DICOM标准三十年（建议收藏）

DICOM标准三十年

Michele Larobina

Istituto di Biostrutture e Bioimmagini, Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR)

发表于2023, Tomography

简要总结

本文回顾了DICOM标准在过去三十年的发展历程，阐述了其作为全球医学影像标准的重要性。文章详细介绍了DICOM在解决数据兼容性问题、推动影像技术进步、促进设备互操作性方面的贡献，同时指出了当前面临的挑战，如新兴技术需求和数据安全问题。未来，DICOM需不断优化以应对医疗领域的快速变化，继续发挥其核心作用。

摘要

医学数字成像和通信(Digital Imaging and Communications in Medicine，即DICOM)是一个国际标准，它定义了存储医学影像的格式以及促进和便利医学影像系统间数据通信的协议。在过去的三十年中，DICOM标准对医学影像领域的变革起到了关键作用。其应用为制造商、医疗用户和科研人员带来了深远影响。在本文中，我们在该标准引入三十年后，讨论了DICOM的创新、优势、局限性及其未来可能的发展方向。

关键词：DICOM；元数据；文件格式；通信协议；定量成像(quantitative imaging)

1. 引言

标准化是数字成像领域的核心概念之一。缺乏标准会限制图像的可用性和共享性，迫使用户应对多种数据格式，并在不同格式间进行转换。此外，任何图像文件除了像素数据(pixel data)外，还包含元数据。元数据是描述图像的数据，在数字成像中具有重要作用。普通用途的图像格式中，元数据可能仅限于描述像素矩阵，而在科学应用的格式中，元数据可以包括受试者信息、仪器设置、图像采集参数以及与成像工作流程相关的其他要素。然而，元数据的潜力常常被低估，因而未能得到充分表达。一个标准的建立有助于定义元数据部分，从而实现图像的正确使用和解读。

在标准化过程中，医学影像领域凭借其开创性视野和长期使用的标准，堪称典范。20世纪80年代初，美国放射学会(ACR)与国家电子制造商协会(NEMA)联合成立了一个用户与医疗行业专业人士的协会，开始定义一个用于数字医学图像编码和交换的新标准。1993年，ACR-NEMA委员会提出了医学数字成像和通信(DICOM)，相较于先前的标准化尝试，如ACR-NEMA 1.0 (1985) 和2.0 (1988)，DICOM具备了更多功能及更长远的愿景。DICOM的推出在当时可谓一项真正的创新。20世纪90年代中期，在DICOM标准引入之前，医学影像领域的诊断方式，即使在同一部门内，也通常局限于各自的科室。影像通常被打印在胶片上供放射科医生解读。以原生数字格式存储的影像仅能在设备控制台上查看和处理，很少被导出到其他工作站。医学影像系统之间通常没有连接，只有一些专用的点对点连接。影像在不同设备间或在影像科内外的工作站之间的传输主要通过可移动介质完成，但存在一个重要限制：缺乏通用文件格式，以及无法正确读取可移动介质存储设备（通常是磁光盘或磁带）。因此，影像的可用性取决于是否有相应的软件来读取专有图像格式以及相关介质。关于旧版专有文件格式的完整概览，可参考David Clunie的医学图像格式网站。DICOM国际标准的设计初衷是克服专有架构和数据格式的限制，允许并促进医学影像设备之间通过互联网计算机网络基础设施进行通信。DICOM标准的创新之处包括：

1）明确医学领域图像格式及其相关信息标准化的重要性，以及通过网络进行通信的必要性；

2）强调元数据对于医学图像的重要性，其重要程度与像素数据相当；

3）具备广泛的适用性和灵活性，能够涵盖几乎所有的医学成像模式，并随着技术发展不断演进。

DICOM标准最初是为放射学和心脏病学部门开发的，经过多年的演变，现已支持远超放射学的多种医学影像分支，如皮肤病学和眼科学，目标是覆盖几乎所有以影像为基础的医学模式。目前，标准中定义了大约80种成像模式。DICOM也是放射治疗领域“第二代放疗”的现行标准，在2014年经过全面修订后进一步完善。此外，DICOM支持时间信号或波形数据的交换，如临床神经生理学生成的心电图(ECG)和脑电图(EEG)。近年来，DICOM标准被提议应用于数字病理学，此举将有助于临床影像与实验室医学的整合。DICOM的功能不仅限于直接来源于医疗设备的图像及其相关信息，还定义了存档和共享定量派生图像(quantitative derived images)、图像派生数据、注释和报告(image-derived data, annotations, and reports)的机制。

