分類號Q81密級
UDC
學位論文
非DICOM標準心電設備與PACS之間的網關系統(tǒng)
（題名和副題名）
王玲玲
（作者姓名）
指導教師姓名饒妮妮教授博導
電子科技大學成都
（職務、職稱、學位、單位名稱及地址）
申請學位級別碩士專業(yè)名稱生物醫(yī)學工程
論文提交日期2005.5論文答辯日期2005.6
學位授予單位和日期電子科技大學
答辯委員會主席
評閱人
2005年5月27日
注1注明《國際十進分類法UDC》的類號I
摘要
隨著醫(yī)療診治環(huán)境的愈加復雜，經常需要綜合多種類型的醫(yī)學信息來輔助診
斷。同時涉及到醫(yī)學放射影像和心電等醫(yī)學波形的綜合醫(yī)療環(huán)境是比較常見的，
比如心導管插入術就是典型的例子。在這種集成多模態(tài)設備的醫(yī)療環(huán)境中，數字
影像設備和波形設備之間可能需要通信以實現圖像和波形的交流共享。為了實現
這樣的協(xié)同操作，最好的解決方法是不同廠商的不同類型的設備使用相同的數據
格式和通信協(xié)議。
DICOM正是基于這樣的需要而產生的國際標準，實際應用也證明它能夠良好
地解決數字影像設備的通信問題�；贒ICOM標準構架的PACS系統(tǒng)已是數字化
醫(yī)院中最重要的信息系統(tǒng)之一，它實現了多種類型影像設備的互連，解決了數字
醫(yī)學圖像的通信問題。目前，DICOM已經不僅僅限于最初的醫(yī)學圖像通信的范疇，
它也規(guī)范了醫(yī)學波形的交換。這樣的支持能夠進一步促進數字醫(yī)院一體化集成，
避免波形設備成為醫(yī)院中的信息孤島。
本課題的研究就是基于DICOM標準的規(guī)定，實現波形設備中最重要的心電設
備與PACS的連接。但是由于目前采用DICOM接口的數字心電設備并不多，所以
為了使研究具有更廣泛的應用領域，本課題研究主要集中在如何將非DICOM接口
的心電設備與PACS連接。因為PACS普遍是基于DICOM標準的，所以非DICOM標
準的心電設備和PACS系統(tǒng)之間需要借助一個中間件才能實現連接。這種作為異
構系統(tǒng)之間連接橋梁的中間件就叫做網關。在各種非DICOM的心電接口格式中，
歐洲心電標準SCP-ECG得到了心電設備廠商廣泛的支持和實現，因此研究這類心
電設備與PACS的連接更有價值。
本文通過對DICOM標準和PACS系統(tǒng)的深入研究，主要進行了網關系統(tǒng)的設
計和實現。首先，從信息模型和網絡協(xié)議模型兩方面細致分析了DICOM體系原理；
接著，通過分析PACS系統(tǒng)構架，設計了合理的網關系統(tǒng)結構，劃分了系統(tǒng)的三
個功能模塊：文件轉換模塊、心電顯示模塊、文件傳輸模塊；接下來，詳細介紹
了三個模塊的具體實現：前兩個模塊主要涉及SCP-ECG和DICOM兩種標準的文件
格式,最后一個模塊是DICOM通信的實現。
通過對SCP-ECG標準心電設備和PACS系統(tǒng)之間的網關系統(tǒng)的研究，滿足了
實際醫(yī)療應用的需要，將PACS系統(tǒng)的功能擴展到新領域，解決了數字心電設備
的信息系統(tǒng)集成，進一步整合了醫(yī)療信息。
關鍵詞：DICOM；心電；PACS；SCP-ECG；網關II
Abstract
As medical environments become more integrated and complicated,various
medical data are collected together for integrated diagnoses.The medical
environments involving images and cardiology waveforms are very usual,e.g.cardiac
catheterization laboratory.In these multi-device environments,digital imaging
devices should communicate with digital waveform devices to exchange and share the
images and waveforms.To resolve this interoperability problem,the best way is that
the same data format and communication protocol are used.
DICOM is an international standard just for these needs,and it has been used to
resolve the problems in practice.Based on the DICOM standard,PACS is one of the
most important hospital information systems.Nowadays,DICOM is not only used for
images communication,but also for the exchange of medical waveforms.
