基于正電子發(fā)射斷層掃描系統(tǒng)的DICOM應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)

薛志鵬 馬創(chuàng)新 劉雙全 樊 馨 王海鵬

基于正電子發(fā)射斷層掃描系統(tǒng)的DICOM應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)

薛志鵬1,2馬創(chuàng)新1,2劉雙全1,2樊 馨1,2王海鵬1,2

目的 在人體PET設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)基于DICOM標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用系統(tǒng)。資料與方法 針對(duì)人體PET的應(yīng)用需求，應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了DICOM數(shù)據(jù)編碼、DICOM數(shù)據(jù)解析、DICOM圖像顯示以及DICOM通信功能。在此過(guò)程中，本研究改進(jìn)了DICOM數(shù)據(jù)解析的方法，并通過(guò)完成端口模型實(shí)現(xiàn)了DICOM通信服務(wù)端的高效率并發(fā)訪問(wèn)。結(jié)果 通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，本研究實(shí)現(xiàn)的DICOM應(yīng)用系統(tǒng)完成了人體PET對(duì)DICOM數(shù)據(jù)處理、圖像顯示以及通信的支持。結(jié)論 DICOM應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)自主研制的醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的應(yīng)用與市場(chǎng)推廣具有重要意義。

正電子發(fā)射斷層顯像術(shù)；DICOM 標(biāo)準(zhǔn)；應(yīng)用系統(tǒng)

圖像存檔與通信系統(tǒng)（picture archiving and communication systems, PACS）目前為國(guó)際上廣泛認(rèn)可并應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像的管理。醫(yī)院中的人體PET等醫(yī)學(xué)成像設(shè)備通過(guò)DICOM（digital image and communications in medicine）標(biāo)準(zhǔn)接入PACS系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的圖像管理[1]。DICOM即醫(yī)學(xué)數(shù)字影像與通訊，是國(guó)際上廣泛認(rèn)可并使用的醫(yī)療影像設(shè)備間通信和圖像交換的標(biāo)準(zhǔn)[2]。在美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，PACS的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，國(guó)外的醫(yī)療設(shè)備廠商所生產(chǎn)的PET/CT等設(shè)備也都對(duì)DICOM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了支持。國(guó)內(nèi)PACS的部署起步比較晚，對(duì)DICOM標(biāo)準(zhǔn)的研究還相對(duì)落后[3]。然而隨著PACS的推廣，自主研發(fā)的醫(yī)學(xué)成像設(shè)備對(duì)DICOM標(biāo)準(zhǔn)的支持勢(shì)在必行。因此，本研究旨在通過(guò)在人體PET設(shè)備上構(gòu)建基于DICOM標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)其對(duì)DICOM標(biāo)準(zhǔn)的支持。

1 資料與方法

為了實(shí)現(xiàn)人體PET上的DICOM應(yīng)用系統(tǒng)，本文依次進(jìn)行需求分析和功能實(shí)現(xiàn)，對(duì)DICOM數(shù)據(jù)解析的方法進(jìn)行改進(jìn)，并通過(guò)完成端口模型實(shí)現(xiàn)了DICOM通信過(guò)程中服務(wù)器的多用戶(hù)并發(fā)訪問(wèn)。

DICOM應(yīng)用系統(tǒng)的需求分析見(jiàn)圖1，其具體過(guò)程為：①人體PET采集到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)重建后要輸出為標(biāo)準(zhǔn)DICOM圖像文件，因此需要實(shí)現(xiàn)DICOM數(shù)據(jù)編碼功能；②為了解析DICOM圖像文件中的信息并顯示圖像，需要實(shí)現(xiàn)DICOM數(shù)據(jù)解析及圖像顯示的功能；③為了進(jìn)行DICOM圖像的傳輸，系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)DICOM通信功能。

圖1 需求分析

下面依次說(shuō)明DICOM數(shù)據(jù)編碼、解析、圖像顯示、通信功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，以及此過(guò)程中本研究的創(chuàng)新之處。

1.1 DICOM數(shù)據(jù)編碼的實(shí)現(xiàn) DICOM標(biāo)準(zhǔn)分為4個(gè)內(nèi)容層次描述醫(yī)學(xué)圖像信息：患者、檢查、序列、圖像，每個(gè)內(nèi)容層次都包含若干個(gè)DICOM數(shù)據(jù)元素。DICOM數(shù)據(jù)元素是描述醫(yī)學(xué)圖像信息的最小單位，每個(gè)數(shù)據(jù)元素都表示不同的內(nèi)容，如“患者”層次中的姓名、性別，“檢查”層次中的檢查號(hào)、檢查類(lèi)型等[4,5]。DICOM數(shù)據(jù)元素的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 DICOM數(shù)據(jù)元素結(jié)構(gòu)