尽管DICOM仅提供标准化建议，并未附带软件，但一些高质量的开源软件库和工具(如DCMTK(C和C++)、DCM4CHE(Java)和PyDICOM(Python)的可用性，促进了DICOM标准的传播和普及。

DICOM是一个不断发展的标准，每年修订五次，由分领域和成像模式的多个DICOM工作组共同完成。

本文综述了DICOM标准的基本原则和概念，探讨了其优势和局限性，并展望了未来可能的发展方向。文中提及的DICOM标准相关章节、图表等均基于2023b版。

2. 不仅限于像素：医学图像中元数据的力量

医学图像必须采用一种能够有效存储、共享和使用的标准化格式。因此，标准化过程必然需要处理元数据。DICOM标准旨在为医学图像及相关信息建立可靠的格式。DICOM图像格式最显著的进步之一是其元数据的设计，它为生成图像的对象和过程提供了精确且详尽的描述。标准强调，元数据对于临床、管理和研究目的下的医学检测至关重要，并确立了像素数据与元数据不可分割的关系。每个DICOM图像由嵌入在单个文件中的元数据和像素数据组成，正如DICOM标准官方网站所指出的，“图像与这些信息绝不会因错误而被分离”。

了解医学图像如何通过诊断方式生成非常有帮助。例如，一张核医学图像会包含关于注射放射性药物的类型、注射时间、采集开始和结束时间等信息；而一张X射线计算机断层扫描图像则会包含关于X射线管电压、电流、曝光时间、层厚等信息。这类数据始终包含在每个DICOM图像的元数据中。为了理解DICOM元数据部分的结构，需要记住标准以实体关系模型(Entity-Relationship Model)的方式描述现实世界的实体（如患者、研究、诊断方式和图像），以及这些实体之间可能存在的关系。这种高度抽象的设计使DICOM成为一个复杂的格式。通过属性组的方式，标准化定义了对象并详细描述它们。因此，为了全面呈现成像过程，DICOM需要存储大量的属性（见图1）。

图1.DICOM图像元数据包含详尽的信息，用于识别和描述成像工作流程中的主要实体：患者(Patient)、研究(Study)、序列(Series)和图像(Images)。患者数据部分：主要包括唯一的患者标识符、患者姓名、出生日期、性别，以及如患者体重等信息。体重数据在某些情况下非常重要，例如在PET扫描中用于按体重标准化体素值(如标准摄取值，SUV)。研究部分：包括唯一的研究标识符、研究日期和时间、研究描述、机构名称、推荐医师等信息。序列部分：包括唯一的序列标识符、检查的身体部位、视野范围，以及与成像模式相关的数据，如采集协议和扫描参数。此外，还记录了设备的制造商名称、型号和软件版本。图像部分：包括像素数据的描述信息，以确保图像能够正确加载和显示，如行数、列数、每像素样本数、位深度、光度学解释、像素大小等。

如何填充元数据部分？在成像设备的安装、配置过程中会设置一些属性（主要与系统的硬件和软件、机构名称等相关），以及与医院信息系统(HIS)、放射信息系统(RIS)自动交换的属性，和由为检查选择的采集程序指定的属性等。

在DICOM文件中，每个属性都有一个唯一的标记，由两个十六进制数字组成，第一个数字表示组，第二个数字表示元素。例如，模态的标记是（0008, 0060）。

DICOM属性在逻辑上按模块分组，以标识和描述真实世界中的对象。模块以表格的形式出现在标准文档中。模块存储属性的名称、标记、定义和类型，并可以包含来自不同组的属性。有些模块是多个成像模态共有的，而另一些则是特定模态的，详见PS 3.3标准文档中的附录C.7和C.8（表1）。在多个模块中重复出现的属性组称为宏。DICOM数据字典(PS 3.6)包含所有在标准中定义和描述的属性，称为公共数据元素。元数据中也可以包括制造商特定的属性，这些被称为私有数据元素，它们没有描述，并且不属于数据字典的一部分。需要注意的是，私有数据元素的组号是奇数，而公共数据元素的组号始终是偶数。DICOM文件中存在的数据元素数量（包括公共和私有）通常是可变的。一个特定的标记指示像素数据的开始，因此标志着元数据部分的结束。

表1. DICOM标准文档PS 3.3—附录C7和C8中定义的模块汇总。为简洁起见，特定模态的模块列表已被截断；标准定义了大约80种模态，每种模态都有其自己的独立模块。

