Dicom格式文件解析器

Dicom全稱是醫學數字圖像與通訊，這裏講的暫不涉及通訊那方面的問題只講*.dcm 也就是diocm格式文件的讀取，讀取本身是沒啥難度的無非就是字節碼數據流處理。只不過確實比較繁瑣。
好了正題

分析

整體結構先是128字節所謂的導言部分，說俗點就是沒啥意義的破數據跳過就是了，然後是dataElement依次排列的方式就是一個dataElement接一個dataElement的方式排到文件結尾通俗的講dataElement就是指tag 就是破Dicom標準裏定義的數據字典。tag是4個字節表示的前兩字節是組號後兩字節是偏移號比如0008,0018。所有dataElement在文件中都是按tag排序的比如0002,0001 0002,0002 0003,0011
文件整體結構如下：

又把論文裏的這圖貼上來總結的很好。單個dataElement的結構如下：

顯示VR：VR爲OB OW OF UT SQ UN的元素結構

組號	元素號	VR	預留	值長度	數據元素值
2	2	2	2（0x00,0x00）	4	由數據長度決定

顯示VR：VR爲普通類型時元素結構（少了預留那一行）

組號	元素號	VR	值長度	數據元素值
2	2	2	4	由數據長度決定

隱式VR 時元素結構

組號	元素號	值長度	數據元素值
2	2	4	由數據長度決定

要問VR是啥東東，值表示法啥叫值表示法啊俺不懂 int string short ushort 懂不就是這個意思，Dicom標準真坑爹非要整個怪怪的概念。
VR總共27個跟c#值類型對應關係我都寫好了：

 1 string getVF(string VR, byte[] VF)
 2 {
 3     string VFStr = string.Empty;
 4     switch (VR)
 5     {
 6         case "SS":
 7             VFStr = BitConverter.ToInt16(VF, 0).ToString();
 8             break;
 9         case "US":
10             VFStr = BitConverter.ToUInt16(VF, 0).ToString();
11 
12             break;
13         case "SL":
14             VFStr = BitConverter.ToInt32(VF, 0).ToString();
15 
16             break;
17         case "UL":
18             VFStr = BitConverter.ToUInt32(VF, 0).ToString();
19 
20             break;
21         case "AT":
22             VFStr = BitConverter.ToUInt16(VF, 0).ToString();
23 
24             break;
25         case "FL":
26             VFStr = BitConverter.ToSingle(VF, 0).ToString();
27 
28             break;
29         case "FD":
30             VFStr = BitConverter.ToDouble(VF, 0).ToString();
31 
32             break;
33         case "OB":
34             VFStr = BitConverter.ToString(VF, 0);
35             break;
36         case "OW":
37             VFStr = BitConverter.ToString(VF, 0);
38             break;
39         case "SQ":
40             VFStr = BitConverter.ToString(VF, 0);
41             break;
42         case "OF":
43             VFStr = BitConverter.ToString(VF, 0);
44             break;
45         case "UT":
46             VFStr = BitConverter.ToString(VF, 0);
47             break;
48         case "UN":
49             VFStr = Encoding.Default.GetString(VF);
50             break;
51         default:
52             VFStr = Encoding.Default.GetString(VF);
53             break;
54     }
55     return VFStr;
56 }

找個dicom文件在十六進制編輯器下瞧瞧給你整明白：

所有dataElement從前到後按tag又可簡單分段：

文件元dataElement	不受傳輸語法影響總是以顯示VR方式表示因爲它裏面就定義了傳輸語法
普通dataElement	受傳輸語法影響顯示VR表示方式還是隱式VR表示方式
像素數據dataElement	最重要也是最大的一個數據項其實存儲的就是圖像數據

幾個特殊的tag很重要前面說過了tag就是dicom裏定義的字典。文件元dataElement 和跟像素數據相關的dataElement 都很重要，其他的很多如果全部照顧完的話估計得寫上千行switch語句吧，所以沒有必要一般我們一般只抓取關鍵的tag。並且在隱式語法下要確定VR也必須根據字典來確定
關鍵的tag如下：

