)備可能扮演2個角色：①服務(wù)類提供者(SCP)，扮演這個角色的機器提供SOP類服務(wù)，它相當(dāng)于客戶機-服務(wù)器模型中的服務(wù)器[4]；②服務(wù)類用戶(SCU)，扮演這個角色的裝置使用SOP類的服務(wù)，相當(dāng)于客戶機-服務(wù)器模型中的客戶機。例如一臺成像裝置要傳送1幅影像至另一臺計算機，該成像裝置為與存儲相關(guān)的SOP類的SCU，計算機為與存儲相關(guān)的SOP類的SCP。1個SOP類的1次具體實現(xiàn)稱作服務(wù)對象對實例，存儲影像、獲取患者信息等操作是通過SOP實例而實現(xiàn)的。舉例描述SOP類及其實例的關(guān)系：

動詞：Store(存儲)消息服務(wù)元素(DIMSE)；

名詞：CT Image(CT圖像)信息對象定義IOD；

一般：Store a CT image(存儲CT圖像)SOP類；

特指：Store this CT image(存儲這個CT圖像) SOP實例。

1.3 DICOM消息與網(wǎng)絡(luò)通信

單個SOP類被定義為一組特定的服務(wù)與一個相關(guān)的IOD的結(jié)合，一個SOP類的具體實現(xiàn)是通過DICOM消息的交互完成的[5]。DICOM消息由命令集和數(shù)據(jù)集組成，數(shù)據(jù)集是描述現(xiàn)實世界信息對象的一個實例，命令集是描述對這個信息對象實例做何種操作。命令集由若干個命令元素組成，每個命令元素由標簽域、值長度域和值域組成。數(shù)據(jù)集由若干個數(shù)據(jù)元素組成，每個數(shù)據(jù)元素由標簽域、數(shù)據(jù)表示類型域、值長度域和值域組成[6]。DICOM消息結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DICOM消息結(jié)構(gòu)圖

元素標簽由元素號和組號構(gòu)成，兩者都是16位無符整數(shù)；值長度是以字節(jié)數(shù)表明值域的長度，其值必須是偶數(shù)；值域包含了操作命令的屬性或者信息對象實例的屬性的值，其長度為可變，但不能超過值長度域所規(guī)定長度。在數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)表示類型域為可選項，說明其值域的類型。當(dāng)元素中包含該域時稱作顯式值表示(value representation，VR)，否則稱作隱式VR。

DICOM協(xié)議要求在數(shù)據(jù)傳輸編碼前必須進行協(xié)商以確知對方的能力，協(xié)商的內(nèi)容包括表示上下文、應(yīng)用上下文、SCU/SCP角色選擇、應(yīng)用實體連接信息以及傳輸語法規(guī)定編碼方式、字節(jié)發(fā)送順序、圖像封裝形式等。其中表示上下文是協(xié)商的重點，并由傳輸語法、UID、抽象語法組成，表示上下文協(xié)商過程如下：①由通信的請求方給出抽象語法和傳輸語法的清單；②對方進行選擇；③通信的另一方根據(jù)自身的硬件和軟件情況選擇合適的傳輸語法和抽象語法，并給予對方應(yīng)答(如圖2所示)。協(xié)商成功后則建立起一個聯(lián)系(Association)，而只有建立起聯(lián)系后設(shè)備間才能進行DICOM消息的發(fā)送和接收[7]。

圖2 表示層上下文協(xié)商實例圖

2 LEADTOOLS Medical Imaging Suite工具包簡介

目前的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的影像存儲和傳輸正逐漸向DICOM標準靠攏，在進行醫(yī)學(xué)影像通信及處理的過程中通常需要編寫與DICOM格式的影像相關(guān)的各種程序模塊。如果從新開始理解DICOM的協(xié)議，然后從新編寫代碼來實現(xiàn)協(xié)議則工程浩大。美國LEAD公司開發(fā)的LEADTOOLS醫(yī)學(xué)圖像軟件包[8]提供了實現(xiàn)DICOM協(xié)議的平臺，可在其協(xié)議的基礎(chǔ)上輕松的完成自己的主要工作，而不必將更多的精力放在實現(xiàn)DICOM協(xié)議的細節(jié)上。

LEADTOOLS是世界著名的圖形、影像處理開發(fā)包，它可以處理各種格式的文件，并包含所有圖形、影像的處理和轉(zhuǎn)換功能，是具有各種軟件、硬件平臺下的開發(fā)包。開發(fā)包提供了多種編程接口，如API、C++類庫、COM等。其中Medical版本尤其適用于開發(fā)各種醫(yī)學(xué)成像處理系統(tǒng)。Medical提供了2種開發(fā)工具包：LEADTOOLS Medical Imaging 和LEADTOOLS Medical Imaging Suite。本研究選擇的LEADTOOLS Medical Imaging Suite開發(fā)工具包，擁有開發(fā)一套完整的DICOM醫(yī)療成像解決方案所需要的任何功能。可以加入對任何DICOM服務(wù)的支持。

