DICOM标准及应用——第四讲 DICOM介质存储功能与文件格式

liuyong · 发表于 2015-11-17 20:14:06

在上一讲中，我们介绍了DICOM标准中的网络传输功能，即利用通信线路进行DICOM信息交换。这一讲将介绍通过存储介质而进行的信息交换。将图像、诊断、检查的结果等信息存储在如软盘和光盘等存储介质中，实现在不同的系统之间在不同的时间内进行信息交换，也可以实现信息长久的保存。
通过介质进行信息交换，与通过通信信道进行信息交换，两者既有联系又有区别。它们都使用了DICOM的消息交换机制，但用介质实现信息交换时，交换信息的应用系统双方不是在同时工作，由此而带来与网络信息交换的不同之处。
一介质存储模型简述
在考虑了介质存储的情况下，DICOM的工作模型可以扩充为如图1所示。
从DICOM通用通信模型上可以看出介质存取模型也是具有层次性的，这三个层次分别为:
1.物理介质层
物理介质层定义了介质的物理特性，如: 物理介质格式参数、维数、机械特性、存储属性、及比特流信息的组织等等。例如，在PC环境下的3.5英寸双面高密软盘是DICOM标准中定义的一种物理介质，其相应的参数说明就是对应的物理介质层，它应该符合ANSI X3.171的规定，也就是通常使用的1.44M软盘。
2. 介质格式层
介质格式层是由操作系统决定的。它规定了存储介质上具体的数据组织形式以及文件系统进行的操作，它同时也定义了该介质上的目录结构。例如，一个3.5英寸的软盘在不同的操作系统中的数据结构是不同的。在MS-DOS及WINDOWS中，它采用的介质格式是FAT16格式的文件分配表，而在UNIX中使用的是超级块构成的链表。无论什么介质格式，它们都应该至少可以提供DICOM的文件服务功能，并且通过文件服务限制对文件内容的直接操作的权限，以确保DICOM数据格式层独立于介质格式和物理介质的选择。
3. DICOM数据格式层
DICOM数据格式层包括4个方面的内容: DICOM介质存储服务/对象对(以下简称SOP类)及与之相联系的信息对象定义、DICOM文件格式、DICOM介质存储目录SOP类、DICOM介质存储应用卷宗。下面分别详细说明。
二介质存储SOP类及信息对象定义IOD
介质存储服务类定义了一组用存储介质进行数据交换的服务。一般来说，使用存储介质有下面两个原因: 一是在两个进程之间交换的图像暂时存储在介质中，但没有有关处理的进一步说明，仅仅是传送信息而已。二是用于打印的图像是以胶片会话的方式来组织，接收进程必须处理介质中的打印管理信息，有关打印任务进展的状态信息也是在存储介质上反映出来。
在这个服务类中一个进程扮演的角色与在网络情况中是不同的。在网络中双方的角色有SCP和SCU之分，而在存储介质中只与介质上的操作有关。介质存储服务类定义了三种角色: 文件集生成者(FileSet Creator，FSC)、文件集读者(FileSet Reader，FSR)和文件集更新者(FileSet Updator，FSU)，显而易见，这些名字都是指允许的操作。
使用在这些服务类中的SOP类中的服务元素说明了在作为文件集或完全文件集管理的SOP类实例上的操作。这些服务使用的IOD定义了信息必须存储在一个文件中。这个信息可以是普通和复合对象的混合。
这个服务类仅处理一个文件中信息的存储，而不管其内容。例外的是有一个特殊的SOP类，介质存储中的目录存储类处理有关文件集和目录(DICOMDIR)的信息。
介质存储服务类的其它SOP类与用于图像数据的患者管理、研究管理、结果管理和打印管理网络存储服务类中的SOP类相同。存储在文件中的SOP实例能够由对应的SOP类的服务类在使用介质存储服务类的服务存取后直接使用。
三目录结构
除了DICOM影像及相关的SOP类(如诊断结果、病历信息)之外，还有其它用于管理介质存储的SOP类。这种SOP类就是DICOM标准PS3.4中定义的介质存储目录类。它们的实例就是相应的DICOMDIR文件。
由于在DICOM标准中规定了多种通用的存储介质，如容量为230M，650M，2.3G等光盘，这些大容量的外存储器，必须采用多级目录管理才能有效地使用。DICOM正是通过DICOM-DIR文件实现对多级目录管理的支持。
