2.1 DICOM标准结构与组成

DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine，医学数字成像和通信）是全球通用的医学影像信息标准化协议，其结构设计兼顾了临床数据的复杂性、兼容性和扩展性。以下从核心结构框架、关键组成部分、技术细节三个层面详细解释：

一、DICOM 标准的核心结构框架

DICOM 标准并非单一文档，而是一套 分层、模块化的标准体系，涵盖从数据编码到网络传输的全流程。其核心框架可分为 “数据层面”“服务层面”“应用层面” 三大层次，各层次通过标准化接口协同工作：

• 数据层面：定义影像数据和元数据的编码格式（如数据集、文件格式）；
• 服务层面：规定数据的交互方式（如查询、存储、传输的服务类）；
• 应用层面：明确临床场景中的具体实现（如 PACS 系统对接、设备通信流程）。

二、DICOM 标准的关键组成部分

1. 数据结构：数据集（Dataset）与数据元素（Data Element）

数据集是 DICOM 数据的基本单元，用于存储单幅或多幅图像的 图像像素数据 和 元数据（描述信息），其核心构成是 “数据元素”。

• 数据元素（Data Element）：
  每个数据元素是 DICOM 的最小信息单元，由 4 部分组成：

  • 标签（Tag）：唯一标识数据元素的 16 进制编码，格式为(Group Number, Element Number)（如(0010,0010)代表 “患者姓名”）。
  • 值表示（VR, Value Representation）：定义数据类型（如字符串、整数、浮点数），例如PN（患者姓名）、DS（十进制字符串）。
  • 值长度（Value Length）：数据内容的字节长度（0 表示无数据，或使用 “Undefined Length” 动态长度）。
  • 值（Value）：实际数据内容（如患者姓名 “张三”、像素矩阵数据）。

• 数据集的组织方式：
  数据集按标签的 “组号” 递增排序，同一组内按 “元素号” 排序。例如：

  • 组号0008：图像通用信息（如检查日期、模态）；
  • 组号0010：患者信息（如姓名、ID）；
  • 组号0028：图像像素参数（如行、列、像素间距）；
  • 组号7FE0：像素数据（Pixel Data），通常是最后一个数据元素。

2. 数据编码：文件格式与传输语法

DICOM 数据可通过 文件存储 或 网络传输 两种形式存在，对应不同的编码规则：

• DICOM 文件格式（DICOM File Format）：
  用于本地存储，文件后缀通常为.dcm，结构包括：

  • 文件前缀（File Preamble）：128 字节固定头部（含 “DICM” 标识，用于文件识别）；
  • 数据集：紧跟前缀的完整数据元素集合。

• 传输语法（Transfer Syntax）：
  用于网络传输时的数据编码规则，定义：

  • 字节序（大端 / 小端，如1.2.840.10008.1.2代表小端无压缩）；
  • 压缩算法（如 JPEG、RLE、JPEG 2000，对应不同的 UID 标识）。
    传输语法通过唯一标识符（UID）指定，确保发送方和接收方采用相同的解码方式。

3. 信息对象定义（IOD, Information Object Definition）

IOD 是对 “某类医学数据” 的标准化描述，定义了该类数据应包含的 必选和可选数据元素。例如：

• 图像 IOD：用于单幅或多幅影像（如 CT、MRI 切片），包含患者、检查、像素等数据元素；
• 结构化报告 IOD（SR IOD）：用于存储诊断报告的结构化文本（如病灶描述、测量值）；
• 波形 IOD：用于存储生理信号（如心电图、脑电图）。

每个 IOD 通过 SOP 类（Service-Object Pair Class） 与服务关联，例如 “CT 图像存储 SOP 类” 定义了 CT 图像的存储规则。

4. 服务类（Service Class）

服务类定义了 DICOM 设备间的 交互行为，即 “能做什么操作”。常见服务类包括：

• 存储服务类（Storage Service Class）：用于图像或报告的传输（如 C-STORE 操作）；
• 查询 / 检索服务类（Query/Retrieve Service Class）：用于搜索和获取数据（如 C-FIND 查询患者检查列表，C-GET 获取图像）；
• 工作列表服务类（Worklist Service Class）：用于设备获取检查预约信息（如 MRI 设备从医院系统获取待检查患者列表）；
• 打印管理服务类：用于医学图像的标准化打印输出。

5. 唯一标识符（UID, Unique Identifier）

UID 是 DICOM 中用于唯一标识实体的字符串，采用 “点分数字” 格式（如1.2.840.10008.1.1代表 “验证 SOP 类”），确保全球唯一性。常见 UID 类型包括：

• SOP 类 UID：标识 SOP 类（如 CT 图像存储类）；
• 传输语法 UID：标识数据编码规则；
• 设备 UID：标识影像设备或系统；
• 实例 UID：标识单幅图像或报告的具体实例（确保每个图像全球唯一）。

6. 网络通信协议（DICOM Network Protocol）

DICOM 基于 TCP/IP 协议栈，定义了设备间的网络交互流程，核心包括：

• 关联建立（Association）：通信前的 “握手” 过程，双方协商 SOP 类、传输语法等参数；
• PDU（Protocol Data Unit）：数据传输的基本单元（如关联请求 PDU、数据 PDU）；
• DIMSE 服务（DICOM Message Service Element）：定义消息交互的操作（如 C-STORE、C-FIND），包含请求和响应机制。

7. 编码与压缩（Encoding & Compression）

DICOM 支持多种数据编码方式，以平衡存储效率和图像质量：

• 无损压缩：如 RLE（Run-Length Encoding，适合二值图像）、JPEG 2000 无损模式；
• 有损压缩：如 JPEG 基线模式（用于预览）、JPEG 2000 有损模式（可调节压缩比）；
• 像素数据格式：支持多种位深（8 位、16 位、32 位），灰度图像常用 16 位（避免细节丢失）。

三、DICOM 标准的扩展性与灵活性

DICOM 的强大之处在于其 可扩展性：

• 私有标签：允许厂商或机构定义自定义数据元素（组号为偶数的私有组，如0011,xxxxx），用于存储设备特有参数；
• 标准更新：通过修订版本（如 DICOM 3.0 2023a）持续新增功能（如 AI 辅助诊断结果的存储、3D 打印数据格式）；
• 跨模态兼容：支持 CT、MRI、X 光、超声、PET 等所有医学影像模态，以及非影像数据（如报告、波形）。

总结

DICOM 标准的结构可概括为：以 “数据元素 - 数据集” 为基础，通过 IOD 定义数据内容，以服务类和网络协议实现交互，用 UID 确保全球唯一性。其分层设计既满足了临床数据的严谨性（如元数据完整性、隐私保护），又兼顾了跨设备、跨机构的兼容性，使其成为医学影像领域的 “通用语言”。理解 DICOM 的结构是开发 PACS 系统、影像分析工具或 AI 算法的核心基础。