DICOM醫(yī)學影像網(wǎng)絡傳輸技術的研究與實現(xiàn)＊

張 明，呂曉琪，張寶華（內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古包頭014010）

隨著信息科學技術、數(shù)據(jù)庫技術、影像壓縮技術和大容量存儲介質在科學研究中的廣泛應用，使得海量醫(yī)學影像可以有效地進行存儲；計算機性能快速發(fā)展使得當前計算機運算能力成倍提高，也為醫(yī)學影像實時分析能力奠定了基礎。此外，計算機可視化技術的快速發(fā)展，使得運用二維斷層影像來構建人體器官、軟組織和病變體等三維模型成為可能，給醫(yī)學工作者對病情的分析與治療提供了更加便捷的技術手段，從而提高了醫(yī)學診療的效率與準確性［1］。當前醫(yī)院雖然有眾多的醫(yī)學影像設備，但一個關鍵問題還有待解決，即醫(yī)學影像數(shù)據(jù)如何高效進行傳輸。近幾年，網(wǎng)絡技術的發(fā)展日新月異，這對遠程醫(yī)療的發(fā)展起到了積極的促進作用，其中醫(yī)學影像數(shù)據(jù)是否能進行有效傳輸是未來遠程醫(yī)療技術發(fā)展的重要基礎。清晰的醫(yī)療影像、健全的醫(yī)療數(shù)據(jù)信息是實現(xiàn)遠程醫(yī)療技術的關鍵。但是目前遠程醫(yī)療技術使用的范圍僅限于視頻會議，并且這種方式不能有效地保證醫(yī)學影像與患者信息準確地傳輸，遠遠不能滿足未來遠程醫(yī)療技術的需求。所以，如何有效地利用局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)技術構建一種滿足網(wǎng)間、網(wǎng)內醫(yī)療影像信息實時訪問的網(wǎng)絡技術是未來遠程醫(yī)療技術發(fā)展的趨勢。本文基于DCMTK工具包采用一種實用的方法很好地實現(xiàn)了DICOM醫(yī)學影像網(wǎng)絡的傳輸功能。

1 材料與方法

1.1 DICOM文件格式簡介 DICOM3.0標準以信息對象、業(yè)務類描述的形式，采用規(guī)定的數(shù)據(jù)結構對各種醫(yī)學影像和患者信息數(shù)據(jù)進行編碼并且存儲為DICOM格式類型。DICOM格式類型是由DICOM文件頭和DICOM數(shù)據(jù)集合構成。其中DICOM數(shù)據(jù)集合是通過具有一定排列順序的DICOM數(shù)據(jù)元素所組成的，而DICOM數(shù)據(jù)元素也是DICOM文件最主要的組成單元。并且所有的DICOM數(shù)據(jù)元素均由標簽、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)域4個部分組成［2－3］。見圖1。

DICOM文件頭開始是文件前言，該部分是通過128B的00H構成，文件前言后面是DICOM前綴，這一部分包含了字符串“DICM”，該部分的功能是通過判斷“DICM”字節(jié)，從而斷定該文件是否為DICOM文檔。

標簽是由16位（bit）的無符號整數(shù)對所組成的，這個16位的無符號整數(shù)對分別代表了組號和元素號。在數(shù)據(jù)字典中所有的元素都是用（組號，元素號）這種形式來表示的。DICOM所有的數(shù)據(jù)元素都可以用標簽來惟一表示。

數(shù)據(jù)類型是用來指明該數(shù)據(jù)元素中數(shù)據(jù)的類型，通常DICOM文件中使用具有雙字節(jié)的字符串來表示該類型。比如某個數(shù)據(jù)元素類型為“DA”，這就說明該數(shù)據(jù)元素是日期類型的數(shù)據(jù)。一般情況下，數(shù)據(jù)元素類型是可以選擇的，所選擇的類型通過傳輸語法來決定。

