基于Matlab的批量轉(zhuǎn)換DICOM格式CT序列圖像的實(shí)現(xiàn)

王浩軍　楊燕　屈瑞娜

摘 要：針對(duì)DICOM格式的CT序列圖像，該文提出了一個(gè)基于Matlab自動(dòng)批量實(shí)現(xiàn)多種通用圖像格式的轉(zhuǎn)換方法。該方法利用Matlab現(xiàn)有的圖像處理函數(shù)，通過編程完成了DICOM格式圖像的批量讀入、CT數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、調(diào)窗處理和多圖像格式轉(zhuǎn)換等，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換過程自動(dòng)化。它具有轉(zhuǎn)換效率高、速度快，結(jié)果顯示效果好的特點(diǎn)，有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：DICOM格式 圖像格式轉(zhuǎn)換 CT序列圖像 Matlab

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）04（c）-0008-04

Abstract： The paper presents a method of DICOM format conversion of CT series image based on Matlab. The image processing functions of Matlab are used to realize DICOM multiple images reading， CT data conversion， CT window adjusting， multiple image formats conversion etc.. The whole conversion procedure is implemented automatically. The results show that the method has advantages on high efficiency， fast speed and good display.

Key Words： DICOM；Image format conversion；CT series image；Matlab

隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，不同廠家的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備與醫(yī)院信息化系統(tǒng)之間，需要統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)圖像的存儲(chǔ)和傳輸，為此DICOM（Digital Imaging and Communication in Medicine）醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生[1]。該標(biāo)準(zhǔn)包含了醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像的采集、存儲(chǔ)、通信、顯示和查詢等開放式的信息交換協(xié)議。目前各種醫(yī)療影像設(shè)備（如CT，MRI，B超等）幾乎都采用DICOM3.0標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)圖像文件，但DICOM格式的圖像主要應(yīng)用于帶有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)接口的設(shè)備中，不是普通計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件可識(shí)別的圖像格式，同時(shí)也不能在通用的圖像處理軟件中直接打開。為了科研、教學(xué)和學(xué)術(shù)交流等目的，有必要將這些標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字影像設(shè)備獲取的DICOM格式圖像轉(zhuǎn)換成通用格式的圖像文件，如BMP，TIFF，JPEG和RAW等，以便使用普通計(jì)算機(jī)對(duì)它們進(jìn)行后續(xù)處理。當(dāng)前流行的圖像處理軟件如：Photoshop CS3，雖然已具有單幅DICOM圖像的轉(zhuǎn)換功能，但應(yīng)用起來(lái)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，需要人工手動(dòng)操作完成；另外不管是CT還是 MRI成像設(shè)備產(chǎn)生的DICOM圖像多為序列圖像，要進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換的圖像文件數(shù)目較多，如果用Photoshop手工完成序列圖像格式轉(zhuǎn)換的話，工作量巨大；因此，設(shè)計(jì)一個(gè)批量完成序列圖像的DICOM格式轉(zhuǎn)換程序，顯得十分必要。筆者開發(fā)了一個(gè)基于MATLAB編程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換程序，實(shí)現(xiàn)了DICOM格式的CT序列圖像的批量轉(zhuǎn)換，具有簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn)。

1 CT圖像和CT值

CT （Computed Tomography）即電子計(jì)算機(jī)斷層掃描，它的工作基本原理是利用X射線束對(duì)人體某部位一定厚度的層面進(jìn)行掃描。由掃描所得的信息經(jīng)計(jì)算而獲得每個(gè)體素的X線吸收系數(shù)，并按矩陣形式排列，從而重建成二維層面的CT圖像，其中常用的是橫斷面圖像。為了顯示整個(gè)組織器官，掃描后圖像多為連續(xù)的層面圖像，即序列圖像。每一個(gè)CT層面圖像是由一定數(shù)目的像素構(gòu)成，不同CT裝置所得圖像的像素大小及數(shù)目不同，數(shù)目越多分辨率越高。CT圖像的像素值大小反映了器官和組織對(duì)X射線的吸收程度，因此與普通X線圖像一樣，黑影表示低吸收區(qū)（低密度區(qū)），白影表示高吸收區(qū)（高密度區(qū)）[2]。一般空氣密度最低，人體中的骨皮質(zhì)密度最高，組織器官的密度不同從而構(gòu)成了CT影像差異。在實(shí)際應(yīng)用中，不用吸收系數(shù)，而是換算成了CT值，利用CT值定量組織密度，單位是Hu（Hounsfield unit）。水的CT值定為0 Hu，人體組織相對(duì)于水的CT值高低分布，基本在-1 000 Hu～+1 000 Hu之間。高密度區(qū)CT值大，低密度區(qū)CT值小。