由于不同類(lèi)型的醫(yī)學(xué)成像設(shè)備產(chǎn)生的圖像所包含的數(shù)據(jù)元素類(lèi)型及相應(yīng)的賦值方法不同，因此，進(jìn)行DICOM數(shù)據(jù)編碼最重要的工作之一就是針對(duì)成像設(shè)備的類(lèi)型及特點(diǎn)確定其所涉及的數(shù)據(jù)元素以及賦值方式。為此，本文對(duì)DICOM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)元素與PET設(shè)備工作過(guò)程中所涉及的各項(xiàng)參數(shù)的對(duì)照關(guān)系進(jìn)行研究，從而構(gòu)建了人體PET專(zhuān)用的數(shù)據(jù)模型，用于人體PET的DICOM數(shù)據(jù)編碼。

為了提高人體PET的數(shù)據(jù)編碼速度，本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)室PET的具體特點(diǎn)提供了專(zhuān)用的初始化函數(shù)，用來(lái)初始化其數(shù)據(jù)模型。如將表示采集模式的數(shù)據(jù)元素（0008,0060）設(shè)為默認(rèn)值PT，將表示序列類(lèi)型的數(shù)據(jù)元素（0054,1000）的value2設(shè)置為默認(rèn)值IMAGE等。

1.2 DICOM數(shù)據(jù)解析的改進(jìn) DICOM圖像文件是由4個(gè)內(nèi)容層次中所有的數(shù)據(jù)元素按照其標(biāo)簽的升序排列而成的。因此，DICOM數(shù)據(jù)解析的過(guò)程就是循環(huán)解析數(shù)據(jù)元素的過(guò)程。一次DICOM數(shù)據(jù)元素的解析過(guò)程為：①讀取數(shù)據(jù)元素的標(biāo)簽；②根據(jù)標(biāo)簽獲取數(shù)據(jù)元素的值多樣性以及值描述；③根據(jù)值多樣性以及讀取的值表示法、值域長(zhǎng)度來(lái)讀取數(shù)據(jù)元素的值。

對(duì)于循環(huán)讀取數(shù)據(jù)元素的過(guò)程，常規(guī)方法如圖3所示：首先從查詢(xún)起點(diǎn)開(kāi)始從上到下比較，直到找到數(shù)據(jù)元素所在的組；然后從該組第一項(xiàng)開(kāi)始從左到右依次比較，直至匹配組內(nèi)標(biāo)簽號(hào)。如果未找到，則舍棄該數(shù)據(jù)元素。此處循環(huán)查找的范圍取決于開(kāi)發(fā)人員對(duì)DICOM標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)元素內(nèi)容的理解程度、掌握范圍以及具體的應(yīng)用場(chǎng)景。這種方法雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是容易造成信息丟失，而且多次循環(huán)比較效率低，擴(kuò)展性也較差。

圖3 常規(guī)DICOM數(shù)據(jù)解析方法

因此，為了保證人體PET對(duì)信息讀取的完整性以及考慮到將來(lái)可能的擴(kuò)展性，本文對(duì)DICOM數(shù)據(jù)解析過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化，見(jiàn)圖4。首先，根據(jù)DICOM標(biāo)準(zhǔn)按照一定規(guī)則封裝了DICOM數(shù)據(jù)字典查詢(xún)表。數(shù)據(jù)字典查詢(xún)表是由子項(xiàng)按照標(biāo)簽升序排列起來(lái)的，子項(xiàng)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。對(duì)于DICOM圖像文件中每個(gè)數(shù)據(jù)元素，優(yōu)化后的方法可以根據(jù)其組標(biāo)簽號(hào)和組內(nèi)標(biāo)簽號(hào)在字典中快速定位，從而獲取其值表示法、值多樣性、內(nèi)容描述并讀取值。

圖4 優(yōu)化后的DICOM數(shù)據(jù)解析方法

圖5 數(shù)據(jù)字典查詢(xún)表子項(xiàng)結(jié)構(gòu)

本文通過(guò)windows系統(tǒng)函數(shù)對(duì)兩種DICOM數(shù)據(jù)解析方法的運(yùn)行速度進(jìn)行了測(cè)試：常規(guī)的解析方法解析一個(gè)DICOM圖像文件需要414 ms，而本文改進(jìn)的解析方法解析同一文件只需66 ms，速度提高了約6.27倍。對(duì)于一次采集產(chǎn)生的多層DICOM圖像文件，改進(jìn)后速度的提升效果更加明顯。由此可見(jiàn)，改進(jìn)后的方法保證了PET設(shè)備對(duì)DICOM數(shù)據(jù)解析的信息完整性以及自身可擴(kuò)展性的同時(shí)，也提高了運(yùn)行效率。