  1 string getVR(string tag)
  2 {
  3     switch (tag)
  4     {
  5         case "0002,0000"://文件元信息長度
  6             return "UL";
  7             break;
  8         case "0002,0010"://傳輸語法
  9             return "UI";
 10             break;
 11         case "0002,0013"://文件生成程序的標題
 12             return "SH";
 13             break;
 14         case "0008,0005"://文本編碼
 15             return "CS";
 16             break;
 17         case "0008,0008":
 18             return "CS";
 19             break;
 20         case "0008,1032"://成像時間
 21             return "SQ";
 22             break;
 23         case "0008,1111":
 24             return "SQ";
 25             break;
 26         case "0008,0020"://檢查日期
 27             return "DA";
 28             break;
 29         case "0008,0060"://成像儀器
 30             return "CS";
 31             break;
 32         case "0008,0070"://成像儀廠商
 33             return "LO";
 34             break;
 35         case "0008,0080":
 36             return "LO";
 37             break;
 38         case "0010,0010"://病人姓名
 39             return "PN";
 40             break;
 41         case "0010,0020"://病人id
 42             return "LO";
 43             break;
 44         case "0010,0030"://病人生日
 45             return "DA";
 46             break;
 47         case "0018,0060"://電壓
 48             return "DS";
 49             break;
 50         case "0018,1030"://協議名
 51             return "LO";
 52             break;
 53         case "0018,1151":
 54             return "IS";
 55             break;
 56         case "0020,0010"://檢查ID
 57             return "SH";
 58             break;
 59         case "0020,0011"://序列
 60             return "IS";
 61             break;
 62         case "0020,0012"://成像編號
 63             return "IS";
 64             break;
 65         case "0020,0013"://影像編號
 66             return "IS";
 67             break;
 68         case "0028,0002"://像素採樣1爲灰度3爲彩色
 69             return "US";
 70             break;
 71         case "0028,0004"://圖像模式MONOCHROME2爲灰度
 72             return "CS";
 73             break;
 74         case "0028,0010"://row高
 75             return "US";
 76             break;
 77         case "0028,0011"://col寬
 78             return "US";
 79             break;
 80         case "0028,0100"://單個採樣數據長度
 81             return "US";
 82             break;
 83         case "0028,0101"://實際長度
 84             return "US";
 85             break;
 86         case "0028,0102"://採樣最大值
 87             return "US";
 88             break;
 89         case "0028,1050"://窗位
 90             return "DS";
 91             break;
 92         case "0028,1051"://窗寬
 93             return "DS";
 94             break;
 95         case "0028,1052":
 96             return "DS";
 97             break;
 98         case "0028,1053":
 99             return "DS";
100             break;
101         case "0040,0008"://文件夾標籤
102             return "SQ";
103             break;
104         case "0040,0260"://文件夾標籤
105             return "SQ";
106             break;
107         case "0040,0275"://文件夾標籤
108             return "SQ";
109             break;
110         case "7fe0,0010"://像素數據開始處
111             return "OW";
112             break;
113         default:
114             return "UN";
115             break;
116     }
117 }

最關鍵的兩個tag：
0002,0010
普通tag的讀取方式 little字節序還是big字節序隱式VR還是顯示VR。由它的值決定

 1 switch (VFStr)
 2 {
 3     case "1.2.840.10008.1.2.1\0"://顯示little
 4         isLitteEndian = true;
 5         isExplicitVR = true;
 6         break;
 7     case "1.2.840.10008.1.2.2\0"://顯示big
 8         isLitteEndian = false;
 9         isExplicitVR = true;
10         break;
11     case "1.2.840.10008.1.2\0"://隱式little
12         isLitteEndian = true;
13         isExplicitVR = false;
14         break;
15     default:
16         break;
17 }

7fe0,0010
像素數據開始處

整理

根據以上的分析相信解析一個dicom格式文件的過程已經很清晰了吧
第一步:跳過128字節導言部分,並讀取"DICM"4個字符以確認是dicom格式文件
第二步:讀取第一部分也就是非常重要的文件元dataElement 。讀取所有0002開頭的tag 並根據0002，0010的值確定傳輸語法。文件元tag部分的數據元素都是以顯示VR的方式表示的讀取它的值也就是字節碼處理別告訴我說你不會字節碼處理哈。傳輸語法說得那麼官方，你就忽悠吧其實就確定兩個東西而已
1字節序這個基本上都是little字節序。舉個例子吧十進制數 35280 用十六進制表示是0xff00 但是存儲到文件中你用十六進制編輯器打開你看到的是這個樣子00ff 這就是little字節序。平常我們用的x86PC在windows下都是little字節序包括AMD的CPU。別太較真較真的話這個問題又可以寫篇博客了。
2確定從0002以後的dataElement的VR是顯示還是隱式。說來說去0002，0010的值就那麼固定幾個並且只能是那麼幾個這些都在那個北美放射學會定義的dicom標準的第六章有說明：

