引言
数字成像和通信医学（DICOM，Digital Imaging and Communications in Medicine）标准是全球广泛采用的医学影像存储和交换标准。DICOM不仅定义了影像数据的文件格式，还规定了影像数据在不同系统之间传输的协议。其层级结构是DICOM标准的核心组成部分，旨在有效组织和管理复杂的医学影像数据。本文将深入解析DICOM的四个主要层级：Patient（患者）、Study（检查）、Series（序列）和SOP（服务-对象对），探讨它们之间的关系、各自的唯一标识符以及在实际应用中的用途。
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1. DICOM架构概述
DICOM标准不仅涵盖了医学影像的存储和传输格式，还定义了影像数据的组织结构和通信协议。其核心目标是实现不同医疗设备和信息系统之间的无缝数据交换。DICOM的层级结构通过多个嵌套的层级组织影像数据，使其在复杂的医疗环境中具备高度的可管理性和可扩展性。
DICOM层级结构
DICOM的层级结构主要包括四个层级：
- Patient（患者）：代表个体病人。
- Study（检查）：代表一次具体的医学检查或调查。
- Series（序列）：在一次检查中获取的一组相关图像。
- SOP（服务-对象对）：具体的影像数据或对象，如单张影像或结构化报告。
这种层级结构形成了一棵树状结构，每个层级都嵌套在上一级之下，确保影像数据的有序组织和高效管理。
2. DICOM层级关系详解
2.1 Patient层级
Patient层级是DICOM层级结构的顶层，代表一个独立的病人实体。它包含与患者相关的基本信息，如姓名、性别、出生日期以及唯一标识符。
-
用途：用于标识和管理个人医疗记录，确保所有与该患者相关的医疗数据都能被有效地组织和检索。
-
关键属性：
- Patient ID (0010,0020)：用于唯一标识患者在医疗系统中的身份。这一标识符应在整个医疗机构内唯一，防止不同患者混淆。
- Patient Name (0010,0010)：患者姓名。
- Patient Birth Date (0010,0030)：患者出生日期。
- Patient Sex (0010,0040)：患者性别。
Patient层级的功能和重要性：
- 身份管理：确保患者的所有医疗数据都与其唯一标识符相关联，避免因姓名相同或其他信息重复而导致的数据混淆。
- 数据聚合：所有与患者相关的检查、序列和影像数据均归属于同一Patient层级，便于医务人员全面查看患者的病史和检查结果。
- 数据隐私：通过唯一标识符管理患者数据，有助于加强数据隐私保护，符合医疗数据安全规范。
2.2 Study层级
Study层级位于Patient层级之下，表示一次具体的医学检查或调查。每个Study包含与该检查相关的所有数据，如检查日期、检查类型以及引用的影像资源。
-
用途：用于组织和管理一次医学检查中的所有数据，确保相关数据的统一和完整。
-
关键属性：
- Study Instance UID (0020,000D)：用于唯一标识一次检查。UID（唯一标识符）确保在不同设备和系统之间对特定检查的唯一识别。
- Study Date (0008,0020)：检查日期，格式为YYYYMMDD。
- Study Time (0008,0030)：检查时间，格式为HHMMSS。
- Accession Number (0008,0050)：接收号，用于与医院信息系统（HIS）中的检查订单关联。
- Study Description (0008,1030)：检查描述，如“头部MRI”。
Study层级的功能和重要性：
- 时间管理：通过Study Date和Time，医务人员可以按时间顺序浏览患者的检查记录，有助于病情追踪和诊断。
- 检查类型分类：不同类型的检查（如MRI、CT、X光）可以通过Study层级进行分类管理，便于识别和检索。
- 数据完整性：确保一次检查的所有相关影像和数据集中存储，方便统一管理和分析。
2.3 Series层级
Series层级是Study层级的子层级，代表在一次检查过程中获取的一组相关图像。每个Series通常对应于一次特定的成像序列或某个特定的成像参数设置。
-
用途：用于组织和管理在相同检查过程中获取的多个图像序列，便于根据成像技术或参数对影像数据进行分类。
-
关键属性：
- Series Instance UID (0020,000E)：用于唯一标识一次影像序列。确保同一检查中的不同序列可以被区分。
- Series Number (0020,0011)：系列号，用于标识同一Study下的不同Series，通常用于排序。
- Modality (0008,0060)：成像模式，如MR、CT、US（超声）等。
- Series Description (0008,103E)：系列描述，如“增强T1加权图像”。
- Body Part Examined (0018,0015)：检查部位，如“头部”。
Series层级的功能和重要性：
- 技术分类：不同的成像技术或参数（如不同的MRI序列）在Series层级进行区分，有助于专业人员快速定位所需图像。
