Dicom格式文件解析器

Dicom全称是医学数字图像与通讯,这里讲的暂不涉及通讯那方面的问题 只讲*.dcm 也就是diocm格式文件的读取,读取本身是没啥难度的 无非就是字节码数据流处理。只不过确实比较繁琐。
好了 正题

分析


整体结构先是128字节所谓的导言部分,说俗点就是没啥意义的破数据 跳过就是了,然后是dataElement依次排列的方式 就是一个dataElement接一个dataElement的方式排到文件结尾 通俗的讲dataElement就是指tag 就是破Dicom标准里定义的数据字典。tag是4个字节表示的 前两字节是组号后两字节是偏移号 比如0008,0018。所有dataElement在文件中都是按tag排序的 比如0002,0001  0002,0002  0003,0011
文件整体结构如下:

又把论文里的这图贴上来 总结的很好。单个dataElement的结构如下:

显示VRVROB OW OF UT SQ UN的元素结构

组号

元素号

VR

预留

值长度

数据元素值

2

2

2

20x00,0x00

4

由数据长度决定

显示VRVR为普通类型时元素结构(少了预留那一行)

组号

元素号

VR

值长度

数据元素值

2

2

2

4

由数据长度决定

隐式VR 时元素结构

组号

元素号

值长度

数据元素值

2

2

4

由数据长度决定

 


要问VR是啥东东 ,值表示法 啥叫值表示法啊 俺不懂 int string short ushort 懂不 就是这个意思,Dicom标准真坑爹 非要整个怪怪的概念。
VR总共27个 跟c#值类型对应关系我都写好了:

 1 string getVF(string VR, byte[] VF)
 2 {
 3     string VFStr = string.Empty;
 4     switch (VR)
 5     {
 6         case "SS":
 7             VFStr = BitConverter.ToInt16(VF, 0).ToString();
 8             break;
 9         case "US":
10             VFStr = BitConverter.ToUInt16(VF, 0).ToString();
11 
12             break;
13         case "SL":
14             VFStr = BitConverter.ToInt32(VF, 0).ToString();
15 
16             break;
17         case "UL":
18             VFStr = BitConverter.ToUInt32(VF, 0).ToString();
19 
20             break;
21         case "AT":
22             VFStr = BitConverter.ToUInt16(VF, 0).ToString();
23 
24             break;
25         case "FL":
26             VFStr = BitConverter.ToSingle(VF, 0).ToString();
27 
28             break;
29         case "FD":
30             VFStr = BitConverter.ToDouble(VF, 0).ToString();
31 
32             break;
33         case "OB":
34             VFStr = BitConverter.ToString(VF, 0);
35             break;
36         case "OW":
37             VFStr = BitConverter.ToString(VF, 0);
38             break;
39         case "SQ":
40             VFStr = BitConverter.ToString(VF, 0);
41             break;
42         case "OF":
43             VFStr = BitConverter.ToString(VF, 0);
44             break;
45         case "UT":
46             VFStr = BitConverter.ToString(VF, 0);
47             break;
48         case "UN":
49             VFStr = Encoding.Default.GetString(VF);
50             break;
51         default:
52             VFStr = Encoding.Default.GetString(VF);
53             break;
54     }
55     return VFStr;
56 }

找个dicom文件在十六进制编辑器下瞧瞧 给你整明白:

所有dataElement从前到后按tag又可简单分段:

文件元dataElement 不受传输语法影响 总是以显示VR方式表示  因为它里面就定义了传输语法
普通dataElement 受传输语法影响 显示VR表示方式还是隐式VR表示方式
像素数据dataElement 最重要也是最大的一个数据项 其实存储的就是图像数据



几个特殊的tag很重要 前面说过了tag就是dicom里定义的字典。文件元dataElement 和跟像素数据相关的dataElement 都很重要,其他的很多 如果全部照顾完的话估计得写上千行switch语句吧,所以没有必要一般我们一般只抓取关键的tag。并且在隐式语法下要确定VR也必须根据字典来确定
关键的tag如下:

