醫(yī)學(xué)影像顯示系統(tǒng)亮度特性的評價分析

張翼，宋少娟，韓士忠

山東省醫(yī)學(xué)影像學(xué)研究所 質(zhì)控中心，山東 濟南 250021

引言

顯示器已取代膠片成為影像診斷的主要工具，其質(zhì)量直接影響影像診斷的結(jié)果和效率。對于已普及應(yīng)用的液晶顯示器，由于物理分辨率固定，影響顯示質(zhì)量的主要因素是亮度特性，包括顯示器自身的亮度特性以及環(huán)境光對其的亮度特性的影響。2002年，美國醫(yī)學(xué)物理學(xué)師協(xié)會第18工作組（American Association of Physicists in Medicine Task Group 18，AAPM TG18）發(fā)布了“醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)顯示性能測試的標(biāo)準(zhǔn)”并提供了相關(guān)測試圖案，日本及歐盟也隨后參考AAPM TG18制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，為醫(yī)學(xué)影像顯示器的質(zhì)量控制提供了具體方法和依據(jù)[1-5]。上述標(biāo)準(zhǔn)強調(diào)了顯示器的驗收檢測與穩(wěn)定性檢測，保證了數(shù)字化圖像在不同的顯示器上能達(dá)到一致性的視覺效果。我國由于相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)還未推出，導(dǎo)致在醫(yī)學(xué)影像的相關(guān)應(yīng)用中對顯示器的質(zhì)量管理重視程度還不夠，結(jié)合環(huán)境照度對顯示器的亮度特性進(jìn)行的研究也比較少[6-8]。本文通過對比研究不同類別顯示器亮度特性，測試環(huán)境光對灰階亮度的顯示精度以及對閱片舒適度的影響，反映了當(dāng)前醫(yī)學(xué)影像顯示器的質(zhì)量現(xiàn)狀，為顯示器在臨床應(yīng)用環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制以及軟閱讀環(huán)境的設(shè)計提供了客觀依據(jù)[9-15]。

1 材料與方法

1.1 顯示器

按照使用類別及使用時間的不同隨機挑選了用于影像獲取、后處理、CT/MR報告、DR報告、影像會診5類共30臺顯示器進(jìn)行測試（表1），其中包括單獨購置的醫(yī)學(xué)影像診斷顯示器以及影像設(shè)備、后處理工作站配套的顯示器。

表1 測試用顯示器分類

1.2 測量設(shè)備與圖像

臺灣泰仕亮度照度計TES-1332A，德為顯示器調(diào)校軟件iCalibrate；測試圖像為圖像質(zhì)量綜合測試圖AAPM TG18 QC，18級漸變灰階測試圖TG18-BN01～18，亮度均勻性測試圖TG18-UNL80。

1.3 測試參數(shù)與方法

測試內(nèi)容包括綜合測試、最大亮度、亮度比、亮度均勻性、亮度響應(yīng)曲線以及環(huán)境照度對亮度響應(yīng)的影響、環(huán)境照度對閱片舒適度的影響。數(shù)據(jù)利用SPSS 17.0進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，采用K-S非參數(shù)檢驗、單因素方差分析及非配對t檢驗，P＜0.05認(rèn)為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。除對環(huán)境照度有特殊說明外，所有指標(biāo)在該顯示器所處工作場所默認(rèn)的環(huán)境照度下測試（實測為45～120 lux）。

（1）綜合測試：該項目為主觀測試，包括測試圖案中16個亮度塊及內(nèi)部細(xì)節(jié)的分辨能力，5%和95%亮度塊的分辨能力。

（2）亮度均勻性和亮度比：亮度均勻性計算公式為：(Lmax-Lmin)/(Lmax+Lmin)×200；亮度比計算公式為：Lmax/ Lmin；其中Lmax為TG18-BN18中心區(qū)域測試亮度，Lmin為TG18-BN01中心區(qū)域測試亮度。

（3）亮度響應(yīng)的符合度測試：應(yīng)用亮度計測量TG18-BN01～18 圖 案 中 每 一 級 灰 階 的 亮 度 Ln（n=1～18）。 采用Baton亮度模型將Ln轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的最小可覺差（Just Noticeable Difference, JND）對應(yīng)的J（Ln）值。通過計算相鄰兩個灰階的亮度差與其對應(yīng)的J（Ln）值，繪制亮度響應(yīng)曲線。按照同樣原理繪制該J（Ln）對應(yīng)的DICOM 3.14標(biāo)準(zhǔn)亮度響應(yīng)曲線及±15%的誤差曲線[2]。

