基于DICOM的3D_C-...oboLINK）设计与实现_高晨.pdf

高晨,程坤,常韫恒,等.基于 DICOM 的 3D C-arm 控制服务协议（RoboLINK）设计与实现J.CT 理论与应用研究,2023,32(1):43-54.DOI:10.15953/j.ctta.2022.015.GAO C,CHENG K,CHANG F H,et al.Design and Implementation of a 3D C-arm Control Service Protocol (RoboLINK)Based onDICOMJ.CT Theory and Applications,2023,32(1):43-54.DOI:10.15953/j.ctta.2022.015.(in Chinese).基于 DICOM 的 3D C-arm 控制服务协议（RoboLINK）设计与实现高晨1a,程坤2,常韫恒2,张飞2,唐冰2,胡晟3,陈阳1b,1c,奚岩21.东南大学 a）网络空间安全学院；b）计算机网络与信息集成重点实验室图像科学与技术实验室；c）江苏省医学信息处理国际联合研究实验室,南京 2111892.江苏一影医疗设备有限公司,南京 2261003.上海医疗器械质量监督检验中心,上海 200120摘要：三维成像技术辅助骨科机器人进行术前规划能够提高手术精确性和高效性，但目前基于三维数据的传统外科导航系统需要预先术前采图，再经过图片导入和人工配准，使得手术步骤愈加繁琐，且患者在采图和手术过程中的位置不同可能导致新的配准误差，导致精确度的降低。鉴于这一需求，本文设计一种基于 DICOM 协议的 3D C-arm 控制服务协议（RoboLINK），能将手术机器人和 CT 连接，可在手术过程中进行 CT 采图，为当前问题提供新的解决方案。在支持三维 C 臂与手术机器人进行数据传输的基础上，也可传输运动控制指令，达到设备相互协作的效果。根据以上设计，协议以一影医疗的 3D C-arm和模拟手术机器人为实验环境，对协议进行测试。结果表明，RoboLINK 协议能够有效完成数据传输和设备控制任务，具有可行性和安全性。关键词：DICOM；3D C-arm；骨科手术机器人；RoboLINKDOI:10.15953/j.ctta.2022.015中图分类号：TP 242.3；TN 915.04文献标识码：B随着自动化技术和控制技术等多学科的发展和融合，3D 成像作为一种骨科手术机器人的辅助手段，逐渐在多种手术系统中得到应用1。通过将成像设备中的三维数据导入外科导航系统，可实现手术前的精准规划，医务人员通过显示器查看医疗器械位置，进行更有效的控制，提高诊疗精确度和手术修复质量，在临床上取得了良好的辅助效果，受到了推广和关注2-3。然而，传统的外科导航系统耗费时间、效率低下。首先，患者的医疗成像信息需要于术前采集后输入导航系统，手术过程中还需要医务人员手动实现与患者解剖结构的匹配。前者涉及人工操作耗费精力、手术流程繁琐，后者直接导致手术精度降低的风险。由于患者进行成像扫描时所处位置与手术过程中位置不一致，需要另外使用标记辅助匹配，从而在此过程中引入了新的误差4。如果能够在上述场景中将 3D 成像设备与手术机器人关联，实现手术机器人和成像设备的直接交互，就可实现自动配准、传输图像数据等多种操作，提高手术精度、优化手术流程。因此，实现 3DCT 成像设备与其他医疗设备的相互协作是一项重要且紧迫的需求功能，不仅可降低人工操作设备的复杂性，而且能够使得 CT 设备与多个设备相互融合，共同完成操作任务。鉴于当前的实际需求，已经产生一些解决措施，比如西门子推出了基于 NaviLink 协议的三维直接导航界面，用于连接三维 C 臂和导航系统，可自动传输图像数据和坐标数据，省去了人工配准的麻烦5。该协议的侧重点在于完成数据通信，因此还需要在三维 C 臂和导航系统之间进行常规操作，比如三维 C 臂的拍图工作流仍然需要操作人员在 C 臂端进行控制，虽然两者是连接的，但是其对应的功能必须分别操作完成。除此之外，西门子的协议关注通信功能的实现，并未使用 DICOM 标准协议进行通信，因此将其称之为一种技术手段更为合适。鉴于目前手术机器人的应用越发广泛，而每收稿日期：20220124。第 32 卷第 1 期CT 理论与应用研究Vol.32,No.12023 年 1 月（4354）CT Theory and ApplicationsJan.,2023一台手术机器人都需要与三维 C 臂配合完成任务，两者的通信需求是迫切存在的，若不同厂家都自定义通信方式，不同种类版本的适配可能引起各种兼容问题，因此有必要实现一种基于通用标准的通信协议。本文提出一种基于 DICOM 标准的 3D C-arm 控制协议（下文称为 RoboLINK 协议），结合软硬件对功能进行拓展，在自动传输 C 臂数据的基础上增加控制功能，能够在手术过程中直接从手术机器人端控制 C-arm 完成采图任务，旨在为 3D CT 成像设备与其他医疗设备的术中控制连接提供具有安全保障的标准化通信规则。协议可优化临床工作流，有效利用两者的通信连接，将两者连成一个统一整体，免去操作人员在不同机器端进行操作的繁琐，更好地关注手术操作。由于 DICOM 标准并未包含对医疗设备进行控制的服务组，本协议严格参考 DICOM 文档格式制定 RoboLINK 服务组，按照不同功能设计多个 SOP 服务类，并且使用符合 DICOM 逻辑规范的服务原语，因此，本协议也可用作DICOM 标准的拓展投入使用。最后，本文设计验证程序，以模拟手术机器人和一影医疗的 3D C-arm为实验环境，模拟设备双方的通讯过程，对协议的有效性、安全性进行验证。1DICOM 通信服务1983 年，美国放射学会（American College of Radiology，ACR）与国家电器制造协会（National Electrical Manufactorers Association，NEMA）成立联合委员会，开发了医学数字成像与通信标准ACR-NEMA 300。