DICOM 基础知识：深入理解DICOM数据结构与标签说明

目录

DICOM 图像概念

DICOM 图像关键特性：

DICOM 文件结构

常见数据元素：

数据元素示例详解

DICOM-VR 数据类型说明

DICOM 标准支持的数据集

结语        

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DICOM 图像概念

        DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine）是一种用于存储、传输和处理医学图像的国际标准。它确保了不同设备和系统之间的兼容性，使得医疗图像能够在医院内部及不同医院之间无缝共享。一个检查（Study）的 DICOM 文件保存了单次检查的全部信息，包括病人信息和图像数据。通过读取和解析 .dcm 文件，可以获取所有相关的信息。DICOM 标准不仅规范了图像格式，还规范了元数据的存储和传输方式，确保了数据的完整性和互操作性。例如，一个 DICOM 文件可以包含患者的基本信息、检查日期、设备类型、扫描参数以及实际的图像数据。这种结构化的数据存储方式使得医学图像能够在不同系统间有效流通，也为后续的图像处理和分析提供了坚实的基础。

DICOM 图像关键特性：

1. 标准化：提供一致的图像格式和数据结构。
2. 互操作性：支持不同厂商设备之间的数据交换。
3. 完整性：包含丰富的元数据，如患者信息、扫描参数等。

DICOM 文件结构

DICOM 文件由多个部分构成，每个部分都有特定的用途和格式，各部分信息有助于全面描述图像及其生成过程。

文件结构：

1. 文件前缀（导言）：

   • 导言部分为128字节，通常为空，可以直接跳过。
   • 后接4字节的字符串 "DICM"，通常为 "DICM"，标识为 DICOM 文件。解读DICOM文件：第一步：跳过128个字节（00H）导言部分，读取“DICM”4个字节，确认是DICOM格式文件 第二步：读取重要的数据元素，如传输语法等。其中，0002组描述设备通讯，0008组描述特征参数，0010组描述患者信息，0028组描述图像信息参数。

2. 数据集：

   • 由多个数据元素组成，每个元素包含特定信息。DICOM最基本的结构单元——数据元素。
   • 数据元素：
     • 标签（Tag）：标识元素类型。
     • 值表示（VR）：描述数据类型。
     • 长度：数据元素的字节长度。
     • 值字段：实际数据。

                 

1、DICOM数据集合是由DICOM数据元素按照一定的顺序排列组成的 DICOM数据元素由四部分组成：标签，VR，数据长度和数据域 .

2、 标签：（组号，元素号): 所有双数组编号提供DICOM数据字典的供标准数据使用，所有单数组编号供私用数据使用。

3、VR：表示该数据元素中的数据是什么形式的，可查阅DICOM标准第五部分的24页。VR是可选的，取决于协商的传输数据格式 数据长度：所有DICOM数据元素都应该为偶数长度，若为奇数，追加空格或空NULL。

常见数据元素：

• 患者信息：如姓名、出生日期、性别。
• 检查参数：如扫描日期、设备类型。
• 图像数据：实际的像素值，构成图像内容。

DICOM 文件通过这些结构化数据元素，提供了全面且可扩展的信息存储方式，使得医学图像能够在不同系统间有效流通。

数据元素示例详解

在前缀后面是真正的数据元素。数据元素以 key-value 的形式提供，每个 tag 就是 DICOM 里定义好的字典。解析时根据需要只需关注特定的 tag。DICOM 全部的 tag 至少有 2000 个。

DICOM 文件包含的四级属性，patient(病人），study（检查），series（序列），SOP（影像）。 每一级别需要具有能够唯一标识这个等级属性的键值，类似关系数据库中的主键。病人对应的为Patient id, 检查 study instance UID, 序列 Series Instanceuid,影像 SOP Instance UID.

dicom中如下： 

DICOM-Tag 说明

1. 患者信息（整个Study 一样）

Tag	描述	例子
0010 0010	patient’s name (患者名字)	lisi
0010 0020	patient ID (患者ID)	200067890
0010 0030	patient’s birth date (患者生日)	19780714
0010 0040	patient’s sex (患者性别)	M
0010 1010	patient’s age (患者年龄)	043Y

dicom中如下： 

2. 设备医院相关信息（整个 SERIES 一样）

Tag	描述	例子
0008 0060	Modality	MR
0008 0070	Manufacture (生产厂家)	GE Healthcare
0008 0080	Institution name (机构名称)	CITY 123 CENTER
0008 0080	Institution address (机构地址)	123 Main St, Anytown, USA
0008 1010	Station name	MR_Station01
0008 1070	Operator’s name	1234