  1 string getVR(string tag)
  2 {
  3     switch (tag)
  4     {
  5         case "0002,0000"://文件元信息长度
  6             return "UL";
  7             break;
  8         case "0002,0010"://传输语法
  9             return "UI";
 10             break;
 11         case "0002,0013"://文件生成程序的标题
 12             return "SH";
 13             break;
 14         case "0008,0005"://文本编码
 15             return "CS";
 16             break;
 17         case "0008,0008":
 18             return "CS";
 19             break;
 20         case "0008,1032"://成像时间
 21             return "SQ";
 22             break;
 23         case "0008,1111":
 24             return "SQ";
 25             break;
 26         case "0008,0020"://检查日期
 27             return "DA";
 28             break;
 29         case "0008,0060"://成像仪器
 30             return "CS";
 31             break;
 32         case "0008,0070"://成像仪厂商
 33             return "LO";
 34             break;
 35         case "0008,0080":
 36             return "LO";
 37             break;
 38         case "0010,0010"://病人姓名
 39             return "PN";
 40             break;
 41         case "0010,0020"://病人id
 42             return "LO";
 43             break;
 44         case "0010,0030"://病人生日
 45             return "DA";
 46             break;
 47         case "0018,0060"://电压
 48             return "DS";
 49             break;
 50         case "0018,1030"://协议名
 51             return "LO";
 52             break;
 53         case "0018,1151":
 54             return "IS";
 55             break;
 56         case "0020,0010"://检查ID
 57             return "SH";
 58             break;
 59         case "0020,0011"://序列
 60             return "IS";
 61             break;
 62         case "0020,0012"://成像编号
 63             return "IS";
 64             break;
 65         case "0020,0013"://影像编号
 66             return "IS";
 67             break;
 68         case "0028,0002"://像素采样1为灰度3为彩色
 69             return "US";
 70             break;
 71         case "0028,0004"://图像模式MONOCHROME2为灰度
 72             return "CS";
 73             break;
 74         case "0028,0010"://row高
 75             return "US";
 76             break;
 77         case "0028,0011"://col宽
 78             return "US";
 79             break;
 80         case "0028,0100"://单个采样数据长度
 81             return "US";
 82             break;
 83         case "0028,0101"://实际长度
 84             return "US";
 85             break;
 86         case "0028,0102"://采样最大值
 87             return "US";
 88             break;
 89         case "0028,1050"://窗位
 90             return "DS";
 91             break;
 92         case "0028,1051"://窗宽
 93             return "DS";
 94             break;
 95         case "0028,1052":
 96             return "DS";
 97             break;
 98         case "0028,1053":
 99             return "DS";
100             break;
101         case "0040,0008"://文件夹标签
102             return "SQ";
103             break;
104         case "0040,0260"://文件夹标签
105             return "SQ";
106             break;
107         case "0040,0275"://文件夹标签
108             return "SQ";
109             break;
110         case "7fe0,0010"://像素数据开始处
111             return "OW";
112             break;
113         default:
114             return "UN";
115             break;
116     }
117 }

 

最关键的两个tag:
0002,0010
普通tag的读取方式 little字节序还是big字节序  隐式VR还是显示VR。由它的值决定

 1 switch (VFStr)
 2 {
 3     case "1.2.840.10008.1.2.1\0"://显示little
 4         isLitteEndian = true;
 5         isExplicitVR = true;
 6         break;
 7     case "1.2.840.10008.1.2.2\0"://显示big
 8         isLitteEndian = false;
 9         isExplicitVR = true;
10         break;
11     case "1.2.840.10008.1.2\0"://隐式little
12         isLitteEndian = true;
13         isExplicitVR = false;
14         break;
15     default:
16         break;
17 }

7fe0,0010
像素数据开始处

整理

根据以上的分析相信解析一个dicom格式文件的过程已经很清晰了吧
第一步:跳过128字节导言部分,并读取"DICM"4个字符 以确认是dicom格式文件
第二步:读取第一部分 也就是非常重要的文件元dataElement 。读取所有0002开头的tag 并根据0002,0010的值确定传输语法。文件元tag部分的数据元素都是以显示VR的方式表示的 读取它的值 也就是字节码处理 别告诉我说你不会字节码处理哈。传输语法 说得那么官方,你就忽悠吧 其实就确定两个东西而已
1字节序 这个基本上都是little字节序。举个例子吧十进制数 35280 用十六进制表示是0xff00 但是存储到文件中你用十六进制编辑器打开你看到的是这个样子00ff 这就是little字节序。平常我们用的x86PC在windows下都是little字节序 包括AMD的CPU。别太较真 较真的话这个问题又可以写篇博客了。
2确定从0002以后的dataElement的VR是显示还是隐式。说来说去0002,0010的值就 那么固定几个 并且只能是那么几个 这些都在那个北美放射学会定义的dicom标准的第六章 有说明 :

