基于伪彩色的DICOM标准图像显示方法

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(济南大学 a. 信息科学与工程学院; b. 山东省网络环境智能技术重点实验室， 山东 济南 250022)

医学数字成像和通信(digital imaging and communications in medicine, DICOM)[1]是使医学图像及相关信息在不同系统和应用之间交换的一种国际通用标准。 1982年， American College of Radiology(ACR)和National Electrical Manufacturers Association(NEMA)这2个组织共同成立了委员会， 用以建立医学图像的相应规范。 1993年， ACR-NEMA发布了一套统一的规范， 命名为DICOM 3.0[2-3]， 这一规范逐步成为医学图像信息学领域的国际通用标准。

DICOM广泛应用于多个领域， 例如放射医疗、 心血管成像、 X射线、 核磁共振等。 DICOM标准图像中包含许多信息[4-6]， 其中最主要的是图像的数据位， 数据位中的数据元素一般是12位或16位， 可表示的灰度级最大可达65 536。 人们通常使用2种方法观察DICOM标准图像， 一是使用专门的软件，二是将DICOM标准图像转换成其他图像格式。在对DICOM标准图像进行显示时，使用的软件有OsiriX、Sante DICOM viewer等，人们观察到的是灰度图,但是人眼只能辨别出35种左右的灰度色调[7]，如果要观察DICOM标准图像中的细节部分，就需要另开窗口，单独对这一区域进行显示，很显然这种方法给人们的观察带来不便。在对DICOM标准图像进行格式转换时通常采用的是加窗技术[8-9]，转换的格式一般为BMP[10]。加窗技术是利用一个窗口，将窗口区域内的图像线性地转换到显示器上，但是这种方法会牺牲掉图像中的部分像素，原因是大于或小于窗口上下限的像素值会被设置为最大或最小显示值。

通常情况下， 人眼可以辨别出上千种彩色色调和亮度。 如果DICOM标准图像用伪彩色进行显示， 那么图像中人体组织间的细微差别就可以用不同的颜色来区分， 进而人眼可以直接进行观察， 因此， 本文中提出一种基于伪彩色的DICOM标准图像显示方法。 该方法充分利用红(R)、 绿(G)、 蓝(B)这3个颜色通道。RGB颜色空间可表示的颜色可达16 777 216种，数量远远大于DICOM标准图像中的65 536个灰度级，因此DICOM标准图像中的灰度级完全可以映射到RGB颜色空间中。伪彩色图像是通过3个颜色通道的不同组合来显示色彩，每个颜色通道占8位，DICOM标准图像中的数据元素最大为16位，将16位的数据元素划分为前4位、中7位和后5位共3个部分，然后将划分后的数据元素转换成十进制，并通过亮度调节系数分别赋值到B、G和R颜色通道中，通过此方法将DICOM标准图像转化为伪彩色图像。

1 相关知识

1.1 DICOM标准图像文件格式解析

典型的DICOM标准图像文件分为文件头和数据集2个部分。

文件头包括导言和前缀，数据集至少包括1个数据元素。每个数据元素有4个域，分别是标识符(tag)、数据类型(value representation)、数据长度(value length)和数据域(value field)，其中的数据域是可选择的，图1所示为DICOM标准图像文件格式示意图。

导言长128字节，可以将文件的相关说明放在导言里面。

图1 DICOM标准图像文件格式示意图

前缀长4字节，为大写字符“D”、“I”、“C”、“M”。

标识符为占4个字节的无符号整数，DICOM标准图像中所有的数据元素都可以用标识符进行唯一表示。

数据类型为占2个字节的字符串，指明该数据元素中的数据是哪种类型。数据类型取决于协商的传输数据类型，DICOM标准图像文件中规定显式(explicit VR)和隐式(implicit VR)2种传输格式。显式传输时，数据类型必须存在；隐式传输时，数据类型必须省略。

数据长度为占2个或4个字节的无符号偶数值，指明了数据域的长度。

数据域存放的是真正的数据，数据可以有多个值，但是总的长度必须是偶数，不足的则补齐。

1.2 RGB颜色空间

RGB颜色空间是一种常见的颜色模型[11]。因为人眼中的锥形状细胞和棒状细胞对红色、绿色和蓝色特别敏感，所以RGB颜色空间可以表示色彩。在用笛卡尔坐标系表示RGB颜色模型时需要将所有的颜色进行归一化，如图2所示。

