基于面向對象的醫院數字化影像信息模塊的設計與實現

0數字影像管理和通信先進醫療設備的使用隨著信息的變化而不可避免。在醫療行業，醫院也迫切需要進行數字建設。PACS(picturearchvingandcommunicationsystem)系統面向醫院的數字化影像的管理和通信,極大地提高了醫院影像服務質量和效率。DICOM(digitalimagingandcommunicationofmedical)是PACS系統里的一個重要的標準,目前國內外大多數先進的醫療設備,如CT(斷層掃描),MR(核磁共振)等,都支持這一標準。本文介紹面向對象的方法及DICOM標準,進而描述用面向對象的方法設計實現DICOM通信模塊。1類類—面向對象的軟件開發方法面向對象的程序開發首先要建立和具體問題中的主要元素相對應的軟件對象,通過對這些對象的組合來創建具體的應用。這些對象反映了不同的抽象層次,在C++中這種抽象被稱為類。類在程序運行時被實例化為對象。面向對象程序開發的另一個重要原則是概念逐步細化,這樣就可以使用繼承機制,形成層次結構。子類既重用了父類的代碼,又產生了新的功能。面向對象的程序設計方法通過增加軟件可擴充性和可重用性,能夠控制維護軟件的復雜性和軟件維護的開銷,使軟件的設計更緊密地影響著它的實現。面向對象的程序開發既與傳統的面向過程的程序開發有相似之處,又有它自己的規律性。概括起來,有以下幾點:1了解醫院工作流程,建立概念對問題域進行功能分析,提出待解決問題。對于PACS系統來說,在這一階段要深入了解醫生工作習慣、醫院工作流程,設備環境等,并建立相關的概念模型(概念及概念間的聯系)。面向對象的分析結果將直接約束設計過程及產品功能。2程序的框架設計這一階段從整體的角度,對一個應用程序的框架進行設計。在明確了要解決的問題后,對將要開發的應用系統進行類的劃分,確定所需要的各個類模塊。3生存期在整個類上的應用這一階段具體化每個類。應用程序的設計主要就是類的設計,這個階段貫穿于整個類的生存期。DICOM標準中對所需要的類已經進行了較詳細的劃分,如信息對象的定義,服務類的說明,通信原語的定義等(這些將在稍后介紹),但仍需針對具體應用進一步細化。4塊的主要工作這一階段是對問題的最后解決,要作DICOM通信模塊的主要工作。在已經建立了的類的基礎上,用代碼實現對象實例,實例之間的通信可以通過把引用從一個對象傳遞到另一個對象來建立。這一部分和類的設計是交叉的。5影響測試階段的因素本階段把系統組裝成一個完整的應用來進行測試,前幾個階段的結果會影響到這一階段調試所花費的時間和精力。應盡量隔離單個操作,直到系統已較完整時,再組裝調試。6dico通信系統的研究面向對象的繼承機制使得維護工作相對容易,如果結構設計合理,對于大部分的維護工作,一般都發生在類級。使用面向對象方法開發DICOM通信系統,分析和設計結果很自然地同DICOM標準對信息對象和通信服務的定義一致。因此分析和設計得到的模型在以后的設計和實現中沒有質的變化,只有補充和完善,是一個穩定的模型。這種模型的穩定性,對于一個開放性的PACS系統很重要,它便于以后系統的擴充或集成。2促進了醫療數字影像信息的傳輸PACS系統的基本任務是在設備之間傳輸影像等信息,美國放射學會和國際電子制造商協會專門為此制定了DICOM標準,現已為國際所承認。標準的建立極大地推動了不同廠商的醫療數字影像信息的傳輸與交換,實現了異地、異構診斷資料庫的共享。支持DICOM協議已成為今后PACS系統的基本特征。以下介紹DICOM標準里的主要部分。2.1dico信息模型DICOM標準將要傳輸的信息抽象為信息對象定義,它包括了與實際醫學影像相關的所有必要信息,并建立了信息實體之間的關系模型。同時定義了可以為這些信息實體進行何種服務——服務類別。因此,DICOM標準能夠方便地描述醫學實踐中的事物如病人、報告、圖像及它們之間的關系。在信息模型中,DICOM協議定義的最高層次是服務類,每個服務類可包含多個服務對象對(SOP),信息實體定義包含了大量的相關屬性。