- 数据管理：在一次检查中，可能会获取多组图像，通过Series层级进行组织，防止数据混乱。
- 灵活性：允许在同一Study下根据需要添加多个Series，增强系统的灵活性和可扩展性。
2.4 SOP层级
SOP层级（Service-Object Pair Level）是DICOM层级结构的最底层，代表单个具体的影像或影像对象。SOP实例是实际存储的影像数据，包括图像、报告、结构化报告等。
-
用途：用于存储和管理实际的影像数据，作为DICOM数据存储和交换的基本单元。
-
关键属性：
- SOP Instance UID (0008,0018)：用于唯一标识一个影像实例，确保每个影像在全球范围内唯一。
- Image Type (0008,0008)：描述影像的类型，如“ORIGINAL\PRIMARY\AXIAL”。
- Instance Number (0020,0013)：实例号，用于标识影像在Series中的顺序。
- Image Position (Patient) (0020,0032)：图像在患者体坐标系中的位置。
- Image Orientation (Patient) (0020,0037)：图像的方向向量，描述图像的拍摄角度和方向。
SOP层级的功能和重要性：
- 个体化数据存储：每个SOP实例代表一个具体的影像或对象，便于单独管理和检索。
- 数据唯一性：通过SOP Instance UID，确保每个影像的唯一性，避免数据重复和混淆。
- 影像连贯性：包含详细的影像位置和方向信息，支持影像的准确重建和分析。
2.5 层级间的关系
DICOM的层级结构遵循严格的父子关系，每个Patient可以包含多个Study，每个Study可以包含多个Series，而每个Series下又包含多个SOP实例。这种层级关系确保了影像数据的有序组织和高效管理。
关系示意图：
Patient
├── Study 1
│ ├── Series 1
│ │ ├── SOP Instance 1
│ │ ├── SOP Instance 2
│ │ └── ...
│ ├── Series 2
│ │ ├── SOP Instance 1
│ │ └── ...
│ └── ...
├── Study 2
│ └── ...
└── ...
3. 层级标识符与其重要性
在DICOM层级结构中，每个层级都有其独特的标识符，这些标识符在数据管理中起着关键作用。它们确保了数据的唯一性、一致性和可追溯性。
-
Patient ID (0010,0020)：
- 作用：用于唯一标识患者在医疗系统中的身份。
- 重要性：确保所有与患者相关的数据都准确、无误地关联到正确的患者，防止数据混淆和误诊。
-
Study Instance UID (0020,000D)：
- 作用：唯一标识一次医学检查。
- 重要性：允许在不同设备和系统之间对特定检查进行唯一识别，支持跨系统的数据共享和整合。
-
Series Instance UID (0020,000E)：
- 作用：唯一标识一次影像序列。
- 重要性：确保同一检查中不同序列的影像可以被区分和管理，便于按需检索和分析。
-
SOP Instance UID (0008,0018)：
- 作用：唯一标识一个具体的影像实例。
- 重要性：确保每个影像的唯一性，支持精确的存储、检索和引用，避免数据重复和混淆。
标识符的重要性总结：
- 数据一致性：通过唯一标识符，确保数据在整个生命周期内的一致性，支持数据的可靠性和准确性。
- 跨系统互操作性：唯一标识符使得不同医疗设备和信息系统能够无缝协作，支持数据的共享和整合。
- 数据追溯：通过标识符，可以轻松追溯影像数据的来源、生成过程和关联信息，支持数据管理和审计。
4. DICOM层级的实际应用
DICOM层级结构在实际医疗环境中涉及多个应用场景，包括影像存储与检索、影像传输、影像显示与分析等。以下是一些典型的应用场景：
4.1 影像存储与检索
通过DICOM层级结构，医院信息系统（HIS）、放射信息系统（RIS）和影像存档与通信系统（PACS）能够高效地存储和检索影像数据。例如，当医务人员需要查看某位患者的历史影像时，可以通过Patient ID快速找到相关的Studies，再通过Study Instance UID定位具体的检查，逐步深入到具体的Series和SOP实例，实现精确检索。
4.2 影像传输
DICOM标准支持在不同医疗机构之间安全传输影像数据。通过唯一标识符和层级结构，接收端能够准确地解析和组织接收到的数据，确保影像的完整性和一致性。例如，当患者需要转诊到另一家医院时，影像数据可以通过DICOM协议传输，接收医院可以根据标识符迅速整合数据，支持临床决策。
4.3 影像显示与分析
医疗影像软件利用DICOM层级结构组织和展示影像数据。医务人员可以通过DICOM层级导航影像树，按Patient、Study、Series和SOP层级查看和分析影像。这种结构化的组织方式有助于提高影像阅读的效率和准确性。
5. DICOM层级在存储和检索中的作用
