基于面向?qū)ο蟮尼t(yī)院數(shù)字化影像信息模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

基于面向?qū)ο蟮尼t(yī)院數(shù)字化影像信息模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

0數(shù)字影像管理和通信先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備的使用隨著信息的變化而不可避免。在醫(yī)療行業(yè)，醫(yī)院也迫切需要進(jìn)行數(shù)字建設(shè)。PACS(picturearchvingandcommunicationsystem)系統(tǒng)面向醫(yī)院的數(shù)字化影像的管理和通信,極大地提高了醫(yī)院影像服務(wù)質(zhì)量和效率。DICOM(digitalimagingandcommunicationofmedical)是PACS系統(tǒng)里的一個重要的標(biāo)準(zhǔn),目前國內(nèi)外大多數(shù)先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備,如CT(斷層掃描),MR(核磁共振)等,都支持這一標(biāo)準(zhǔn)。本文介紹面向?qū)ο蟮姆椒癉ICOM標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)而描述用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計實現(xiàn)DICOM通信模塊。1類類—面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)方法面向?qū)ο蟮某绦蜷_發(fā)首先要建立和具體問題中的主要元素相對應(yīng)的軟件對象,通過對這些對象的組合來創(chuàng)建具體的應(yīng)用。這些對象反映了不同的抽象層次,在C++中這種抽象被稱為類。類在程序運行時被實例化為對象。面向?qū)ο蟪绦蜷_發(fā)的另一個重要原則是概念逐步細(xì)化,這樣就可以使用繼承機(jī)制,形成層次結(jié)構(gòu)。子類既重用了父類的代碼,又產(chǎn)生了新的功能。面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法通過增加軟件可擴(kuò)充性和可重用性,能夠控制維護(hù)軟件的復(fù)雜性和軟件維護(hù)的開銷,使軟件的設(shè)計更緊密地影響著它的實現(xiàn)。面向?qū)ο蟮某绦蜷_發(fā)既與傳統(tǒng)的面向過程的程序開發(fā)有相似之處,又有它自己的規(guī)律性。概括起來,有以下幾點:1了解醫(yī)院工作流程,建立概念對問題域進(jìn)行功能分析,提出待解決問題。對于PACS系統(tǒng)來說,在這一階段要深入了解醫(yī)生工作習(xí)慣、醫(yī)院工作流程,設(shè)備環(huán)境等,并建立相關(guān)的概念模型(概念及概念間的聯(lián)系)。面向?qū)ο蟮姆治鼋Y(jié)果將直接約束設(shè)計過程及產(chǎn)品功能。2程序的框架設(shè)計這一階段從整體的角度,對一個應(yīng)用程序的框架進(jìn)行設(shè)計。在明確了要解決的問題后,對將要開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行類的劃分,確定所需要的各個類模塊。3生存期在整個類上的應(yīng)用這一階段具體化每個類。應(yīng)用程序的設(shè)計主要就是類的設(shè)計,這個階段貫穿于整個類的生存期。DICOM標(biāo)準(zhǔn)中對所需要的類已經(jīng)進(jìn)行了較詳細(xì)的劃分,如信息對象的定義,服務(wù)類的說明,通信原語的定義等(這些將在稍后介紹),但仍需針對具體應(yīng)用進(jìn)一步細(xì)化。4塊的主要工作這一階段是對問題的最后解決,要作DICOM通信模塊的主要工作。在已經(jīng)建立了的類的基礎(chǔ)上,用代碼實現(xiàn)對象實例,實例之間的通信可以通過把引用從一個對象傳遞到另一個對象來建立。這一部分和類的設(shè)計是交叉的。5影響測試階段的因素本階段把系統(tǒng)組裝成一個完整的應(yīng)用來進(jìn)行測試,前幾個階段的結(jié)果會影響到這一階段調(diào)試所花費的時間和精力。應(yīng)盡量隔離單個操作,直到系統(tǒng)已較完整時,再組裝調(diào)試。6dico通信系統(tǒng)的研究面向?qū)ο蟮睦^承機(jī)制使得維護(hù)工作相對容易,如果結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,對于大部分的維護(hù)工作,一般都發(fā)生在類級。