dicom中如下： 

3. Study 信息（整个 STUDY 一样）

Tag	描述	例子
0008 0020	Study date	20220515
0008 0021	Series date	20220515
0008 0030	Study time	081530 (时分秒)
0008 1030	Study description	Abdomen^RoutineScan
0008 103E	Series description	AbdomenSeq
0020 000D	Study Instance UID	1.3.6.1.4.1.5962.99.1.123456.789012
0020 000E	Series Instance UID	1.3.6.1.4.1.5962.99.1.789012.345678
0020 0010	Study ID	23456

dicom中如下： 

4、Series 信息（整个 SERIES 一样）

Tag	描述	例子
0008 0060	Modality	MR
0008 103E	Series Description	BrainAxialSeq
0008 1070	Operator’s Name	5678
0018 0015	Body Part Examined (扫描部位)	Brain
0018 1030	Protocol Name (扫描序列名)	Brain_MRI_Routine
0020 000E	Series Instance UID	1.3.6.1.4.1.5962.99.1.345678.901234
0020 0011	Series Number	1
0040 A375	Requesting Physician	Dr. John Doe
0040 0244	Performed Procedure Step Start Date	20220515
0040 0245	Performed Procedure Step Start Time	083000
0040 0253	Performed Procedure Step ID	98765
0040 0254	Performed Procedure Step Description	Routine Brain MRI

 dicom中如下： 

5. 图像信息

Tag	描述	例子
0008 0008	Image type	DERIVED\SECONDARY\AXIAL\CT_SOM5 SEQ
0008 0023	Image date	20220515（每张分开列）
0008 0033	Image time	083000（每张分开列）
0018 0050	Slice thickness (层厚)	3.0（每张分开列）
0018 0093	Percent sampling	90
0018 0094	Percent phase field of view	90
0018 5100	Patient position (患者姿态)	HFP
0020 0013	Image number	5（每张分开列）
0020 0032	Image position (patient)	-120.2783-320.2783\70.5（每张分开列）
0020 0037	Image Orientation (patient)	1\0\0\0\1\0（每张分开列）
0020 1041	Slice location (图像位置)	70.5（每张分开列）
0028 0002	Samples per pixel	1
0028 0004	Photometric Interpretation	MONOCHROME1
0028 0010	Rows (图像列数)	256
0028 0011	Columns (图像行数)	256
0028 0030	Pixel spacing (像素间距)	0.48828125\0.48828125
0028 1050	Window center (窗位)	50\600（每张分开列）
0028 1051	Window wide (窗宽)	120\2800（每张分开列）

dicom文件中如下：

6. MR 设备信息（整个 SERIES 相同）

Tag	描述	例子
0018 0060	KVP (球管电压)	110
0018 0090	Data collection diameter (数据采集直径)	450
0018 1000	Device serial number (设备序列号)	12345
0018 1030	Protocol name (扫描序列名)	02_HeadRoutine
0018 1100	Reconstruction diameter (重建直径)	400
0018 1110	Distance source to detector (射线源与探测器间距)	1050
0018 1120	Gantry/detector tilt (机架倾斜角)	5
0018 1130	Table height (床高)	140
0018 1140	Rotation direction (旋转方向)	CCW
0018 1150	Exposure time (曝光时间)	600
0018 1151	X-ray tube current (球管电流)	360
0018 1152	Exposure（mA*s）	220
0018 1160	Filter type (滤波类型)	SMOOTH
0018 1170	Generator power	40
0018 1190	Focal spot (焦点长度)	1.0
0018 1200	Date of last calibration (上次测量日期)	20210401
0018 1201	Time of last calibration (上次测量时间)	090000
0018 1210	Convolution kernel（卷积核）	B60f
0018 9306	Single collimation width（可重建最小厚度）	0.75000
0018 9307	Total collimation width（准直宽度）	100.00000
0018 9309	Table speed (床速度)	85.00000
0018 9310	Table feed per rotation (床旋进比)	42.00000
0018 9311	Spiral pitch factor (步进)	1.500000
0018 9313	Data collection center (patient) (数据采集中心)	-0.123456-150.654321-80.0000
0018 9318	Reconstruction target center (patient) (重建目标中心)	-0.123456-150.654321-80.0000
0018 9323	Exposure modulation type (曝光模式类型)	Z_EC
0018 9324	Estimated Dose Saving（辐射剂量）	50.000000
0018 9345	CTDIvol	8.123456

