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DICOM核心概念：显式 VR（Explicit VR）与隐式 VR（Implicit VR）在DICOM中的定义与区别

article 2024/11/25 2:20:25

        在DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine）标准中，VR（Value Representation） 表示数据元素的值的类型和格式。理解显式 VR（Explicit VR）与隐式 VR（Implicit VR）之间的区别，对于正确解析和处理DICOM文件至关重要。

目录

1. 什么是 VR（Value Representation）？

2. 显式 VR 与隐式 VR 的定义

2.1 显式 VR（Explicit VR）

特点：

示例结构：

特殊 VR 类型（OB, OW, OF, SQ, UT, UN）

普通 VR 类型（如 PN, DA, UI）

2.2 隐式 VR（Implicit VR）

特点：

示例结构：

3. 如何区分显式 VR 与隐式 VR？

3.1 读取传输语法 UID

示例代码（使用fo-dicom库）：

3.2 手动区分（不使用库）

4. 显式 VR 与隐式 VR 的优缺点

4.1 显式 VR

4.2 隐式 VR

5. 在代码中处理显式 VR 与隐式 VR

5.1 基本框架

5.2 使用 fo-dicom 库处理 VR

示例代码：

6. 实战中的考虑因素

6.1 性能与内存管理

6.2 压缩与加密

6.3 错误处理与验证

7. 总结

1. 什么是 VR（Value Representation）？

VR（Value Representation） 在DICOM中定义了数据元素的值的数据类型、长度以及解释方式。例如，PN（Person Name）表示人名，DA（Date）表示日期，UI（Unique Identifier）表示唯一标识符等。

每个DICOM数据元素由以下几个部分组成：

  1. 组号（Group Number）：2字节，用于分类相关的数据元素。
  2. 元素号（Element Number）：2字节，标识具体的数据元素。
  3. VR（Value Representation）：2字节，表示数据的类型（仅在显式 VR 中存在）。
  4. 值长度（Value Length）：表示数据元素值的长度。
  5. 数据元素值（Value）：实际的数据内容。

2. 显式 VR 与隐式 VR 的定义

2.1 显式 VR（Explicit VR）

显式 VR 模式下，每个数据元素明确指定其 VR。这意味着每个数据元素中都会包含一个2字节的VR字段，用于标识值的类型。这种模式适用于传输语法明确规定了VR类型的情况。

特点：
  • 包含 VR 字段：每个数据元素都有一个明确的VR字段。
  • 值长度表示：
    • 对于某些VR类型（如OB、OW、OF、SQ、UT、UN），值长度占用4字节，并伴有2字节的保留字段。
    • 对于其他VR类型，值长度占用2字节。
  • 文件头标识：DICOM文件的元信息部分（Group 0002）通常采用显式 VR。
示例结构：
特殊 VR 类型（OB, OW, OF, SQ, UT, UN）
字段描述大小
组号Group Number2 字节
元素号Element Number2 字节
VRValue Representation2 字节 (OB)
保留Reserved2 字节（0x00, 0x00）
值长度Value Length4 字节
数据元素值Data Element Value由值长度决定
普通 VR 类型（如 PN, DA, UI）
字段描述大小
组号Group Number2 字节
元素号Element Number2 字节
VRValue Representation2 字节 (PN)
值长度Value Length2 字节
数据元素值Data Element Value由值长度决定

2.2 隐式 VR（Implicit VR）

隐式 VR 模式下，数据元素不包含显式的VR字段。VR的解析依赖于事先已知的DICOM字典，这种模式通常用于不需要表达VR具体类型的传输语法，如某些压缩格式或封装形式。

特点：
  • 不包含 VR 字段：数据元素仅包含组号、元素号、值长度和数据元素值。
  • 值长度表示：值长度统一占用4字节，无论VR类型如何。
  • 传输语法：常见于隐式 VR 的传输语法有1.2.840.10008.1.2（Little Endian Implicit VR）、1.2.840.10008.1.2.1（Little Endian Explicit VR）等。
示例结构：
字段描述大小
组号Group Number2 字节
元素号Element Number2 字节
值长度Value Length4 字节
数据元素值Data Element Value由值长度决定

3. 如何区分显式 VR 与隐式 VR？

在解析DICOM文件时，首先需要确定文件使用的传输语法（Transfer Syntax）。传输语法在文件的元信息部分（Group 0002）中的Transfer Syntax UID（标签0002,0010）元素中指定。传输语法决定了数据元素是采用显式 VR 还是隐式 VR。

3.1 读取传输语法 UID

示例代码（使用fo-dicom库）：
using Dicom;

// 读取DICOM文件
DicomFile dicomFile = DicomFile.Open(filePath);

// 获取传输语法 UID
string transferSyntax = dicomFile.Dataset.GetSingleValueOrDefault(DicomTag.TransferSyntaxUID, string.Empty);