在一个存储介质上，DICOM的文件组织是按照患者、研究、序列、图像这四个层次进行的。患者、研究、序列具有目录的性质，可以根据需要选择，也可以省略，图像则是以最终的文件形式出现。
介质目录描述文件，即DICOMDIR文件，总体说明了整个介质上DICOM文件的层次性结构信息，在文件内部是通过子—兄节点的二叉树形式链接而成的(见图2)。
这样对介质中任何图像文件进行操作时，只要检索该目录文件即可得到文件的位置信息，由此对文件进行操作。
这种组织方式的优点是它与具体的文件系统的实现是独立的。操作系统中的文件子系统只要能提供基本的文件操作功能，即可实现逻辑上的患者—图像文件的层次结构，而不依赖于操作系统对多级子目录的支持。
四文件格式
DICOM文件提供了一种封装方式，将DICOM信息对象定义IOD的一个SOP实例以数据集的形式封装在一个文件中。数据集的字节流位于DICOM文件元信息之后，每个文件包含一个单一的SOP实例。这个实例包含有一帧或多帧图象。
1.DICOM文件元信息
文件元信息包括已封装的数据集的标识信息。文件头由128字节的预定义的引导加4字节DICOM前缀以及表1中介绍的文件元信息构成。每个DICOM文件均有这样一个文件头。
预定义文件头可以根据应用卷宗或实现实例的要求灵活应用。DICOM标准对这个固定长度的预定义头没有任何结构性的要求，它不必像DICOM数据元素在结构上要有一个标识和长度信息。这是为了让DICOM文件数据易于和许多通用计算机图像格式相兼容。无论预定义头是否包含信息，DICOM文件格式应当遵循这部分要求。而数据集中的内容则应当与文件元信息所表述的SOP类相一致。
如果预定义头没有被应用卷宗及实现实例使用到，此128字节应当被置为00H，以便于识别此128字节是否载有应用信息。例如，这个预定义头可能用来向一个多媒体应用程序进行授权以决定其对DICOM数据集内影像的操作权限。这样在同一个文件上可以有两种操作方式: 利用预定义头的多媒体应用程序，和忽略这个预定义头的DICOM应用。
DICOM四字节前缀应当包含特征字串DICM(大写且字体采用ISO8859-G0字符集，即常用的ASCII编码)，这四个字节没有标识及长度信息。预定义头及词缀后是一系列DICOM元元素。它们包含标识及长度信息，具体含义见表1。
2.数据集的封装
在DICOM介质存储应用中，每个文件应包含描述唯一的一个SOP实例的数据集。这个SOP实例属于某个SOP类以及对应的IOD，如一个研究、序列或存储等。
正如特定的IOD可以被定义为多帧一样，一个文件可能包含有一个以上的影像帧，由SOP 实例中具体内容确定。用于数据集中的编码必须是DICOM文件元信息中传输语法UID标识的那一种。
由于DICOM数据集内并不包含它的长度信息。DICOM文件服务提供的文件结束提示是数据集结束的唯一标志。
3.文件管理信息的支持
DICOM文件格式不包含文件管理信息，为的是不与介质格式层发生功能上的重复。如果一个特定的DICOM应用卷宗需要，介质格式层应包括下列信息:
文件描述表自身的信息; 文件入口的统计(如创建时间、日期); 应用程序文件权限控制; 物理权限控制(如写保护)。如同我们前面所说，介质应用层是由操作系统实现并提供的。
当前版本的DICOM标准不涉及介质及文件权限控制服务之外的介质交互安全性的控制。特定的介质格式层可能支持这种安全性机制。超越物理介质层及介质格式层安全性的管理需求，将体现在新的有关介质存储的DICOM标准中。
五介质存储应用卷宗与可用的存储介质
介质存储应用卷宗定义了应用系统对DICOM介质存储模型中不同层次的选择，目的在于满足使用介质进行信息交换的特殊需要。这种选择由规范化的介质存储应用卷宗来表述，DICOM标准要求具体实现之间的介质信息交换必须遵循系统的介质存储应用卷宗。这种一致性的描述允许用户对不同的实际系统进行选择，以保证系统之间的互操作性。
介质存储应用卷宗一般包括以下内容:
(1) 用应用卷宗表达需求的描述及其应用的上下文。
(2) 数据格式层的选择。
(3) 介质格式层的定义，DICOM标准中规定了可供选择的物理介质、介质格式以及介质格式(或称文件系统)服务如何映射到DICOM文件服务。
(4) 选择合理的传输语法。
(5) 其它一些有助于互操作性的特殊限制，如: 文件最大长度支持的选项等。
最后我们将DICOM标准目前所支持的可交换存储介质的种类及有关内容归纳为下表，以供参考。