在Windows系统中使用C++与Orthanc交互：基于DICOMweb的医学影像应用开发

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在Windows系统中使用C++与Orthanc交互：基于DICOMweb的医学影像应用开发

在之前的文章中，我们详细探讨了Orthanc作为轻量级PACS服务器的核心功能、DICOMweb支持以及Python实现的示例代码。为了进一步扩展Orthanc的应用场景，本文将聚焦于在Windows系统中，使用**C++**开发与Orthanc交互的应用程序，重点展示如何通过DICOMweb接口实现医学影像的查询、检索和上传功能。文章将提供完整的C++示例代码，包含关键注释，并介绍Windows环境下的开发配置和注意事项。

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一、为何选择C++与Orthanc交互

C++是一种高性能、跨平台的编程语言，广泛应用于医疗影像处理和PACS系统开发。结合Orthanc的DICOMweb接口，使用C++开发具有以下优势：

• 高性能：C++的低级控制和内存管理适合处理大型DICOM数据集。
• 跨平台兼容性：C++代码可轻松移植到Linux或其他系统。
• 与DICOM库集成：C++与DCMTK、GDCM等DICOM库无缝集成，增强影像处理能力。
• Windows生态支持：Windows是许多医院和开发环境的首选平台，C++在Windows下有成熟的开发工具链。

本文将使用C++通过HTTP请求与Orthanc的DICOMweb接口交互，展示如何实现QIDO-RS（查询）、WADO-RS（检索）和STOW-RS（上传）功能。

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二、开发环境准备

1. 安装Orthanc

在Windows系统中，推荐使用Docker或直接下载预编译的Windows二进制包运行Orthanc：

• Docker方式 ：

  docker pull orthanc/orthanc
  docker run -p 8042:8042 -p 4242:4242 orthanc/orthanc

• Windows二进制包 ：
  从Orthanc官网（https://www.orthanc-server.com/download.php）下载Windows版本，解压后运行`Orthanc.exe`。

默认配置下，Orthanc的REST API和DICOMweb接口运行在http://localhost:8042。

2. C++开发工具

• 编译器：Visual Studio 2022（社区版免费），支持C++17及以上。
• HTTP客户端库 ：使用cpp-httplib，一个轻量级的C++ HTTP客户端库，适合与RESTful接口交互。
• JSON解析库 ：使用nlohmann/json，便于处理DICOMweb返回的JSON数据。
• DICOM处理库（可选）：如DCMTK或GDCM，用于解析DICOM文件。

3. 安装依赖库

使用vcpkg（Visual Studio的包管理器）安装cpp-httplib和nlohmann/json：

# 安装vcpkg（如果尚未安装）
git clone https://github.com/microsoft/vcpkg.git
cd vcpkg
.\bootstrap-vcpkg.bat
.\vcpkg integrate install

# 安装cpp-httplib和nlohmann/json
.\vcpkg install cpp-httplib
.\vcpkg install nlohmann-json

4. Visual Studio项目配置

1. 创建一个新的C++空项目。
2. 在项目属性中：
   • 添加vcpkg的头文件路径：vcpkg\installed\x64-windows\include。
   • 添加vcpkg的库路径：vcpkg\installed\x64-windows\lib。
   • 链接cpp-httplib.lib和nlohmann_json.lib（根据需要）。

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三、C++实现DICOMweb功能

以下展示如何使用C++与Orthanc的DICOMweb接口交互，实现以下功能：

1. QIDO-RS：查询DICOM研究。
2. WADO-RS：检索DICOM元数据。
3. STOW-RS：上传DICOM文件。

1. 前置代码：HTTP客户端封装

我们创建一个简单的HTTP客户端类，封装cpp-httplib的请求功能，并使用nlohmann/json解析响应。

#include <httplib.h>
#include <nlohmann/json.hpp>
#include <string>
#include <iostream>
#include <fstream>

using json = nlohmann::json;

// HTTP客户端类，封装与Orthanc的交互
class OrthancClient {
private:
    httplib::Client client;
    std::string dicomWebRoot;

public:
    OrthancClient(const std::string& host, int port, const std::string& root = "/dicom-web")
        : client(host, port), dicomWebRoot(root) {
        client.set_connection_timeout(10); // 设置连接超时为10秒
        client.set_read_timeout(30);       // 设置读取超时为30秒
    }

