DICOM與醫學成像

邱元陽

編者按：信息技術在社會生活中的應用已經滲透到各個行業，對于現在的我們來說早已司空見慣。如果時間往前再推二十年，也許我們只是在銀行和醫院才能看到信息化的應用。在醫療領域中，信息化技術和手段應用較早并且較普遍，醫療機構的信息管理系統和信息網絡傳輸甚至要早于超市基于條碼掃描的購物結算系統，尤其是醫學成像部分，我們很早就已經接觸到。目前，遠程醫療、影像中心也逐漸走進人們的視野。主持人和嘉賓將分兩期對這一問題進行探討，也歡迎您積極參與。

● 醫學成像的分類

醫學成像是借助于某種介質與人體的相互作用，把人體內部組織、器官的形態結構、密度、功能等以圖像的方式表達出來，從而對人體健康狀況進行判斷的技術。

我們去醫院拍片時，會遇到各種各樣的術語，如DR、CT、MRI等，它們決定了用什么機器，通過什么方式來對我們的身體進行掃描和成像。

從成像過程來說，醫學成像大致由能量發射源、效應組織、探測器、處理和顯示設備幾部分組成（如圖1）。

從成像的目的功能上看，醫學圖像又可分為結構圖像、功能圖像和其他類型圖像。但比較常見的還是從技術特點上進行分類，這也是我們平時見到的類別。

1.X射線成像（X-ray）

X射線能夠穿透人體組織，常用于胸部透視和四肢骨骼檢查，是最早應用和使用最普遍的醫學影像技術，在臨床診斷上價值很高。根據穿透組織后的X射線強度，可以分辨組織厚度及密度差異，顯示病變部位形狀。采用數字技術，在計算機控制下直接進行數字化X射線攝影的成像技術則稱為DR（Digital Radiography），如圖2所示。DR成像速度快，X射線輻射低，圖像可進行后期處理，并且方便網絡傳輸。

2.計算機X射線斷層掃描（CT）

用X射線束對人體某部位一定厚度的層面進行掃描，由探測器接收透過該層面的X射線，轉變為可見光后，由光電轉換變為電信號，再經過數字化輸入計算機處理。斷層掃描所得的每個點的信息排列成矩陣，經數字化后轉換為灰度像素點，再按矩陣排列CT圖像。CT圖像是重建圖像，可顯示被檢查部位的斷面或立體的圖像，發現體內任何部位的細小病變，常用于腦部、胸部掃描。在傳統CT的基礎上，還誕生了螺旋CT（如下頁圖3），它采用滑環技術，使X射線管和探測器沿人體長軸連續勻速旋轉，掃描床同步勻速遞進，掃描軌跡呈螺旋狀前進，可快速、不間斷地完成容積掃描，得到真正的三維重建圖像，并能實時成像。

3.核磁共振成像（MRI）

生物體中的原子核在外加磁場的作用下接受特定射頻脈沖時會發生共振現象，把這種共振用圖像表達出來，可以反映人體組織中質子狀態的差異，揭示組織形態和生理、生化信息。通過磁場的改變，就能獲得各種斷面的體層圖像，如腦和脊髓的立體圖像。肌肉、骨骼系統也適于做核磁共振成像（如圖4）。

4.核醫學成像（RNI）

核醫學成像又稱放射性核素成像，用圖像信號反映體內放射性核素的濃度分布，顯示形態學信息和功能信息。這種影像取決于組織的血流、細胞功能和數量、代謝活性、排泄引流情況等因素，而不是組織的密度變化，因而是一種功能性影像，其清晰度取決于臟器或組織的功能狀態，可以反映出由病變而引起的形態學改變，具有較高早期診斷價值。

5.超聲波成像（USG）

超聲波具有良好的指向性和明顯的反射、折射、衰減規律及多普勒效應等，因而可通過超聲回波反映人體組織的聲學特性，信號經處理后可動態顯示器官的大小和形狀，方便直觀地對疾病做出診斷。最常見的是B型超聲成像，簡稱B超，常用于腹部軟組織結構顯像。

6.多普勒成像（DFI）

聲波都具有多普勒效應，當聲源與反射體之間有相對運動時，回聲的頻率有所改變，稱之為頻移。超聲頻移診斷法，即D超，包括脈沖多普勒、連續多普勒和彩色多普勒血流圖像。彩色多普勒超聲（即彩超）一般是用自相關技術進行多普勒信號處理，把獲得的血流信號經彩色編碼后實時地疊加在黑白B超的二維圖像上，形成彩色多普勒超聲血流圖像。彩超既具有二維超聲結構圖像的優點，又提供了血流動力學的豐富信息，在臨床上可實現“非創傷性血管造影”。

