【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 DICOM 醫(yī)學(xué)圖像 BMP、 JPEG、 TIFF 等通用圖像格式的 Header 只描述圖像的基本參數(shù)：如幾行、幾列、每點(diǎn)用了幾位、有沒(méi)有壓縮、顏色表等等。 Header 往往是固河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 定長(zhǎng)度的 ， 而醫(yī)療影像還需要許多其它參數(shù)，如病人基本資料、 檢查的日期和時(shí)間、檢查設(shè)備、圖像的攝取角度和標(biāo)注信息等等。而且每種模式的圖像所需要的參數(shù)內(nèi)容都不一樣 ， 因此，不能使用一般的圖像格式。各醫(yī)療影像設(shè)備生產(chǎn)廠商的圖像獲取系統(tǒng)能夠?qū)⒃O(shè)備獲取的圖像通過(guò)直接或間接的方式轉(zhuǎn)換為能夠存儲(chǔ)和處理的專(zhuān)有圖像格式，但是由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各廠商設(shè)備之間的醫(yī)學(xué)圖像存儲(chǔ)格式、傳輸方式千差萬(wàn)別，使得醫(yī)學(xué)圖像信息在不同系統(tǒng)、不同應(yīng)用之間的交換受到嚴(yán)重阻礙。在上述背景之下，美國(guó)放射學(xué)會(huì) (ACR)和電器制造協(xié)會(huì) (NEMA)聯(lián)合制定了 DICOM 標(biāo)準(zhǔn)。 DICOM 是“ Digital Imaging and Communications in Medicine” 的縮寫(xiě)，即醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信標(biāo)準(zhǔn)； DICOM 標(biāo)準(zhǔn)既是圖像格式的標(biāo)準(zhǔn)，也是圖像通訊的標(biāo)準(zhǔn)。目前，最新的 標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被世界上主要的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備生產(chǎn)廠商接受，因此已經(jīng)成為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 DICOM 醫(yī)學(xué)圖象文件的后綴為 .dcm，其文件結(jié)構(gòu)主要包括三部分： 1. 導(dǎo)言，共 128 個(gè) 預(yù)定義引導(dǎo) 字節(jié) ， 該部分通常全為 00H； 2. 前綴， 4 個(gè)字節(jié)，規(guī)定為 D、 I、 C、 M 4 個(gè)字符，用以判斷該文件是否為 DICOM 文件 ， 在文件中為十六進(jìn)制的“ 44 49 43 4D” ； 3. 數(shù)據(jù)元素 (Data Element)，一般有多組數(shù)據(jù)元素 ， 每一數(shù)據(jù)元素又由標(biāo)簽 (Tag)、數(shù)據(jù)類(lèi)型 (VR， Value Representation)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 (VL， Value Length)和數(shù)據(jù) (Value)共 4 部分組成 ，如圖 所示。 數(shù)據(jù)元素中包含了諸如設(shè)備類(lèi)型、病人信息、圖像存儲(chǔ)參數(shù)、像素?cái)?shù)據(jù)等內(nèi)容 ， DICOM 數(shù)據(jù)集合是由 DICOM 數(shù)據(jù)元素按照一定的順序排列組成的 [8]。 DICOM 文件數(shù)據(jù)元素組成如圖 21 所示： 圖 21 DICOM 文件數(shù)據(jù)元素結(jié)構(gòu) (1) 標(biāo)簽 (Tag) 標(biāo)簽是一個(gè) 4 字節(jié)無(wú)符號(hào)整數(shù)。 