基于DCMTK的DICOM通訊服務(wù)程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郟巖巖，劉哲星 ，艾育華 ，季飛 ，陳芳炯，耿仁文

1.華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510641；2. 南方醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州510515；3. 南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院，廣東 廣州 510515

0 前言

DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine）標(biāo)準(zhǔn)是由美國放射學(xué)會和美國電器制造商協(xié)會組織制定的標(biāo)準(zhǔn)，它涉及到醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像的采集、歸檔、通信、顯示及查詢等操作的各個層面。DICOM通訊服務(wù)程序是一個基于DICOM標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)調(diào)度和管理DICOM圖像文件的應(yīng)用程序，處于圖像存檔及通訊系統(tǒng)（PACS）的核心部分。隨著遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)的飛快發(fā)展，不同地區(qū)或醫(yī)院的PACS 系統(tǒng)間的DICOM通信量大大增加，為了更加高效、方便地管理這些業(yè)務(wù)，開發(fā)用于區(qū)域醫(yī)療信息中心和遠(yuǎn)程會診的DICOM通信服務(wù)程序意義重大。DCMTK（DICOM Tool Kit）是德國OFFIS公司提供的開源項(xiàng)目，經(jīng)過10多年的開發(fā)和維護(hù)，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了DICOM協(xié)議的內(nèi)容，并且支持不同操作系統(tǒng)下的應(yīng)用開發(fā)，為我們開發(fā)DICOM通信軟件提供了有力的工具。

1 DICOM通訊基礎(chǔ)

1.1 DICOM消息格式

DICOM消息包含命令集和數(shù)據(jù)集兩部分。一個DICOM數(shù)據(jù)集實(shí)際上就是一個SOP（Service Object Pair）實(shí)例，DICOM數(shù)據(jù)集是由DICOM數(shù)據(jù)元素(Data Element) 按一定的順序排列組成的，DICOM數(shù)據(jù)元素則是DICOM文件中最基本的結(jié)構(gòu)單元[1]。命令集的構(gòu)成類似于數(shù)據(jù)集，包含很多的命令元素，但不同的是每個命令元素僅包括標(biāo)簽、值長和值域三個部分[2]。DICOM消息格式，見圖1。

此外，數(shù)據(jù)集里的內(nèi)容是按照層次的關(guān)系進(jìn)行組合的，即對于一個數(shù)據(jù)集來說，要包含病人（Patient）、檢查（Study）、系列（Series）和圖像（Image）4層信息。

圖1 DICOM消息格式

1.2 DICOM服務(wù)類

DICOM服務(wù)類由信息對象對（Service Object Pair，SOP）來表述，又由于同樣的服務(wù)可以操作不同的信息對象定義（Information Object Definition，IOD），所以將SOP稱作SOP class[3]。而SOP class 就是由IOD和一組消息服務(wù)元素（DIMSE）組成的。如1.1節(jié)所述，消息服務(wù)元素對應(yīng)于命令集，而IOD對應(yīng)數(shù)據(jù)集。

DICOM為其所定義的信息對象制定了標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)類型。因?yàn)镈ICOM的信息對象包括復(fù)合對象和規(guī)范化對象兩種，相應(yīng)的服務(wù)也分為復(fù)合服務(wù)和規(guī)范化服務(wù)。不論是什么服務(wù)，都要通過一組消息服務(wù)元素（DICOM Message Service Element，DIMSE）來實(shí)現(xiàn)。這些DIMSE大致分為兩類，即對于復(fù)合信息對象定義的5種DIMSE（叫做DIMSE-C），對于規(guī)范化信息對象定義的6種DIMSE（叫做DIMSE-N），其表述見表1（指定了服務(wù)類型：操作類型和通知類型[2]）。

表1 DIMSE表

服務(wù)的執(zhí)行是使用服務(wù)原語來描述的，在服務(wù)的使用過程中需要明確的是服務(wù)發(fā)起者還是服務(wù)執(zhí)行者。

1.3 DICOM通信過程[4]

DICOM的網(wǎng)絡(luò)通信建立在TCP/IP之上，但是由于涉及到個人隱私等問題，所以必須保證通信的安全性，最基本的做法就是只在指定的AE（Application Entity，用來標(biāo)示應(yīng)用程序）之間進(jìn)行通信。

