基于DICOM的3D C-arm控制服务协议（RoboLINK）设计与实现

高晨; 程坤; 常韫恒; 张飞; 唐冰; 胡晟; 陈阳; 奚岩

doi:10.15953/j.ctta.2022.015

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^2, ,

1.
网络空间安全学院；东南大学
2.
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；东南大学
3.
江苏省医学信息处理国际联合研究实验室, 南京211189 东南大学
2.
江苏一影医疗设备有限公司, 南京226100
3.
上海医疗器械质量监督检验中心, 上海200120

详细信息

作者简介:
高晨: 女，东南大学网络空间安全学院电子信息专业硕士研究生，研究方向为网络安全，E-mail：596214866@qq.com

陈阳: 博士/博士后，东南大学计算机科学与工程学院教授、博士生导师，主要从事人工智能、计算机视觉、模式识别、医学信号图像处理与分析，E-mail：chenyang.list@seu.edu.cn

奚岩: 博士/博士后，江苏一影医疗设备有限公司总经理/董事长、研发总监，E-mail：yanxi@first-imaging.com

通讯作者:
陈阳: 博士/博士后，东南大学计算机科学与工程学院教授、博士生导师，主要从事人工智能、计算机视觉、模式识别、医学信号图像处理与分析，E-mail：chenyang.list@seu.edu.cn

奚岩: 博士/博士后，江苏一影医疗设备有限公司总经理/董事长、研发总监，E-mail：yanxi@first-imaging.com

中图分类号: TP 242.3；TN 915.04
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出版历程
- 收稿日期: 2022-01-23
- 修回日期: 2022-03-31
- 录用日期: 2022-04-01
- 网络出版日期: 2022-04-23
- 发布日期: 2023-01-30

Design and Implementation of a 3D C-arm Control Service Protocol (RoboLINK) Based on DICOM

GAO Chen^1a,,
CHENG Kun²,
CHANG Yunheng²,
ZHANG Fei²,
TANG Bing²,
HU Sheng³,
CHEN Yang^{1b, 1c, ,},
XI Yan^2, ,

1.
Southeast University,Nanjing 211189, China School of Cyberspace Security
2.
Southeast University,Nanjing 211189, China Laboratory of Image Science and Technology, Key Laboratory of Computer Network and Information Integration
3.
Southeast University,Nanjing 211189, China Jiangsu Provincial Joint International Research Laboratory of Medical Information Processing
2.
Jiangsu Yiying Medical Equipment Co., Ltd. Nanjing 226100, China
3.
Shanghai Medical Device Quality Supervision and Inspection Center, Shanghai 200120, China

摘要

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。
- DICOM /
- 3D C-arm /
- 骨科手术机器人 /
- RoboLINK
Abstract: 3D imaging technology assisted orthopaedic robot for preoperative planning can improve the accuracy and efficiency of surgery. However, traditional surgical navigation systems based on 3D data currently need pre-operative drawing and manual registration. The surgical steps are cumbersome and new errors may be introduced during manual registration, resulting in the reduction of accuracy. To address this need, in this study, we design a remote device control service protocol (RoboLINK) based on the DICOM protocol, which can be used in operation and provides a novel solution to the current problem. Based on supporting data transmission between two medical devices, motion control instructions can also be transmitted to achieve mutual cooperation between devices. In accordance with this design method, the protocol is tested in a shadow medical 3D C-arm experimental environment and a simulated surgical robot. The results indicate that the RoboLINK protocol can effectively complete the tasks of data transmission and equipment control with the advantages of feasibility and security.
- DICOM /
- 3D C-arm /
- orthopaedic surgery robot /
- RoboLINK

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图 1 DICOM网络通讯模型^[6]

Figure 1. DICOM network communication model^[6]

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图 2 RoboLINK软硬件结构

Figure 2. Software and hardware structure of RoboLINK

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图 3 RoboLINK数据流图

Figure 3. The graph of data flow in RoboLINK

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图 4 RoboLINK工作流

Figure 4. Work flow of RoboLINK

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图 5 RoboLINK软件架构

Figure 5. Software structure of RoboLINK

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图 6 协议测试环境。（a）一影医疗的三维C臂，（b）模拟骨科手术机器人示意图

