基于偽彩色的DICOM標準圖像顯示方法

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(濟南大學 a. 信息科學與工程學院; b. 山東省網絡環境智能技術重點實驗室， 山東 濟南 250022)

醫學數字成像和通信(digital imaging and communications in medicine, DICOM)[1]是使醫學圖像及相關信息在不同系統和應用之間交換的一種國際通用標準。 1982年， American College of Radiology(ACR)和National Electrical Manufacturers Association(NEMA)這2個組織共同成立了委員會， 用以建立醫學圖像的相應規范。 1993年， ACR-NEMA發布了一套統一的規范， 命名為DICOM 3.0[2-3]， 這一規范逐步成為醫學圖像信息學領域的國際通用標準。

DICOM廣泛應用于多個領域， 例如放射醫療、 心血管成像、 X射線、 核磁共振等。 DICOM標準圖像中包含許多信息[4-6]， 其中最主要的是圖像的數據位， 數據位中的數據元素一般是12位或16位， 可表示的灰度級最大可達65 536。 人們通常使用2種方法觀察DICOM標準圖像， 一是使用專門的軟件，二是將DICOM標準圖像轉換成其他圖像格式。在對DICOM標準圖像進行顯示時，使用的軟件有OsiriX、Sante DICOM viewer等，人們觀察到的是灰度圖,但是人眼只能辨別出35種左右的灰度色調[7]，如果要觀察DICOM標準圖像中的細節部分，就需要另開窗口，單獨對這一區域進行顯示，很顯然這種方法給人們的觀察帶來不便。在對DICOM標準圖像進行格式轉換時通常采用的是加窗技術[8-9]，轉換的格式一般為BMP[10]。加窗技術是利用一個窗口，將窗口區域內的圖像線性地轉換到顯示器上，但是這種方法會犧牲掉圖像中的部分像素，原因是大于或小于窗口上下限的像素值會被設置為最大或最小顯示值。

通常情況下， 人眼可以辨別出上千種彩色色調和亮度。 如果DICOM標準圖像用偽彩色進行顯示， 那么圖像中人體組織間的細微差別就可以用不同的顏色來區分， 進而人眼可以直接進行觀察， 因此， 本文中提出一種基于偽彩色的DICOM標準圖像顯示方法。 該方法充分利用紅(R)、 綠(G)、 藍(B)這3個顏色通道。RGB顏色空間可表示的顏色可達16 777 216種，數量遠遠大于DICOM標準圖像中的65 536個灰度級，因此DICOM標準圖像中的灰度級完全可以映射到RGB顏色空間中。偽彩色圖像是通過3個顏色通道的不同組合來顯示色彩，每個顏色通道占8位，DICOM標準圖像中的數據元素最大為16位，將16位的數據元素劃分為前4位、中7位和后5位共3個部分，然后將劃分后的數據元素轉換成十進制，并通過亮度調節系數分別賦值到B、G和R顏色通道中，通過此方法將DICOM標準圖像轉化為偽彩色圖像。

1 相關知識

1.1 DICOM標準圖像文件格式解析

典型的DICOM標準圖像文件分為文件頭和數據集2個部分。

文件頭包括導言和前綴，數據集至少包括1個數據元素。每個數據元素有4個域，分別是標識符(tag)、數據類型(value representation)、數據長度(value length)和數據域(value field)，其中的數據域是可選擇的，圖1所示為DICOM標準圖像文件格式示意圖。

導言長128字節，可以將文件的相關說明放在導言里面。

圖1 DICOM標準圖像文件格式示意圖

前綴長4字節，為大寫字符“D”、“I”、“C”、“M”。

標識符為占4個字節的無符號整數，DICOM標準圖像中所有的數據元素都可以用標識符進行唯一表示。

數據類型為占2個字節的字符串，指明該數據元素中的數據是哪種類型。數據類型取決于協商的傳輸數據類型，DICOM標準圖像文件中規定顯式(explicit VR)和隱式(implicit VR)2種傳輸格式。顯式傳輸時，數據類型必須存在；隱式傳輸時，數據類型必須省略。

