"Programowanie dla Fizyków Medycznych"/DICOM
powrót: Programowanie dla fizyków medycznych
Spis treści
Struktura plików DICOM
Prace nad ustandaryzowaniem wymiany danych graficznych pomiędzy urządzeniami medycznymi rozpoczęły się już w 1983 w ramach współpracy American College of Radiology (ACR) i National Electrical Manufactures Association (NEMA). Pierwsza wersja standardu pojawiła się dwa lata później i nosiła nazwę ACR/NEMA 300 V1.0. Wersja ta umożliwiała zapis danych w odpowiednim formacie oraz ujednolicony sposób transferu plików za pomocą sieci lub nośników zewnętrznych. W 1988 roku pojawiła się druga wersja standardu ACR/NEMA V2.0, która opierała się na ujednoliconej terminologii, strukturze informacji odpowiednim kodowaniu danych. Wraz z rozwijaniem standardów pojawiały się nowe zapotrzebowania. Ostatni oficjalna wersja to DICOM 3.0 (Digital Imaging and COmmunications in Medicine) z 1992. Standard ten jest w dalszym ciągu uaktualniany.
Dokumentacja
Standard DICOM jest zorganizowany w postaci wieloczęściowego dokumentu (Rys. %i 1) i uaktualniany corocznie w postaci Suplementów.
Obejrzyj stronę domową standardu DICOM: http://dicom.nema.org/, w szczególności: Strategic Document & Principal Contacts
Poszczególne dokumenty są poświęcone strukturze danych, sposobom kodowania, archiwizacji, wymiany informacji oraz aspektom bezpieczeństwa danych. Na zajęciach skupimy się na następujących częściach dokumentacji:
- PS 3.1: Introduction and Overview – wprowadzenie oraz informacje podstawowe na temat standardu
- PS 3.2: Conformance – definicje podstawowych zasad oraz pojęć
- PS 3.3: Information Object Definitions – definicje atrybutów czyli informatyczna reprezentacja fizycznych danych
- PS 3.4: Service Class Specifications – obsługa informatycznych reprezentacji danych
- PS 3.5: Data Structure and Encoding – struktura danych oraz sposób ich kodowania
- PS 3.6: Data Dictionary – spis wszystkich możliwych atrybutów
DICOM-Meta-Information-Header
Dane zawarte w każdym pliku DICOM podzielone są na dwie części:
- część zawierającą informacje o pliku (Dicom-Meta-Information-Header)
- dane jednego obiektu Service-Object Pair Instance (Dicom-Data-Set)
Model informacji określa format danych dla różnych typów informacji, takich jak: obrazy, przebiegi czasowe, obiekty graficzne, raporty, wydruki itp. Dane są grupowane w tematycznych zbiorach (ang. Entities) oraz podzbiorach (ang. Modules). Każdy moduł tworzony jest przez zbiór atrybutów.
- podstawowa jednostka danych: Data Element
- strumień informacji: Data Set
Data Element stanowi podstawową jednostkę danych, opisywany jest przy pomocy:
- identyfikatora elementu danych (Tag) złożonego z dwóch liczb określających: grupę (Group) oraz element grupy (Element), zapisywanych w postaci liczb heksadecymalnych,
- typu danych (Value Representation), określonego w postaci pary liter w kodzie ASCII i umożliwiającego poprawną interpretację danych,
- rozmiaru elementu (Value Length) wyrażonego w bajtach,
- informacji takich jak: nazwisko pacjenta, rozdzielczość obrazu
Strumień informacyjny (Data Set) jest uporządkowanym strumieniem elementów danych.
Zadanie 1. Na stronie http://northstar-www.dartmouth.edu/doc/idl/html_6.2/DICOM_Attributes.html można znaleźć wygodny opis możliwych pól i odpowiadających im reprezentacji danych. Na tej podstawie znajdź wyjaśnienie następujących oznaczeń:
- (0008,0020): 20120510
- (0008,0030): 101714
- (0008,0060): MG
- (0008,0070): SIEMENS
- (0008,0080): Ovarian Screening, St Barts
- (0010,0010): xxx
- (0010,0040): 0
Rozwiązanie:
- (0008,0020): 20120510 - Study Date
- (0008,0030): 101714 - Study Time
- (0008,0060): MG - Modality
- (0008,0070): SIEMENS - Manufacturer
- (0008,0080): Ovarian Screening, St Barts - Institution Name
- (0010,0010): xxx - Patient's Name
- (0010,0040): 0 - Patient's Sex
Zadanie 2. 56-letnia Janina Kowalska zgłosiła się do Centrum Onkologii z podejrzeniem nowotworu mózgu. 15 lutego 2013 roku zostało wykonanie badanie za pomocą pozytonowej tomografii emisyjnej wykonane na tomografie firmy GE. W czasie badania pacjentka leżała na prawym boku. Za pomocą odpowiednich atrybutów zapisz te informacje w formie pliku DICOM.
Rozwiązanie:
- (0010,0010): Kowalska Janina
- (0010,0040): F
- (0010,1010): 56
- (0008,0080): Centrum Onkologii
- (0008,0020): 20130215
- (0008,0060): PT
- (0008,0070): GE
- (0018,5100): HFDR
Biblioteka PyDICOM
Do obsługi: wczytywania, zmieniania, zapisywania informacji w nagłówku, jak również do pobrania pliku graficznego służy biblioteka pydicom.