DICOM的层级结构在影像存储和检索中扮演着核心角色，其有序的组织方式和唯一标识符的应用，使得影像数据的管理变得高效且可靠。
5.1 影像存储
在存储过程中，DICOM层级结构帮助PACS系统将影像数据有序地存储在数据库或存储介质中。每个Patient对象下可以包含多个Study，每个Study下包含多个Series，而每个Series下则包含多个SOP实例。这样的结构化存储方式确保了数据的逻辑性和层次性，便于后续的管理和访问。
5.2 影像检索
检索时，用户通常根据不同层级的标识符进行查询。例如，通过输入Patient ID，可以快速检索到该患者的所有Studies；进一步，可以选择具体的Study实例，再选择特定的Series和SOP实例。这种分层检索方式提高了数据访问的效率，减少了检索时间。
5.3 数据完整性与一致性
层级结构和唯一标识符的结合确保了存储和检索过程中的数据完整性与一致性。即使在大规模的影像数据库中，系统也能通过标识符准确定位和管理每个影像，避免数据重复和丢失。
6. DICOM层级与互操作性
DICOM标准的层级结构和唯一标识符在医疗系统的互操作性中发挥了关键作用。不同厂商和不同设备生成的DICOM数据通过统一的层级结构和标识符，可以在不同系统之间无缝交换和共享。
6.1 不同系统间的数据共享
通过DICOM标准，影像数据可以在不同的PACS系统、医院信息系统（HIS）、放射信息系统（RIS）等之间传输。层级结构和标识符确保了接收系统能够正确解析和组织接收到的数据，无需依赖特定厂商的专有格式。
6.2 跨平台的兼容性
由于DICOM标准的广泛采用，医学影像设备和软件平台通常具备DICOM兼容性。这意味着不同设备生成的影像数据可以在任何支持DICOM的系统中读取和处理，确保了数据的高度兼容性和互操作性。
6.3 数据整合与分析
在多中心医疗研究或大型医疗机构中，DICOM层级结构和标识符支持跨系统的数据整合和统一分析。研究人员可以通过统一的DICOM标识符，从多个数据源中聚合影像数据，进行综合分析和研究。
7. 实例分析
为了更好地理解DICOM的层级结构，以下通过一个实际例子进行分析。
7.1 案例背景
假设一个患者“张三”在不同时间进行了几次影像检查，包括CT和MRI检查。每次检查包含多个序列和多张影像。
7.2 结构化层级关系
-
Patient层级：
- Patient ID：123456
- Patient Name：张三
- Patient Birth Date：1980-01-01
- Patient Sex：男
-
Study层级：
-
Study 1：
-
Study Instance UID：1.2.840.113619.2.55.3.604688512.78.1597839272.467
-
Study Date：2023-01-15
-
Study Time：10:00:00
-
Study Description：头部CT
-
Series 1：
- Series Instance UID：1.2.840.113619.2.55.3.604688512.78.1597839272.468
- Series Number：1
- Modality：CT
- Series Description：非增强扫描
- SOP 实例：
- SOP Instance UID：1.2.840.113619.2.55.3.604688512.78.1597839272.469
- Instance Number：1
- Image Position (Patient)：...
-
Series 2：
- Series Instance UID：1.2.840.113619.2.55.3.604688512.78.1597839272.470
- Series Number：2
- Modality：CT
- Series Description：增强扫描
- SOP 实例：
- SOP Instance UID：1.2.840.113619.2.55.3.604688512.78.1597839272.471
- Instance Number：1
- Image Position (Patient)：...
-
-
Study 2：
- Study Instance UID：1.2.840.113619.2.55.3.604688512.78.1597839272.480
- Study Date：2023-06-20
- Study Time：14:30:00
- Study Description：脊柱MRI
- Series 1：
- Series Instance UID：1.2.840.113619.2.55.3.604688512.78.1597839272.481
- Series Number：1
- Modality：MR
- Series Description：T1加权像
- SOP 实例：
- SOP Instance UID：1.2.840.113619.2.55.3.604688512.78.1597839272.482
- Instance Number：1
- Image Position (Patient)：...
