DICOM標準及應用——第五講 醫學映像的資訊組織及其表現

如同我們前面所介紹的那樣，DICOM是有關醫學映像的標準。前面介紹了映像在儲存介質和通訊環境下的交換，本講主要介紹有關映像的組織和表現方面的內容。
所謂表現(Presentation)是指映像資料在顯示裝置或膠片上完成可視化的過程。它要求在不同的系統，不同特性的裝置上達到一致的顯示效果，即視覺等價。這樣才能保證臨床應用上的要求。
為此，DICOM標準規定了相應的映像資訊組織和處理功能。下面分別作介紹。
一 映像編碼格式
對於映像的描述，DICOM採用的是位元影像的方式。即逐點表示出其位置上的顏色、亮度等資訊。對單色映像只有亮度資訊，稱灰階級。而對彩色映像則存在不同的顏色表示方法。一般採用的是RGB三原色的表示，即一個點用紅綠藍三個分量的值表示。DICOM允許用三個矩陣(稱位平面)分別表示三個分量，也允許僅用一個矩陣表示整個映像，在這種情況下，矩陣中每一點是由三個值組成的。
對於一個象素值，DICOM稱為採樣值(Sample Value)。採樣值的描述方法用三個資料元素給出，分配位元(Bits Allocated)指出了該採樣值儲存的二進位位元。儲存位元(Bits Stored)指實際佔用的位元。最高位位置(High Bit)指明該值最高位在分配的儲存單元中的位置。
例如: 某CT中的映像象素儲存格式1所示: 則分配位元為16位，儲存位元為12，最高位為11。
必須說明的是，在實際存取映像資料的時候，還必須由傳輸文法中的Big-Endian或LittleEndian屬性來決定象素高低位元組的實際儲存單元地址順序。當然，在DICOM標準中還存在許多說明映像的其它屬性，可以參考標準的具體內容。
DICOM對多幀映像的支援，是通過將多幀映像封裝在一個象素資料元素(Pixel Data)中實現的。由幀數屬性(0028，0008)指出。
二 壓縮方法簡述
原始醫學映像佔用儲存量大，在傳輸與預存程序中效率較低，必須使用壓縮的方法來減少映像中的冗餘資訊，以達到在不損失映像資訊或少損失的情況下，減少映像儲存所需要的位元組數，對於縮短通訊傳輸時間，減少儲存空間都是十分必要的。
壓縮方法分為無損壓縮和有損壓縮兩種方法。無損壓縮方法可以將原資料原封不動地恢複，而有損壓縮則是無法復原的過程，不能恢複到原來的情況。無損壓縮由於對還原的約束，其壓縮比較小，一般為2~10∶1。而有損壓縮則可達到較大的壓縮比，一般可以達到10~ 200∶1，甚至可以達到300∶1以上。根據被壓縮對象的特點，無損壓縮適合於對文本類的壓縮，因為文本資訊損失後不能表達出原來的意義。而有損壓縮適合於語音、映像一類的多媒體資訊，這些資訊由人類的聽覺和視覺器官所感受，有很大的冗餘度，適當的損失對資訊的理解並無損害，可以以此來達到較高的壓縮比。
無損壓縮使用的方法主要有遊程編碼(Run Length Encode，RLE)和霍夫曼(Huffman)編碼。有損壓縮的方法常用的是變換壓縮，即將資訊變換到另一個表示域中，利用在不同的域中的分布特點，去除冗餘。例如通過富氏變換變換到頻域，儲存映像的低頻部分，以損失一些細節實現壓縮。再比如通過小波變換將映像變換到不同的尺度，儲存不同地區不同尺度下的變換值，可以實現較高的壓縮比。
由於涉及到醫學責任和法律的原因，西方醫學界對醫學映像的有損壓縮採取了相當謹慎的態度。反映在DICOM標準中，主要推薦使用無損壓縮的方法。具體講，使用了簡單的RLE和JPEG標準中的無損壓縮演算法。
遊程編碼RLE有很多形式，在DICOM中採用的編碼演算法如下:
對重複位元組，用< -位元組數+ 1><位元組值>代替。
對非重複位元組，用< 位元組數- 1 > <非重複位元組序列>代替。
用RLE壓縮方法封裝的映像格式2。
JPEG是目前使用最廣的映像壓縮標準。在JPEG標準中，包含了有損壓縮和無損壓縮的多種方法。JPEG壓縮的基本過程是被壓縮映像分割成8×8的方格，先進行差分編碼以減小碼長，再用霍夫曼或算術編碼進行無損壓縮，或者用離散餘弦編碼進行有損壓縮。JPEG標準實現的壓縮比高，效果也不錯，由於演算法比較複雜，這裡就不給出詳細的說明，具體的內容可以查閱有關文獻。採用JPEG無損壓縮的DICOM的唯一識別碼是“1.2.840.10008.1.2.4.70”。
三 灰階顯示
來自映像的數字訊號可以被精確地和有目的地測量、描述、傳送和重建。然而，訊號的可視化解釋依靠於顯示映像時所用的不同特性的系統。因此，由相同訊號產生的映像在不同的顯示裝置下可能會有完全不同的可視化表現、資訊和特徵。