1.2.840.10008.1.2	Implicit VR Little Endian: Default Transfer Syntax for DICOM	Transfer Syntax
1.2.840.10008.1.2.1	Explicit VR Little Endian	Transfer Syntax
1.2.840.10008.1.2.2	Explicit VR Big Endian	Transfer Syntax

上面的那段代碼其實就是這個表格的實現，講到這裏你會覺得多麼的坑爹啊是的dicom面向對象的破概念非常煩的。
第三步：讀取普通tag 直到搜尋到7fe0,0010 這個最巨體的存儲圖像數據的 dataElement 它一個頂別人幾十個上百個。我們在前一步已經把VR是顯示還是隱式確定通過前面的圖，也就是字節碼處理而已無任何壓力。顯示情況下根據VR 和Len 確定數據類型跟數據長度直接讀取就可以了。隱式情況下這破玩藝兒有點煩，只能根據tag 字典確定它是什麼VR再才能讀取。關於這個字典也在dicom標準的第六章。上面倒數第二段代碼已經把重要的字典都列了出來。
第四步：讀取灰度像素數據並調窗以GDI的方式顯示出來。說實話開始我還以爲dicom這種號稱醫學什麼影像的專家制定出來的標準讀取像素數據應該有難度吧結果沒想到這麼的傻瓜。直接按像素從左到右從上到下一行行依次掃描。兩個字節表示1個像素普通Dicom格式存儲的是16位的灰度圖像，其實有效數據只有12位，除去0 所以最高值是2047。比如CT值從-1000到+1000，空氣的密度爲-1000 水的密度爲0 金屬的密度爲+1000 總共的值爲2000

調窗技術：
即把12級灰度的數據通過調節窗寬窗位並讓他在RGB模式下顯示出來。還技術呢說實話這個也是沒什麼技術含量的所謂的技術，兩句代碼給你整明白。
調節窗寬窗位到底什麼意思，12位的數據那麼它總共有2047個等級的灰度沒有顯示設備可以體現兩千多級的明暗度就算有我們肉眼也無法分辨更無法診斷。我們要診斷是要提取關鍵密度值的數據在醫院放射科呆久了你一定經常聽醫生講什麼骨窗肺窗之類的詞兒，這就是指的這個“窗”。比如有病人骨折了打了鋼板我們想看金屬部分來診斷那麼我們應該抓取CT值從800到1000 密度的像素也就是灰度值然後把它放到RGB模式下顯示，低於800的不論值大小都顯示黑色高於1000的不論值大小都顯示白色。
通過以上例子那麼這個範圍1000-800=200 這個200表示窗寬，800+（200/2）這個表示窗位
一句話，從2047個等級的灰度裏選取一個範圍放到0~255的灰度環境裏顯示。

怎樣把12位灰度影射到8位灰度顯示出來呢，還怎麼顯示上面方法都給說明了基本上算半成品了。聯想到角度制弧度制，設要求的8位灰度值爲x 已知的12位灰度值爲y那麼：x/255=y/2047 那麼x=255y/2047 原理不多講等比中項十字相乘法這個是初中的知識哈。初中沒讀過的童鞋飄過。。。

