DICOM图像知识：DICOM图像排序与坐标系解析

引言

1. 概述

2. DICOM图像排序规则

2.1 Patient的Study按Study Date排序

2.2 Study的Series按Series Number排序

2.3 Series的SOP按Instance Number或Slice Location排序

2.3.1 Instance Number排序

2.3.2 Slice Location排序

2.3.3 使用Image Position (Patient)和Image Orientation (Patient)

3. DICOM坐标系与相关元数据

3.1 DICOM坐标系概述

3.2 Image Position (Patient)和Image Orientation (Patient)

3.2.1 Image Position (Patient)

3.2.2 Image Orientation (Patient)

4. 实际应用与示例

4.1 示例排序流程

4.2 C++实现示例

注意事项

5. 总结

引言

医学影像在临床诊断和研究中发挥着至关重要的作用，而DICOM（数字成像和通信医学）标准是目前存储和传输医学影像的主要方式。在DICOM中，图像的排序对于正确理解和分析患者的影像数据至关重要。本文将详细探讨DICOM图像的排序规则，以及相关的坐标系和元数据的含义。

1. 概述

DICOM标准用于存储和传输医学影像数据，并包含复杂的层次结构。影像数据通常以Patient、Study、Series和SOP（Service-Object Pair）四级结构组织。为了正确地展示和分析这些影像数据，我们需要遵循特定的排序规则。

2. DICOM图像排序规则

2.1 Patient的Study按Study Date排序

在DICOM中，每个Patient（患者）可以有多个Study（研究/检查）。为了理清时间顺序，通常按Study Date（0020,0008）对这些Study进行排序：

Study Date：表示Study的日期，格式为YYYYMMDD。
排序方法：按时间顺序从早到晚排列。

这种排序方式有助于医疗人员查看患者的病史和随访过程。

2.2 Study的Series按Series Number排序

每个Study通常包含多个Series（序列），每个Series可以代表不同的成像技术或参数设置。Series按Series Number（0020,0011）排序：

Series Number：一个整数，标识同一Study下的不同Series。
排序方法：按Series Number的数值升序排列。

Series Number可以帮助区分同一Study下的不同影像序列，如不同的MRI序列或不同的CT扫描相位。

2.3 Series的SOP按Instance Number或Slice Location排序

在每个Series中，有多个SOP实例，通常对应一系列切片图像。常用的排序依据有：

2.3.1 Instance Number排序

Instance Number (0020,0013)：表示影像在Series中的顺序，通常用于初步排序。
排序方法：按Instance Number的数值升序排列。

2.3.2 Slice Location排序

Slice Location (0020,1041)：表示切片在病人体内的位置，通常用于更精确的排序。
排序方法：按Slice Location数值升序排列。

2.3.3 使用Image Position (Patient)和Image Orientation (Patient)

当Instance Number和Slice Location不足以反映切片的正确顺序时，可以使用Image Position (Patient)和Image Orientation (Patient)进行排序：

Image Position (Patient) (0020,0032)：表示图像左上角像素在患者体坐标系中的位置，通常为三个坐标值 (x, y, z)。
Image Orientation (Patient) (0020,0037)：表示图像行和列的方向向量，通常为六个值，前三个表示行方向，后三个表示列方向。

排序方法：

根据Image Orientation确定主要的切片方向（轴向、矢状或冠状）。
在主要方向上，使用Image Position的值进行排序。

3. DICOM坐标系与相关元数据

3.1 DICOM坐标系概述

DICOM坐标系基于患者体坐标系，通常定义如下：

X轴：从患者左侧到右侧，左为负，右为正。
Y轴：从患者背部到腹部，背为负，腹为正。
Z轴：从患者脚到头，脚为负，头为正。

这种坐标系有助于标准化不同设备和厂家生成的影像数据。

3.2 Image Position (Patient)和Image Orientation (Patient)

3.2.1 Image Position (Patient)

含义：图像左上角像素在患者体坐标系中的三维位置。
用途：用于确定图像在三维空间中的绝对位置，特别是在多切片排序和重建中。

3.2.2 Image Orientation (Patient)

含义：描述图像行和列在患者体坐标系中的方向。
用途：用于确定图像的拍摄角度和方向，确保不同扫描间的对齐。

Image Orientation提供了两个向量，分别表示图像的行和列方向。例如，[1, 0, 0, 0, 1, 0]表示标准轴向切片，其行方向为X轴正方向，列方向为Y轴正方向。

