基于偽彩色的DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像顯示方法

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(濟南大學(xué) a. 信息科學(xué)與工程學(xué)院; b. 山東省網(wǎng)絡(luò)環(huán)境智能技術(shù)重點實驗室， 山東 濟南 250022)

醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(digital imaging and communications in medicine, DICOM)[1]是使醫(yī)學(xué)圖像及相關(guān)信息在不同系統(tǒng)和應(yīng)用之間交換的一種國際通用標(biāo)準(zhǔn)。 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(yī)學(xué)圖像的相應(yīng)規(guī)范。 1993年， ACR-NEMA發(fā)布了一套統(tǒng)一的規(guī)范， 命名為DICOM 3.0[2-3]， 這一規(guī)范逐步成為醫(yī)學(xué)圖像信息學(xué)領(lǐng)域的國際通用標(biāo)準(zhǔn)。

DICOM廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域， 例如放射醫(yī)療、 心血管成像、 X射線、 核磁共振等。 DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像中包含許多信息[4-6]， 其中最主要的是圖像的數(shù)據(jù)位， 數(shù)據(jù)位中的數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)圖像， 一是使用專門的軟件，二是將DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像轉(zhuǎn)換成其他圖像格式。在對DICOM標(biāo)準(zhǔn)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(diào)[7]，如果要觀察DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像中的細節(jié)部分，就需要另開窗口，單獨對這一區(qū)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(biāo)準(zhǔn)圖像進行格式轉(zhuǎn)換時通常采用的是加窗技術(shù)[8-9]，轉(zhuǎn)換的格式一般為BMP[10]。加窗技術(shù)是利用一個窗口，將窗口區(qū)域內(nèi)的圖像線性地轉(zhuǎn)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(shè)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(diào)和亮度。 如果DICOM標(biāo)準(zhǔn)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(qū)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)量遠遠大于DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像中的65 536個灰度級，因此DICOM標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)圖像中的數(shù)據(jù)元素最大為16位，將16位的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)元素轉(zhuǎn)換成十進制，并通過亮度調(diào)節(jié)系數(shù)分別賦值到B、G和R顏色通道中，通過此方法將DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像轉(zhuǎn)化為偽彩色圖像。

1 相關(guān)知識

1.1 DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像文件格式解析

典型的DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像文件分為文件頭和數(shù)據(jù)集2個部分。

文件頭包括導(dǎo)言和前綴，數(shù)據(jù)集至少包括1個數(shù)據(jù)元素。每個數(shù)據(jù)元素有4個域，分別是標(biāo)識符(tag)、數(shù)據(jù)類型(value representation)、數(shù)據(jù)長度(value length)和數(shù)據(jù)域(value field)，其中的數(shù)據(jù)域是可選擇的，圖1所示為DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像文件格式示意圖。

導(dǎo)言長128字節(jié)，可以將文件的相關(guān)說明放在導(dǎo)言里面。

圖1 DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像文件格式示意圖

前綴長4字節(jié)，為大寫字符“D”、“I”、“C”、“M”。

標(biāo)識符為占4個字節(jié)的無符號整數(shù)，DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像中所有的數(shù)據(jù)元素都可以用標(biāo)識符進行唯一表示。

數(shù)據(jù)類型為占2個字節(jié)的字符串，指明該數(shù)據(jù)元素中的數(shù)據(jù)是哪種類型。數(shù)據(jù)類型取決于協(xié)商的傳輸數(shù)據(jù)類型，DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像文件中規(guī)定顯式(explicit VR)和隱式(implicit VR)2種傳輸格式。顯式傳輸時，數(shù)據(jù)類型必須存在；隱式傳輸時，數(shù)據(jù)類型必須省略。

數(shù)據(jù)長度為占2個或4個字節(jié)的無符號偶數(shù)值，指明了數(shù)據(jù)域的長度。

數(shù)據(jù)域存放的是真正的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以有多個值，但是總的長度必須是偶數(shù)，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(biāo)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(biāo)軸，當(dāng)R、G、B取值為0時，即坐標(biāo)原點，表示黑色；當(dāng)R、G、B取值為最大時，表示白色；當(dāng)R、G、B數(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)圖像的灰度級為65 536，需要解決的問題是根據(jù)人眼對顏色信息的敏感度，如何將DICOM標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)圖像中的細微差別。