1.3 DICOM圖像顯示的實(shí)現(xiàn) DICOM圖像顯示是通過(guò)圖像數(shù)據(jù)以及相關(guān)參數(shù)配合工作實(shí)現(xiàn)的。本文在讀取了DICOM圖像原始數(shù)據(jù)后進(jìn)行了高低字節(jié)轉(zhuǎn)換、高位截取、scale反變換、調(diào)窗等操作后將圖像顯示在屏幕上。顯示后的圖像仍然可以進(jìn)行手動(dòng)調(diào)窗操作，從而獲得更好的顯示效果[6-8]。

1.4 DICOM通信功能的實(shí)現(xiàn) 人體PET通過(guò)DICOM通信功能與PACS系統(tǒng)進(jìn)行通信。在醫(yī)院的臨床診斷和治療活動(dòng)中，人體PET所涉及的DICOM通信包括：在PACS系統(tǒng)上存儲(chǔ)人體PET的圖像，查詢(xún)獲取PACS系統(tǒng)上的醫(yī)學(xué)圖像以及處理PACS系統(tǒng)發(fā)送來(lái)的圖像查詢(xún)獲取請(qǐng)求[9,10]。因此，基于上述需求分析，本文實(shí)現(xiàn)了DICOM圖像存儲(chǔ)和DICOM圖像查詢(xún)獲取客戶(hù)端和服務(wù)端程序，其中圖像存儲(chǔ)客戶(hù)端和服務(wù)端可以獨(dú)立工作，也可以作為圖像查詢(xún)獲取客戶(hù)端和服務(wù)端的子操作進(jìn)行工作。

由于在醫(yī)院的實(shí)際應(yīng)用中，服務(wù)端可能需要同時(shí)響應(yīng)來(lái)自閱片室、打印設(shè)備以及診斷中心等多個(gè)客戶(hù)端發(fā)送來(lái)的請(qǐng)求，所以通過(guò)socket通信中的I/O完成端口模型實(shí)現(xiàn)了服務(wù)端的多用戶(hù)并發(fā)訪問(wèn)，見(jiàn)圖6[11]。

圖6 IOCP服務(wù)端模型

I/O完成端口又稱(chēng)IOCP，是目前為止windows平臺(tái)上效率最高的多線(xiàn)程網(wǎng)絡(luò)編程模型，適用于具有高擴(kuò)展性的高性能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本文通過(guò)IOCP實(shí)現(xiàn)服務(wù)端的過(guò)程為：①創(chuàng)建服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)socket以及與服務(wù)socket綁定的IOCP的句柄，并進(jìn)行初始化；②創(chuàng)建監(jiān)聽(tīng)線(xiàn)程，用于監(jiān)聽(tīng)客戶(hù)端的請(qǐng)求；③當(dāng)監(jiān)聽(tīng)端口收到客戶(hù)端請(qǐng)求時(shí)就將該socket投入到①中創(chuàng)建的IOCP隊(duì)列中；④創(chuàng)建CPU數(shù)目×2個(gè)工作線(xiàn)程，線(xiàn)程循環(huán)調(diào)用Get Queued Completion Status函數(shù)來(lái)獲取IOCP隊(duì)列中當(dāng)前完成的socket；⑤工作線(xiàn)程可以處理socket的接收以及發(fā)送請(qǐng)求，讀取其中的DICOM消息，并通過(guò)DICOM功能模塊進(jìn)行解析處理。

IOCP采用線(xiàn)程池的方式響應(yīng)多用戶(hù)的請(qǐng)求，避免了“每個(gè)客戶(hù)端占用一個(gè)線(xiàn)程”而造成的系統(tǒng)資源浪費(fèi)。本文采用IOCP實(shí)現(xiàn)的服務(wù)端，不僅保證了線(xiàn)程安全，也提高了運(yùn)行效率。

2 結(jié)果

為了驗(yàn)證DICOM應(yīng)用系統(tǒng)的性能以及是否滿(mǎn)足人體PET的功能需求，本研究對(duì)實(shí)現(xiàn)后的DICOM應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試?？傮w測(cè)試分為兩部分：DICOM數(shù)據(jù)處理功能測(cè)試和DICOM通信功能測(cè)試。

