分类号Q81密级
UDC
学位论文
非DICOM标准心电设备与PACS之间的网关系统
（题名和副题名）
王玲玲
（作者姓名）
指导教师姓名饶妮妮教授博导
电子科技大学成都
（职务、职称、学位、单位名称及地址）
申请学位级别硕士专业名称生物医学工程
论文提交日期2005.5论文答辩日期2005.6
学位授予单位和日期电子科技大学
答辩委员会主席
评阅人
2005年5月27日
注1注明《国际十进分类法UDC》的类号I
摘要
随着医疗诊治环境的愈加复杂，经常需要综合多种类型的医学信息来辅助诊
断。同时涉及到医学放射影像和心电等医学波形的综合医疗环境是比较常见的，
比如心导管插入术就是典型的例子。在这种集成多模态设备的医疗环境中，数字
影像设备和波形设备之间可能需要通信以实现图像和波形的交流共享。为了实现
这样的协同操作，最好的解决方法是不同厂商的不同类型的设备使用相同的数据
格式和通信协议。
DICOM正是基于这样的需要而产生的国际标准，实际应用也证明它能够良好
地解决数字影像设备的通信问题。基于DICOM标准构架的PACS系统已是数字化
医院中最重要的信息系统之一，它实现了多种类型影像设备的互连，解决了数字
医学图像的通信问题。目前，DICOM已经不仅仅限于最初的医学图像通信的范畴，
它也规范了医学波形的交换。这样的支持能够进一步促进数字医院一体化集成，
避免波形设备成为医院中的信息孤岛。
本课题的研究就是基于DICOM标准的规定，实现波形设备中最重要的心电设
备与PACS的连接。但是由于目前采用DICOM接口的数字心电设备并不多，所以
为了使研究具有更广泛的应用领域，本课题研究主要集中在如何将非DICOM接口
的心电设备与PACS连接。因为PACS普遍是基于DICOM标准的，所以非DICOM标
准的心电设备和PACS系统之间需要借助一个中间件才能实现连接。这种作为异
构系统之间连接桥梁的中间件就叫做网关。在各种非DICOM的心电接口格式中，
欧洲心电标准SCP-ECG得到了心电设备厂商广泛的支持和实现，因此研究这类心
电设备与PACS的连接更有价值。
本文通过对DICOM标准和PACS系统的深入研究，主要进行了网关系统的设
计和实现。首先，从信息模型和网络协议模型两方面细致分析了DICOM体系原理；
接着，通过分析PACS系统构架，设计了合理的网关系统结构，划分了系统的三
个功能模块：文件转换模块、心电显示模块、文件传输模块；接下来，详细介绍
了三个模块的具体实现：前两个模块主要涉及SCP-ECG和DICOM两种标准的文件
格式,最后一个模块是DICOM通信的实现。
通过对SCP-ECG标准心电设备和PACS系统之间的网关系统的研究，满足了
实际医疗应用的需要，将PACS系统的功能扩展到新领域，解决了数字心电设备
的信息系统集成，进一步整合了医疗信息。
关键词：DICOM；心电；PACS；SCP-ECG；网关II
Abstract
As medical environments become more integrated and complicated,various
medical data are collected together for integrated diagnoses.The medical
environments involving images and cardiology waveforms are very usual,e.g.cardiac
catheterization laboratory.In these multi-device environments,digital imaging
devices should communicate with digital waveform devices to exchange and share the
images and waveforms.To resolve this interoperability problem,the best way is that
the same data format and communication protocol are used.
DICOM is an international standard just for these needs,and it has been used to
resolve the problems in practice.Based on the DICOM standard,PACS is one of the
most important hospital information systems.Nowadays,DICOM is not only used for
images communication,but also for the exchange of medical waveforms.
This thesis discusses the connection of ECG devices and PACS conformable to
DICOM.For the PACS connection of non-DICOM ECG devices,a DICOM gateway
is need between ECG devices and PACS.Among various non-DICOM ECG formats,
the SCP-ECG is the European standard for communication of resting ECGs.
SCP-ECG is widely accepted by ECG manufacturers,so the gateway between
SCP-ECG and PACS is particularly valuable.
The study work is focused on the design and development of the DICOM gateway,
including:
1.Analyze the DICOM information model and DICOM network protocol
architecture.
2.Based on the architecture of PACS,design the architecture and the
modules of the gateway system.The gateway is composed of three modules,
which are file conversion,ECG display and file transfer.
3.Implement the modules of gateway.The file conversion module and
ECG display module are implemented according to SCP-ECG file format and
DICOM file format.The file transfer module is implemented based on DICOM
network protocol architecture.
The work is expected to resolve the PACS integration of ECG devices,contribute
to the harmonization of ECG standards,and facilitate digital ECG interoperability.
