医学影像显示器的校准与质控

医学影像显示器的校准与质控
田金;刘振临
【摘要】目的:探讨医学影像显示器的校准标准与方法,对其进行质量检测.方法:分析医学影像显示器的相关标准、概念以及由医学数字成像和通信(digital imaging and communications in medicine,DICOM)标准定义的灰阶标准显示函数(grayscale standard display function,GSDF);以DICOM标准第14部分关于医学影像显示的内容为基础,使用DICOM GSDF标准函数,对医学影像显示器进行校准.结果:提出查找表与亮度计是医学影像显示器DICOM GSDF校准时不可缺少的工具,可以采用手动、自动及网络3种模式进行校准.结论:医学影像显示器的校准与质控应作为一项常规工作,只有对其进行DICOM GSDF校准后,才能用于临床诊断工作.%Objective To explore the standard and methods for the calibration of the medical image monitor,and to execute its quality detection.Methods The related standards and concepts of medical image monitor were analyzed,and the grayscale standard display function (GSDF) defined by DICOM was discussed.Calibration of medical image monitor was implemented with the 14th part of DICOM standard on medical image display and DICOM GSDF standard function.Results It's pointed out that lookup table and brillmeter were indispensible for DICOM GSDF calibration of medical image monitor.The calibration modes included the ones of manual,automatic and network.Conclusion Medical image monitor has to undergo calibration and quality control conventionally,and DICOM GSDF calibration should be executed before its clinical application.
【期刊名称】《医疗卫生装备》
【年(卷),期】2017(038)012
【总页数】4页(P88-90,94)
【关键词】医学影像显示器;校准;医学数字图像和通信标准;灰阶标准显示函数;医学影像技术
【作者】田金;刘振临
【作者单位】100191北京,北京大学第三医院医学工程处;100191北京,北京大学第三医院医学工程处
【正文语种】中文
【中图分类】R318;R197.39
近年来，随着医学影像技术和计算机技术的不断发展，放射科信息系统（radiology information system，RIS）与影像归档和通信系统（picturearchivingand communication systems，PACS）已成为医院信息系统不可缺少的组成部分。

无论是放射科医师对患者影像的诊断、医院内多学科协作（multi-disciplinary team，MDT）会诊，还是医院间的远程会诊，都需要借助数字化阅片的方式来完成。

因此，患者影像灰阶梯度显示的准确与否，将直接影响医生书写诊断报告的质量[1]。

美国放射学会和美国电气制造商协会所制定的医学数字成像和通信（digital imaging and communications in medicine，DICOM）标准的第14部分定义了一个灰阶标准显示函数（gray scale standard display function，GSDF），该函数将数字化医学影像的灰阶值映射到显示器的亮度范围，对数字化医学影像的显
示进行了标准化定义。

医学影像显示器的校准即对显示器内置的伽马曲线进行调整，以确保在不同显示器上显示数字化医学影像时能产生一致的视觉效果[2]。

该函数
为
式中，j（1~1023）为灰阶亮度等级，L为亮度；常数a=-1.301187 7，b=-
2.584019 1×10-2，c=8.024263 6×10-2，d=-1.032022 9 ×10-1，
e=1.364669 9 ×10-1，f=2.874562 0×10-2，g=-2.546840 4×10-2，h=-
3.197897 7×10-3，k=1.299263 4×10-4，m=1.363533 4×10-3。

DICOMGSDF提供了从0.0500～3993.4040 cd/m2共1024阶人眼极限可分辨
差别（just-noticeable difference，JND）的灰阶亮度，每个灰阶亮度级别间的
亮度差对应人眼在该亮度水平下能够辨别的最小亮度变化。

它的标准曲线呈现了灰阶级别和显示器亮度之间的关系，是将影像灰阶数值映射到显示器的客观量化的方法[3]。

该标准曲线与未经校准的显示器伽马曲线如图1所示。

其中，标准曲线表
示经过DICOM GSDF校准的显示器伽马曲线在人眼可分辨灰阶级别与显示亮度之间呈线性关系，而未经校准的显示器伽马曲线不具备灰阶级别与显示亮度间的对应关系。

每一台医学影像显示器的显示单元都有其独立的输入电平与显示亮度对应特性。

内置伽马曲线的特性一般都不符合DICOM显示标准，因此每一台显示器在出厂前
都需要进行DICOM GSDF校准。

同时，在数字化阅片环境的临床使用中也要对显示器进行补偿校准，使其符合DICOM的显示标准，以保证医师阅片的一致性与
准确性[4]。

未经校准的显示器伽马曲线对应的灰阶图像与经过校准的伽马曲线对
应的灰阶图像如图2所示。

要完成医学影像显示器的 DICOM GSDF 校准，查找
表（look-up table，LUT）与亮度计是2种不可缺少的工具，具体介绍如下。

LUT是一张输入灰阶等级与输出亮度之间对应转换关系的映射表。

它将显示器实
际采样到的灰阶等级的固有亮度值，按照DICOM GSDF转换为一个与标准对应的
校准灰度亮度值，起到突出影像的有用信息、增强影像的对比度、优化人眼视觉系统感受特性的作用[5-6]。

