， ， ，

(濟(jì)南大學(xué) a. 信息科學(xué)與工程學(xué)院; b. 山東省網(wǎng)絡(luò)環(huán)境智能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 濟(jì)南 250022)

醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(digital imaging and communications in medicine, DICOM)[1]是使醫(yī)學(xué)圖像及相關(guān)信息在不同系統(tǒng)和應(yīng)用之間交換的一種國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)。 1982年， American College of Radiology(ACR)和National Electrical Manufacturers Association(NEMA)這2個(gè)組織共同成立了委員會(huì)， 用以建立醫(yī)學(xué)圖像的相應(yīng)規(guī)范。 1993年， ACR-NEMA發(fā)布了一套統(tǒng)一的規(guī)范， 命名為DICOM 3.0[2-3]， 這一規(guī)范逐步成為醫(yī)學(xué)圖像信息學(xué)領(lǐng)域的國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)。

DICOM廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域， 例如放射醫(yī)療、 心血管成像、 X射線(xiàn)、 核磁共振等。 DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像中包含許多信息[4-6]， 其中最主要的是圖像的數(shù)據(jù)位， 數(shù)據(jù)位中的數(shù)據(jù)元素一般是12位或16位， 可表示的灰度級(jí)最大可達(dá)65 536。 人們通常使用2種方法觀(guān)察DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像， 一是使用專(zhuān)門(mén)的軟件，二是將DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像轉(zhuǎn)換成其他圖像格式。在對(duì)DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行顯示時(shí)，使用的軟件有OsiriX、Sante DICOM viewer等，人們觀(guān)察到的是灰度圖,但是人眼只能辨別出35種左右的灰度色調(diào)[7]，如果要觀(guān)察DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像中的細(xì)節(jié)部分，就需要另開(kāi)窗口，單獨(dú)對(duì)這一區(qū)域進(jìn)行顯示，很顯然這種方法給人們的觀(guān)察帶來(lái)不便。在對(duì)DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換時(shí)通常采用的是加窗技術(shù)[8-9]，轉(zhuǎn)換的格式一般為BMP[10]。加窗技術(shù)是利用一個(gè)窗口，將窗口區(qū)域內(nèi)的圖像線(xiàn)性地轉(zhuǎn)換到顯示器上，但是這種方法會(huì)犧牲掉圖像中的部分像素，原因是大于或小于窗口上下限的像素值會(huì)被設(shè)置為最大或最小顯示值。

通常情況下， 人眼可以辨別出上千種彩色色調(diào)和亮度。 如果DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像用偽彩色進(jìn)行顯示， 那么圖像中人體組織間的細(xì)微差別就可以用不同的顏色來(lái)區(qū)分， 進(jìn)而人眼可以直接進(jìn)行觀(guān)察， 因此， 本文中提出一種基于偽彩色的DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像顯示方法。 該方法充分利用紅(R)、 綠(G)、 藍(lán)(B)這3個(gè)顏色通道。RGB顏色空間可表示的顏色可達(dá)16 777 216種，數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像中的65 536個(gè)灰度級(jí)，因此DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像中的灰度級(jí)完全可以映射到RGB顏色空間中。偽彩色圖像是通過(guò)3個(gè)顏色通道的不同組合來(lái)顯示色彩，每個(gè)顏色通道占8位，DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像中的數(shù)據(jù)元素最大為16位，將16位的數(shù)據(jù)元素劃分為前4位、中7位和后5位共3個(gè)部分，然后將劃分后的數(shù)據(jù)元素轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，并通過(guò)亮度調(diào)節(jié)系數(shù)分別賦值到B、G和R顏色通道中，通過(guò)此方法將DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像轉(zhuǎn)化為偽彩色圖像。

1 相關(guān)知識(shí)

1.1 DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像文件格式解析

典型的DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像文件分為文件頭和數(shù)據(jù)集2個(gè)部分。

文件頭包括導(dǎo)言和前綴，數(shù)據(jù)集至少包括1個(gè)數(shù)據(jù)元素。每個(gè)數(shù)據(jù)元素有4個(gè)域，分別是標(biāo)識(shí)符(tag)、數(shù)據(jù)類(lèi)型(value representation)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度(value length)和數(shù)據(jù)域(value field)，其中的數(shù)據(jù)域是可選擇的，圖1所示為DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像文件格式示意圖。

