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 RoboLINK Service Class，主要用于 Robot 与三维 C 臂之间的数据传输以及运动控制。2.2.1RoboLINK 通信模型在 RoboLINK 的通信模型中，SCU 为骨科手术机器人，使用三维 C 臂获取患者影像信息进行做术前规划；一影医疗的三维 C 臂 SCP 为 SCU 提供服务。SCU 和 SCP 之间的通信数据流如图 3 所示，共分为 A、B 两个阶段。第 1 阶段（图中 A）为服务准备阶段，根据 SCU 的请求，SCP 创建相应的 SOP服务，下面的步骤由这个被创建的 SOP 完成。第 2 阶段（图中 B）为服务进行阶段，SOP 完成 SCU 请求的服务，比如提供影像数据或控制运动。2.2.2RoboLINK SOP Class根据一影医疗的三维C 臂功能，RoboLINK 将其分类，对应设计了3 个SOP Class，分别为RoboLINKBase SOP（基服务对象），RoboLink Attribute Retrieve SOP（属性获取服务）和 RoboLink StatusNotification SOP（状态通知服务）。图 3 中的 Image Management SOP 继承了 DICOM 标准原有的图像存储类 SOP，此处不做介绍。其他 SOP 的说明如下所示：（1）RoboLINK Base SOP（a）IOD 描述RoboLINK 基类 IOD 是创建和管理 SOP 的抽象信息对象，服务元素如表 2 所示。在 RoboLINK 连接后设置从设备支持的 SOP，并且在收到服务指令后，选择启用对应的 SOP 提供服务。DICOM Standard Interface模拟骨科手术机器人N-CREATE RQARobot(SCU)N-CREATE RSPBAttributeStatusRetrieveNotificationSOPSOPN-SET RQC-STORE-RQorN-EVENTREPORTRSPRobotRobotN-GET RQC-armRobotC-armC-armN-SET RSP(SCU)Robot(SCU)(SCU)Robot(SCU)(SCU)Robot(SCU)orororN-EVENTREPORTRQN-GET RSPN-DELETE RQN-DELETE RSPN-DELETE RQN-DELETE RSPN-DELETE RQN-DELETE RSPRoboLINKBaseSOP影科技的3D C-arm(SCP)ImageManagementSOP(SCP)C-arm(SCP)(SCP)C-arm(SCP)(SCP)C-arm(SCP)C-FIND-RQC-STORE-RSPC-FIND-RSP图 3RoboLINK 数据流图Fig.3The graph of data flow in RoboLINK46CT 理论与应用研究32 卷（b）DIMSE 服务组N-CREATE 提供属性表包含 SOP UID，用于 SCU 向 SCP 请求创建不同 SOP 实例。（c）状态RoboLINK Base SOP 的服务状态如表 3 所示。（d）行为在 DICOM 连接完成后，SCU 立即使用 N-CREATE 请求 SCP 创建不同的 SOP 实例，SCP 返回相应状态，创建成功即表明已经开启 RoboLINK所支持的服务。（2）RoboLINK Attribute Retrieve SOPclass（a）IOD 描述属性获取 IOD 是管理参数设置的抽象信息对象，其服务元素如表 4 所示，用于控制设备给三维 C 臂设置运动参数，比如运动坐标和角度、患者的信息等。（b）DIMSE 服务组N-SET 包含 SCU 所设置的一些控制参数，传输给 SCP 进行设备控制。N-DELETE 用于删除一个 SOP 实例。（c）私有属性表私有属性表如表 5 所示，表中列出了 SOP中 N-SET 所使用的自定义属性元素。（d）状态RoboLINK Attribute Retrieve SOP 的服务状态如表 6 所示。（e）行为SCU 使用 N-SET 服务原语传送待设定的参数表，为三维 C 臂的属性赋值，在完成设置后，SCP 会发送状态信息告知 SCU 是否完成任务。表2RoboLINK Base SOP 服务元素Table 2Service elements of RoboLINKBase SOPDIMSE 服务元素用法 SCU/SCPN-CREATEM/M注：M:Mandatory。