數據長度為占2個或4個字節的無符號偶數值，指明了數據域的長度。

數據域存放的是真正的數據，數據可以有多個值，但是總的長度必須是偶數，不足的則補齊。

1.2 RGB顏色空間

RGB顏色空間是一種常見的顏色模型[11]。因為人眼中的錐形狀細胞和棒狀細胞對紅色、綠色和藍色特別敏感，所以RGB顏色空間可以表示色彩。在用笛卡爾坐標系表示RGB顏色模型時需要將所有的顏色進行歸一化，如圖2所示。

R、G、B顏色分量分別代表3個坐標軸，當R、G、B取值為0時，即坐標原點，表示黑色；當R、G、B取值為最大時，表示白色；當R、G、B數值相等時表示的是灰度，灰度沿著連接黑白兩點的直線從黑色延伸到白色；立方體中其他點表示其他顏色。

顯示器顯示的256個灰度級即為顏色空間中黑白兩點之間的連線，在顯示器上觀察DICOM標準圖像時，用到的也僅僅是顏色空間中的一條直線。如果將DICOM標準圖像中的灰度級映射到RGB顏色空間中，合理地利用顏色空間中的其他顏色，人們就可以直接觀察到DICOM圖像中的細微差別。

2 算法分析

RGB顏色空間可以表示16 777 216種顏色，DICOM標準圖像的灰度級為65 536，需要解決的問題是根據人眼對顏色信息的敏感度，如何將DICOM標準圖像中的灰度級映射到RGB顏色空間中才能清楚地顯示出DICOM標準圖像中的細微差別。

(a)RGB笛卡爾坐標系立方體

(b)RGB24比特彩色立方體圖2 RGB顏色空間示意圖

彩色圖像是由3個顏色通道組合而成，而DICOM標準圖像是單通道圖像。如果將DICOM標準圖像映射到RGB顏色空間中，需要將DICOM標準圖像中的灰度級劃分為3個部分，對應于彩色圖像中的3個顏色通道。劃分方法是將DICOM標準圖像中的像素值轉化為二進制；然后根據人眼對紅、綠、藍顏色的敏感程度，將二進制數值劃分為3個部分；彩色圖像中的像素值為十進制數值，將劃分后的二進制數值映射到RGB顏色空間中，需要將二進制數值轉化為十進制數值，并分別賦值到3個顏色通道中。

DICOM標準圖像在用偽彩色進行顯示時，首先提取DICOM標準圖像中的灰度級A，接著將灰度級A轉化為16位的二進制數值B；然后將B劃分為B1、B2和B3，其中B1為二進制數值B的前n1位，B2為中n2位，B3為后n3位，且n1+n2+n3=16；接著將B1、B2和B3轉換為十進制數D1、D2和D3；最后根據式(1)計算出圖像亮度調節系數ri，藍、綠和紅顏色分量的數值為D1r1、D2r2和D3r3。

ri=28-ni，i=1,2,3 。

(1)

圖3所示為DICOM標準圖像轉換成偽彩色圖像流程圖。

圖3 DICOM標準圖像轉換成偽彩色圖像流程圖

一般情況下，人眼對三原色中的綠色最為敏感，其次是紅色，最后是藍色。根據此原則，通過調整參數n1、n2和n3，最終通過人眼觀察顯示效果確定出最優方案。圖4所示為DICOM標準圖像，圖5所示為參數n1=3，n2=7，n3=6時偽彩色圖像，圖6所示為參數n1=5，n2=6，n3=5時偽彩色圖像，圖7所示為參數n1=3，n2=8，n3=5時偽彩色圖像，圖8所示為參數n1=4，n2=7，n3=5時偽彩色圖像。

(a)DICOM標準圖像1 (b)DICOM標準圖像2圖4 DICOM標準圖像

(a)偽彩色圖像1 (b)偽彩色圖像2圖5 參數n1=3，n2=7，n3=6時偽彩色圖像(ni為16位二進制數值劃分參數)