Wczytaj plik w formacie DICOM, zawierający skan MRI wraz z informacjami na temat pacjenta i badania. Powstanie w ten sposób obiekt dataset typu pydicom.dataset.FileDataset.
import pydicom as dcm
filename="C:/Users/user/Documents/z_programowanie/DICOM/LADJAN_MRI/localizer - 1/IM-0001-0001.dcm"
dataset = dcm.read_file(filename)
print(dataset)
Obiekt dataset ma strukturę trochę podobną do słownika. Składa się z elementów typu pydicom.dataelem.DataElement. Do elementów można się dostać na różne sposoby: korzystając z nazwy elementu, korzystając z numeru (a ściślej krotki z dwóch numerów wypisywanych zwykle w systemie szesnastkowym).
print(dataset.StudyDate)
print(dataset[(0x8, 0x20)])
element=dataset.data_element('StudyDate')
print(element.value)
Aby dowiedzieć się, jakie elementy wchodzą w skład danego pliku dicomowskiego, można użyć metody dir. Jeśli jako argument poda się string, zostanie wypisana lista tylko tych nazw elementów, które zawierają ten string.
lista1= dataset.dir('pat')
print lista1
for de in lista1:
print(dataset.data_element(de))
Dane o pacjencie mogę pozmieniać lub usunąć.
dataset.StudeDate='20180111' #dzisiejsza data
lista2 = ['PatientAge',
'PatientBirthDate',
'PatientID',
'PatientName',
'PatientPosition',
'PatientSex',
'PatientWeight']
for de in lista2:
if type(dataset.data_element(de).value)==str:
dataset.data_element(de).value='nic'
if 'float' in str(type(dataset.data_element(de).value)):
dataset.data_element(de).value=0
Zmienioną wersję mogę też zapisać (tylko lepiej pod inną nazwą)
dataset.save_as('zmieniony.dcm')
Zadanie 1
Napisz skrypt, który otworzy wszystkie pliki z rozszerzeniem dcm, jakie są w katalogu i usunie z nich informacje osobiste.
Zadanie 2
Zaimportujmy też cv2 i numpy, aby wyświetlić zawartość obrazu.
import cv2
import numpy as np
img=dataset.pixel_array
cv2.imshow('obraz', img)
Zadanie polega na tym, aby za pomocą klawiszy zmieniać jasność wyświetlanego obrazu.
Operacje na obrazie
Przyjmijmy, że wartości pikseli będziemy mnożyć przez funkcję sigmoidalną: [math] f(x)=\frac a {(1+e^{-b(x-c)})} [/math]. Parametr a powinien być równy maksymalnej możliwej wartości piksela, a więc 255 dla obrazów 8-bitowych i 256*256-1=65535 dla obrazów 16-bitowych. Parametr c powinien zawierać się w granicach między 0 i a.
Oprócz tego możemy dokonać innych operacji. Jedną z nich jest progowanie, czyli wyświetlanie jako białych punktów o wartości powyżej progu i jako czarnych wartości poniżej progu. W tym wypadku mielibyśmy tylko jeden parametr (odpowiednik c z funkcji sigmoidalnej).
Inna operacja to mnożenie wartości przez funkcję liniową [math] f(x)=ax+b [/math], dbając o to, by wartości ujemne zostały wyzerowane, a wartości zbyt duże by przyjęły wartość maksymalną. Można do tego napisać własną osobną funkcję, lub wykorzystać funkcję np.where.
Do zmieniania wartości parametrów wykorzystamy suwaki, jakie można utworzyć w okienku obrazu opencv. Metody cv2.createTrackbar oraz cv2.getTrackbarPos pozwolą suwak utworzyć i sprawdzić jego pozycję.
import cv2
import numpy as np
def nothing (x):
pass
img=np.zeros([100, 200], dtype='uint8')
try:
#cv2.namedWindow('suwaczki')
cv2.imshow('suwaczki', img)
cv2.createTrackbar('b','suwaczki',0,255,nothing)
k=-1
while k!=27:
k=cv2.waitKey(0)
b=cv2.getTrackbarPos('b','suwaczki')
print(b)
finally:
cv2.destroyAllWindows()
Zadanie 3
Napisz klasę, która pomoże w manipulacji jasnością i kontrastem obrazu. Powinna mieć następujące własności:
- Przy tworzeniu obiekt powinien dostać przekazaną jako parametr macierz obrazu i ją zapamiętać
- Powinien mieć metody do pokazania i ukrycia osobnego okienka zawierającego suwaki odpowiednie do wybranej metody
- Powinien mieć metodę zwracającą macierz obrazu z dokonanymi na niej operacjami
Główny program powinien wyświetlać obraz, utworzyć dla niego obiekt do operacji i wywoływać odpowiednio jego metody zależnie od klawiszy naciśniętych przez użytkownika.
- Napisz funkcję sig(obraz, b, c, maks=255), która zwróci obraz przekształcony za pomocą funkcji sigmoidalnej.
- Napisz program główny, który będzie posiadał zmienne globalne b i c, i wyświetlał wczytany obraz dicomowski po przekształceniu go funkcją sig. Program powinien czekać na naciśnięcie klawisza i zależnie od tego, co było wciśnięte: albo zwiększyć lub zmniejszyć wartości b oraz c, albo się zakończyć. Wartości b i c powinny byc gdzieś wyświetlane.
- Stwórz klasę