// 判断是否显式 VR
bool isExplicitVR = false;

if (transferSyntax == DicomUID.ExplicitVRLittleEndian.UID ||
    transferSyntax == DicomUID.ExplicitVRBigEndian.UID ||
    transferSyntax == DicomUID.ExplicitVRBigEndianRetired.UID)
{
    isExplicitVR = true;
}

3.2 手动区分（不使用库）

如果不使用现成的库，需根据文件的传输语法UID来判断是否采用显式VR。例如：

  • 传输语法1.2.840.10008.1.2.1（Little Endian Explicit VR）：显式VR。
  • 传输语法1.2.840.10008.1.2（Little Endian Implicit VR）：隐式VR。

4. 显式 VR 与隐式 VR 的优缺点

4.1 显式 VR

优点：

  • 明确性高：每个数据元素都包含VR信息，解析时更加直观。
  • 可读性更好：便于调试和手工检查DICOM文件内容。
  • 兼容性：许多传输语法默认采用显式VR，广泛支持各类DICOM应用。

缺点：

  • 冗余数据：每个数据元素都包含VR字段，增加了文件的大小。
  • 解析复杂度：需要根据不同的VR类型处理不同的值长度字段。

4.2 隐式 VR

优点：

  • 文件更紧凑：去除了VR字段，减少了冗余，提高存储和传输效率。
  • 解析速度可能更快：较少的字段意味着更少的解析步骤。

缺点：

  • 不直观：缺少VR信息，解析时需要依赖外部字典，增加了复杂性。
  • 调试困难：手工检查DICOM文件时，难以直接识别数据元素的类型。

5. 在代码中处理显式 VR 与隐式 VR

在实际开发中，处理显式 VR 和隐式 VR 的方法会有所不同。以下是基于手动解析DICOM文件的示例代码，展示如何根据传输语法区别处理VR。

5.1 基本框架

public class DicomParser
{
    private string fileName;
    private bool isExplicitVR;
    private Dictionary<string, string> tags = new Dictionary<string, string>();

    public DicomParser(string filename)
    {
        fileName = filename;
    }

    public bool Parse()
    {
        if (string.IsNullOrEmpty(fileName))
            return false;

        using (BinaryReader reader = new BinaryReader(File.OpenRead(fileName)))
        {
            // 跳过前128字节预留部分
            reader.BaseStream.Seek(128, SeekOrigin.Begin);

            // 读取4字节"DICM"标识
            string dicm = new string(reader.ReadChars(4));
            if (dicm != "DICM")
                throw new Exception("非DICOM文件");

            // 读取文件元信息（Group 0002）
            ReadMetaInformation(reader);

            // 解析传输语法以确定是否显式VR
            if (tags.TryGetValue("0002,0010", out string transferSyntax))
            {
                isExplicitVR = transferSyntax.StartsWith("1.2.840.10008.1.2.1") || // Explicit VR Little Endian
                               transferSyntax.StartsWith("1.2.840.10008.1.2.2");  // Explicit VR Big Endian
            }
            else
            {
                // 默认使用隐式VR
                isExplicitVR = false;
            }

            // 解析普通数据元素
            ReadDataElements(reader);
        }

        // 生成图像或其他处理
        return GenerateImage();
    }

    private void ReadMetaInformation(BinaryReader reader)
    {
        // 示例：仅解析Transfer Syntax UID
        while (reader.BaseStream.Position < 132) // 文件元信息总是固定长度
        {
            string tag = $"{reader.ReadUInt16():X4},{reader.ReadUInt16():X4}";
            string vr = ReadVR(reader, tag);
            uint length = ReadLength(reader, vr);
            byte[] value = reader.ReadBytes((int)length);
            string valueStr = GetValue(vr, value);
            tags.Add(tag, valueStr);
        }
    }

    private void ReadDataElements(BinaryReader reader)
    {
        while (reader.BaseStream.Position < reader.BaseStream.Length)
        {
            string tag = $"{reader.ReadUInt16():X4},{reader.ReadUInt16():X4}";
            string vr = isExplicitVR ? ReadVR(reader, tag) : GetVRFromDictionary(tag);
            uint length = isExplicitVR ? ReadLength(reader, vr) : reader.ReadUInt32();

            if (tag == "7FE0,0010") // Pixel Data
            {
                // 记录像素数据长度和偏移
                // 具体处理视需求而定
                reader.BaseStream.Seek(length, SeekOrigin.Current);
                break;
            }

            byte[] value = reader.ReadBytes((int)length);
            string valueStr = GetValue(vr, value);
            tags.Add(tag, valueStr);
        }
    }