对于高端医学影像显示器，出厂前会单独测量每台设备的原生亮度值，计算后取得独立的LUT值保存在显示器的控制电路中。

显示器输入一个灰阶度信号就等于输
入一个地址，控制电路进行查表找出地址对应的表中的数据，然后输出相应的亮度。

因此高端显示器的校准精度较高，符合诊断级显示的要求。

对于低端医学影像显示器，通常是在测量此型号部分样机后取得通用的LUT，再
通过安装在计算机上的校准软件控制调整显卡输出以使显示器符合DICOM标准[7]。

校准软件没有启动或出现故障，都会导致显示器无法工作在DICOM GSDF
校准状态下。

因此低端医学影像显示器常用于参考阅片。

医学影像显示器的DICOM GSDF校准是使用配置光学传感器的亮度计来完成的。

亮度计是一种测光和测色的计量仪器，用于DICOM GSDF校准的亮度计分为外置亮度计和内置亮度计。

外置亮度计有独立的供电电源（如USB供电），校准时将其置于医学影像显示器
前方的中心区域，显示器上逐一显示由测试软件或者信号发生器产生的不同灰阶输入电平的测试画面。

此时，亮度计将逐一测量各个画面的亮度值，得到显示器未经校准前的原生灰阶等级与亮度值的对应关系，然后利用配套的校准软件依据DICOM GSDF进行计算并发出指令，由显示器控制电路驱动调整或者由计算机显示控制卡驱动调整每个灰阶对应的亮度输出值，使之符合DICOM GSDF规定的灰阶等级与亮度关系。

使用外置亮度计校准，需要专业技术人员定期手工操作完成，校准周期一般为3~6个月，工作量较大。

内置亮度计分为前内置和后内置2种设计方式：（1）前内置亮度计通常将光学传感器安装在显示器正面边框内部，由软件控制读取显示器的原生亮度值，计算取得LUT后保存到显示器的控制电路，通过调整对应的亮度值使之符合DICOM GSDF
标准。

它可以由软件控制自动定时测量，但是由于其屏幕的亮度不是完全均匀的，故而测得的是显示器屏幕边角区域的光线。

又由于长期使用后边角与中心区域的衰减程度不一，因此边角测得的亮度不能反映显示器平面中心观看区域的亮度水平，且会有校准偏差。

（2）采用后内置亮度计的显示器通常在工厂内运用高精度的亮度计，在受控环境下单独测量每台显示器的中心区域，写入精确的LUT。

控制软件和电路能够在用户调整亮度时自动重新计算LUT并输出符合DICOMGSDF的亮度。

后内置亮度计通常内置于医学影像显示器背光板的后部，光学传感器接收背光板灯管发出的背光，实时监测背光亮度，并将监测值反馈给背光源驱动电路，通过电路的调整使显示器工作在恒定的经过校准的亮度下。

总之，从2种亮度计操作与性能上看，内置亮度计校准无需人工介入和操作，有效解决了传统医学影像显示器在使用中需要定期检测和重新校准的问题[8]。

医学影像显示器出厂前均在光线条件稳定、可重复的环境下进行手动DICOMGSDF校准，但是影像科室阅片室的实际情况是千差万别的。

阅片室内的自然光、照明灯光都会在显示器屏幕上形成环境光线的反射，导致显示器使用中的伽马曲线偏离DICOM GSDF标准曲线。

因此，医学影像显示器在使用中必须进行DICOMGSDF校准。

在医院实际阅片环境中，可以采用手动模式、自动模式和网络模式对医学影像显示器进行校准：（1）手动模式。

根据阅片室的照明光线和自然光线使用光度计测量光度值，通过外置亮度计测量显示器不同灰阶等级的亮度值，将环境光度值与显示器灰阶亮度值输入校准软件后选择接近的补偿等级，从而完成手动校准[9]。

（2）自动模式。

根据阅片室的照明光线和自然光线使用光度计测量光度值，通过显示器配套的校准管理软件建立阅片室环境光度与显示器补偿模式的映射关系，利用软件的实时监控功能控制显示器内置亮度计来完成自动校准。

（3）网络模式。

对于分布在医院不同楼宇内的阅片室，可以通过网络模式对医学影像显示器进行远程质量
控制。

处于RIS/PACS内的医学影像显示器通过简单网络管理协议（simple network management protocol，SNMP）与显示器网络管理控制终端连接，配套的质量管理系统可自动测量各阅片室环境的光度值，选择与显示器对应的补偿等级后通过网络进行校准[8]。

该模式有效解决了单台显示器因校准管理软件故障无
法完成自动校准的问题，使管理员足不出户即可保证医师在任意显示器上获得一致的诊断结果。

网络模式的系统框图如图3所示。

DICOMGSDF校准是医学影像显示器校准的核心。

只有经过DICOM GSDF校准
的医学影像显示器，才能用于医学影像的显示；只有通过DICOM GSDF校准后显示出来的医学影像，才能用于影像科室的临床诊断工作。

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