Figure 6. Protocol test environment (a) is a 3D C-arm from First Image, (b) is Simulated orthopedic surgery robot

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图 7 客户端界面

Figure 7. Client interface

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图 8 服务端界面

Figure 8. The service-side interface

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图 9 交互时延图

Figure 9. Interactive delay diagram

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表 1 本文使用的DIMSE服务组

Table 1 The DIMSE service group used in this article

名称	功能	组别
DIMSE-C	C-STORE	存储图像
	C-FIND	按照属性查找图像
	C-ECHO	检验DICOM连接
DIMSE-N	N-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

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表 2 RoboLINK Base SOP服务元素

Table 2 Service elements of RoboLINK Base SOP

DIMSE服务元素	用法SCU/SCP
N-CREATE	M/M
注：M: Mandatory。

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表 3 RoboLINK Base SOP服务状态

Table 3 Service status of RoboLINK Base SOP

服务状态	含义	状态码
Success	SOP创建成功	0000
Failure	已经存在可用的SOP，必须注　　销后才能创建新的SOP	C616

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表 4 RoboLINK Attribute Retrieve SOP 服务元素

Table 4 Service elements of RoboLINK Attribute Retrieve SOP

DIMSE服务元素	用法SCU/SCP
N-SET	M/M（根据功能选其一）
N-DELETE	M/M

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表 5 RoboLINK Attribute Retrieve SOP私有属性表

Table 5 The private property of RoboLINK Attribute Retrieve SOP

属性名	Tag	VR	VM	描述
SYSTEM_Cmd	0x0041，0x0010	IS	1	系统信息ID编号
RobLinkServerVer	0x0041，0x0011	LO	1	RoboLink版本
ackSystemReport_Msg	0x0041，0x0032	LT	1	返回设备功能开启状况
reqSetMotionValues	0x0043，0x0040	LO	1	设置运动位置信息
ackCurAllSystemMsg	0x0041，0x0020	LO	1	系统各轴当前状态

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表 6 RoboLINK Attribute Retrieve SOP状态

Table 6 The status of RoboLINK Attribute Retrieve SOP

服务状态	含义	状态码
Success	SOP创建成功	0000
Warning	请求功能超出SOP的操作范围	B605
Failure	已经存在可用的SOP，必须注销后才能创建新的SOP	C616

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表 7 RoboLink Status Notification SOP服务元素

Table 7 Service elements of RoboLINK Status Notification SOP

DIMSE服务元素	用法SCU/SCP
N-EVENT-REPORT	M/M
N-DELETE	M/M

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表 8 RoboLink Status Notification SOP私有属性表

Table 8 The private attribute of RoboLINK Status Notification SOP

属性名	Tag	VR	VM	描述
RoboLinkFunList	0x0041，0x0013	LO	1	产品支持功能　　PatientRegist/MotionCtrl/CBCTWorkflow
ackCBCT_Step_Status	0x0041，0x0022	LO	1	CBCT步骤状态
ackFindAllSystemMsg	0x0041，0x0031	LO	1	系统各轴运动状态

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表 9 软件功能测试

Table 9 Test of software function

测试项		测试方法	测试结果
基本功能测试	参数设置	验证两端设置是否一致	一致
基本功能测试	设备状态反馈	检查日志与实际情况的同步程度（时延误差）	同步，时延误差在可接受范围内
异常情况处理	客户端突然断开	服务端是否立即断开	是
异常情况处理	服务器突然断开	客户端是否立即断开，并且停止一切当前活动	是

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表 10 设备响应状况

Table 10 Device response

测试项		测试方法	测试结果
设备控制功能测试	CBCT	是否按预期进行	是
	透视	是否按预期进行	是
	传输图像数据	是否按预期进行	是
	设备状态反馈	检查日志与从设备的同步程度　　　　（时延误差）	同步，时延误差　在可接受范围内
异常情况处理	网线突然断开	两端是否立即断开，并且从设备进入　　　　安全状态（停止一切运动）	是

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参考文献(12)

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