医疗影像-DICOM图元（Graphic Annotation）详解

无名小僧
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DICOM图元（Graphic Annotation）详解

1 概述

1.1 什么是DICOM图元

DICOM图元（Graphic Annotation）是DICOM标准中用于在医学图像上叠加图形和文本标注的机制。通过图元，临床医生和技术人员可以在影像上添加测量线、注释文字、ROI边界、箭头指向等可视化元素，这些标注信息会随同影像一起存储和传输，确保多人协作时信息的一致性。

1.2 GSPS简介

GSPS（Grayscale Softcopy Presentation State，灰阶软拷贝呈现状态）是DICOM标准中定义的一种SOP Class，其全称为"Grayscale Softcopy Presentation State Storage"。PR（Presentation State）文件正是GSPS的实例，用于保存图像的呈现状态信息，包括亮度对比度调整、图形标注、显示区域和变换参数等。

GSPS的SOP Class UID为：

1.2.840.10008.5.1.4.1.1.11.1

1.3 图元在医学影像中的作用

图元在医学影像中具有广泛的应用场景：

  • 测量标注：在影像上绘制测量线并标注长度，如骨折愈合程度的测量
  • ROI勾画：标注感兴趣区域，如肿瘤边界勾画
  • 教学标注：在影像上添加箭头、文字说明用于医学教学
  • 手术导航：标注解剖标志点，辅助手术定位
  • 报告引用：在报告中引用影像的特定位置

2 图元存储位置

2.1 PR文件中的结构

在PR DICOM文件中，图元信息主要存储在以下几个顶层Tag下：

Tag名称说明
(0070,0001)Graphic Annotation Sequence图形标注序列，核心容器
(0070,005A)Displayed Area Selection Sequence显示区域选择序列
(0070,0060)Graphic Layer Sequence图形图层序列
(0070,0080)Content Label内容标签

2.2 Graphic Annotation Sequence是核心容器

Graphic Annotation Sequence (0070,0001) 是图元信息的顶层容器，它是一个Sequence类型（SQ），包含一个或多个Graphic Annotation Item。

其内部结构如下：

Graphic Annotation Sequence (0070,0001)
  └─ Graphic Annotation Item (FFFE,E000)
        ├─ (0008,1140) Referenced Image Sequence      ← 引用源图像
        ├─ (0070,0002) Graphic Layer                  ← 所属图层
        ├─ Text Object Sequence                      ← 文本对象（可选）
        │     ├─ (0070,0003) Bounding Box Annotation Units
        │     ├─ (0070,0004) Anchor Point Annotation Units
        │     ├─ (0070,0006) Unformatted Text Value
        │     ├─ (0070,0010) Bounding Box Top Left
        │     ├─ (0070,0011) Bounding Box Bottom Right
        │     └─ ...
        └─ Graphic Object Sequence                   ← 图形对象（可选）
              ├─ (0070,0005) Graphic Annotation Units
              ├─ (0070,0020) Graphic Dimensions
              ├─ (0070,0021) Number of Graphic Points
              ├─ (0070,0022) Graphic Data
              ├─ (0070,0023) Graphic Type
              └─ ...

一个Graphic Annotation Item可以包含：

  • Referenced Image Sequence：引用源图像的信息
  • Graphic Layer：该标注所属的图层名称
  • Text Object Sequence：文本标注内容
  • Graphic Object Sequence：图形标注内容

3 图元相关Tag详解

3.1 顶层相关Tag

(0070,0001) Graphic Annotation Sequence

图形标注序列，是包含一个或多个标注项的顶层容器。当存在图形标注时此序列必须存在。序列中每个Item代表一个独立的图形标注单元，可以是纯文本、纯图形或两者的组合。

(0070,005A) Displayed Area Selection Sequence

显示区域选择序列，用于定义图像中需要显示的区域范围。该序列引用预定义的显示区域模板，或直接指定显示区域的像素范围。

(0070,0060) Graphic Layer Sequence

图形图层序列，用于定义所有图形标注所属的图层。每个图层具有独立的显示顺序和可见性属性，图层概念类似于图像编辑软件中的"图层"功能。

(0070,0080) Content Label

内容标签，用于标识PR文件的内容类型或来源。例如示例中的"UIH"表示该PR由联影设备生成。

(0070,0062) Graphic Layer Order

图形图层顺序，指定图层的显示优先级。数值越小表示图层越靠下（底层），数值越大越靠上（顶层）。

(0070,0100) Presentation Size Mode

表述尺寸模式，控制如何确定显示尺寸。

枚举值含义
SCALE TO FIT缩放至适应显示区域
TRUE SIZE真实尺寸（以毫米为单位）
MAGNIFY放大（使用magnification ratio）
(0070,0102) Presentation Pixel Aspect Ratio