使用面向?qū)ο蠓椒ㄩ_發(fā)DICOM通信系統(tǒng),分析和設(shè)計結(jié)果很自然地同DICOM標(biāo)準(zhǔn)對信息對象和通信服務(wù)的定義一致。因此分析和設(shè)計得到的模型在以后的設(shè)計和實現(xiàn)中沒有質(zhì)的變化,只有補(bǔ)充和完善,是一個穩(wěn)定的模型。這種模型的穩(wěn)定性,對于一個開放性的PACS系統(tǒng)很重要,它便于以后系統(tǒng)的擴(kuò)充或集成。2促進(jìn)了醫(yī)療數(shù)字影像信息的傳輸PACS系統(tǒng)的基本任務(wù)是在設(shè)備之間傳輸影像等信息,美國放射學(xué)會和國際電子制造商協(xié)會專門為此制定了DICOM標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)已為國際所承認(rèn)。標(biāo)準(zhǔn)的建立極大地推動了不同廠商的醫(yī)療數(shù)字影像信息的傳輸與交換,實現(xiàn)了異地、異構(gòu)診斷資料庫的共享。支持DICOM協(xié)議已成為今后PACS系統(tǒng)的基本特征。以下介紹DICOM標(biāo)準(zhǔn)里的主要部分。2.1dico信息模型DICOM標(biāo)準(zhǔn)將要傳輸?shù)男畔⒊橄鬄樾畔ο蠖x,它包括了與實際醫(yī)學(xué)影像相關(guān)的所有必要信息,并建立了信息實體之間的關(guān)系模型。同時定義了可以為這些信息實體進(jìn)行何種服務(wù)——服務(wù)類別。因此,DICOM標(biāo)準(zhǔn)能夠方便地描述醫(yī)學(xué)實踐中的事物如病人、報告、圖像及它們之間的關(guān)系。在信息模型中,DICOM協(xié)議定義的最高層次是服務(wù)類,每個服務(wù)類可包含多個服務(wù)對象對(SOP),信息實體定義包含了大量的相關(guān)屬性。圖1清晰地給出了SOP、IOD之間的關(guān)系(信息實體定義和服務(wù)類之間的關(guān)系)。2.2服務(wù)實體概念DICOM對可以為信息對象提供的服務(wù)進(jìn)行了分類定義,這些服務(wù)可以用下層的服務(wù)原語和信息對象共同實現(xiàn)。服務(wù)類涉及到一些重要的概念,如應(yīng)用實體。應(yīng)用實體是指一個具體的DICOM應(yīng)用程序;服務(wù)類,服務(wù)類是對現(xiàn)實中要執(zhí)行的任務(wù)的抽象概括,它包括作用于信息對象的命令及結(jié)果,如存儲、打印、查詢等。DICOM服務(wù)類提供客戶/服務(wù)角色,通過網(wǎng)絡(luò)要求DICOM服務(wù)的應(yīng)用實體稱為服務(wù)類使用者(SCU)。提供DICOM服務(wù)的應(yīng)用實體稱為服務(wù)類提供者(SCP)。2.3信息交換以上的定義為信息交換做了準(zhǔn)備,下面介紹信息交換是怎樣進(jìn)行的。1di機(jī)構(gòu)通信osi首先介紹一下DICOM標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)用實體及相互間通信的整體結(jié)構(gòu)。服務(wù)類作為應(yīng)用實體的最高級別,被應(yīng)用于信息對象,和信息對象一起組成服務(wù)對象對類(SOP)。然后通過DICOM消息服務(wù)元素(DIMSE),將SOP傳送到下層,下層的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對DIMSE提供支持,使用P-DATA服務(wù)(將在下面介紹)將消息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的另一個應(yīng)用實體。另一個實體中再通過相反的過程最終將消息傳達(dá)給用戶。這是DICOM通信的主要部分。另外,在進(jìn)行消息傳輸之前,還需要一個建立聯(lián)結(jié)的過程。應(yīng)用實體首先進(jìn)行聯(lián)系商議,為下一步數(shù)據(jù)傳輸選擇合適的參數(shù),再通過網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的上層聯(lián)系服務(wù)(ACSE),將聯(lián)系參數(shù)發(fā)送給另一個實體,該實體對其響應(yīng)并發(fā)送響應(yīng),收到響應(yīng)后就建立了聯(lián)系,可以在該聯(lián)系上進(jìn)行消息傳輸。OSI上層服務(wù)邊界允許對等應(yīng)用實體確立聯(lián)系,傳送消息并終止聯(lián)系。