在進(jìn)行DICOM通信時，通信中的AE之間首先需要進(jìn)行必要的協(xié)商，其中最基本的就是傳輸語法和抽象語法。傳輸語法是指數(shù)據(jù)集所要求的VR方法和字節(jié)順序；抽象語法來表明AE都支持哪些SOP class。這些工作主要是由DICOM的上層協(xié)議來完成的，相對于OSI 7層協(xié)議的會話層和表示層。

通信的請求方首先使用默認(rèn)的傳輸語法給出自己可以用的傳輸語法和抽象語法清單由對方選擇。通信的另一方則根據(jù)自身的硬件和操作系統(tǒng)等軟件情況選擇合適的傳輸語法和抽象語法，并回答對方。這樣協(xié)商之后就可以在AE之間確定用于DICOM消息交互的環(huán)境。

在DICOM標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中，上述連接的建立是通過一對A-ASSOCIATE-RQ和A-ASSOCIATE-AC關(guān)聯(lián)的服務(wù)來實(shí)現(xiàn)的，之后在這個連接之上就可以將1.2節(jié)所述的各種消息服務(wù)封裝在P-DATA請求原語中進(jìn)行通信[5]。

以存儲服務(wù)類SCP端為例，通信過程如下[6]：

（1） 建立TCP連接。DUL （DICOM Upper Layer） FSM（Finite State Machine）初始時處在狀態(tài)1，在接收到TCP連接指示（Transport Connection Indication）后，發(fā)送TCP連接響應(yīng)（Transport Connect Response），F(xiàn)SM進(jìn)入狀態(tài)2，等待連接請求。

（2）建立DICOM連接（Association）。SCP接收到A- ASSOCIATERQ PDU后，開始檢查解析此PDU，F(xiàn)SM進(jìn)入狀態(tài)3，等待連接響應(yīng)指示（A-ASSOCIATE Response）。接收到A-ASSOCIATE響應(yīng)指示，SCP發(fā)送A-ASSOCIATE-AC PDU，F(xiàn)SM進(jìn)入狀態(tài)6，連接建立，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。

（3）消息數(shù)據(jù)的傳遞。SCP接收到P-DATA-TF PDU后，發(fā)送P-DATA 指示原語，表明數(shù)據(jù)已接收到，該數(shù)據(jù)首先應(yīng)該是DICOM命令集，此處為C-STORE 請求服務(wù)，當(dāng)然也可以包含數(shù)據(jù)元素，比如請求方AE。此時FSM還是要進(jìn)入狀態(tài)6，用來接收DICOM數(shù)據(jù)集。然后SCP重復(fù)上面的動作，不停接收P-DATA-TF PDU，直到所有的數(shù)據(jù)接收完畢。當(dāng)接收完數(shù)據(jù)之后，SCP構(gòu)造一個不含數(shù)據(jù)集的命令集封裝在P-DATA 請求原語（P-DATA Request Primitive）中，發(fā)送給對方，告訴對方可以發(fā)送其他數(shù)據(jù)或安全地釋放連接。這時FSM仍然處在狀態(tài)6。

（4）釋放DICOM連接。SCP接收到A-RELEASE-RQ PDU后，發(fā)出A-RELEASE指示原語，F(xiàn)SM進(jìn)入狀態(tài)8。當(dāng)再接收到A-RELEASE響應(yīng)原語（A-RELEASE Response Primitive）時，SCP發(fā)出A-RELEASE-RP PDU，F(xiàn)SM進(jìn)入狀態(tài)13，等待TCP釋放連接。

