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北京工业大学 硕士学位论文 PACS系统图像处理工具包的设计与实现 姓名：周昀 申请学位级别：硕士 专业：软件工程 指导教师：王冠;袁玉宇 20071001 摘要 摘要 本文是针对医学影像系统( P A C S ) 的国产化产品中的图像处理工具包的设计 和实现的技术型报告，是根据企业的真实任务和产品研制要求完成的工程硕士论 文。 本文的第一章主要介绍了项目的背景，P A C S 系统的概念，以及P A C S 系统在 国内国外的研究现状，P A C S 系统的工作流程，以及本文的研究目的，研究意义 和研究内容。 本文的第二章说明了D I C O M 标准的概念，D I C O M 标准各部分的主要内容，D I C O M 标准的应用，以及D I C O M 标准中设计到的概念和定义。 本文的第三章说明了图像处理工具包中图像传输，图像压缩和存储，图像信 息显示以及图像的胶片打印等功能的设计方案。 本文的第四章详细说明了工具包中图像传输，图像压缩和存储，图像信息显 示以及图像的胶片打印等功能的实现。实现这些功能的过程中涉及的若干技术问 题以及具体实现方法。包含了P A C S 系统中涉及的若干技术问题，图像数据压缩， 图像数据存储和显示，C M o v e S c u ，C S t o r e S C U ，P r i n t S C U 等多个功能模块。 本文的第五章简单描述了P A C S 系统的整体测试环境，对工具包的性能测试， 功能测试，和稳定性测试。 关键词：P A C S ；D I C O M ；通讯；图像处理；胶片打印； A B S T R A C T I I A B S T R A C T T h ef i r s tc h a p t e rm a i n l yi n t r o d u c e dt h eP A C Ss y s t e mc o n c e p t ，a sw e l la st h eP A C Ss y s t e mi n t h ed o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c hp r e s e n ts i t u a t i o n ，i n t r o d u c e dt h eP A C Ss y s t e mw o r kf l o w , a s w e l la st h i sa r t i c l er e s e a r c hg o a l ，r e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n dr e s e a r c hc o n t e n t T h es e c o n dc h a p t e re x p l a i n e dt h es t a n d a r dc o n c e p to fD I C O M ，D I C O Ms t a n d a r dc o n t e n t ， a p p l yo fD I C O Ma p p l i c a t i o n ，a n dd e s i g n st h ec o n c e p ta n dd e f i n i t i o na r r i v i n ga ti nt h eD I C O M s t a n d a r d T h et h i r dc h a p t e re x p l a i n e di nt h ep i c t u r ep r o c e s s i n gt o o l k i tt h ei m a g et r a n s m i s s i o n ，t h e i m a g ec o m p r e s s i o na n di m a g es t o r a g e ，p i c t u r ei n f o r m a t i o nd e m o n s t r a t i o n a sw e l la sp i c t u r e f u n c t i o nt h ea n dS Oo nf i l mp r i n t i n gd e s i g np r o p o s a l T h ef o u r t hc h a p t e re x p l a i n e dt h a tt o o l k i ti sr e a l i z eb yi m a g et r a n s m i s s i o n ，i m a g ec o m p r e s s i o n a n di m a g es t o r i n g ，i m a g ei n f o r m a t i o nd e m o n s t r a t e sa n dt h e i m a g ef i l mp r i n t s ，t h er e a l i z a t i o n w a i t i n gf o raf u n c t i o nd e t a i l e d R e a l