DICOM标准：深入详解DICOM医学影像中的传输语法

引言

        DICOM（数字成像和通信医学）标准在医学影像数据交换中扮演着至关重要的角色。其中，*传输语法（Transfer Syntax）是DICOM标准中定义数据编码和传输方式的核心部分。理解传输语法对于确保不同设备和系统之间的互操作性、高效的数据传输以及数据的完整性至关重要。本文将深入探讨DICOM中的传输语法，包括其定义、分类、工作机制、常用类型以及在实际应用中的注意事项。

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目录

1. 传输语法概述
2. 传输语法的组成部分
   • 字节序（Endianess）
   • 值表示（Value Representation, VR）
3. DICOM标准传输语法类型
   • 隐式VR小端字节序传输语法（Implicit VR Little Endian）
   • 显式VR小端字节序传输语法（Explicit VR Little Endian）
   • 显式VR大端字节序传输语法（Explicit VR Big Endian）
4. 封装传输语法（Encapsulated Transfer Syntax）
   • 无损压缩传输语法
   • 有损压缩传输语法
5. 传输语法的协商过程
6. 传输语法的选择与应用
7. 常见传输语法详解
8. 传输语法的影响与注意事项
9. 总结

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1. 传输语法概述

传输语法定义了DICOM信息对象（如图像、报告等）的编码方式和传输规则。具体而言，传输语法规定了以下内容：

• 字节序：数据在内存中的排列顺序（大端或小端）。
• 值表示：数据元素的编码方式（隐式或显式VR）。
• 压缩方法：是否采用图像压缩，以及使用何种压缩算法。

传输语法的选择直接影响到DICOM对象在不同设备和系统之间的互操作性。正确理解和应用传输语法是实现高效、可靠医学影像传输的基础。

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2. 传输语法的组成部分

传输语法主要由以下两个关键组成部分构成：字节序（Endianess）和值表示（Value Representation, VR）。

字节序（Endianess）

字节序指的是多字节数据在内存或传输介质中的排列顺序。主要有两种字节序：

• 小端字节序（Little Endian）：最低有效字节存放在最低内存地址。
• 大端字节序（Big Endian）：最高有效字节存放在最低内存地址。

DICOM标准支持两种主要的字节序：

• 小端字节序：在现代计算机系统中广泛使用，如x86架构。
• 大端字节序：较少见，主要用于某些网络协议和特定设备。

字节序的选择在传输数据时必须明确，以确保数据在不同系统间的正确解释。

值表示（Value Representation, VR）

值表示（VR）描述了数据元素的类型和编码方式，如整数、字符串、浮点数等。DICOM中的VR分为显式VR和隐式VR两种：

• 显式VR（Explicit VR）：数据元素明确包含VR字段，指示值的类型。
• 隐式VR（Implicit VR）：数据元素不包含VR字段，接收方需要依赖数据元素标签查找VR类型。

显式VR提供了更高的灵活性和清晰度，但会增加数据体积。而隐式VR则更简洁，适用于默认情况下的数据传输。

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3. DICOM标准传输语法类型

DICOM定义了多种传输语法，根据字节序和VR编码方式的不同，可以分为以下主要类型：

隐式VR小端字节序传输语法（Implicit VR Little Endian）

• UID：1.2.840.10008.1.2
• 特点：
  • 隐式VR：数据元素不包含VR字段。
  • 小端字节序：所有数据元素均采用小端字节序编码。
• 应用场景：
  • 通用传输语法，所有DICOM兼容设备必须支持。
  • 基本、未压缩的图像数据传输。

显式VR小端字节序传输语法（Explicit VR Little Endian）

• UID：1.2.840.10008.1.2.1
• 特点：
  • 显式VR：数据元素明确包含VR字段。
  • 小端字节序：采用小端字节序编码。
• 应用场景：
  • 需要明确VR信息的场景。
  • 提供更好的数据可读性和解析灵活性。

显式VR大端字节序传输语法（Explicit VR Big Endian）

• UID：1.2.840.10008.1.2.2
• 特点：
  • 显式VR：数据元素明确包含VR字段。
  • 大端字节序：采用大端字节序编码。
• 应用场景：
  • 特定系统和设备需要大端字节序。
  • 兼容跨平台和特定网络协议的传输需求。

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4. 封装传输语法（Encapsulated Transfer Syntax）

封装传输语法用于处理压缩图像数据或其他复杂编码的数据。它允许将压缩后的像素数据封装在DICOM数据集中，确保传输过程中的兼容性和灵活性。

无损压缩传输语法

无损压缩传输语法确保图像数据在压缩和解压缩过程中不丢失任何信息。这对于医学影像尤为重要，因为图像细节可能直接影响临床诊断。常见的无损压缩传输语法包括：

• JPEG无损传输语法
  • UID：1.2.840.10008.1.2.4.70
  • 特点：基于JPEG标准的无损压缩，支持不同位深（如8位、12位）的图像。