表述像素宽高比，格式为"H:V"（如"1:1"、"4:3"）。用于校正非正方形像素的显示，确保图形元素在不同设备上保持正确的比例。

(0070,0103) Presentation Pixel Magnification Ratio

表述像素放大比率，当Presentation Size Mode为"MAGNIFY"时使用。

3.2 图形对象（Graphic Object）相关Tag

(0070,0005) Graphic Annotation Units

定义图形数据（Graphic Data）坐标的单位系统。当Graphic Object Sequence存在时必须指定。

枚举值含义说明
PIXEL像素单位坐标直接对应图像像素坐标，原点在图像左上角
DISPLAY显示单位坐标归一化到[0,1]范围，与设备无关
METRIC度量单位坐标使用物理单位（毫米），需图像具有Pixel Spacing信息
(0070,0020) Graphic Dimensions

图形元素的维度数，通常为2表示二维坐标(x, y)。

(0070,0021) Number of Graphic Points

图形数据中点的数量，具体含义取决于Graphic Type。对于POINT表示点数，对于POLYLINE表示顶点数量。

(0070,0022) Graphic Data

图形元素的实际坐标数据，为多个浮点数值对(x1, y1, x2, y2, ...)。具体格式和数量取决于Graphic Type和Number of Graphic Points。

示例：

Graphic Type = POLYLINE
Number of Graphic Points = 3
Graphic Data = (165.6, 171.0), (274.9, 153.7), (192.7, 280.4)
表示由三个顶点连接而成的折线
(0070,0023) Graphic Type

图形元素的类型/几何形状。DICOM标准定义了以下5种枚举值：

枚举值含义Graphic Data格式
POINT单点标记(x, y)
POLYLINE多段线/折线(x1, y1, x2, y2, x3, y3, ...)
INTERPOLATED插值平滑曲线(x1, y1, x2, y2, x3, y3, ...)
CIRCLE圆形(xc, yc, xp, yp) 圆心+圆周点
ELLIPSE椭圆(x1,y1,x2,y2,x3,y3,x4,y4) 长轴两端点+短轴两端点

说明：部分厂商实现中可能包含 LINE、ARROW、RECTANGLE 等扩展类型，但这些不属于DICOM标准定义。实际使用时应以具体设备和软件的实现为准。

(0070,0024) Graphic Filled

控制图形是否填充，仅对封闭图形类型（CIRCLE、ELLIPSE）以及封闭的 POLYLINE/INTERPOLATED 有效。

枚举值含义
Y填充图形内部
N仅绘制轮廓（不填充）

3.3 文本对象（Text Object）相关Tag

(0070,0003) Bounding Box Annotation Units

定义Bounding Box坐标的单位系统，与Graphic Annotation Units的枚举值相同（PIXEL、DISPLAY、METRIC）。

(0070,0004) Anchor Point Annotation Units

定义Anchor Point（锚点）坐标的单位系统，与Graphic Annotation Units的枚举值相同。

(0070,0006) Unformatted Text Value

文本标注的原始内容，为纯文本字符串。当Text Object存在时必须指定。

示例：

Unformatted Text Value = "xxxxxx"
(0070,0010) Bounding Box Top Left

包围盒（Bounding Box）左上角坐标，两个浮点数值(x, y)。与Bounding Box Bottom Right共同定义文本标注的显示区域。

坐标系：

  • PIXEL单位：图像像素坐标，原点在左上角，x向右，y向下
  • DISPLAY单位：显示坐标系，通常归一化
  • METRIC单位：物理尺寸（毫米）
(0070,0011) Bounding Box Bottom Right