R、G、B颜色分量分别代表3个坐标轴，当R、G、B取值为0时，即坐标原点，表示黑色；当R、G、B取值为最大时，表示白色；当R、G、B数值相等时表示的是灰度，灰度沿着连接黑白两点的直线从黑色延伸到白色；立方体中其他点表示其他颜色。

显示器显示的256个灰度级即为颜色空间中黑白两点之间的连线，在显示器上观察DICOM标准图像时，用到的也仅仅是颜色空间中的一条直线。如果将DICOM标准图像中的灰度级映射到RGB颜色空间中，合理地利用颜色空间中的其他颜色，人们就可以直接观察到DICOM图像中的细微差别。

2 算法分析

RGB颜色空间可以表示16 777 216种颜色，DICOM标准图像的灰度级为65 536，需要解决的问题是根据人眼对颜色信息的敏感度，如何将DICOM标准图像中的灰度级映射到RGB颜色空间中才能清楚地显示出DICOM标准图像中的细微差别。

(a)RGB笛卡尔坐标系立方体

(b)RGB24比特彩色立方体图2 RGB颜色空间示意图

彩色图像是由3个颜色通道组合而成，而DICOM标准图像是单通道图像。如果将DICOM标准图像映射到RGB颜色空间中，需要将DICOM标准图像中的灰度级划分为3个部分，对应于彩色图像中的3个颜色通道。划分方法是将DICOM标准图像中的像素值转化为二进制；然后根据人眼对红、绿、蓝颜色的敏感程度，将二进制数值划分为3个部分；彩色图像中的像素值为十进制数值，将划分后的二进制数值映射到RGB颜色空间中，需要将二进制数值转化为十进制数值，并分别赋值到3个颜色通道中。

DICOM标准图像在用伪彩色进行显示时，首先提取DICOM标准图像中的灰度级A，接着将灰度级A转化为16位的二进制数值B；然后将B划分为B1、B2和B3，其中B1为二进制数值B的前n1位，B2为中n2位，B3为后n3位，且n1+n2+n3=16；接着将B1、B2和B3转换为十进制数D1、D2和D3；最后根据式(1)计算出图像亮度调节系数ri，蓝、绿和红颜色分量的数值为D1r1、D2r2和D3r3。

ri=28-ni，i=1,2,3 。

(1)

图3所示为DICOM标准图像转换成伪彩色图像流程图。

图3 DICOM标准图像转换成伪彩色图像流程图

一般情况下，人眼对三原色中的绿色最为敏感，其次是红色，最后是蓝色。根据此原则，通过调整参数n1、n2和n3，最终通过人眼观察显示效果确定出最优方案。图4所示为DICOM标准图像，图5所示为参数n1=3，n2=7，n3=6时伪彩色图像，图6所示为参数n1=5，n2=6，n3=5时伪彩色图像，图7所示为参数n1=3，n2=8，n3=5时伪彩色图像，图8所示为参数n1=4，n2=7，n3=5时伪彩色图像。

(a)DICOM标准图像1 (b)DICOM标准图像2图4 DICOM标准图像

(a)伪彩色图像1 (b)伪彩色图像2图5 参数n1=3，n2=7，n3=6时伪彩色图像(ni为16位二进制数值划分参数)

(a)伪彩色图像1 (b)伪彩色图像2图6 参数n1=5，n2=6，n3=5时伪彩色图像(ni为16位二进制数值划分参数)

(a)伪彩色图像1 (b)伪彩色图像2图7 参数n1=3，n2=8，n3=5时伪彩色图像(ni为16位二进制数值划分参数)

(a)伪彩色图像1 (b)伪彩色图像2图8 参数n1=4，n2=7，n3=5时伪彩色图像(ni为16位二进制数值划分参数)

观察图像显示效果，由图5和图7可知，图像中的目标区域过暗；由图6可知，图像中的部分细节区域不易区分；由图8可知，图像的显示效果最佳，所以确定最优参数为n1=4，n2=7，n3=5。

3 实验结果与分析

实验在MATLAB平台进行，硬件配置为：i5-2450M CPU，主频为2.50 GHz，内存为10 GB。DICOM标准图像样本取自于DICOM Image Library，选取了数据库中的7个数据集，包括上额窦、脚部关节、冠状动脉、大脑、腹腔等170幅人体组织的图像。图9—16所示为其中8幅图像的实验结果对比效果图。