i z es o m et e c h n o l o g yp r o b l e ma n dc o n c r e t er e a l i z a t i o nm e t h o d t h a tt h e s er e l a t et oi nf u n c t i o n a lp r o c e s s H a v ec o n t a i n e ds o m et e c h n o l o g yp r o b l e m ，i m a g ed a t a c o m p r e s s i o nt h a tP A C Sr e l a t e st oi ns y s t e m ，t h ei m a g ed a t am e m o r yc o m p o s e si nr e p l yd i s p l a y , C M o v e S c u ，C S t o r e S C U ，P r i n t S C Uw a i t sf o rm a n yf u n c t i o nm o d u l e s T h ef i f t h c h a p t e rh a sd e s c r i b e dt h es y s t e m a t i ce n t i r e t yo fP A C St e s t so fe n v i r o n m e n t ， p e r f o r m a n c et e s t ，f u n c t i o nt e s t ，a n ds t a b i l i t yt e s t i n gt ot o o l k i t K e y w o r d s ：P A C S ；D I C O M ；C o m m u n i c a t i o n ；I m a g eh a n d l i n g ；F i l mP r i n t ； 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公御论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名：区粗导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1P A C S 简介 随着计算机技术、网络技术和半导体技术的迅速发展，世界范围内正经历着 一场数字化信息革命。P A C S ( P i c t u r eA c h i v e m e n ta n dC o m m u n i c a t i o nS y s t e m ) 这一迈向医疗信息化的重要手段对于我们大多数人来讲已经不再陌生。P A C S 对 我们大家是一个既近又远的概念：近，是因为我们早已听惯了P A C S 这个名字， 各种专业学术会议上P A C S 是继R I S ( R a d i o l o g i cI n f o r m a t i o nS y s t e m ，放射科信 息系统) 、I n t e r n e t 后又一十分“抢眼”的词语；远，是因为对于P A C S 来讲， 我们只能听别人讲而不能自己做。国内个别有条件的医院正在或计划构建P A C S ， 并取得了重要的经验。可以肯定地说，P A C S 是医院迈向数字化信息时代的重要 标识之一，是医疗信息资源达到充分共享的关键，是从“以医院为中心”的医院信 息系统管理模式走向“以病人为中心”的临床信息系统和远程医疗系统服务模式 不可缺少的重要组成部分。 P A C S 是医学影像、数字化图像技术、计算机技术和网络通讯技术相结合的 产物，它将医学影像资料转化为计算机能够识别的数字信息，通过计算机和网络 通讯设备对医学影像资料( 图形和文字) 进行采集、存储、处理及传输等，使医 学影像资源达到充分共享。 P A C S 、R I S 和H I S 是临床医学、医学影像学、数字化图像技术与计算机技术、 网络通讯技术结合的产物，建立起由放射科室、临床科室、病案室、院长室、中 心电脑室组成的全院范围内的图像网络系统，系统地将病人医学影像信息、相关 资料及其他医疗文本信息进行一体化的计算机图像处理、网络传递和海量存储， 实现院内乃至远程终端会诊，提高医疗质量。将传统的医学影像管理模式向“无 胶片化”的现代化管理模式转变，在提高医疗质量的同时兼顾经济效益和社会效 益。 P A C S 的中文名称为医学图像存储与传输系统，从名称上就可以基本看出 P A C S 系统主要完成的功能：影像存储和传输。同时，在此基础上，又有对图像 的显示、处理、打印等相关功能模块，P A C S 系统的具体功能主要包括以下几个 方面： ( 1 ) 显示医学影像，具有可供诊断、报告、顾问和临床复查用的图像显示工作 北京T 业大学1 ：= 程顾l j 学位论文 站： ( 2 ) 永久存储图像，进行存档管理； ( 3 ) 数字化医学影像，通过电话线、网络将图像传送到H I S 或R I S ，为用户提 供一个集成的通信系统，传输和回放病人图像和信息数据。 