DICOM 文件的標(biāo)簽格式為 (組號(hào) ，元素號(hào) )，其中組號(hào)及元素號(hào)各占兩個(gè)字節(jié) ， 前兩個(gè)字節(jié)是組號(hào)，后兩個(gè)河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 字節(jié)是元素號(hào) ， 數(shù)據(jù)元素是通過(guò)數(shù)據(jù)標(biāo)簽唯一標(biāo)識(shí)的。十六進(jìn)制下的格式如 (0002,0003)， 其中組號(hào)表明這個(gè)數(shù)據(jù)元素屬于哪個(gè)組，如 0028 代表 DICOM 圖像數(shù)據(jù)的相關(guān)參數(shù)組 ； 元素號(hào)用于區(qū)分同一組中不同的數(shù)據(jù)元素 。 每一組使用 (0000)的元素號(hào)保存本組的總長(zhǎng)度 。 (2) 數(shù)據(jù) 類(lèi)型 (VR) VR 規(guī)定 了數(shù)據(jù)元素中數(shù)據(jù)的類(lèi)型 和格式 ， 一般為 2 字節(jié)的字符串，例如 一個(gè)數(shù)據(jù)元素的 VR 是 DA， 則 表示該數(shù)據(jù)元素中存儲(chǔ)的是DATE(日期 )數(shù)據(jù) 類(lèi)型；而 TM 代表 的是 TIME(時(shí)間 )數(shù)據(jù)類(lèi)型 。 VR 是可選的，取決于事先商定的傳輸語(yǔ)法 (Transfer Syntax UID)，它包含在標(biāo)簽為 (0002， 0010)的數(shù)據(jù)元素中。 UID 形式上是一個(gè)字符串，用于唯一標(biāo)識(shí) DICOM 標(biāo)準(zhǔn)中各種不同的信息對(duì)象，在 DICOM 文件中有很多 UID，如診斷 UID、字符格式 UID、圖像存儲(chǔ) UID 和傳輸協(xié)議 UID 等等，這些 UID有些可以套用現(xiàn)成的，有些必須要自己確定，特別是 UID 中的廠商信息、醫(yī)院信息以及圖像的分類(lèi)序列號(hào)等等。數(shù) 據(jù)類(lèi)型 VR 分為顯示 (Explicit VR)和隱式 (Implicit VR)兩種，數(shù)據(jù)在顯式傳輸時(shí) VR 必須存在，而隱式傳輸時(shí) VR為空，組號(hào)為 0002 的數(shù)據(jù)元素都是顯式的。 (3) 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 (VL) 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是指數(shù)據(jù)元素的數(shù)據(jù)域中數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度 (字節(jié)數(shù) )。 VL 一般為兩個(gè)字節(jié)，但當(dāng) VR 為隱式和 VR 為 OB， OW， SQ 時(shí)， VL 用 4 個(gè)字節(jié)表示，其中 OB 表示像素?cái)?shù)據(jù)不壓縮， OW 表示像素?cái)?shù)據(jù)壓縮， SQ表示數(shù)據(jù)元素中存在嵌套，常用于多幀圖像。這個(gè)長(zhǎng)度只是值的長(zhǎng)度，不包括數(shù)據(jù)元素標(biāo)簽，數(shù)據(jù)類(lèi)型 VR，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 VL 字段。 (4) 數(shù) 據(jù) (Value) 存放了該數(shù)據(jù)元素的數(shù)值，該字段的數(shù)據(jù)類(lèi)型由數(shù)據(jù)元素的 VR 確定。