（4）環(huán)境光對亮度的影響：在不同的環(huán)境照度下對暗室環(huán)境下測試合格的3臺顯示器進(jìn)行亮度響應(yīng)測試，然后在該環(huán)境照度下進(jìn)行亮度校正。評估校正前后由環(huán)境光引起的亮度響應(yīng)誤差。

（5）環(huán)境照度對閱片舒適度的影響：按照FDA推薦的醫(yī)療工作環(huán)境照度，選擇工作經(jīng)驗在五年以上的醫(yī)師共31名，每位分別在4種典型的環(huán)境亮度下完成閱片工作，每種環(huán)境下工作時長大于4小時，通過主觀感受選擇最適合的環(huán)境照度。

1.4 評價指標(biāo)

根據(jù)AAPM及JESRA制定評價標(biāo)準(zhǔn)，見表2。等級為“優(yōu)秀”的可以作為診斷用顯示器，等級為“良好”的可以作為臨床觀察影像用顯示器。按照上述標(biāo)準(zhǔn)，由于圖像獲取用及后處理要為診斷提供圖像，因此這兩類顯示器在亮度響應(yīng)指標(biāo)上要求達(dá)到“優(yōu)秀”標(biāo)準(zhǔn)。

表2 顯示系統(tǒng)等級評價標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果

2.1 亮度特性

亮度特性的評價結(jié)果，見表3，所有指標(biāo)全部符合“優(yōu)秀”等級的顯示器有8臺，占26.6%；滿足“良好”等級以上的顯示器有13臺，占43.3%。

表3 亮度特性評價符合標(biāo)準(zhǔn)的顯示器數(shù)量（臺）

（1）綜合測試：處于“良好”指標(biāo)以下的共15臺顯示器，其中8臺不能分辨1個亮度塊，7臺不能分辨2個亮度塊，2臺不能辨認(rèn)95%亮度塊，2臺不能辨認(rèn)5%亮度塊。不同類別的顯示器在主觀判斷指標(biāo)上沒有顯著性差異（K-S非參數(shù)檢驗P=0.0706）。

（2）最大亮度：平均為307.77 cd/m2，標(biāo)準(zhǔn)差為12.05 cd/m2，不同種類顯示器之間有顯著性差異（K-S非參數(shù)檢驗，P=0.048）（圖1a）。最大亮度與顯 示器的使用時間分布情況，見圖1b，最大亮度與使用時間與存在顯著性差異（K-S非參數(shù)檢驗，P=0.01），但使用2年以內(nèi)的顯示器無顯著差異（t檢驗，P=0.41）。

（3）亮度均勻性與亮度比：亮度均勻性平均值為14.76，標(biāo)準(zhǔn)差為6.26，各類別之間無顯著差異（K-S非參數(shù)檢驗，P=0.51），見圖1c；亮度比平均值680.81，標(biāo)準(zhǔn)差為268.71，各類別之間有顯著差異（K-S非參數(shù)檢驗，P=0.048），見圖 1d。

圖1 亮度特性測試結(jié)果

（4）亮度響應(yīng)的符合度測試：與標(biāo)準(zhǔn)DICOM響應(yīng)曲線相比，被測顯示器有22臺符合DICOM曲線，偏差平均值為-2.89%，最大值100%，標(biāo)準(zhǔn)差22.7%，8臺不符合DICOM曲線。不同類型顯示器之間亮度響應(yīng)偏差存在顯著差異（K-S非參數(shù) 檢驗，P=0.049）。亮度響應(yīng)曲線所呈現(xiàn)出來的特征，見圖2。

2.2 環(huán)境光對亮度響應(yīng)特性的影響

不同照度等級校正前后的顯示器亮度響應(yīng)偏差，見表4。校正前的亮度響應(yīng)曲線，見圖3。校正前亮度響應(yīng)偏差有顯著性差異（單因素方差分析，P＜0.0001），校正后亮度響應(yīng)偏差無顯著差異（單因素方差分析，P=0.95）。

表4 顯示器在不同照度下的亮度響應(yīng)偏差

圖3 環(huán)境光對顯示器灰度特性的影響

2.3 閱片舒適度

圖2 亮度響應(yīng)曲線

表5 最佳閱讀環(huán)境的主觀測試

按照FDA推薦的醫(yī)療環(huán)境的工作亮度[1]，在預(yù)設(shè)的4種亮度環(huán)境下對閱片的舒適度進(jìn)行了測試，結(jié)果見表5。59.01%的測試人員認(rèn)為環(huán)境亮度為24 lux時，閱讀圖像是最舒適的，該亮度屬于CT/MRI診斷的亮度環(huán)境。但在默認(rèn)的工作環(huán)境中，環(huán)境照度實測值為150～220 lux。