表3RoboLINK Base SOP 服务状态Table 3Service status of RoboLINK Base SOP服务状态含义状态码SuccessSOP 创建成功0000Failure已经存在可用的 SOP，必须注销后才能创建新的 SOPC616表4RoboLINK Attribute RetrieveSOP 服务元素Table 4Service elements of RoboLINKAttribute Retrieve SOPDIMSE 服务元素用法 SCU/SCPN-SETM/M（根据功能选其一）N-DELETEM/M表5RoboLINK Attribute Retrieve SOP 私有属性表Table 5The private property of RoboLINK Attribute Retrieve SOP属性名TagVRVM描述SYSTEM_Cmd0 x0041，0 x0010IS1系统信息 ID 编号RobLinkServerVer0 x0041，0 x0011LO1RoboLink 版本ackSystemReport_Msg0 x0041，0 x0032LT1返回设备功能开启状况reqSetMotionValues0 x0043，0 x0040LO1设置运动位置信息ackCurAllSystemMsg0 x0041，0 x0020LO1系统各轴当前状态表6RoboLINK Attribute Retrieve SOP 状态Table 6The status of RoboLINK Attribute Retrieve SOP服务状态含义状态码SuccessSOP 创建成功0000Warning请求功能超出 SOP 的操作范围B605Failure已经存在可用的 SOP，必须注销后才能创建新的 SOP C6161 期高晨等：基于 DICOM 的 3D C-arm 控制服务协议（RoboLINK）设计与实现47（3）RoboLink Status Notification SOP class（a）IOD 描述状态通知 IOD 是管理状态监测的抽象信息对象，其服务元素如表 7 所示。该 IOD 在 SCP 端被创建的，当三维 C 臂与机器人端建立 RoboLINK 连接后，该 SOP 会主动返回三维 C 臂状态给 SCU，以达到 SCU 监控 CT 设备运动状态的目的。（b）DIMSE 服务组N-EVENT-REPORT 由 SCP 主动发送给 SCU，用于报告当前事件状况。（c）私有属性表RoboLink Status Notification SOP 的私有属性如表 8 所示。（d）状态Status Notification SOP 与 Attribute Retrieve SOP 返回的状态相同。（e）行为N-EVENT-REPORT 指令可在 SCU 已经建立的连接上发送，也可发起新连接专门用于发送。本协议直接在 SCU 已经建立的连接之上发送 N-EVENT-REPORT 指令，从设备收到 N-CREATE 指令并完成指定的 SOP 创建后再向主设备发送 N-EVENT-REPORT-RSP 回复当前设备状态。2.3协议的安全设置由于涉及设备的功能操控，RoboLINK 协议本身的设置必须符合三维 C 臂的功能安全要求。除了满足通信安全的基本要求，即控制设备发出的信号与三维 C 臂收到的保持一致；还需要在危险发生的情况下，对设备发出安全控制指令，以将危险的损失降到最低11。RoboLINK 主要设置以下方式对设备的通信功能安全进行管控：（1）C-ECHO 心跳：为避免两个系统在不知情的状况下断开可能造成安全问题，SCU 不断发送 C-ECHO 指令作为 DICOM 心跳，响应时间必须在指定值内，若任意一端未收到心跳回应超过指定时间则向系统报错。（2）断网：一旦断开连接，所有服务暂停，从设备立即停止运动，进入安全状态。断开共有两种方式，任意一方按动 LINK 控件和断开网线。除此之外，SCP 在异常情况下自动断开，比如 SCP 检测到 socket 异常（客户端异常退出、网络链路异常等）。（3）界面日志显示：N-EVENT-REPORT 回复的 SCP 端信息被输出至 SCU 端控制界面，能够直接监控状态，及时进行调整。2.4RoboLINK 工作流作为一种底层连接协议，RoboLINK 集成了数据传输和运动控制，并且在协议内部使用多个 SOP提供不同服务。在应用层面，其工作流在传统的设备操作基础上增加了相关步骤，如图 4 所示。