包围盒右下角坐标，两个浮点数值(x, y)。

特殊值：某些实现中使用(-1.0, -1.0)表示Bounding Box大小由文本内容自动决定。

(0070,0012) Bounding Box Text Horizontal Justification

文本在包围盒内的水平对齐方式。

枚举值含义
LEFT左对齐
CENTER居中对齐
RIGHT右对齐
(0070,0014) Anchor Point

锚点坐标，用于将文本标注附着到特定图形位置。两个浮点数值(x, y)。

典型应用：

  • 测量线的端点，用于显示测量值
  • 箭头指向的起点
  • 圆形/椭圆形的中心点

特殊值：(-1.0, -1.0)表示锚点未定义。

(0070,0015) Anchor Point Visibility

控制锚点是否可见。

枚举值含义
Y锚点可见
N锚点不可见（仅文本显示）

3.4 显示区域（Displayed Area）相关Tag

(0070,0052) Displayed Area Top Left

显示区域的左上角坐标，两个有符号整数值(x, y)。与Displayed Area Bottom Right共同定义图像中需要显示的区域范围。

(0070,0053) Displayed Area Bottom Right

显示区域的右下角坐标，两个有符号整数值(x, y)。

4 Annotation Units单位系统详解

DICOM图元支持三种坐标单位系统，适用于不同的应用场景：

4.1 PIXEL（像素单位）

定义：坐标值直接对应图像的像素坐标

特点：

  • 原点在图像左上角
  • X轴向右递增，Y轴向下递增
  • 坐标值为整数或浮点数
  • 与具体图像分辨率直接相关

适用场景：

  • 需要精确定位到像素级别的标注
  • ROI（感兴趣区域）勾画
  • 与图像像素一一对应的标注

4.2 DISPLAY（显示单位）

定义：坐标值相对于显示区域进行标准化

特点：

  • 通常归一化到[0, 1]范围
  • 可能使用不同的坐标系（原点位置因实现而异）
  • 支持浮点数精度
  • 与具体显示设备和图像分辨率无关

适用场景：

  • 跨不同分辨率图像的标注
  • 需要在多种设备上保持一致显示比例的标注
  • 与设备无关的相对位置标注

4.3 METRIC（度量单位）

定义：坐标值使用物理度量单位（通常是毫米）

特点：

  • 需要图像具有正确的Pixel Spacing信息
  • 与患者解剖位置对应
  • 可跨模态、跨设备进行比较
  • 常用于测量类标注

适用场景：

  • 长度测量类标注
  • 需要精确物理尺寸的应用
  • 放疗计划中的定位标注
  • 跨影像对比分析

5 Bounding Box工作机制

5.1 基本概念

Bounding Box（包围盒）是用于定位和约束文本标注显示区域的矩形框。它由两个对角点定义：Top Left（左上角）和Bottom Right（右下角）。

5.2 坐标定义

Bounding Box由以下两个Tag共同定义：

  • (0070,0010) Bounding Box Top Left：左上角坐标
  • (0070,0011) Bounding Box Bottom Right：右下角坐标

两个点确定了一个矩形区域，文本内容将在此区域内显示。

5.3 文本对齐

通过Bounding Box Text Horizontal Justification (0070,0012)控制文本水平对齐：

对齐方式效果描述
LEFT文本左边缘贴近包围盒左边界
CENTER文本水平居中于包围盒
RIGHT文本右边缘贴近包围盒右边界

5.4 特殊值处理

某些实现中，当Bounding Box大小需要由文本内容自动决定时，会使用特殊值：

  • Bounding Box Bottom Right = (-1.0, -1.0)

这种情况下，系统会根据文本内容的实际尺寸动态计算包围盒大小。

5.5 Bounding Box与Anchor Point的协作

Bounding Box常与Anchor Point结合使用，实现文本标注向图形元素的精确附着：

Anchor Point (0070,0014)：指向图形上的关键点（如测量线的端点）
Bounding Box：包含说明文本（如 "12.5 mm"）
Anchor Point Visibility：控制锚点是否可见

渲染时，文本会通过不可见的连线附着到锚点位置，常见于测量值标注场景。

6 总结

DICOM图元机制为医学影像的标注和信息附加提供了标准化的解决方案：

  1. 灵活的图形类型支持：从简单的点、线到复杂的多边形、椭圆，满足各种临床标注需求

  2. 完善的位置描述体系：通过Bounding Box和Anchor Point的组合，实现文本标注的精确定位

  3. 多层次图层管理：Graphic Layer Sequence提供了类似图像编辑软件的图层功能，支持复杂的标注层次结构

  4. 统一的单位系统：PIXEL、DISPLAY、METRIC三种单位适应不同应用场景，确保标注的可移植性和精确性

  5. 标准化的存储格式：遵循DICOM标准的GSPS规范，图元信息可以无缝集成到PACS系统中进行存储、传输和共享

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