基于DICOM的心电工作站集成的实现研究

贺 伟，任胜兵，邱四海

（1.中南大学 软件学院，湖南 长沙 410012；2.深圳市理邦精密仪器股份有限公司 深圳 518054）

心电检查作为医院辅助检查中频率最高的检查，在医院数字化建设中却一直是缺失的一环。究其原因，主要在于设备难于连接，数据格式无法统一，业务复杂多变。在医院工作中，由于上述的非标准化使心电软件与医院HIS系统、PACS系统兼容性等方面是非常令人头痛的问题。大多数医院心电检查依然停留在单机检查、单机打印的模式，使得心电检查成为大多数医院难以解决的信息孤岛。随着医院信息化建设的不断发展和应用层次的不断深入，传统的心电检查已逐渐无法适应大量临床需求，心电信息化已势在必行。

很长一段时间以来，由于没有统一心电标准，很多心电厂商心电信息系统都采用独立的系统，与医院HIS系统、PACS系统通过接口进行交互。这样做，在一定程度可以解决心电数字化的问题，患者的检查报告、影像能够信息化、数字化。但这种独立的系统对于开发、维护、数据存储都增加了难度及工作量，并且单独存储的心电图格式DICOM标准不符，在区域医疗服务平台无法使用。本文通过在心电工作站建立DICOM通讯，可以有效解决以上问题。其中DICOM通讯包括：DICOM-ECG（心电存储文件）[1]、MWL（Modality Worklist，设备基本工作列表服务）、STORE（数据存储服务）、ECHO（测试验证服务）。以DICOM协议完成通信过程可以很好的和医院的HISPACS系统兼容[2]。完全使用PACS系统代替心电信息系统，实现心电信息存储、传输的标准化、工作的规范化，并可与其它临床系统进行信息交换和共享。因此可提高医护人员工作质量和效率，降低医疗运作成本，为医院带来极大的效益。

1 心电信息系统问题分析

1.1 单机心电数据管理系统

在现阶段，部分国内外医院都在使用传统单机心电数据管理软件进行心电检查和数据管理。这种传统心电数据管理软件设计方法其不足之处可以总结如下：

1）心电检查依然停留在单机检查、单机打印、手写报告的模式。

2）不同厂商的心电图机支持不同格式的心电文件，它们不能接收来自其它厂商心电管理系统的信息。各厂商采用不同的数据格式和标准及其实施方式进行系统开发和集成，这些数据格式只能存储在单机上，不利于医院对心电数据整理存档。

3）临床科室的工作效率不高，需人工传递报告，增加了医护人员的工作量，不利于提高医院数字化医疗的经济和社会效益。

1.2 心电信息系统

基于传统心电数据管理软件在医院信息化集成遇到的各种瓶颈，人们在探索新方法，并提出心电信息化系统，如图1。

图1 心电信息系统Fig.1 ECG information system

心电信息系统实现了对心电数字化的采集、存储和管理。心电信息系统实现各个心电工作站内部联网管理，实现了对心电数字化的采集、存储和管理。同样提高临床科室的工作效率，减轻了医护人员的工作量，有利于提高医院数字化医疗的经济和社会效益。但是心电信息系统为独立的系统，其中大部分是由医疗设备厂商提供的单个图像处理工作站，现有心电软件中数据多采用内部传输格式，独立使用这些产品时看不出问题，但连网或与其他产品共同应用时就会出现信息交换困难等问题。

2 DICOM标准

2.1 DICOM-ECG文件

DICOM-ECG作为DICOM的一部分，其存储格式遵循DICOM的文件格式[3]。DICOM使用信息对象模型来描述现实世界的对象信息，图2为ECG的常规心电波形IOD信息模型。一个信息模型分为4个层次：Patient（患者）处于最顶层，表示一个DICOM文件只属于唯一的一个病人；Study（检查）处于下一层，“1，n”表示1对n的关系，即一个Patient可以有多个Study；接下来是Series（序列，即检查得到的序列）层，最后是Waveform（波形，包含在序列里）层。