3 討論

3.1 顯示器亮度特性差別較大

達(dá)到“優(yōu)秀”指標(biāo)的顯示器數(shù)量只占26%的主要原因在于綜合測試以及亮度響應(yīng)測試不達(dá)標(biāo)。亮度綜合測試中，造成不能有效分辨全部亮度塊及其內(nèi)部細(xì)節(jié)的一方面原因是由于顯示器的本身質(zhì)量，尤其是液晶顯示器選用的面板達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)造成的；另一方面是由于顯示器在長期使用過程中，最大亮度出現(xiàn)了衰減，造成沒有足夠的亮度來分辨灰階。亮度響應(yīng)測試中，8臺呈現(xiàn)了非DICOM特性曲線，主要來源于設(shè)備操作及后處理用顯示器。應(yīng)用這類顯示器進(jìn)行操作，會造成影像細(xì)節(jié)顯示的偏差。例如用Gamma 2.2曲線進(jìn)行影像處理及膠片打印，由于該曲線在低亮度區(qū)的會壓縮灰階的層次，操作者會因感覺圖像在低亮度區(qū)的細(xì)節(jié)顯示不清，通過調(diào)整窗寬窗位以適應(yīng)觀察需要。但如果將調(diào)整后的圖像發(fā)送到PACS，用DICOM標(biāo)準(zhǔn)顯示器進(jìn)行閱讀或膠片打印機進(jìn)行打印，會因為曲線的不匹配造成亮度過高甚至出現(xiàn)飽和。所以AAPM標(biāo)準(zhǔn)指出，這類顯示器因為需要給后續(xù)的診斷提供標(biāo)準(zhǔn)圖像，因此在亮度響應(yīng)上要求達(dá)到“優(yōu)秀”。5臺顯示器的亮度響應(yīng)雖然符合DICOM曲線，誤差超過±15%，原因是沒有在其默認(rèn)工作環(huán)境的照度下進(jìn)行校正。

顯示器同其它醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的一樣，需要定期進(jìn)行檢測和校準(zhǔn)，而不是在不顯示圖像時才進(jìn)行維修。不符合DICOM亮度響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的顯示器應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像流程的各個環(huán)節(jié)在是普遍現(xiàn)象，主要原因在于標(biāo)準(zhǔn)控制不嚴(yán)格[16]。對于專業(yè)的醫(yī)學(xué)影像用顯示器，有自帶亮度探測系統(tǒng)的，可以依據(jù)背光亮度及環(huán)境照度進(jìn)行校準(zhǔn)，這些顯示器在測試中表現(xiàn)出了較好的性能。沒有自帶校準(zhǔn)系統(tǒng)的顯示器，則需要通過本實驗所需步驟進(jìn)行定期的檢驗和校準(zhǔn)，以保證顯示器在良好的狀態(tài)下運行。對那些經(jīng)過校準(zhǔn)還是不能達(dá)標(biāo)的顯示器，應(yīng)考慮維修或更換。

3.2 環(huán)境照度對顯示質(zhì)量的影響不能忽視

環(huán)境光會影響到顯示器的亮度表達(dá)，由于顯示器出廠亮度校準(zhǔn)是在暗室環(huán)境下，因此環(huán)境照度越強，亮度響應(yīng)的負(fù)偏差越大，因此顯示器安裝后要照度根據(jù)環(huán)境進(jìn)行校準(zhǔn)并提供亮度響應(yīng)曲線。作為顯示器驗收的必要程序，在實際工作中往往被忽視。圖像的顯示效果也與環(huán)境照度相關(guān)，尤其在低亮度區(qū)，會受到環(huán)境光在顯示器屏幕的折射干擾，使對比度降低。AAMP要求顯示器亮度與環(huán)境光折射亮度之比大于100:1，按照辦公室的一般照度水平200 lux，顯示器折射率為2%計算，則顯示器亮度至少應(yīng)為400 cd/m2，從測試結(jié)果看能達(dá)到這一水平的顯示器并不多，因此需要降低照度水平。本研究測試中，有的顯示器工作環(huán)境照度在100 lux左右，高于FDA的推薦值，也高于本研究所得到的最佳環(huán)境照度。在此照度下，顯示器的亮度響應(yīng)誤差存在超過標(biāo)準(zhǔn)的可能，也不屬于主觀感覺最舒適的閱片環(huán)境，可能會影響到讀片效率和準(zhǔn)確度。理論上，環(huán)境光亮度越低，人眼對灰階的分辨能力越高，圖像表達(dá)細(xì)節(jié)更完美，但考慮到人眼的暗適應(yīng)，以及屏幕與周圍背景的反差，需要一定強度的環(huán)境光來保證長時間讀片不會感到疲勞。過低的環(huán)境照度也不利于相互的交流。綜合考慮到影像報告簽發(fā)流程和環(huán)境照度的影響，24 lux左右的環(huán)境照度，最有利于工作。在閱片室的規(guī)劃中，要重點考慮照明因素，以保證環(huán)境亮度符合要求。

