DICOM

DICOM是医学数字成像和通信标准（Digital Imaging and Communications in Medicine），它是一种用于描述医学图像及其元数据如何存储和在设备间传输的标准。

• DICOM标准支持多种医学成像模态的数据存储，包括CT、PET、MRI、X射线和超声波等。

• 它的优势在于是医学领域存储图像的常见标准，能够在单个数据存储中采集和存储图像体和患者数据，并且以DICOM格式保存的图像具有高动态范围（高达16位）。

但是DICOM格式和普通的JPG相比起来又占内存，又比较难在通用计算机上打开，它是怎么成为通用格式，和普通的图像储存技术相比又有什么优势呢？

01 DICOM的发展

20世纪70年代，随着数字医学成像技术的飞速发展，出现了多种不同的医学图像存储格式，导致不同制造商的成像设备产生的医学影像无法互换交流。

1982年，美国放射学会（ACR）与美国电器制造商协会（NEMA）成立数字图像通信标准委员会，致力于制定统一的数字影像设备接口标准。此标准建立的目的为: 推动开放式与厂牌无关的医疗数位影像的传输与交换。促使影像储存与传输系统PACS (Picture Archiving and Communication Systems) 的发展与各种医院信息系统HIS (Hospital Information Systems) 的结合。

1985年和1988年，发布了ACR-NEMA标准的两个版本：ACR-NEMA 1.0和2.0。

1993年，ACR-NEMA展示了第三个版本，正式命名为DICOM 3.0，旨在解决医学成像设备的互连、统一图像格式和传输通信问题，该版本不断改良一直沿用至今。

近年来由于ACR与NEMA在医疗数位影像传输规范的发展与努力，DICOM3.0已成为北美、欧洲及日本各国在Health care informatics影像应用的标准。这些协会除了ANSI、ISO 外， 还包括欧洲的"Europen Committee for Standardization Technical committee on Medical Informatics (CENTC 251)及日本的"Japan Industries of Association for Radiation Apparatus (JIRA) "。1994年, 在美国芝加哥所举办的RSNA 年会上, 就已经有40个以上的厂商参与DICOM的成果展示, 他们利用DICOM3.0的标准，透过网络与各医院连线，进行医学影像传输及处理的功能显示，主题包括：CR,CT,MR,US各类型医学影像资料。

02 DICOM和普通图像格式的区别

其实DICOM不是单一的图像储存格式，它有着一系列复杂的标准涉及到医学图像、数据通信、管理信息系统等领域。

DICOM 3.0 标准传输模型

相较于传统的图像格式，它具有以下优势：

通用性和标准化

DICOM是医学领域存储图像的最常见标准，它定义了统一的格式和协议，使得不同制造商的医疗设备生成的图像可以在不同的系统和设备之间无缝传输和使用。

高动态范围

DICOM格式保存的图像具有高动态范围，可达到16位，这比传统图像格式如JPEG或BMP的8位动态范围要高得多，从而能够提供更丰富的灰阶，对医学诊断来说至关重要。

元数据丰富

DICOM文件不仅包含图像数据，还包含大量的元数据，如患者信息（姓名、性别、年龄等）、图像的采集设备信息、医疗上下文信息等。这些信息对于诊断和治疗都是非常重要的。

支持多种成像模态

DICOM标准支持多种医学成像模态的数据存储，如CT、MRI、X射线、超声波等，这使得它能够广泛应用于不同的医疗场景。

网络兼容性

DICOM 3.0版本开始支持网络环境，使用标准的网络协议如OSI和TCP/IP进行操作，这使得DICOM文件可以在医院信息系统、远程放射学系统等网络环境中高效传输。

数据压缩

DICOM支持多种数据压缩技术，如JPEG, JPEG Lossless, JPEG 2000, LZW和RLE等，这有助于减少存储空间的需求并加快传输速度。

医疗数据的完整编码

DICOM使用超过2000个标准的属性来传送各类医疗数据，覆盖了当代医学影像领域的所有方面。

设备和功能描述

DICOM明确地描述了数字成像设备及其功能，是任何成像方案的支柱。

这些优势使得DICOM成为医学图像存储和传输的首选格式，特别是在需要高度兼容性、精确性和详细信息的医疗环境中。

03 DICOM PS3.1 2024c的简介

DICOM标准委员会推出的最新版本为PS3.1 2024c（上文DIOCM 3.0 应称为DICOM 3.1 更为准确）官方说明文档极为冗长，这里节选部分简单介绍一下。