3 實現(xiàn)方法

本研究利用VC++6.0開發(fā)工具和Leadtools軟件包編制軟件，主要實現(xiàn)DICOM存儲服務(wù)類中的服務(wù)端功能，即DICOM Storage SCP服務(wù)，完成與DICOM Store SCU端協(xié)商通訊和影像的接收存儲的功能。軟件可以在Windows 2000系統(tǒng)下運行[9]。只要在其他設(shè)備(SCU端)設(shè)置好軟件運行的計算機的AETitle、IP地址、端口號，往此計算機上推送DICOM影像，此計算機則會將影像接收并存儲，其技術(shù)實現(xiàn)細節(jié)如下。

3.1 VC++6.0中使用LEADTOOLS的方法

在VC++ 6.0中采用COM的方式調(diào)用LEADTOOLS Medical Imaging Suite類庫，設(shè)置方法如下：①在Visual C++ 6.0中首先利用向?qū)梢粋€基于MFC的標準的“Document-Frame-View”單文檔程序框架；②圖像的顯示及操作全部在View類里完成；③在頭文件里使用#import指令導(dǎo)入LEADTOOLS COM類型庫(type library)[10]：

#import “LTDicKrn14N.DLL”;

#import “LTDicDS14N.DLL”;

#import “LTDicNet14N.DLL”;

#import “LTEAY14N.DLL”。

3.2 初始化DICOM通信環(huán)境并監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)

本研究主要使用了ILEADDicomNet類，ILEADDicomNet類是DICOM網(wǎng)絡(luò)通信及消息交換類，封裝了大量相關(guān)的屬性和方法。

調(diào)用ILEADDicomNet類的StartUp函數(shù)為本地計算機進行初始化DICOM網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在使用任何通信函數(shù)之前首先要調(diào)用該函數(shù)建立DICOM網(wǎng)絡(luò)通訊句柄，然后再調(diào)用ILEADDicomNet類的listen函數(shù)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)服務(wù)請求。

3.3 DICOM協(xié)商

在編制協(xié)商過程中同樣使用ILEADDicomNet類。ILEADDicomNet類提供了解決DICOM協(xié)商連接的成員函數(shù)與事件，做為存儲服務(wù)端(SCP)利用該類封裝的NetAccept函數(shù)和NetReceiveAssociateRequest事件來響應(yīng)客戶端(SCU)的協(xié)商請求，并利用該類的CreateAssociate函數(shù)來建立協(xié)商會話。

建立協(xié)商會話后將進行應(yīng)用層上下文、表示層面上下文、應(yīng)用實體連接信息以及SCU/ SCP角色選擇等協(xié)商：調(diào)用該類的GetCalling、GetCalled函數(shù)取得客戶端和服務(wù)器端的應(yīng)用實體名，并利用GetApplication、GetPresentationID、GetPresentationAbstract、GetTransferSyntax等函數(shù)來取得SCU發(fā)來的協(xié)商內(nèi)容中的應(yīng)用層上下文、表示層面上下文、應(yīng)用實體連接信息、SCU/SCP角色選擇等信息。編寫程序判斷SCU發(fā)來協(xié)商內(nèi)容是否被SCP所支持，如果有任意一項不予支持則調(diào)用SendAssociateReject函數(shù)拒絕并終止協(xié)商。如果協(xié)商內(nèi)容雙方一致則調(diào)用SendAssociateAccept函數(shù)通知SCU端協(xié)商成功。

3.4 DICOM影像接收與存儲

DICOM影像接收與存儲部分的功能為：將SCU端發(fā)送來的DICOM影像文件接收并存儲起來，主要使用了ILEADDicomNet類和ILEADDicomDS類。ILEADDicomDS類是DICOM圖像類，封裝了與DICOM文件格式相關(guān)的大量屬性與方法。

協(xié)商成功后SCP與SCU之間便開始了命令與數(shù)據(jù)的通信，SCU發(fā)來的Move(C-MOVE-REQ)請求觸發(fā)ILEADDicomNet類的NetReceiveCStoreRequest事件，在這個事件里，利用ILEADDicomDS類封狀的GetStringValue函數(shù)來取得DICOM影像的文件名，并調(diào)用該類的SaveDS函數(shù)將收到的數(shù)據(jù)流(IOD)寫入到本地文件。文件存儲成功后，利用ILEADDicomNet類的SendCStoreResponse函數(shù)通知SCU端影像存儲完畢。

3.5 結(jié)束DICOM網(wǎng)絡(luò)通信

DICOM通信結(jié)束后便先后調(diào)用ILEADDicomNet類SendAbort和ShutDown函數(shù)用來終止協(xié)商，隨即結(jié)束DICOM網(wǎng)絡(luò)通信。