圖1清晰地給出了SOP、IOD之間的關系(信息實體定義和服務類之間的關系)。2.2服務實體概念DICOM對可以為信息對象提供的服務進行了分類定義,這些服務可以用下層的服務原語和信息對象共同實現。服務類涉及到一些重要的概念,如應用實體。應用實體是指一個具體的DICOM應用程序;服務類,服務類是對現實中要執行的任務的抽象概括,它包括作用于信息對象的命令及結果,如存儲、打印、查詢等。DICOM服務類提供客戶/服務角色,通過網絡要求DICOM服務的應用實體稱為服務類使用者(SCU)。提供DICOM服務的應用實體稱為服務類提供者(SCP)。2.3信息交換以上的定義為信息交換做了準備,下面介紹信息交換是怎樣進行的。1di機構通信osi首先介紹一下DICOM標準中應用實體及相互間通信的整體結構。服務類作為應用實體的最高級別,被應用于信息對象,和信息對象一起組成服務對象對類(SOP)。然后通過DICOM消息服務元素(DIMSE),將SOP傳送到下層,下層的網絡環境對DIMSE提供支持,使用P-DATA服務(將在下面介紹)將消息發送給網絡中的另一個應用實體。另一個實體中再通過相反的過程最終將消息傳達給用戶。這是DICOM通信的主要部分。另外,在進行消息傳輸之前,還需要一個建立聯結的過程。應用實體首先進行聯系商議,為下一步數據傳輸選擇合適的參數,再通過網絡環境的上層聯系服務(ACSE),將聯系參數發送給另一個實體,該實體對其響應并發送響應,收到響應后就建立了聯系,可以在該聯系上進行消息傳輸。OSI上層服務邊界允許對等應用實體確立聯系,傳送消息并終止聯系。在這一邊界上,DICOM采用了OSI標準(表示服務由聯系控制服務元素ACSE擴大)。這是一個簡單的服務,它將DICOM應用層和通信支持層使用的一些專門協議分隔開。DICOM提供了三個通信選擇:——一個OSI協議的最小集合,包括全雙工會話內核、表示內核和ACSE。這減少了維持與OSI協議標準完全一致時的上層開銷。——一個擴大了TCP/IP的上層協議。當它提供與OSI協議族所提供的相同的服務和功能時,它結合了OSI的上層協議成為一個易于執行的單獨協議。——與前面版本的標準兼容的點到點協議族。現通常選擇基于TCP/IP的上層協議。2icp服務類使用者在DICOM中,應用實體是一個DIMSE服務用戶,它可以作為一個SCU(服務類用戶)或SCP(服務類提供者)角色。它們之間發送消息,SCU接收通知或提出請求,SCP發出通知或接受請求,執行后發出響應。一個消息由一個命令集后跟一個可選的數據集組成,DICOM規定了這些消息的結構,一個命令集由命令元素構成,命令元素由標簽,數值長度和數值字段構成。3dimseDIMSE通信服務的輸入是SOP類,輸出是下層P-DATA服務的輸入,DIMSE相當于一個中間層。每種服務都有原語:請求原語、指示原語、響應原語和證實原語。可以是這四種之一,由圖2所示。有的服務原語可能會帶有幾個子操作原語,在多個聯結上完成整個服務過程。2.4網絡支持信息交換以下簡要介紹為實現上述DIMSE服務而必須首先執行的A-聯系服務,由此建立ASSOCIATION聯結。1實體間表達促進釋放的編碼是什么?聯系確立是在任意DICOM應用實體間建立通信實例的第一步。應用實體使用聯系確立商議數據如何被編碼以及交換什么數據類型。和上圖類似,它具有四個原語:聯系請求、聯系指示、聯系響應和聯系證實。實體間可以正常斷開聯結也可以單方面終止,正常釋放通過4個原語:A-釋放請求、A-釋放指示、A-釋放響應和A-釋放證實。在聯系確立后,DIMSE服務仍然要使用聯系服務的P-DATA服務傳送消息。2提取信息的抽象語法由來聯系商議的內容主要有三個:應用上下文、表示上下文和用戶信息項。一個應用上下文是一個由“.”分隔的字符串,兩個應用實體通過同意一個應用上下文,確立一個聯系。表示上下文定義了一個聯系上的數據的表示。它提供了一個較低層的商議,每個聯系可以提供或接受一個或更多表示上下文。一個表示上下文由三部分組成:表示上下文ID,抽象語法名稱和一系列一個或更多傳送語法名稱。當有多個表示上下文ID時,它是從1開始遞增的奇數。