有损压缩传输语法

有损压缩传输语法允许在压缩过程中丢失部分图像信息，以显著减少数据体积。这在存储和传输大量图像时非常有用，但需谨慎使用，确保压缩不会影响临床诊断。常见的有损压缩传输语法包括：

• JPEG有损传输语法
  • 基线传输语法：1.2.840.10008.1.2.4.50（用于8位图像）
  • 扩展传输语法：1.2.840.10008.1.2.4.51（用于12位图像）
• JPEG 2000传输语法
  • 有损：1.2.840.10008.1.2.4.90
  • 无损：1.2.840.10008.1.2.4.91

注意：有损压缩在临床使用前需验证其对图像质量和诊断准确性的影响，确保不引入明显的伪影或失真。

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5. 传输语法的协商过程

在DICOM通信中，传输语法的选择通过**关联协商（Association Negotiation）**过程完成。当两个DICOM应用实体（如影像设备和PACS系统）建立连接时，它们会交换支持的传输语法列表，并选择一个共同支持的传输语法来进行数据交换。

具体步骤：

1. A-ASSOCIATE请求：
   • 发送方发起关联请求，包含其支持的抽象语法（Abstract Syntax，定义通信对象的功能）和传输语法。
2. A-ASSOCIATE响应：
   • 接收方响应，选择一个双方都支持的抽象语法和传输语法。如果没有共同支持的传输语法，关联请求可能被拒绝。
3. 数据交换：
   • 一旦协商成功，双方按照选定的传输语法进行数据编码和解码。

优先级：

• 传输语法的顺序在协商中具有优先级。发送方通常按照其首选传输语法列表顺序排列，接收方选择第一个匹配项作为最终传输语法。

重要性：

• 合适的传输语法选择影响数据传输的效率、兼容性和数据完整性。
• 默认的隐式VR小端字节序传输语法被所有DICOM实现所支持，确保基本的互操作性。

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6. 传输语法的选择与应用

传输语法的选择应基于以下几个关键因素：

1. 设备和系统的支持能力：
   • 确保双方设备和系统支持所选传输语法。
2. 数据传输的效率和体积：
   • 无损与有损压缩的平衡，考虑存储和传输成本。
3. 图像质量和诊断需求：
   • 临床环境下，优先保证图像的完整性和质量，避免使用有损压缩影响诊断。
4. 网络带宽和传输速度：
   • 在带宽受限的环境下，适当的压缩可以提高传输效率。
5. 兼容性和标准遵循：
   • 遵循DICOM标准，确保跨厂商和跨系统的兼容性。

实际应用示例：

• 设备间直接传输：
  • 如从CT扫描仪直接传输图像到PACS系统，通常使用隐式VR小端字节序或适当的压缩传输语法。
• 远程传输和存储：
  • 通过网络传输大量图像时，可能会采用有损压缩传输语法以减少数据量。
• 多厂商环境：
  • 确保所有设备支持通用的传输语法，如显式VR小端字节序，以实现互操作性。

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7. 常见传输语法详解

以下将详细介绍几种常见的DICOM传输语法，包括其特性、应用场景以及优缺点。

7.1 Implicit VR Little Endian（隐式VR小端字节序）

• UID：1.2.840.10008.1.2
• 特点：
  • 隐式VR：数据元素不包含显式的VR字段，节省空间。
  • 小端字节序：符合大多数现代计算机系统的字节序。
• 优点：
  • 广泛支持，所有DICOM兼容设备必须支持。
  • 简洁，数据体积较小。
• 缺点：
  • 不包含显式VR信息，读取时需依赖标签查找VR，可能增加解析复杂性。
• 应用场景：
  • 基本图像传输，无需特定VR信息的场景。

7.2 Explicit VR Little Endian（显式VR小端字节序）

• UID：1.2.840.10008.1.2.1
• 特点：
  • 显式VR：每个数据元素包含VR字段，明确指示值的类型。
  • 小端字节序：与大多数系统兼容。
• 优点：
  • 明确的VR信息，增强数据解析的可靠性和灵活性。
  • 更适合复杂和多样化的数据对象。
• 缺点：
  • 数据体积较大，包含冗余的VR字段。
• 应用场景：
  • 需要明确VR信息的高级场景，如特定类型的影像数据、报告等。

7.3 Explicit VR Big Endian（显式VR大端字节序）

• UID：1.2.840.10008.1.2.2
• 特点：
  • 显式VR：每个数据元素包含VR字段。
  • 大端字节序：较少用于现代系统，但在特定网络协议中应用。
• 优点：
  • 适用于需要大端字节序的系统和网络环境。
• 缺点：
  • 不如小端字节序普及，兼容性较低。
• 应用场景：
  • 特定系统间的数据交换，尤其是在需要与大端系统集成时。

