DICOM与医学成像

邱元阳

编者按：信息技术在社会生活中的应用已经渗透到各个行业，对于现在的我们来说早已司空见惯。如果时间往前再推二十年，也许我们只是在银行和医院才能看到信息化的应用。在医疗领域中，信息化技术和手段应用较早并且较普遍，医疗机构的信息管理系统和信息网络传输甚至要早于超市基于条码扫描的购物结算系统，尤其是医学成像部分，我们很早就已经接触到。目前，远程医疗、影像中心也逐渐走进人们的视野。主持人和嘉宾将分两期对这一问题进行探讨，也欢迎您积极参与。

● 医学成像的分类

医学成像是借助于某种介质与人体的相互作用，把人体内部组织、器官的形态结构、密度、功能等以图像的方式表达出来，从而对人体健康状况进行判断的技术。

我们去医院拍片时，会遇到各种各样的术语，如DR、CT、MRI等，它们决定了用什么机器，通过什么方式来对我们的身体进行扫描和成像。

从成像过程来说，医学成像大致由能量发射源、效应组织、探测器、处理和显示设备几部分组成（如图1）。

从成像的目的功能上看，医学图像又可分为结构图像、功能图像和其他类型图像。但比较常见的还是从技术特点上进行分类，这也是我们平时见到的类别。

1.X射线成像（X-ray）

X射线能够穿透人体组织，常用于胸部透视和四肢骨骼检查，是最早应用和使用最普遍的医学影像技术，在临床诊断上价值很高。根据穿透组织后的X射线强度，可以分辨组织厚度及密度差异，显示病变部位形状。采用数字技术，在计算机控制下直接进行数字化X射线摄影的成像技术则称为DR（Digital Radiography），如图2所示。DR成像速度快，X射线辐射低，图像可进行后期处理，并且方便网络传输。

2.计算机X射线断层扫描（CT）

用X射线束对人体某部位一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的X射线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经过数字化输入计算机处理。断层扫描所得的每个点的信息排列成矩阵，经数字化后转换为灰度像素点，再按矩阵排列CT图像。CT图像是重建图像，可显示被检查部位的断面或立体的图像，发现体内任何部位的细小病变，常用于脑部、胸部扫描。在传统CT的基础上，还诞生了螺旋CT（如下页图3），它采用滑环技术，使X射线管和探测器沿人体长轴连续匀速旋转，扫描床同步匀速递进，扫描轨迹呈螺旋状前进，可快速、不间断地完成容积扫描，得到真正的三维重建图像，并能实时成像。

3.核磁共振成像（MRI）

生物体中的原子核在外加磁场的作用下接受特定射频脉冲时会发生共振现象，把这种共振用图像表达出来，可以反映人体组织中质子状态的差异，揭示组织形态和生理、生化信息。通过磁场的改变，就能获得各种断面的体层图像，如脑和脊髓的立体图像。肌肉、骨骼系统也适于做核磁共振成像（如图4）。

4.核医学成像（RNI）

核医学成像又称放射性核素成像，用图像信号反映体内放射性核素的浓度分布，显示形态学信息和功能信息。这种影像取决于组织的血流、细胞功能和数量、代谢活性、排泄引流情况等因素，而不是组织的密度变化，因而是一种功能性影像，其清晰度取决于脏器或组织的功能状态，可以反映出由病变而引起的形态学改变，具有较高早期诊断价值。

5.超声波成像（USG）

超声波具有良好的指向性和明显的反射、折射、衰减规律及多普勒效应等，因而可通过超声回波反映人体组织的声学特性，信号经处理后可动态显示器官的大小和形状，方便直观地对疾病做出诊断。最常见的是B型超声成像，简称B超，常用于腹部软组织结构显像。

6.多普勒成像（DFI）

声波都具有多普勒效应，当声源与反射体之间有相对运动时，回声的频率有所改变，称之为频移。超声频移诊断法，即D超，包括脉冲多普勒、连续多普勒和彩色多普勒血流图像。彩色多普勒超声（即彩超）一般是用自相关技术进行多普勒信号处理，把获得的血流信号经彩色编码后实时地叠加在黑白B超的二维图像上，形成彩色多普勒超声血流图像。彩超既具有二维超声结构图像的优点，又提供了血流动力学的丰富信息，在临床上可实现“非创伤性血管造影”。