（5）釋放TCP連接。

2 DICOM服務(wù)程序設(shè)計(jì)

2.1 DICOM服務(wù)程序功能架構(gòu)

DICOM服務(wù)程序的功能架構(gòu)，見圖2。服務(wù)程序既可以接受DICOM AE的存儲請求，歸檔發(fā)來的圖像，還必須支持對PACS系統(tǒng)中DICOM圖像的查詢和獲取的請求，此外，還要支持?jǐn)?shù)據(jù)圖像的調(diào)度，如將一些特定的圖像從一個AE調(diào)度到另一個AE[7]。

當(dāng)然，服務(wù)程序的運(yùn)行需要后臺數(shù)據(jù)庫和存儲媒介的支持。

圖2 DICOM服務(wù)程序功能架構(gòu)圖

2.2 DICOM服務(wù)程序設(shè)計(jì)

DICOM服務(wù)程序的設(shè)計(jì)滿足以下的基本要求[8]：

（1）對從網(wǎng)絡(luò)上或設(shè)備中獲取的圖像進(jìn)行歸檔，支持檢索和獲取，所使用的通信協(xié)議符合DICOM標(biāo)準(zhǔn)第7部分和第8部分。作為PACS系統(tǒng)的核心部分，服務(wù)程序的性能和穩(wěn)定性直接影響到對圖像傳輸、查詢、瀏覽、儲存和處理的速度。對圖像歸檔首先要接受DICOM AE的存儲請求，所以服務(wù)程序必須支持C-STORE服務(wù)；支持檢索和獲取，移動不同DICOM AE之間的數(shù)據(jù)，則要求程序具有提供C-FIND，C-MOVE和C-GET服務(wù)的能力；此外，還需提供用于通訊測試的C-ECHO服務(wù)。

（2）數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)反映了醫(yī)學(xué)影像中各實(shí)體的及其狀態(tài)在計(jì)算機(jī)中的信息描述。DICOM標(biāo)準(zhǔn)第6部分對醫(yī)學(xué)影像中所有可能涉及到的各種實(shí)體、操作和處理過程中的數(shù)據(jù)類型和屬性都做了詳細(xì)的定義[9-11]。

數(shù)據(jù)庫表的創(chuàng)建主要依賴DICOM Query/Retrieve 信息模型，根據(jù)DICOM標(biāo)準(zhǔn)可知，DICOM信息模型分為4個內(nèi)容層次：病人（Patient），檢查（Study），系列（Series）和圖像（Image）。一個病人可以包含一個或多個檢查，一個檢查包含一個或多個系列，一個系列又可以包含一個或多個圖像。但是在實(shí)際運(yùn)用中，很多活動都是圍繞著檢查進(jìn)行，因此將病人和檢查合并為一張表，是提高查詢速度、減少數(shù)據(jù)存儲冗余度的一個方法。所以需要創(chuàng)建Study表、Series表和Image表，表的對應(yīng)關(guān)系為Study表中的一條記錄對應(yīng)多條Series表的記錄，Series中的一條記錄對應(yīng)多條Image表的記錄。表設(shè)計(jì)時并沒有使用STUDY_INSTANCE_UID，SERIES_INSTANCE_UID和 SOP_INSTANCE_UID作為主鍵，原因在于考慮到實(shí)際操作中，所有的圖像并非都是來自標(biāo)準(zhǔn)DICOM設(shè)備的DICOM格式的圖像，對于那些從其他格式轉(zhuǎn)化過來的圖像，需要人工分配這些全局唯一值，因此單獨(dú)另設(shè)主鍵是必要的。另外，為了便于與不同的AE連接，需要添加工作站表，此表所包含的列為AE_TITLE、IP_ADDRESS、HOST_NAME、PORT、DESC。 主鍵為STATION_KEY[12]。

（3）對影像文件的存儲格式應(yīng)遵循DICOM標(biāo)準(zhǔn)第10部分，支持對DICOM文件的無損和有損壓縮存儲[13]。

2.3 DICOM服務(wù)程序的管理

服務(wù)程序具有以下基本的管理界面[14-15]。

（1）進(jìn)程管理界面。服務(wù)程序的運(yùn)行需要很多功能的支持，包括存儲能力、歸檔能力、查詢能力、獲取能力、移動圖像的能力和驗(yàn)證連通性的能力，這么多的功能可以分別編譯成不同的命令行程序，以服務(wù)的形式在后臺運(yùn)行。服務(wù)程序界面用Qt開發(fā)，利用類QTabwidget不同頁對應(yīng)不同的管理界面，進(jìn)程管理界面，見圖3。

