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1dicom文件的讀取

DICOM文件的讀取就是讀取DICOM的某些數(shù)據(jù)元素,從而獲得顯示DICOM文件所需要的必要信息和圖像的數(shù)據(jù),如讀取傳輸語(yǔ)法(Transfersyntax),就可以獲得VR顯式還是隱式,字節(jié)排序格式,圖像數(shù)據(jù)的壓縮格式等信息;讀取像素抽樣值(SamplesperPixel),每抽樣值位分配(BitsAllocated),行數(shù),列數(shù),實(shí)際存儲(chǔ)像素的位數(shù)(BitsStored)、幀數(shù)、位深、符號(hào)標(biāo)志、窗寬、窗位等。當(dāng)然還可以獲得其他一些信息,如查詢等信息,本文在此不再展開(kāi)。讀取數(shù)據(jù)元素并獲得數(shù)據(jù)元素中存儲(chǔ)的值時(shí),應(yīng)根據(jù)傳輸語(yǔ)法的規(guī)定,獲得數(shù)據(jù)的隸屬類(lèi)型,字節(jié)排列格式,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。

2數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理

DICOM讀取來(lái)的圖像數(shù)據(jù),如果每抽樣值位分配(BitsAllocated)大于8,此時(shí)以字為單位存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)的像素抽樣值,要想顯示DICOM圖像文件,必須進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理過(guò)程依次為高低字節(jié)交換,高位截取,重調(diào)整。當(dāng)每抽樣值位分配(BitsAllocated)大于8,也就是一個(gè)像素抽樣值需要高于8位才能表示,以一個(gè)字為單位存儲(chǔ)像素的抽樣值,會(huì)由于傳輸語(yǔ)法中規(guī)定的字節(jié)排列格式不同,而產(chǎn)生字存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)表達(dá)的意義不同,同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)16位(一個(gè)字)中可能真正表示像素值的要少于16位。以CT為例,在DICOM文件中,CT圖像的(SamplesperPixel)為1,也就是只需要一個(gè)像素抽樣值來(lái)表示像素,而每像素抽樣值由12位來(lái)表示,此時(shí)16位中真正存儲(chǔ)像素值的只占12位,那么想正確顯示CT圖像,就需要根據(jù)字節(jié)排列格式重新調(diào)整字節(jié)排列,同時(shí)將多余的4位去掉。

(1)高低字節(jié)交換傳輸語(yǔ)法規(guī)定了DICOM文件中字節(jié)的排列格式,如果字節(jié)的排列格式BIG_ENDIAN并且每抽樣值位分配(BitsAllocated)大于8位(一個(gè)字節(jié))時(shí),需要將以字為單位存儲(chǔ)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行高低字節(jié)轉(zhuǎn)換,既將16位(一個(gè)字)前8位和后8位互換位置;否則不進(jìn)行高低字節(jié)交換處理。

(2)高位截取由于DICOM文件常用2個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)像素值,但是很多圖像格式實(shí)際每像素所用位數(shù)可能少于16位(如CT為12位),所以從DICOM文件中讀取來(lái)的數(shù)據(jù)不能進(jìn)行直接顯示,必須經(jīng)過(guò)預(yù)先處理,提取實(shí)際的像素?cái)?shù)據(jù),將高位數(shù)據(jù)進(jìn)行截取。截取時(shí),從標(biāo)號(hào)為(0028H,0102H)的數(shù)據(jù)元素中獲取最高位(HighBit)信息,從(0028H,0101H)數(shù)據(jù)元素中獲得實(shí)際存儲(chǔ)像素位數(shù)(BitsStored),就可以知道每像素所占位數(shù),然后截取高位,得到最終的像素值。截取時(shí),如果是無(wú)符號(hào),則直接獲得低nHeight+1位所表示的整數(shù),前面位數(shù)補(bǔ)零,否則對(duì)這個(gè)數(shù)按2取余。假設(shè)當(dāng)前以nHeight表示最高位數(shù)值,并且最高位(HighBit)=實(shí)際存儲(chǔ)像素位數(shù)(BitsStored)-1,此時(shí)高于第nHeight的數(shù)位與圖像數(shù)據(jù)無(wú)關(guān),幾乎可以不用考慮,即高15-nHeight位根本不用考慮,只看低nHeight+1位,如果是無(wú)符號(hào),則直接獲得低nHeight+1位所表示的整數(shù),否則對(duì)這個(gè)數(shù)按2求補(bǔ)。