This thesis discusses the connection of ECG devices and PACS conformable to
DICOM.For the PACS connection of non-DICOM ECG devices,a DICOM gateway
is need between ECG devices and PACS.Among various non-DICOM ECG formats,
the SCP-ECG is the European standard for communication of resting ECGs.
SCP-ECG is widely accepted by ECG manufacturers,so the gateway between
SCP-ECG and PACS is particularly valuable.
The study work is focused on the design and development of the DICOM gateway,
including:
1.Analyze the DICOM information model and DICOM network protocol
architecture.
2.Based on the architecture of PACS,design the architecture and the
modules of the gateway system.The gateway is composed of three modules,
which are file conversion,ECG display and file transfer.
3.Implement the modules of gateway.The file conversion module and
ECG display module are implemented according to SCP-ECG file format and
DICOM file format.The file transfer module is implemented based on DICOM
network protocol architecture.
The work is expected to resolve the PACS integration of ECG devices,contribute
to the harmonization of ECG standards,and facilitate digital ECG interoperability.
Key words:DICOM;ECG;PACS;SCP-ECG;gateway;III
目錄
第一章緒論................................................................1
1.1研究背景和現狀.......................................................1
1.2研究內容和論文結構...................................................2
第二章DICOM標準研究.......................................................4
2.1 DICOM標準產生和發(fā)展.................................................4
2.2 DICOM標準內容和范疇.................................................5
2.3 DICOM標準原理分析...................................................7
2.3.1 DICOM信息模型.................................................7
2.3.2 DICOM網絡協(xié)議模型.............................................9
第三章DICOM網關系統(tǒng)設計..................................................15
3.1 PACS系統(tǒng)簡介.......................................................15
3.2 PACS系統(tǒng)構架和設計原則.............................................15
3.3 DICOM網關系統(tǒng)......................................................17
3.3.1網關實現方式..................................................17
3.3.2需求分析和總體設計............................................17
3.3.3功能模塊設計..................................................18
第四章心電文件轉換和顯示..................................................19
4.1引言................................................................19
4.2標準對比研究........................................................20
4.2.1 SCP-ECG標準..................................................20
4.2.2 DICOM Sup.30波形標準.........................................20