1.2.840.10008.1.2 Implicit VR Little Endian: Default Transfer Syntax for DICOM Transfer Syntax
1.2.840.10008.1.2.1 Explicit VR Little Endian Transfer Syntax
1.2.840.10008.1.2.2 Explicit VR Big Endian Transfer Syntax

上面的那段代码其实就是这个表格的实现,讲到这里你会觉得多么的坑爹啊 是的dicom面向对象的破概念非常烦的。
第三步:读取普通tag 直到搜寻到7fe0,0010 这个最巨体的存储图像数据的 dataElement 它一个顶别人几十个 上百个。我们在前一步已经把VR是显示还是隐式确定 通过前面的图 ,也就是字节码处理而已无任何压力。显示情况下根据VR 和Len 确定数据类型 跟数据长度直接读取就可以了。隐式情况下这破玩艺儿有点烦,只能根据tag 字典确定它是什么VR再才能读取。关于这个字典也在dicom标准的第六章。上面倒数第二段代码已经把重要的字典都列了出来。
第四步:读取灰度像素数据并调窗 以GDI的方式显示出来。 说实话开始我还以为dicom这种号称医学什么影像的专家制定出来的标准 读取像素数据应该有难度吧 结果没想到这么的傻瓜。直接按像素从左到右从上到下 一行行依次扫描。两个字节表示1个像素普通Dicom格式存储的是16位的灰度图像,其实有效数据只有12位,除去0 所以最高值是2047。比如CT值 从-1000到+1000,空气的密度为-1000 水的密度为0 金属的密度为+1000 总共的值为2000


调窗技术:
即把12级灰度的数据 通过调节窗宽窗位并让他在RGB模式下显示出来。还技术呢 说实话这个也是没什么技术含量的所谓的技术,两句代码给你整明白。
调节窗宽窗位到底什么意思,12位的数据那么它总共有2047个等级的灰度 没有显示设备可以体现两千多级的明暗度 就算有我们肉眼也无法分辨更无法诊断。我们要诊断是要提取关键密度值的数据 在医院放射科呆久了你一定经常听医生讲什么骨窗 肺窗 之类的词儿,这就是指的这个“窗”。比如有病人骨折了打了钢板我们想看金属部分来诊断 那么我们应该抓取CT值从800到1000 密度的像素 也就是灰度值 然后把它放到RGB模式下显示,低于800的不论值大小都显示黑色 高于1000的不论值大小都显示白色。
通过以上例子那么这个范围1000-800=200 这个200表示窗宽,800+(200/2)这个表示窗位
一句话,从2047个等级的灰度里选取一个范围放到0~255的灰度环境里显示。

怎样把12位灰度影射到8位灰度显示出来呢,还怎么显示 上面方法都给说明了基本上算半成品了。联想到角度制弧度制,设要求的8位灰度值为x 已知的12位灰度值为y那么:x/255=y/2047 那么x=255y/2047 原理不多讲 等比中项十字相乘法 这个是初中的知识哈。初中没读过的童鞋飘过。。。