數(shù)據(jù)長度用來表示數(shù)據(jù)域中數(shù)據(jù)的長度。一般情況下要求字節(jié)數(shù)目必須為偶數(shù)，不是偶數(shù)的需要補充一個字節(jié)。這個長度僅僅用于表示值的長度，其中不包括數(shù)據(jù)元素標簽、數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)長度字段。

數(shù)據(jù)域通常表示數(shù)據(jù)的具體數(shù)值，并且這部分數(shù)據(jù)類型是通過數(shù)據(jù)元素中的數(shù)據(jù)類型確定的。

圖1 DICOM文件格式

1.2 DICOM網(wǎng)絡協(xié)議模型 DICOM網(wǎng)絡協(xié)議作為一種應用性的協(xié)議，在當前醫(yī)學影像傳輸協(xié)議中具有重要作用，該協(xié)議的定義同樣參照了開放系統(tǒng)互連模型OSI（Open System Interchange）。OSI協(xié)議是一個邏輯上的定義，一個規(guī)范，它把網(wǎng)絡協(xié)議從邏輯上分為7層。每一層都有相關、相對應的物理設備，比如常規(guī)的路由器是3層交換設備，常規(guī)的交換機是2層交換設備。OSI網(wǎng)絡模型也是一個廣為使用的計算機網(wǎng)絡協(xié)議模型，其體系完整、理論完美等優(yōu)點使它成為一種理論模型并被其他協(xié)議廣為引用。

DICOM網(wǎng)絡協(xié)議與OSI協(xié)議模型有所區(qū)別，該協(xié)議只針對OSI協(xié)議模型的會話層、應用層和表示層進行了相關定義，重點是對OSI協(xié)議中應用層規(guī)范的定義，而表示層和會話層在OSI協(xié)議模型中只能夠作為一種具體化和特定化而存在，這有利于在醫(yī)學影像方面的發(fā)展，并且在DICOM標準中已經(jīng)定義好了DICOM上層協(xié)議來完成表示層和會話層所對應的功能，本文主要實現(xiàn)的DICOM上層協(xié)議在TCP傳輸層之上運行。

DICOM標準為了使網(wǎng)絡協(xié)議層次更加簡單，在表述中將網(wǎng)絡協(xié)議分為2個層次：即應用層和上層協(xié)議層。應用層主要負責消息交換；而上層協(xié)議層主要負責為消息交換提供對應的表示與關聯(lián)控制服務，其包含了傳輸層以上和應用層以下各層的全部功能，所以，不論傳輸層采用哪種連接技術都能給應用層提供統(tǒng)一、完整的服務。DICOM通信協(xié)議中明確說明了DICOM通信協(xié)議中各層次所發(fā)出的請求和服務，實際上DI－COM通信協(xié)議也是OSI協(xié)議模型中的一個子集，它也可以實現(xiàn)OSI的會話層、表示層和應用層的全部功能。DICOM網(wǎng)絡協(xié)議支持DICOM實體的應用，這也意味著醫(yī)學影像的傳輸也是可以實現(xiàn)的［1－3］。DICOM網(wǎng)絡協(xié)議模型與OSI關系的對照，見圖2。

1.3 醫(yī)學影像網(wǎng)絡傳輸結構模型 與通常的網(wǎng)絡協(xié)議一樣，醫(yī)學影像網(wǎng)絡傳輸結構的DICOM通信協(xié)議也是在TCP／IP協(xié)議基礎上來實現(xiàn)的，除此之外，該結構模型還把網(wǎng)絡通信分為2類：（1）客戶端；（2）服務端。其中主要涉及到了醫(yī)學影像服務器、數(shù)字化成像設備、醫(yī)生工作站和醫(yī)學影像管理系統(tǒng)，這幾大部分組成了該結構的網(wǎng)絡架構。該結構中的數(shù)字化成像設備把采集到的醫(yī)學影像信息資料傳送到影響回檔和通信系統(tǒng)中，并通過醫(yī)師工作站來對所采集的數(shù)字影像信息進行顯示、分析和處理等操作，以便于為醫(yī)學診療提供定性定量分析；而醫(yī)學影像服務器和存儲系統(tǒng)之間的緊密結合能夠很好地完成對大量影像數(shù)據(jù)信息與病歷信息存儲的需求，并且這些被存儲的信息能夠有效地通過影像管理系統(tǒng)進行分類管理；而影像傳輸系統(tǒng)在整個系統(tǒng)中對數(shù)字化成像設備、醫(yī)學影像服務器、醫(yī)學影像管理系統(tǒng)和醫(yī)師工作站起著橋梁的作用。以上各個部分通過網(wǎng)絡連接組成醫(yī)學影像傳輸系統(tǒng)。其中醫(yī)學影像服務器、醫(yī)學影像管理系統(tǒng)和數(shù)字化成像設備通過主干網(wǎng)絡連接在一起，而其他不同科室的醫(yī)師工作站可以通過局域子網(wǎng)組成科室網(wǎng)絡［3－4］。見圖3。