導(dǎo)言長(zhǎng)128字節(jié)，可以將文件的相關(guān)說(shuō)明放在導(dǎo)言里面。

圖1 DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像文件格式示意圖

前綴長(zhǎng)4字節(jié)，為大寫(xiě)字符“D”、“I”、“C”、“M”。

標(biāo)識(shí)符為占4個(gè)字節(jié)的無(wú)符號(hào)整數(shù)，DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像中所有的數(shù)據(jù)元素都可以用標(biāo)識(shí)符進(jìn)行唯一表示。

數(shù)據(jù)類(lèi)型為占2個(gè)字節(jié)的字符串，指明該數(shù)據(jù)元素中的數(shù)據(jù)是哪種類(lèi)型。數(shù)據(jù)類(lèi)型取決于協(xié)商的傳輸數(shù)據(jù)類(lèi)型，DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像文件中規(guī)定顯式(explicit VR)和隱式(implicit VR)2種傳輸格式。顯式傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)類(lèi)型必須存在；隱式傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)類(lèi)型必須省略。

數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為占2個(gè)或4個(gè)字節(jié)的無(wú)符號(hào)偶數(shù)值，指明了數(shù)據(jù)域的長(zhǎng)度。

數(shù)據(jù)域存放的是真正的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以有多個(gè)值，但是總的長(zhǎng)度必須是偶數(shù)，不足的則補(bǔ)齊。

1.2 RGB顏色空間

RGB顏色空間是一種常見(jiàn)的顏色模型[11]。因?yàn)槿搜壑械腻F形狀細(xì)胞和棒狀細(xì)胞對(duì)紅色、綠色和藍(lán)色特別敏感，所以RGB顏色空間可以表示色彩。在用笛卡爾坐標(biāo)系表示RGB顏色模型時(shí)需要將所有的顏色進(jìn)行歸一化，如圖2所示。

R、G、B顏色分量分別代表3個(gè)坐標(biāo)軸，當(dāng)R、G、B取值為0時(shí)，即坐標(biāo)原點(diǎn)，表示黑色；當(dāng)R、G、B取值為最大時(shí)，表示白色；當(dāng)R、G、B數(shù)值相等時(shí)表示的是灰度，灰度沿著連接黑白兩點(diǎn)的直線(xiàn)從黑色延伸到白色；立方體中其他點(diǎn)表示其他顏色。

顯示器顯示的256個(gè)灰度級(jí)即為顏色空間中黑白兩點(diǎn)之間的連線(xiàn)，在顯示器上觀(guān)察DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像時(shí)，用到的也僅僅是顏色空間中的一條直線(xiàn)。如果將DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像中的灰度級(jí)映射到RGB顏色空間中，合理地利用顏色空間中的其他顏色，人們就可以直接觀(guān)察到DICOM圖像中的細(xì)微差別。

2 算法分析

RGB顏色空間可以表示16 777 216種顏色，DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像的灰度級(jí)為65 536，需要解決的問(wèn)題是根據(jù)人眼對(duì)顏色信息的敏感度，如何將DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像中的灰度級(jí)映射到RGB顏色空間中才能清楚地顯示出DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像中的細(xì)微差別。

(a)RGB笛卡爾坐標(biāo)系立方體

(b)RGB24比特彩色立方體圖2 RGB顏色空間示意圖

彩色圖像是由3個(gè)顏色通道組合而成，而DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像是單通道圖像。如果將DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像映射到RGB顏色空間中，需要將DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像中的灰度級(jí)劃分為3個(gè)部分，對(duì)應(yīng)于彩色圖像中的3個(gè)顏色通道。劃分方法是將DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像中的像素值轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制；然后根據(jù)人眼對(duì)紅、綠、藍(lán)顏色的敏感程度，將二進(jìn)制數(shù)值劃分為3個(gè)部分；彩色圖像中的像素值為十進(jìn)制數(shù)值，將劃分后的二進(jìn)制數(shù)值映射到RGB顏色空間中，需要將二進(jìn)制數(shù)值轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)值，并分別賦值到3個(gè)顏色通道中。

DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像在用偽彩色進(jìn)行顯示時(shí)，首先提取DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像中的灰度級(jí)A，接著將灰度級(jí)A轉(zhuǎn)化為16位的二進(jìn)制數(shù)值B；然后將B劃分為B1、B2和B3，其中B1為二進(jìn)制數(shù)值B的前n1位，B2為中n2位，B3為后n3位，且n1+n2+n3=16；接著將B1、B2和B3轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)D1、D2和D3；最后根據(jù)式(1)計(jì)算出圖像亮度調(diào)節(jié)系數(shù)ri，藍(lán)、綠和紅顏色分量的數(shù)值為D1r1、D2r2和D3r3。

ri=28-ni，i=1,2,3 。

(1)

圖3所示為DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像轉(zhuǎn)換成偽彩色圖像流程圖。

圖3 DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像轉(zhuǎn)換成偽彩色圖像流程圖

一般情況下，人眼對(duì)三原色中的綠色最為敏感，其次是紅色，最后是藍(lán)色。根據(jù)此原則，通過(guò)調(diào)整參數(shù)n1、n2和n3，最終通過(guò)人眼觀(guān)察顯示效果確定出最優(yōu)方案。圖4所示為DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像，圖5所示為參數(shù)n1=3，n2=7，n3=6時(shí)偽彩色圖像，圖6所示為參數(shù)n1=5，n2=6，n3=5時(shí)偽彩色圖像，圖7所示為參數(shù)n1=3，n2=8，n3=5時(shí)偽彩色圖像，圖8所示為參數(shù)n1=4，n2=7，n3=5時(shí)偽彩色圖像。

(a)DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像1 (b)DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像2圖4 DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像

(a)偽彩色圖像1 (b)偽彩色圖像2圖5 參數(shù)n1=3，n2=7，n3=6時(shí)偽彩色圖像(ni為16位二進(jìn)制數(shù)值劃分參數(shù))

(a)偽彩色圖像1 (b)偽彩色圖像2圖6 參數(shù)n1=5，n2=6，n3=5時(shí)偽彩色圖像(ni為16位二進(jìn)制數(shù)值劃分參數(shù))

(a)偽彩色圖像1 (b)偽彩色圖像2圖7 參數(shù)n1=3，n2=8，n3=5時(shí)偽彩色圖像(ni為16位二進(jìn)制數(shù)值劃分參數(shù))

(a)偽彩色圖像1 (b)偽彩色圖像2圖8 參數(shù)n1=4，n2=7，n3=5時(shí)偽彩色圖像(ni為16位二進(jìn)制數(shù)值劃分參數(shù))

觀(guān)察圖像顯示效果，由圖5和圖7可知，圖像中的目標(biāo)區(qū)域過(guò)暗；由圖6可知，圖像中的部分細(xì)節(jié)區(qū)域不易區(qū)分；由圖8可知，圖像的顯示效果最佳，所以確定最優(yōu)參數(shù)為n1=4，n2=7，n3=5。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)在MATLAB平臺(tái)進(jìn)行，硬件配置為：i5-2450M CPU，主頻為2.50 GHz，內(nèi)存為10 GB。DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像樣本取自于DICOM Image Library，選取了數(shù)據(jù)庫(kù)中的7個(gè)數(shù)據(jù)集，包括上額竇、腳部關(guān)節(jié)、冠狀動(dòng)脈、大腦、腹腔等170幅人體組織的圖像。圖9—16所示為其中8幅圖像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比效果圖。

(a)DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像 (b)偽彩色圖像圖9 上額竇實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比效果圖

(a)DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像 (b)偽彩色圖像圖10 腳部關(guān)節(jié)1實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比效果圖

(a)DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像 (b)偽彩色圖像圖11 腳部關(guān)節(jié)2實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比效果圖

(a)DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像 (b)偽彩色圖像圖12 冠狀動(dòng)脈實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比效果圖

(a)DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像 (b)偽彩色圖像圖13 腹腔1實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比效果圖

(a)DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像 (b)偽彩色圖像圖14 腹腔2實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比效果圖

(a)DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像 (b)偽彩色圖像圖15 腦部實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比效果圖

(a)DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像 (b)偽彩色圖像圖16 頭顱實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比效果圖