    // 发送GET请求并返回JSON响应
    json get(const std::string& endpoint, const httplib::Params& params = {}) {
        auto res = client.Get((dicomWebRoot + endpoint).c_str(), params);
        if (res && res->status == 200) {
            return json::parse(res->body);
        }
        throw std::runtime_error("GET request failed: " + std::to_string(res ? res->status : -1));
    }

    // 发送POST请求上传DICOM文件
    bool postDicomFile(const std::string& endpoint, const std::string& filePath) {
        std::ifstream file(filePath, std::ios::binary);
        if (!file.is_open()) {
            throw std::runtime_error("Cannot open file: " + filePath);
        }

        // 读取文件内容
        std::vector<char> fileData((std::istreambuf_iterator<char>(file)), std::istreambuf_iterator<char>());
        httplib::MultipartFormDataItems items = {
            { "file", std::string(fileData.begin(), fileData.end()), std::filesystem::path(filePath).filename().string(), "application/dicom" }
        };

        auto res = client.Post((dicomWebRoot + endpoint).c_str(), items);
        return res && res->status == 200;
    }
};

代码注释：

• OrthancClient：封装HTTP客户端，初始化时指定Orthanc服务器的地址、端口和DICOMweb根路径。
• get：发送GET请求，解析并返回JSON响应。
• postDicomFile：发送POST请求，上传DICOM文件。

2. QIDO-RS：查询DICOM研究

以下代码展示如何查询患者ID为"12345"的DICOM研究。

void queryStudies(OrthancClient& client) {
    try {
        // 设置查询参数
        httplib::Params params = {
            { "PatientID", "12345" },
            { "00100020", "12345" } // 患者ID的DICOM标签
        };

        // 发送QIDO-RS请求
        json studies = client.get("/studies", params);

        // 解析并打印结果
        for (const auto& study : studies) {
            std::string studyUID = study["0020000D"]["Value"][0].get<std::string>();
            std::cout << "Study Instance UID: " << studyUID << std::endl;
        }
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "Error in QIDO-RS: " << e.what() << std::endl;
    }
}

代码注释：

• params：设置查询条件，支持DICOM标签或标准字段。
• client.get：发送GET请求到/dicom-web/studies端点。
• 响应为JSON数组，包含匹配的研究信息。

3. WADO-RS：检索DICOM元数据

以下代码展示如何检索特定研究的元数据。

void retrieveMetadata(OrthancClient& client, const std::string& studyUID) {
    try {
        // 发送WADO-RS请求
        json metadata = client.get("/studies/" + studyUID + "/metadata");

        // 打印元数据（示例：Study Description）
        if (metadata.contains("00081030")) {
            std::string studyDesc = metadata["00081030"]["Value"][0].get<std::string>();
            std::cout << "Study Description: " << studyDesc << std::endl;
        }
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "Error in WADO-RS: " << e.what() << std::endl;
    }
}

代码注释：

• /studies/{studyUID}/metadata：WADO-RS端点，返回研究的元数据。
• metadata：JSON对象，包含DICOM标签及其值。

4. STOW-RS：上传DICOM文件

以下代码展示如何上传DICOM文件到Orthanc。

void uploadDicomFile(OrthancClient& client, const std::string& filePath) {
    try {
        // 发送STOW-RS请求
        bool success = client.postDicomFile("/studies", filePath);
        if (success) {
            std::cout << "DICOM file uploaded successfully: " << filePath << std::endl;
        } else {
            std::cerr << "Failed to upload DICOM file" << std::endl;
        }
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "Error in STOW-RS: " << e.what() << std::endl;
    }
}

代码注释：

• postDicomFile：以multipart/form-data格式上传DICOM文件。
• 成功上传后，Orthanc会解析并存储DICOM文件。

5. 主程序

以下是完整的程序入口，整合上述功能。

int main() {
    try {
        // 初始化Orthanc客户端
        OrthancClient client("localhost", 8042);

        // 查询研究
        std::cout << "Querying studies..." << std::endl;
        queryStudies(client);

        // 检索元数据
        std::string studyUID = "1.2.840.113619.2.55.3.60467153.1234.1234567890";
        std::cout << "\nRetrieving metadata for study: " << studyUID << std::endl;
        retrieveMetadata(client, studyUID);

