基于DCMTK的DICOM-ECG实现的研究

【作 者】王祥，吴剑，马亚全，彭诚

1 清华大学深圳研究生院 深圳市无损监测与微创医学技术重点实验室，深圳市，518055

2 深圳华清心仪医疗电子有限公司，深圳市，518054

作为一种对心脏疾病的无创检测和早期诊断方法，心电图反映了心脏激动的电学活动，对于各种心律失常和传导障碍的诊断具有决定性作用。近年来，随着网络化信息化的发展，对于医疗诊断的信息化智能化的需要越来越多，如何使心电数据与HIS(Hospital Information System，医院信息系统)、PACS(Picture Archiving and Communication System，医学影像存档与通信系统)等系统更好的交互成为人们迫切需要解决的问题。

很长一段时间以来，由于没有统一的工业标准，各个心电图机的生产厂家定义的心电数据格式大不一样，主要使用的数据格式有三种：SCP-ECG、HL7-aECG和DICOM-ECG[1]。SCP-ECG和HL7-aECG的数据格式虽然在其他方面有其优势，但均不能直接与医院信息系统直接通讯。而作为满足DICOM标准的DICOM-ECG格式，又由于其标准的复杂性等原因，直到2006年才有厂商声称支持采用DICOM标准作为诊断型心电图机的存储标准。

目前，虽然支持SCP-ECG和HL7-aECG心电存储格式的厂家与协会比较多，但当这些格式的数据与医院信息系统交互时，需要提供第三方软件或是工具，将数据转为符合DICOM标准的格式，才能实现数据上传及存储等功能[2]。本文通过对DICOM 3.0标准的心电波形部分解析，并借助工具包DCMTK(DICOM ToolKit)实现对DICOM-ECG文件的生成，使心电数据实现与HIS、PACS等系统的直接通讯。

1 DICOM简介

为了解决由于医疗设备的生产厂家不同带来的互操作困难，美国放射联合会(American College of Radiology，ACR)和美国国家电子制造商协会(National Electrical Manufacturers Association,NEMA)制定了DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine，医学数字影像和通讯)标准。从最初的1.0版本(ACR-NEMA-Standards Publications No.300-1985)到1988年推出的2.0版本(ACR-NEMA-Standards Publications No.300-1988)，到1993年3.0版本，DICOM标准已经发展成为医学影像信息学领域的国际通用标准[3]。

DICOM数据文件可分为文件头和数据集两部分。

DICOM的文件头包括两个部分。文件头的第一部分是128 byte的保留部分，该部分通常全为00H，接下来是前缀部分，占4个byte，内容固定为大写字母的字符串”DICM”，该字符串可以作为判断一个文件是否为DICOM文件的依据。文件头的第二部分主要是用来存储元信息(meta information)，包括传输语法、病人姓名、文件元信息版本、媒体存储SOP(服务对象类)UID(唯一标志符)和传输句法UID等。

DICOM数据集由多个数据元素组成[4]。数据元素主要包含四个部分：标签（Tag）、值表示类型（value representation,VR）、值长度（value length）和值域（value field），其中的值表示类型是可选的，如图1所示。

图1 DICOM数据集和数据元素构成Fig.1 DICOM data set and data element structures

2 DICOM-ECG

DICOM标准最初的目的是存储和传输医学影像，但2000年DICOM WS 30引入后，DICOM标准开始支持医学波形图像的存储，使DICOM作为心电图存储格式成为可能。使用DICOM-ECG作为心电数据存储格式有其优势：支持多种诊断设备、全球通用、标准的成熟、文件大小合理等[1]。相对于其他标准，DICOM-ECG也有自己独特的优势：通过DICOM，医生可以通过综合影像和波形对患者进行诊断，这是其他心电标准所不具有的[5]。

DICOM-ECG作为DICOM的一部分，其存储格式遵循DICOM的文件格式。DICOM使用信息对象模型来描述现实世界的对象信息，图2为ECG的DICOM信息对象定义(Information Object Definition，IOD)描述[6]。一个信息模型分为四个层次：Patient（患者）处于最顶层，表示一个DICOM文件只可能属于唯一的一个病人；Study（检查）处于下一层，“1,n”表示1对n的关系，即一个Patient可以有多个Study；接下来是Series（序列，即检查得到的序列）层，最后是Waveform（波形，包含在序列里）层。

依据该模型，DICOM WS 30给出了DICOMECG的组成[6]，如表1所示（以12导联的心电为例，下同）。其中M是mandatory的缩写，表示该项必须填充；U是User option的缩写，表示用户自己选择是否需要填充；C是conditional的缩写，表示可有条件的填充，这里出现在Waveform Annotation(波形注释)里，表示若存在对波形的注释，应该将注释填充。

下面对表1的IE(信息实体)做一下解析：

(1)Patient(患者) Patient为DICOM波形IOD信息模型的最顶层，任何一个DICOM文件有且只有一个Patient。主要存储患者的信息，例如患者姓名、性别、ID、出生日期等。