(3)DICOM文件中特殊圖像格式的數(shù)據(jù)重調(diào)整該過(guò)程單對(duì)某些特殊圖像進(jìn)行的處理,用來(lái)將DICOM文件里存儲(chǔ)的數(shù)值與實(shí)際有意義的值之間做一個(gè)線性變換,使獲得的數(shù)值具有實(shí)際的意義。以CT圖像為例,必須將DICOM文件中獲得的像素值先轉(zhuǎn)換成Hounsfield值,再做窗寬窗位調(diào)整。因?yàn)樵贒ICOM文件中,CT圖像需要12位來(lái)存儲(chǔ),但是一般CT值的范圍在-1000~+32768之內(nèi)變化,不便于存儲(chǔ),需要將其通過(guò)線形變換到一個(gè)便于存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)范圍。所以當(dāng)進(jìn)行DICOM文件讀取時(shí),需要將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)反變換為實(shí)際有意義的數(shù)據(jù)。對(duì)于一般的圖像,可以直接將從DICOM文件中獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)窗處理,但是對(duì)于某些特殊的圖像(CT等),首先需要將獲得的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行重新調(diào)整,然后才能進(jìn)行窗寬窗位處理。在(0028H,1052H)和(0028H,1053H)數(shù)據(jù)元素中分別存儲(chǔ)fRescaleIntercept和fRescaleSlope的值,相當(dāng)于截距和斜率,重新調(diào)整根據(jù)如下公式:HU=pixel_value*fRescaleSlope+fRescaleIntercept。這種線形調(diào)整僅對(duì)某些格式圖像有意義,例如CT圖像,PET有時(shí)也用到它們,但是其他格式的圖像中(0028H,1052H)和(0028H,1053H)兩個(gè)數(shù)據(jù)元素的值分別為0和1;對(duì)CT而言,CT值是從-1024開(kāi)始的,所以這兩個(gè)值也可以為負(fù)值。

(4)數(shù)據(jù)備份對(duì)經(jīng)過(guò)上面(1)、(2)、(3)步調(diào)整的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份保存。在對(duì)圖像的處理過(guò)程中,由于醫(yī)生對(duì)于感興趣區(qū)域的變化,以及先前得到的窗寬窗位可能并不是最佳顯示,所以就需要不斷的去調(diào)整窗寬窗位,而每次調(diào)窗處理都必須重新獲得原來(lái)備份數(shù)據(jù),然后再去進(jìn)行調(diào)整,所以在每次調(diào)窗前,必須先備份原始數(shù)據(jù)。

3調(diào)窗處理(窗寬窗位調(diào)整)

所謂調(diào)窗處理(C/W),原理上是根據(jù)預(yù)知的窗寬和窗位值,獲得需要顯示的窗口大小(窗寬)和中心位置(窗位),從而將窗口內(nèi)的值轉(zhuǎn)換成顯示時(shí)的最亮和最暗范圍內(nèi)的值,高于窗口灰度范圍的部分置為最亮,低于窗口灰度范圍的部分置為最暗。其中:V為圖像數(shù)據(jù),G為顯示器的顯示值,為顯示器的最大顯示值,W為窗寬,C為窗位。調(diào)窗處理中,窗寬(Windowwidth)是指需要顯示圖像的范圍,調(diào)節(jié)窗寬主要影響對(duì)比度,窗寬越大,圖像灰度層次多,組織對(duì)比減少,細(xì)節(jié)顯示差,而窗位(windowlevel)也稱(chēng)窗中心(windowcenter),表征顯示區(qū)域的中心位置。譬如骨骼的窗寬(C)、窗位(W)分別為C=400,W=2000,那么就可以利用調(diào)窗處理,將窗寬調(diào)節(jié)到骨骼窗寬,窗位調(diào)節(jié)到骨骼的窗位,然后利用上面的公式將圖像V換算成顯示器顯示值,最終得到的結(jié)果是只顯示窗口范圍內(nèi)的圖像,也就是骨骼,而將窗口范圍外的分別置最暗或最亮。