        // 上传DICOM文件
        std::string dicomFile = "path/to/sample.dcm";
        std::cout << "\nUploading DICOM file: " << dicomFile << std::endl;
        uploadDicomFile(client, dicomFile);

    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "Main error: " << e.what() << std::endl;
        return 1;
    }
    return 0;
}

代码注释：

• 主程序初始化OrthancClient，依次调用查询、检索和上传功能。
• 异常处理确保程序健壮性。

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四、Windows系统下的注意事项

1. 防火墙配置：

   • 确保Orthanc的端口（默认8042和4242）未被Windows防火墙阻止。

   • 在Windows PowerShell中运行以下命令开放端口：

     netsh advfirewall firewall add rule name="Orthanc" dir=in action=allow protocol=TCP localport=8042,4242

2. 文件路径：

   • Windows使用反斜杠（\）作为路径分隔符，但在C++字符串中需转义为\\，或使用原始字符串（如R"(path\to\file)"）。
   • 示例："C:\\Users\\Username\\sample.dcm"。

3. 依赖库的DLL：

   • 确保cpp-httplib和nlohmann/json的动态链接库（.dll）在可执行文件的目录下，或已添加到系统PATH。
   • vcpkg会自动将DLL放置在vcpkg\installed\x64-windows\bin。

4. 字符编码：

   • Orthanc的DICOMweb接口使用UTF-8编码，确保C++程序的字符串处理兼容UTF-8。
   • 在Visual Studio中，设置项目属性为"使用Unicode字符集"。

5. 性能优化：

   • 对于大规模DICOM文件上传，建议使用异步I/O或多线程以提高性能。
   • 调整cpp-httplib的超时参数，适应网络环境。

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五、扩展：与DCMTK集成

若需解析或生成DICOM文件，可集成DCMTK库。以下是使用DCMTK读取DICOM文件并上传到Orthanc的示例：

1. 安装DCMTK

通过vcpkg安装DCMTK：

.\vcpkg install dcmtk

2. 示例代码：读取DICOM文件并上传

#include <dcmtk/dcmdata/dctk.h>

void uploadDicomWithDCMTK(OrthancClient& client, const std::string& filePath) {
    try {
        // 使用DCMTK加载DICOM文件
        DcmFileFormat fileFormat;
        OFCondition status = fileFormat.loadFile(filePath.c_str());
        if (status.bad()) {
            throw std::runtime_error("Failed to load DICOM file: " + status.text());
        }

        // 验证DICOM文件有效性
        DcmDataset* dataset = fileFormat.getDataset();
        if (!dataset) {
            throw std::runtime_error("Invalid DICOM file");
        }

        // 上传文件
        client.postDicomFile("/studies", filePath);
        std::cout << "DICOM file validated and uploaded: " << filePath << std::endl;
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "Error in DCMTK upload: " << e.what() << std::endl;
    }
}

代码注释：

• DcmFileFormat：加载DICOM文件并验证其格式。
• 在上传前，DCMTK可用于提取元数据或进行预处理（如匿名化）。

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六、实际应用场景

1. 医院影像工作站：

   • 开发Windows桌面应用，通过DICOMweb从Orthanc检索影像并显示。
   • 使用C++结合OpenGL或VTK实现影像渲染。

2. 自动化影像处理：

   • 开发批量上传DICOM文件的工具，结合DCMTK进行元数据验证。
   • 实现影像匿名化后上传到Orthanc。

3. 远程诊断系统：

   • 开发C++服务端程序，通过DICOMweb实时查询和传输影像到远程客户端。

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七、总结

通过C++在Windows系统中与Orthanc的DICOMweb接口交互，开发者可以构建高性能、可靠的医学影像应用。本文提供的示例代码展示了查询、检索和上传DICOM文件的核心功能，并通过DCMTK扩展了DICOM文件处理能力。结合Windows的开发工具链和Orthanc的轻量级特性，C++开发者能够快速实现从桌面应用到服务器端服务的多种场景。

对于更复杂的应用，建议进一步探索Orthanc的插件系统或与其他影像处理库（如ITK、VTK）集成。

参考资源：

• Orthanc官方文档：https://book.orthanc-server.com/
• cpp-httplib GitHub：https://github.com/yhirose/cpp-httplib
• nlohmann/json GitHub：https://github.com/nlohmann/json
• DCMTK官方文档：https://dicom.offis.de/