1）Patient—患者：整个信息模型的最顶层，有且只有一个Patient。存储患者信息，如患者姓名、性别、ID等。

2）Study—检查：存储检查基本信息，例如检查 UID、检查时间、检查ID等。

3）Series—序列：存储序列基本信息，例如形态（Modality）、序列 UID、序列号等。

4）Frame of Reference—参考系：记录各导联数据采集时是否同步。

图2 常规心电波形IOD信息模型Fig.2 General ECG waveform IOD Information model

5）Equipment—设备：存储设备制造商相关信息，例如制造商名称、设备型号等。

6）Waveform—波形：存储波形数据相关信息，如采样率、采集时间、波形数据等。

2.2 DICOM网络通信

DICOM协议主要包括3个部分：DICOM服务类（面向医学图像的应用）、DIMSE （消息服务元素）、ULP（基于TCP/IP的DICOM上层协议）。其中前两部分对应于OSI模型的应用层，主要用于消息交换；ULP对应于OSI模型的表示层和会话层，主要负责为消息交换提供表示和关联控制服务。

DICOM协议中，两个应用实体间通信用于信息交换的连接称为“关联”。在DICOM通信过程中，首先进行关联协商，确定传输的数据类型和信息的编码方式等；协商成功，“关联”建立后，才能进行数据传输，实现不同的通信功能；数据传输结束后，释放“关联”。 DICOM标准提供的网络通信理论模型框架如图3。

图3 DICOM网络通信实现模型Fig.3 DICOM network communicate model

1）关联协商和关联建立

关联协商的目的是为了通信双方在编码方式和数据类型等方面达成一致，为数据传输做好前提准备。如果关联建立失败，说明通信的必要条件还没有达到。DICOM关联协商的主要内容包括[4]：Application Context（应用层上下文）：定义了Application Service Elements（应用服务元素集合）、相关操作以及建立关联的双方互操作所必须的其它信息。Presentation Context（表示层上下文）：主要包含三部分内容：抽象语法名、Presentation Context UID、传输语法名列表。其中抽象语法就是将要操作的信息对象IOD；传输语法名列表用来规定各种消息编码的方式和规则。SCU/SCP（角色协商）；SCU（Service Class User）指服务类的客户机，而 SCP（Service Class Provider）是指服务类的服务器。关联过程中，还有其它必要信息需要协商，如最大PDU的长度、异步操作（子操作）窗口协商、服务对象对类扩展协商等等。

2）数据传输

在通信双方协商成功，并且建立关联以后，数据传输是通过P-DATA所提供的服务来进行。DICOM标准中定义了11种通信服务类，心电信息化集成使用的服务有C-ECHO（验证服务）、C-STORE（存储服务）以及 C-FIND（查询服务），下面以C-STORE为例来说明医学图像传输的流程。CSTORE服务定义了两个对等的应用实体完成对一个复合SOP实例（服务对象对）进行存储的服务。其中一方应用实体作为SCU方，另一方作为SCP方，双方通过DIMSE提供的Service Primitive（服务原语）进行对话，最终实现ECG波形图像的传输工作。

3）关联终止

在DICOM通信过程中，通信双方都有可能中断或关闭关联，即关联终止，其有两种方式：关联正常终止：通信过程中，数据传输结束后，SCU方将协商信息封装成ARELEASE-RQ PDU（连接释放请求协议据单元）并发出，SCP方在收到该PDU后，发出A-RELEASE-RSP PDU（连接释放响应协议数据单元），关联被成功释放；关联非正常终止：通信过程中，一方因某种原因（如断电、网络超时等）而造成关联断开时，可以通过A-ABORT服务来终止关联，同时要把异常出错的原因记录在日志文件，以供诊断和维护。

3 基于DICOM的心电工作站

基于目前单机心电数据管理软件和心电信息系统与医院PACSHIS系统的集成不够完善，并且随着DICOM标准在我国的深入和发展，支持DICOM标准的心电工作站因此有着广阔的前景。各生产厂家都非常重视这方面的研究、开发和利用。我国心电工作站DICOM标准化工作处于起步阶段，图像存储传输格式也没有实现标准化，我国的医疗器械开发、生产部门都十分重视这个发展趋势。