4 結(jié)論

綜上所述，顯示器在整個影像鏈中承擔(dān)信息表達(dá)的任務(wù)，要重視亮度因素以及配套的環(huán)境因素，保證質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，避免顯示器成為整個影像鏈中的短板，導(dǎo)致具有高分辨能力影像設(shè)備的優(yōu)勢無法展現(xiàn)。

[1] American Association of Physicists in Medicine.Assessment of display performance for medical imaging systems[J].AAPM,2005,3.

[2] Tanaka H.Quality assurance (QA) guideline for medical imaging display systems[J].Nippon Hoshasen Gijutsu Gakkai Zasshi,2006,62(4):508-511.

[3] Zhang LL,Qiao T,Sun XW.Medical monitor purchase decision based on quantitative performance evaluation[J].Chin Med Equip J,2017.

[4] 胡曉欣,顧雅佳,吳斌,等.3M和5M液晶顯示器對不同分辨率乳腺體模圖影像顯示質(zhì)量的研究[J].腫瘤影像學(xué),2013,22(2):166-169.

[5] 陳衛(wèi)彬,高磊,張劍,等.醫(yī)用顯示器亮度質(zhì)量控制方法的研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2010,31(4):114-115.

[6] Mcentee M,Brennan P,Evanoff M,et al.Optimum ambient lighting conditions for the viewing of softcopy radiological images[A].Medical Imaging. International Society for Optics and Photonics[C].2006:260-268.

[7] Mcentee M,Brennan P,Connor WTO,et al.Optimum ambient lighting conditions for the viewing of softcopy radiological images[J].Progr Biomed Opt Imaging,2006,6146:260-268.

[8] Shibutani T,Setojima T,Ueda K,et al.Current situations and problems of quality control for medical imaging display systems[J].Nippon Hoshasen Gijutsu Gakkai Zasshi,2015,71(4):356-361.

[9] 張海成.醫(yī)用顯示器質(zhì)量控制及校準(zhǔn)周期的研究[J].中國醫(yī)學(xué)裝備,2015,(7):57-59.

[10] 黃小喬,石俊生,邰永航.用顯示器測量人眼視覺的亮度最小可覺差[J].液晶與顯示,2016,31(2):222-228.

[11] 楊燕敏,曹厚德.醫(yī)療環(huán)境下“軟閱讀”的質(zhì)量管理研究[J].醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志,2007,17(7):750-753.

[12] Chesterman F,Manssens H,Morel C,et al.Interpretation of the rainbow color scale for quantitative medical imaging:perceptually linear color calibration (CSDF) versus DICOM GSDF[A].SPIE Medical Imaging[C].2017:101360R.

[13] 王先運,孫勇,劉惠琴,等.顯示器亮度對診斷質(zhì)量的影響[J].中華放射學(xué)雜志,2003,37(6):556-559.

[14] 陳長松,郭輝.關(guān)于AAPMTG18標(biāo)準(zhǔn)在醫(yī)用顯示器性能評價方面的探討——以南京市婦幼保健院醫(yī)學(xué)影像科為例[J].生物醫(yī)學(xué)工程與臨床,2016,(2):206-209.

[15] 呂曉輝,姚毅,楊建群,等.醫(yī)用顯示器校準(zhǔn)方法在臨床應(yīng)用 的價值[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2009,24(3):127-129.

[16] 陶勇浩,繆競陶.醫(yī)學(xué)影像學(xué)信息系統(tǒng)工作站配置方案的探討[J].中華放射學(xué)雜志,2002,36(6):489-492.