1 2P A C S 系统在国内外的研究现状 从8 0 年代初提出P A C S 概念到9 0 年代初欧美国家及日本建造一些实用的 P A C S ，经历了1 0 年。当时P A C S 使用的是专用设备，造价十分昂贵；9 0 年代中 期，虽然计算机网络技术和图形工作站的发展使得P A C S 的整体价格有所下降， 但对于大多数医院来说仍难以接受；进入9 0 年代术期，微机性能的迅速提高以 及高速网的快速发展使得P A C S 终于可以建立在被多数医院接受的水平上。与西 方发达国家相比，我国经济水平尚有一定的差距，医院的经济承受能力一般较弱。 在当前的经济条件下，绝大多数医院仍负担不起P A C S 的昂贵价格。从“全国计算 机与放射科管理专题研讨会”的学术报告中可以看出，P A C S 在我国尚处于起步阶 段。这个阶段的特征是：需要大量的投入、深入的研究和完善的制度。由于国内 各家医院实际情况不尽相同，起步时期在构建P A C S 上只能是处在各尽所能、各 显神通的状况。 P A C S 的研究工作是最早是从美国开始的，在8 0 年代中期，美国开始了对P A C S 的研究工作，有许多著名厂商都积极参与P A C S 的研究和发展工作。目前，美国 的许多P A C S 己与国家的通信网络结合，成为美国军队和许多大医院提高图像诊 断效率和节省成本的必备系统。 在欧洲，P A C S 已与H I S 融合，形成日见扩展的医学信息网，且应用领域日 渐扩大。 在亚洲的一些发达国家和地区，如韩国、台湾地区等，越来越多的小型和专 用P A C S 或类P A C S 已在医院投入使用。他们正在投入大量人力物力深入地研究和 发展P A C S 。 近几年来，P A C S 系统在国内已走出启蒙期，向启动期过渡。虽然从整个医 院经营的角度看，P A C S 系统不能为医院创造明显、直接的经济效益，但需求还 在不断地扩大。 第1 章绪论 1 3P A C S 系统工作流程 P A C S 系统的整体工作流程见下圈1l 。 图l - lP A C S 系统工作流程 F i g u r eI - 1P A C Ss y s t e t l lw o r k f l o w 工作流程说明t ( 1 ) 、在设备工作站中输入患者姓名等患者信息，患者信息包括： 患者I D 患者中文姓名 患者拼音 出生日期 性别 ( 2 ) 、对已输入的请求进行确认、受理； ( 3 ) 、把已经输入的患者检查数据和与P A C S 相关的数据，传输到P A C S 影像服务 器： ( 4 ) 、通过影像设备进行拍片作业，影像数据传输到P A C S 影像服务器； ( 5 ) 、放射科医生通过诊断级阅片工作站对患者进行诊断，并完成诊断报告； ( 6 ) 、在阅片工作站上可以通过检索启动阅片程序进行浏览阅片操作。 北京T 业火学T 程硕卜学位论文 1 4 主要研究内容 在国内的众多P A C S 系统研发公司中，经过对P A C S 系统市场的考察，发现 P A C S 系统中的底层功能都是相同或相似的，如：图像数据的通讯、压缩、存储、 信息显示、胶片打印等，但由于开发P A C S 系统的公司都对底层功能进行自行的 研究和开发，而且和P A C S 系统自身的数据库进行了绑定，开发D I C O M 的底层工 具包，脱离数据库的束缚，建立新的P A C S 系统开发模式，成为今后P A C S 系统开 发的方向。 基于市场的这种发展状况，决定开发出基于D I C O M 标准的图像处理工具包， 工具包中的各功能都基于D I C O M 标准开发，并且脱离数据库引擎的束缚，通过采 用动态链接库的方式，为上层的应用程序提供接口，将P A C S 的应用和底层脱离 开，使得P A C S 系统的组件式开发成为P A C S 系统开发的新模式。 本文的研究目的在于，通过对D I C O M 标准的解读，建立基于D I C O M 标准的 P A C S 系统图像处理工具包，实现P A C S 系统的图像传输、压缩和存储、图像信息 显示、胶片打印等功能。 通过研发P A C S 系统数据通讯工具包，为P A C S 系统的国产化过程以及国内 P A C S 系统开发的稳定发展打下一定的基础。 本研究工作的主要内容主要是根据D I C O M 标准开发出P A C S 系统的图像处理 工具包。 经过一年的设计和开发，已经完成以下的功能： ( 1 ) 、图像处理工具包的设计 ( 2 ) 、图像传输功能的设计与编码 ( 3 ) 、图像数据的存储功能的设计与编码 ( 4 ) 、图像数据的压缩功能的设计与编码 ( 5 ) 、图像信息的显示功能的设计与编码 ( 6 ) 、图像胶片打印功能的设计与编码 1 5 本章小结 在本章中简要介绍了P A C S 系统的概念，P A C S 系统的功能及国内外发展现状。 在本章中还说明了本文的研究目的、意义和研究内容，以及实现的功能和目标。 第2 章DJ C O M 标准的研究 第2 章D lC O M 标准的研究 2 1D I C O M 标准的概念 D I C O M 标准全称为：D i g i t a lI m a g i n ga n dC o m m u n i c a t i o n si nM e d i c i n e ， 中文名称为医学数字成像和通信标准n 引。