虽然DICOM标准在2001就加入了对波形的支持，但很少有厂家在实际心电工作站中采用DICOM来与PACS系统对接[5]。经过DICOM协议图像方面的广泛研究和应用，各大医院都有了非常完善的PACS系统，并逐步支持心电DICOM数据的接入，以目前医疗机构中广泛建立的PACS为基础，本文采用国际标准DICOM来实现心电工作站与PACS系统通讯，实现心电信息化集成。心电工作站信息化集成具体流程如图4。

图4 DICOM心电工作站Fig.4 DICOM ECG workstation

首先，心电工作站通过DICOM WORKLIST服务，可以查询PACSHIS系统，并把病人预约信息下载到本地。其次，对病人进行心电波形的采集和诊断。最后，把心电波形数据生成DICOM-ECG格式文件，可以通过DICOM打印服务进行报告打印，同时通过DICOM STORE服务把心电报告回传到PACSHIS系统，进行存储归档。

从图中可以看出心电工作站以DICOM服务实现了与PACS系统对接，实现了对心电数字化的采集、存储和管理。应用PACS系统将可为患者节约大量时间，同时提高医院的医疗水平。影像资料永久保存，有利于教学工作的开展。同时，相比现有心电信息系统，心电信息化集成后，可以省去心电信息管理系统和心电数据存储服务器，有利于提高医院的经济和社会效益。

4 DCMTK及心电工作站的实现

4.1 DCMTK简介

本系统所使用德国OFFIS（计算机科学学会）提供的开发包DCMTK（DICOM Tool Kit）。它是一套针对DICOM标准的开源代码包，用C++和ANSIC混合编程，实现了DICOM标准的绝大部分功能，并且提供了完整的源代码[6]。DCMTK支持Windows、Linux等操作平台，用户可以根据自己的需要选择合适的平台和编译器进行编译。目前，全球有许多家公司和医院都在使用DCMTK开发包，它为主流的DICOM开发包之一。

DCMTK是由一组和DICOM标准相关的软件库和应用程序组成，它包含了大量的子程序包。本文所用的程序包主要为Dcmdata包和Dcmnet包。Dcmdata它是一个DICOM数据编码/解码库，这个模块包含了一些类用来管理DICOM数据结构和文件。同时，它提供了对DICOMDIR文件的支持以满足DICOM Media Storage（介质存储）的需要。Dcmnet模块的主要接口全部包括在头文件assoc.h和dimse.h定义的大量结构和函数中。其中，assoc.h中定义的函数主要用于为DICOM应用提供关联管理服务，它的成员函数均以ASC_作为前缀。而dimse.h中定义的函数主要用于提供消息交换层（DIMSE）的服务。

4.2 心电工作站的实现

本文使用的是DCMTK3.6.0版本，并使用构建工具CMake来构建项目工程。通过使用深圳市理邦精密仪器股份有限公司提供的心电数据，在DCMTK提供的类DcmItem下的PutAndInsertString（）等函数按照DICOM数据字典中各个数据元素的组标记和元素标记对相应的Tag进行填充，再通过DcmFileFormat类对生成的文件保存，得到一个基本的DICOM-ECG文件。

使用Dcmnet程序包来实现DICOM通讯。在完成上层协议编码处理后，可以调用DCMTK函数接口进行网络连接实现[7]。首先设置调用和被调用实体标题、服务器端口、服务器IP地址等。然后初始化网络连接：SCU（客户端用户）通过InitNetwork（）调用 ASC_InitializeNetwork（）初始化网络连接。然后设置关联必要信息和添加表示层上下文内容，使用ASC_requestAssociation（）请求建立关联，最终建立通讯关联。在关联建立完成后，需要添加DICOM服务消息，以C-FIND服务和C-STORE服务为例说明DICOM通讯过程。对CSTORE数据和消息的通讯接口的调用，过程如图5。