下文将以应用操作、底层活动一一对应的方式详细展开 RoboLINK 的工作流。表7RoboLink Status NotificationSOP 服务元素Table 7Service elements of RoboLINKStatus Notification SOPDIMSE 服务元素用法 SCU/SCPN-EVENT-REPORTM/MN-DELETEM/M表8RoboLink Status Notification SOP 私有属性表Table 8The private attribute of RoboLINK Status Notification SOP属性名TagVRVM描述RoboLinkFunList0 x0041，0 x0013LO1产品支持功能PatientRegist/MotionCtrl/CBCTWorkflowackCBCT_Step_Status0 x0041，0 x0022LO1CBCT 步骤状态ackFindAllSystemMsg0 x0041，0 x0031LO1系统各轴运动状态48CT 理论与应用研究32 卷（1）三维 C 臂和控制设备均开启并完成初始化工作后，双方分别在其控制端点击 LINK 控件建立 RoboLINK 连接。沿用 DICOM 的通信过程，SCU/SCP 先进行协商链接，即发送传输语义和抽象语法（相当于 SOPClass UID），完成底层 TCP/IP 连接以及 DICOM应用层连接。在开启 RoboLINK 服务前，SCU 先使用 C-ECHO 服务原语对其进行 DICOM 连接测试，确认双方已建立 DICOM 连接，即 RoboLINK 底层连接建立完成，此后始终发送 C-ECHO 作为心跳，以确认 RoboLINK 是否保持连接状态。在此基础上，SCU 向 SCP 发送 N-CREATE-RQ服务原语，请求开启 RoboLINK 的服务。SCP 收到后在 Server 端建立 Attribute Retrieve SOP、Status Notification SOP 以及图像存储类 SOP，建立完成后返回 N-CREATERSP；若返回的 RSP 中的状态属性为 STATUS_Success，则表明 RoboLINK服务已开启；建立 Status Notification SOP 后，SCP 即持续发送 N-EVENT-REPORT-RQ 报告当前设备状态，状态信息在主设备端有所体现，实现对从设备的监控。在整个连接过程中，N-EVENT-REPORT-RQ 的 Event Type 都设置为 Pending，并且持续进行状态报告，直到监控过程结束，才返回 Done 或 Failure，表示停止监控操作。（2）三维 C 臂和控制设备协作完成任务。以一影医疗的三维 C 臂采图过程为例，主设备为从设备登记患者信息后，进行图像采集，先设置采图参数，再踩脚闸启动曝光。三维 C 臂图像采集涉及两个主要步骤，即设置运动参数和图像采集过程。前一阶段，SCU设置好的参数以 N-SET-RQ 服务原语发送至 SCP，指示三维 C 臂设置参数并返回 N-SET-RSP 报告设置状态，若返回状态属性为 STATUS_Success，则表明控制设备可以使用 RoboLINK硬件部分进行 CT 的运动触发，比如踩脚闸。在此过程中，SCP 仍然持续发送 N-EVENT-REPORT-RQ，SCU 可根据报告的设备运动参数，对其进行适当干预。（3）完成患者采图环节，RoboLINK 连接工作结束，双方再次点击 LINK 控件断开 RoboLINK 连接。同理，沿用 DICOM 通信部分，任何一方均可提出终止连接。在正常情况下，收到释放消息的一方回复确认，双方即断开连接，完成 release 正常释放。在紧急情况下，比如网线突然中断，也可不收到确认就释放，即 Abort 异常释放。一旦连接断开，三维 C 臂立刻停止一切运动，即进入安全状态。2.5RoboLINK 的软件架构RoboLINK 的软件架构采用分层架构如图 5 所示，两端为用户界面，通过 SCU 和 SCP Manager操纵 RoboLINK Base SOP 类完成 RoboLINK 协作服务。