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 167。 總體設(shè)計(jì) 根據(jù)本 設(shè)計(jì) 研究的內(nèi)容 ，可以把各功能分為三大項(xiàng)，考慮到界面有限，為了使系統(tǒng)簡(jiǎn)潔友好，這些功能全部在菜單欄中體現(xiàn)，共分為三個(gè)模塊，分別為圖像讀取和顯示模塊，圖像的基本操作模塊和 DICOM 圖像增強(qiáng)模塊。所設(shè)計(jì)的 DICOM 醫(yī)學(xué)圖像瀏覽器的系統(tǒng)框圖 可以用圖 31 表示 ： D I C O M 醫(yī) 學(xué) 圖 像 瀏 覽 器圖 像 讀 取 和 顯 示圖 像 的 基 本 操 作D I C O M 圖 像 增 強(qiáng) 處 理 圖 31 DICOM 醫(yī)學(xué)圖像瀏覽器功 能模塊示意圖 167。 各模塊設(shè)計(jì) 167。 圖像讀取和顯示 圖像的讀取和顯示模塊包括對(duì)“ .dcm； .jpg； .bmp”格式圖像的讀取和顯示，以及對(duì)“ .dcm”圖像所包含的信息的顯示。 167。 圖像的基本操作 1. 圖像的旋轉(zhuǎn) 圖像旋轉(zhuǎn)是指圖像以某一參考點(diǎn)為中心旋轉(zhuǎn)一定的角度，形成一幅新的圖像的過(guò)程，這個(gè)參考點(diǎn)通常是圖像的中心。圖像旋轉(zhuǎn)會(huì)使某些像素點(diǎn)落到原圖像的外面，因此若要保持原來(lái)的各像素信息，需要將圖像擴(kuò)大。以原圖像四個(gè)角旋轉(zhuǎn)所到位置的橫縱坐標(biāo)的最大值作為擴(kuò)大后的范圍。 旋轉(zhuǎn)后所得圖像各像 素點(diǎn)的灰度值的確定方法是：將旋轉(zhuǎn)后所得圖像上河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 各點(diǎn)反向旋轉(zhuǎn)，映射到原圖像上，像素位置可能不再是整數(shù)值，就以該像素在原圖像中的位置對(duì)應(yīng)的灰度作為該像素的灰度，超出部分置為 0，這種方法是最近鄰域插值，當(dāng)然也可以應(yīng)用雙線性插值，或其他的插值方法 [9]。 圖像旋轉(zhuǎn)也是數(shù)字圖像處理中常用的處理方法，可以使用戶(hù)從各個(gè)角度來(lái)觀察圖像，使分析診斷更加準(zhǔn)確。 2. 窗位窗寬調(diào)整 窗寬指 CT 圖像上顯示的 CT 值范圍，在此 CT 值范圍內(nèi)的組織和病變均以不同的模擬灰度顯示 [10]。而 CT 值高于此范圍的組織和病變，無(wú)論高出程度有多少，均以 白影顯示，不再有灰度差異；反之，低于此范圍的組織結(jié)構(gòu)，不論低的程度有多少，均以黑影顯示，也無(wú)灰度差別。增大窗寬，則圖像所示 CT 值范圍加大， 顯示具有不同密度的組織結(jié)構(gòu)增多，但各結(jié)構(gòu)之間的灰度差別減少 ； 減小窗寬，則顯示的組織結(jié)構(gòu)減少，然而各結(jié)構(gòu)之間的灰度差別增加。 窗位是窗的中心位置。同樣 的窗寬，由于窗位不同，其所包括 CT 值范圍的 CT 值也有差異。例如窗寬同為 100 H，當(dāng)窗位為 0 H 時(shí)，其 CT 值范圍為 50～ +50 H；如窗位為 +35 H 時(shí)，則 CT 值范圍為 15～ +85 H。通常，欲觀察某以組織結(jié)構(gòu)及發(fā)生的病變 ，應(yīng)以該組織的 CT 值為窗位。例如腦質(zhì)CT 值約為 +35 H，則觀察腦組織及其病變時(shí)，選擇窗位以 +35 H 為妥。 由上可見(jiàn)，同一 CT 掃描層面，由于選擇不同的窗寬和窗位可獲得各種觀察不同組織結(jié)構(gòu)的灰階圖像。 由于各種組織結(jié)構(gòu)或病變具有不同的CT 值，因此欲顯示某一組織結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)時(shí)，應(yīng)選擇適合觀察該組織或病變的窗寬和窗位，以獲得最佳顯示。 