Что такое DICOM? Формат файлов для медицинских изображений

DICOM используется почти во всём диагностическом оборудовании в радиологии и кардиологии. Тот же формат применяют, когда снимки передаются с аппарата в архив больницы, в другую клинику или записываются на диск для пациента. На этой странице рассказано, что находится внутри файлов DICOM и как безопасно открывать, конвертировать и передавать их.

О стандарте DICOM

DICOM - аббревиатура от Digital Imaging and Communications in Medicine (цифровая визуализация и коммуникации в медицине). Стандарт описывает формат файлов и сетевой протокол для медицинских изображений, чтобы оборудование и программы разных производителей могли работать вместе.

DICOM создали Американский колледж радиологии (American College of Radiology, ACR) и Национальная ассоциация производителей электрооборудования (National Electrical Manufacturers Association, NEMA). Сегодня стандарт развивает Комитет по стандартам DICOM (DICOM Standards Committee), секретариат которого ведёт NEMA. DICOM также признан международным стандартом ISO 12052.

Стандарт состоит примерно из 20 частей, пронумерованных от PS3.1 до PS3.22, и обновляется несколько раз в год. Действующую редакцию можно бесплатно прочитать на сайте dicomstandard.org.

История DICOM

В 1983 году ACR и NEMA создали совместный комитет, потому что снимки с томографов было трудно просмотреть без оборудования того же производителя.

• 1985 - ACR-NEMA 300 для прямой передачи данных («точка-точка») через выделенный 16-разрядный параллельный интерфейс.
• 1988 - ACR-NEMA 2.0, вторая версия.
• 1993 - DICOM 3.0 с новым названием и поддержкой компьютерных сетей (TCP/IP).
• 1995 - обмен исследованиями на компакт-дисках, а также объекты для УЗИ, рентгеновской ангиографии и ядерной медицины.

С 1993 года новой основной версии не выходило. Дополнения (supplements) добавили в стандарт, например, рабочий список модальности (modality worklist, 1996), структурированные отчёты (2000), томосинтез молочной железы (2008), цифровые сканы целых гистологических препаратов (whole slide imaging, 2010) и DICOMweb (2013).

Что внутри файла DICOM

Файл DICOM содержит изображение и сведения о пациенте, исследовании и оборудовании. Его структура определена в части PS3.10:

1. Преамбула - 128 байт, обычно одни нули.
2. Префикс - четыре буквы DICM, по которым распознаётся файл DICOM.
3. Метаинформация файла (File Meta Information) - группа 0002, в том числе Transfer Syntax UID (0002,0010), который показывает, как закодирована остальная часть файла.
4. Набор данных - последовательность элементов данных.
5. Пиксельные данные (Pixel Data) (7FE0,0010) - само изображение, обычно последний и самый большой элемент.

1. 0x0000
   Преамбула128 байт, обычно одни нули
2. 0x0080
   DICM ПрефиксБуквы DICM показывают, что это файл DICOM
3. (0002,xxxx)
   Метаинформация файлаКак закодирована остальная часть файла (синтаксис передачи)
4. (gggg,eeee)
   Набор данныхЭлементы данных о пациенте, исследовании, серии и изображении

   Один элемент данных PatientName

   Тег

   (0010,0010)10 00 10 00

   Тип значения (VR)

   PN50 4E

   Длина

   808 00

   Значение

   DOE^JANE44 4F 45 5E 4A 41 4E 45

5. (7FE0,0010)
   Пиксельные данныеСамо изображение, несжатое или сжатое

У каждого элемента данных есть тег (номера группы и элемента в шестнадцатеричной записи, например (0010,0010)), представление значения, или VR (двухбуквенный код типа данных, например PN для имени или DA для даты), длина и значение. Теги с нечётным номером группы приватные, их обычно определяют производители.

Как устроено исследование

DICOM организует изображения в четыре уровня:

• Пациент (Patient) - человек, которого обследовали.
• Исследование (Study) - одно обследование, например КТ грудной клетки в определённый день.
• Серия (Series) - изображения, полученные или реконструированные вместе, например тонкие срезы или реконструкция для костей.
• Экземпляр (Instance) - один объект (обычно одно изображение), который хранится в отдельном файле.