以上這些技術，實際上都歸屬于四類，即X射線成像、核磁共振成像、核醫學成像和超聲波成像，它們的應用最為廣泛，被稱為四大醫學成像技術。此外，還有阻抗成像、熱成像、微波成像、光學成像、γ閃爍成像、發射體層成像等多種成像技術。

醫學成像技術是物理學、電子技術、計算機技術、工程數學、材料科學、網絡和通信技術等多種學科和技術相互滲透的結果，在臨床應用和數據交換的復雜性上，需要一個統一的標準來進行規范。

● DICOM的誕生

說到醫學成像，不能不提DICOM。

上述各種醫學成像技術，它們所使用的設備、實現原理、成像方法、圖像輸出方式、數據交換格式、信息傳輸模式等各不相同，如果沒有統一的標準來定義能滿足臨床需要的可用于數據交換的醫學圖像格式，在PACS（圖像歸檔和傳輸系統）和HIS（醫院信息系統）等系統中就無法方便地利用，遠程會診和檔案調閱更是無法實現。

這個標準，最常見的就是DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine），即醫學數字成像和通信，是醫學圖像和相關信息的國際標準（ISO 12052）。

隨著以CT為代表的數字成像診斷設備在臨床上的廣泛應用，為推動不同制造商的設備間數字圖像信息通信標準的建立，為不同診斷設備創建統一的診斷信息數據庫并與其他醫院信息系統進行交互，美國放射學院（ACR）和國家電氣制造協會（NEMA）在1983年成立了一個聯合委員會ACR-NEMA，并于1985年發布了最初DICOM的1.0版本，1988年推出2.0版本。1993年，DICOM標準3.0發布并沿用至今，成為醫學影像信息學領域的國際通用標準。

DICOM標準中涵蓋了醫學數字圖像的采集、歸檔、通信、顯示及查詢等幾乎所有信息交換的協議，以開放互聯的架構和面向對象的方法定義了一套包含各種類型的醫學診斷圖像及其相關的分析、報告等信息的對象集，定義了用于信息傳遞、交換的服務類與命令集，以及消息的標準響應，詳述了唯一標識各類信息對象的技術，提供了應用于網絡環境（OSI或TCP/IP）的服務支持，結構化地定義了制造廠商的兼容性聲明（Conformance Statement）。

有了DICOM，昂貴的醫療診斷設備就可以實現一定范圍內的共享，診斷圖像的輸出更為方便，醫生能隨時隨地調閱這些醫學圖像，實現無膠片診斷，甚至是遠程會診。在RIS（放射學信息系統）和PACS（圖像歸檔和傳輸系統）的配合下，這些圖像數據還能與HIS（醫院信息系統）完美對接，形成完善的醫療診斷系統。

● DICOM的文件格式

DICOM規范下的醫學圖像的文件格式一般以“.dcm”為擴展名。要顯示和打印DCM文件，就需要讀取這種文件的格式。

DCM文件的文件頭最前面是128字節的導言，然后是4個字節的4個字符“DICM”，用來表明這是一個DCM文件。后面才是數據元素，多個數據元素一直排到文件的結尾（如圖5）。

每段數據元素以4個字節的標識符（tag）開始，類似于數據庫的字段定義，可以用來表明元信息長度、標題、文本編碼、協議名稱、成像時間、檢查日期、成像儀器、設備廠商、病人姓名、影像編號、像素采樣、圖像模式、窗位窗寬、數據起點等多種信息。而值表示法（VR）則用2個字節定義數據類型，數據元素的后部才是數據，由Len來指定它的長度。數據值采用記錄每個像素值的方式來描述圖像，這有些類似于BMP位圖，為程序讀取文件中的影像部分提供了便利。

需要注意的是，DCM文件的像素數據部分是用12級灰度來定義的，這么豐富的灰度級別我們一般不能全部用上，而是只取需要的部分，即所謂的“窗寬”，這個范圍的上下界就是“窗位”。上界以上的部分全部視為白色，下界以下的部分全部視為黑色，這樣根據不同的需要，就可以有不同的窗位窗寬，用8位灰度（256級）就可以表示出來了。當然，由原來全部信息的12位灰度變為部分信息的8位灰度，做一下簡單的數學映射即可。