在這一邊界上,DICOM采用了OSI標(biāo)準(zhǔn)(表示服務(wù)由聯(lián)系控制服務(wù)元素ACSE擴(kuò)大)。這是一個簡單的服務(wù),它將DICOM應(yīng)用層和通信支持層使用的一些專門協(xié)議分隔開。DICOM提供了三個通信選擇:——一個OSI協(xié)議的最小集合,包括全雙工會話內(nèi)核、表示內(nèi)核和ACSE。這減少了維持與OSI協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)完全一致時的上層開銷?！粋€擴(kuò)大了TCP/IP的上層協(xié)議。當(dāng)它提供與OSI協(xié)議族所提供的相同的服務(wù)和功能時,它結(jié)合了OSI的上層協(xié)議成為一個易于執(zhí)行的單獨協(xié)議。——與前面版本的標(biāo)準(zhǔn)兼容的點到點協(xié)議族?，F(xiàn)通常選擇基于TCP/IP的上層協(xié)議。2icp服務(wù)類使用者在DICOM中,應(yīng)用實體是一個DIMSE服務(wù)用戶,它可以作為一個SCU(服務(wù)類用戶)或SCP(服務(wù)類提供者)角色。它們之間發(fā)送消息,SCU接收通知或提出請求,SCP發(fā)出通知或接受請求,執(zhí)行后發(fā)出響應(yīng)。一個消息由一個命令集后跟一個可選的數(shù)據(jù)集組成,DICOM規(guī)定了這些消息的結(jié)構(gòu),一個命令集由命令元素構(gòu)成,命令元素由標(biāo)簽,數(shù)值長度和數(shù)值字段構(gòu)成。3dimseDIMSE通信服務(wù)的輸入是SOP類,輸出是下層P-DATA服務(wù)的輸入,DIMSE相當(dāng)于一個中間層。每種服務(wù)都有原語:請求原語、指示原語、響應(yīng)原語和證實原語?？梢允沁@四種之一,由圖2所示。有的服務(wù)原語可能會帶有幾個子操作原語,在多個聯(lián)結(jié)上完成整個服務(wù)過程。2.4網(wǎng)絡(luò)支持信息交換以下簡要介紹為實現(xiàn)上述DIMSE服務(wù)而必須首先執(zhí)行的A-聯(lián)系服務(wù),由此建立ASSOCIATION聯(lián)結(jié)。1實體間表達(dá)促進(jìn)釋放的編碼是什么?聯(lián)系確立是在任意DICOM應(yīng)用實體間建立通信實例的第一步。應(yīng)用實體使用聯(lián)系確立商議數(shù)據(jù)如何被編碼以及交換什么數(shù)據(jù)類型。和上圖類似,它具有四個原語:聯(lián)系請求、聯(lián)系指示、聯(lián)系響應(yīng)和聯(lián)系證實。實體間可以正常斷開聯(lián)結(jié)也可以單方面終止,正常釋放通過4個原語:A-釋放請求、A-釋放指示、A-釋放響應(yīng)和A-釋放證實。在聯(lián)系確立后,DIMSE服務(wù)仍然要使用聯(lián)系服務(wù)的P-DATA服務(wù)傳送消息。2提取信息的抽象語法由來聯(lián)系商議的內(nèi)容主要有三個:應(yīng)用上下文、表示上下文和用戶信息項。一個應(yīng)用上下文是一個由“.”分隔的字符串,兩個應(yīng)用實體通過同意一個應(yīng)用上下文,確立一個聯(lián)系。表示上下文定義了一個聯(lián)系上的數(shù)據(jù)的表示。它提供了一個較低層的商議,每個聯(lián)系可以提供或接受一個或更多表示上下文。一個表示上下文由三部分組成:表示上下文ID,抽象語法名稱和一系列一個或更多傳送語法名稱。當(dāng)有多個表示上下文ID時,它是從1開始遞增的奇數(shù)。在一個具體的聯(lián)系上通過表示上下文ID識別表示上下文。為每個表示上下文只應(yīng)提供一個抽象語法。然而,每個表示上下文可以提供多個傳輸語法,但只應(yīng)有一個被接受。DICOM應(yīng)用實體使用抽象語法名稱以識別和商議一個具體的聯(lián)系上支持哪個SOP類和相關(guān)選項。抽象語法名稱是一個以“.”分隔的字符串。每個被SOP類UID識別的SOP類,被一個信息對象定義(IOD)和具體的一系列一個或更多被稱為DIMSE服務(wù)組(DSG)的DIMSE服務(wù)的聯(lián)合所定義。這是因為:——IOD定義了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);——DSG定義了能在這數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上執(zhí)行的操作或通知。傳輸語法定義了一系列用于明確表示一個或更多抽象語法的編碼規(guī)則,每個表示上下文可以提供多個傳送語法,但只應(yīng)有一個被接受。