-
7.3 数据检索
当医务人员需要检索“张三”2023年1月15日的头部CT影像时，可以按照以下步骤进行：
- Patient查找：通过Patient ID
123456找到患者“张三”。 - Study查找：在Patient层级下找到Study Instance UID
1.2.840.113619.2.55.3.604688512.78.1597839272.467，对应2023-01-15的头部CT检查。 - Series查找：在该Study下选择Series Instance UID
1.2.840.113619.2.55.3.604688512.78.1597839272.468，即非增强扫描序列。 - SOP实例查找：在Series层级下找到具体的SOP Instance UID
1.2.840.113619.2.55.3.604688512.78.1597839272.469，获取具体的影像。
通过这种层级导航，医务人员可以快速准确地定位所需影像，支持临床诊断和治疗。
8. 扩展内容
在DICOM层级结构的基础上，还有一些扩展内容和相关概念值得探讨，以更全面地理解DICOM在医学影像管理中的应用。
8.1 DICOMDIR文件
DICOMDIR是DICOM标准中定义的特殊目录文件，用于存储在介质（如CD、DVD）上的DICOM文件的索引。它记录了介质中所有DICOM文件的层级结构和路径信息，支持标准DICOM查看器快速浏览和访问介质内的影像数据。
主要功能：
- 快速索引：提供介质中所有DICOM文件的层级索引，支持快速检索。
- 跨平台兼容：DICOMDIR文件格式标准化，确保不同系统和查看器间的兼容性。
- 增强用户体验：通过目录文件，用户可以方便地按Patient、Study、Series层级浏览影像数据。
8.2 DICOM Query/Retrieve服务
DICOM标准定义了Query/Retrieve服务，支持在网络环境下进行影像数据的远程查询和检索。
- C-FIND：查询服务，用于向远程系统发送查询请求，并接收匹配的影像数据列表。
- C-MOVE：检索服务，用于将匹配的影像数据从远程系统移动到本地系统。
- C-GET：类似于C-MOVE，但检索到的数据直接传输到发起请求的系统。
应用场景：
- 跨医院影像共享：不同医院之间可以通过Query/Retrieve服务共享影像数据，支持患者的跨院就诊。
- 分布式PACS系统：在大型医疗机构中，分布式PACS系统可以通过Query/Retrieve服务实现数据的集中管理和访问。
8.3 DICOM网络通信模型
DICOM标准定义了网络通信模型，确保不同设备和系统之间的高效数据传输和互操作。
- 客户端-服务器模型：DICOM通信通常基于客户端-服务器架构，支持不同设备（如工作站、PACS服务器）之间的直接通信。
- 服务类：DICOM定义了多种服务类，如影像存储服务类（Storage Service Class）、影像查询服务类（Query/Retrieve Service Class），支持不同类型的操作。
- 网络协议：DICOM基于TCP/IP协议，确保数据传输的可靠性和稳定性。
8.4 DICOM工具与库
为了方便开发者和医务人员操作DICOM数据，众多开源和商业工具与库被开发出来：
- DCMTK（DICOM Toolkit）：一个开源的C++库，提供了全面的DICOM文件操作和网络通信功能。
- GDCM（Grassroots DICOM）：另一个开源库，支持多种编程语言，适用于DICOM文件读取和写入。
- Pydicom：一个Python库，方便Python开发者处理DICOM文件。
- 商业PACS软件：如GE的Centricity、Philips Intellispace等，提供完整的影像存储、管理和查看功能。
这些工具和库极大地简化了DICOM数据的处理和应用，支持定制化开发和集成。
9. 总结
DICOM标准的层级结构通过Patient、Study、Series和SOP四个层级，提供了一个高效、灵活且可扩展的框架，用于组织和管理复杂的医学影像数据。每个层级通过特定的唯一标识符确保数据的唯一性和一致性，支持在不同系统和设备之间的互操作和数据共享。
深入理解DICOM的层级关系不仅有助于影像数据的有效管理和检索，还支持跨机构的数据共享和协同工作，提升医疗服务的效率和质量。随着医学影像技术的不断发展，DICOM标准及其层级结构将在未来的医疗信息化中继续发挥关键作用，推动智慧医疗的进步。
参考资料：
- DICOM 标准第三章: Information Object Definitions.