(1)初始窗寬窗位變換當(dāng)打開(kāi)一個(gè)DICOM時(shí),我們就想立刻看到它的顯示,并且想看到圖像的較好顯示效果,但是當(dāng)前并不能手動(dòng)調(diào)節(jié)窗寬窗位的值,所以就需要獲得窗寬和窗位值的一個(gè)預(yù)先定義值,通過(guò)窗寬和窗位來(lái)對(duì)DICOM文件中讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換,最終顯示出來(lái)。有兩種途徑去顯示一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍,一種是在DICOM文件中存儲(chǔ)了窗寬和窗位值,直接利用窗寬窗位進(jìn)行變換;另一種方式就是在不知道窗寬窗位值的前提下,通過(guò)某些運(yùn)算得到這兩個(gè)值。下面就兩種途徑進(jìn)行分解說(shuō)明:(a)如果DICOM文件中未標(biāo)記窗寬窗位,也就是存儲(chǔ)窗寬窗位的數(shù)據(jù)元素(0028H,1050H)和(0028H,1051H)中的值均為0。此時(shí)應(yīng)該在整個(gè)圖像內(nèi)部找到灰度最大值nMax和最小值nMin,設(shè)置初始的窗寬(windowwidth)值為nMax-nMin,窗位(windowcenter)為(nMax+nMin)/2,根據(jù)下面公式,將最大值和最小值范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)變換到0~255灰度范圍內(nèi)顯示。其中nMax和nMin分別表示DICOM圖像的灰度最大值和最小值,x為nMin到nMax范圍內(nèi)的某儀灰度值(nMinxnMax),y表示0到255范圍內(nèi)的一個(gè)灰度值,通過(guò)上面的公式就可以將nMin到nMax范圍內(nèi)的圖像灰度值x變換到0到255范圍內(nèi)的灰度值y來(lái)顯示。(b)如果存儲(chǔ)窗寬窗位的數(shù)據(jù)元素(0028H,1050H)和(0028H,1051H)中的值不為0,表明此時(shí)DICOM圖像提供窗寬窗位數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整的原理與上面相似,只是此時(shí)的窗寬窗位直接由(0028H,1050H)和(0028H,1051H)數(shù)據(jù)元素提供,此時(shí)公式(1)就會(huì)變?yōu)?y=(x-(Level-Width/2•0))×255•0/Width;(2)為了提高精度,可以運(yùn)用半精度法對(duì)窗口范圍內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

(2)手動(dòng)窗寬窗位調(diào)整在圖像處理工程中,可能會(huì)多次進(jìn)行調(diào)窗處理,獲得某時(shí)候的感興趣區(qū)域的顯示,這就需要手動(dòng)的調(diào)整窗寬窗位的值,對(duì)動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行顯示。(a)獲得備份數(shù)據(jù)上面曾提到,當(dāng)打開(kāi)DICOM文件并顯示其圖像時(shí),都首先根據(jù)窗寬窗位來(lái)算出一個(gè)顯示值,最終顯示在顯示器上,既DICOM文件解析出像素值轉(zhuǎn)換→中間數(shù)據(jù)(高位截取等)調(diào)窗轉(zhuǎn)換→pValue(顯示值)生成→bitmap顯示,而每一次窗寬窗位調(diào)整必須獲得中間數(shù)據(jù),這樣才能達(dá)到利用調(diào)窗顯示不同感興趣區(qū)域的目的,所以對(duì)于每次調(diào)窗之前需要先備份中間數(shù)據(jù)。(b)手動(dòng)調(diào)窗獲得了備份數(shù)據(jù)后,通過(guò)不斷改變窗寬和窗位值,利用公式(3)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)窗。

(3)非線性調(diào)窗根據(jù)人眼對(duì)于灰度的反應(yīng)是非線性的,對(duì)亮色比對(duì)暗色敏感性強(qiáng)的特點(diǎn),獲得中間數(shù)據(jù)(高位修剪/CT值)的最大nMax和最小灰度nMin,然后通過(guò)調(diào)整gamma值,將x非線性轉(zhuǎn)換為y來(lái)顯示圖像。y=255•0×pow(x/(nMax-nMin),1•0/gamma);如果希望將圖像的整個(gè)灰度級(jí)以不同對(duì)比度盡量通過(guò)顯示設(shè)備灰度級(jí)顯示(PC顯示一般為256個(gè)灰度級(jí)),本文分別利用折線和貝塞爾曲線實(shí)現(xiàn)圖像灰度級(jí)到顯示設(shè)備灰度級(jí)的轉(zhuǎn)換(見(jiàn)圖2、圖3)。通過(guò)人為的拉動(dòng)曲線,獲得從圖像灰度到顯示器灰度的對(duì)應(yīng)函數(shù),使得對(duì)于那些不重要的區(qū)域,可以調(diào)整曲線,使得變化率很小,這樣相當(dāng)于將較大的區(qū)域轉(zhuǎn)換到0~255很小的區(qū)域,相反對(duì)于感興趣區(qū)域,就盡量使得變換率特別大,這樣就可以獲得感興趣區(qū)域較大的對(duì)比度,同時(shí)又保留了一些其他區(qū)域的細(xì)節(jié)信息。