以上这些技术，实际上都归属于四类，即X射线成像、核磁共振成像、核医学成像和超声波成像，它们的应用最为广泛，被称为四大医学成像技术。此外，还有阻抗成像、热成像、微波成像、光学成像、γ闪烁成像、发射体层成像等多种成像技术。

医学成像技术是物理学、电子技术、计算机技术、工程数学、材料科学、网络和通信技术等多种学科和技术相互渗透的结果，在临床应用和数据交换的复杂性上，需要一个统一的标准来进行规范。

● DICOM的诞生

说到医学成像，不能不提DICOM。

上述各种医学成像技术，它们所使用的设备、实现原理、成像方法、图像输出方式、数据交换格式、信息传输模式等各不相同，如果没有统一的标准来定义能满足临床需要的可用于数据交换的医学图像格式，在PACS（图像归档和传输系统）和HIS（医院信息系统）等系统中就无法方便地利用，远程会诊和档案调阅更是无法实现。

这个标准，最常见的就是DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine），即医学数字成像和通信，是医学图像和相关信息的国际标准（ISO 12052）。

随着以CT为代表的数字成像诊断设备在临床上的广泛应用，为推动不同制造商的设备间数字图像信息通信标准的建立，为不同诊断设备创建统一的诊断信息数据库并与其他医院信息系统进行交互，美国放射学院（ACR）和国家电气制造协会（NEMA）在1983年成立了一个联合委员会ACR-NEMA，并于1985年发布了最初DICOM的1.0版本，1988年推出2.0版本。1993年，DICOM标准3.0发布并沿用至今，成为医学影像信息学领域的国际通用标准。

DICOM标准中涵盖了医学数字图像的采集、归档、通信、显示及查询等几乎所有信息交换的协议，以开放互联的架构和面向对象的方法定义了一套包含各种类型的医学诊断图像及其相关的分析、报告等信息的对象集，定义了用于信息传递、交换的服务类与命令集，以及消息的标准响应，详述了唯一标识各类信息对象的技术，提供了应用于网络环境（OSI或TCP/IP）的服务支持，结构化地定义了制造厂商的兼容性声明（Conformance Statement）。

有了DICOM，昂贵的医疗诊断设备就可以实现一定范围内的共享，诊断图像的输出更为方便，医生能随时随地调阅这些医学图像，实现无胶片诊断，甚至是远程会诊。在RIS（放射学信息系统）和PACS（图像归档和传输系统）的配合下，这些图像数据还能与HIS（医院信息系统）完美对接，形成完善的医疗诊断系统。

● DICOM的文件格式

DICOM规范下的医学图像的文件格式一般以“.dcm”为扩展名。要显示和打印DCM文件，就需要读取这种文件的格式。

DCM文件的文件头最前面是128字节的导言，然后是4个字节的4个字符“DICM”，用来表明这是一个DCM文件。后面才是数据元素，多个数据元素一直排到文件的结尾（如图5）。

每段数据元素以4个字节的标识符（tag）开始，类似于数据库的字段定义，可以用来表明元信息长度、标题、文本编码、协议名称、成像时间、检查日期、成像仪器、设备厂商、病人姓名、影像编号、像素采样、图像模式、窗位窗宽、数据起点等多种信息。而值表示法（VR）则用2个字节定义数据类型，数据元素的后部才是数据，由Len来指定它的长度。数据值采用记录每个像素值的方式来描述图像，这有些类似于BMP位图，为程序读取文件中的影像部分提供了便利。

需要注意的是，DCM文件的像素数据部分是用12级灰度来定义的，这么丰富的灰度级别我们一般不能全部用上，而是只取需要的部分，即所谓的“窗宽”，这个范围的上下界就是“窗位”。上界以上的部分全部视为白色，下界以下的部分全部视为黑色，这样根据不同的需要，就可以有不同的窗位窗宽，用8位灰度（256级）就可以表示出来了。当然，由原来全部信息的12位灰度变为部分信息的8位灰度，做一下简单的数学映射即可。