原理過程講完了

代碼走起

  1 class DicomHandler
  2     {
  3         string fileName = "";
  4         Dictionary<string, string> tags = new Dictionary<string, string>();//dicom文件中的標籤
  5         BinaryReader dicomFile;//dicom文件流
  6 
  7         //文件元信息
  8         public Bitmap gdiImg;//轉換後的gdi圖像
  9         UInt32 fileHeadLen;//文件頭長度
 10         long fileHeadOffset;//文件數據開始位置
 11         UInt32 pixDatalen;//像素數據長度
 12         long pixDataOffset = 0;//像素數據開始位置
 13         bool isLitteEndian = true;//是否小字節序（小端在前 、大端在前）
 14         bool isExplicitVR = true;//有無VR
 15 
 16         //像素信息
 17         int colors;//顏色數 RGB爲3 黑白爲1
 18         public int windowWith = 2048, windowCenter = 2048 / 2;//窗寬窗位
 19         int rows, cols;
 20         public void readAndShow(TextBox textBox1)
 21         {
 22             if (fileName == string.Empty)
 23                 return;
 24             dicomFile = new BinaryReader(File.OpenRead(fileName));
 25 
 26             //跳過128字節導言部分
 27             dicomFile.BaseStream.Seek(128, SeekOrigin.Begin);
 28 
 29             if (new string(dicomFile.ReadChars(4)) != "DICM")
 30             {
 31                 MessageBox.Show("沒有dicom標識頭，文件格式錯誤");
 32                 return;
 33             }
 34 
 35 
 36             tagRead();
 37 
 38             IDictionaryEnumerator enor = tags.GetEnumerator();
 39             while (enor.MoveNext())
 40             {
 41                 if (enor.Key.ToString().Length > 9)
 42                 {
 43                     textBox1.Text += enor.Key.ToString() + "\r\n";
 44                     textBox1.Text += enor.Value.ToString().Replace('\0', ' ');
 45                 }
 46                 else
 47                     textBox1.Text += enor.Key.ToString() + enor.Value.ToString().Replace('\0', ' ') + "\r\n";
 48             }
 49             dicomFile.Close();
 50         }
 51         public  DicomHandler(string _filename)
 52         {
 53             fileName = _filename;
 54         }
 55 
 56         public void saveAs(string filename)
 57         {
 58             switch (filename.Substring(filename.LastIndexOf('.')))
 59             {
 60                 case ".jpg":
 61                     gdiImg.Save(filename, System.Drawing.Imaging.ImageFormat.Jpeg);
 62                     break;
 63                 case ".bmp":
 64                     gdiImg.Save(filename, System.Drawing.Imaging.ImageFormat.Bmp);
 65                     break;
 66                 case ".png":
 67                     gdiImg.Save(filename, System.Drawing.Imaging.ImageFormat.Png);
 68                     break;
 69                 default:
 70                     break;
 71             }
 72         }
 73         public bool getImg( )//獲取圖像 在圖像數據偏移量已經確定的情況下
 74         {
 75             if (fileName == string.Empty)
 76                 return false;
 77             
 78             int dataLen, validLen;//數據長度 有效位
 79             int imgNum;//幀數
 80 
 81             rows = int.Parse(tags["0028,0010"].Substring(5));
 82             cols = int.Parse(tags["0028,0011"].Substring(5));
 83 
 84             colors = int.Parse(tags["0028,0002"].Substring(5));
 85             dataLen = int.Parse(tags["0028,0100"].Substring(5));
 86             validLen = int.Parse(tags["0028,0101"].Substring(5));
 87 
 88             gdiImg = new Bitmap(cols, rows);
 89 
 90             BinaryReader dicomFile = new BinaryReader(File.OpenRead(fileName));
 91 
 92             dicomFile.BaseStream.Seek(pixDataOffset, SeekOrigin.Begin);
 93 
 94             long reads = 0;
 95             for (int i = 0; i < gdiImg.Height; i++)
 96             {
 97                 for (int j = 0; j < gdiImg.Width; j++)
 98                 {
 99                     if (reads >= pixDatalen)
100                         break;
101                     byte[] pixData = dicomFile.ReadBytes(dataLen / 8 * colors);
102                     reads += pixData.Length;
103 
104                     Color c = Color.Empty;
105                     if (colors == 1)
106                     {
107                         int grayGDI;
108 
109                         double gray = BitConverter.ToUInt16(pixData, 0);
110                         //調窗代碼，就這麼幾句而已 
111                         //1先確定窗口範圍 2映射到8位灰度
112                         int grayStart = (windowCenter - windowWith / 2);
113                         int grayEnd = (windowCenter + windowWith / 2);
114 
115                         if (gray < grayStart)
116                             grayGDI = 0;
117                         else if (gray > grayEnd)
118                             grayGDI = 255;
119                         else
120                         {
121                             grayGDI = (int)((gray - grayStart) * 255 / windowWith);
122                         }
123 
124                         if (grayGDI > 255)
125                             grayGDI = 255;
126                         else if (grayGDI < 0)
127                             grayGDI = 0;
128                         c = Color.FromArgb(grayGDI, grayGDI, grayGDI);
129                     }
130                     else if (colors == 3)
131                     {
132                         c = Color.FromArgb(pixData[0], pixData[1], pixData[2]);
133                     }
134 
135                     gdiImg.SetPixel(j, i, c);
136                 }
137             }
138 
139             dicomFile.Close();
140             return true;
141         }
142         void tagRead()//不斷讀取所有tag 及其值 直到碰到圖像數據 (7fe0 0010 )
143         {
144             bool enDir = false;
145             int leve = 0;
146             StringBuilder folderData = new StringBuilder();//該死的文件夾標籤
147             string folderTag = "";
148             while (dicomFile.BaseStream.Position + 6 < dicomFile.BaseStream.Length)
149             {
150                 //讀取tag