(a)DICOM标准图像 (b)伪彩色图像图9 上额窦实验结果对比效果图

(a)DICOM标准图像 (b)伪彩色图像图10 脚部关节1实验结果对比效果图

(a)DICOM标准图像 (b)伪彩色图像图11 脚部关节2实验结果对比效果图

(a)DICOM标准图像 (b)伪彩色图像图12 冠状动脉实验结果对比效果图

(a)DICOM标准图像 (b)伪彩色图像图13 腹腔1实验结果对比效果图

(a)DICOM标准图像 (b)伪彩色图像图14 腹腔2实验结果对比效果图

(a)DICOM标准图像 (b)伪彩色图像图15 脑部实验结果对比效果图

(a)DICOM标准图像 (b)伪彩色图像图16 头颅实验结果对比效果图

由图9—16可知， 在伪彩色图像中可以直接观察到图像中的细微差别。 对于实验结果评价， 将从人们的主观视觉角度出发，即通过人眼观察DICOM标准图像和伪彩色图像的显示效果。在DICOM标准图像中，人体的不同组织以不同的灰度级进行显示，由于显示器显示灰度级的能力有限，图像中不同区域之间灰度级近似，因此人们很难直接观察到区域之间的细微差别，如图17(a)中蓝色标记区域所示。转换成伪彩色图像后，不同的区域会以不同的颜色来进行区分，区域之间存在着明显的界线，通过人眼可以直接观察到图像中的细微差别，如图17(b)中蓝色标记区域所示。

(a)DICOM标准图像 (b)伪彩色图像图17 上额窦实验结果对比效果图

基于伪彩色的DICOM图像显示方法的创新点在于将DICOM标准图像转化为伪彩色图像以后，人眼可以直接观察到DICOM标准图像中的细微差别，不需要再另开窗口对某一区域进行单独显示。

4 结语

本文中提出了一种基于伪彩色的DICOM标准图像显示方法， 将DICOM标准图像中的65 536个灰度级映射到RGB颜色空间中。 通过算法将DICOM标准图像转化为伪彩色图像后， 人们用肉眼就可以在伪彩色图像中直接有效地观察到图像中不同区域的细节部分。

该算法尚存在不足之处，例如将DICOM标准图像彩色化时，由于难以表示出连续的颜色，因此DICOM标准图像中连续的灰度级在彩色图像中可能是不连续的颜色。如何将RGB颜色空间中的色彩进行连续显示是下一步工作的研究内容。

[1] PIANYKH O S. Digital imaging and communications in medicine(DICOM)[M]. Berlin: Springer Berlin, 2008: 17-22.

[2] MILDENBERGER P, EICHELBERG M, MARTIN E. Introduction to the DICOM standard[J]. European Radiology, 2002, 12(12): 920-927.

[3] PARISOT C. The DICOM standard[J]. International Journal of Cardiac Imaging, 1995, 11(3): 171-177.

[4] TREICHEL T, GESSAT M, PRIETZEL T, et al. DICOM for implantations: overview and application[J]. Journal of Digital Imaging, 2012, 25(3): 352-358.

[5] 王立功. DICOM医学图像文件格式解析与应用研究[J]. 计算机工程与应用, 2006(29): 51-55.

[6] 梁存升, 冯骥. DICOM标准分析及其应用[J]. 中国医学装备, 2006, 3(2): 18-20.

[7] 谢维信, 秦桉. 人的视觉对灰度级别的分辨能力及视觉内部噪声的研究[J]. 航天医学与医学工程, 1991, 4(1): 51-55.

[8] 高升, 葛云. DICOM格式医学图像及其图像信息的显示[J]. 中国医学物理学杂志, 2010, 27(3): 1885-1888.

[9] 彭承琳, 陈诚, 陈园园. DICOM医学图像格式转换的VC++实现[J]. 重庆大学学报(自然科学版), 2007, 30(10): 126-129.

[10] 王世刚, 李月卿, 王昌元. DICOM图像到BMP图像的转换[J]. 泰山医学院学报, 2007, 28(4): 269-271.

[11] RAFAEL C G, RICHARD E W. 数字图像处理[M]. 阮秋琦, 阮宇智, 译. 北京：电子工业出版社, 2011: 249-257.