关于DICOM像素数据部分，浮动点值（单精度32位和双精度64位）的支持仅限于放射治疗中的辐射剂量值，以及最近定义为图像的参数图，其中像素值是从模态存储的值推导出来，表示物理量。在所有其他情况下，DICOM像素值只能是整数。DICOM在每个体素存储的值需要缩放到不同单位时使用缩放因子。这是通过元数据中指定的两个字段实现的，这两个字段定义了用于将像素值转换为现实世界值的线性变换的斜率和截距。

3. 医疗图像和相关信息交换的规则和工具

除了为医疗图像和相关信息提供标准化的文件格式外，DICOM标准还提供了一种通信协议，使得图像能够以供应商独立的方式轻松共享。协议由万维网的创造者之一Tim Berners-Lee定义为全球系统的简单规则。这个定义既简洁又有影响力。

DICOM协议的目的是在不同厂商的诊断系统，有时也包括治疗系统，显示、存储和管理设备之间建立通信。DICOM标准的引入标志着一场革命的开始，类似于计算机网络的引入：不再是分散的诊断设备，而是诊断系统，某些情况下包括治疗系统、处理/显示和报告站，这些可以连接在一起，交换图像和相关数据、存储设备和打印机。为了实现这一目标，DICOM标准提供了一个在成熟的Internet标准协议TCP/IP之上的上层协议。任何连接到网络的DICOM兼容设备都是一个应用实体，除了TCP/IP参数（IP地址、子网掩码和端口号）外，还通过一个16字符的标识码称为“应用实体标题”来标识。应用实体可以根据DICOM重命名的服务/提供者客户端/服务器模型在彼此之间交换服务；服务的请求者称为服务类用户，而提供者称为服务类提供者。根据服务的不同，DICOM节点可以充当用户或提供者。建立关联涉及一个协商阶段，在此阶段中，交换的服务和每个节点所扮演的角色将被确定。接下来，将决定数据交换的传输语法，建立连接并进行数据传输。DICOM网络上提供的主要服务列在表2中。

表2. DICOM网络上可用的主要服务

最近，DICOM增加了一种名为DICOMweb的协议，该协议建立在超文本传输协议(HTTP)之上，用于通过网络使用服务。DICOMweb支持查询、检索、存储和工作列表服务。DICOM图像可以传统地作为包含元数据和像素数据的二进制对象检索，也可以使用JavaScript对象表示法(JSON)或可扩展标记语言(XML)格式的元数据，以及作为DICOM大宗数据的像素数据，或者可选地以适合直接在网页浏览器中显示的格式(JPEG)获取。

除了通过网络存储图像外，DICOM标准还规定了如何标准化图像存储在可移动物理介质上，如CD/DVD/蓝光磁盘、磁光盘、USB连接的可移动设备和CompactFlash可移动设备（DICOM PS 3.12）。通过这种方式，互操作性得以扩展，并确保即使图像交换通过可移动介质进行时，也能保持兼容性。为了在物理介质上存储DICOM图像，标准规定了一个平面文件组织结构，包含一个作为患者图像容器的文件夹，以及一个DICOMDIR文件。DICOMDIR包含图像文件与患者研究系列信息之间的关联，适用于介质上的所有DICOM文件。DICOMDIR不是人类可读的，因为它是DICOM格式的二进制文件，因此需要软件工具来读取。图2展示了DICOMDIR概念的示意图。

图2.左侧是DICOMDIR平面图像文件组织结构，适用于进行全身PET/CT诊断研究的患者。右侧是使用OsiriX查看器导出工具的分层文件夹树选项(患者-研究-系列)对应的图像文件组织结构。PET研究采用了有和没有衰减校正(AC)的重建。根据标准，DICOMDIR图像文件名不超过八个字符，且不带扩展名。

4. DICOM的优势与不足

DICOM是一个复杂的标准，旨在提供最大的灵活性，并力图几乎涵盖所有医学成像模式。DICOM标准的采用大大改善了医学图像的访问、交换和使用性。如今，PACS(图像存档和通信系统)、RIS（放射信息系统）和HIS（医院信息系统）是每个影像部门的关键组成部分，它们的存在依赖于DICOM。长期以来，医学影像中的元数据的力量一直被低估，因此没有得到充分体现。得益于DICOM，临床医生和研究人员在经过最初的缓慢认可阶段后意识到，元数据不仅是有用的，而且对于更好地理解和管理图像是至关重要的。DICOM确认了一个假设，即元数据与像素数据同样重要。DICOM的采用还促进了研究人员之间的数据交换，为研究创造了附加值。DICOM标准在新兴的企业影像领域也发挥着核心作用，企业影像的最终目标是将尽可能多的技术连接起来，形成协作工作流程，从而为电子健康记录提供附加值。