2 DICOM圖像格式

一個(gè)DICOM圖像文件是一個(gè)信息體實(shí)例的數(shù)據(jù)集，主要包括設(shè)備，患者，檢查和圖像等信息[3]。DICOM圖像文件結(jié)構(gòu)主要由文件頭和數(shù)據(jù)集合兩大部分組成。文件頭前128個(gè)字節(jié)通常為00H，然后是4個(gè)字節(jié)的16進(jìn)制代碼代表字符串“DICM”的文件前綴，這是判斷該文件是否為DICOM文件的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)集由數(shù)據(jù)元素按一定順序組成，它既包含了與成像實(shí)例相關(guān)的數(shù)據(jù)，如病人姓名、成像方式、圖像大小等；又包括了成像實(shí)例的圖像像素?cái)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)元素結(jié)構(gòu)由標(biāo)簽（Tag）、數(shù)據(jù)表示（VR）、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（VL）和數(shù)據(jù)（V）四個(gè)字段組成。Tag是數(shù)據(jù)元素的標(biāo)記號(hào)，每個(gè)標(biāo)簽有特定的含義，分為組號(hào)和元素號(hào)。表1給出了幾個(gè)與圖像信息有關(guān)的數(shù)據(jù)元素標(biāo)簽；VR是對(duì)數(shù)據(jù)元素中數(shù)據(jù)的類型表示，如字符型、整型、浮點(diǎn)型等；VL是指該數(shù)據(jù)元素中數(shù)據(jù)的字節(jié)長(zhǎng)度；V主要表示數(shù)據(jù)元素的取值。以圖像數(shù)據(jù)元素為例，（7FE0，0010）表示圖像數(shù)據(jù)元素的Tag字段，后面緊跟四個(gè)字節(jié)的VR字段和四個(gè)字節(jié)的VL字段，然后圖橡像素?cái)?shù)據(jù)依據(jù)VR字段的不同按非壓縮方式或壓縮方式存儲(chǔ)構(gòu)成數(shù)據(jù)段。

3 DICOM格式CT序列圖像的批量轉(zhuǎn)換方法

由于美國(guó)MathWorks公司的Matlab軟件在圖像處理和可視化方面功能強(qiáng)大，編程語(yǔ)言簡(jiǎn)潔、高效，并具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力，因此，該文采用Matlab R2016b對(duì)CT序列圖像進(jìn)行了批量轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換方法流程見圖1。

3.1 讀取DICOM圖像文件元信息和初始化相關(guān)參數(shù)

根據(jù)前面介紹的DICOM圖像格式可知，有關(guān)圖像成像信息的數(shù)據(jù)元素包含了圖像文件元信息的重要參數(shù)，如患者姓名、序列號(hào)、成像方式、圖像大小等，它位于128字節(jié)的文件頭之后，圖像像素?cái)?shù)據(jù)元素之前；這些參數(shù)對(duì)于后續(xù)的圖像轉(zhuǎn)換必不可少，但一般情況下不能直接讀取。Matlab圖像處理工具箱提供了相應(yīng)的函數(shù)“dicominfo（filename）”，通過它可以獲取圖像文件名、圖像大小、像素字節(jié)數(shù)、窗寬、窗位等信息；根據(jù)這些信息初始化圖像行數(shù)、列數(shù)、截距、斜率，以及窗寬和窗位等參數(shù)。圖2給出是C盤文件夾“se2”下的IM1.dcm圖像文件元的部分信息。

3.2 批量讀入DICOM圖像數(shù)據(jù)

“dicomread（filename）”是DICOM圖像的讀入函數(shù)[4]，可獲取指定文件“filename”的DICOM圖像像素?cái)?shù)據(jù)。該文為了批量轉(zhuǎn)換文件夾下CT序列圖像的格式，用循環(huán)結(jié)構(gòu)依次讀入序列圖像文件。這些文件的文件名是由字符串“IM”加上CT掃描層序號(hào)構(gòu)成。下面是相應(yīng)的程序段代碼，se2文件夾下序列圖像被依次讀入，其中省略部分是指相應(yīng)的轉(zhuǎn)換、調(diào)窗處理和格式轉(zhuǎn)換等。