圖2 DICOM網(wǎng)絡與OSI互連模型對應關系示意圖

圖3 網(wǎng)絡傳輸結構圖

1.4 傳輸功能的實現(xiàn) 在醫(yī)學影像存儲通信過程中，數(shù)字化成像設備把掃描得到的患者影像序列傳送到醫(yī)學影像服務器中，在醫(yī)學影像服務器中完成掃描圖像的存儲與歸檔操作。與此同時醫(yī)學影像服務器對這些影像序列進行解析并得到相關信息，并把這些信息與影像分別存放到影像數(shù)據(jù)庫存儲區(qū)中。存儲過程中利用DICOM協(xié)議提供的存取服務類C-STORE，它把數(shù)字化成像設備作為STORE客戶端，把醫(yī)學影像服務器作為STORE服務端。首先，STORE客戶端在一個雙方已知的地址下監(jiān)聽STORE服務端的請求，即服務功能一直處于“休眠”狀態(tài)，直到STORE服務端發(fā)出了連接請求后，這時候服務功能會被“喚醒”，并且為客戶提供所需的服務。當服務完成后，服務器自動斷開連接。

在醫(yī)學影像查詢通信過程中，醫(yī)學影像服務器需要通過醫(yī)學影像服務器把某個患者的影像序列及其相關信息傳輸?shù)结t(yī)師工作站中，此時醫(yī)師工作站作為客戶端，醫(yī)學影像服務器作為服務端。當醫(yī)學影像服務器接收到C-MOVE移動請求后，該醫(yī)學影像服務器就會給醫(yī)生工作站發(fā)送滿足查詢要求的相關影像信息。這時就需要醫(yī)生工作站能夠實現(xiàn)STORE服務端存儲服務的功能，這個功能可以用于接收并存儲所獲取得到的醫(yī)學影像信息。與此同時，醫(yī)學影像服務器就要求實現(xiàn)MOVE服務端服務，該服務不但可以處理來自MOVE客戶端的請求，而且還能夠利用C-STORE服務進行所需的醫(yī)學影像信息的發(fā)送，所以醫(yī)學影像服務器還應該實現(xiàn)STORE客戶端的功能。在這個過程中，首先必須設置醫(yī)學影像服務器固定的監(jiān)聽端口，然后進行監(jiān)聽，這個監(jiān)聽必須是連續(xù)的。如果醫(yī)師工作站發(fā)送請求連接時，需要在服務器端的IP地址列表中遍歷，從而判斷是否包含當前請求端IP地址，進而可以斷定該醫(yī)師工作站操作是否合法。如果是非法操作的用戶，那么就拒絕當前請求，保持監(jiān)聽狀態(tài)；如果合法，那么就可以接受該請求，繼而獲取一個新的線程，并且分配新的端口與醫(yī)師工作站建立連接。在此固定連接的基礎上傳輸影像及其相關信息，當傳輸完畢后斷開連接［5－6］。其具體傳輸流程如下：（1）客戶端向服務端發(fā)出一個關聯(lián)請求。（2）首先服務端根據(jù)IP地址列表來辨別當前SCU是否屬于合法狀態(tài)，如果是合法的，那么就需要發(fā)送相應的連接響應，否則繼續(xù)監(jiān)聽。（3）當SCU獲取到連接響應后，向服務端發(fā)送請求存儲的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）。（4）當服務端讀取到當前請求存儲的PDU的時候，那么就可以發(fā)送一個與之對應的存儲響應的PDU。（5）當服務端讀取到SCU所發(fā)送的存儲響應PDU后，就可以利用P-DATA-TF-PDU向SCU發(fā)送第一個數(shù)據(jù)包。（6）客戶端執(zhí)行該被請求的CSTORE服務功能，并且存儲該數(shù)據(jù)包，一旦存儲完成，就會給服務端發(fā)送一個驗證信號。（7）當服務端收到SCU所發(fā)送的驗證信號后，確認該數(shù)據(jù)包已經(jīng)存儲結束后，服務端發(fā)出第2個數(shù)據(jù)包；重復步驟（5～6），直到當前影像中所有的數(shù)據(jù)包傳送結束。后續(xù)過程中，當傳輸?shù)诙鶊D像時，SCU就需要發(fā)送第二個C-STORE服務請求給服務端；重復執(zhí)行步驟（3～6），直至該患者的全部影像信息傳送結束。（8）SCU發(fā)送斷開請求命令。（9）服務端發(fā)出斷開連接響應命令，斷開連接。其傳輸流程見圖4。

