Стандарт DICOM

Формат стандарта DICOM: структура, функции и физико-технические аспекты

Основные принципы и назначение DICOM

DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) — международный стандарт для передачи, хранения, обработки и визуализации медицинских изображений. Он обеспечивает совместимость между различными медицинскими устройствами (МРТ, КТ, УЗИ, ПЭТ и др.), системами визуализации, архивами и программным обеспечением, независимо от производителя.

В основе DICOM лежит строго определённый формат файла, в котором изображение сопровождается метаинформацией (т. н. DICOM header), включающей параметры пациента, данные исследования, характеристики сканирования и многое другое. Кроме формата файлов, стандарт описывает протоколы сетевого взаимодействия (на основе TCP/IP), что позволяет передавать изображения между рабочими станциями, серверами и системами хранения PACS (Picture Archiving and Communication System).

Структура DICOM-файла

Файл DICOM содержит два основных компонента:

Pre-amble и DICOM Prefix Первые 128 байт зарезервированы под “pre-amble” (часто заполняется нулями). Далее следует сигнатура “DICM”, указывающая, что файл принадлежит формату DICOM.
Элементы данных (Data Elements) Каждый элемент данных имеет следующую структуру:
- Tag — уникальный идентификатор (в формате (XXXX,YYYY));
- VR (Value Representation) — тип представления значения (например, PN — имя пациента, DA — дата, UI — уникальный идентификатор);
- Length — длина значения;
- Value Field — само значение (например, имя пациента, матрица пикселей изображения и т.д.).

Элементы данных организованы по иерархии и могут быть сгруппированы в структуры: Patient, Study, Series, Image Instance, каждая из которых включает определённый набор атрибутов.

Особенности хранения изображений

В DICOM предусмотрено несколько способов кодирования изображений:

Raw Pixel Data — необработанные данные, полученные с детектора;
Compressed Data — JPEG, JPEG2000, RLE и др., при этом сохраняется возможность декомпрессии с восстановлением структуры DICOM;
Multi-frame DICOM — поддержка видеофайлов и динамических исследований (например, эхокардиография, ангиография).

Физические характеристики изображений, такие как разрешение, размер пикселя, шаг между срезами, битность и контрастность, указываются в заголовках. Это критически важно для количественного анализа и последующего применения алгоритмов сегментации и реконструкции.

DICOM как протокол сетевого взаимодействия

Сетевой протокол DICOM основан на модели клиент-сервер и предполагает несколько сервисов (SOP Classes), среди которых:

C-STORE — передача изображения;
C-FIND — поиск исследования или пациента;
C-MOVE / C-GET — запрос на перемещение или получение изображения;
C-ECHO — проверка соединения (аналог ping).

Взаимодействие устройств и серверов происходит на основе AE Title — уникальных идентификаторов приложений. Стандарт определяет также уровни безопасности, включая использование TLS для шифрования передаваемых данных.

Идентификация, безопасность и анонимизация

Каждое DICOM-изображение сопровождается метаданными, содержащими чувствительную информацию. Ключевые поля: имя пациента, номер истории болезни, дата рождения, время проведения исследования. Для соблюдения требований конфиденциальности (в частности, стандартов HIPAA и GDPR), при передаче и архивировании изображений может использоваться процедура анонимизации:

Удаление или замена идентификаторов (de-identification);
Использование псевдонимизации и хэширования;
Применение DICOM Confidential или DICOM Supplement 142 для структурированной анонимизации.

Интеграция DICOM с PACS и RIS

DICOM тесно интегрирован с другими стандартами в области медицинской информатики:

PACS — используется для архивирования и распределения изображений. Обеспечивает быстрый доступ, многопользовательский режим, уровни доступа;
RIS (Radiology Information System) — система управления радиологическими исследованиями, связана с DICOM через Modality Worklist и Modality Performed Procedure Step, автоматизируя процессы ввода данных;
HL7/DICOM Bridge — интерфейс для передачи клинической информации между DICOM и системами электронных медицинских записей (EMR/EHR).

Физические параметры, контролируемые в DICOM

С точки зрения медицинской физики, стандарт DICOM играет ключевую роль в обеспечении достоверности и воспроизводимости данных:

Pixel Spacing и Slice Thickness — позволяют определить масштаб изображения;
Rescale Intercept и Rescale Slope — используются для пересчета значений пикселей в физические параметры (например, в единицы Хаунсфилда в КТ);
Image Orientation (Patient) и Image Position (Patient) — определяют расположение изображения в трехмерном пространстве относительно тела пациента;
Exposure Time, kVp, mAs, Dose Length Product — параметры дозиметрии, важные для оценки облучения пациента.

DICOM также поддерживает хранение структурированных отчетов (Structured Reports, SR), включающих числовые данные, измерения, схемы аннотирования и графические метки, связанные с изображением.

Расширения стандарта и поддержка новых технологий

DICOM непрерывно развивается, включая новые модули и дополнения (Supplement), в том числе:

DICOM for Pathology — адаптация под цифровую патологию;
Whole Slide Imaging (WSI) — работа с изображениями высокого разрешения с большим числом зумов;
DICOMweb (WADO-RS, QIDO-RS, STOW-RS) — RESTful-интерфейсы для доступа к DICOM-данным через веб-протоколы, включая работу с мобильными и облачными системами;
DICOM-RT — расширение для хранения и обработки данных лучевой терапии: дозные распределения, контуры мишеней и критических структур, планы облучения.

Качество изображений и тестирование оборудования

Контроль качества изображений и технического состояния оборудования невозможен без учета информации, содержащейся в DICOM:

Мониторинг стабильности и разрешающей способности через регулярный анализ DICOM-изображений фантомов;
Сравнение параметров облучения (DICOM Dose Report) — необходимо для оптимизации дозовых нагрузок;
Аудит и трассировка операций — благодаря сохранению истории действий с изображением и метаданных в DICOM-логах.

Важным направлением является также использование DICOM для машинного обучения и искусственного интеллекта. Метаданные DICOM-контейнера позволяют точно интерпретировать контекст изображения, улучшая качество обучения моделей и обеспечивая возможность последующего клинического внедрения.

Заключение

Стандарт DICOM представляет собой сложную, но исключительно мощную систему описания и обмена медицинскими изображениями, критически важную для современной медицинской физики, диагностической визуализации и информационных технологий здравоохранения. Глубокое понимание его структуры, сетевых взаимодействий, физических параметров и методов анонимизации — необходимое условие для грамотной клинической практики, научных исследований и технического сопровождения медицинских систем.