图5 C-STORE服务控制流图Fig.5 C-STORE services control-flow

首先，心电数据加载。利用DcmFileFormat类加载需要传输的DICOM-ECG文件，获取DICOM-ECG数据集指针，然后再按照DICOM数据字典获取DICOM-ECG文件中相对应组号的元素值。根据心电General ECG Waveform Storage传输语法的数据元素值进行准备需要传输的数据。其次，心电数据打包。通过DIMSE中的DIMSE_StoreUser（）建立 C-STORERQ消息；通过调用DUL层的DUL_WritePDVs（）把要发送的消息加入PDV（数据值）列表；然后分析应用实体对应的状态，并确定调用相对应的处理函数；通讯建立后，SCU获得A-ASSOCIATE-AC消息后会进入数据传输状态；接着执行DT_1_SendPData（）把传输数据写入PDU（协议数据单元）中。最后，心电数据传输。通过建立好关联的TCP通道把PDU发送到SCP端。传输完毕后还要通过ASC_ReleaseAssociation（）释放建立的连接。

对C-FIND数据和消息同通讯接口的调用，实现WorkList服务，过程如图6：

图6 C-FIND服务控制流图Fig.6 C-FIND services controlz-flow

首先，初始化查询参数。按照DICOM数据字典中各个数据元素的组标记和元素标记，把查询参数处理成带有组标记和元素标记的DICOM数据格式。其次，递交查询。通过DIMSE中的DIMSE_FindUser（）建立 C-FIND-RQ消息；数据打包和传输部分与C-STORE过程相同。最后，获取查询返回数据。查询到数据后，通过调用DIMSE_receiveCommand（）函数来响应C-STORE-RSP请求，然后把查询到的数据存放在内存中。保存完所有返回数据后，还要通过ASC_Release Association（）释放建立的关联。

5 结 论

基于DICOM的心电工作站改变了以往心电信息系统过于独立的设计思路，充分利用HIS、PACS系统等发展相当成熟的、医疗信息化必备的基础环境。本论文主要解决了心电工作站设备与医院HIS系统、PACS系统的兼容问题以及心电图像DICOM标准化问题，实现了心电信息化集成。其解决方案设计思想对于其他影像设备的接口问题和医学图像[8]DICOM标准化问题具有重要的参考意义。论文成果已运用在深圳市理邦精密仪器股份有限公司心电工作站产品上，并在意大利、捷克、香港等医院心电科正常运行使用，具有实际使用价值，为心电设备的数字化、医学图像DICOM标准化做了有实用价值的研究工作，对医学影像技术的研究具有重要意义。

[1]Bond RR，Finlay DD，Nugent CD，et al.A review of ECG storage formats[J].Int J Med Inform，2011（80）:683-683.

[2]Hsieh JC，Yu KC，Lo HC，et al.DICOM-Based 12-lead ECG gateway and browser under the clinically-used information system:United States，US20090299771A1[P].2009-12-3.

[3]Hilbel T，Brown BD，de Bie J，et al.Innovation and advantage of the DICOM ECG standard for viewing，interchange and permanent archiving of the diagnostic electrocardiogram[J].Computers in Cardiology，2007（34）:633-636.

[4]NationalElectricalManufacturesAssociation （NEMA）．Digital Imaging and Communications in Medicine（DICOM）[M].USA:Rosslyn， Vriginia，2007．

[5]de Wijs MCJ，van Ettinger M，Meij SH，et al.Integration of multiple ECG databases into a unified framework[J].Computers in Cardiology，2005（32）:447-450.

[6]Eichelberg，M.， J.Riesmeier.Ten years of medical imaging standardization and prototypical implementation:the DICOM standard and the OFFIS DICOM toolkit（DCMTK）[J].Medical Imaging 2004:57-68.

[7]李少辉.DICOM标准下安全传输策略研究和实现 [D].杭州：浙江工业大学，2012.

[8]李永毅，钟雪丽.基于挂片协议的医学影像显示系统架构[J].电子科技，2012（1）:81-84.LI Yong-yi，ZHONG Xue-li.The medical image display system based on agreement of architecture[J].Electronic Science and Technology，2012（1）:81-84.