DICOM医学影像应用篇——窗宽窗位概念、原理及实现详解

窗宽窗位调整（Windowing）在DICOM医学影像中的应用

窗宽窗位的基本概念

[窗宽（Window Width, WW）](#窗宽（Window Width, WW）)

[窗位（Window Level, WL）](#窗位（Window Level, WL）)

窗宽窗位调整（Windowing）在DICOM医学影像中的应用

在医学影像中，尤其是CT和MRI图像，窗宽窗位调整（Windowing）是一项至关重要的技术。它允许放射科医生和其他医疗专业人员通过调整图像的对比度和亮度，以便在不同的灰度级上观察特定的组织或病变。常用于CT和MRI图像本文将详细介绍窗宽窗位调整的概念、基本原理和实现方法，并提供C++示例代码。

窗宽窗位的基本概念

窗宽窗位调整是调节医学图像对比度和亮度的一种方法。医学图像通常以灰度图像的形式存在，而某些病理特征仅在特定的灰度范围内可见。

窗宽（Window Width, WW）

窗宽定义了要显示的灰度级范围，直接影响图像的对比度。较小的窗宽可以增强对比度，使细节更加分明；而较大的窗宽会使图像显得更加平滑，降低对比度。

窗位（Window Level, WL）

窗位是图像灰度级的中心值，指定了该范围的中心位置，控制图像的亮度。通过调整窗位，可以突出显示不同密度范围的组织，从而更好地观察和诊断病变。

窗宽窗位调节展示

实际图像窗宽窗位调节展示如下，第一幅图是初始窗宽窗位显示，后面几幅图进行了相应的窗宽窗位调整：

窗宽窗位调整的基本原理

医学影像通常以12位或更高的深度存储，灰度值范围广泛。在CT图像中，灰度值通常在0到4095之间。为了在显示设备（如监视器）上有效显示，必须将这些灰度值映射到设备支持的范围（通常是0到255）。

映射逻辑

灰度值小于 (WL - WW/2) 的像素被映射为最暗（黑色）。
灰度值大于 (WL + WW/2) 的像素被映射为最亮（白色）。
在 (WL - WW/2) 和 (WL + WW/2) 之间 的像素则被线性映射到显示设备的灰度范围。

数学公式

考虑一个像素的原始灰度值 P，窗宽 WW，窗位 WL，调整后的灰度值 P' 计算如下：

计算范围边界：
- L = WL - WW/2
- H = WL + WW/2
应用映射规则：
- 如果 P <= L，则 P' = 0 （最暗）
- 如果 P >= H，则 P' = 255 （最亮）
- 如果 L < P < H，则 P' = (P - L) * 255 / WW

窗宽窗位调整的C++实现

下面提供一个简单的C++代码示例，演示如何对图像进行窗宽窗位调整。

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm> // 用于标准算法

using namespace std;

// 灰度值映射函数，执行窗宽窗位调整
uint8_t windowing(int pixelValue, int windowWidth, int windowLevel) {
    int lowerBound = windowLevel - windowWidth / 2;
    int upperBound = windowLevel + windowWidth / 2;
    
    // 应用映射逻辑
    if (pixelValue <= lowerBound) {
        return 0; // 映射为最暗
    } else if (pixelValue >= upperBound) {
        return 255; // 映射为最亮
    } else {
        // 线性映射到0-255
        return static_cast<uint8_t>((pixelValue - lowerBound) * 255 / windowWidth);
    }
}

// 应用窗宽窗位调整到整个图像
vector<vector<uint8_t>> applyWindowing(const vector<vector<int>>& image, int windowWidth, int windowLevel) {
    size_t numRows = image.size();
    size_t numCols = image[0].size();
    vector<vector<uint8_t>> outputImage(numRows, vector<uint8_t>(numCols));
    
    for (size_t i = 0; i < numRows; ++i) {
        for (size_t j = 0; j < numCols; ++j) {
            outputImage[i][j] = windowing(image[i][j], windowWidth, windowLevel);
        }
    }
    
    return outputImage;
}

int main() {
    // 示例数据：一个简单的4x4图像
    vector<vector<int>> image = {
        {1000, 1200, 1300, 1400},
        {1500, 1600, 1700, 1800},
        {1900, 2000, 2100, 2200},
        {2300, 2400, 2500, 2600}
    };

    int windowWidth = 400;  // 设置窗宽
    int windowLevel = 1800; // 设置窗位

    // 进行窗宽窗位调整
    vector<vector<uint8_t>> outputImage = applyWindowing(image, windowWidth, windowLevel);

