DICOM标准：DICOM医学影像中的覆盖层（Overlay）概念详解

引言

        DICOM（数字成像和通信医学）标准在医学影像的存储、传输和交换中起着关键作用。覆盖层（Overlay）作为DICOM标准中的一个重要组成部分，用于在医学影像上叠加图形信息，如注释、标记、测量结果等。本文将深入探讨DICOM中的覆盖层，包括其定义、结构、用途、实现方法、优势与局限性，以及现代替代方案。

目录

1. 覆盖层概述
2. 覆盖层的用途
3. DICOM覆盖层的结构与组成
   • 覆盖层数据元素
   • 覆盖层的分组与标识
4. 覆盖层的数据编码与存储
   • 单纯覆盖层（Bitonal Overlay）
   • 彩色覆盖层（Color Overlays）
5. 覆盖层的创建与操作
   • 覆盖层的生成
   • 覆盖层的修改与编辑
6. 覆盖层的优势与局限性
7. 现代替代方案：图形对象与叠加注释
8. 实际应用中的最佳实践
9. 总结

1. 覆盖层概述

        覆盖层（Overlay）是DICOM标准中用于在原始医学影像上叠加额外图形信息的数据结构。这些图形信息可以是各种形式的注释、标记、测量线、箭头、文字说明等，旨在增强影像的可读性和实用性。

        覆盖层最早在DICOM标准的早期版本中引入，主要用于存储与图像相关的图形注释，它们作为独立于图像像素数据的附加信息存在。覆盖层的引入使得医务人员能够在不修改原始影像数据的情况下，对影像进行标注和解释。

2. 覆盖层的用途

覆盖层在医学影像中的主要用途包括但不限于：

1. 注释与标记：在影像上添加文字说明、标记病变位置或重要解剖结构。
2. 测量结果：显示测量长度、面积、体积等定量数据。
3. 流程指示：指导医务人员在进行影像采集或操作时的具体步骤。
4. 报告关联：将影像与相应的诊断报告、治疗建议等文本信息关联起来。
5. 教育与培训：在教学影像中高亮显示关键区域，辅助教学。
6. 手术规划：在术前影像上标示手术区域、关键点等信息。

        通过覆盖层，医务人员能够在影像中直观、便捷地展示和传递关键信息，提升诊断效率和准确性。

3. DICOM覆盖层的结构与组成

        DICOM覆盖层作为独立的数据元素存在于DICOM文件中，其结构和组成遵循DICOM标准的规定。理解覆盖层的结构对于正确创建、读取和解析DICOM影像中的覆盖层至关重要。

覆盖层数据元素

        覆盖层主要通过Overlay数据元素实现，这些数据元素包含了覆盖层的图形信息及其相关属性。覆盖层的数据元素分布在DICOM文件中的特定组号和元素号下，以区分不同的覆盖层。

每个覆盖层由一组相关的数据元素组成，主要包括：

• Overlay Group：每个覆盖层分配一个唯一的组号（例如，Overlay 1对应Group 0x6000，Overlay 2对应Group 0x6002，以此类推）。
• Overlay Type：定义覆盖层的类型，如图形、光标、直线等。
• Overlay Origin：确定覆盖层在图像中的起始位置。
• Overlay Rows和Columns：定义覆盖层的大小，与图像像素矩阵相关联, 即行和列。
• Overlay Bits Allocated和Bits Stored：指定覆盖层数据的位深度。
• Overlay Data：实际的图形数据，通过位图或其他编码方式存储。

覆盖层的分组与标识

DICOM标准为覆盖层预留了特定的组号，从0x6000开始，每个覆盖层占用两个连续的字节组：

• Overlay 1：Group 0x6000
• Overlay 2：Group 0x6002
• Overlay 3：Group 0x6004
• ...

每个覆盖层组内包含多个属性元素，通过这些元素共同描述覆盖层的具体信息。

下面用实际包含DICOM覆盖层Overlay信息的图像进行展示：

未加载覆盖层Overlay显示：

加载覆盖层Overlay后显示：

  这里其实就是把覆盖层信息读取后叠加在原DICOM图像上进行显示。

4. 覆盖层的数据编码与存储

覆盖层的数据编码方式决定了其在DICOM文件中的存储和解析方式。主要有两种类型的覆盖层编码：

4.1 单纯覆盖层（Bitonal Overlay）

        单纯覆盖层是一种二值覆盖层，使用位图（bitmap）表示覆盖层在图像上的位置和形状。每个像素位置用一个比特位（0或1）表示，0表示该位置无覆盖，1表示有覆盖。

特性：

• 简单高效，适合表示基本图形，如线条、矩形、标记等。
• 数据体积较小，便于存储和传输。
• 适用于不需要颜色信息的应用场景。

存储方式：

• Overlay Data字段以连续的字节流形式存储覆盖层的位图数据。
• 根据Overlay Origin和覆盖层尺寸（Rows和Columns）确定位图在图像中的具体位置。

