DICOM图像解析:深入解析DICOM格式文件的高效读取与处理

引言

        在医学影像领域,DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)标准已成为信息交换和存储的核心规范。掌握DICOM文件的读取与解析,对于开发医学影像处理软件至关重要。本文将系统地解析DICOM文件的结构、关键概念,并提供高效的读取与显示方法,旨在为开发者提供清晰、深入且实用的指导。

目录

引言

DICOM文件格式概述

文件结构

DICOM数据元素详解

标签排序与传输语法

关键概念

值表示(VR)

传输语法(Transfer Syntax)

  VR 模式下DICOM 数据元素结构

1. 显式 VR(VR 为 OB, OW, OF, UT, SQ, UN)

2. 显式 VR(普通类型,缺少预留字段)

3. 隐式 VR

整体对比

示例图表

显式 VR(特殊 VR)

显式 VR(普通 VR)

隐式 VR

DICOM文件解析流程

步骤一:验证文件标识

步骤二:读取文件元信息

步骤三:解析普通标签与数据元素

步骤四:处理像素数据

高效的像素数据处理

示例代码:优化后的像素数据处理

完整的DICOM解析器实现

使用示例

2. 可能存在的问题与改进建议

2.1 支持的 DICOM 文件类型有限

2.2 缺乏压缩像素数据的处理

2.3 错误处理与异常管理

2.4 对 DICOM 字典的依赖

2.5 性能优化

2.6 内存管理

2.7 支持更多的 DICOM 特性

3. 示例代码的改进与完善

3.1 扩展像素数据处理以支持 RGB 图像

3.2 添加并行处理以提高性能

3.3 处理压缩数据与多帧图像

窗宽窗位(Window Width & Window Center)调整

计算公式

实现示例

性能优化建议

结论


DICOM文件格式概述

DICOM文件不仅包含影像数据,还承载了丰富的元数据,如患者信息、设备参数等。理解其文件结构是顺利解析的基础。

文件结构

  1. 128字节文件前导部分(Preamble):通常无实际意义,可跳过。
  2. “DICM”标识:紧接前导部分的4个字符,用于标识文件为DICOM格式。
  3. 数据元素(Data Elements):由一系列的标签(Tag)组成,每个标签包含详细的信息,直到文件结束。

DICOM数据元素详解

每个数据元素由以下部分构成:

  • 标签(Tag):由两个部分组成,组号(Group Number)和元素号(Element Number),每部分各占2字节。例如,(0008,0018)
  • 值表示(Value Representation, VR):定义值的数据类型,如整数、字符串等。
  • 值长度(Value Length, Length):数据值的字节长度。
  • 值(Value):实际的数据内容。

用分层结构表示如下:

+------------------------------------------------------------+
|                    数据元素(Data Element)                  |
+------------------------------------------------------------+
|                        标签(Tag)                           |
|  +----------------+----------------+------------------------+ |
|  | 组号(0008)   | 元素号(0018)  | 示例: (0008,0018)         | |
|  +----------------+----------------+------------------------+ |
+------------------------------------------------------------+
|                值表示(Value Representation, VR)           |
|  +--------------------------------------------------------+|
|  |                      UI                              | |
|  |           定义为 Unique Identifier (唯一标识符)          | |
|  +--------------------------------------------------------+ |
+------------------------------------------------------------+
|               值长度(Value Length, Length)                |
|  +--------------------------------------------------------+ |
|  |                      16                                 | |
|  +--------------------------------------------------------+ |
+------------------------------------------------------------+
|                        值(Value)                           |
|  +--------------------------------------------------------+ |
|  | 1.2.840.113619.2.55.3.604688419.78.1590631040.467       | |
|  +--------------------------------------------------------+ |
+------------------------------------------------------------+

标签排序与传输语法

        数据元素按标签排序存储。传输语法决定了字节序(大端或小端)及VR的显式或隐式表示,影响后续的解析过程。

关键概念

值表示(VR)

VR定义了数据元素值的数据类型。DICOM标准中定义了27种不同的VR类型,如:

