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1、目 录中文摘要ABSTRACT第一章绪 论11.1数字X线医学成像设备的发展11.2医学数字成像与通讯的发展概况11.3论文选题依据及研究工作21.4课题的意义31.5论文结构4第二章X线医学成像设备数字化系统的总体设计52.1概述52.2传统X线医学成像设备的数字化62.2.1 传统X线医学成像设备数字化的基本原则8,1062.2.2 传统X线医学成像设备数字化系统的研制目标72.2.3 数字化装置的基本架构的选择72.3数字化系统的开发环境8第三章X线医学成像设备数字化系统的实现103.1医学图像采集与控制模块103.1.1 基于PLC的数字化系统控制模块工作流程103.1.2 基于PLC
2、的控制系统实现123.1.3 PLC的工作电路设计213.2医学图像分析与处理模块213.2.1 医学图像处理的意义及特点213.2.2 噪声抑制213.2.3 医学图像的基本处理243.3数据管理与检索模块263.3.1 数字化系统的数据库体系结构263.3.2 数据库管理的实现273.4医学图像存档与通信模块28第四章 DICOM标准及其原理分析294.1DICOM标准内容概要294.2DICOM的几个重要概念314.2.1 DICOM信息模型314.2.2 信息对象定义（IOD）314.2.3 服务对象对类（SOP Class）334.2.4 DICOM最基本结构单元数据元素344.3图
3、像文件的存储354.4DICOM消息交换及通信364.4.1 DICOM网络通信模型364.4.2 DICOM通信使用的数据结构374.4.3 DICOM通信过程39第五章X线医学图像的DICOM实现415.1医学图像存档与通信模块415.1.1 存档与通信模块的工作流程415.1.2 存档与通信模块的实现思想415.2DICOM文件接口实现415.2.1 定义符合DICOM标准的X线图像类415.2.2 对象封装与实现435.2.3 DICOM格式文件的生成455.3DICOM通信机制的设计与实现465.3.1 通信机制的实现思想465.3.2 使用流套接字的上层协议的设计实现475.3.3
4、 DIMSE消息交换的设计实现525.4DICOM遵从性验证54第六章结束语56附录57参考文献64在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果66致谢67摘 要传统 X 线医学成像设备在我国的各级医院中依然占有很大的比例，数字成像的优越性、PACS ( Picture Archiving and Communication System，图像存档和通信系统）的蓬勃发展，使得 X 线设备的数字化存在巨大的市场空间。本文从设备改造、升级及信息化的角度出发，主要研究实现了 X 线医学成像设备的数字化以及 DICOM ( Digital Imaging and Communications in
5、Medicine ）通信的实现。经试运行，该系统工作稳定，性能良好。论文理论与实践研究并重，以实践研究为主。首先介绍了数字 X 线医学成像设备以及医学成像与通信的历史、发展状况，通过调研和对国内外现状的对比，发现该系统在国内进行设计研究与开发的必要性和可行性；在调研数字 X 线成像方案的基础上，为不同类型的传统 X 线设备数字化设计了模块化的开发方案。结合具体设备，采用可编程逻辑控制器（ PLC ）实现了 X 线设备的曝光等操作控制，通过上位机与 PLC 的串行数据传输，实现信息交互，控制图像采集；在系统的调试过程中，论文发现系统采集的图像含有严重的噪声，针对系统采集的数字图像，分析了噪声的性
6、质，提出了初步的图像恢复方案；基于数字化的目的，论文分析了 DICOM 的体系结构，从两个方面对 DICOM 的应用做了具体实现：一是 DICOM 的简易网关功能（文件格式转换），二是在分析 DICOM 网络通信原理的基础上，设计、实现了部分服务类的通信程序。作为一个实用系统，论文还实现了患者信息、采集图像的数据库管理，医学数字影像的处理等。数字 X 线摄影系统在我国尚未普及，目前常规 X 线检查仍是医生重要的诊疗手段。 X 线医学成像设备的数字化有助于提高医院的工作效率，有着广阔的前景，有望产生良好的经济效益和社会效益。关键词： X 线医学成像设备 PLC 数字影像工作站 DICOM第一章绪
7、 论1.1数字X线医学成像设备的发展1传统X射线摄影以胶片或感光屏为媒体，以二维成像方式，利用X射线的穿透作用、荧光效应和化学作用，使得穿过人体后发生不同衰减的X射线在胶片或感光屏上呈现不同密度的影像。传统X射线摄影应用广泛，占基层医院工作量的70%左右。但由于胶片溴化银分子决定胶片影像的分辨率，所以其分辨率只能达到分子颗粒级。传统摄影在观察透视影像时需连续曝光，增加了受检查的辐射量，降低了X射线使用效率。数字X线成像设备是指把X线透射影像数字化并进行处理后，再显示图像的一种X线设备，医学数字图像在存储、图像的质量、信息的层次以及成像效率方面较之传统胶片有着明显的优势。自从1972年X线CT（
8、Computer Tomography）问世后，医学影像领域出现了数字化浪潮，1979年出现了飞点扫描的数字X线摄影系统，1980年在北美放射学会(RSNA)的产品展览会上，数字荧光X线的摄影系统（Digital Radiofluoroscopy, DF）引起了全世界的关注，从此，以数字减影血管造影系qqq1统（Digital Subtraction Angiographic, DSA）为代表的医学影像得到了高速发展，1982年日本富士研制出了计算机X线摄影系统（Computer Radiography, CR），20世纪80年代中期，各国厂家竞相开发CR；20世纪90年代又大力研制直接数字X