D I C O M 标准是P A C S 系统开发的技术核 心。是系统开发人员进行P A C S 、R I S 、H I S 系统开发的主要参考资料。 D I C O M 标准是由美国放射学会A C R ( A m e r i c a nC o l l e g eo fR a d i o l o g y ) 和国 家电子制造商协会N E M A ( N a t i o n a lE l e c t r i c a lM a n u f a c t o r e r sA s s o c i a t i o n ) 为主制定的用于数字化医学影像传送、显示与存储的标准。 在D I C O M 标准中详细定义了影像及其相关信息的组成格式和交换方法，利用 这个标准，人们可以在影像设备上建立一个接口来完成影像数据的输入输出工 作。 2 2D I C O M 标准的组成 目前标准共有以下1 4 个基本部分和扩充部分组成： 第1 部分给出了标准的设计原则，定义了标准中使用的一些术语，对标准 的其它部分给了一个简要的概述。 第2 部分给出了D I C O M 的兼容性定义和方法。兼容性是指遵守D I C O M 标准 的设备能够互相连接互相操作的能力。由于D I C O M 标准内容庞大，功能复杂，包 含面广，目前为止，还没有什么设备能够涵盖所有的D I C O M 功能，只是实现本设 备必需的功能。因此标准要求设备制造商必须给出本设备所支持的D I C O M 功能的 说明，即兼容性声明。本部分标准内容定义了声明的结构和必须表现的信息，包 含三个主要部分： 本实现中可以识别的信息对象集合； 本实现支持的服务类集合； 本实现支持的通信协议集合。 标准没有规定兼容性实现的测试和验证的过程。用户在采购D I C O M 功能的设 备时，必须注意各设备的兼容性水平是否致，否则各设备互连时会出现一些问 题。 第3 部分描述如何定义信息对象，对医学数字图像存储和通信方面的信息 对象提供了抽象的定义。每个信息对象定义是由其用途和属性组成的。为方便标 北京T 业火学T 程硕l j 学位论文 准的扩充和保持与老版本的兼容，在D I C O M 中定义了复合型和普通型两大类的信 息对象类。普通型信息对象类仅包含现实世界实体中固有的那些属性。复合型信 息对象类可以附加上并不是现实世界实体中固有的属性。如C T 图像信息对象类 既包含了图像固有的图像日期、图像数据等图像实体的属性，又包含了如病人姓 名等并不属于图像本身的属性。复合对象类提供了表达图像通信所需求的结构性 框架，使网络环境下的应用更加方便。 第4 部分服务类的说明。服务类是将信息对象与作用在该对象上的命令联 系在一起，并说明了命令元素的要求以及作用在信息对象上的结果。典型的D I C O M 服务类有查询检索服务类、存储服务类、打印管理服务类等。服务类可以简单 理解为D I C O M 提供的命令或提供给应用程序使用的内部调用函数。这部分实际上 说明的是D I C O M 消息中的命令流。 第5 部分数据结构和语义，说明了D I C O M 应用实体如何构造从信息对象与 服务类的用途中导出的数据集信息，给出了构成消息中传递的数据流编码规则。 数据流是由数据集的数据元素产生的，几个数据集可以被一个复合数据集引用或 包容。一个复合数据集可以在一个“数据包”中传递信息对象的内容。这部分着重 说明的是有关D I C O M 消息中数据流方面的内容。此外也定义了许多信息对象共同 的基本函数的语义，即要求的条件、完成的结果、实现的功能等等。 第6 部分数据字典，是D I C O M 中所有表示信息的数据元素定义的集合。在 D I C O M 标准中为每一个数据元素指定了唯一的标记、名字、数字特征和语义，这 样在D I C O M 设备之间进行消息交换时，消息中的内容具有明确的无歧义的编号和 意义，可以相互理解和解释。 第7 部分消息交换。消息是由用于交换的一个或多个命令以及完成命令所 必需的数据组成，是D I C O M 应用实体之间进行通信的基本单元。这部分说明了在 医学图像环境中的应用实体用于交换消息的服务和协议。 第8 部分消息交换的网络支持。说明了D I C O M 实体之间在网络环境中通信 服务和必要的上层协议的支持。这些服务和协议保证了应用实体之间有效地和正 确地通过网络进行通信。D I C O M 中的网络环境包括O S I 和T C P I P 两种参考模型， D I C O M 只是使用而不是实现这两类协议，因而具有通用性。 第9 部分消息交换的点对点通信支持。说明了与A C R - N E M A 2 0 相兼容的点 对点通信环境下的服务和协议。它包括物理接口、信号联络过程以及使用该物理 第2 章D I C O M 标准的研究 接口的与O S I 类似的会话传输网络协议及其服务。 第1 0 部分用于介质交换的介质存储和文件格式。这一部分说明了一个在可 移动存储介质上医学图像信息存储的通用模型。提供了在各种物理存储介质上不 同类型的医学图像和相关信息进行交换的框架，以及支持封装任何信息对象定义 的文件格式。 第1 1 部分介质存储应用卷宗，用于医学图像及相关设备信息交换的兼容性 声明。