超聲診斷儀顯示器的選型依據(jù)與調教

李毅 北京東方惠爾圖像技術有限公司 （北京 100176）

超聲診斷儀顯示器的選型依據(jù)與調教

李毅 北京東方惠爾圖像技術有限公司 （北京 100176）

該文介紹了液晶顯示器的原理、分類、特性及選型依據(jù)，對比了不同特性顯示器對超聲診斷設備圖像的影響，同時，對比屏幕調教前后的圖像，說明顯示器調教的重要性。

顯示器 超聲診斷儀

彩色超聲多普勒診斷設備，常稱彩超，是利用超聲的物理特性與人體器官組織聲學特質，進行疾病診斷的檢查設備，因其安全、無損、無電離輻射等優(yōu)點，在臨床診斷中具有廣泛的應用[1]。彩超系統(tǒng)屬于醫(yī)學影像設備，顯示器的品質，直接關系到圖像質量，進而會影響醫(yī)生診斷，所以，設計彩超系統(tǒng)時，挑選、并優(yōu)化一款顯示器，是一個關鍵的設計環(huán)節(jié)。本文將介紹顯示器相關的特性，以及選型時的一些依據(jù)。

1.顯示器分類

顯示器根據(jù)顯示原理分類，分為CRT（Cathode Ray Tube）陰極射線管顯示器，PDP（Plasma Display Panel）等離子顯示器，LCD（Liquid-Crystal Display）液晶顯示器，OLED（Organic Light-Emitting Diode）有機發(fā)光二極管顯示器，以及近些年出現(xiàn)的MicroLED（Micro Light-Emitting Diode）微發(fā)光二極管顯示器等[2-5]。另外，三星推出的QLED（Quantum Dot Light-Emitting Diode）量子點LED顯示器，本質上還是LCD的一種。

這些類型的顯示器中，CRT、PDP已經(jīng)逐步淘汰，OLED成本較高，尚未大規(guī)模普及，MicroLED、QLED尚未正式商用，LCD仍是當前顯示器的主流。本文將以LCD顯示器技術為主，介紹顯示器的選型與優(yōu)化。

2.液晶顯示器基本原理與分類

圖1. 液晶顯示器構造圖

2.1 液晶顯示器基本原理

液晶顯示器的基本構造如圖1所示，液晶分子層夾在透明的電極之間，兩側分別有一片偏振方向垂直的偏光板[3]。當液晶分子沒有偏轉時，光線被阻隔，當液晶分子偏轉時，光線被液晶分子偏轉，就可以通過另外一片偏光片，從而可以通過控制液晶分子的偏轉，來實現(xiàn)光線控制。光線的來源，則來自背光模組，主要由光源和導光板組成。光源之前多采用熒光燈管，現(xiàn)在市場流行的，則是采用LED光源的背光光源。

2.2 液晶顯示器分類

按照顯示模式分類，液晶顯示器分為扭曲向列型（Twisted Nematic，TN），平面轉換（In-Plane Swithing，IPS），垂直配向（Vertical Alignment，VA）等。值得注意的是，常說的薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT）是一種場效應管的特殊制作工藝，是一種驅動技術，與屏幕顯示技術沒有直接關系，TFT是LCD的主流驅動技術，上述TN、IPS、VA屏，都可能采用了TFT技術。

下圖是TN、IPS、VA三種面板的原理解析圖[6]。TN面板默認狀態(tài)下液晶分子處于水平偏轉狀態(tài)，剛好可以將光線扭轉90?，光線可以透過液晶，當電極施加電壓時，液晶分子趨于垂直狀態(tài)，此時顯示漸暗。IPS面板的液晶分子則一直處于水平狀態(tài)，且電極在同一面，加電壓時，液晶分子實現(xiàn)水平偏轉，實現(xiàn)光線的扭轉。VA面板液晶分子默認處于垂直狀態(tài)，加電壓后，液晶偏轉，實現(xiàn)光線的偏轉。