在一般的電腦上，如果要查看DCM文件，可以使用DICOM圖像瀏覽器（如Sante DICOM Viewer、DICOM Medical Image Viewer、ezDICOM等），或者使用DICOM文件格式轉換工具（如MRI Convert、 Dicom Digital Jacket、DICOM to Video等），把DCM文件轉換成圖片或視頻格式進行查看。

DCM文件不是一般的圖片，信息比較豐富，如果需要更多的功能，如對DICOM格式文件進行編輯，對圖像進行轉換壓縮和處理，或者進行3D重建、窗位變換以及PACS系統定制開發，就需要用到專業的DICOM開發工具包了。

● DICOM的網絡傳輸

DICOM定義了DCM格式的文檔，用來保存和交換醫學成像信息，這些信息需要遵循DICOM協議，實現從醫療設備到數據中心之間的傳輸。

網絡軟件的架構有C/S模式（Client/Server，客戶端/服務器）和B/S模式（Brower/Server，瀏覽器/服務器）。B/S模式架構建立在廣域網上，適應范圍廣，只要有操作系統和瀏覽器就行，對安全的控制能力相對較弱，面向的是不可知的用戶群。而C/S模式架構建立在專用網絡上，一般是小范圍的局域網環境，通過專門的服務器提供連接和數據交換服務，對信息安全的控制能力很強，可用于高度機密的信息系統。DICOM一般建立在醫療機構內部，因此多采用C/S模式進行服務和數據傳輸，當然它也可以使用B/S模式架構。

在C/S模式下，DICOM中的Server稱為SCP（Service Class Provider，服務類提供者），Client稱為SCU（Service Class User，服務類用戶），連接則稱為Association（對應于OSI模型中的Connection）。要建立DICOM連接，客戶端SCU會向服務端SCP發送Association連接請求消息，描述此次連接的目的和設置，服務端接收到請求信息后，確認自己是否支持相關服務并給出響應信息（Response Message）。如果服務端支持客戶端請求的某些服務，就會發送確認信息（Association Acknowledge），表明此次連接完成，否則就發送拒絕信息（Association Reject），通知客戶端連接失敗。連接成功建立后，客戶端和服務端就可以進行11類信息的交互（如圖6）。

例如，門診醫生要查閱相關病人的CT圖像，他所使用的電腦和上面安裝的相關軟件就屬于SCU，查閱請求會發送到醫院數據中心的服務器上，服務器及其上面的軟件和數據庫就屬于SCP，會響應醫生發來的請求，查詢到相關信息后反饋到醫生的電腦上，在客戶端軟件的界面上顯示出來。這些請求不僅可以是查詢、顯示請求，也可以是歸檔、打印輸出請求，打印請求一般由DICOM協議的打印服務器軟件來協調。

● DICOM的打印輸出

很多時候DICOM圖像還是需要打印輸出的，特別是需要病人留存的時候。

醫學影像的打印輸出可以分為兩種：一種是醫療機構的打印，另一種是個人打印方式。部分診所限于系統功能，也會采用個人打印方式。醫院里打印各種圖像一般是通過成像設備與打印設備連接，或者成像設備通過DICOM連接到局域網上來進行打印的。

一般大醫院里都是DICOM支持下的打印輸出，基于RIS或HIS系統，在PACS系統的統一管理下，打印輸出只是醫療管理的一部分，在相應的管理軟件中都已集成了這些功能。而小型醫院的打印，常常是依靠支持DICOM協議的打印機，或者是在DICOM打印服務器的支持下進行。

個人方式的打印，是從電腦上查看和打印DCM文件，完全可以像普通圖片那樣進行打印輸出。

根據醫學成像和類別，打印輸出的介質也有所不同。心電圖常常是用墨水式繪圖儀輸出到坐標紙上，B超和彩超則是激光打印機打印到普通的復印紙上，而DR、CT、MRI則需要輸出到膠片上，可以使用噴墨打印機或激光打印機來打印膠片，而在數字化之前，卻可能是專門的感光設備來生成膠片。

醫學成像技術是現代醫療診斷的重要手段，其技術發展也引導著臨床診斷的進步和變革。隨著醫院信息化和現代化水平的提升，醫學成像已進入了全新的數字時代。而DICOM標準的推出與應用，極大簡化了醫學影像信息的交換，推動了遠程醫療、現代放射學、圖像管理與通信系統（PACS）的科研進步，其開放性與互聯特點也使得它獨步醫學成像領域，并積極與其他醫學應用系統集成。下一期，我們將繼續討論DICOM的點滴應用。