给出了心血管造影、超声、C T 、核磁共振等图像的应用说明和C D - R 格式 文件交换的说明。 第1 2 部分用于介质交换的物理介质和介质格式。它提供了在医学环境中数 字图像计算机系统之间信息交换的功能。这种交换功能将增强诊断图像和其它潜 在的临床应用。这部分说明了在描述介质存储模型之间关系的结构以及特定的物 理介质特性及其相应的介质格式。具体说明了各种规格的磁光盘，P C 机上使用 的文件系统和1 4 4 M 软盘，以及C D - R 可刻写光盘。 第1 3 部分点对点通信支持的打印管理。定义了在打印用户和打印提供方之 间点对点连接时，支持D I C O M 打印管理应用实体通信的必要的服务和协议。点对 点通信卷宗提供了与第8 部分相同的上层服务，因此打印管理应用实体能够应用 在点对点连接和网络连接。点对点打印管理通信也使用了低层的协议，与已有的 并行图像通道和串行控制通道硬件硬拷贝通信相兼容。 第1 4 部分说明了灰度图像的标准显示功能。这部分仅提供了用于测量特定 显示系统显示特性的方法。这些方法可用于改变显示系统以与标准的灰度显示功 能相匹配或用于测量显示系统与标准灰度显示功能的兼容程度。 2 3D I C o M 标准的应用 毫无疑问，D I C O M 是医学图像信息系统领域中的核心，它主要涉及到信息系 统中最主要也是最困难的医学图像的存储和通信，可直接应用在放射学信息系统 ( R I S ) 和图像存档与通信系统( P A C S ) 中。D I C O M 也是研究和开发具有网络连接功 能，实现信息资源共享的新型医疗仪器的技术基础。医疗仪器在朝着自动化、智 能化发展的同时，也在向着具有通信能力的遥控遥测和信息远程获取的网络功能 发展，医疗仪器既是医疗信息系统中的信息源，又是系统中的信息使用者，是信 息系统中的一个主要环节，网络化的医疗仪器对医学信息系统的重要性是不言而 北京T 业大学T 程f 面! ：学位论文 喻的。 D I C O M 标准的另一个特点是它定义在网络通信协议的最上层，不涉及到具体 的硬件实现而直接应用网络协议，因此与网络技术的发展保持相对独立，可以随 着网络性能的提高而使D I C O M 系统的性能立即得到改善。D I C O M 尽管提供了O S I 的网络模型，但现在实际上网络绝大部分都是在T C P I P 协议下构成的，网络硬 件采用的形式可以多种多样，如1 0 0 M 的双绞线l O O B a s e T ，光纤F D D I ，综合业 务数字网I S D N ，T I 线路等，还有速度较低的1 0 兆网l O B a s e T 和电话线路。只 要设备具有支持T C P I P 协议的网络接口，在软件的支持下，就可以做到像P C 机 一样实现“即插即用”，非常方便地加入到医学信息系统的网络中。 在采用D I C O M 标准的信息网络系统中，所有D I C O M 设备之间都可以按照D I C O M 的网络上层协议进行互相连接和操作。临床医生可以在办公室查看B 超设备的图 像和结果，可以在C T 机上调用核磁共振图像进行图像的叠加融合，也可以通过 网络调用存储在其他医院的图像结果。无论是本院、本地还是相距很远的外地， D I C O M 设备都可以通过网络相互联系，交换信息。 由于提供了统一的存储格式和通信方式，普及D I C O M 标准，可以简化医疗信 息系统设计，避免许多重复性的工作，加快信息系统的开发速度。对于实现无纸 化、无胶片化的医院和远程医疗系统的实施将会起极其重要的作用 2 4D I C o M 标准中涉及到的概念和定义 信息对象定义( I n f o r m a t i o nO b j e c tD e f i n i t i o n ，I O D ) 信息实体的抽象， 是D I C O M 命令的作用受体。 服务对象对( S e r v i c eO b j e c tP a i r ，S O P ) D I C O M 信息传递的基本功能单位。 包括一个信息对象和一组D I C O M 消息服务元素。 唯一标识符( U I D ) 这个标识可被用在世界上不同地点的多制造商环境中。为 保证每个标识的全球的唯一性，使用了下面的字符串( 称为唯一标识符或U I D ) 产 生机制： 。根部分是由权威部门支持的，它保证没有其他人或机构 再使用这个根标识。这个数值由标准化组织分配给公司或医院，但也必须保证在 它们自己内部网络中也是唯一的。通过使用一个唯一的系统标识，每个系统在世 界范围内有一个唯一的根。后缀是由系统在产生实例时动态产生的。例如： “1 2 8 4 0 11 3 6 1 9 2 1 6 1 1 2 0 9 4 0 4 8 1 2 8 3 2 6 1 ”是G E 的心血管造影系统产生 第2 带D I C O M 标准的研究 的一个U I D 。一旦一个实例通过U I D 标识，必须一致地使用它。若制作了复件或 未加修改的再生成，它必须使用相同的U I D 。否则相同信息的两部分将存在不同 的标识，这会导致混乱。在D I C o M 中U I D 也用于标识有关的属性，如： ( 1 ) “1 2 8 4 0 1 0 0 0 8 1 1 是验证服务类。 ( 2 ) “1 2 8 4 0 1 0 0 0 8 1 2 “ 是D I C O M 默认的隐式L i t t l e E n d i a n 传输语法。 ( 3 ) “1 2 8 4 0 1 0 0 0 8 5 1 4 1 1 2 ”是C T 图像存储。 标记( T a g ) 标记是用一对1 6 进制数表示的，前面的数是数据元素的组号， 后面的是元素号。组号为偶数的是标准数据元素，具体含义可以在D I C 僦的数据 字典中查到。D I C O M 的数据字典定义了许多数据元素标记，涵盖了大多数的应用 需要。组号为奇数的为私有数据元素，由用户在使用过程中自己定义。例如：在 D I C O M 中( 0 0 0 8 ，o o o o ) 表示组长，( O 0 0 8 ，0 0 2 0 ) 表示研究日期，( 0 0 1 8 ，1 0 8 8 ) 表 示心率。 值表示法( V a l u eR e p r e s e n t a ti o n s ) 值表示法具体描述了属性值如何进行 编码。值表示法有隐式和显式这两种形式。隐式就是采用预先规定的表示方法， 通过标记从数据字典中查到D I C O M 对这个属性表示方法的规定，从而正确解释属 性值的内容。显式是用两个字符明确表示值的表示方法，如：A E 表示应用实体， A S 表示年龄字符串，D T 是同期和时间，F D 表示双精度浮点数等。值表示法的知 识是信息交换双方所共享的。对某个属性( 以标记标识) 的解码和编码过程必须仔 细选择正确的值表示法。共享这个信息有两种可能的方法：共享包含所有可能属 性的数据字典，或把数值表示法作为数据元素的一部分。后一种方法增加了信息 交换的丌销，但比用共享数据字典更灵活，尤其在多制造商环境，数据字典同步 更新很困难。 传输语法( T r a n s f e rS y n t a x e s ) 在S O P 实例数据集能被交换之前，数据集编 码到字节流的编码方式是固定的，或者是网络交换中协商的，或者在介质上是与 数据存储在一起的。编码方式由传输语法指明。传输语法定义了三个方面的内容： 数值表示法如何指定；多字节数在存储或传输时的字节顺序：是低位字节先存储 或发送( L i t t l eE n d i a n ) ，还是高位字节先存储或发送( B i gE n d i a n ) ：封装情况 下的压缩格式：是采用J P E G 还是R L E 的压缩算法，是有损方式还是无损方式等。 例如，对于一个3 2 位无符号整数1 2 3 4 5 6 7 8 H ，在L i t t l e E n d i a n 方式下的字节顺 序为7 8 H 、5 6 H 、3 4 H 、1 2 H ，而在B i gE n d i a n 方式下的字节顺序则为1 2 H 、3 4 H 、 北京1 = 业人学T 程硕十学位论文 5 6 H 、7 8 t t , 。传输语法的处理是服务提供方的一部分，但双方都要初始设置正确的 对双方都可接受的传输语法。传输语法是由一个U I D 标识的。D I C O M 默认的传输 语法是隐式V RL i t t l e E n d i a n 传输语法，并采用无损方式的J P E G 压缩算法。 数据元素( D a t aE l e m e n t ) 数据元素是通过数据元素标记唯一标识的。一个 数据元素包含了数据元素标记、值长度和数据元素值。数据元素的值表示法是否 存在决定于协商的传输语法。对隐式V R 的传输语法，数据元素没有也没必要有 值表示法域。而在显式V R 下，存在表示长度方法上不同的两种形式。数据元素 有标准数据元素和私有数据元素两种类型。标准数据元素具有偶数值组号，私有 数据元素具有奇数组号，自D I C O M 3 0 以后，数据组号并不传递任何语义上的含 义。数据元素结构见下表。数据元素中值域的字节长度必须是偶数个，不足的部 分填充空格。 数据集( D a t aS e t ) 数据集是由若干个数据元素组成，按数据元素标记中的 组号以及元素号数值增加的方式进行排序，依次排列。一个数据元素在数据集内 至多只能出现一次。但是在嵌套的数据集中可以再次出现。显式和隐式V R 在数 据集精确嵌套数据集中并不同时存在，一个数据集是否使用显式或隐式V R 以及 其它特性，取决于传输语法的协商。 数据集的作用有两个： ( 1 ) 作为信息对象定义I O D 中的信息对象模块I O M ( 2 ) 作为信息交换中消息( M e s s a g e ) 携带的数据内容。 2 5 本章小结 本章介绍了D I C O M 标准的概念，D I C O M 标准的主要内容，D I C O M 标准的应用， 和D I C O M 标准中涉及到的一些概念和定义。 第3 章图像处理T 具包的设计方案 第3 章图像处理工具包的设计方案 3 1 工具包的系统结构 在图3 - 1 中，描述了图像处理工具包的系统结构。 图3 1 图像处理工具包的系统结构 F i g u r e3 1P A C SI m a g et o o l k i ts t r u c t u r e 从上图中可以清楚的看到，图像处理工具包是在应用程序层和医疗设备接口 之间开发的中间件。