4.2 彩色覆盖层（Color Overlays）

        彩色覆盖层允许在覆盖层中加入颜色信息，使得覆盖层图形更具表达力和区分性。相比单纯覆盖层，彩色覆盖层能够呈现更丰富的视觉效果。

特性：

• 支持多种颜色，增强图形的可视化效果。
• 适用于需要区分不同类型信息的场景，如多种测量结果的叠加。
• 数据体积相对较大，存储和传输成本较高。

存储方式：

• 涉及额外的颜色编码信息，如颜色表（Color Palette）或直接嵌入RGB值。
• 通过扩展的Overlay数据元素或专用的图形对象实现。

注意：DICOM标准对彩色覆盖层的支持较为有限，实际应用中常采用图形对象（Graphic Objects）或其他高级注释机制来实现。

5. 覆盖层的创建与操作

在实际应用中，覆盖层的创建与操作涉及以下几个步骤：

5.1 覆盖层的生成

1. 确定覆盖层的用途：明确覆盖层需要表达的信息，如注释、测量结果等。
2. 定义覆盖层的参数：
   • Group Number：选择未被占用的覆盖层组号（从0x6000开始）。
   • Overlay Type：设置覆盖层的类型，如图形、光标等。
   • Overlay Origin：指定覆盖层在图像中的起始位置（行和列）。
   • Rows和Columns：定义覆盖层的尺寸，与图像像素矩阵相关联。
   • Bits Allocated和Bits Stored：确定覆盖层数据的位深度（通常为1位）。
3. 创建覆盖层数据：
   • 使用位图工具绘制或生成覆盖层的图形内容。
   • 将位图数据转换为符合DICOM编码要求的格式。
4. 填充DICOM数据元素：
   • 将覆盖层的各项参数和数据填充到相应的DICOM数据元素中。
   • 确保所有必要的覆盖层属性均被正确设置。

5.2 覆盖层的修改与编辑

1. 加载DICOM文件：使用支持DICOM的影像处理软件或库加载目标DICOM文件。
2. 选择覆盖层：确定需要修改的覆盖层组号和对应的数据元素。
3. 编辑覆盖层数据：
   • 修改位图数据以更新图形内容。
   • 调整覆盖层属性，如位置、尺寸、类型等。
4. 保存变更：将修改后的覆盖层数据重新写入DICOM文件中。
5. 验证覆盖层：使用DICOM浏览器或影像查看器检查覆盖层的显示效果，确保其正确性和一致性。

工具与软件：

• 专业DICOM编辑软件：如OsiriX、RadiAnt DICOM Viewer、MicroDicom等，支持覆盖层的可视化编辑。
• 编程库：如DCMTK、pydicom、GDCM等，提供编程接口以实现覆盖层的自动化处理。

6. 覆盖层的优势与局限性

6.1 优势

1. 信息叠加：能够在不修改原始图像数据的情况下，叠加额外的信息，保持图像的原始性。
2. 灵活性：支持多种类型的图形注释，适应不同的临床需求。
3. 标准化：作为DICOM标准的一部分，确保不同系统之间的兼容性和互操作性。
4. 数据独立性：覆盖层数据独立于图像像素数据，便于单独处理和管理。

6.2 局限性

1. 有限的表达能力：单纯覆盖层主要基于位图，难以实现复杂的图形和高级的颜色表示。
2. 数据冗余：多个覆盖层可能导致DICOM文件体积增加，影响存储和传输效率。
3. 兼容性问题：部分现代DICOM浏览器和软件对覆盖层的支持有限，可能导致显示不一致或缺失。
4. 维护困难：随着覆盖层数量的增加，管理和编辑变得复杂，需要专门的工具和流程。
5. 过时的实现：随着DICOM标准的发展，覆盖层的使用逐渐被更先进的注释机制所取代，如图形对象等。

7. 现代替代方案：图形对象与叠加注释

        随着技术的发展，DICOM标准引入了更为强大的图形对象（Graphic Objects）和叠加注释（Annotation）机制，以替代传统的覆盖层。这些新机制具备更高的灵活性和表达能力，能够满足现代医学影像的复杂需求。