此傳輸模式不但可以支持“點剩點”模式，而且該模式也可以用于“點到多點”模式，能夠同時完成若干個醫(yī)師工作站與醫(yī)學影像服務器之間的連接，并且還可以實時上傳與下載所需要的各種影像信息。

圖4 傳輸流程圖

2 結 果

此技術能夠傳輸所有DICOM格式文件，并且能把DICOM影像文件及其信息存儲在數(shù)據(jù)庫中方便醫(yī)師調閱。借助本技術可以幫助用戶傳輸大量醫(yī)學影像文件信息，并且可以幫助醫(yī)師迅速獲取到所需的醫(yī)學影像以便實施下一步診治。而且醫(yī)學影像的傳輸功能也會直接影響到PACS系統(tǒng)的應用質量，全院性PACS系統(tǒng)把醫(yī)院影像數(shù)據(jù)存儲到醫(yī)學影像服務器，供臨床科室的醫(yī)師調閱使用，有時也需要把PACS中的影像數(shù)據(jù)送回影像設備工作站做影像處理分析，甚至PACS中的影像數(shù)據(jù)還需要與外面進行遠程會診，因此醫(yī)學影像傳輸功能將直接影響到PACS系統(tǒng)的應用效果和質量。此研究工作為PACS系統(tǒng)進一步全面開發(fā)奠定了基礎，同時也對醫(yī)院信息化建設有著重要意義。實驗表明本文所設計的醫(yī)學影像傳輸系統(tǒng)夠滿足醫(yī)院的需求。

在內蒙古包頭市部分三甲醫(yī)院、專科醫(yī)院的配合下，該技術已在實驗研究和基礎理論研究領域取得了一定的階段性成果，為進一步深入研究提供了許多富有參考價值的結論和數(shù)據(jù)。

3 討 論

DICOM標準是第一個在醫(yī)學影像傳輸領域被廣為接受的國際標準，并且已經(jīng)成為所有醫(yī)學影像系統(tǒng)所必須符合的關鍵之一。本文介紹了DICOM標準中通訊部分的主要內容，分析了基于DICOM標準的醫(yī)學影像網(wǎng)絡傳輸過程，根據(jù)DICOM標準實現(xiàn)了醫(yī)學影像的網(wǎng)絡傳輸功能，并且提出了一種新的醫(yī)學影像網(wǎng)絡傳輸結構模型，詳細闡述了該過程的設計思路。本文通過大量資料和現(xiàn)實調研最終提出了醫(yī)學影像網(wǎng)絡傳輸技術。該技術在實際使用中取得了良好的效果，能夠方便、快捷地實現(xiàn)傳輸和存取的功能，有助于提高醫(yī)院工作效率，具有一定的推廣意義。

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