(a)RGB笛卡爾坐標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)圖像是單通道圖像。如果將DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像映射到RGB顏色空間中，需要將DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像中的灰度級劃分為3個部分，對應(yīng)于彩色圖像中的3個顏色通道。劃分方法是將DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像中的像素值轉(zhuǎn)化為二進制；然后根據(jù)人眼對紅、綠、藍顏色的敏感程度，將二進制數(shù)值劃分為3個部分；彩色圖像中的像素值為十進制數(shù)值，將劃分后的二進制數(shù)值映射到RGB顏色空間中，需要將二進制數(shù)值轉(zhuǎn)化為十進制數(shù)值，并分別賦值到3個顏色通道中。

DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像在用偽彩色進行顯示時，首先提取DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像中的灰度級A，接著將灰度級A轉(zhuǎn)化為16位的二進制數(shù)值B；然后將B劃分為B1、B2和B3，其中B1為二進制數(shù)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(zhuǎn)換為十進制數(shù)D1、D2和D3；最后根據(jù)式(1)計算出圖像亮度調(diào)節(jié)系數(shù)ri，藍、綠和紅顏色分量的數(shù)值為D1r1、D2r2和D3r3。

ri=28-ni，i=1,2,3 。

(1)

圖3所示為DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像轉(zhuǎn)換成偽彩色圖像流程圖。

圖3 DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像轉(zhuǎn)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(jù)此原則，通過調(diào)整參數(shù)n1、n2和n3，最終通過人眼觀察顯示效果確定出最優(yōu)方案。圖4所示為DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像，圖5所示為參數(shù)n1=3，n2=7，n3=6時偽彩色圖像，圖6所示為參數(shù)n1=5，n2=6，n3=5時偽彩色圖像，圖7所示為參數(shù)n1=3，n2=8，n3=5時偽彩色圖像，圖8所示為參數(shù)n1=4，n2=7，n3=5時偽彩色圖像。

(a)DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像1 (b)DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像2圖4 DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像

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

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

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

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

觀察圖像顯示效果，由圖5和圖7可知，圖像中的目標(biāo)區(qū)域過暗；由圖6可知，圖像中的部分細節(jié)區(qū)域不易區(qū)分；由圖8可知，圖像的顯示效果最佳，所以確定最優(yōu)參數(shù)為n1=4，n2=7，n3=5。

3 實驗結(jié)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(nèi)存為10 GB。DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像樣本取自于DICOM Image Library，選取了數(shù)據(jù)庫中的7個數(shù)據(jù)集，包括上額竇、腳部關(guān)節(jié)、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(jié)果對比效果圖。

(a)DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像 (b)偽彩色圖像圖9 上額竇實驗結(jié)果對比效果圖

(a)DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像 (b)偽彩色圖像圖10 腳部關(guān)節(jié)1實驗結(jié)果對比效果圖

(a)DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像 (b)偽彩色圖像圖11 腳部關(guān)節(jié)2實驗結(jié)果對比效果圖

(a)DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像 (b)偽彩色圖像圖12 冠狀動脈實驗結(jié)果對比效果圖

(a)DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像 (b)偽彩色圖像圖13 腹腔1實驗結(jié)果對比效果圖

(a)DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像 (b)偽彩色圖像圖14 腹腔2實驗結(jié)果對比效果圖

(a)DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像 (b)偽彩色圖像圖15 腦部實驗結(jié)果對比效果圖

(a)DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像 (b)偽彩色圖像圖16 頭顱實驗結(jié)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(jié)果評價， 將從人們的主觀視覺角度出發(fā)，即通過人眼觀察DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像和偽彩色圖像的顯示效果。在DICOM標(biāo)準(zhǔn)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(qū)域之間灰度級近似，因此人們很難直接觀察到區(qū)域之間的細微差別，如圖17(a)中藍色標(biāo)記區(qū)域所示。轉(zhuǎn)換成偽彩色圖像后，不同的區(qū)域會以不同的顏色來進行區(qū)分，區(qū)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(biāo)記區(qū)域所示。

(a)DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像 (b)偽彩色圖像圖17 上額竇實驗結(jié)果對比效果圖

基于偽彩色的DICOM圖像顯示方法的創(chuàng)新點在于將DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像轉(zhuǎn)化為偽彩色圖像以后，人眼可以直接觀察到DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像中的細微差別，不需要再另開窗口對某一區(qū)域進行單獨顯示。

4 結(jié)語

本文中提出了一種基于偽彩色的DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像顯示方法， 將DICOM標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)圖像轉(zhuǎn)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(qū)域的細節(jié)部分。

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

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