7.4 JPEG无损传输语法

• UID：1.2.840.10008.1.2.4.70
• 特点：
  • 无损压缩：压缩过程中不丢失任何图像信息。
  • 基于JPEG标准。
• 优点：
  • 减少图像数据体积，同时保证图像质量完整。
  • 适用于需要高精度图像的临床应用。
• 缺点：
  • 无损压缩比有限，数据压缩比不如有损压缩。
• 应用场景：
  • 高质量医学影像存档和传输，需保证图像无损性的场景。

7.5 JPEG有损传输语法

• UID：
  • 8位图像：1.2.840.10008.1.2.4.50
  • 12位图像：1.2.840.10008.1.2.4.51
• 特点：
  • 有损压缩：压缩过程中丢失部分图像信息。
  • 基于JPEG标准，支持不同位深的图像。
• 优点：
  • 显著减少图像数据体积，节省存储和带宽。
• 缺点：
  • 可能引入图像失真和伪影，影响诊断质量。
• 应用场景：
  • 存储和传输对图像质量要求较高但有带宽限制的场景，需控制压缩比以平衡质量与效率。

7.6 JPEG 2000传输语法

• 有损压缩UID：1.2.840.10008.1.2.4.90
• 无损压缩UID：1.2.840.10008.1.2.4.91
• 特点：
  • 基于JPEG 2000标准，提供更高效的压缩算法。
  • 支持更灵活的压缩参数和分辨率调整。
• 优点：
  • 更高的压缩比和更好的图像质量控制。
  • 支持分层存储和分辨率渐进加载。
• 缺点：
  • 较新的标准，部分旧设备和软件可能不支持。
• 应用场景：
  • 需要高效压缩和灵活解码的高级医学影像应用，如远程诊断和高分辨率图像存档。

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8. 传输语法的影响与注意事项

选择和应用传输语法时，需要考虑以下几个方面，以确保系统的高效性、兼容性和数据的完整性。

8.1 数据完整性与兼容性

• 数据完整性：传输语法的选择直接影响数据在传输过程中的完整性。无损传输语法确保数据在压缩和解压缩过程中不丢失任何信息。
• 兼容性：确保所有参与通信的设备和系统支持选定的传输语法。使用通用的传输语法（如隐式VR小端字节序或显式VR小端字节序）可以提高兼容性。

8.2 图像质量与诊断准确性

• 无损压缩：在需要保证图像质量的临床场景中，优先选择无损压缩传输语法。
• 有损压缩：在带宽受限或存储空间有限的情况下，可以适度使用有损压缩，但需确保压缩参数不会显著影响诊断准确性。

8.3 存储与传输效率

• 压缩传输语法：通过压缩传输语法可以显著减少数据体积，提升传输效率，尤其在网络带宽有限或需要传输大量图像时尤为重要。
• 默认传输语法：隐式VR小端字节序传输语法虽然简单高效，但在复杂数据对象中可能不够灵活。

8.4 系统支持与维护

• 软件与硬件支持：确保系统所用的软件和硬件能够支持所选传输语法，特别是高级或新型的压缩传输语法（如JPEG 2000）。
• 标准遵循：遵循DICOM标准的传输语法选择和应用，避免使用未注册或自定义的传输语法，除非在特定环境下有明确需求。

8.5 性能优化

• 并行处理：在支持的情况下，可以并行处理多帧图像的压缩和解压缩，以提升传输效率。
• 缓存策略：合理的缓存策略可以减少频繁的解压缩操作，提高系统响应速度。

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9. 总结

        传输语法在DICOM标准中扮演着关键角色，决定了医学影像数据的编码方式、压缩方法以及在不同设备和系统间的传输效率和兼容性。理解和正确应用传输语法对于实现高效、可靠的医学影像传输至关重要。

关键要点：

• 传输语法定义：包括字节序和值表示方式，决定数据的编码和解析方式。
• 标准传输语法：隐式VR小端字节序、显式VR小端字节序和显式VR大端字节序是最常用的传输语法。
• 封装传输语法：用于处理压缩数据，支持无损和有损压缩，提升存储和传输效率。
• 传输语法协商：通过关联协商过程选择双方均支持的传输语法，确保数据传输的互操作性。
• 选择与应用：根据系统需求、图像质量要求和设备支持情况，选择合适的传输语法，平衡数据完整性与传输效率。

        在实际应用中，应综合考虑图像质量、传输效率、系统兼容性等因素，合理选择和配置传输语法，以满足临床和技术需求，保障医学影像数据的准确、安全和高效传输。