    // 输出调整后的图像
    for (const auto& row : outputImage) {
        for (auto val : row) {
            cout << static_cast<int>(val) << " ";
        }
        cout << endl;
    }

    return 0;
}

代码解释

windowing函数: 负责将输入的灰度值根据窗宽和窗位进行调整，映射到0到255的范围。

lowerBound 和 upperBound 分别表示灰度值映射的下界和上界。

根据映射范围，将灰度值调整到显示设备支持的灰度范围。

applyWindowing函数: 遍历输入图像的每个像素，应用窗宽窗位调整。

main函数 : 初始化一个简单的灰度图像数据，设置窗宽和窗位，调用applyWindowing函数进行调整，并输出结果。

预设的窗宽和窗位

在CT图像中，窗宽和窗位是用于调整图像对比度和亮度的重要参数。它们帮助医生在不同的灰度级上更清楚地观察和分析特定的组织和器官。固定窗宽窗位是指为特定解剖结构或组织类型预设的窗宽和窗位值，以便更好地显示这些区域的细节。以下是一些常见的固定窗宽窗位配置：

1. 骨窗（Bone Window）

窗宽: 通常在2000到3000之间。
窗位: 通常在300到500之间。
用途: 骨窗设置有助于清晰地显示骨骼的细节，使得骨折、密度变化等异常更容易被检测到。由于骨骼的密度较高，因此需要较宽的窗宽来捕捉骨骼与周围组织的高对比度。

2. 肺窗（Lung Window）

窗宽: 通常在1200到1600之间。
窗位: 通常在-400到-600之间。
用途: 肺窗设置用于查看肺部结构，以便观察肺实质、气道、和病变如结节或浸润。由于肺部组织的密度较低，因此需要特定的窗宽窗位来增强肺部细节的对比度。

3. 软组织窗（Soft Tissue Window）

窗宽: 通常在300到500之间。
窗位: 通常在30到60之间。
用途: 软组织窗设置用于查看身体的软组织部分，如肌肉、脂肪、和内脏器官。此设置帮助在不同密度的软组织之间提供清晰的对比。

4. 脑窗（Brain Window）

窗宽: 通常在80到100之间。
窗位: 通常在30到40之间。
用途: 脑窗设置用于显示大脑的细节，帮助识别神经组织中的异常，如出血、肿瘤或梗塞。

5. 腹部窗（Abdominal Window）

窗宽: 通常在350到400之间。
窗位: 通常在40到60之间。
用途: 腹部窗设置适用于查看腹部内脏器官，如肝脏、胰腺、脾脏和肾脏。它帮助在软组织和腹腔内容物之间提供清晰的对比度。

6. 肿瘤窗（Tumor Window）

窗宽: 可能在250到350之间。
窗位: 可能在30到50之间。
用途: 用于增强肿瘤组织与周围正常组织的对比，帮助识别和评估肿瘤的大小、边界和侵袭性。

7. 乳腺窗（Breast Window）

窗宽: 通常在1000到1500之间。
窗位: 通常在200到300之间。
用途: 乳腺窗设置用于乳腺CT成像，以增强乳腺组织的对比度，帮助检测微小病变或异常。

8. 血管窗（Vascular Window）

窗宽: 通常在400到600之间。
窗位: 通常在40到60之间。
用途: 血管窗用于观察和评估血管系统的细节，如动脉和静脉的通畅性，常用于CTA（CT血管造影）。

9. 肝窗（Liver Window）

窗宽: 通常在150到250之间。
窗位: 通常在70到90之间。
用途: 专用于观察肝脏内部结构，以检测病变如肝硬化、肿瘤或脂肪肝。

应用与调整

目的: 通过调整窗宽和窗位，放射科医生可以增强图像中的特定特征，使得诊断更准确和可靠。
交互性: 在实际应用中，医生可以根据需要动态调整窗宽和窗位，以便在不同组织和病变之间切换和比较。

这些固定窗宽窗位预设在临床中提供了一个快速的标准化参考，帮助医务工作者在各种情况下迅速获取所需的图像信息。然而，医生往往会根据具体的病人情况和诊断需求进行个性化调整。

总结

窗宽窗位调整能帮助医疗专业人员通过调节图像的对比度和亮度，更好地识别和分析医学影像中的不同组织。这种技术的广泛应用极大地提升了影像诊断的准确性和效率。通过C++实现的示例代码，我们可以更深入地理解其工作原理和应用方法。