4.1. 合规性（DICOM哲学）

必须理解，遵守DICOM标准是自愿的。标准发布了建议，制造商可以选择实施或不实施某些标准的方面，唯一的要求是将其声明在合规性声明文档中并留给用户。没有认证或验证机制来检查合规性。这种极大的灵活性最终导致了问题，因为各个厂商的实现之间出现了差异，从而降低了影像系统之间以及影像系统与PACS之间的互操作性，特别是在标准早期实施时。

标准规定了规则，但必须承认，并非所有厂商、程序员和研究人员都能一致地遵循所有建议的规则。此外，由于标准的复杂性，可能会发生错误。

显然，拥有一个可以轻松验证标准合规性的工具是支持和加速标准验证的有益方式。随着标准复杂性的增加，测试和验证工具变得更加必要。

4.2. 私有标签(Private Tags)

元数据中存在私有标签来标识私有数据元素是标准的另一个特殊方面。如Clunie等人所述：“私有数据是DICOM标准允许包含的数据元素，但其含义和编码没有由标准本身定义。”不难理解，使用专有数据可能会带来问题，此外，它对开放标准的性质也显得矛盾。DICOM标准认为私有数据是必要的，因为制造商可能需要编码并包含一些尚未被标准考虑的参数或信息（PS 3.5—第7.8节），例如与其生产的仪器采用的创新技术解决方案相关的信息。因此，这是标准为制造商提供的最大灵活性的保证，也属于标准的长期愿景。这是理论上的看法，但实际上，确实有些制造商过度使用私有标签，尽管有公共标签可以保存相同的信息。事实上，私有数据的使用本可以更好地规范和记录。它们的过度使用本应被视为违反标准，但不会影响商业机密保护或标准的通用性。但是，DICOM标准并未对私有标签设定限制，将此问题留给了客户与设备供应商之间的关系来进行调节。

4.3. 数据保护（隐私）

与DICOM标准的采用相关的另一个问题是，包含患者个人数据明确参考的丰富信息的元数据部分，每次图像查看或导出到采集和报告的结构外部时，都会引发隐私问题。建议在将DICOM图像传输到外部之前对其进行匿名化。然而，尤其是在后处理领域，常常发现匿名化图像无法使用，而原始图像却能正常工作。这可能是因为某些处理软件在测量和计算时使用了私有信息。去标识化/匿名化工具很多，但始终需要谨慎选择去标识化软件提供的选项，限制被覆盖（清理）的字段，并在可能的情况下保留私有标签，即使在匿名化版本中，它们也可能包含对图像分析至关重要的信息。DICOM标准最近发布了一份“已知安全”(known to be safe)私有标签的列表（PS 3.15 附录E），这是去标识化过程中一个良好的实践。

尽管如此，去标识化的目标并不简单，因为一方面需要满足隐私法规，另一方面又需要确保匿名化的DICOM能够完全正常运行。这些困难使得工作组和研究组之间的数据共享变得更加复杂，并限制了包含DICOM图像的公共数据库的创建。

4.4. 定量图像分析

DICOM标准的主要关注领域是临床领域。DICOM文件格式并未针对图像后处理应用设计。作为图像格式，DICOM被供应商提供的定量处理工具、开发了自己软件并熟悉该标准的小组使用，或在处理完全依赖于与DICOM兼容的单一软件应用时使用。在其他情况下，研究人员和程序员更喜欢使用替代格式，从而通过将DICOM图像转换为适合其研究项目的格式开始后处理流程。然后，他们不会再考虑使用DICOM格式对分析结果进行编码，尽管近年来已经有软件工具可供研究界使用，帮助他们将分析结果转换为DICOM格式。DICOM仍然是其元数据部分信息的参考。仍然会遇到元数据未完全符合研究人员期望的情况。磁共振成像中，尤其是灌注和扩散研究方面，已经突出显示了相关的关键问题。关于元数据的常见问题包括信息细节不足、对感兴趣的非强制性公共属性的缺失以及使用私有标签来包含对定量分析至关重要的参数。由于这些需求未得到回应，促使了其他标准的发展，例如大脑影像数据结构(BIDs)，如果DICOM在研究领域更加开放，可能这种标准不会诞生。

随着人工智能技术的贡献预计将越来越大，计算机化图像分析和处理在未来几年可能会变得更加重要。从主要的研究活动，逐渐过渡到临床领域，图像处理将越来越多地集成到临床实践中。