(a)偽彩色圖像1 (b)偽彩色圖像2圖6 參數n1=5，n2=6，n3=5時偽彩色圖像(ni為16位二進制數值劃分參數)

(a)偽彩色圖像1 (b)偽彩色圖像2圖7 參數n1=3，n2=8，n3=5時偽彩色圖像(ni為16位二進制數值劃分參數)

(a)偽彩色圖像1 (b)偽彩色圖像2圖8 參數n1=4，n2=7，n3=5時偽彩色圖像(ni為16位二進制數值劃分參數)

觀察圖像顯示效果，由圖5和圖7可知，圖像中的目標區域過暗；由圖6可知，圖像中的部分細節區域不易區分；由圖8可知，圖像的顯示效果最佳，所以確定最優參數為n1=4，n2=7，n3=5。

3 實驗結果與分析

實驗在MATLAB平臺進行，硬件配置為：i5-2450M CPU，主頻為2.50 GHz，內存為10 GB。DICOM標準圖像樣本取自于DICOM Image Library，選取了數據庫中的7個數據集，包括上額竇、腳部關節、冠狀動脈、大腦、腹腔等170幅人體組織的圖像。圖9—16所示為其中8幅圖像的實驗結果對比效果圖。

(a)DICOM標準圖像 (b)偽彩色圖像圖9 上額竇實驗結果對比效果圖

(a)DICOM標準圖像 (b)偽彩色圖像圖10 腳部關節1實驗結果對比效果圖

(a)DICOM標準圖像 (b)偽彩色圖像圖11 腳部關節2實驗結果對比效果圖

(a)DICOM標準圖像 (b)偽彩色圖像圖12 冠狀動脈實驗結果對比效果圖

(a)DICOM標準圖像 (b)偽彩色圖像圖13 腹腔1實驗結果對比效果圖

(a)DICOM標準圖像 (b)偽彩色圖像圖14 腹腔2實驗結果對比效果圖

(a)DICOM標準圖像 (b)偽彩色圖像圖15 腦部實驗結果對比效果圖

(a)DICOM標準圖像 (b)偽彩色圖像圖16 頭顱實驗結果對比效果圖

由圖9—16可知， 在偽彩色圖像中可以直接觀察到圖像中的細微差別。 對于實驗結果評價， 將從人們的主觀視覺角度出發，即通過人眼觀察DICOM標準圖像和偽彩色圖像的顯示效果。在DICOM標準圖像中，人體的不同組織以不同的灰度級進行顯示，由于顯示器顯示灰度級的能力有限，圖像中不同區域之間灰度級近似，因此人們很難直接觀察到區域之間的細微差別，如圖17(a)中藍色標記區域所示。轉換成偽彩色圖像后，不同的區域會以不同的顏色來進行區分，區域之間存在著明顯的界線，通過人眼可以直接觀察到圖像中的細微差別，如圖17(b)中藍色標記區域所示。

(a)DICOM標準圖像 (b)偽彩色圖像圖17 上額竇實驗結果對比效果圖

基于偽彩色的DICOM圖像顯示方法的創新點在于將DICOM標準圖像轉化為偽彩色圖像以后，人眼可以直接觀察到DICOM標準圖像中的細微差別，不需要再另開窗口對某一區域進行單獨顯示。

4 結語

本文中提出了一種基于偽彩色的DICOM標準圖像顯示方法， 將DICOM標準圖像中的65 536個灰度級映射到RGB顏色空間中。 通過算法將DICOM標準圖像轉化為偽彩色圖像后， 人們用肉眼就可以在偽彩色圖像中直接有效地觀察到圖像中不同區域的細節部分。

該算法尚存在不足之處，例如將DICOM標準圖像彩色化時，由于難以表示出連續的顏色，因此DICOM標準圖像中連續的灰度級在彩色圖像中可能是不連續的顏色。如何將RGB顏色空間中的色彩進行連續顯示是下一步工作的研究內容。

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