DICOM數(shù)據(jù)處理功能測(cè)試旨在驗(yàn)證人體PET對(duì)DICOM數(shù)據(jù)的處理能力，具體測(cè)試過(guò)程如下：①讀取已有的人體PET的DICOM圖像文件；②對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過(guò)DICOM數(shù)據(jù)編碼模塊存儲(chǔ)為新的DICOM文件；③通過(guò)DICOM數(shù)據(jù)解析模塊讀取上面的DICOM文件，并通過(guò)DICOM圖像顯示模塊顯示圖像。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7，提示DICOM應(yīng)用系統(tǒng)可以完成對(duì)DICOM數(shù)據(jù)的編碼、解析以及圖像的顯示。

圖7 DICOM數(shù)據(jù)處理功能測(cè)試結(jié)果

DICOM通信功能測(cè)試旨在驗(yàn)證DICOM應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)通信功能的支持。測(cè)試過(guò)程使用DVT（DICOM有效性測(cè)試工具）模擬QR_SCP（角色相當(dāng)于PACS）與本文實(shí)現(xiàn)的QR_SCU程序進(jìn)行DICOM通信[12]。具體測(cè)試過(guò)程如下：①Q(mào)R_SCU以檢查號(hào)Study Instance UID為關(guān)鍵字查詢(xún)QR_SCP上所保存的所有檢查的檢查號(hào)，查詢(xún)結(jié)果如圖8中表Study Level所示，共有5項(xiàng)；②QR_SCU以5項(xiàng)檢查的檢查號(hào)為關(guān)鍵字請(qǐng)求獲取QR_SCP上所有符合該檢查號(hào)的DICOM圖像文件，獲取結(jié)果見(jiàn)圖8中Files所示，共有17項(xiàng)文件；③將獲取的所有圖像通過(guò)圖像顯示模塊進(jìn)行顯示，并與原圖進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖9。

DICOM應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)DICOM通信成功查詢(xún)到5項(xiàng)檢查，并獲取17項(xiàng)DICOM圖像文件。通過(guò)圖9的對(duì)比可以說(shuō)明DICOM圖像在傳輸過(guò)程中的正確性，進(jìn)而說(shuō)明人體PET的DICOM應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于DICOM標(biāo)準(zhǔn)的通信。

圖8 QR_SCU運(yùn)行截圖

圖9 原圖像（A）與C-STORE接收到的圖像（B）顯示對(duì)比

3 討論

人體PET上的DICOM應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需求分析進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)以及實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)測(cè)試，可以驗(yàn)證DICOM應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)DICOM數(shù)據(jù)處理、圖像顯示以及DICOM通信功能進(jìn)行了有效的支持，從而實(shí)現(xiàn)了人體PET對(duì)DICOM標(biāo)準(zhǔn)的支持，使之具備了接入PACS的能力。隨著PACS的快速普及，醫(yī)學(xué)成像設(shè)備對(duì)DICOM標(biāo)準(zhǔn)的支持已經(jīng)成為必然。因此，本文實(shí)現(xiàn)的DICOM應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)自主研發(fā)的醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的應(yīng)用與推廣具有重要意義。

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（責(zé)任編輯 張春輝）

Development of DICOM Application System Based on Positron Emission Tomography System

XUE Zhipeng MA Chuangxin LIU Shuangquan FAN Xin WANG Haipeng

Purpose To accomplish an application system based on DICOM standard in human body PET device.Materials and Methods To meet the application requirements for human body PET, DICOM data encoding, DICOM data analysis, DICOM image display and DICOM communication functions were accomplished by the application system. In the before mentioned processes, DICOM data analysis method was improved in this study and high efficiency concurrent access of the DICOM communication services side was implemented by the completion of the port models.Results It was verified by testing that the DICOM application system in this study was able to support the DICOM data processing, image display and communication function for human body PET system. Conclusion The accomplishment of DICOM application system is significantly important to the application and marketing of self-developed medical imaging equipment.

Positron-emission tomography; DICOM standard; Application system

10.3969/j.issn.1005-5185.2013.08.018

1. 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所核分析技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100049

2. 北京市射線(xiàn)成像技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心 北京 100049

馬創(chuàng)新

Key Laboratory of Nuclear Analytical Techniques, Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Address Correspondence to: MA Chuangxin

E-mail: machx@ihep.ac.cn

R445.6

2013-05-17

修回日期：2013-07-22

中國(guó)醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志

2013年 第21卷 第8期：624-627

Chinese Journal of Medical Imaging

2013 Volume 21(8): 624-627