4. 实际应用与示例

4.1 示例排序流程

假设我们有一个患者的DICOM影像数据集，包含不同的Study、Series和SOP。排序流程如下：

按Study Date排序Study：将所有Study按日期升序排列。
按Series Number排序Series：在每个Study中，对其包含的Series按Series Number排序。
按Image Position (Patient)排序SOP：在每个Series中，根据Image Orientation判断主要方向，并使用Image Position进行排序。

4.2 C++实现示例

下面是一个简单的C++示例，使用DCMTK库对DICOM文件进行排序：

#include <dcmtk/dcmdata/dctk.h>
#include <dcmtk/dcmimgle/dcmimage.h>
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>// 定义一个结构体来存储DICOM信息
struct DicomInfo {DcmDataset* dataset;std::string studyDate;int seriesNumber;float imagePosition[3];
};// 比较函数：用于按Study Date排序
bool compareByStudyDate(const DicomInfo& a, const DicomInfo& b) {return a.studyDate < b.studyDate;
}// 比较函数：用于按Series Number排序
bool compareBySeriesNumber(const DicomInfo& a, const DicomInfo& b) {return a.seriesNumber < b.seriesNumber;
}// 比较函数：用于按Image Position排序（假设Z轴为主要方向）
bool compareByImagePosition(const DicomInfo& a, const DicomInfo& b) {return a.imagePosition[2] < b.imagePosition[2];
}int main() {const char* dicomDirectory = "path/to/dicom/files";std::vector<DicomInfo> dicomFiles;// 遍历目录并读取DICOM文件DcmFileFormat fileFormat;DcmDirInterface dicomDir(dicomDirectory);if (dicomDir -> isGood()) {const DcmDirectoryRecord* record = dicomDir -> getFirstRecord();while (record != NULL) {OFString fileName;if (record -> findAndGetOFString(DCM_ReferencedFileID, fileName).good()) {if (fileFormat.loadFile(fileName.c_str()).good()) {DcmDataset* dataset = fileFormat.getDataset();DicomInfo info;dataset -> findAndGetOFString(DCM_StudyDate, info.studyDate);dataset -> findAndGetSint32(DCM_SeriesNumber, info.seriesNumber);dataset -> findAndGetFloat32Array(DCM_ImagePositionPatient, info.imagePosition);info.dataset = dataset;dicomFiles.push_back(info);}}record = dicomDir -> getNextRecord();}}// 排序std::sort(dicomFiles.begin(), dicomFiles.end(), compareByStudyDate);std::sort(dicomFiles.begin(), dicomFiles.end(), compareBySeriesNumber);std::sort(dicomFiles.begin(), dicomFiles.end(), compareByImagePosition);// 输出排序结果for (const auto& dicom : dicomFiles) {std::cout << "Study Date: " << dicom.studyDate<< ", Series Number: " << dicom.seriesNumber<< ", Image Position: (" << dicom.imagePosition[0] << ", "<< dicom.imagePosition[1] << ", " << dicom.imagePosition[2] << ")" << std::endl;}return 0;
}

注意事项

DCMTK库提供了强大的DICOM文件操作能力，但使用时需注意DICOM数据的完整性和有效性。
在使用DCMTK库时，请确保安装并配置库路径，以便编译和链接正确。

5. 总结

DICOM图像的排序是医学影像分析中的基础步骤，确保了影像的连贯性和准确性。通过理解和应用DICOM的相关元数据，尤其是坐标系信息，可以有效地对影像进行排序和定位。这种排序不仅适用于临床诊断中的影像查看，也为后续的三维重建和影像分析打下坚实基础。理解DICOM的坐标系和元数据，将有助于更好地解析和应用影像数据。

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