DICOM标准已经开发了支持定量影像的工具。包括用于存储从采集图像中定量得出的图像的参数图、DICOM分割用于保存图像分割结果、结构化报告和注释用于编码图像衍生的相关数据，如分割区域的体积、肿瘤病变的测量等。这些DICOM工具仍然支持有限，并且采用度较低，可能会成为未来标准扩展的基础。无疑，支持图像处理以及将图像分析结果集成到PACS系统或企业影像档案中的能力，是DICOM标准在未来十年面临的一个主要挑战。

5. 结论与未来方向

DICOM展示了标准在特定领域中可能带来的积极影响和附加价值。并非所有科学影像领域都有统一的标准。例如，尽管有许多尝试去开发和采纳标准，但生物学影像数据仍然没有单一的标准。1990年发布的第一个显微镜数据格式——图像细胞计数标准(ICS)受ACR-NEMA联盟工作的启发，与同一时期为核医学诊断影像开发的Interfile格式相似。最近，开放显微镜环境联盟(OME)首先提出了一种修改版的广为人知的标签图像文件格式(TIFF)，并在XML中编码了丰富的元数据部分(OME-TIFF)。随后，为了拥有一个更加完整和强大的格式，OME还提出了其继任者OME-Zarr。DICOM标准也关注了组织病理学全切片影像的应用。它被选为美国国家癌症研究所发起的云端影像数据科学平台“影像数据共同项目”(Imaging Data Common Project)中的格式。此外，其他格式也已在特定领域成功建立，如用于冷冻电镜的MRC格式和用于质谱影像的imzML格式。遗憾的是，除了某些特定领域，尚未有任何提出的标准得以广泛采用，厂商的专有格式仍在使用。

标准的普及可能性在于行业与科学界的融合。有时，标准是由科学界提出的，但由于行业未能认识到统一标准的优势，未能推动其建立，可能也未能通过投资或改变企业政策来进行支持。

医学影像领域在标准化过程中的典范，体现了其1980年代末推动的前瞻性视野和持久性。这个经验表明，不应低估拥有标准的机会。DICOM标准不仅革新了临床实践，还促进了研究人员之间的数据交换，为研究创造了附加价值。我们认为，在其他基于影像的领域采用类似的标准，也能产生类似的积极影响。

在当今时代，影像科室若缺少DICOM标准的支持是难以想象的。然而，经过30年的发展，现在是时候重新审视一些最初的指导原则了。一个现代化的标准应当能够预见创新，而不仅仅是跟随创新的步伐。总体而言，DICOM应当恢复其最初的长期视野，这使其能够提前提出解决方案。通过经验，我们已经明确，DICOM标准仍有改进空间，包括简化和澄清文档、限制和规范私有标签、增加对研究和定量图像处理的支持、强化隐私保护程序。此外，应鼓励开发和使用验证工具，以减少非标准实现的情况。

精读分享

DICOM概念相关

概念：医学数字成像和通信（DICOM）标准是一种专为医学影像设计的全球标准化协议，旨在解决医学图像存储、共享和通信中的问题。DICOM对像素数据和元数据的整合，使医学影像的存储和使用更加高效，其广泛适用于从放射学到数字病理学的多种医学影像模式。

优势：

a. 支持多种成像模式，具有灵活性和适用性；

b. 标准化元数据与像素数据，为影像的存储、共享和解读提供了统一框架；

c. 推动了影像设备的互联互通，促进了临床和研究领域的协作。

主体内容

本文回顾了数字成像和通信医学标准(DICOM)自1993年发布以来的三十年发展历程。文章详细探讨了以下几个方面：

DICOM的起源和初衷

l 解决医学影像设备间数据格式不兼容的问题。

l 标准化医学影像存储、传输和管理。

技术进步与应用扩展

l 从最初支持简单影像存储与通信，到覆盖CT、MRI、超声、放射治疗计划等多种应用。

l 支持影像与元数据的整合，为临床决策和科研提供更多信息。

互操作性与行业协作

l 作为全球医疗影像的共同语言，DICOM促进了设备厂商之间的协作和互通。

l 被广泛接受为医疗设备和信息系统的基础架构。

挑战与未来展望

l 在应对新兴技术(如AI、云计算、远程医疗)需求方面，标准需要进一步发展。

l 对数据隐私、安全性和跨平台兼容性提出更高要求。

结论

l DICOM标准在过去三十年中极大地推动了医学影像行业的技术进步和标准化，为医疗服务的数字化转型奠定了基础。未来，DICOM需继续适应不断变化的医疗技术和临床需求，保持其在全球医疗影像领域的核心地位。