Key words:DICOM;ECG;PACS;SCP-ECG;gateway;III
目录
第一章绪论................................................................1
1.1研究背景和现状.......................................................1
1.2研究内容和论文结构...................................................2
第二章DICOM标准研究.......................................................4
2.1 DICOM标准产生和发展.................................................4
2.2 DICOM标准内容和范畴.................................................5
2.3 DICOM标准原理分析...................................................7
2.3.1 DICOM信息模型.................................................7
2.3.2 DICOM网络协议模型.............................................9
第三章DICOM网关系统设计..................................................15
3.1 PACS系统简介.......................................................15
3.2 PACS系统构架和设计原则.............................................15
3.3 DICOM网关系统......................................................17
3.3.1网关实现方式..................................................17
3.3.2需求分析和总体设计............................................17
3.3.3功能模块设计..................................................18
第四章心电文件转换和显示..................................................19
4.1引言................................................................19
4.2标准对比研究........................................................20
4.2.1 SCP-ECG标准..................................................20
4.2.2 DICOM Sup.30波形标准.........................................20
4.2.3标准功能的异同................................................21
4.2.4文件格式的差异................................................21
4.3心电文件转换........................................................26
4.3.1模块实现......................................................27
4.3.2程序流程......................................................31
4.4心电文件显示........................................................32
4.4.1模块实现.....................................................32
4.4.2程序流程.....................................................35
4.5结果的验证..........................................................36
第五章DICOM心电文件的传输................................................39
5.1实现方案............................................................39
5.2 TCP/IP接口交互的实现...............................................40
5.3 DICOM上层协议的实现................................................41
5.4 DICOM消息交换的实现................................................44
5.5综合实现............................................................46
5.6结果的验证..........................................................48
第六章结论................................................................50
致谢......................................................................51
参考文献....................................................................52
附录A......................................................................52
个人简历及在学期间的研究成果................................................57电子科技大学硕士学位论文
1
第一章绪论
1.1研究背景和现状
随着现代医疗技术和计算机科学的发展，产生了种类繁多的计算机辅助数字
医疗设备。在愈加综合复杂的医疗环境中，常常需要多种设备协同工作，或者综
合多种医疗数据进行诊断。医学数字成像和通信标准DICOM(Digital Imaging
and Communications in Medicine)的产生解决了这些需求。
DICOM标准是用于不同厂商不同类型的医疗设备互连的国际标准，它实现了
数字医学图像等医疗信息的交流共享，是数字化医院信息集成的重要基础[1]。
DICOM标准最初是为了解决数字医学影像设备的通信问题而建立的，经过标准组
织的大力发展和推广，DICOM标准日渐成熟并得到广泛支持，成为数字医学成像