• Пациент PatientID

  Человек: имя, идентификатор, дата рождения

  • Исследование StudyInstanceUID

    Одно обследование, например КТ грудной клетки в определённый день

    • Серия SeriesInstanceUID

      Набор изображений одного сканирования или одной реконструкции

      • Экземпляр SOPInstanceUID

        Одно изображение или объект в отдельном файле

Каждое изображение обычно хранится в отдельном файле, а в исследовании может быть несколько серий по нескольку сотен срезов, поэтому в одном исследовании бывают тысячи файлов.

У каждого исследования, серии и экземпляра есть уникальный идентификатор (UID): строка из чисел, разделённых точками, длиной до 64 символов, например 2.25.329800735698586629295641978511506172918. UID устроены так, чтобы быть уникальными во всём мире, и программы группируют и сортируют изображения именно по ним, а не по именам файлов.

Каждый объект относится к классу SOP (SOP Class), который определяет его тип, например CT Image Storage (хранение изображений КТ; 1.2.840.10008.5.1.4.1.1.2). Многокадровые (multi-frame) объекты, например видеофрагмент УЗИ, хранят много кадров в одном файле. В DICOM хранятся и объекты других видов: структурированные отчёты (SR), встроенные PDF-документы, состояния представления (presentation states), сегментации (SEG) и планы лучевой терапии.

Сжатие и синтаксисы передачи

Синтаксис передачи (transfer syntax) определяет порядок байтов, записан ли в файле VR и сжаты ли пиксельные данные. Программа просмотра, которая не поддерживает нужный синтаксис передачи, может не открыть вполне корректный файл.

Сжатие без потерь сохраняет каждый пиксель без изменений и часто уменьшает файлы в два-три раза. Сжатие с потерями может уменьшить файлы в десять и более раз, но безвозвратно удаляет детали. Его часто применяют для УЗИ и видео, а изображения КТ, МРТ и рентгена обычно хранят без сжатия или со сжатием без потерь, потому что утраченные детали могут иметь значение для диагностики. Если изображение сжимали с потерями, в поле Lossy Image Compression (0028,2110) стоит значение 01.

Как передаются изображения DICOM

В больнице аппараты отправляют изображения в PACS (Picture Archiving and Communication System, система архивации и передачи изображений), которая хранит их и передаёт на рабочие станции врачей-рентгенологов. Каждое устройство или программа DICOM - это Application Entity (AE, прикладной объект) с AE title (именем AE), IP-адресом и портом, обычно 104 или 11112. Классические службы DIMSE работают поверх TCP/IP:

• C-ECHO - проверяет соединение.
• C-STORE - отправляет объекты.
• C-FIND - ищет исследования, серии или изображения.
• C-MOVE - просит сервер отправить объекты получателю.
• C-GET - получает объекты по тому же соединению.

Благодаря рабочему списку модальности (modality worklist) аппарат получает список записанных на исследование пациентов, поэтому имена и идентификаторы не нужно вводить вручную. DICOMweb (PS3.18) предлагает похожие службы поверх HTTP: QIDO-RS для поиска, WADO-RS для получения и STOW-RS для сохранения.

Пациентам обычно выдают CD или DVD, флешку или ссылку для скачивания. На диске, записанном по стандарту DICOM, есть индексный файл DICOMDIR и часто программа просмотра.

Модальности и их коды

Код модальности хранится в теге (0008,0060).

В исследовании ПЭТ/КТ есть серии и PT, и CT, а для стоматологической конусно-лучевой КТ (КЛКТ) обычно используют код CT. Среди других кодов - OP и OPT (исследования глаза), SM (микроскопия препаратов), ES (эндоскопия), ECG, SR, SEG, а также RTSTRUCT, RTPLAN, RTDOSE (лучевая терапия).

