医学影像调窗技术

原创

assassinxzh 2022-01-16 10:01:55 博主文章分类：dicom协议相关 ©著作权

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在年初的时候做过一个dicom格式文件解析，当时只是提了下。看着跟别人的显示出来也差不多其实是我想太简单了。整理了下思路这里提供正确的调窗代码。医学影像说得挺高科技的其实在这个过程中本身没太复杂的图像处理技术。窗值处理就算是比较“高深”的了也就是调窗。
网上都是啥基于 DCMTK的DICOM医学图像显示及其调窗方法研究说得文绉绉的没啥鸟用，dicom没你想象的那么复杂哈咱这个全是自主代码顶多看了点C++的源码然后改成c#版本的其实都一样的。

这中间有几个步骤，
1 字节序转换
2 保留有效位，使用&进行位运算截取有效位
3 根据有无符号进行值转换
4 针对CT影像的窗值偏移处理
5 窗值映射也就是映射到256级灰度（参考上一篇）

而我原来的代码啥都没做直接对两个字节的数据进行toUint16 然后就进行窗值映射，还有就是也没有进行预设窗值读取。那么这样做的后果是什么呢。
我们先加上预设窗值读取，首先我们加上几个变量进行影像显示的几个关键数据图像的长宽默认窗值颜色采样数 1为灰度3为彩色数据存储位数有效位数最高位数，具体查看dicom标准。
变量声明默认窗值读取代码（预设窗宽tag 0028 1051 预设窗位tag 0028 1050）：

 1 if (fileName == string.Empty)
 2     return false;
 3 
 4 int dataLen, validLen, hibit;//数据长度 有效位
 5 int imgNum;//帧数
 6 
 7 rows = int.Parse(tags["0028,0010"].Substring(5));
 8 cols = int.Parse(tags["0028,0011"].Substring(5));
 9 
10 colors = int.Parse(tags["0028,0002"].Substring(5));
11 dataLen = int.Parse(tags["0028,0100"].Substring(5));//bits allocated
12 validLen = int.Parse(tags["0028,0101"].Substring(5));
13 bool signed = int.Parse(tags["0028,0103"].Substring(5)) == 0 ? false : true;
14 hibit = int.Parse(tags["0028,0102"].Substring(5));
15 float rescaleSlop = 1, rescaleinter = 0;
16 if (tags.ContainsKey("0028,1052") && tags.ContainsKey("0028,1053"))
17 {
18     rescaleSlop = float.Parse(tags["0028,1053"].Substring(5));
19     rescaleinter = float.Parse(tags["0028,1052"].Substring(5));
20 }
21 //读取预设窗宽窗位
22 //预设窗值读取代码......
23 #region//读取预设窗宽窗位
24 if (windowWith == 0 && windowCenter == 0)
25 {
26     Regex r = new Regex(@"([0-9]+)+");
27     if (tags.ContainsKey("0028,1051"))
28     {
29         Match m = r.Match(tags["0028,1051"].Substring(5));
30 
31         if (m.Success)
32             windowWith = int.Parse(m.Value);
33         else
34             windowWith = 1 << validLen;
35     }
36     else
37     {
38         windowWith = 1 << validLen;
39     }
40 
41     if (tags.ContainsKey("0028,1050"))
42     {
43         Match m = r.Match(tags["0028,1050"].Substring(5));
44         if (m.Success)
45             windowCenter = int.Parse(m.Value);//窗位
46         else
47             windowCenter = windowWith / 2;
48     }
49     else
50     {
51         windowCenter = windowWith / 2;
52     }
53 }
54 
55 #endregion

虽然原理是正确的但还是会产生乱七八糟的问题始终跟别人标准的不一样：

标准的窗值调整请参考这篇论文：医学图像的调窗技术及DI 基本上照着他做就OK ，只是有些地方没讲太明白。
那么我这篇文章基本上就是他经过代码实践后的翻版

参考了过后那么我们就要照标准的流程来处理，字节序转换后截取有效位然后根据有无符号进行值转换
还是原来的代码中间加上这几句：

1 if (isLitteEndian == false)
2     Array.Reverse(pixData, 0, 2);
3 
4 if (signed == false)
5     gray = BitConverter.ToUInt16(pixData, 0);
6 else
7     gray = BitConverter.ToInt16(pixData, 0);

这么做了后我们发现 1.2.840.113619.2.81.290.23014.2902.1.6.20031230.260236.dcm 那幅图像显示对了：

但是测试另一幅还是不对 CT.dcm：

这幅图像看上去是CR的图，其实是CT序列图像里的一幅 ,因为是CT影像所以要做值偏移处理值=值×斜率+截距这是高中学的，称为HU 至于为什么要这样我也不知道 dicom标准规定的如果是CT图像需要进行偏移处理则进行偏移处理然后进行窗值映射。

 1 //字节序翻转
 2 if (isLitteEndian == false)
 3     Array.Reverse(pixData, 0, 2);
 4 //取值
 5 if (signed == false)
 6     gray = BitConverter.ToUInt16(pixData, 0);
 7 else
 8     gray = BitConverter.ToInt16(pixData, 0);
 9 //特别针对CT图像 值=值x斜率+截距
10 if ((rescaleSlop != 1.0f) || (rescaleinter != 0.0f))
11 {
12     float fValue = (float)gray * rescaleSlop + rescaleinter;
13     gray = (short)fValue;
14 }

所有的数据都读取完成后再setPixel 这种操作效率太低了。所以我们还得优化下代码先lockbits 然后一边读取一边更新数据。
这是整理后的标准调窗代码，有点多哈慢慢看，我说得挺简单中间有各种复杂情况哈请参考上面说的步骤及论文里的说明来：