在醫學映像中，重要的一點是保持在各種已給數位影像表示時的一致性，而不管這個映像是否被觀察。例如，在一個工作站的視頻監視器上顯示，或作為投影片播放，它們都應該保持一致。如果缺乏規範，不能形成在不同裝置像可視化表示的標準，那麼極有可能出現這樣一種現象: 即一幅映像在某一裝置下觀察時，有非常好的診斷價值; 但是在另一裝置上觀察時卻與前者大不相同，這樣就大大地減少了其診斷價值。因此，DICOM為將數位影像值轉換至不同層次的亮度值的描繪方法提供了一種有目的的、高品質的機制，若將這種方法應用於已知數位影像值和顯示亮度之間的關聯時，則無論是在各種性質截然不同的顯示裝置上顯示都能夠產生較好的視覺一致性。DICOM所定義的存在於數位影像值和顯示亮度之間的關係是基於人類對於較大範圍亮度的理解而產生的模型和測量標準，而並非基於任一種映像顯示裝置或是任一種映像格式的形態特徵描述，它也不依賴於使用者的個人喜好。因為它很容易被其它諸如DICOM尋找表之類的結構所正確的調用。DICOM標準使用了人類的視覺系統的BARTEN模型來處理映像資料，達到視覺一致性的目的。
DICOM從數學角度定義了標準映像系統中的標準灰階階顯示函數。這些映像系統可以是列印硬拷貝的印表機，或是用於顯示軟拷貝內容的電子顯示系統。硬拷貝既包含透射性的映像，也包含反射性的列印映像。這些複本中的映像，在被重現時由於傳輸過程中的散射型反射的影響，將在映像上有光密度的差異。對於一個觀察者來說，它所看到的映像中每一個具有一定亮度的象素都是映像元素的照明度和光密度所決定的。軟拷貝由發射性顯示系統(如CRT監視器)和電子光閥系統(如光源型和液晶顯示系統)產生。
DICOM的目的是顯示系統採用數字驅動層次產生亮度和光密度的變化來表現映像。映像傳輸的可預測性應用，如形態、有價值的數值(VOL)和尋找表LUT等，都需知道顯示系統的特性曲線。若將顯示系統的響應函數及曲線標準化，就可使在不同的顯示系統中傳輸映像(如在一個網路環境中傳輸映像)變得簡單而易用。
圖3和4闡明了標準灰階顯示函數的內容，標準灰階顯示函數是映像表現的一部分。在採用灰階顯示函數之前有很多其它映像修飾的環節。映像的擷取裝置將在映像產生的同時對映像作適當的調整。而其它環節將產生一些視窗或是層次來為映像的表現選擇各部分的動態範圍。即使其它環節能夠調節顯示準備工作中所選取的動態地區。表現尋找表LUT輸出P值(表現值)。這些P值就成為了標準顯示系統中的數字驅動層次(DDL)。標準灰階顯示函數將P值對應到標準顯示系統中的亮度的對數值。而標準顯示系統所產生的這個映射過程是由其獨立完成的。
在映像擷取的DICOM模型、顯示鏈和標準化顯示系統之間的邊界上，用P值表示時，便趨向於裝置的獨立化和概念上的視覺線性化。換一句話說，不管標準化顯示系統的效能如何，相同的P值範圍都將表現得非常相似。
DICOM的主要目標是從數學的角度為所有的映像表現系統定義一類合適的標準灰階顯示函數。定義這類標準灰階顯示函數的目的是允許去發掘早先P值怎樣被轉換為標準化顯示系統中可觀測的亮度值。在本質上，定義灰階階標準顯示函數固定了來自LUT顯示的P值輸出的單位，而且還能夠用作標準化顯示系統的數字驅動層次。
DICOM的第二目標是選擇一個顯示函數，這一函數能夠提供對於已給定的映像在不同亮度級的顯示系統和非常容易使用的可求得的顯示系統的數字驅動等級之間的灰階感知度或基本表示的幾個相似的層次。在許多其他函數能夠為實現第一目標而服務的同時，這個灰階階顯示函數便能被選取去實現第二個目標。對於這一類函數，P值幾乎是線性與人類感知反應度相關。相近卻並不保證有同樣的資訊內容。擁有更大亮度地區範圍和(或)更高的亮度的顯示系統將有能力展現更多的細微差異。
由於感知度是依靠與映像內容和觀測者的主觀想法兩方面的因素而定的，因此，亮度差異對於一個觀測者來講，同樣不能嚴格的遵循感知度的絕對線性化。為了達到絕對的線性化感知度，應用時必須通過在DICOM標準(例如: VOL和LUT顯示)中所定義的某些方法來調整映像的表現以符合使用者的期望值。如果沒有這個已定義的顯示函數，那麼在網路上遇到這類基於範圍更廣、類型更多的顯示系統的調節問題時，這一切將變得很複雜，處理起來也相對困難。
顯示系統的特性曲線與標準灰階顯示函數的特性曲線一般說來是不同的，這些裝置可能會包含合并的方法，特別是那些在變換中定義的能夠使裝置與灰階階標準顯示函數達到一致的那些方法。DICOM為這些顯示系統的測試形式提供了執行個體。這些顯示系統一般都有這樣一個特點，即他們的效能工作能夠被標量，其過程與標準灰階顯示函數的評價相似。
DICOM沒有詳細規定用於彩色映像的特定顯示函數。
四 結束語
映像是DICOM標準的核心，除了以前介紹的映像儲存和映像傳輸外，映像的表現也是一個相當重要的內容，它涉及到使用者對映像的最終感受，進而影響到對映像的理解和對疾病的診斷。