在一個具體的聯系上通過表示上下文ID識別表示上下文。為每個表示上下文只應提供一個抽象語法。然而,每個表示上下文可以提供多個傳輸語法,但只應有一個被接受。DICOM應用實體使用抽象語法名稱以識別和商議一個具體的聯系上支持哪個SOP類和相關選項。抽象語法名稱是一個以“.”分隔的字符串。每個被SOP類UID識別的SOP類,被一個信息對象定義(IOD)和具體的一系列一個或更多被稱為DIMSE服務組(DSG)的DIMSE服務的聯合所定義。這是因為:——IOD定義了數據結構;——DSG定義了能在這數據結構上執行的操作或通知。傳輸語法定義了一系列用于明確表示一個或更多抽象語法的編碼規則,每個表示上下文可以提供多個傳送語法,但只應有一個被接受。傳輸語法是一系列編碼規則,它能明確地表達一個或多個抽象語法定義的數據元素。傳輸語法的商議允許通信應用實體為它們所能支持的編碼技術(例如:字節順序,壓縮等)達成一致。通過使用ACSE用戶信息項,對等的DICOM應用實體商議許多與DIMSE協議有關的因素。如應用協議數據單元的最大長度,執行身份識別,異步操作的商議,SCP/SCU角色商議,SOP類擴展商議等參數,這些是ASSOCIATE服務中的可選項,更細內容可察看DICOM標準,這里就不再詳述。3dico通信模塊的設計可以看出,DICOM標準本身就是一種開放性的,面向對象的標準。所以使用面向對象的程序開發思想實現PACS系統符合編程者的思維模式,也符合問題域的結構形式。這里主要闡述DICOM通信模塊的高層設計和類的設計。通信模塊涉及到DIMSE服務,ASSOCIATE聯結和要傳輸的數據對象這三類概念,它們相對獨立,因此通信部分可以劃分以下三類。3.1客戶機+平臺dimseCDICMMSGTRANS的基本功能是在網絡上發送請求,接受請求,發送響應和接受響應。每個DIMSE服務都應有這四種功能,即函數,它們分別對應DIMSE服務的四種原語。根據SOCKET編程的原理,這里以面向連接的方式進行通信。客戶機需要Connect函數,服務器需要Listen函數和Accept函數,前者用于偵聽,后者要返回一個新的CDICMMSGTRANS對象,以處理接收到的數據。任何一端可以提出釋放請求,得到對方響應后,釋放連接。程序中使用該類的過程是這樣的:先建立CDICMMSGTRANS對象,然后服務器開始偵聽,客戶機發生連接請求,服務器接受請求后,建立新的CDICMMSGTRANS對象。這時,底層的SOCKET連接已建立起來,但尚未進行聯系商議,也不能發送DIMSE消息。所以在這個對象中,先進行聯系商議,然后進行實體間的DIMSE消息通信,這都要用函數實現四種原語。關閉連接時調用釋放請求函數,對等實體對此響應,收到響應后連接被釋放。3.2cdicmassociate實現在進行聯系商議時,可以將商議的內容作為一個類來處理,即ASSOCIATE類。該類將商議的內容作為數據成員進行封裝。還應附加上訪問這些數據成員的函數。在SOCKET連接建立后,應進行聯系商議,建立CDICMASSOCIATE對象,并設置該對象數據,初始化完成后,以指向該對象的指針作為參數,通過已經建立的SOCKET連接,客戶端用AssociateSend()函數將對象發出,服務器端用AssociateRecieve()函數接收該對象,并發回響應ResponseSend(),客戶端接收響應RespnseRecieve()。成功后,聯系就確立下來,可以在此基礎上繼續使用CDICMMSGTRANS類的函數發送和接收DIMSE消息。3.3cdicmdatbwell發送DICOM消息時,一般都是對一定的SOP類和SOP實例進行操作。所以它們必然會作為參數被發送和接收。和實現ASSOCIATE連接的思想類似,這里也把DICOM文件按一定格式封裝到一個類的對象中,然后以該對象的指針作為參數收發DICOM文件,標記此類為CDICMDATABLOCK。封裝時,為了能更方便的處理信息,應有成員函數能對指定的參數進行訪問。在服務器端,保存數據時,就能把這些參數取出放到數據庫