傳輸語法是一系列編碼規(guī)則,它能明確地表達(dá)一個或多個抽象語法定義的數(shù)據(jù)元素。傳輸語法的商議允許通信應(yīng)用實體為它們所能支持的編碼技術(shù)(例如:字節(jié)順序,壓縮等)達(dá)成一致。通過使用ACSE用戶信息項,對等的DICOM應(yīng)用實體商議許多與DIMSE協(xié)議有關(guān)的因素。如應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元的最大長度,執(zhí)行身份識別,異步操作的商議,SCP/SCU角色商議,SOP類擴(kuò)展商議等參數(shù),這些是ASSOCIATE服務(wù)中的可選項,更細(xì)內(nèi)容可察看DICOM標(biāo)準(zhǔn),這里就不再詳述。3dico通信模塊的設(shè)計可以看出,DICOM標(biāo)準(zhǔn)本身就是一種開放性的,面向?qū)ο蟮臉?biāo)準(zhǔn)。所以使用面向?qū)ο蟮某绦蜷_發(fā)思想實現(xiàn)PACS系統(tǒng)符合編程者的思維模式,也符合問題域的結(jié)構(gòu)形式。這里主要闡述DICOM通信模塊的高層設(shè)計和類的設(shè)計。通信模塊涉及到DIMSE服務(wù),ASSOCIATE聯(lián)結(jié)和要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)對象這三類概念,它們相對獨立,因此通信部分可以劃分以下三類。3.1客戶機(jī)+平臺dimseCDICMMSGTRANS的基本功能是在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送請求,接受請求,發(fā)送響應(yīng)和接受響應(yīng)。每個DIMSE服務(wù)都應(yīng)有這四種功能,即函數(shù),它們分別對應(yīng)DIMSE服務(wù)的四種原語。根據(jù)SOCKET編程的原理,這里以面向連接的方式進(jìn)行通信?？蛻魴C(jī)需要Connect函數(shù),服務(wù)器需要Listen函數(shù)和Accept函數(shù),前者用于偵聽,后者要返回一個新的CDICMMSGTRANS對象,以處理接收到的數(shù)據(jù)。任何一端可以提出釋放請求,得到對方響應(yīng)后,釋放連接。程序中使用該類的過程是這樣的:先建立CDICMMSGTRANS對象,然后服務(wù)器開始偵聽,客戶機(jī)發(fā)生連接請求,服務(wù)器接受請求后,建立新的CDICMMSGTRANS對象。這時,底層的SOCKET連接已建立起來,但尚未進(jìn)行聯(lián)系商議,也不能發(fā)送DIMSE消息。所以在這個對象中,先進(jìn)行聯(lián)系商議,然后進(jìn)行實體間的DIMSE消息通信,這都要用函數(shù)實現(xiàn)四種原語。關(guān)閉連接時調(diào)用釋放請求函數(shù),對等實體對此響應(yīng),收到響應(yīng)后連接被釋放。3.2cdicmassociate實現(xiàn)在進(jìn)行聯(lián)系商議時,可以將商議的內(nèi)容作為一個類來處理,即ASSOCIATE類。該類將商議的內(nèi)容作為數(shù)據(jù)成員進(jìn)行封裝。還應(yīng)附加上訪問這些數(shù)據(jù)成員的函數(shù)。在SOCKET連接建立后,應(yīng)進(jìn)行聯(lián)系商議,建立CDICMASSOCIATE對象,并設(shè)置該對象數(shù)據(jù),初始化完成后,以指向該對象的指針作為參數(shù),通過已經(jīng)建立的SOCKET連接,客戶端用AssociateSend()函數(shù)將對象發(fā)出,服務(wù)器端用AssociateRecieve()函數(shù)接收該對象,并發(fā)回響應(yīng)ResponseSend(),客戶端接收響應(yīng)RespnseRecieve()。成功后,聯(lián)系就確立下來,可以在此基礎(chǔ)上繼續(xù)使用CDICMMSGTRANS類的函數(shù)發(fā)送和接收DIMSE消息。3.3cdicmdatbwell發(fā)送DICOM消息時,一般都是對一定的SOP類和SOP實例進(jìn)行操作。所以它們必然會作為參數(shù)被發(fā)送和接收。和實現(xiàn)ASSOCIATE連接的思想類似,這里也把DICOM文件按一定格式封裝到一個類的對象中,然后以該對象的指針作為參數(shù)收發(fā)DICOM文件,標(biāo)記此類為CDICMDATABLOCK。封裝時,為了能更方便的處理信息,應(yīng)有成員函數(shù)能對指定的參數(shù)進(jìn)行訪問。在服務(wù)器端,保存數(shù)據(jù)時,就能把這些參數(shù)取出放到數(shù)據(jù)庫