  • 常见VRLO(Long String)、UL(Unsigned Long)、US(Unsigned Short)、DS(Decimal String)等。
  • 复杂VRSQ(Sequence of Items)、OB(Other Byte)、OW(Other Word)等。

传输语法(Transfer Syntax)

传输语法定义了DICOM文件的数据编码方式,主要包括:

  • 字节序:Little Endian(小端)或 Big Endian(大端)。
  • VR表示:显式VR(Explicit VR)或隐式VR(Implicit VR)。

常见的传输语法包括:

  • 1.2.840.10008.1.2:Implicit VR Little Endian
  • 1.2.840.10008.1.2.1:Explicit VR Little Endian
  • 1.2.840.10008.1.2.2:Explicit VR Big Endian

  VR 模式下DICOM 数据元素结构

1. 显式 VR(VR 为 OBOWOFUTSQUN
字段描述大小
组号Group Number2 字节
元素号Element Number2 字节
VRValue Representation2 字节
预留Reserved2 字节(0x00, 0x00)
值长度Value Length4 字节
数据元素值Data Element Value由值长度决定

说明:

  • VR 为 OBOWOFUTSQUN 时,数据元素包含预留字段,且值长度占用 4 字节。
2. 显式 VR(普通类型,缺少预留字段)
字段描述大小
组号Group Number2 字节
元素号Element Number2 字节
VRValue Representation2 字节
值长度Value Length2 字节
数据元素值Data Element Value由值长度决定

说明:

  • VR 为非 OBOWOFUTSQUN 类型时,数据元素不包含预留字段,且值长度占用 2 字节。
3. 隐式 VR
字段描述大小
组号Group Number2 字节
元素号Element Number2 字节
值长度Value Length4 字节
数据元素值Data Element Value由值长度决定

说明:

  • 在隐式 VR(Implicit VR)模式下,VR 信息不直接存储,数据元素结构中不包含 VR 字段,且值长度占用 4 字节。

整体对比
模式组号 (2字节)元素号 (2字节)VR (2字节)预留 (2字节)值长度数据元素值
显式 VR(特殊 VR)4 字节由值长度决定
显式 VR(普通 VR)-2 字节由值长度决定
隐式 VR--4 字节由值长度决定

说明:

  • 在 显式 VR 模式下,根据 VR 类型的不同,数据元素的结构有所不同。
    • 对于 特殊 VROBOWOFUTSQUN),包含预留字段,值长度占用 4 字节。
    • 对于 普通 VR,不包含预留字段,值长度占用 2 字节。
  • 在 隐式 VR 模式下,不包含 VR 字段,值长度占用 4 字节。

示例图表
显式 VR(特殊 VR)
组号元素号VR预留值长度数据元素值
2 字节2 字节2 字节0x00,0x004 字节由值长度决定
显式 VR(普通 VR)
组号元素号VR值长度数据元素值
2 字节2 字节2 字节2 字节由值长度决定
隐式 VR
组号元素号值长度数据元素值
2 字节2 字节4 字节由值长度决定

        通过以上列表,可以清晰地了解在不同 VR 模式下,DICOM 数据元素的结构和组成。根据具体的传输语法和 VR 类型,解析器需要相应调整读取和解析的逻辑,以确保正确处理每个数据元素。 

DICOM文件解析流程

步骤一:验证文件标识

跳过128字节前导部分,读取接下来的4个字符,确认是否为"DICM"。若非DICOM文件,应报错处理。

步骤二:读取文件元信息

文件元信息包含一组以0002开头的标签,定义了传输语法等关键参数。解析这些标签,以确定后续数据元素的解析方式。

步骤三:解析普通标签与数据元素

根据传输语法,决定字节序和VR表示方式。逐一读取数据元素,直到遇到像素数据标签(7FE0,0010)

步骤四:处理像素数据

根据图像类型(灰度或彩色),解析像素数据。对于灰度图像,应用窗宽窗位(Window Width、Window Center)进行灰度映射,以提升图像的诊断质量。

DICOM文件关键解析步骤的实现:

1. 文件标识与元信息读取

public bool Parse()
{if (string.IsNullOrEmpty(fileName))return false;using (BinaryReader reader = new BinaryReader(File.OpenRead(fileName))){

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