在图像处理工具包中，由于没有数据库的开发，只有对D I C O M 标准的支持，使得工具包的应用更灵活。 图像处理工具包中要实现的几个主要功能是： ( 1 ) 、图像数据的传输 ( 2 ) 、图像数据的压缩 ( 3 ) 、图像数据的存储 ( 4 ) 、图像信息的显示 ( 5 ) 、图像数据的胶片打印 3 2 图像数据的传输 图像数据的传输功能是基于D I C O M 标准实现的。因此，仔细研究D I C O M 标准， 是实现数据通讯的基础。在D I C O M 标准的第七部分中，定义了消息交换的内容； 在第八部分中，定义了消息交换的底层网络通讯支持。 北京下业人学丁程顾l ：学位论文 3 2 1 数据通讯的分层 D I C O M 数据通讯底层基础为T C P I P ，并且根据O S I 的七层模型，对数据通讯 进行了分层，不同层次的通讯，所传输的内容不同。 ( 1 ) 、D I C O M 消息交换的网络支持层( D I C O M 第八部分) 。这部分是D I C O M 数据通 讯的最低层次，是其它层次的基础，这部分主要定义了医学图像及相关信息的网 络传输协议，它对应着开放系统互连( O p e nS y s t e m sI n t e r c o n n e c t i o n ：O S I ) 定义 的网络传输中的会话层、表示层及连接控制服务单元。 ( 2 ) 、D I C O M 消息服务( D I C O M 第四、五、七部分) 。这几部分详细定义了D I M S E 及对医学图像及相关信息的操作，包括医学图像及相关信息的查询、存储、打印 等服务，是对信息对象的操作。 ( 3 ) 、D I C O M 信息对象( D I C O M 第三、六部分) 。这两部分利用面向对象技术定义 了信息对象定义及数据字典。它们是实现D I C O M 的最高层次。 l 医学图像应用 I l D I C O M 应用程序消息交换 I L一一一一一J 网络环境 图3 - 2D I C O M 网络协议框架 F i g u r e3 - 2D I C O Mn e t w o r kp r o t o c o la r c h i t e c t u r e D I C O M 的网络通信协议将I S O 的O S I 七层模型和T C P I P 协议相结合。图3 2 即为D I C O M 的网络通信模型。它显示了D I C O M 通信所支持的三个协议栈。首先， 它支持O S I 的1 “ - 6 层网络模型，所以D I C O M 的网络可以应用许多成熟的网络技 第3 章图像处理工具包的设计方案 术，如I S 0 8 0 2 3 、F D D I 、I S D N 、支持x 2 5 协议的专用数字环路和许多其它的局 域和网络技术；其次，D I C O M 还设计了基于T C P I P 的上层网络协议，这样许多 已经存在的基于T C P I P 的网络就可以直接应用于医学图像的通信。 3 2 2D I C O M 消息交换的网络支持 在D I C O M 标准的第八部分中，定义了基于T C P I P 的D I C O M 上层协议的规范。 由于T C P 传输连接和D I C O M 上层协商之间是一对一的关系，那么，在实现 D I C O M 上层协商时，对于每个上层协商，应该使用独立的T C P I P 传输连接来支 持。 互联网环境下的T C P I P 通信，涉及网上众多主机的识别，并且各个网络操 作系统支持的网络协议很多，不同协议的地址格式不同，工作方式也不同。因此， 实现互联网环境下的T C P I P 通信，是I P 网必须面对的一个关键问题。S o c k e t 接口是专为T C P I P 网络通信设计和开发的一个应用编程接口( A P I ) ，它规定了许 多函数，程序开发者可以利用它们来开发T C P I P 网络上的通信应用程序。下面 两图分别介绍了S O C K E T 面向连接通信的工作流程和S O C K E T 无连接通信的工作流 程。 i通伤完毕i i 通信I 完毕 i 圭 lLc,oso, I i 北京T 业人学丁程硕 j 学位论文 服务器 忙等待J = f 纠收到客 户端发送的数据 处理服务请求 ： ： 通信完毕 ： | 上c l o s e O | ： 通信完毕 图3 4S O C K E T 面向无连接通信的工作流程 F i g u r e3 - 4S o c k e tw o r kf l o ww i t h o u tc o n n e c t i o n 无论是面向连接的通信，还是面向无连接的通信，对于T C P 的传输来说，都 需要占用一个T C P 端口来进行连接和数据通讯。识别不同的D I C O M 上层协议实体， 是根据T C P 端口号来进行区分的，T C P 端口号可以在应用程序层进行修改。 基于T C P I P 的D I C O M 上层传输协议，应该遵循以下的R F C 规范： ( 1 ) R F C7 9 3 ，传输控制程序 ( 2 ) R F C7 9 1 ，互联网协议 ( 3 ) R F C7 9 2 ，互联网控制消息协议 ( 4 ) R F C9 5 0 ，互联网子网 3 2 3D I C O M 消息服务( D I M S E ) D I M S E 支持一对D I M S E 服务使用者之间进行交流。