    private string ReadVR(BinaryReader reader, string tag)
    {
        if (isExplicitVR)
        {
            string vr = new string(reader.ReadChars(2));
            if (vr == "OB" || vr == "OW" || vr == "OF" || vr == "SQ" || vr == "UT" || vr == "UN")
            {
                reader.BaseStream.Seek(2, SeekOrigin.Current); // 跳过保留字段
                return vr;
            }
            return vr;
        }
        return GetVRFromDictionary(tag);
    }

    private uint ReadLength(BinaryReader reader, string vr)
    {
        if (isExplicitVR && (vr == "OB" || vr == "OW" || vr == "OF" || vr == "SQ" || vr == "UT" || vr == "UN"))
        {
            return reader.ReadUInt32();
        }
        else if (isExplicitVR)
        {
            return reader.ReadUInt16();
        }
        else
        {
            return reader.ReadUInt32();
        }
    }

    private string GetVRFromDictionary(string tag)
    {
        // 根据DICOM字典查找VR
        // 这里只是示例，实际需使用完整字典或库
        if (tag == "0028,0010") return "US"; // Rows
        if (tag == "0028,0011") return "US"; // Columns
        // 其他标签...
        return "UN"; // Unknown
    }

    private string GetValue(string vr, byte[] value)
    {
        switch (vr)
        {
            case "UI":
            case "PN":
            case "LO":
            case "SH":
            case "CS":
            case "DA":
            case "TM":
                return System.Text.Encoding.ASCII.GetString(value).Trim('\0');
            case "US":
                return BitConverter.ToUInt16(value, 0).ToString();
            case "UL":
                return BitConverter.ToUInt32(value, 0).ToString();
            // 其他VR类型...
            default:
                return BitConverter.ToString(value);
        }
    }

    private bool GenerateImage()
    {
        // 图像生成逻辑
        return true;
    }
}

5.2 使用 fo-dicom 库处理 VR

fo-dicom 是一个功能强大的C#库，用于读取、解析和处理DICOM文件。它能够自动区分显式VR与隐式VR，并处理各种复杂的传输语法和VR类型。

示例代码：
using Dicom;
using Dicom.Imaging;
using System;
using System.Drawing;

public class DicomHandler
{
    public Bitmap Image { get; private set; }
    private string fileName;

    public DicomHandler(string filename)
    {
        fileName = filename;
    }

    public bool Parse()
    {
        try
        {
            // 打开DICOM文件
            DicomFile dicomFile = DicomFile.Open(fileName);

            // 获取图像
            DicomImage dicomImage = new DicomImage(dicomFile.Dataset);
            Image = dicomImage.RenderImage().AsClonedBitmap();

            return true;
        }
        catch (Exception ex)
        {
            Console.WriteLine($"解析DICOM文件失败: {ex.Message}");
            return false;
        }
    }
}

优势：

  • 自动处理 VR：无需手动区分显式与隐式 VR，库会自动根据传输语法处理。
  • 支持多种传输语法：包括不同的压缩格式和编码方式。
  • 丰富的功能：支持图像渲染、多帧图像处理、序列解析等。

使用示例：

private void LoadDicomFile(string filePath)
{
    try
    {
        DicomHandler handler = new DicomHandler(filePath);
        if (handler.Parse())
        {
            pictureBox.Image = handler.Image;
            // 可选：显示元数据
            // DisplayMetadata(handler.Tags);
        }
    }
    catch (Exception ex)
    {
        MessageBox.Show($"解析DICOM文件失败: {ex.Message}");
    }
}

6. 实战中的考虑因素

6.1 性能与内存管理

  • 大文件处理：DICOM文件可能非常大，尤其是多帧或三维图像。需要优化内存使用，避免一次性加载全部数据。
  • 并行处理：对于多帧图像，可利用多线程并行处理，提高解析速度。

6.2 压缩与加密

  • 压缩格式：不同的传输语法支持不同的压缩算法，如JPEG、JPEG2000、RLE等。确保解析器支持所需的解压缩库。
  • 加密保护：某些DICOM文件可能经过加密或保护，解析时需处理相应的加密机制。

6.3 错误处理与验证

  • 数据完整性：验证关键数据元素的存在和正确性，避免因缺失或损坏导致的解析失败。
  • 异常捕获：在解析过程中捕获可能的异常，记录日志以便调试。

7. 总结

显式 VR（Explicit VR）与隐式 VR（Implicit VR） 在DICOM文件中的定义和区别，主要体现在是否在每个数据元素中明确指定其值的类型和格式。理解和正确处理这两种模式，是准确解析和处理DICOM文件的基础。

  • 显式 VR 更直观，适用于需要明确类型信息的场景，但会增加文件大小。
  • 隐式 VR 更紧凑，适用于传输效率要求高的场景，但解析时需要依赖外部字典。

        在实际开发中，建议使用成熟的DICOM库（如fo-dicom），以充分利用其自动区分和处理显式VR与隐式VR的能力，简化开发流程，提高解析准确性和效率。


http://www.kler.cn/a/407990.html

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