DICOM標準及應用——第四講 DICOM介質儲存功能與檔案格式

在上一講中，我們介紹了DICOM標準中的網路傳輸功能，即利用通訊線路進行DICOM資訊交換。這一講將介紹通過儲存介質而進行的資訊交換。將映像、診斷、檢查的結果等資訊儲存在如磁碟片和光碟片等儲存介質中，實現在不同的系統之間在不同的時間內進行資訊交換，也可以實現資訊長久的儲存。
通過介質進行資訊交換，與通過通訊通道進行資訊交換，兩者既有聯絡又有區別。它們都使用了DICOM的訊息交換器制，但用介質實現資訊交換時，交換資訊的應用系統雙方不是在同時工作，由此而帶來與網路資訊交換的不同之處。
一 介質儲存模型簡述
在考慮了介質儲存的情況下，DICOM的工作模型可以擴充為1所示。
從DICOM通用通訊模型上可以看出介質存模數型也是具有層次性的，這三個層次分別為:
1.物理介質層
物理介質層定義了介質的物理特性，如: 物理介質格式參數、維數、機械特性、儲存屬性、及位元流資訊的組織等等。例如，在PC環境下的3.5英寸雙面高密磁碟片是DICOM標準中定義的一種物理介質，其相應的參數說明就是對應的物理介質層，它應該符合ANSI X3.171的規定，也就是通常使用的1.44M磁碟片。
2. 介質格式層
介質格式層是由作業系統決定的。它規定了儲存介質上具體的資料群組織形式以及檔案系統進行的操作，它同時也定義了該介質上的目錄結構。例如，一個3.5英寸的磁碟片在不同的作業系統中的資料結構是不同的。在MS-DOS及WINDOWS中，它採用的介質格式是FAT16格式的檔案配置表，而在UNIX中使用的是超級塊構成的鏈表。無論什麼介質格式，它們都應該至少可以提供DICOM的檔案服務功能，並且通過檔案服務限制對檔案內容的直接操作的許可權，以確保DICOM資料格式層獨立於介質格式和物理介質的選擇。
3. DICOM資料格式層
DICOM資料格式層包括4個方面的內容: DICOM介質儲存服務/對象對(以下簡稱SOP類)及與之相聯絡的資訊對象定義、DICOM檔案格式、DICOM介質儲存目錄SOP類、DICOM介質儲存應用卷宗。下面分別詳細說明。
二 介質儲存SOP類及 資訊對象定義IOD
介質儲存服務類定義了一組用儲存介質進行資料交換的服務。一般來說，使用儲存介質有下面兩個原因: 一是在兩個進程之間交換的映像暫時儲存在介質中，但沒有有關處理的進一步說明，僅僅是傳送資訊而已。二是用於列印的映像是以膠片會話的方式來組織，接收進程必須處理介質中的列印管理資訊，有關列印任務進展的狀態資訊也是在儲存介質上反映出來。
在這個服務類中一個進程扮演的角色與在網路情況中是不同的。在網路中雙方的角色有SCP和SCU之分，而在儲存介質中只與介質上的操作有關。介質儲存服務類定義了三種角色: 檔案集產生者(FileSet Creator，FSC)、檔案集讀者(FileSet Reader，FSR)和檔案集更新者(FileSet Updator，FSU)，顯而易見，這些名字都是指允許的操作。
使用在這些服務類中的SOP類中的服務元素說明了在作為檔案集或完全檔案集管理的SOP類執行個體上的操作。這些服務使用的IOD定義了資訊必須儲存在一個檔案中。這個資訊可以是普通和綜合物件的混合。
這個服務類僅處理一個檔案中資訊的儲存，而不管其內容。例外的是有一個特殊的SOP類，介質儲存中的目錄存放類處理有關檔案集和目錄(DICOMDIR)的資訊。
介質儲存服務類的其它SOP類與用於映像資料的患者管理、研究管理、結果管理和列印管理網路儲存服務類中的SOP類相同。儲存在檔案中的SOP執行個體能夠由對應的SOP類的服務類在使用介質儲存服務類的服務存取後直接使用。
三 目錄結構
除了DICOM影像及相關的SOP類(如診斷結果、病曆資訊)之外，還有其它用於管理介質儲存的SOP類。這種SOP類就是DICOM標準PS3.4中定義的介質儲存目錄類。它們的執行個體就是相應的DICOMDIR檔案。
由於在DICOM標準中規定了多種通用的儲存介質，如容量為230M，650M，2.3G等光碟片，這些大容量的外儲存空間，必須採用多級目錄管理才能有效地使用。DICOM正是通過DICOM-DIR檔案實現對多級目錄管理的支援。
在一個儲存介質上，DICOM的檔案組織是按照患者、研究、序列、映像這四個層次進行的。患者、研究、序列具有目錄的性質，可以根據需要選擇，也可以省略，映像則是以最終的檔案形式出現。