和通信的最权威标准。
图像存档及通信系统PACS（Picture Archiving and Communication System）
是为了解决医学影像设备之间的通信，影像资源的存储管理等问题而建立的医院
信息系统。DICOM标准的出现极大地促进了PACS系统的发展。目前，国内外市场
的PACS实现方案基本上都是基于DICOM标准构架的。
但是在许多成像环境中，不只存在影像设备，还有很多非影像的数字医疗设
备参与其中。同时涉及到放射学影像和心电等医学波形的综合医疗环境是最常见
的情况之一，比如心导管插入术就是典型的例子[2]。心脏病学波形在医院的日常
诊疗活动中使用频繁，数量巨大，同时由于心血管疾病的多发性和危害性，使得
波形设备和数据具有举足轻重的作用。所以，DICOM标准也增加了对心脏病学波
形交换的支持，它详细说明了DICOM格式的波形信息对象定义，以及DICOM通信协
议在波形设备上的应用。
DICOM标准的支持使得成像环境中的波形设备也能与影像设备通信。如果已
经建设了将影像设备连接起来的PACS系统，则可以将波形设备也接入系统之中。
这样的集成是可行而且必要的，不但避免了波形设备成为医院中的信息孤岛，而
且满足了实际医疗环境的应用需要。由于PACS系统与其他医院信息系统的可集成
性，波形设备甚至能够接受到来自HIS/CIS的日常管理信息，更加促进了医院信
息一体化。所以，数字波形设备的系统集成是医院信息化中不可忽视的部分。
众所周知，心电图设备是最重要的波形设备之一。心电图作为最重要的无创
诊断方式之一已经被使用多年，它可用于早期发现和确认缺血性心脏病、心肌梗
塞和心率不齐等心脏疾病[3]。在各种诊疗活动中，经常会使用到心电图，据统计，电子科技大学硕士学位论文
2
在美国和欧盟两地，每年用作常规诊断和筛检目的的心电图检查超过一亿次[4]。
因此，数字心电设备与PACS的连接是波形设备系统集成研究中的首要内容。
如果数字心电设备采用DICOM标准的数据接口，那么它就可以简单易行地直
接与PACS相连。但是实际上采样DICOM标准的心电设备并不多，反而另一个心电
标准SCP-ECG得到了厂商更广泛的支持和采用[5]。计算机辅助心电的标准通信协
议SCP-ECG（Standard Communications Protocol for Computer-Assisted
Electrocardiography）用于静息心电信号数据和相关信息的存储和通信[6]。为
了使研究成果具有更广泛的应用领域和更高的实用价值，研究重点应该集中在如
何将SCP-ECG接口的心电设备与PACS连接。因为PACS普遍是基于DICOM标准的，所
以此类非DICOM接口的心电设备无法直接与PACS系统相连，而需要借助一个称为
DICOM网关的中间件才能实现连接。SCP-ECG心电设备与PACS之间的DICOM网关系
统要实现标准格式转换、与PACS服务器通信等功能。
但是，目前国内外涉及DICOM和PACS的研究工作中，多数研究仍把目光集中
在DICOM基本的图像方面。DICOM标准对波形的支持少有研究者涉及，波形设备的
信息系统集成也未受到重视。因此这是一个急待发展的新兴研究领域。
近年来，国外的一些研究机构和人员开始认识到这一研究领域的重要性，从
不同角度开展了一些研究工作。在DICOM波形标准的应用研究方面，韩国Hanyang
大学的研究者们开发了基于XML技术的DICOM心电管理系统[7]；Mediface公司为满
足客户需要实现了支持DICOM波形交换的PACS；日本国家医疗信息部门与尼康等
公司合作，开发了支持波形数据的DICOM医学图像数据库；巴西圣保罗大学心脏
信息学会开发了一个DICOM波形浏览控件；此外，在美国和德国都有学者从事
DICOM波形标准的相关研究。在标准之间的互操作性研究方面，希腊克利特大学
的研究者实现了SCP-ECG与DICOM之间的文件格式转换[3]；美国DICOM标准研究的
权威人士David Clunie将基于JAVA的DICOM工具包PixelMed扩展来支持SCP-ECG
波形。在心脏病学的计算机辅助研究方面，研究者们已经认识到心电数据通信的
重要性，支持通信实现的DICOM标准和SCP-ECG标准都受到很大的关注。欧洲的计
算机辅助心脏病学研究组织OpenECG项目组，专门举办了一个关于心电处理软件
的编程竞赛，并特别鼓励参赛者针对DICOM和SCP-ECG标准之间的协调性开发软件
工具。在国内，台湾地区有研究者从事DICOM标准心电图存储和诊断系统的研究，
浙江大学的生物医学工程实验室也曾对SCP-ECG标准进行研究[8]。总的来说，国
内在这个领域的研究工作比较缺乏，仍有很大的研究发展空间。
1.2研究内容和论文结构
本课题主要针对采用SCP-ECG标准作为数据接口的数字心电设备与采用电子科技大学硕士学位论文
3
DICOM标准作为数据通信基础的PACS系统的连接需求来完成的。为了完成两者
的连接，需要实现DICOM网关系统，它包括SCP-ECG文件与DICOM心电文件的
转换，SCP-ECG文件和DICOM心电文件的显示，DICOM文件的网络传输三部分。
主要的工作包括：
（1）深入研究了DICOM标准和SCP-ECG标准。DICOM标准和SCP-ECG各自
都是一个完整复杂的体系，特别是DICOM标准，它包含多个文档，涉及多个学
科领域，只有全面深入的研究它才能有完整正确地把握DICOM体系结构。
SCP-ECG标准又是与DICOM几乎完全不同的另一体系，对它的研究主要在文件
格式方面。通过对标准的分析调研工作，确定了研究的具体内容，以及实现采
用的方法和工具，为之后的研究工作奠定理论基础。
（2）分析PACS系统设计原则和构架，并在此基础上进行网关系统的设计。
对几种常见的网关实行方法进行了分析比较，并结合需求分析，设计了具体的
网关实施方案。对网关系统划分了三个功能模块：文件转换模块、心电显示模
块、文件传输模块。
（3）在对比分析SCP-ECG文件和DICOM心电文件的基础上，实现了将
SCP-ECG文件转换为标准DICOM心电文件的功能。此文件转换模块也支持将原
始心电信号数据文件构造成为标准DICOM心电文件。
（4）实现了心电显示模块，它支持SCP-ECG和DICOM两种格式的心电文件
的显示。文件中的心电信号数据显示为波形，并实现了十二导联同步动态绘制、
刷新式显示、通道高度选择和显示比例调整等功能特性。
（5）针对DICOM通信协议构架，实现了DICOM存储服务的客户端程序，
它与PACS系统中的DICOM服务器程序通信，实现DICOM心电文件的传输和存储。
为了说明本课题的工作，本文分为六章来讲述。
第一章概括地介绍了课题的研究背景和意义，国内外研究动态，以及课题
研究内容和论文结构。
第二章介绍了DICOM标准的产生和发展，内容和范畴，归纳总结出DICOM
标准的体系构架，结合面向对象技术深入浅出地介绍DICOM的主要内容和分析
基本原理。
第三章介绍了基于DICOM标准的PACS系统构架以及网关系统的设计。
第四章简要介绍了SCP-ECG标准，并与DICOM标准进行了比较，接着介绍
了SCP-ECG文件格式和DICOM文件格式，重点是详细讲述文件转换模块和心电
显示模块的实现。
第五章重点介绍了基于DICOM通信协议构架，分层次地实现文件传输模块。
最后一章总结完成工作，并提出须改进之处和未来工作方向。电子科技大学硕士学位论文 |
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