圖3 服務(wù)程序的進(jìn)程管理界面圖

（2）配置界面。包括不同后臺程序運(yùn)行需要的端口配置，服務(wù)程序的AE title配置和文件存儲路徑配置等。

（3）數(shù)據(jù)庫的維護(hù)界面。關(guān)于數(shù)據(jù)庫的基本操作，如重置數(shù)據(jù)庫，列出數(shù)據(jù)庫的布局信息和清空數(shù)據(jù)庫等操作。

（4）通信的AE titles界面。服務(wù)程序需要連接的通信方AE Titles，在這個界面下添加和刪除。

（5）服務(wù)程序運(yùn)行狀態(tài)信息。顯示一些服務(wù)程序運(yùn)行過程中的提示狀態(tài)。

（6）通信操作界面。包括驗(yàn)證連通性和一些查詢、獲取、存儲、移動圖像的基本操作。

3 DICOM服務(wù)程序開發(fā)

3.1 DCMTK簡介[16]

DCMTK是由德國OFFIS公司提供的開源項(xiàng)目，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了DICOM協(xié)議的大部分內(nèi)容。該開發(fā)包提供所有的源代碼、支持庫和幫助文檔。它完全是由ANSI C和C++寫成的，被廣泛地應(yīng)用于各種公司和醫(yī)院的開發(fā)平臺中。DCMTK提供了很多的程序包，本服務(wù)程序所用的程序包有ofstd，oflog，dcmdata，dcmnet和dcmqrdb。這些程序包以組件的形式進(jìn)行組合，使用時被編譯成lib文件。與DICOM服務(wù)程序密切相關(guān)的組件是dcmdata，dcmnet和dcmqrdb。

dcmdata是一個DICOM數(shù)據(jù)編碼/解碼庫，這個模塊包含了一些類來管理DICOM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和文件。同時它也提供了對DICOMDIR文件的支持以滿足Dicom storage media（存儲介質(zhì)）的需要。

dcmnet是一個網(wǎng)絡(luò)庫。該模塊包含了實(shí)現(xiàn)DICOM網(wǎng)絡(luò)通信的所有函數(shù)集，即：DICOM上層有限狀態(tài)機(jī)（DUL FSM,DICOM Upper Layer Finite State Machine）， 關(guān) 聯(lián) 控 制服務(wù)元素（ACSE，Association Control Service Element）以及DICOM消息服務(wù)元素（DIMSE ,DICOM Message Service Element）。

dcmqrdb是一個圖像數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。此模塊具有圖像歸檔功能，管理一塊存儲區(qū)域，并允許使用DICOM存儲服務(wù)類將圖像存儲在這些存儲區(qū)域中。它也允許使用DICOM查詢/獲取服務(wù)類查詢圖像屬性并獲取圖像。

3.2 服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)

服務(wù)程序要實(shí)現(xiàn)C-STORE、C-FIND、C-MOVE、C-GET和C-ECHO客戶端服務(wù)的功能主要依賴dcmnet組件，分別調(diào)用dimse.h中的函數(shù)DIMSE_storeUser()、函數(shù)DIMSE_findUser()、函數(shù)DIMSE_moveUser()、函數(shù)DIMSE_getUser()和函數(shù)DIMSE_echoUser()使用這些服務(wù)請求。對這些服務(wù)的實(shí)現(xiàn)較為簡單，下面重點(diǎn)介紹服務(wù)端服務(wù)的實(shí)現(xiàn)。

服務(wù)程序的歸檔服務(wù)的實(shí)現(xiàn)是運(yùn)行存儲服務(wù)的SCP(STORESCP.exe)先接受DCIOM文件，存放到某一臨時文件夾，然后讓入庫程序（inDicomDatabase.exe）檢測，如有文件，則分層次將DICOM文件信息寫入數(shù)據(jù)庫?？紤]到數(shù)據(jù)庫的不同類型和程序的可移植性，服務(wù)程序?qū)?shù)據(jù)庫的操作使用Qt的QODBC編程。