三種面板各有優(yōu)劣，其中TN面板價格低廉，響應速度快，但是可視角度不足，不過采用富士的TN+Film技術后可以達到160?，另外大部分TN面板采用6bit控制芯片，采用抖動算法實現(xiàn)8bit色彩效果，色彩顯示單薄。IPS面板由于液晶分子始終水平，所以可視角度大，色彩還原準確，但也會造成開窗率低，功耗高，黑色純度不夠，響應速度慢于TN面板。VA面板的對比度高，可以實現(xiàn)純凈的黑色，色彩還原準確，但是屏幕均勻性一般，響應速度同樣慢于TN。

隨著技術的進步，三種面板也衍生出了各自的分類，比如TN-Film，S-IPS、H-IPS、E-IPS、MVA、PVA等等，已經(jīng)不能單純依靠采用的TN、IPS還是VA技術來判定一款面板的品質，需要根據(jù)具體面板的特性來選型，下面就介紹下，選擇顯示器時，需要考慮的一些特性。

3.液晶顯示器特性及應用于彩超設備時的選型考慮

液晶顯示器的指標主要有響應時間、可視角度、亮度、對比度、色域、灰階、分辨率等，不同的應用場景，有不同的特性要求。

圖2. 面板原理解析圖

3.1 灰階、色階

灰階、色階代表了顯示器顯示圖像層次的精細程度。Windows操作系統(tǒng)采用8bit來輸出顯示，也就是可以表示256種灰度，但是調色板占用了20個色階，實際只有236個灰階。彩色由R、G、B三原色表示，每種原色采用8bit表示，總共可以表示1677萬色，通常表示為16.7M色。但是，市場上大部分的顯示器，為控制成本，采用的是6bit顯示控制芯片，再通過抖動算法，實現(xiàn)8bit顯示，通常能顯示的色彩為16.2M色。醫(yī)療用顯示器，經(jīng)常需要10bit，甚至12bit的灰度級別，此時除了顯示器需要支持，還需要顯卡支持，因為通常消費級顯卡是8bit數(shù)據(jù)輸出。

人眼對灰階的分辨與亮度有關，對明亮部分的更靈敏，DICOM定義了一個標準顯示函數(shù)，該函數(shù)可以在不同的亮度下顯示的圖像，提供某種相似性，使人眼對灰階的反映近似線性[7]。彩超圖像一般采用8bit編碼，所以優(yōu)選8bit顯示器。但是基于成本等考慮，優(yōu)秀的6bit顯示器也能滿足大多數(shù)要求。

3.2 對比度

對比度有三種定義，分別為靜態(tài)對比度、動態(tài)對比度、ANSI對比度。

靜態(tài)對比度是指，最亮的白與最暗的黑的亮度比值。顯示器標注的對比度通常是最大值，是在某種特定條件下測得，不一定符合實際使用情況，如果有典型值，則更具參考意義。一般顯示器的數(shù)據(jù)手冊上，給出的就是靜態(tài)對比度的數(shù)值。

動態(tài)對比度則是是某一瞬間的最亮白色與最暗黑色的比值，沒有實際意義，常用在消費電子的市場宣傳中。

ANSI對比度是指顯示一個16x16的黑白色塊圖像，8塊白色與8塊黑色亮度平均值的比。該定義更能反映實際使用時能達到的對比度，但是由于數(shù)值會遠低于靜態(tài)對比度，很少有廠商標注該值。

3.3 亮度

單位為cd/m2，一般來說，亮度越高，人分辨灰階的能力也越強，所以，在X光等醫(yī)用顯示器領域，對亮度要求比較高，一般要求1000cd/m2以上，并且要求3～10萬小時，亮度不變。

選擇顯示器亮度時，要考慮使用環(huán)境的影響。比如，根據(jù)醫(yī)院建筑照明標準，診室的照度標準值為300lux，如果顯示器的折射率為2%，那么屏幕的最低亮度為6cd/m2，如果要求對比度達到100:1時，顯示器的亮度就需要達到600cd/m2[8]。另外，還要考慮顯示器是否漏光，如果漏光嚴重，亮度雖高，也實現(xiàn)不了高對比度。