图2 DICOM波形IOD信息模型Fig.2 DICOM Waveform IOD Information Model

表1 12导联心电 IOD模型Tab.1 12-Lead ECG IOD Modules

(2)Study(检查) 这里存储的是检查的一些基本信息，例如检查项目UID，检查日期、检查时间、检查ID和检查医生等。

(3)Series(序列) Series存储序列的基本信息，例如形态(Modality)、序列项目UID、序列号等。

(4)Frame of Reference(参考系) 主要是记录各导联数据采集时是否同步。

(5)Equipment (设备) Equipment存储的是仪器制造商的一些信息，例如制造商名称、设备型号、软件版本等。

(6)Waveform(波形) Waveform里存储所有与数据有关的信息，例如导联数目、采样率、数据采集时间、采集方式、采集得到的数据等。

将表1 Usage中标注为M部分的Module(模块)填充，即可生成一个12导联ECG的DICOM-ECG文件，但需要注意的是DICOM标准对12导联ECG一些标签的值域做了一定的限制[6]。例如，形态(Modality)必须写入“ECG”，每个导联样本数量(Number of Waveform Samples)的值不能超过16384，而采样率(Sampling Frequency)的值则限定在200到1000之间(即支持最低200 Hz，最高1000 Hz的采样率)等等，如果不按限制值来写入DICOM文件，有可能会导致文件出错。

3 DCMTK及DICOM-ECG的实现

3.1 DCMTK简介

DCMTK是由德国OFFIS公司提供的开源项目，已经实现了DICOM协议的大部分内容。该开发包提供所有的源代码、支持库和帮助文档，完全是由ANSIC和C++写成的，被广泛的应用于各公司和医院的开发平台中。

本文所用的程序包主要为dcmdata，它是一个DICOM数据编码/解码库，这个模块包含了一些类用来管理DICOM数据结构和文件。同时，它也提供了对DICOMDIR文件的支持以满足Dicom Storage Media(存储介质)的需要。

3.2 DICOM-ECG的实现

在OFFIS官网上下载相应版本的DCMTK工具包后，通过CMake生成lib和include文件，将它们拷贝到VC安装目录下的相应lib和include文件，打开VC软件即可编写代码（本文使用VS 2008）。

本文通过深圳华清心仪医疗电子有限公司提供的心电数据，在DCMTK提供的类DcmItem下的putAndInsertString()等函数对相应的Tag进行填充，再通过DcmFileFormat类下的saveFile()对生成的文件保存，得到一个基本的DICOM-ECG文件。

4 结果和讨论

4.1 结果

在得到DICOM-ECG文件后，关于文件是否正确生成，我们有两个问题需要验证：数据是否正确的存储以及文件是否能正确的与PACS等系统通讯。

对于第一个问题，我们通过如下方法验证，通过比较用Matlab打开的原始心电数据与用Charruasoft公司提供的DICOM-ECG Viewer打开所生成的文件，看波形是否正确。结果如图3所示(图示中只显示Lead II，重点比较波形走向和幅度)。

通过比较图3(a)、(b)两幅图，可知数据已经正确的存储，通过使用Matlab的自带函数dicominfo()对所生成的DICOM-ECG读取也得出了相同的结论。

图3 不同软件打开原始数据的比较Fig.3 Result of raw data by different software

对于第二个问题，由于实验条件的限制，我们不直接通过DICOM-ECG与PACS等系统的交互通讯来验证，而是通过工具DICOM Validation Toolkit(DVTk)来验证。DVTk是一个DICOM的有效性测试工具，用来测试产品的DICOM兼容性。通过DVTk提供的DCM Viewer and Validator，我们测试了生成的DICOMECG，兼容性满足DICOM要求，说明实验生成的DICOM-ECG能够正确地与PACS等系统通讯。

4.2 讨论

本文通过对DICOM WS 30关于心电部分的解读，利用工具包DCMTK实现了符合DICOM 3.0标准的DICOM-ECG文件，并且通过工具DVTk验证了文件的DICOM兼容性，由结果可知DICOM-ECG正确生成。

在本文生成的DICOM-ECG中，Module里的标签是作者按基本的需求来填充的，医院信息等其他信息并未填充，使用者可根据自己的需要对相应的标签进行填充。本例中只包含心电的原始数据，数据没经过自动诊断算法，因而波形注释(Waveform Annotation)的相关标签作者并未填充，使用者若需要波形注释，可依照DICOM标准的第16部分[7]将波形注释信息写入相应的标签里。

[1]Bond RR,Finlay DD,Nugent CD,et al.A review of ECG storage formats[J].Int J Med Inform,2011,80: 683-683.

[2]Hsieh JC,Yu KC,Lo HC,et al.DICOM-Based 12-lead ECG gateway and browser under the clinically-used information system:United States,US20090299771A1[P].2009-12-3.

[3]梁存升,冯骥.DICOM标准分析及其应用[J].中国医学装备,2006,2(3): 19-19.

[4]National Electrical Manufacturer Association (NEMA).Digital imaging and communications in medicine,PS3.5-2011[S].

[5]Hilbel T,Brown BD,Bie JD,et al.Innovation and advantage of the DICOM ECG standard for viewing,interchange and permanent archiving of the diagnostic electrocardiogram[J].Comput Cardiol,2007,34: 633-633.

[6]National Electrical Manufacturer Association(NEMA).Digital imaging and communications in medicine,PS3.3-2011[S].

[7]National Electrical Manufacturer Association(NEMA).Digital imaging and communications in medicine,PS3.16-2011[S].