對DICOM查詢獲取服務(wù)的實(shí)現(xiàn)主要依賴dcmqrdb組件中的類DcmQueryRetrieveSCP，該類封裝了所有處理細(xì)節(jié)。在使用該類時，需要用到數(shù)據(jù)庫的操作類，dcmqrdb提供了類DcmQueryRetrieveIndexDatabaseHandle處理文本數(shù)據(jù)庫。查詢獲取服務(wù)程序只需調(diào)用類DcmQueryRetrieveSCP的 成 員 函 數(shù) OFCondition waitForAssociation（T_ASC_Network* theNet）就可以完成所有的操作。查詢過程如1.3節(jié)所述，對該過程的實(shí)現(xiàn)都被封裝成不同的函數(shù)，比如用于接收DICOM連接請求和釋放響應(yīng)的函數(shù)分別是函數(shù)ASC_receiveAssociation()和函數(shù)ASC_acknowledgeRelease()。主要用于處理查詢獲取服務(wù)處理的函數(shù)是類DcmQueryRetrieveSCP的私有成員函數(shù)dispatch()，在一個連接上，dispatch()函數(shù)通過while（）循環(huán)，可以處理服務(wù)C-ECHO、C-FIND、C-MOVE 和C-GET，正常情況下通過A-RELEASE-RQ退出循環(huán)。

其中函數(shù)ASC_receiveAssociation()由于處理DICOM連接請求，因此需要調(diào)用dul.cc中的處理上層協(xié)議的函數(shù)。其中最為重要的就是函數(shù)DUL_ReceiveAssociationRQ()，該函數(shù)會處理一些連接所用的私有參數(shù)，特別是它會調(diào)用函數(shù)receiveTransportConnectionTCP()處理一些底層的TCP連接的請求。該函數(shù)具有處理多進(jìn)程的功能，如linux下調(diào)用函數(shù)fork()，windows下調(diào)用WINAPI函數(shù)CreateProcess()。

對于一個查詢移動服務(wù)來說，同時處理來自不同AE的連接請求是一個基本的要求，遺憾的是類DcmQueryRetrieveSCP并不支持多進(jìn)程，因此需要修改代碼來實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程功能。選擇增加選項(xiàng)“--fork”來控制程序，以便使用receiveTransportConnectionTCP()函數(shù)中的多進(jìn)程代碼。不得不提的一個問題，函數(shù)waitForAssociation()調(diào)用的函數(shù)ASC_associationWaiting()中的函數(shù)select()會與函數(shù)receiveTransportConnectionTCP()中的函數(shù)select()相沖突，因此對ASC_associationWaiting()做了一定的修改，對處于底層的receiveTransportConnectionTCP()的代碼則保留不變。

組件dcmqrdb并不支持常用數(shù)據(jù)庫，如sqlserver，oracle等。用常用數(shù)據(jù)庫代替文本數(shù)據(jù)庫，需要對類DcmQ ueryRetrieveIndexDatabaseHandle進(jìn)行替換。由于該類繼承虛基類DcmQueryRetrieveDatabaseHandle，因此設(shè)計(jì)的用于操作常用數(shù)據(jù)庫的新類DcmQueryRetrieveSqlDatabaseHandle，仍使用虛基類提供的接口。同樣服務(wù)程序?qū)?shù)據(jù)庫操作使用的是Qt的QODBC編程。

4 結(jié)束語

本文描述了基于DCMTK開源庫構(gòu)建DICOM通訊服務(wù)程序的過程，并介紹了其基本實(shí)現(xiàn)所調(diào)用的DCMTK的函數(shù)和類。開發(fā)的DICOM服務(wù)程序的功能還有待完善，運(yùn)行的性能還需要進(jìn)一步的優(yōu)化，如在進(jìn)程間通訊、多線程管理和高效的數(shù)據(jù)庫訪問等方面還需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。

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