控制设备根据 Client 端界面的不同设置信息，通过 SCU Manager 操控 RoboLINK Base SCU 发出不同指令信息，RoboLINK Base SCP 收到后，根据主设备:从设备:手术机器人模影医疗拟Robot3D C-arm启用启用初始化工作初始化工作点击 按键，点击 按键，握手建立连接握手建立连接设备建立RoboLINK连接请求登记发送 指令发送 回复并注册请求采集图像发送 请求属性集发送 执行2D/3D采图过程返回状态应答发送 /或指示数据实行其它指令完成主设备请求任务，关闭再次点击 按键再次点击 按键断开RoboLINK连接关机关机收到状态发送 患者信息收到患者信息患者图 4RoboLINK 工作流Fig.4Work flow of RoboLINK1 期高晨等：基于 DICOM 的 3D C-arm 控制服务协议（RoboLINK）设计与实现49指令启用对应的 SOP 服务，再通过 SCP Manager 对从设备展开一些控制操作。在此过程中，SCP 不断为 SCU 返回从设备的状态信息，以供控制设备进行调整操作，从而达到了 C-arm 和控制设备协作完成任务的运行效果。3协议验证3.1测试环境协议的测试环境如图 6 所示，控制设备为模拟骨科手术机器人，3D CT 影像设备为一影医疗的三维 C 臂，RoboLINK 的软件部分集成至三维 C 臂设备系统中，同时在主设备端（模拟手术机器人）设置 RoboLINK 的运行 Demo。3.1.1阶段一：协议基本功能协议基于 DCMTK 库开发了 RoboLINK 通信的 SOP 服务类，为了验证协议功能，在 VS2015 上使用Qt 搭建了服务端和客户端界面作为测试环境，客户端为控制设备，即模拟骨科手术机器人，其界面如图 7 所示。服务端为三维 C 臂，即一影医疗的三维 C 臂，其界面如图 8 所示。客户端的连接和操作信息都有所记录和显示，由一台 HPspecture 笔记本同时运行两端界面，验证基本的通信功能是否实现。3.1.2阶段二：设备集成实现模拟手术机器人用户端控制一影医疗的三维 C 臂进行功能运作，将 RoboLINK 协议的运行Demo 集成至两设备系统中。通过验证模拟手术机器人端的控制指令在三维 C 臂端的响应状况，判断协议的可行度和安全性。AttributeSOPRoboLINKClient客户端界面RoboLINK-Base SCURoboLINK-Base SCPStatusSOPRoboLINKServer服务端界面SCUManagerImageSOPSCPManager图 5RoboLINK 软件架构Fig.5Software structure of RoboLINK（a）（b）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Fig.6Protocol test environment(a)is a 3D C-arm from First Image,(b)is Simulated orthopedic surgery robot50CT 理论与应用研究32 卷3.2测试结果3.2.1协议软件基本功能为了验证协议可行性，对协议的基本功能设置了测试项目。在使用 RoboLINK 协议进行通信的模拟客户端/服务器软件上进行测试，获得结果如表 9 所示，对于参数设置和状态反馈的基本功能，协议都达到了预期的效果，对于基本的异常处理，协议也没有失效。其中，时延误差用以下方法进行测试：T1：三维 C 臂发出反馈时间。T2：模拟机器人端收到反馈时间。经设置，在设备传递运作信号后立即发送 N-EVENT-REPORT-RSP 回复，硬件反应时间较小且与本协议无关，此处忽略不计，由此可知，延迟时间即可简化为网络时延，即 T2-T1（图 9）。经验证，时延误差平均小于 20 ms，实验所用三维 C 臂转速平均值约 0.017 r/s，即旋转 1 度需要 6 s，20 ms 内的位移可忽略不计，因此时延误差在可接受范围内。（a）RoboLINK 未连接（b）RoboLINK 连接成功图 7客户端界面Fig.7Client interface（a）未连接（b）连接成功，并且 client 设置参数图 8服务端界面Fig.8The service-side interface表9软件功能测试Table 9Test 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1 期高晨等：基于 DICOM 的 3D C-arm 控制服务协议（RoboLINK）设计与实现513.2.2设备响应状况为了验证协议的实际应用效果，将协议的运行 Demo 集成至两设备系统后，针对一影医疗的三维 C 臂所支持的功能，设置了具体测试项目，获得测试效果如表 10 所示，完成参数设置后触发三维 C 臂运动，能够按照预期正常进行曝光，同时将设备状态返回给模拟手术机器人控制界面。