(4)去除白斑(1)和(2)以及(3)的調(diào)窗處理后,最終都需要將得到的pValue(顯示值),也就是利用公式(1)或(2)或(3)得到的y值,進(jìn)行上溢(overflow)和下溢(underflow)判斷處理,否則會(huì)形成白斑。

4圖像的DIB顯示

在過(guò)程3的調(diào)窗處理中,無(wú)論初始窗寬窗位變換還是手動(dòng)調(diào)窗處理,最終都需要進(jìn)行圖像的顯示。由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)下不能直接支持DICOM醫(yī)學(xué)圖像的顯示,而DIB顯示是計(jì)算機(jī)中普遍應(yīng)用的位圖文件格式,所以本文以DIB顯示DICOM醫(yī)學(xué)圖像。在內(nèi)存中,以DIB顯示只需要包含位圖信息頭(BITMAPIN-FOHEADER),顏色表(RGBQUAD)以及圖像數(shù)據(jù)就可以顯示,所以構(gòu)建DIB數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)。本文首先對(duì)調(diào)窗處理后的pValue(顯示值)變換為DIB數(shù)據(jù)塊,然后利用CDib類(lèi)的Create()函數(shù)創(chuàng)建CDib對(duì)象,最后顯示圖像。位圖信息頭(BITMAPINFOHEADER)顏色表(RGBQUAD)圖像數(shù)據(jù)圖9DIB數(shù)據(jù)塊的結(jié)構(gòu)生成DIB數(shù)據(jù)塊:(1)獲得數(shù)據(jù)元素(0028H,0004H)中圖像顏色系統(tǒng)(PhotometricInterpolation),如果圖像顏色系統(tǒng)為RGB或者YBR格式,則置調(diào)色板大小為0,否則調(diào)色板大小為sizeof(RGBQUAD)×256,即:4×256=1024,(2)判斷調(diào)窗處理后每行字節(jié)數(shù)是否為4的倍數(shù),如果不是4的倍數(shù),則需要在每行末尾補(bǔ)n個(gè)0,生成新的數(shù)據(jù)區(qū)。其中n=列數(shù)4%,由于調(diào)窗前為字存儲(chǔ),調(diào)窗后變換為0~255灰度級(jí),為字節(jié)存儲(chǔ),即每個(gè)像素由一個(gè)字節(jié)表示,所以調(diào)窗處理后圖像數(shù)據(jù)區(qū)大小應(yīng)該為原來(lái)的一半,每行字節(jié)數(shù)就變成了列數(shù)。(3)申請(qǐng)DIB數(shù)據(jù)區(qū),大小為nLength+sizeof(BITMAPINFOHEADER)+4*256+nCols4%*nRows其中nLength為調(diào)窗處理后生成的圖像數(shù)據(jù)區(qū)的大小(為調(diào)窗前數(shù)據(jù)區(qū)的大小);4*256為調(diào)色板大小;nCols為列數(shù),nRows為行數(shù),nCols4%*nRows為(2)中補(bǔ)的0的個(gè)數(shù)。(4)填寫(xiě)bmp頭信息(BITMAPINFOHEADER),并將頭信息寫(xiě)入DIB數(shù)據(jù)區(qū);如果調(diào)色板不為0,則將顏色表(調(diào)色板)寫(xiě)入DIB數(shù)據(jù)區(qū);將(2)中生成的新的圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)入DIB數(shù)據(jù)區(qū)。(5)調(diào)用CDib類(lèi)中的Create()函數(shù)生成CDib對(duì)象,最后顯示圖像。

5結(jié)束語(yǔ)

本文基于DICOM3•0標(biāo)準(zhǔn),介紹了DICOM中比較關(guān)鍵的調(diào)窗處理技術(shù)和dib顯示技術(shù),嘗試以一些線性以及非線性調(diào)窗技術(shù),實(shí)現(xiàn)DICOM醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)到顯示器設(shè)備灰度級(jí)的映射,并采用DIB顯示技術(shù),實(shí)現(xiàn)了DICOM醫(yī)學(xué)圖像的計(jì)算機(jī)顯示。本文利用折線和貝塞爾曲線實(shí)現(xiàn)非線性調(diào)窗,既實(shí)現(xiàn)了DICOM醫(yī)學(xué)圖像動(dòng)態(tài)范圍到顯示器灰度級(jí)的映射,又保留了一些范圍外細(xì)節(jié)。