3.4 可視角度

可視角度的定義是，當對比度降為10:1時的角度，一般來說，TN屏的可視角度最低，通常在160度以下，而且垂直方向與水平的可視角度不同，VA和IPS則在垂直和水平方向都可以做到170度。通常來說，可視角度越大越好，否則，在不同的角度觀察屏幕時，由于對比度的變化，會影響人對灰階的分辨能力，造成閱讀影像困難。

3.5 響應時間

圖3. 響應時間定義

圖4. 亮度均勻性定義

圖5. 色彩空間對比圖

響應時間反映了顯示屏亮暗轉換的速度，通常有兩種定義。一種是一種定義為黑-白-黑的全程響應時間，也就是液晶分子從初始位置，轉到最大扭轉位置，再恢復初始位置的時間（見圖3）[9]。一種定義為中間色階變化的時間，因為液晶分子黑白黑的轉換時，施加了最大驅動電壓，所以液晶分子扭轉更快，而中間色階的變化施加電壓較小，響應時間也就更慢。實際應用中，大部分轉換為中間色階的轉換，所以該參數(shù)更具有實際參考意義。

一般顯示器響應時間低于30ms時，視頻就可能會出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，對于實時顯示動態(tài)圖像的超聲設備，優(yōu)選響應時間低于25ms以下的顯示器。

3.6 均勻性

均勻性的含義是指，屏幕顯示白色時，屏幕上最亮的點與最暗的點之間的比值，圖4以1024×768分辨率的屏幕為例，介紹均勻性的計算方法。

選取固定位置的5個點，按照如下計算公式計算。

3.7 背光模式

顯示器的背光驅動模式有PWM模式，DC模式，和PWM+DC混合模式。其中，PWM模式最常用，但是由于存在開關控制，頻率較低時，會感受到屏幕閃爍，造成視覺疲勞，另外，還容易產(chǎn)生低頻干擾。DC模式不存在上述問題，但是，低亮度時，亮度控制會不精準。PWM+DC模式則是兩者的結合，高亮度是采用DC模式，低亮度是采用PWM模式。超聲設備內(nèi)部有敏感的微小信號電路，尤其是連續(xù)波多普勒（CW模式）電路，對開關頻率及其敏感，所以，優(yōu)選DC背光驅動類顯示器。如果要選PWM模式的顯示器，需要考慮其開關頻率范圍，盡量避開系統(tǒng)中的敏感頻率范圍。

3.8 表面工藝

表面工藝是光滑表面的，常稱為鏡面屏，具有亮度高，對比度高，色彩飽和度高的優(yōu)點，但是容易造成反光，長時間看屏幕，容易造成視覺疲勞。為了克服該缺點，廠商采用了表面抗反光工藝，通常稱為霧面屏，該類型屏幕色彩柔和，視覺感受更舒適，不易受環(huán)境光線影響，但是也會造成亮度降低、銳度降低。對于超聲設備來講，醫(yī)生會長時間觀看屏幕，處于醫(yī)生健康考慮，更適合使用霧面屏。

3.9 色溫

色溫的定義，基于一個理想化的模型，假設一個物體可以完全吸收光和熱，并將能量全部輻射出去，稱之為黑體，而且，該黑體可以加熱時輻射出光，而光的光譜隨著溫度而變化，另外假設該黑體發(fā)射出特定顏色光時的溫度可以確定，以此來定義色溫。

色溫會影響彩超圖像的顯示風格，顯示屏一般都具有色溫偏向性，經(jīng)過后期校準仍可能存在色溫偏向，超聲系統(tǒng)選擇時，要根據(jù)客戶的喜好，選擇合適風格的屏幕色溫。

3.10 色域、色準

色域是指顯示器能夠顯示的顏色的總和，一般用占某種色彩空間的比例來表示[10]。色彩空間根據(jù)不同模型由多種定義，常用的如下圖中所示的Adobe RGB、sRGB、NTSC 92等，顯示器常以NTSC 92色彩空間為基準，表示顯示器顯示顏色的能力[11]。消費領域常見的屏幕色域有45% NTSC，72% NTSC等。色準是指顯示某種色彩的準確度