对于异常断开的情况三维 C 臂立即停止运动，达到了安全状态。3.2.3三维图的配准精度通过扫描模体，对关键点使用 ICP 点集配准进行坐标匹配，并且将求出的关键点坐标与理论值做误差分析，计算 C-arm 获取的 CT 图像与解剖结构的配准精度，经计算，匹配精度误差均值为 0.4 mm，范围在 0.2,1 之间，符合机器人手术的精度要求。4总结与展望经过实验验证，本协议能够实现手术机器人控制端和一影医疗的三维 C 臂之间的协作运行，达到协议的设计目的，总体评价概括如下：（1）在当前的实验环境下，基本实现了对三维 C 臂的远程控制功能。（2）具备一定的异常处理机制，能够在发生紧急情况时，通过对协议本身设置进行最基本的处理。（3）协议的构成严格参考了 DICOM 标准，设计的 SOP 也是标准的拓展应用，符合 DICOM 的协议规范，通用性好、可移植性强。（4）协议不局限于 Robot 和三维 C 臂，能够实现不同的医疗设备互连，并且根据设备的功能需求增加新的服务模块，达到开放式平台的效果。本协议也存在一些不足：（1）缺少某些 C 臂和机器人的常用的功能，例如机器人工作前都需要对 C 臂进行校准，协议应当支持校准的一套工作流作为服务类。（2）DICOM 库的底层需要进行异步改写，以支持心跳的传输，开销较大。对于 RoboLINK 协议的进一步发展和运用，可从单一医疗设备实现对三维 C 臂的自动控制推广到三维 C 臂与多个设备之间的自动连接和运作12，使得几个不同的设备逻辑上组成一个设备整体，最终实现可以由医生根据实际情况进行自由搭建，实现更多更复杂的医疗辅助功能。三维 C 臂模拟手术机器人N-EVENT-REPORT-ACKT1N-EVENT-REPORT-RSPT2图 9交互时延图Fig.9Interactive delay diagram表10设备响应状况Table 10Device 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52CT 理论与应用研究32 卷参考文献黄华文.计算机辅助外科技术的应用与发展J.中国医疗器械信息,2007，(1):1826,29.HUANG H W.Application and development of compute assisted surgeryJ.China Medical DeviceInformation,2007,(1):1826,29.(in Chinese).1潘紫麟,刘庆鹏.计算机辅助导航技术在脊柱外科中的应用J.医学综述,2021，27(11):21842188.PAN Z L,LIU Q P.Application of computer-aided navigation technology in spinal surgeryJ.Medical Recapitulate,2021,27(11):21842188.(in Chinese).2王哲琨.计算机辅助导航技术在口腔颌面外科的应用进展J.现代盐化工,2020，47(2):5960.WANG Z K.Application progress of computer aided navigation technology in oral and maxillofacialsurgeryJ.Modern Salt and Chemical Industry,2020,47(2):5960.(in Chinese).3曹聪.外科手术导航与机器人系统中图像配准方法研究D.上海:上海应用技术大学,2020.CAO C.Research on image registration method in surgicalnavigation and robot systemD.Shanghai:Shanghai University of Applied Technology,2020.(in Chinese).43D 外科导航界面:NaviLink(TM)的三维 C 臂系统J.中国医药指南,2003,(1):53.5于凤海.DICOM 标准综述J.红外,2003，(9):3033.YU F H.Overview of DICOM standardsJ.Infrared,2003,(9):3033.(in Chinese).6赵越,韩滢,王之琼.DICOM 技术在 PACS 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