由圖9—16可知， 在偽彩色圖像中可以直接觀(guān)察到圖像中的細(xì)微差別。 對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)， 將從人們的主觀(guān)視覺(jué)角度出發(fā)，即通過(guò)人眼觀(guān)察DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像和偽彩色圖像的顯示效果。在DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像中，人體的不同組織以不同的灰度級(jí)進(jìn)行顯示，由于顯示器顯示灰度級(jí)的能力有限，圖像中不同區(qū)域之間灰度級(jí)近似，因此人們很難直接觀(guān)察到區(qū)域之間的細(xì)微差別，如圖17(a)中藍(lán)色標(biāo)記區(qū)域所示。轉(zhuǎn)換成偽彩色圖像后，不同的區(qū)域會(huì)以不同的顏色來(lái)進(jìn)行區(qū)分，區(qū)域之間存在著明顯的界線(xiàn)，通過(guò)人眼可以直接觀(guān)察到圖像中的細(xì)微差別，如圖17(b)中藍(lán)色標(biāo)記區(qū)域所示。

(a)DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像 (b)偽彩色圖像圖17 上額竇實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比效果圖

基于偽彩色的DICOM圖像顯示方法的創(chuàng)新點(diǎn)在于將DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像轉(zhuǎn)化為偽彩色圖像以后，人眼可以直接觀(guān)察到DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像中的細(xì)微差別，不需要再另開(kāi)窗口對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)顯示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文中提出了一種基于偽彩色的DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像顯示方法， 將DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像中的65 536個(gè)灰度級(jí)映射到RGB顏色空間中。 通過(guò)算法將DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像轉(zhuǎn)化為偽彩色圖像后， 人們用肉眼就可以在偽彩色圖像中直接有效地觀(guān)察到圖像中不同區(qū)域的細(xì)節(jié)部分。

該算法尚存在不足之處，例如將DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像彩色化時(shí)，由于難以表示出連續(xù)的顏色，因此DICOM標(biāo)準(zhǔn)圖像中連續(xù)的灰度級(jí)在彩色圖像中可能是不連續(xù)的顏色。如何將RGB顏色空間中的色彩進(jìn)行連續(xù)顯示是下一步工作的研究?jī)?nèi)容。

[1] PIANYKH O S. Digital imaging and communications in medicine(DICOM)[M]. Berlin: Springer Berlin, 2008: 17-22.

[2] MILDENBERGER P, EICHELBERG M, MARTIN E. Introduction to the DICOM standard[J]. European Radiology, 2002, 12(12): 920-927.

[3] PARISOT C. The DICOM standard[J]. International Journal of Cardiac Imaging, 1995, 11(3): 171-177.

[4] TREICHEL T, GESSAT M, PRIETZEL T, et al. DICOM for implantations: overview and application[J]. Journal of Digital Imaging, 2012, 25(3): 352-358.

[5] 王立功. DICOM醫(yī)學(xué)圖像文件格式解析與應(yīng)用研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用, 2006(29): 51-55.

[6] 梁存升, 馮驥. DICOM標(biāo)準(zhǔn)分析及其應(yīng)用[J]. 中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備, 2006, 3(2): 18-20.

[7] 謝維信, 秦桉. 人的視覺(jué)對(duì)灰度級(jí)別的分辨能力及視覺(jué)內(nèi)部噪聲的研究[J]. 航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程, 1991, 4(1): 51-55.

[8] 高升, 葛云. DICOM格式醫(yī)學(xué)圖像及其圖像信息的顯示[J]. 中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志, 2010, 27(3): 1885-1888.

[9] 彭承琳, 陳誠(chéng), 陳園園. DICOM醫(yī)學(xué)圖像格式轉(zhuǎn)換的VC++實(shí)現(xiàn)[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2007, 30(10): 126-129.

[10] 王世剛, 李月卿, 王昌元. DICOM圖像到BMP圖像的轉(zhuǎn)換[J]. 泰山醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào), 2007, 28(4): 269-271.

[11] RAFAEL C G, RICHARD E W. 數(shù)字圖像處理[M]. 阮秋琦, 阮宇智, 譯. 北京：電子工業(yè)出版社, 2011: 249-257.