DICOM的信息结构模型

DICOM以 “患者” 为核心，构建了一个分层次的数据结构模型，包括：

① 患者：最上层源实体，包含一个或多个 “分析”。

② 分析：新层次的源实体，包含一个或多个 “序列”。

③ 序列：包含一帧或多帧 “图像”。

这种结构便于各厂家和用户从庞大的医学信息中找到所需的数据及图像资料。

DICOM文件结构

DICOM文件通常具有 “DCM” 后缀，由文件头和数据集两部分组成：

① 文件头：包含文件元数据，如文件的传输格式、生成应用程序等。

② 数据集：由DICOM数据元素组成，包括患者信息、成像技术参数、医生诊断信息等。

DICOM文件头

DICOM文件头，也被称为DICOM文件的元数据部分，承载着描述文件本身的信息，这些信息对于理解文件内容至关重要，但它们本身并不构成文件内容。文件头的设计旨在简化DICOM文件中图像和其他数据的访问与处理。

文件导言（Preamble）

文件头的起始部分是文件导言，这是一个可选的字段，通常用于定义应用协议或特定的操作。导言的长度固定为128字节，它的存在使得DICOM文件的解析更为标准化，从而提高了文件的可访问性。

标识字符串 “DICM”

紧随文件导言之后的是长度为4个字节的字符串 “DICM”。这个字符串作为DICOM文件的一个明确标识，可以通过检查文件中是否存在这个字符串来判断一个文件是否为DICOM格式。如果文件以 “DICM” 开头，这通常意味着它遵循DICOM标准。

其他元数据信息

DICOM文件头还包括其他一些关键的元数据信息，这些信息对于文件的解释和使用至关重要：

① 传输格式：描述了文件中数据的组织方式，例如是否使用了特定的压缩技术。

② 生成应用程序：记录了创建该DICOM文件的应用程序或设备信息，有助于了解文件的来源和生成环境。

文件头的作用

文件头作为DICOM文件的重要组成部分，提供了必要的上下文信息，使得接收方能够正确地解析和利用文件中的数据。它确保了数据的标准化和互操作性，是实现医学影像数据有效共享和通信的基础。

在DICOM文件的整个结构中，文件头充当着 “指南” 的角色，引导用户和系统快速理解文件的基本属性和处理方式，为进一步的数据处理和分析打下基础。

DICOM数据集

DICOM文件的核心构成是数据集，该数据集由一系列DICOM数据元素根据既定的顺序排列而成，这些元素根据其标签中的组号和元素号的数值递增进行排序。为了更准确地阐释医学图像，DICOM文件中包含了丰富的图像相关信息，这些信息被分类为图像的表示、患者信息、采集参数、图像的显示和像素数据等多个类别。

数据元素

数据元素是DICOM文件中的基本数据单元，数据元素按照一定的顺序排列形成了DICOM数据集，数据元素由数据标签唯一标识，数据元素由4部分组成，包括：

① 标签（Tag）："Tag"

在DICOM数据元素中，标签是一个唯一的标识符，由一个组号（Group Number）和一个元素号（Element Number）组成，通常以16进制格式表示。例如，(0010, 0010) 表示组号为0010，元素号为0010的标签。标签用于在DICOM文件中唯一确定一个数据元素。

② 数据描述（VR）："Value Representation"

数据描述或值表示（VR）定义了DICOM数据元素中数据的类型和格式。VR是DICOM标准中用来描述数据如何被编码和解释的。例如，"US" 表示无符号短整型（Unsigned Short），"DS" 表示十进制字符串（Decimal String）。

③ 数据长度（VL）："Value Length"

数据长度（VL）指定了数据元素中值字段（Value Field）的长度，即数据本身占用的字节数。这个长度可以是固定的，也可以是可变的，具体取决于数据元素的类型和上下文。

④ 数据域（Value Field）："Value Field"

数据域是DICOM数据元素中实际存储数据的部分。它包含了根据数据描述（VR）定义的格式编码的实际数据。例如，如果VR是"US"，则数据域将包含一个无符号的短整数值。

DICOM标准定义了大量数据元素，用于存储各种信息，如患者信息、图像采集参数等。

数据元素的分类

DICOM数据集中的数据元素可以分为多个组（Group），每个组有特定的用途和描述：

① 公共元素组：具有较小的组ID，如0008、0018等，用于存储通用信息，例如患者信息和图像采集参数。

② 私有元素组：具有较大的组ID，通常从5000开始，用于特定厂商或特定应用的私有数据。

数据元素组

以下是一些数据元素组及其用途：

常见Tag

DICOM数据集中的常见Tag包括：

① Patient Tag：涉及患者信息，如性别、年龄等。

② Study Tag：涉及研究或检查的详细信息。

③ Series Tag：用于区分不同的图像序列，每个序列可能对应不同的扫描参数。

④ Image Tag：特定图像实例的详细信息，如图像在序列中的位置。

DICOM作为一个开放的、与制造商无关的标准，简化了医疗设备间的信息交换，为医疗信息系统的实现提供了便利，同时其包含的高动态范围图像和大量的信息也使得DICOM在特别是在需要高度兼容性、精确性和详细信息的医疗环境中体现了巨大的优势。可以说DICOM是影像人在图像处理和传输方面智慧的结合！