随后推出了 ACR-NEMA 1.0 与 ACR-NEMA 2.0 版本，以及面向网络环境的 NEMA PS3，后更名为医学数字成像和通信标准（DICOM 3.0），为医学图像及相关数据提供了统一的通讯标准6，其中，通信服务是 DICOM 标准的重要组成，主要位于 OSI 七层模型的上 3 层（即应用层、表示层、会话层），其底层数据交换则建立在 TCP/IP 网络协议之上7。1.1通信模型DICOM 通信模型底层直接由 TCP/IP 协议实现，本文对此不作展开。模型的主要组成部分有DICOM 服务对象对（service object pairs，SOP）和 DICOM 上层协议（upper layers protocol，ULP），SOP 服务建立于 ULP 协议之上，是 ULP 的使用者。其中，SOP 分为信息对象定义（informationobject definition，IOD）和服务命令（DICOM message service element，DIMSE），两者相互匹配，可为 DICOM AE（应用实体）提供多项服务，涉及各类医疗数据的应用和管理，消息交换载体为DIMSE 服务组，是本文设计协议的重要参考；ULP 为 DICOM 应用和 TCP/IP 层之间的信息交互提供接口，消息交换载体为 ACSE 协议数据单元，比如 P-DATA、A-ABORT 等8。DICOM 应用层协议和 ULP 协议相互配合，完成通信指令的传输，其模型整体结构如图 1 所示。1.2通信过程在 DICOM 通信协议中，发送方被称为 SCU（客户端），接收方被称为 SCP（服务器），这一交互过程必须在 DICOM 连接之上完成，其通信流程9-10为：关联协商建立关联输数据释放关联关联协商是两个 DICOM 应用实体进行通信的首要步骤，用于确定 DICOM 连接交换的数据类型和数据编码方式。完成关联协商后，SCP 根据 SCU 指令中的内容提供相应的 SOP 服务，进行数据交换。服务过程中，任意一方均可提出终止连接，结束此次 DICOM 通信。1.3DIMSE 服务原语DICOM 应用层使用 DIMSE 服务原语进行通信，服务原语主要分为 DIMSE-C 和 DIMSE-N 两个类别。-C 用于复合型 SOP；-N 用于规格化 SOP，本文涉及的 DIMSE 服务原语及其用途在表 1 中列出。44CT 理论与应用研究32 卷2协议设计2.1设计思路RoboLINK 被定位为三维 C 臂和其他医疗设备之间的底层链接方式，涉及的通讯双方分为三维 C臂和控制设备，提供的主要功能可以概括为：（1）控制设备启用或停用三维 C 臂，启用阶段向其请求服务并在此过程中与三维 C 臂交互。（2）三维 C 臂提供服务并且将任务状态实时反馈给控制设备，以供其进行调整操作。（3）三维 C 臂和控制设备相互协作，共同完成手术任务。在协议内部，根据不同的功能要求，RoboLINK设计了对应的 SOP 服务组，当 SCU 发出请求指令，SCP 就启用相应的 SOP 服务并回复状态，此过程中所使用的请求指令和回复语句都由 DICOM 标准中的 DIMSE 服务原语提供。同时，为符合医疗设备法规对安全性的要求，三维 C 臂的运动触发不允许使用软件触发，因此 RoboLINK 还提供了硬件开关支持，用于医疗设备运作的触发，其软硬件的总体结构图如图 2所示。RoboLINK 的具体实验环境是由一影医疗的三维 C 臂和模拟手术机器人（下文简称 Robot）构成的：Robot 为控制设备-SCU；三维 C 臂为3D CT 成像设备 SCP，因此 RoboLINK 协议提供的表1本文使用的 DIMSE 服务组Table 1The DIMSE service group used inthis article名称功能组别DIMSE-CC-STORE存储图像C-FIND按照属性查找图像C-ECHO检验 DICOM 连接DIMSE-NN-EVENT-REPORT报告当前状态N-GET获取属性值N-SET设置属性值N-CREATE创建 SOP 对象实例N-DELETE删除 SOP 对象实例DICOM通信模型MedicalApplicationEntityDIMSE服务OSI参考模型SOP服务对象对DICOMIOD信息对象消息服务原语应用层C-STORE C-GET C-MOVE C-FIND C-ECHON-EVENT-REPORT N-GET N-SET N-ACTIONN-CREATE N-DELETE表示层Upper Layer Association ServiceDUL服务会话层ULPA-ASSOCIATE A-RELEASEA-ABORT A-P-ABORTP-DATA协议数据单元传输层DUL协议负责与TCP对接网络层TCP/IP 协议数据链路层物理层NetworkSOP由DUL协议数据单元传输图 1DICOM 网络通讯模型6Fig.1DICOM network communication model6RoboLINK软件硬件DICOM硬件通道TCP/IP硬件接口触发装置（脚闸）图 2RoboLINK 软硬件结构Fig.2Software and hardware structureof RoboLINK1 期高晨等：基于 DICOM 的 3D C-arm 控制服务协议（RoboLINK）设计与实现45具体服务功能直接参考了一影医疗三维 C 臂的设备功能，比如查询影像数据，控制运动角度等操作。在不同的实际应用场景下，RoboLINK 作为一种开放式的底层链接方法，可以根据需求开发新的服务，而不仅限于 Robot 和三维 C 臂之间的连接。2.2RoboLINK 服务类由于参考 DICOM 标准，RoboLINK 协议的核心构成就是 SOP 服务，严格遵循 DICOM 标准文档的定义，RoboLINK 设计了