調(diào)窗處理在數(shù)學(xué)表達(dá)上就是圖像灰度值與顯示值的轉(zhuǎn)換，公式如下： ????????????????????2,22),2(2,0wcvmwcvwccwvwmwcvvG ）（ (31) 其中， v 為圖像數(shù)據(jù)， G(v)為顯示器的顯示值， m 為顯示器的最大顯示值， w為窗寬， c 為窗位。 3. 圖像反色 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 對(duì)圖像求反是將原來(lái)的灰度值翻轉(zhuǎn)，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是使黑變白，使白變黑。普通的黑白底片和照片就是這樣的關(guān)系。具體的變換就是將圖像中每個(gè)像素的灰度值根據(jù)變換曲線進(jìn)行映射。 4. 格式轉(zhuǎn)換 DICOM 醫(yī)學(xué)圖像瀏覽時(shí)需要有專(zhuān)門(mén)的瀏覽器，為了使瀏覽圖像更加方便，本 設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn) 了對(duì) DICOM 圖像的格式轉(zhuǎn)換功能，可以把 DICOM 圖像轉(zhuǎn)換成 JPG、 BMP 的 格式。 5. 任意兩點(diǎn)距離測(cè)量 要測(cè)量圖像 中任意兩點(diǎn)間的距離相對(duì)簡(jiǎn)單，首先獲取起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后用兩點(diǎn)間的距離公式即可求出結(jié)果 ,公式如下： )21()21( 22 yyxxS ?? ?? (32) 其中， 起點(diǎn)坐標(biāo)為 (x1,y1),終點(diǎn)坐標(biāo)為 (x2,y2),S 為兩點(diǎn)距離。 167。 DICOM 圖像增強(qiáng)處理 圖像增強(qiáng)是指為了改善圖像的視覺(jué)效果，或者是為了更便于人或機(jī)器的分析和處理，在不考慮降質(zhì)原因的情況下，用試探的方式圖像進(jìn)行加工，力求改善圖像的質(zhì)量；加強(qiáng)、突出圖像中的感興趣的特征，抑制、削弱、剔除圖像中不需要 的信息，使處理結(jié)果對(duì)特定的應(yīng)用來(lái)說(shuō)比原始圖像更合適 [11]。圖像增強(qiáng)分為空間域增強(qiáng)和變換域增強(qiáng)，前者是指直接對(duì)圖像的像素 (灰度 )進(jìn)行處理，后者指對(duì)圖像經(jīng)過(guò)傅里葉變換后的頻譜成分進(jìn)行操作，然后經(jīng)過(guò)傅里葉逆變換獲得所需的圖像。本設(shè)計(jì)中的圖像增強(qiáng)都是空間域增強(qiáng)。 1. 直方圖均衡化 直方圖是數(shù)字圖像中像素灰度值的分布情況，具體地說(shuō)，就是數(shù)字圖像中的每一灰度級(jí)與其出現(xiàn)的頻數(shù)間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。直方圖均衡化的基本思想是將原始圖像的直方圖變換為近似均勻分布的形式，即重新分配圖像像素的灰度值，使各灰度級(jí)的像素?cái)?shù)量大致相同，其目 的是擴(kuò)大像素灰度值的動(dòng)態(tài)范圍，進(jìn)而增強(qiáng)圖像的整體對(duì)比度 [ 12]。 2. 對(duì)比度增強(qiáng) 對(duì)比 度增強(qiáng)的實(shí)質(zhì)是按照一定的規(guī)則來(lái)修改圖像的每一個(gè)像素的灰度，從而來(lái)改變 兩個(gè)灰度值之間的動(dòng)態(tài)范圍來(lái) 增強(qiáng)其對(duì)比度。 