薛志鹏 马创新 刘双全 樊 馨 王海鹏

基于正电子发射断层扫描系统的DICOM应用系统的研发

薛志鹏1,2马创新1,2刘双全1,2樊 馨1,2王海鹏1,2

目的 在人体PET设备上，实现基于DICOM标准的应用系统。资料与方法 针对人体PET的应用需求，应用系统实现了DICOM数据编码、DICOM数据解析、DICOM图像显示以及DICOM通信功能。在此过程中，本研究改进了DICOM数据解析的方法，并通过完成端口模型实现了DICOM通信服务端的高效率并发访问。结果 通过测试验证，本研究实现的DICOM应用系统完成了人体PET对DICOM数据处理、图像显示以及通信的支持。结论 DICOM应用系统的实现，对自主研制的医学成像设备的应用与市场推广具有重要意义。

正电子发射断层显像术；DICOM 标准；应用系统

图像存档与通信系统（picture archiving and communication systems, PACS）目前为国际上广泛认可并应用于医学图像的管理。医院中的人体PET等医学成像设备通过DICOM（digital image and communications in medicine）标准接入PACS系统进行统一的图像管理[1]。DICOM即医学数字影像与通讯，是国际上广泛认可并使用的医疗影像设备间通信和图像交换的标准[2]。在美国等发达国家，PACS的发展已经比较成熟，国外的医疗设备厂商所生产的PET/CT等设备也都对DICOM标准进行了支持。国内PACS的部署起步比较晚，对DICOM标准的研究还相对落后[3]。然而随着PACS的推广，自主研发的医学成像设备对DICOM标准的支持势在必行。因此，本研究旨在通过在人体PET设备上构建基于DICOM标准的应用系统，从而实现其对DICOM标准的支持。

1 资料与方法

为了实现人体PET上的DICOM应用系统，本文依次进行需求分析和功能实现，对DICOM数据解析的方法进行改进，并通过完成端口模型实现了DICOM通信过程中服务器的多用户并发访问。

DICOM应用系统的需求分析见图1，其具体过程为：①人体PET采集到的原始数据经过数据重建后要输出为标准DICOM图像文件，因此需要实现DICOM数据编码功能；②为了解析DICOM图像文件中的信息并显示图像，需要实现DICOM数据解析及图像显示的功能；③为了进行DICOM图像的传输，系统需要实现DICOM通信功能。

图1 需求分析

下面依次说明DICOM数据编码、解析、图像显示、通信功能的实现过程，以及此过程中本研究的创新之处。

1.1 DICOM数据编码的实现 DICOM标准分为4个内容层次描述医学图像信息：患者、检查、序列、图像，每个内容层次都包含若干个DICOM数据元素。DICOM数据元素是描述医学图像信息的最小单位，每个数据元素都表示不同的内容，如“患者”层次中的姓名、性别，“检查”层次中的检查号、检查类型等[4,5]。DICOM数据元素的结构见图2。

图2 DICOM数据元素结构

由于不同类型的医学成像设备产生的图像所包含的数据元素类型及相应的赋值方法不同，因此，进行DICOM数据编码最重要的工作之一就是针对成像设备的类型及特点确定其所涉及的数据元素以及赋值方式。为此，本文对DICOM标准规定的数据元素与PET设备工作过程中所涉及的各项参数的对照关系进行研究，从而构建了人体PET专用的数据模型，用于人体PET的DICOM数据编码。

为了提高人体PET的数据编码速度，本文根据实验室PET的具体特点提供了专用的初始化函数，用来初始化其数据模型。如将表示采集模式的数据元素（0008,0060）设为默认值PT，将表示序列类型的数据元素（0054,1000）的value2设置为默认值IMAGE等。

1.2 DICOM数据解析的改进 DICOM图像文件是由4个内容层次中所有的数据元素按照其标签的升序排列而成的。因此，DICOM数据解析的过程就是循环解析数据元素的过程。一次DICOM数据元素的解析过程为：①读取数据元素的标签；②根据标签获取数据元素的值多样性以及值描述；③根据值多样性以及读取的值表示法、值域长度来读取数据元素的值。