  1 public unsafe Bitmap convertTo8(BinaryReader streamdata, int colors, bool littleEdition, bool signed, short nHighBit,
  2                int dataLen, float rescaleSlope, float rescaleIntercept, float windowCenter, float windowWidth, int width, int height)
  3         {
  4             Bitmap bmp = new Bitmap(width, height);
  5             Graphics gg = Graphics.FromImage(bmp);
  6             gg.Clear(Color.Green);
  7             BitmapData bmpDatas = bmp.LockBits(new Rectangle(0, 0, bmp.Width, bmp.Height),
  8                 System.Drawing.Imaging.ImageLockMode.ReadWrite, System.Drawing.Imaging.PixelFormat.Format24bppRgb);
  9             long numPixels = width * height;
 10 
 11             if (colors == 3)//color Img
 12             {
 13                 byte* p = (byte*)bmpDatas.Scan0;
 14                 int indx = 0;
 15                 for (int i = 0; i < bmp.Height; i++)
 16                 {
 17                     for (int j = 0; j < bmp.Width; j++)
 18                     {
 19                         p[indx + 2] = streamdata.ReadByte();
 20                         p[indx + 1] = streamdata.ReadByte();
 21                         p[indx] = streamdata.ReadByte();
 22                         indx += 3;
 23                     }
 24                 }
 25             }
 26             else if (colors == 1)//grayscale Img
 27             {
 28                 byte* p = (byte*)bmpDatas.Scan0;
 29                 int nMin = ~(0xffff << (nHighBit + 1)), nMax = 0;
 30                 int indx = 0;//byteData index
 31 
 32                 for (int n = 0; n < numPixels; n++)//pixNum index
 33                 {
 34                     short nMask; nMask = (short)(0xffff << (nHighBit + 1));
 35                     short nSignBit;
 36 
 37                     byte[] pixData = null;
 38                     short pixValue = 0;
 39 
 40                     pixData = streamdata.ReadBytes(dataLen / 8 * colors);
 41                     if (nHighBit <= 15 && nHighBit > 7)
 42                     {
 43                         if (littleEdition == false)
 44                             Array.Reverse(pixData, 0, 2);
 45 
 46                         // 1. Clip the high bits.
 47                         if (signed == false)// Unsigned integer
 48                         {
 49                             pixValue = (short)((~nMask) & (BitConverter.ToInt16(pixData, 0)));
 50                         }
 51                         else
 52                         {
 53                             nSignBit = (short)(1 << nHighBit);
 54                             if (((BitConverter.ToInt16(pixData, 0)) & nSignBit) != 0)
 55                                 pixValue = (short)(BitConverter.ToInt16(pixData, 0) | nMask);
 56                             else
 57                                 pixValue = (short)((~nMask) & (BitConverter.ToInt16(pixData, 0)));
 58                         }
 59                     }
 60                     else if (nHighBit <= 7)
 61                     {
 62                         if (signed == false)// Unsigned integer
 63                         {
 64                             nMask = (short)(0xffff << (nHighBit + 1));
 65                             pixValue = (short)((~nMask) & (pixData[0]));
 66                         }
 67                         else
 68                         {
 69                             nMask = (short)(0xffff << (nHighBit + 1));
 70                             nSignBit = (short)(1 << nHighBit);
 71                             if (((pixData[0]) & nSignBit) != 0)
 72                                 pixValue = (short)((short)pixData[0] | nMask);
 73                             else
 74                                 pixValue = (short)((~nMask) & (pixData[0]));
 75                         }
 76 
 77                     }
 78 
 79                     // 2. Rescale if needed (especially for CT)
 80                     if ((rescaleSlope != 1.0f) || (rescaleIntercept != 0.0f))
 81                     {
 82                         float fValue = pixValue * rescaleSlope + rescaleIntercept;
 83                         pixValue = (short)fValue;
 84                     }
 85 
 86                     // 3. Window-level or rescale to 8-bit
 87                     if ((windowCenter != 0) || (windowWidth != 0))
 88                     {
 89                         float fSlope;
 90                         float fShift;
 91                         float fValue;
 92 
 93                         fShift = windowCenter - windowWidth / 2.0f;
 94                         fSlope = 255.0f / windowWidth;
 95 
 96                         fValue = ((pixValue) - fShift) * fSlope;
 97                         if (fValue < 0)
 98                             fValue = 0;
 99                         else if (fValue > 255)
100                             fValue = 255;
101 
102 
103                         p[indx++] = (byte)fValue;
104                         p[indx++] = (byte)fValue;
105                         p[indx++] = (byte)fValue;
106                     }
107                     else
108                     {
109                         // We will map the whole dynamic range.
110                         float fSlope;
111                         float fValue;
112 
113 
114                         int i = 0;
115                         // First compute the min and max.
116                         if (n == 0)
117                             nMin = nMax = pixValue;
118                         else
119                         {
120                             if (pixValue < nMin)
121                                 nMin = pixValue;
122 
123                             if (pixValue > nMask)
124                                 nMask = pixValue;
125                         }
126 
127                         // Calculate the scaling factor.
128                         if (nMax != nMin)
129                             fSlope = 255.0f / (nMax - nMin);
130                         else
131                             fSlope = 1.0f;
132 
133                         fValue = ((pixValue) - nMin) * fSlope;
134                         if (fValue < 0)
135                             fValue = 0;
136                         else if (fValue > 255)
137                             fValue = 255;
138 
139                         p[indx++] = (byte)fValue;
140                     }
141                 }
142             }
143 
144             bmp.UnlockBits(bmpDatas);
145             //bmp.Dispose();
146             return bmp;
147         }