4.2.3標準功能的異同................................................21
4.2.4文件格式的差異................................................21
4.3心電文件轉換........................................................26
4.3.1模塊實現......................................................27
4.3.2程序流程......................................................31
4.4心電文件顯示........................................................32
4.4.1模塊實現.....................................................32
4.4.2程序流程.....................................................35
4.5結果的驗證..........................................................36
第五章DICOM心電文件的傳輸................................................39
5.1實現方案............................................................39
5.2 TCP/IP接口交互的實現...............................................40
5.3 DICOM上層協(xié)議的實現................................................41
5.4 DICOM消息交換的實現................................................44
5.5綜合實現............................................................46
5.6結果的驗證..........................................................48
第六章結論................................................................50
致謝......................................................................51
參考文獻....................................................................52
附錄A......................................................................52
個人簡歷及在學期間的研究成果................................................57電子科技大學碩士學位論文
1
第一章緒論
1.1研究背景和現狀
隨著現代醫(yī)療技術和計算機科學的發(fā)展，產生了種類繁多的計算機輔助數字
醫(yī)療設備。在愈加綜合復雜的醫(yī)療環(huán)境中，常常需要多種設備協(xié)同工作，或者綜
合多種醫(yī)療數據進行診斷。醫(yī)學數字成像和通信標準DICOM(Digital Imaging
and Communications in Medicine)的產生解決了這些需求。
DICOM標準是用于不同廠商不同類型的醫(yī)療設備互連的國際標準，它實現了
數字醫(yī)學圖像等醫(yī)療信息的交流共享，是數字化醫(yī)院信息集成的重要基礎[1]。
DICOM標準最初是為了解決數字醫(yī)學影像設備的通信問題而建立的，經過標準組
織的大力發(fā)展和推廣，DICOM標準日漸成熟并得到廣泛支持，成為數字醫(yī)學成像
和通信的最權威標準。
圖像存檔及通信系統(tǒng)PACS（Picture Archiving and Communication System）
是為了解決醫(yī)學影像設備之間的通信，影像資源的存儲管理等問題而建立的醫(yī)院
信息系統(tǒng)。DICOM標準的出現極大地促進了PACS系統(tǒng)的發(fā)展。目前，國內外市場
的PACS實現方案基本上都是基于DICOM標準構架的。
但是在許多成像環(huán)境中，不只存在影像設備，還有很多非影像的數字醫(yī)療設
備參與其中。同時涉及到放射學影像和心電等醫(yī)學波形的綜合醫(yī)療環(huán)境是最常見
的情況之一，比如心導管插入術就是典型的例子[2]。心臟病學波形在醫(yī)院的日常
診療活動中使用頻繁，數量巨大，同時由于心血管疾病的多發(fā)性和危害性，使得
波形設備和數據具有舉足輕重的作用。所以，DICOM標準也增加了對心臟病學波
形交換的支持，它詳細說明了DICOM格式的波形信息對象定義，以及DICOM通信協(xié)
議在波形設備上的應用。
DICOM標準的支持使得成像環(huán)境中的波形設備也能與影像設備通信。如果已
經建設了將影像設備連接起來的PACS系統(tǒng)，則可以將波形設備也接入系統(tǒng)之中。
這樣的集成是可行而且必要的，不但避免了波形設備成為醫(yī)院中的信息孤島，而
且滿足了實際醫(yī)療環(huán)境的應用需要。由于PACS系統(tǒng)與其他醫(yī)院信息系統(tǒng)的可集成
性，波形設備甚至能夠接受到來自HIS/CIS的日常管理信息，更加促進了醫(yī)院信
息一體化。所以，數字波形設備的系統(tǒng)集成是醫(yī)院信息化中不可忽視的部分。
眾所周知，心電圖設備是最重要的波形設備之一。心電圖作為最重要的無創(chuàng)
診斷方式之一已經被使用多年，它可用于早期發(fā)現和確認缺血性心臟病、心肌梗