对于循环读取数据元素的过程，常规方法如图3所示：首先从查询起点开始从上到下比较，直到找到数据元素所在的组；然后从该组第一项开始从左到右依次比较，直至匹配组内标签号。如果未找到，则舍弃该数据元素。此处循环查找的范围取决于开发人员对DICOM标准数据元素内容的理解程度、掌握范围以及具体的应用场景。这种方法虽然实现简单，但是容易造成信息丢失，而且多次循环比较效率低，扩展性也较差。

图3 常规DICOM数据解析方法

因此，为了保证人体PET对信息读取的完整性以及考虑到将来可能的扩展性，本文对DICOM数据解析过程进行了优化，见图4。首先，根据DICOM标准按照一定规则封装了DICOM数据字典查询表。数据字典查询表是由子项按照标签升序排列起来的，子项的结构见图5。对于DICOM图像文件中每个数据元素，优化后的方法可以根据其组标签号和组内标签号在字典中快速定位，从而获取其值表示法、值多样性、内容描述并读取值。

图4 优化后的DICOM数据解析方法

图5 数据字典查询表子项结构

本文通过windows系统函数对两种DICOM数据解析方法的运行速度进行了测试：常规的解析方法解析一个DICOM图像文件需要414 ms，而本文改进的解析方法解析同一文件只需66 ms，速度提高了约6.27倍。对于一次采集产生的多层DICOM图像文件，改进后速度的提升效果更加明显。由此可见，改进后的方法保证了PET设备对DICOM数据解析的信息完整性以及自身可扩展性的同时，也提高了运行效率。

1.3 DICOM图像显示的实现 DICOM图像显示是通过图像数据以及相关参数配合工作实现的。本文在读取了DICOM图像原始数据后进行了高低字节转换、高位截取、scale反变换、调窗等操作后将图像显示在屏幕上。显示后的图像仍然可以进行手动调窗操作，从而获得更好的显示效果[6-8]。

1.4 DICOM通信功能的实现 人体PET通过DICOM通信功能与PACS系统进行通信。在医院的临床诊断和治疗活动中，人体PET所涉及的DICOM通信包括：在PACS系统上存储人体PET的图像，查询获取PACS系统上的医学图像以及处理PACS系统发送来的图像查询获取请求[9,10]。因此，基于上述需求分析，本文实现了DICOM图像存储和DICOM图像查询获取客户端和服务端程序，其中图像存储客户端和服务端可以独立工作，也可以作为图像查询获取客户端和服务端的子操作进行工作。

由于在医院的实际应用中，服务端可能需要同时响应来自阅片室、打印设备以及诊断中心等多个客户端发送来的请求，所以通过socket通信中的I/O完成端口模型实现了服务端的多用户并发访问，见图6[11]。

图6 IOCP服务端模型

I/O完成端口又称IOCP，是目前为止windows平台上效率最高的多线程网络编程模型，适用于具有高扩展性的高性能网络服务器的设计与实现。本文通过IOCP实现服务端的过程为：①创建服务器监听socket以及与服务socket绑定的IOCP的句柄，并进行初始化；②创建监听线程，用于监听客户端的请求；③当监听端口收到客户端请求时就将该socket投入到①中创建的IOCP队列中；④创建CPU数目×2个工作线程，线程循环调用Get Queued Completion Status函数来获取IOCP队列中当前完成的socket；⑤工作线程可以处理socket的接收以及发送请求，读取其中的DICOM消息，并通过DICOM功能模块进行解析处理。

IOCP采用线程池的方式响应多用户的请求，避免了“每个客户端占用一个线程”而造成的系统资源浪费。本文采用IOCP实现的服务端，不仅保证了线程安全，也提高了运行效率。

2 结果

为了验证DICOM应用系统的性能以及是否满足人体PET的功能需求，本研究对实现后的DICOM应用系统进行了测试。总体测试分为两部分：DICOM数据处理功能测试和DICOM通信功能测试。

DICOM数据处理功能测试旨在验证人体PET对DICOM数据的处理能力，具体测试过程如下：①读取已有的人体PET的DICOM图像文件；②对读取的数据进行处理，并通过DICOM数据编码模块存储为新的DICOM文件；③通过DICOM数据解析模块读取上面的DICOM文件，并通过DICOM图像显示模块显示图像。测试结果见图7，提示DICOM应用系统可以完成对DICOM数据的编码、解析以及图像的显示。