3.3 圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和調(diào)窗處理

在DICOM圖像讀取過程中，其原始數(shù)據(jù)是重建后數(shù)據(jù)，并不是標(biāo)準(zhǔn)的CT值，必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換生成CT值數(shù)據(jù)；然后再通過對(duì)CT值的調(diào)窗處理，將動(dòng)態(tài)范圍很大的CT值數(shù)據(jù)映射到顯示器設(shè)備的灰度級(jí)范圍（一般為0～255），從而產(chǎn)生圖像的最佳顯示效果[5]。

首先讀取DICOM文件元信息（0028，1052）的rescale intercept（截距）和（0028，1053）的rescale slope（斜率）參數(shù)，通過下面公式計(jì)算得到CT值HU：

HU=dicpixel*slope+intercept

其中dicpixel為DICOM圖像的原始數(shù)據(jù)，slope為轉(zhuǎn)換斜率，intercept為轉(zhuǎn)換截距。接著進(jìn)行調(diào)窗處理。該文進(jìn)行的是線性調(diào)窗處理，該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，效果滿足要求，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

其中dcm是調(diào)窗處理后圖像像素?cái)?shù)據(jù)矩陣，截距、斜率、窗寬、窗位參數(shù)信息由“dicominfo（filename）”函數(shù)獲得（見3.1節(jié)），具體取值分別是-1024，1，400，40。

3.4 圖像格式的轉(zhuǎn)換和保存

為了將圖像調(diào)窗處理后的圖像數(shù)據(jù)，保存成Windows操作系統(tǒng)中所支持的通用圖像格式如JPG，BMP和RAW等，并實(shí)現(xiàn)圖像格式的批量轉(zhuǎn)換；Matlab實(shí)現(xiàn)起來(lái)十分非常方便，只需要簡(jiǎn)單的幾條語(yǔ)句就可完成，具體如下，將下面的格式轉(zhuǎn)換和保存語(yǔ)句分別放到3.2節(jié)程序段省略部分的最后位置即可。

（1） JPG格式的轉(zhuǎn)換和保存。

4 結(jié)果和討論

利用該文介紹的方法，將GE 公司8排螺旋CT機(jī)上采集的口腔頜面部CT序列圖像，進(jìn)行了圖像格式的批量轉(zhuǎn)換，下面給出了該序列中連續(xù)10幀DICOM圖像的JPG格式轉(zhuǎn)換后效果（如圖3所示）。

從CT機(jī)上直接獲得的DICOM序列圖像文件，一般無(wú)法在Windows系統(tǒng)的圖像處理平臺(tái)上直接操作和處理，因此，有必要將它們轉(zhuǎn)換成通用的圖像格式文件。當(dāng)前，某些圖像軟件，如Photoshop CS3雖然可以實(shí)現(xiàn)單幅DICOM圖像的格式轉(zhuǎn)換，但轉(zhuǎn)換步驟復(fù)雜；當(dāng)完成DICOM序列圖像的轉(zhuǎn)換時(shí)，工作量相當(dāng)大；為此該文提出了基于Matlab的DICOM序列圖像多格式批量自動(dòng)轉(zhuǎn)換方法。該方法具有轉(zhuǎn)換效率高，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換后顯示結(jié)果好的特點(diǎn)，在臨床醫(yī)學(xué)研究中有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] Digital Imaging and Communicotions in Medicine[EB/OL].http：//dicom.nema.org/DICOM/about-DICOM.html.

[2] 王鳴鵬.醫(yī)學(xué)影像技術(shù)學(xué)（CT檢查技術(shù)卷）[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2012.

[3] 魏軍，劉榮鑫，宋國(guó)興，等.DICOM圖像文件解析及程序設(shè)計(jì)[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，21（3）：215-218.

[4] 高向軍，田聯(lián)房，王立非，等.利用Matlab實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)圖像處理與分析[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2008，25（6）：1747-1749.

[5] 王光飛，劉杰，劉文.DICOM醫(yī)學(xué)圖像的調(diào)窗技術(shù)及DIB顯示[J].醫(yī)療裝備，2005，18（8）：1-5.