在一般的电脑上，如果要查看DCM文件，可以使用DICOM图像浏览器（如Sante DICOM Viewer、DICOM Medical Image Viewer、ezDICOM等），或者使用DICOM文件格式转换工具（如MRI Convert、 Dicom Digital Jacket、DICOM to Video等），把DCM文件转换成图片或视频格式进行查看。

DCM文件不是一般的图片，信息比较丰富，如果需要更多的功能，如对DICOM格式文件进行编辑，对图像进行转换压缩和处理，或者进行3D重建、窗位变换以及PACS系统定制开发，就需要用到专业的DICOM开发工具包了。

● DICOM的网络传输

DICOM定义了DCM格式的文档，用来保存和交换医学成像信息，这些信息需要遵循DICOM协议，实现从医疗设备到数据中心之间的传输。

网络软件的架构有C/S模式（Client/Server，客户端/服务器）和B/S模式（Brower/Server，浏览器/服务器）。B/S模式架构建立在广域网上，适应范围广，只要有操作系统和浏览器就行，对安全的控制能力相对较弱，面向的是不可知的用户群。而C/S模式架构建立在专用网络上，一般是小范围的局域网环境，通过专门的服务器提供连接和数据交换服务，对信息安全的控制能力很强，可用于高度机密的信息系统。DICOM一般建立在医疗机构内部，因此多采用C/S模式进行服务和数据传输，当然它也可以使用B/S模式架构。

在C/S模式下，DICOM中的Server称为SCP（Service Class Provider，服务类提供者），Client称为SCU（Service Class User，服务类用户），连接则称为Association（对应于OSI模型中的Connection）。要建立DICOM连接，客户端SCU会向服务端SCP发送Association连接请求消息，描述此次连接的目的和设置，服务端接收到请求信息后，确认自己是否支持相关服务并给出响应信息（Response Message）。如果服务端支持客户端请求的某些服务，就会发送确认信息（Association Acknowledge），表明此次连接完成，否则就发送拒绝信息（Association Reject），通知客户端连接失败。连接成功建立后，客户端和服务端就可以进行11类信息的交互（如图6）。

例如，门诊医生要查阅相关病人的CT图像，他所使用的电脑和上面安装的相关软件就属于SCU，查阅请求会发送到医院数据中心的服务器上，服务器及其上面的软件和数据库就属于SCP，会响应医生发来的请求，查询到相关信息后反馈到医生的电脑上，在客户端软件的界面上显示出来。这些请求不仅可以是查询、显示请求，也可以是归档、打印输出请求，打印请求一般由DICOM协议的打印服务器软件来协调。

● DICOM的打印输出

很多时候DICOM图像还是需要打印输出的，特别是需要病人留存的时候。

医学影像的打印输出可以分为两种：一种是医疗机构的打印，另一种是个人打印方式。部分诊所限于系统功能，也会采用个人打印方式。医院里打印各种图像一般是通过成像设备与打印设备连接，或者成像设备通过DICOM连接到局域网上来进行打印的。

一般大医院里都是DICOM支持下的打印输出，基于RIS或HIS系统，在PACS系统的统一管理下，打印输出只是医疗管理的一部分，在相应的管理软件中都已集成了这些功能。而小型医院的打印，常常是依靠支持DICOM协议的打印机，或者是在DICOM打印服务器的支持下进行。

个人方式的打印，是从电脑上查看和打印DCM文件，完全可以像普通图片那样进行打印输出。

根据医学成像和类别，打印输出的介质也有所不同。心电图常常是用墨水式绘图仪输出到坐标纸上，B超和彩超则是激光打印机打印到普通的复印纸上，而DR、CT、MRI则需要输出到胶片上，可以使用喷墨打印机或激光打印机来打印胶片，而在数字化之前，却可能是专门的感光设备来生成胶片。

医学成像技术是现代医疗诊断的重要手段，其技术发展也引导着临床诊断的进步和变革。随着医院信息化和现代化水平的提升，医学成像已进入了全新的数字时代。而DICOM标准的推出与应用，极大简化了医学影像信息的交换，推动了远程医疗、现代放射学、图像管理与通信系统（PACS）的科研进步，其开放性与互联特点也使得它独步医学成像领域，并积极与其他医学应用系统集成。下一期，我们将继续讨论DICOM的点滴应用。