9、线摄影（Direct Digital Radiography, DDR）的探测器，推出了一些今天风头正劲的实用的DDR设备。然而，受到高分辨率、实时动态、辐射剂量，更受到技术和经济可行性的限制，迄今，在国内医院应用最广的传统X线摄影尚未完全进入数字化成像家族。1.2医学数字成像与通讯的发展概况2, 3随着CT进入医学成像、诊断，计算机及其相关影像设备越来越广泛的用于临床的医学诊断，但是这些设备多来自不同的厂商，产生的医学影像格式并不统一，这给相互交流带来一定的屏障。美国放射协会（American Collage of Radiology, ACR）和美国国家电器制造协会（National El
10、ectrical Manufacturers Association, NEMA）认识到，迫切需要制定相关的国际标准，使不同厂商生产的设备产生的影像遵循标准的格式，使影像的传输，医学技术的交流以及资源的高效利用等方面标准化和制度化。ACR和NEMA在1983年组成了一个专家组制定这样的标准，旨在：在放射医学中，“影像”是表述“图像”的常用术语，但本文中，在不引起歧义的情况下，一般使用“图像”来表达这个概念。促进医学影像在设备间互相透明传输，有利于医院信息系统和其他信息系统如PACS（Picture Archiving and Communication System，图像存档和通信系统）接口功
11、能的开发和扩展；允许建立一套诊断信息数据库，使分布在各地的设备可以访问和查询。在此宗旨指导下，ACR和NEMA于1985年发布了一个标准，取名为ACRNEMA标准第一版，1986年和1988年发布了该标准的修订一版和修订二版NEMA1.0 No.1和NEMA 1.0 No.2，随后在1988年又同时发布了NEMA2.0，这个标准在第一版及其修订版的基础上增添了新的内容（包括为显示设备提供命令支持，提出了新的分层方案来划分医学图像，增加了更多了数据元）。1993年工作组发布了该标准的第三版，定名为DICOM3.0（Digital Imaging and Communications in Med
12、icine）标准协议。1998年、1999年、2000、2001、2003年先后对3.0版本进行了增补、完善，这就是今天所说的DICOM标准。标准是针对医学影像的成像和传输通信而制定的，得到了众多医学影像设备厂商的支持，成为了医学图像格式、编码、存储和网络传输协议的事实上的标准。在医院信息化，构架数字化医院进程中，DICOM标准扮演了极其重要的角色，它使PACS能够延伸到医学领域，推动了图像存档和通信系统的产业化进程的同时，更提高了医疗机构的营理效率，方便了病人看病就医。在国外，特别是北美和欧洲地区以DICOM为核心的网络医学发展日臻完善，建立了规范的、不同类型的、各种规模的医用网络系统。从8
13、0年代的美国海军的医疗系统（DIN-PACS）起始，今天美国的各大型医院都建立了PACS，放射科的小型PACS系统更是普及。在国内，实际意义上的临床应用尚未成为主流3，目前在国内绝大多数的影像设备都是从国外进口，在影像的后续管理中，自主研发网络传输系统是推动民族医学发展的重要方向，加强医学图像传输与处理的标准化建设是我国网络医学发展的必然。北京天健，上海岱嘉，珠海友通，西安华海，山东浪潮是国内主要的PACS集成商，他们为上海的瑞金医院，北京的宣武医院、解放军301，福州总医等建立了经济、实用、高效的全院PACS系统。1.3论文选题依据及研究工作今天的X线数字化技术发展日益成熟，并且已经有众多的
14、产品在医院内使用，但由于关键技术、专利被为数不多的几个公司所拥有，使得数字X线设备价格昂贵（超过10万美元）；另一方面，我国医院存在着数量庞大的传统X线设备，在医院构建PACS的进程中，他们成为信息孤岛。目前，CCD在提高空间分辨率和改善信噪比、减少伪像等方面均有长足的进步；图像卡的性能也有明显的提高；系统采样矩阵可达到40964096像素，灰度分辨率可达到12比特，采样速度达到64帧/秒，这些技术指标完全满足当前对X线成像设备在图像的质量、空间分辨率等方面的要求，使得传统X线设备的数字化有了新的高效、低成本的方案。本文结合实际，主要进行了如下工作：1、为解决传统X线设备的数字化，提出了一种经
15、济、高效的方案，数字化后的传统X线设备在降低X线摄影辐射的同时，可以获得较高质量的数字图像，通过施加各种后处理，增加显示信息的层次。这一部分主要设计实现了X线设备的PLC通信控制模块、图像采集处理模块、数据库管理模块。2、全面地分析了DICOM标准。DICOM标准庞大复杂，涉及内容极为广泛，在研究标准的基础上，提出相应软件的数据结构封装，实现遵循DICOM标准的特定X线对象的定义，完成DICOM格式图像的生成。3、设计遵从DICOM标准的封装模块，完成将X线设备图像数据及相关信息封装成DICOM消息的功能。构建DICOM通信中的客户端，使之能够在其它遵循DICOM的系统中进行信息交互。4、对所建立的系统验证其遵从性。1.4课题的意义1、提高工作效率：由于数字化X线摄影可以在检查时从荧光屏上观察、摄影，图像存储在计算机中，减少了冲洗胶片的过程，因而提高了工作效率，缩短了病人等候时间。对于急诊、重症病人，尤为适用。2、获得更多的信息：由于人体肉眼对空间分辨率的感知有一