塞和心率不齊等心臟疾病[3]。在各種診療活動中，經常會使用到心電圖，據統(tǒng)計，電子科技大學碩士學位論文
2
在美國和歐盟兩地，每年用作常規(guī)診斷和篩檢目的的心電圖檢查超過一億次[4]。
因此，數字心電設備與PACS的連接是波形設備系統(tǒng)集成研究中的首要內容。
如果數字心電設備采用DICOM標準的數據接口，那么它就可以簡單易行地直
接與PACS相連。但是實際上采樣DICOM標準的心電設備并不多，反而另一個心電
標準SCP-ECG得到了廠商更廣泛的支持和采用[5]。計算機輔助心電的標準通信協(xié)
議SCP-ECG（Standard Communications Protocol for Computer-Assisted
Electrocardiography）用于靜息心電信號數據和相關信息的存儲和通信[6]。為
了使研究成果具有更廣泛的應用領域和更高的實用價值，研究重點應該集中在如
何將SCP-ECG接口的心電設備與PACS連接。因為PACS普遍是基于DICOM標準的，所
以此類非DICOM接口的心電設備無法直接與PACS系統(tǒng)相連，而需要借助一個稱為
DICOM網關的中間件才能實現連接。SCP-ECG心電設備與PACS之間的DICOM網關系
統(tǒng)要實現標準格式轉換、與PACS服務器通信等功能。
但是，目前國內外涉及DICOM和PACS的研究工作中，多數研究仍把目光集中
在DICOM基本的圖像方面。DICOM標準對波形的支持少有研究者涉及，波形設備的
信息系統(tǒng)集成也未受到重視。因此這是一個急待發(fā)展的新興研究領域。
近年來，國外的一些研究機構和人員開始認識到這一研究領域的重要性，從
不同角度開展了一些研究工作。在DICOM波形標準的應用研究方面，韓國Hanyang
大學的研究者們開發(fā)了基于XML技術的DICOM心電管理系統(tǒng)[7]；Mediface公司為滿
足客戶需要實現了支持DICOM波形交換的PACS；日本國家醫(yī)療信息部門與尼康等
公司合作，開發(fā)了支持波形數據的DICOM醫(yī)學圖像數據庫；巴西圣保羅大學心臟
信息學會開發(fā)了一個DICOM波形瀏覽控件；此外，在美國和德國都有學者從事
DICOM波形標準的相關研究。在標準之間的互操作性研究方面，希臘克利特大學
的研究者實現了SCP-ECG與DICOM之間的文件格式轉換[3]；美國DICOM標準研究的
權威人士David Clunie將基于JAVA的DICOM工具包PixelMed擴展來支持SCP-ECG
波形。在心臟病學的計算機輔助研究方面，研究者們已經認識到心電數據通信的
重要性，支持通信實現的DICOM標準和SCP-ECG標準都受到很大的關注。歐洲的計
算機輔助心臟病學研究組織OpenECG項目組，專門舉辦了一個關于心電處理軟件
的編程競賽，并特別鼓勵參賽者針對DICOM和SCP-ECG標準之間的協(xié)調性開發(fā)軟件
工具。在國內，臺灣地區(qū)有研究者從事DICOM標準心電圖存儲和診斷系統(tǒng)的研究，
浙江大學的生物醫(yī)學工程實驗室也曾對SCP-ECG標準進行研究[8]。總的來說，國
內在這個領域的研究工作比較缺乏，仍有很大的研究發(fā)展空間。
1.2研究內容和論文結構
本課題主要針對采用SCP-ECG標準作為數據接口的數字心電設備與采用電子科技大學碩士學位論文
3
DICOM標準作為數據通信基礎的PACS系統(tǒng)的連接需求來完成的。為了完成兩者
的連接，需要實現DICOM網關系統(tǒng)，它包括SCP-ECG文件與DICOM心電文件的
轉換，SCP-ECG文件和DICOM心電文件的顯示，DICOM文件的網絡傳輸三部分。
主要的工作包括：
（1）深入研究了DICOM標準和SCP-ECG標準。DICOM標準和SCP-ECG各自
都是一個完整復雜的體系，特別是DICOM標準，它包含多個文檔，涉及多個學
科領域，只有全面深入的研究它才能有完整正確地把握DICOM體系結構。
SCP-ECG標準又是與DICOM幾乎完全不同的另一體系，對它的研究主要在文件
格式方面。通過對標準的分析調研工作，確定了研究的具體內容，以及實現采
用的方法和工具，為之后的研究工作奠定理論基礎。
（2）分析PACS系統(tǒng)設計原則和構架，并在此基礎上進行網關系統(tǒng)的設計。
對幾種常見的網關實行方法進行了分析比較，并結合需求分析，設計了具體的
網關實施方案。對網關系統(tǒng)劃分了三個功能模塊：文件轉換模塊、心電顯示模
塊、文件傳輸模塊。
（3）在對比分析SCP-ECG文件和DICOM心電文件的基礎上，實現了將
SCP-ECG文件轉換為標準DICOM心電文件的功能。此文件轉換模塊也支持將原
始心電信號數據文件構造成為標準DICOM心電文件。
（4）實現了心電顯示模塊，它支持SCP-ECG和DICOM兩種格式的心電文件
的顯示。文件中的心電信號數據顯示為波形，并實現了十二導聯(lián)同步動態(tài)繪制、
刷新式顯示、通道高度選擇和顯示比例調整等功能特性。
（5）針對DICOM通信協(xié)議構架，實現了DICOM存儲服務的客戶端程序，
它與PACS系統(tǒng)中的DICOM服務器程序通信，實現DICOM心電文件的傳輸和存儲。
為了說明本課題的工作，本文分為六章來講述。
第一章概括地介紹了課題的研究背景和意義，國內外研究動態(tài)，以及課題
研究內容和論文結構。
第二章介紹了DICOM標準的產生和發(fā)展，內容和范疇，歸納總結出DICOM
標準的體系構架，結合面向對象技術深入淺出地介紹DICOM的主要內容和分析
基本原理。
第三章介紹了基于DICOM標準的PACS系統(tǒng)構架以及網關系統(tǒng)的設計。
第四章簡要介紹了SCP-ECG標準，并與DICOM標準進行了比較，接著介紹
了SCP-ECG文件格式和DICOM文件格式，重點是詳細講述文件轉換模塊和心電
顯示模塊的實現。
第五章重點介紹了基于DICOM通信協(xié)議構架，分層次地實現文件傳輸模塊。
最后一章總結完成工作，并提出須改進之處和未來工作方向。電子科技大學碩士學位論文 |
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