設(shè)輸入圖像為 f(x,y),處理后圖像為 g(x,y),則對(duì)比度增強(qiáng)可以表示為變河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 換式： f(x,y)=T[g(x,y)] (33) 其中 T 表示輸入圖像和輸出圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)的映射關(guān)系。 如圖 32所示： 圖 32 對(duì)比度增強(qiáng) 從圖中可 以看出，通過(guò)變換可以使原圖中較高的和較低的灰度值的動(dòng)態(tài)范圍減小，而原圖在兩者之間的動(dòng)態(tài)范圍增大了，從而其范圍的對(duì)比度增加了。 3. 圖像平滑 圖像平滑是指用于突出圖像的低頻成分、主干部分或抑制圖像噪聲和干擾高頻成分，使圖像亮度平緩漸變，減小突變梯度，改善圖像質(zhì)量的圖像處理方法 [13]。 圖像平滑是對(duì)圖像做低通濾波，可在空間域或頻率域?qū)崿F(xiàn)?？臻g域圖像平滑方法主要用低通卷積濾波、中值濾波等；頻率域圖像平滑常用的低通濾波器有低通梯形濾波器、低通高斯濾波器、低通指數(shù)濾波器、巴特沃思低通濾波器等。本設(shè)計(jì)中平滑是空間域平 滑，用到的是中值濾波和鄰域?yàn)V波。 空間濾波是指對(duì)圖像中的像素進(jìn)行濾波，方法是將掩模反轉(zhuǎn)，按從左到右，從上到下的順序在圖中移動(dòng)，將掩模重心與各個(gè)像素依次重合；將掩模中的各個(gè)系數(shù)與其對(duì)應(yīng)的像素一一相乘，并將所得的乘積相加；將結(jié)果賦給圖像中對(duì)應(yīng)掩模中心位置的像素。 本設(shè)計(jì)中鄰域?yàn)V波用到的掩模是 55 的矩陣，矩陣中每個(gè)數(shù)都是 1/25。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 中值濾波是指對(duì)掩模的諸像素灰度排序，用中值代替掩模中心像素原來(lái)的灰度值。 該方法的特點(diǎn)是圖像中尺寸小于模板尺寸一半的過(guò)亮或過(guò)暗區(qū)域?qū)?huì)在濾波后被消除掉，對(duì)脈沖干擾以及椒鹽噪聲的抑制效果好 [14]。 4. 圖像銳化 圖像銳化就是補(bǔ)償圖像的 輪廓 ，增強(qiáng)圖像的邊緣及灰度跳變的部分，使圖像變得清晰，亦分空間處理和頻域處理兩類(lèi)，本設(shè)計(jì)用到的是空間銳化。圖像銳化處理的目的是為了使圖像的邊緣、輪廓線以及圖像的細(xì)節(jié)變的清晰，經(jīng)過(guò)平滑的圖像變得模糊的根本原因是因?yàn)閳D像受到了平均或積分運(yùn)算，因此可以對(duì)其進(jìn)行逆運(yùn)算 (如微分運(yùn)算 )就可以使圖像變的清晰。從頻率域來(lái)考慮，圖像模糊的實(shí)質(zhì)是 因?yàn)槠涓哳l分量被衰減，因此可以用 高通濾波器 來(lái)使圖像清晰。 空間銳化濾波的算子有很多種，如 Prewitt算子， Sobel算子， Laplacian算子等， 如圖 33所示： 圖 33 銳化算子 其中 (a)是 Prewitt 算子， (b)是 Sobel 算子。 5. 邊緣檢測(cè) 邊緣是指圖像局部亮度變化最顯著的部分，邊緣主要存在于目標(biāo)與目標(biāo)、目標(biāo)與背景、區(qū)域與區(qū)域 (包括不同色彩 )之間，是圖 像分割、紋理特征提取和形狀特征提取等圖像分析的重要基礎(chǔ)，圖像分析和理解的第一步常常是邊緣檢測(cè)。 邊緣檢測(cè)是使用數(shù)學(xué)方法提取圖像像元中具有亮度值 (灰度 )空間方向變化大的邊、線特征的過(guò)程。邊緣檢測(cè)的基本思想是通過(guò)計(jì)算局部微分算子檢測(cè)邊緣上的灰度突變，包括一階導(dǎo)數(shù)，即通過(guò)梯度來(lái)計(jì)算，和二階導(dǎo)數(shù)，即通過(guò)拉普拉斯算子來(lái)計(jì)算 [ 15]。人們已經(jīng)發(fā)展了許多邊緣檢測(cè)器，本設(shè)計(jì)中用到的是算子有： Sobel 邊緣 算子、 Prewitt 邊緣 算