介質目錄描述檔案，即DICOMDIR檔案，總體說明了整個介質上DICOM檔案的層次性結構資訊，在檔案內部是通過子—兄節點的二叉樹形式連結而成的(見圖2)。
這樣對介質中任何影像檔進行操作時，只要檢索該目錄檔案即可得到檔案的位置資訊，由此對檔案進行操作。
這種組織方式的優點是它與具體的檔案系統的實現是獨立的。作業系統中的檔案子系統只要能提供基本的檔案操作功能，即可實現邏輯上的患者—影像檔的階層，而不依賴於作業系統對多級子目錄的支援。
四 檔案格式
DICOM檔案提供了一種封裝方式，將DICOM資訊對象定義IOD的一個SOP執行個體以資料集的形式封裝在一個檔案中。資料集的位元組流位於DICOM檔案元資訊之後，每個檔案包含一個單一的SOP執行個體。這個執行個體包含有一幀或多幀圖象。
1.DICOM檔案元資訊
檔案元資訊包括已封裝的資料集的標識資訊。檔案頭由128位元組的預定義的引導加4位元組DICOM首碼以及表1中介紹的檔案元資訊構成。每個DICOM檔案均有這樣一個檔案頭。
預定義檔案頭可以根據應用卷宗或實現執行個體的要求靈活應用。DICOM標準對這個固定長度的預定義頭沒有任何結構性的要求，它不必像DICOM資料元素在結構上要有一個標識和長度資訊。這是為了讓DICOM檔案資料易於和許多通用電腦映像格式相相容。無論預定義頭是否包含資訊，DICOM檔案格式應當遵循這部分要求。而資料集中的內容則應當與檔案元資訊所表述的SOP類相一致。
如果預定義頭沒有被應用卷宗及實現執行個體使用到，此128位元組應當被置為00H，以便於識別此128位元組是否載有應用資訊。例如，這個預定義頭可能用來向一個多媒體應用程式進行授權以決定其對DICOM資料集內影像的操作許可權。這樣在同一個檔案上可以有兩種操作方式: 利用預定義頭的多媒體應用程式，和忽略這個預定義頭的DICOM應用。
DICOM四位元組首碼應當包含特徵字串DICM(大寫且字型採用ISO8859-G0字元集，即常用的ASCII編碼)，這四個位元組沒有標識及長度資訊。預定義頭及詞綴後是一系列DICOM元元素。它們包含標識及長度資訊，具體含義見表1。
2.資料集的封裝
在DICOM介質儲存應用中，每個檔案應包含描述唯一的一個SOP執行個體的資料集。這個SOP執行個體屬於某個SOP類以及對應的IOD，如一個研究、序列或儲存等。
正如特定的IOD可以被定義為多幀一樣，一個檔案可能包含有一個以上的影像幀，由SOP 執行個體中具體內容確定。用於資料集中的編碼必須是DICOM檔案元資訊中傳輸文法UID標識的那一種。
由於DICOM資料集內並不包含它的長度資訊。DICOM檔案服務提供的檔案結束提示是資料集結束的唯一標誌。
3.檔案管理資訊的支援
DICOM檔案格式不包含檔案管理資訊，為的是不與介質格式層發生功能上的重複。如果一個特定的DICOM應用卷宗需要，介質格式層應包括下列資訊:
檔案描述表自身的資訊; 檔案入口的統計(如建立時間、日期); 應用程式檔案許可權控制; 物理許可權控制(如防寫保護)。如同我們前面所說，介質應用程式層是由作業系統實現並提供的。
目前的版本的DICOM標準不涉及介質及檔案許可權控制服務之外的介質互動安全性的控制。特定的介質格式層可能支援這種安全性機制。超越物理介質層及介質格式層安全性的管理需求，將體現在新的有關介質儲存的DICOM標準中。
五 介質儲存應用卷宗與可用的儲存介質
介質儲存應用卷宗定義了應用系統對DICOM介質儲存模型中不同層次的選擇，目的在於滿足使用介質進行資訊交換的特殊需要。這種選擇由正常化的介質儲存應用卷宗來表述，DICOM標準要求具體實現之間的介質資訊交換必須遵循系統的介質儲存應用卷宗。這種一致性的描述允許使用者對不同的實際系統進行選擇，以保證系統之間的互通性。
介質儲存應用卷宗一般包括以下內容:
(1) 用應用卷宗表達需求的描述及其應用的上下文。
(2) 資料格式層的選擇。
(3) 介質格式層的定義，DICOM標準中規定了可供選擇的物理介質、介質格式以及介質格式(或稱檔案系統)服務如何映射到DICOM檔案服務。
(4) 選擇合理的傳輸文法。
(5) 其它一些有助於互通性的特殊限制，如: 檔案最大長度支援的選項等。
最後我們將DICOM標準目前所支援的可交換儲存介質的種類及有關內容歸納為下表，以供參考。