图7 DICOM数据处理功能测试结果

DICOM通信功能测试旨在验证DICOM应用系统对通信功能的支持。测试过程使用DVT（DICOM有效性测试工具）模拟QR_SCP（角色相当于PACS）与本文实现的QR_SCU程序进行DICOM通信[12]。具体测试过程如下：①QR_SCU以检查号Study Instance UID为关键字查询QR_SCP上所保存的所有检查的检查号，查询结果如图8中表Study Level所示，共有5项；②QR_SCU以5项检查的检查号为关键字请求获取QR_SCP上所有符合该检查号的DICOM图像文件，获取结果见图8中Files所示，共有17项文件；③将获取的所有图像通过图像显示模块进行显示，并与原图进行对比，结果见图9。

DICOM应用系统通过DICOM通信成功查询到5项检查，并获取17项DICOM图像文件。通过图9的对比可以说明DICOM图像在传输过程中的正确性，进而说明人体PET的DICOM应用系统实现了基于DICOM标准的通信。

图8 QR_SCU运行截图

图9 原图像（A）与C-STORE接收到的图像（B）显示对比

3 讨论

人体PET上的DICOM应用系统根据实际需求分析进行设计与实现，并根据设计目标以及实际应用场景进行了测试。通过测试，可以验证DICOM应用系统对DICOM数据处理、图像显示以及DICOM通信功能进行了有效的支持，从而实现了人体PET对DICOM标准的支持，使之具备了接入PACS的能力。随着PACS的快速普及，医学成像设备对DICOM标准的支持已经成为必然。因此，本文实现的DICOM应用系统对自主研发的医学成像设备的应用与推广具有重要意义。

[1] 闵德庆, 王敏, 张园. PACS建设与维护. 医学信息学杂志, 2012, 33(6): 24-27.

[2] Keayes RG, Grenier L. Benefits of distributed HIS/RIS-PACS integration and a proposed architecture. J Digit Imaging, 1997, 10(3 Suppl 1): 89-94.

[3] 王立波, 王季, 田甜, 等. 浅谈我国医院信息化的现状和发展趋势. 吉林医学, 2013, 34(1): 195-198.

[4] 赖瑞增, 林强. DICOM医学序列图像数据读取及回放. 现代电子技术, 2007, 30(5): 160-162.

[5] 王伟蔚, 张国鹏, 邱顶, 等. 基于DICOM文本与内容的医学图像检索系统研究. 计算机工程与设计, 2011, 32(3): 1014-1018.

[6] 石晓磊. 医学DICOM远程传输及医学图像的处理研究. 太原: 中北大学硕士学位论文, 2010: 15-17.

[7] 吴志福. 基于DICOM标准的医疗影像管理系统的研究. 成都: 电子科技大学硕士学位论文, 2012: 1-3.

[8] 张衡. 跨平台DICOM打印的研究与实现. 成都: 电子科技大学硕士学位论文, 2011: 2-18.

[9] 徐骞. 基于DICOM的远程医疗影像处理及通信工作站. 南京: 南京航空航天大学硕士学位论文, 2011: 22-40.

[10] 魏晓菊. 基于DICOM3.0的医学影像信息共享技术的研究与实现. 北京: 北京邮电大学硕士学位论文, 2012: 1-55.

[11] 段战钦, 彭楚武, 袁峰. 多线程在IOCP服务器测试中的研究和应用. 计算机系统应用, 2009, 18(4): 184-186.

[12] 辜丽川, 朱诚, 张友华. DICOM查询/检索服务类SCP的设计与实现. 计算机系统应用, 2009, 18(5): 100-102, 189.

（责任编辑 张春辉）

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. 中国科学院高能物理研究所核分析技术重点实验室 北京 100049

2. 北京市射线成像技术与装备工程技术研究中心 北京 100049

马创新

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

中国医学影像学杂志

2013年 第21卷 第8期：624-627

Chinese Journal of Medical Imaging

2013 Volume 21(8): 624-627