Чем открыть файлы DICOM

Обычные программы для просмотра фотографий не открывают файлы DICOM. Нужна программа для просмотра DICOM (DICOM-просмотрщик), например:

• Weasis - бесплатная программа с открытым исходным кодом для Windows, macOS и Linux.
• 3D Slicer - бесплатная программа с открытым исходным кодом и расширенными 3D-инструментами для Windows, macOS и Linux.
• Horos - бесплатная программа с открытым исходным кодом для macOS.
• OHIF Viewer - бесплатная программа с открытым исходным кодом, работает в веб-браузере.
• MicroDicom - программа для Windows, бесплатная для некоммерческого использования.
• RadiAnt DICOM Viewer - коммерческая программа для Windows с бесплатным пробным периодом.

Лицензии могут меняться, и этот список не является рекомендацией.

Чтобы посмотреть диск, скопируйте всё его содержимое на компьютер, а затем откройте в программе просмотра файл DICOMDIR или папку. Программой просмотра с диска пользоваться не обязательно, к тому же она часто работает только в Windows. Если на компьютере нет дисковода, попросите в клинике ссылку для скачивания.

Конвертация DICOM в JPEG, PNG или видео

Программы просмотра умеют экспортировать изображения в JPEG или PNG, а серии - в видео, но результат уже не будет полноценным медицинским изображением:

• Метаданные теряются: данные о пациенте, исследовании и оборудовании, а также порядок изображений.
• Градаций серого становится меньше. У изображений КТ и МРТ обычно от 12 до 16 бит на пиксель (тысячи оттенков серого), а у типичного JPEG - 8 бит (256 оттенков).
• Ширина и уровень окна фиксируются. Врач больше не может изменить отображаемый диапазон для костей, лёгких или мягких тканей.
• Измерения становятся ненадёжными, а 3D-реконструкции невозможны.

Для второго мнения отправляйте исходные файлы DICOM всего исследования, а не скриншоты или видео.

Персональные данные и обезличивание

В заголовках DICOM обычно есть персональные данные: имя пациента, идентификатор, дата рождения и пол, даты исследований, название больницы и имена врачей. Текст может быть «вшит» и в сами пиксели, например на изображениях УЗИ, а в приватных тегах могут оказаться сведения, по которым можно установить личность.

Обезличивание (деидентификация) удаляет или заменяет эти сведения. Стандарт описывает его в части PS3.15, приложение E (Attribute Confidentiality Profiles, профили конфиденциальности атрибутов). Прежде чем публиковать снимки или использовать их в учебных целях:

• используйте программу для обезличивания, которая удаляет и приватные теги;
• проверьте, нет ли имён и дат на самом изображении, и обрежьте или закройте эти участки;
• помните, что на 3D-реконструкции КТ или МРТ головы может быть видно лицо;
• сохраните исходные файлы для своих врачей.

Частые вопросы

Почему в моём исследовании так много файлов?

Каждое изображение обычно хранится в отдельном файле, а в исследовании могут быть сотни или тысячи изображений (см. как устроено исследование). Это нормально.

Что такое DICOMDIR?

DICOMDIR - индексный файл на диске. В нём перечислены все пациенты, исследования, серии и изображения и указано расположение каждого файла. Откройте его в программе просмотра, чтобы загрузить весь диск.

Можно ли открыть файлы DICOM на телефоне?

Да, с помощью приложения для просмотра DICOM или веб-просмотрщика. Для диагностики врачи используют более крупные откалиброванные мониторы.

Можно ли преобразовать DICOM в JPG или PDF?

Да, но при экспорте изображения теряют часть информации, поэтому сохраните исходные файлы (см. раздел о конвертации DICOM).

Можно ли пользоваться DICOM бесплатно?

Стандарт можно читать бесплатно, и его поддерживают многие бесплатные программы с открытым исходным кодом. NEMA не сертифицирует продукцию; производители сами публикуют заявления о соответствии DICOM (DICOM Conformance Statements).

Нужно ли файлу DICOM расширение .dcm?

Нет. У файлов на дисках часто короткие имена вроде IM000001 без расширения. Программы распознают файл DICOM по префиксу DICM, а не по имени.

Источники

• О DICOM (на английском)
• История DICOM (на английском)
• Стандарт DICOM, действующая редакция (на английском)
• Изображения на компакт-дисках (на английском)