原理过程讲完了

代码走起

  1 class DicomHandler
  2     {
  3         string fileName = "";
  4         Dictionary<string, string> tags = new Dictionary<string, string>();//dicom文件中的标签
  5         BinaryReader dicomFile;//dicom文件流
  6 
  7         //文件元信息
  8         public Bitmap gdiImg;//转换后的gdi图像
  9         UInt32 fileHeadLen;//文件头长度
 10         long fileHeadOffset;//文件数据开始位置
 11         UInt32 pixDatalen;//像素数据长度
 12         long pixDataOffset = 0;//像素数据开始位置
 13         bool isLitteEndian = true;//是否小字节序(小端在前 、大端在前)
 14         bool isExplicitVR = true;//有无VR
 15 
 16         //像素信息
 17         int colors;//颜色数 RGB为3 黑白为1
 18         public int windowWith = 2048, windowCenter = 2048 / 2;//窗宽窗位
 19         int rows, cols;
 20         public void readAndShow(TextBox textBox1)
 21         {
 22             if (fileName == string.Empty)
 23                 return;
 24             dicomFile = new BinaryReader(File.OpenRead(fileName));
 25 
 26             //跳过128字节导言部分
 27             dicomFile.BaseStream.Seek(128, SeekOrigin.Begin);
 28 
 29             if (new string(dicomFile.ReadChars(4)) != "DICM")
 30             {
 31                 MessageBox.Show("没有dicom标识头,文件格式错误");
 32                 return;
 33             }
 34 
 35 
 36             tagRead();
 37 
 38             IDictionaryEnumerator enor = tags.GetEnumerator();
 39             while (enor.MoveNext())
 40             {
 41                 if (enor.Key.ToString().Length > 9)
 42                 {
 43                     textBox1.Text += enor.Key.ToString() + "\r\n";
 44                     textBox1.Text += enor.Value.ToString().Replace('\0', ' ');
 45                 }
 46                 else
 47                     textBox1.Text += enor.Key.ToString() + enor.Value.ToString().Replace('\0', ' ') + "\r\n";
 48             }
 49             dicomFile.Close();
 50         }
 51         public  DicomHandler(string _filename)
 52         {
 53             fileName = _filename;
 54         }
 55 
 56         public void saveAs(string filename)
 57         {
 58             switch (filename.Substring(filename.LastIndexOf('.')))
 59             {
 60                 case ".jpg":
 61                     gdiImg.Save(filename, System.Drawing.Imaging.ImageFormat.Jpeg);
 62                     break;
 63                 case ".bmp":
 64                     gdiImg.Save(filename, System.Drawing.Imaging.ImageFormat.Bmp);
 65                     break;
 66                 case ".png":
 67                     gdiImg.Save(filename, System.Drawing.Imaging.ImageFormat.Png);
 68                     break;
 69                 default:
 70                     break;
 71             }
 72         }
 73         public bool getImg( )//获取图像 在图像数据偏移量已经确定的情况下
 74         {
 75             if (fileName == string.Empty)
 76                 return false;
 77             
 78             int dataLen, validLen;//数据长度 有效位
 79             int imgNum;//帧数
 80 
 81             rows = int.Parse(tags["0028,0010"].Substring(5));
 82             cols = int.Parse(tags["0028,0011"].Substring(5));
 83 
 84             colors = int.Parse(tags["0028,0002"].Substring(5));
 85             dataLen = int.Parse(tags["0028,0100"].Substring(5));
 86             validLen = int.Parse(tags["0028,0101"].Substring(5));
 87 
 88             gdiImg = new Bitmap(cols, rows);
 89 
 90             BinaryReader dicomFile = new BinaryReader(File.OpenRead(fileName));
 91 
 92             dicomFile.BaseStream.Seek(pixDataOffset, SeekOrigin.Begin);
 93 
 94             long reads = 0;
 95             for (int i = 0; i < gdiImg.Height; i++)
 96             {
 97                 for (int j = 0; j < gdiImg.Width; j++)
 98                 {
 99                     if (reads >= pixDatalen)
100                         break;
101                     byte[] pixData = dicomFile.ReadBytes(dataLen / 8 * colors);
102                     reads += pixData.Length;
103 
104                     Color c = Color.Empty;
105                     if (colors == 1)
106                     {
107                         int grayGDI;
108 
109                         double gray = BitConverter.ToUInt16(pixData, 0);
110                         //调窗代码,就这么几句而已 
111                         //1先确定窗口范围 2映射到8位灰度
112                         int grayStart = (windowCenter - windowWith / 2);
113                         int grayEnd = (windowCenter + windowWith / 2);
114 
115                         if (gray < grayStart)
116                             grayGDI = 0;
117                         else if (gray > grayEnd)
118                             grayGDI = 255;
119                         else
120                         {
121                             grayGDI = (int)((gray - grayStart) * 255 / windowWith);
122                         }
123 
124                         if (grayGDI > 255)
125                             grayGDI = 255;
126                         else if (grayGDI < 0)
127                             grayGDI = 0;
128                         c = Color.FromArgb(grayGDI, grayGDI, grayGDI);
129                     }
130                     else if (colors == 3)
131                     {
132                         c = Color.FromArgb(pixData[0], pixData[1], pixData[2]);
133                     }
134 
135                     gdiImg.SetPixel(j, i, c);
136                 }
137             }
138 
139             dicomFile.Close();
140             return true;
141         }
142         void tagRead()//不断读取所有tag 及其值 直到碰到图像数据 (7fe0 0010 )
143         {
144             bool enDir = false;
145             int leve = 0;
146             StringBuilder folderData = new StringBuilder();//该死的文件夹标签
147             string folderTag = "";
148             while (dicomFile.BaseStream.Position + 6 < dicomFile.BaseStream.Length)
149             {
150                 //读取tag