彩超設備雖然有彩色顯示，但是對于色彩的豐富程度、準確度要求并不高，所以對色域、色準參數(shù)不敏感。

3.11 其他

除了上述顯示相關的特性，彩超顯示屏選型時，還要考慮分辨率、機械尺寸、數(shù)據(jù)接口、電源電壓、功耗等參數(shù)，這些與具體系統(tǒng)關系密切，這里不展開討論。

4.彩超顯示器選型對比

下面用實例來展示不同技術參數(shù)的顯示器，對超聲圖像的影響。選用兩款顯示器，其技術參數(shù)如表1所示。采用相同的亮度設置，對于同一幅圖像的顯示效果見圖6。可以明顯看出，右側采用VA技術的顯示器，其對比度、細節(jié)表現(xiàn)能力要明顯好于左側TN顯示屏。

上面的兩幅圖都是原始圖像直接顯示，沒有做顯示器的校準與優(yōu)化，如果再經(jīng)過校準優(yōu)化，將可以獲得更佳的現(xiàn)實效果，如圖7所示。

5.小結

本文介紹了顯示器的相關技術參數(shù)，對比了不同技術參數(shù)顯示器的實際效果，并展示了優(yōu)化前后的圖像，說明了顯示器選型以及優(yōu)化，對彩超設備圖像品質的重要性。雖然顯示器選型時可以通過技術參數(shù)來量化對比，但是最終顯示效果，以及優(yōu)化方向，最終還需要實際測試，根據(jù)客戶需求來評判，畢竟人對圖像品質的評判，是帶有主觀色彩的。

表1 兩種顯示器的技術參數(shù)

圖6. 兩種顯示器的圖像對比圖

圖7. 第二種顯示器優(yōu)化后圖像

[1] 馮若, 劉忠齊, 姚錦鐘. 超聲診斷設備原理與設計[M]. 北京:中國醫(yī)藥科技出版社, 1993.

[2] Wikipedia. Cathode ray tube[DB/OL]. https://en.wikipedia.org/wiki/Cathode_ray_tube.

[3] Wikipedia. Liquid-crystal display[DB/OL]. https://en.wikipedia.org/wiki/Liquid-crystal_display.

[4] Wikipedia. OLED[DB/OL]. https://en.wikipedia.org/wiki/OLED.

[5] Wikipedia. MicroLED[DB/OL]. https://en.wikipedia.org/wiki/MicroLED.

[6] Computerdiy. 淺談TN、VA、IPS顯色技術藍、綠、紅 三原色的繽紛世界[DB/OL]. https://www.computerdiy.com.tw/tn-va-ips/.

[7] 中華醫(yī)學會影像技術學會. 醫(yī)用顯示器在數(shù)字影像系統(tǒng)的作用和選配[DB/OL]. http://csit.cma.org.cn/csit/cn/forum/topic.jsp?forumid=4&rootid=51358&topic id=51358.

[8] 中華人民共和國建設部. GB 50034-2004 建筑照明設計規(guī)范[S]. 2004-12-01.

[9] SHARP. Device Specifcation for TFT-LCD Module, LQ150X1LW12B datasheet[R].

[10] Wikipedia. Gamut[DB/OL]. https://en.wikipedia.org/wiki/Gamut.

[11] 章佳杰. 色彩空間表示與轉換[OL]. https://zhuanlan.zhihu.com/p /24281841.

Selection and Adjustment of Ultrasound System’s Display

LI Yi Beijing East Whale Imaging Tech Co., LTD. (Beijing 100176)

This article introduces the principle, classifcation and characters of the LCD display. And introduces the selection basis. Compares the affection of different LCD screen. Introduces the signifcance of screen adjustment by comparing the images before and after being adjusted.

display, ultrasound system

1006-6586(2017)11-0108-04

R197.39

A

2017-04-28

李毅，超聲硬件系統(tǒng)設計。