151                 string tag = dicomFile.ReadUInt16().ToString("x4") + "," +
152                 dicomFile.ReadUInt16().ToString("x4");
153 
154                 string VR = string.Empty;
155                 UInt32 Len = 0;
156                 //讀取VR跟Len
157                 //對OB OW SQ 要做特殊處理 先置兩個字節0 然後4字節值長度
158                 //------------------------------------------------------這些都是在讀取VR一步被阻斷的情況
159                 if (tag.Substring(0, 4) == "0002")//文件頭 特殊情況
160                 {
161                     VR = new string(dicomFile.ReadChars(2));
162 
163                     if (VR == "OB" || VR == "OW" || VR == "SQ" || VR == "OF" || VR == "UT" || VR == "UN")
164                     {
165                         dicomFile.BaseStream.Seek(2, SeekOrigin.Current);
166                         Len = dicomFile.ReadUInt32();
167                     }
168                     else
169                         Len = dicomFile.ReadUInt16();
170                 }
171                 else if (tag == "fffe,e000" || tag == "fffe,e00d" || tag == "fffe,e0dd")//文件夾標籤
172                 {
173                     VR = "**";
174                     Len = dicomFile.ReadUInt32();
175                 }
176                 else if (isExplicitVR == true)//有無VR的情況
177                 {
178                     VR = new string(dicomFile.ReadChars(2));
179 
180                     if (VR == "OB" || VR == "OW" || VR == "SQ" || VR == "OF" || VR == "UT" || VR == "UN")
181                     {
182                         dicomFile.BaseStream.Seek(2, SeekOrigin.Current);
183                         Len = dicomFile.ReadUInt32();
184                     }
185                     else
186                         Len = dicomFile.ReadUInt16();
187                 }
188                 else if (isExplicitVR == false)
189                 {
190                     VR = getVR(tag);//無顯示VR時根據tag一個一個去找 真煩啊。
191                     Len = dicomFile.ReadUInt32();
192                 }
193                 //判斷是否應該讀取VF 以何種方式讀取VF
194                 //-------------------------------------------------------這些都是在讀取VF一步被阻斷的情況
195                 byte[] VF = { 0x00 };
196 
197                 if (tag == "7fe0,0010")//圖像數據開始了
198                 {
199                     pixDatalen = Len;
200                     pixDataOffset = dicomFile.BaseStream.Position;
201                     dicomFile.BaseStream.Seek(Len, SeekOrigin.Current);
202                     VR = "UL";
203                     VF = BitConverter.GetBytes(Len);
204                 }
205                 else if ((VR == "SQ" && Len == UInt32.MaxValue) || (tag == "fffe,e000" && Len == UInt32.MaxValue))//靠 遇到文件夾開始標籤了
206                 {
207                     if (enDir == false)
208                     {
209                         enDir = true;
210                         folderData.Remove(0, folderData.Length);
211                         folderTag = tag;
212                     }
213                     else
214                     {
215                         leve++;//VF不賦值
216                     }
217                 }
218                 else if ((tag == "fffe,e00d" && Len == UInt32.MinValue) || (tag == "fffe,e0dd" && Len == UInt32.MinValue))//文件夾結束標籤
219                 {
220                     if (enDir == true)
221                     {
222                         enDir = false;
223                     }
224                     else
225                     {
226                         leve--;
227                     }
228                 }
229                 else
230                     VF = dicomFile.ReadBytes((int)Len);
231 
232                 string VFStr;
233 
234                 VFStr = getVF(VR, VF);
235 
236                 //----------------------------------------------------------------針對特殊的tag的值的處理
237                 //特別針對文件頭信息處理
238                 if (tag == "0002,0000")
239                 {
240                     fileHeadLen = Len;
241                     fileHeadOffset = dicomFile.BaseStream.Position;
242                 }
243                 else if (tag == "0002,0010")//傳輸語法 關係到後面的數據讀取
244                 {
245                     switch (VFStr)
246                     {
247                         case "1.2.840.10008.1.2.1\0"://顯示little
248                             isLitteEndian = true;
249                             isExplicitVR = true;
250                             break;
251                         case "1.2.840.10008.1.2.2\0"://顯示big
252                             isLitteEndian = false;
253                             isExplicitVR = true;
254                             break;
255                         case "1.2.840.10008.1.2\0"://隱式little
256                             isLitteEndian = true;
257                             isExplicitVR = false;
258                             break;
259                         default:
260                             break;
261                     }
262                 }
263                 for (int i = 1; i <= leve; i++)
264                     tag = "--" + tag;
265                 //------------------------------------數據蒐集代碼
266                 if ((VR == "SQ" && Len == UInt32.MaxValue) || (tag == "fffe,e000" && Len == UInt32.MaxValue) || leve > 0)//文件夾標籤代碼
267                 {
268                     folderData.AppendLine(tag + "(" + VR + ")：" + VFStr);
269                 }
270                 else if (((tag == "fffe,e00d" && Len == UInt32.MinValue) || (tag == "fffe,e0dd" && Len == UInt32.MinValue)) && leve == 0)//文件夾結束標籤
271                 {
272                     folderData.AppendLine(tag + "(" + VR + ")：" + VFStr);
273                     tags.Add(folderTag + "SQ", folderData.ToString());
274                 }
275                 else
276                     tags.Add(tag, "(" + VR + "):" + VFStr);
277             }
278         }
279 }