151                 string tag = dicomFile.ReadUInt16().ToString("x4") + "," +
152                 dicomFile.ReadUInt16().ToString("x4");
153 
154                 string VR = string.Empty;
155                 UInt32 Len = 0;
156                 //读取VR跟Len
157                 //对OB OW SQ 要做特殊处理 先置两个字节0 然后4字节值长度
158                 //------------------------------------------------------这些都是在读取VR一步被阻断的情况
159                 if (tag.Substring(0, 4) == "0002")//文件头 特殊情况
160                 {
161                     VR = new string(dicomFile.ReadChars(2));
162 
163                     if (VR == "OB" || VR == "OW" || VR == "SQ" || VR == "OF" || VR == "UT" || VR == "UN")
164                     {
165                         dicomFile.BaseStream.Seek(2, SeekOrigin.Current);
166                         Len = dicomFile.ReadUInt32();
167                     }
168                     else
169                         Len = dicomFile.ReadUInt16();
170                 }
171                 else if (tag == "fffe,e000" || tag == "fffe,e00d" || tag == "fffe,e0dd")//文件夹标签
172                 {
173                     VR = "**";
174                     Len = dicomFile.ReadUInt32();
175                 }
176                 else if (isExplicitVR == true)//有无VR的情况
177                 {
178                     VR = new string(dicomFile.ReadChars(2));
179 
180                     if (VR == "OB" || VR == "OW" || VR == "SQ" || VR == "OF" || VR == "UT" || VR == "UN")
181                     {
182                         dicomFile.BaseStream.Seek(2, SeekOrigin.Current);
183                         Len = dicomFile.ReadUInt32();
184                     }
185                     else
186                         Len = dicomFile.ReadUInt16();
187                 }
188                 else if (isExplicitVR == false)
189                 {
190                     VR = getVR(tag);//无显示VR时根据tag一个一个去找 真烦啊。
191                     Len = dicomFile.ReadUInt32();
192                 }
193                 //判断是否应该读取VF 以何种方式读取VF
194                 //-------------------------------------------------------这些都是在读取VF一步被阻断的情况
195                 byte[] VF = { 0x00 };
196 
197                 if (tag == "7fe0,0010")//图像数据开始了
198                 {
199                     pixDatalen = Len;
200                     pixDataOffset = dicomFile.BaseStream.Position;
201                     dicomFile.BaseStream.Seek(Len, SeekOrigin.Current);
202                     VR = "UL";
203                     VF = BitConverter.GetBytes(Len);
204                 }
205                 else if ((VR == "SQ" && Len == UInt32.MaxValue) || (tag == "fffe,e000" && Len == UInt32.MaxValue))//靠 遇到文件夹开始标签了
206                 {
207                     if (enDir == false)
208                     {
209                         enDir = true;
210                         folderData.Remove(0, folderData.Length);
211                         folderTag = tag;
212                     }
213                     else
214                     {
215                         leve++;//VF不赋值
216                     }
217                 }
218                 else if ((tag == "fffe,e00d" && Len == UInt32.MinValue) || (tag == "fffe,e0dd" && Len == UInt32.MinValue))//文件夹结束标签
219                 {
220                     if (enDir == true)
221                     {
222                         enDir = false;
223                     }
224                     else
225                     {
226                         leve--;
227                     }
228                 }
229                 else
230                     VF = dicomFile.ReadBytes((int)Len);
231 
232                 string VFStr;
233 
234                 VFStr = getVF(VR, VF);
235 
236                 //----------------------------------------------------------------针对特殊的tag的值的处理
237                 //特别针对文件头信息处理
238                 if (tag == "0002,0000")
239                 {
240                     fileHeadLen = Len;
241                     fileHeadOffset = dicomFile.BaseStream.Position;
242                 }
243                 else if (tag == "0002,0010")//传输语法 关系到后面的数据读取
244                 {
245                     switch (VFStr)
246                     {
247                         case "1.2.840.10008.1.2.1\0"://显示little
248                             isLitteEndian = true;
249                             isExplicitVR = true;
250                             break;
251                         case "1.2.840.10008.1.2.2\0"://显示big
252                             isLitteEndian = false;
253                             isExplicitVR = true;
254                             break;
255                         case "1.2.840.10008.1.2\0"://隐式little
256                             isLitteEndian = true;
257                             isExplicitVR = false;
258                             break;
259                         default:
260                             break;
261                     }
262                 }
263                 for (int i = 1; i <= leve; i++)
264                     tag = "--" + tag;
265                 //------------------------------------数据搜集代码
266                 if ((VR == "SQ" && Len == UInt32.MaxValue) || (tag == "fffe,e000" && Len == UInt32.MaxValue) || leve > 0)//文件夹标签代码
267                 {
268                     folderData.AppendLine(tag + "(" + VR + "):" + VFStr);
269                 }
270                 else if (((tag == "fffe,e00d" && Len == UInt32.MinValue) || (tag == "fffe,e0dd" && Len == UInt32.MinValue)) && leve == 0)//文件夹结束标签
271                 {
272                     folderData.AppendLine(tag + "(" + VR + "):" + VFStr);
273                     tags.Add(folderTag + "SQ", folderData.ToString());
274                 }
275                 else
276                     tags.Add(tag, "(" + VR + "):" + VFStr);
277             }
278         }
279 }