7.1 图形对象（Graphic Objects）

        图形对象提供了一种更灵活和丰富的方式来描述和存储医学影像上的图形信息。相比覆盖层，图形对象支持多种形状、颜色、线型、填充模式等，更适合复杂的图形注释。

特点：

• 多样的图形形状：支持线条、箭头、圆形、多边形、文本等多种形状。
• 颜色与样式：可定义图形的颜色、线宽、填充颜色等，增强可视化效果。
• 交互性：支持用户交互操作，如移动、调整大小、编辑文本等。
• 层级管理：图形对象可以分层管理，支持复杂的图形叠加。

优势：

• 高度可定制：满足多样化的临床需求，适应不同的注释场景。
• 更好的兼容性：现代DICOM浏览器和软件普遍支持图形对象的显示与编辑。
• 数据压缩：图形对象通常采用矢量格式，数据体积更小，传输更高效。

7.2 叠加注释（Annotation）

叠加注释是指在医学影像上添加的文字或符号，用于记录诊断信息、测量结果或其他重要信息。叠加注释通常与图形对象结合使用，提供更加全面的影像注释能力。

特点：

• 文本支持：允许在影像上添加可编辑的文本注释，如诊断结果、日期、医师签名等。
• 符号标记：支持添加各种符号，如箭头、圆点、编号等，便于突出关键区域。
• 关联信息：注释可以与特定的影像区域或数据关联，提供更深入的信息展示。

优势：

• 增强沟通：通过清晰的文本和符号，促进医务人员之间的信息交流与理解。
• 便捷记录：快速记录和展示临床发现，提升诊断效率。
• 可搜索性：文本注释可被搜索和索引，方便信息检索和整理。

8. 实际应用中的最佳实践

在实际应用中，合理使用覆盖层和其替代方案能够显著提升医学影像的可用性和信息传递效率。以下是一些最佳实践建议：

8.1 选择合适的注释机制

根据具体需求选择覆盖层、图形对象或叠加注释：

• 简单图形与标记：对于基本的图形标记，覆盖层或简单的图形对象足够。
• 复杂图形与多样化注释：采用图形对象和叠加注释，满足复杂的临床需求。
• 文本注释：优先使用叠加注释，确保文本信息的清晰可读性和可编辑性。

8.2 遵循DICOM标准

        确保所有覆盖层和图形注释严格遵循DICOM标准的规定，以保障不同系统和设备之间的兼容性和互操作性。

8.3 使用专业工具

采用支持覆盖层和图形对象编辑的专业DICOM软件或编程库，确保注释的准确性和一致性。例如：

• OsiriX：支持图形对象和叠加注释的创建与编辑。
• RadiAnt DICOM Viewer：具备丰富的注释工具和功能。
• pydicom：提供编程接口，便于自动化处理覆盖层和图形对象。

8.4 保持数据整洁

        避免过度使用覆盖层和注释，防止影像信息过于杂乱，影响诊断质量。合理安排注释的位置、颜色和大小，确保其不干扰原始影像内容。

8.5 定期更新与维护

        随着DICOM标准的发展，定期检查和更新覆盖层和图形对象的实现，确保采用最新的标准和最佳实践，提升系统的兼容性和功能。

9. 总结

        覆盖层作为DICOM标准中的一种重要注释机制，为医学影像提供了基本的图形叠加能力。然而，随着医学影像处理技术的进步，覆盖层的表达能力和灵活性逐渐显现出局限性。现代替代方案如图形对象和叠加注释提供了更为强大和灵活的注释方式，满足了复杂临床应用的需求。

关键要点：

• 覆盖层定义与用途：覆盖层用于在医学影像上叠加图形信息，增强影像的可读性和实用性。
• 覆盖层结构：通过DICOM特定的覆盖层数据元素实现，涉及组号、类型、位置、尺寸等属性。
• 编码与存储：主要有单纯覆盖层和彩色覆盖层两种类型，采用位图或颜色编码存储图形数据。
• 优势与局限：覆盖层提供基本的图形叠加能力，但在表达复杂图形和颜色方面存在局限性。
• 现代替代方案：图形对象和叠加注释作为覆盖层的替代，提供更高的灵活性和表达能力。
• 最佳实践：合理选择注释机制，遵循DICOM标准，使用专业工具，保持数据整洁，定期更新与维护。

        在医学影像的实际应用中，选择合适的注释机制和方法对于提升诊断效率、信息传递和临床决策至关重要。理解DICOM覆盖层的结构与应用，结合现代注释技术，能够更好地满足临床需求，优化医学影像的管理与使用。