好了收工。
測試下成果

 1 if (openFileDialog1.ShowDialog() != DialogResult.OK)
 2     return;
 3 
 4 string fileName = openFileDialog1.FileName;
 5 
 6 handler = new DicomHandler(fileName);
 7 
 8 handler.readAndShow(textBox1);
 9 
10 this.Text = "DicomViewer-" + openFileDialog1.FileName;
11 
12 
13 backgroundWorker1.RunWorkerAsync();

這裏處理gdi位圖的時候直接用的setPix 處理速度比較慢所以用了backgroundWorker，實際應用中請使用內存緩衝跟指針的方式
否則效率低了是得不到客戶的認可的哦，gdi位圖操作可使用lockBits加指針的方式，12位的灰度像素數據可以第一次讀取後緩存到內存中以方便後面調窗的快速讀取
優化這點代碼也不難哈對指針什麼的熟點就行了，前幾章都有。

這是ezDicom 經過公認測試的軟件我們來跟他對比一下，打開
調窗測試，我們注意到兩個東西在沒有窗寬窗位時默認窗寬是2047+1即2048 窗位是2048/2即1024
直觀的感受是調窗寬像在調圖像對比度，調窗位像在調圖像亮度。
窗寬爲255的時候圖像是最瑞麗的因爲255其實就是8位圖像的默認窗寬。
注意窗位那裏有小小區別，ez窗位顯示的是根據1024那裏爲0開始偏移而我的程序是根據窗寬中間值沒有偏移
沒有偏移的情況稍微符合邏輯點吧。
但是可以看到原理是一樣的結果是一樣的。

源碼下載測試dcm文件：猛擊此處

最近也沒有以前寫的文章那麼歡樂了不知道爲什麼，長大了沒有以前開心了呵呵。
筒子們2013年新年快樂。

這篇文章發佈很久了感謝朋友們的關注，分析講解跟代碼有點混亂感覺有點敷衍了事純粹賺人氣的感覺對不住大家了。另外本文的調窗代碼是有問題的升級版本請看《醫學影像調窗技術》一文中的改進代碼。