好了收工。
测试下成果

 1 if (openFileDialog1.ShowDialog() != DialogResult.OK)
 2     return;
 3 
 4 string fileName = openFileDialog1.FileName;
 5 
 6 handler = new DicomHandler(fileName);
 7 
 8 handler.readAndShow(textBox1);
 9 
10 this.Text = "DicomViewer-" + openFileDialog1.FileName;
11 
12 
13 backgroundWorker1.RunWorkerAsync();

这里处理gdi位图的时候直接用的setPix 处理速度比较慢所以用了backgroundWorker,实际应用中请使用内存缓冲跟指针的方式
否则效率低了是得不到客户的认可的哦,gdi位图操作可使用lockBits加指针的方式 ,12位的灰度像素数据可以第一次读取后缓存到内存中 以方便后面调窗的快速读取
优化这点代码也不难哈 对指针什么的熟点就行了,前几章都有。

这是ezDicom 经过公认测试的软件 我们来跟他对比一下,打开
调窗测试,我们注意到两个东西 在没有窗宽窗位时 默认窗宽是2047+1即2048  窗位是2048/2即1024
直观的感受是调窗宽像在调图像对比度 ,调窗位像在调图像亮度。
窗宽为255的时候图像是最瑞丽的 因为255其实就是8位图像的默认窗宽。
注意窗位那里有小小区别,ez窗位显示的是根据1024那里为0开始偏移 而我的程序是根据窗宽中间值没有偏移
没有偏移的情况稍微符合逻辑点吧。
但是可以看到原理是一样的 结果是一样的。


源码下载测试dcm文件: 猛击此处

最近也没有以前写的文章那么欢乐了 不知道为什么,长大了 没有以前开心了 呵呵 。
筒子们2013年新年快乐。

这篇文章发布很久了 感谢朋友们的关注,分析讲解跟代码有点混乱 感觉有点敷衍了事纯粹赚人气的感觉 对不住大家了。另外本文的调窗代码是有问题的 升级版本请看《医学影像调窗技术》一文中的改进代码。

 

posted @ 2013-01-09 13:39  assassinx  阅读(39901)  评论(39编辑  收藏  举报