D I M S E 服务的使用方有以 下两种角色选择： ( 1 ) 、调用方的D I M S E 服务使用者 ( 2 ) 、完成方的D I M S E 服务使用者 D I M S E 服务使用者之间的消息交换主要是通过D I M S E 服务提供者来提供的， D I M S E 服务的使用者和D I M S E 服务的提供者之间的关系及消息交换的步骤，可以 第3 章图像处理T 具包的设计方案 参考下图3 5 ： D I M S E , q i 务使用者 消息 ( 命令请求) ( 相关数据) 消息 ( 命令响应) ( 相关数据) D I M S E i 务提供者 指令 响应 完成方 D I M S E i 务使用者 图3 5D I M S E 消息交换步骤 F i g u r e3 - 5D I M S Em e s s a g ee x c h a n g ep r o c e d u r e D I M S E 消息服务之间的交流主要有以下几个步骤： ， ( 1 ) 、调用方发送请求给提供者； ( 2 ) 、提供者生成命令请求和相关数据： ( 3 ) 、提供者发送指令发送给完成方； ( 4 ) 、完成方完成指令后发送响应给提供者； ( 5 ) 、提供者生成命令响应和相关数据： ( 6 ) 、提供者将确认发送给调用方。 3 2 4D I C O M 的信息交换机制 D I C O M 的信息交换是通过应用实体进行的。一个应用实体是参与通信的重要 组成部分，它包含了服务的应用进程、建立连接的函数并进行信息的传输。相互 通信的应用实体都有自己唯一的名称( A ET I T L E ) ，它是基于实际的网络物理地 址产生的，所以成之为显示地址。在应用实体之间建立连接的过程中，通信双方 需要经过联系协商了解对方的情况，最终确定通信的方法，即通信上下文。针对 每个特定的S O P 的通信上下文称为这个S O P 的表现上下文。 在通信网络的应用层，D I C O M 的实现必须被两组服务支持，它们是联系控制 服务元素和D I C O M 消息服务元素。这两者之间的接口被成为D I C O M 接口。 北京丁业火学L T 程硕士学位论文 当前许多D I C O M 网络应的实现，其下层协议是T C P I P ，而在上层，将0 S 的应用层、表示层、会话层结合起来，形成了专有的D I C O M 上层。基于T C P I P 的D I C O M 实现，以I P 地址与端口号确定自己在网络中的位置，D I C O M 的共同商 定的端口号为1 0 4 。 图3 - 6D I C O M 的消息交换机制 F i g u r e3 - 6D I C O MM e s s a g eE x c h a n g e 对于一次D I C O M 的通信，具体过程为： 应用程序通过A P I 发出D I C O M 功能服务要求； D I C O M 服务器构造应用实体，将A P I 参数放入应用实体上下文； 应用实体根据上下文功能要求调用对应的D I C O M 上层服务功能； D I C O M 上层服务将相关参数组成T C P 包传递给T C PS o c k e t ： 操作系统的T C P I P 服务通过物理网络将数据传送到目标计算机； 目标计算机在接收到信息后，回送应答信息。 D I C O M 的消息交换机制如图3 6 所示。上面的通信过程只是一个非常示意性 的概要说明。由于在网络中会出现的情况非常复杂，实际的通信联络的过程和内 容是繁琐而具体的。 3 3 图像数据的压缩 衡量一个P A C S 的好坏，有两个重要的要素：图像质量和检索方便。而这又 取决于P A C S 中医学图像压缩效果的好坏。 数据压缩的效果好与不好，关键要看三样指标：一是压缩比要大，二是压缩 算法简单、速度快，三是恢复效果好。因此医学图像压缩也要遵循这三个指标。 1 6 第3 章图像处理工具包的设计方案 医学图像压缩的第一个指标就是有较高的压缩效率。医学图像的压缩无疑是 减低应用系统成本，提高网络传输效率，减少存储空间的一个重要途径。图像数 据压缩可提高图像传输速率，缩短传输时间，还可以减少图像存档需要的存储空 间。因此，高的压缩比是必需的。 图像压缩的另一个指标是计算速度。用软件压缩或解压缩常常占据计算机的 宝贵时间，且很难做到实时；用硬件压缩速度很快，但将增加P A C S 的成本。有 人认为随着带宽和存储能力的增强将不会再有压缩的要求，但医学图像技术的发 展将不断地提高对网络带宽和存储能力的要求，压缩技术也一直会体现出它的重 要性。 ， 医学图像压缩的一个指标是保证医学诊断的可靠性。医学图像是医学诊断和 疾病治疗的重要根据，在临床上具有非常重要的应用价值。确保医学图像压缩后 的高保真度是医学图像压缩首要考虑的因素，现在医学图像上常常采用无损压 缩，因为它能够精确地还原原图像。 这三个指标是互相制约的，追求高的压缩比就会损失一部分图像信息，达不 到“无视觉损失”的效果：同样，保持了原始图像的真实性，就无法达到较高的 压缩比因而利用率不高。在实际的临床应用中，在这两者之间寻找一个合适的切