dicom中如下：  

7. MR设备相关tag

Tag	描述	例子
0018 0020	Scanning sequence (序列类型)	IR
0018 0021	Sequence variant	GR
0018 0022	Scan options (扫描选项)	NONE
0018 0023	Mr acquisition type (采集类型)	3D
0018 0024	Sequence name (序列名)	*gr2d2
0018 0025	Angio flag	Y
0018 0080	Repetition time (重复时间)	600
0018 0081	Echo time (回波时间)	8.0
0018 0083	Number of averages (重复次数)	2
0018 0084	Imaging frequency (成像频率)	64.987654
0018 0085	Imaged Nucleus (成像核)	2H
0018 0086	Echo number (回波数)	2
0018 0087	Magnetic field strength (磁场强度)	3.0
0018 0088	Spacing between slices (层间距)	4
0018 0089	Number of Phase Encoding steps (相位编码步数)	256
0018 0091	Echo train length (回波链长度)	2
0018 0095	Pixel bandwidth (像素带宽)	150
0018 1000	Device series number (设备序列号)	54321
0018 1030	Protocol name (扫描序列名)	T2_ir_tra
0018 1251	Transmitting coil (发射线圈)	head
0018 1310	Acquisition matrix (采集矩阵)	0\512\512\0
0018 1312	Phase encoding direction (相位编码方向)	COLUMN
0018 1314	Flip angle (翻转角)	180
0018 1315	Variable flip angle flag	Y
0018 1316	SAR	0.56789012345678
0018 1318	db/dt	1

dicom中如下：

DICOM-VR 数据类型说明

VR	含义	允许的字符	数据长度
CS	Code String	大写字母，0-9，空格，下划线	最多16个字符
SH	Short String	短字符串	最多16个字符
LO	Long String	字符串，可能有空格	最多64个字符
ST	Short Text	一个或多个段落的字符串	最多1024个字符
LT	Long Text	一个或多个段落的字符串	最多10240个字符
UT	Unlimited Text	一个或多个段落的字符串	最多(2^32–2)个字符
AE	Application Entity	标识设备名称的字符串	最多16个字符
PN	Person Name	插入符号作为姓名分隔符的字符串	最多64个字符
UI	Unique Identifier	UID 字符串	最多64个字符
DA	Date	YYYYMMDD 格式的字符串	8个字符
TM	Time	HHMMSS 格式的字符串	最多16个字符
DT	Date Time	YYYYMMDDHHMMSS.FFFFFF 格式的字符串	最多26个字符
AS	Age String	nnnD, nnnW, nnnM, nnnY 格式的字符串	4个字符
IS	Integer String	整型数字字符串	最多12个字符
DS	Decimal String	定点小数和浮点小数字符串	最多16个字符
SS	Signed Short	符号型二进制整数，长度16比特	2个字符
US	Unsigned Short	无符号二进制整数，长度16比特	2个字符
SL	Signed Long	符号型二进制整数	4个字符
UL	Unsigned Long	无符号二进制整数，长度32比特	4个字符
AT	Attribute Tag	16比特无符号整数的有序对	4个字符
FL	Floating Single	单精度二进制浮点数	4个字符
FD	Floating Double	双精度二进制浮点数	8个字符
OB	Other Byte String	其他字节字符串
OW	Other Word String	其他单词字符串，2字节
OF	Other Float String	其他浮点字符串，4字节
SQ	Sequence Items	条目序列
UN	Unknown	未知编码的字节字符串

DICOM 标准支持的数据集

Character Set Description	Defined Term
Latin alphabet No. 1	ISO_IR 100
Latin alphabet No. 2	ISO_IR 101
Latin alphabet No. 3	ISO_IR 109
Latin alphabet No. 4	ISO_IR 110
Cyrillic	ISO_IR 144
Arabic	ISO_IR 127
Greek	ISO_IR 126
Hebrew	ISO_IR 138
Latin alphabet No. 5	ISO_IR 148
Japanese	ISO_IR 13
Thai	ISO_IR 166
Default repertoire	ISO 2022 IR 6
Latin alphabet No. 1	ISO 2022 IR 100
Latin alphabet No. 2	ISO 2022 IR 101
Latin alphabet No. 3	ISO 2022 IR 109
Latin alphabet No. 4	ISO 2022 IR 110
Cyrillic	ISO 2022 IR 144
Arabic	ISO 2022 IR 127
Greek	ISO 2022 IR 126
Hebrew	ISO 2022 IR 138
Latin alphabet No. 5	ISO 2022 IR 148
Japanese	ISO 2022 IR 13
Thai	ISO 2022 IR 166
Japanese	ISO 2022 IR 87
Japanese	ISO 2022 IR 159
Korean	ISO 2022 IR 149

结语        

        以上是 DICOM 基本数据结构及其标签的详细说明。刚开始学习时，可以自己动手解析一下 DICOM 文件，体验上述几个步骤。在实际工作或软件开发中，通常使用第三方开源库进行操作，比如比较著名的C#系的fo-dicom， C++ 系的 DCMTK，JAVA 系的 dcm4che，python 系的 pyDicom 等等。本文乃至以后的文章主要以fo-dicom、 DCMTK 为主进行举例说明。