4 討論

(1)DICOM影像的PC采集與存儲意義重大，傳統(tǒng)的膠片保存需要很大的存放空間，由于膠片長時間存放后老化，影像會變得模糊不清，給再次查閱和科研工作帶來極大的不便。另外，將CT、MRI、DR等影像打印到膠片上，窗寬、窗位已經(jīng)固定不能再調(diào)節(jié)，影像無法進行后處理，因此而丟失許多有價值的診斷信息。而采用DICOM存儲避免了上述的不便和缺陷，使得DICOM影像完整的診斷信息無損地存儲起來，為日后的調(diào)閱、科研以及影像的后處理帶來了極大的便利。

(2)DICOM協(xié)議全面細致、內(nèi)容豐富，編程實現(xiàn)其所有規(guī)定需要極大的工作量，尤其是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用部分，需要在TCP/IP的基礎(chǔ)上定義DICOM的具體的上層協(xié)議，實現(xiàn)的工作量和難度都很大。LeadTools工具包功能強大，其中實現(xiàn)了DICOM的各種消息及其上層通訊協(xié)議，利用該工具包可以快速開發(fā)出實用的應(yīng)用程序。本研究利用LeadTools進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了DICOM影像在WINDOWS環(huán)境下的接收與存儲，并在實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進行了測試。測試結(jié)果顯示，實驗中所用的各種影像均可正確地存儲。

(3)該軟件在我院放射科的局域網(wǎng)中進行了實驗。選用GE Light Speed16 CT、GE AV4.2工作站、GE LCV+DSA、GE Signa 1.5 MR、Kodak 7500 DR以及Giotto Image MD鉬靶乳腺機等多臺影象設(shè)備作為存儲客戶端(SCU)，選用一臺PC機為WINDOWS 2000 SERVER操作系統(tǒng)運行此軟件作為存儲服務(wù)端(SCP)。經(jīng)測試，存儲服務(wù)端(SCP)可以成功地接收存儲所有上述設(shè)備(SCU)輸出的影像文件(均為DICOM標準格式，其中DSA影像最大約為80 M，MR影像最小約為600 K)。目前，該軟件已集成應(yīng)用到所開發(fā)的影像病例收集系統(tǒng)和圖文報告系統(tǒng)中，在實際應(yīng)用中效果良好。

[1]陳戲墨.PACS中的DICOM標準分析及應(yīng)用[J].醫(yī)學(xué)信息:醫(yī)學(xué)與計算機應(yīng)用,2004,17(4):190-193.

[2]王志遠,余厚軍.醫(yī)學(xué)圖像通訊標準DICOM原理與應(yīng)用[J].現(xiàn)代醫(yī)用影像學(xué),2000,9(2):84-87.

[3]田捷,包尚聯(lián),周明全.醫(yī)學(xué)影像處理與分析[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003:303.

[4]Charles Wright.Visual C++程序員實用大全[M].北京:中國水利水電出版社,2001.

[5]劉雪梅,王蓉,趙晶.遠程醫(yī)療信息系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及相關(guān)問題[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù),2003:72-73.

[6]張立波,楊本強,周麗娟,等.Tomoscan AV型CT圖像采集的設(shè)計與實現(xiàn)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2007,28(8):74-76.

[7]張立波,楊本強,周麗娟,等.基于GDI Plus技術(shù)實現(xiàn)二維醫(yī)學(xué)圖像縮放[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2008,29(4):89-91.

[8]楊本強,張立波,周麗娟,等.心胸比率的計算機輔助測量計算方法[J].中華放射學(xué)雜志,2009,43(8):892-893.

[9]RICHARDSON T.The RFB protocol[S].[S.l.]:Real VNC Ltd,2003.

[10]Yang SJ,Nieh J,Novik N.Measuring thinclient performance using slow-motion benchmarking[J].ACM Transations on Computer System,2003,21(1):87-115.

On technology of receiving and storing DICOM images

/YANG Zheng-yu, ZHAO Jianchuan, ZHANG Li-bo// China Medical Equipment,2012,9(11):16-19.

Objective: To study the method of receiving DICOM image via net for PC and mainly focus on the programming technology for DICOM storage SCP function. Methods: The Program was developed by means of VC++6.0 and LeadTools toolkits on the Windows 2000/XP operating system. Results: It enabled the PC to

ICOM image from imaging equipment via net. Conclusion: The method can be integrated into and applied to other applications such as image-report and case collecting software. It provides a valuable clue for PC to capture the DICOM images from medical imaging equipment.

Digital imaging and communications in medicine; Storage SCP; Leadtools; VC++

The Outpatient Department Of Political Department of Shenyang Command, Shenyang 110032, China.

1672-8270(2012)11-0016-04

TH772.9

A

2012-06-18

①沈陽軍區(qū)政治部門診部 遼寧 沈陽 110016②沈陽軍區(qū)總醫(yī)院放射線科 遼寧 沈陽 110016 *通訊作者：yzy_1973@163.com

楊征宇,男,(1974- ),碩士，主治醫(yī)師。沈陽軍區(qū)政治部門診部，從事放射線診斷及影像設(shè)備管理工作。