醫學影像顯示系統亮度特性的評價分析

張翼，宋少娟，韓士忠

山東省醫學影像學研究所 質控中心，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，其質量直接影響影像診斷的結果和效率。對于已普及應用的液晶顯示器，由于物理分辨率固定，影響顯示質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境光對其的亮度特性的影響。2002年，美國醫學物理學師協會第18工作組（American Association of Physicists in Medicine Task Group 18，AAPM TG18）發布了“醫學成像系統顯示性能測試的標準”并提供了相關測試圖案，日本及歐盟也隨后參考AAPM TG18制定了相應標準，為醫學影像顯示器的質量控制提供了具體方法和依據[1-5]。上述標準強調了顯示器的驗收檢測與穩定性檢測，保證了數字化圖像在不同的顯示器上能達到一致性的視覺效果。我國由于相應標準還未推出，導致在醫學影像的相關應用中對顯示器的質量管理重視程度還不夠，結合環境照度對顯示器的亮度特性進行的研究也比較少[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，反映了當前醫學影像顯示器的質量現狀，為顯示器在臨床應用環節的質量控制以及軟閱讀環境的設計提供了客觀依據[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臺顯示器進行測試（表1），其中包括單獨購置的醫學影像診斷顯示器以及影像設備、后處理工作站配套的顯示器。

表1 測試用顯示器分類

1.2 測量設備與圖像

臺灣泰仕亮度照度計TES-1332A，德為顯示器調校軟件iCalibrate；測試圖像為圖像質量綜合測試圖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 測試參數與方法

測試內容包括綜合測試、最大亮度、亮度比、亮度均勻性、亮度響應曲線以及環境照度對亮度響應的影響、環境照度對閱片舒適度的影響。數據利用SPSS 17.0進行統計學分析，采用K-S非參數檢驗、單因素方差分析及非配對t檢驗，P＜0.05認為差異有統計學意義。除對環境照度有特殊說明外，所有指標在該顯示器所處工作場所默認的環境照度下測試（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個亮度塊及內部細節的分辨能力，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中心區域測試亮度，Lmin為TG18-BN01中心區域測試亮度。

（3）亮度響應的符合度測試：應用亮度計測量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轉換成對應的最小可覺差（Just Noticeable Difference, JND）對應的J（Ln）值。通過計算相鄰兩個灰階的亮度差與其對應的J（Ln）值，繪制亮度響應曲線。按照同樣原理繪制該J（Ln）對應的DICOM 3.14標準亮度響應曲線及±15%的誤差曲線[2]。

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

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

1.4 評價指標

根據AAPM及JESRA制定評價標準，見表2。等級為“優秀”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。按照上述標準，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指標上要求達到“優秀”標準。

表2 顯示系統等級評價標準

2 結果

2.1 亮度特性

亮度特性的評價結果，見表3，所有指標全部符合“優秀”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準的顯示器數量（臺）

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

（2）最大亮度：平均為307.77 cd/m2，標準差為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非參數檢驗，P=0.01），但使用2年以內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，標準差為6.26，各類別之間無顯著差異（K-S非參數檢驗，P=0.51），見圖1c；亮度比平均值680.81，標準差為268.71，各類別之間有顯著差異（K-S非參數檢驗，P=0.048），見圖 1d。

圖1 亮度特性測試結果

（4）亮度響應的符合度測試：與標準DICOM響應曲線相比，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%，標準差22.7%，8臺不符合DICOM曲線。不同類型顯示器之間亮度響應偏差存在顯著差異（K-S非參數 檢驗，P=0.049）。亮度響應曲線所呈現出來的特征，見圖2。

2.2 環境光對亮度響應特性的影響

不同照度等級校正前后的顯示器亮度響應偏差，見表4。校正前的亮度響應曲線，見圖3。校正前亮度響應偏差有顯著性差異（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偏差

圖3 環境光對顯示器灰度特性的影響

2.3 閱片舒適度

圖2 亮度響應曲線

表5 最佳閱讀環境的主觀測試

按照FDA推薦的醫療環境的工作亮度[1]，在預設的4種亮度環境下對閱片的舒適度進行了測試，結果見表5。59.01%的測試人員認為環境亮度為24 lux時，閱讀圖像是最舒適的，該亮度屬于CT/MRI診斷的亮度環境。但在默認的工作環境中，環境照度實測值為150～220 lux。

3 討論

3.1 顯示器亮度特性差別較大

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

顯示器同其它醫學影像設備的一樣，需要定期進行檢測和校準，而不是在不顯示圖像時才進行維修。不符合DICOM亮度響應標準的顯示器應用于醫學影像流程的各個環節在是普遍現象，主要原因在于標準控制不嚴格[16]。對于專業的醫學影像用顯示器，有自帶亮度探測系統的，可以依據背光亮度及環境照度進行校準，這些顯示器在測試中表現出了較好的性能。沒有自帶校準系統的顯示器，則需要通過本實驗所需步驟進行定期的檢驗和校準，以保證顯示器在良好的狀態下運行。對那些經過校準還是不能達標的顯示器，應考慮維修或更換。

3.2 環境照度對顯示質量的影響不能忽視

環境光會影響到顯示器的亮度表達，由于顯示器出廠亮度校準是在暗室環境下，因此環境照度越強，亮度響應的負偏差越大，因此顯示器安裝后要照度根據環境進行校準并提供亮度響應曲線。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境照度相關，尤其在低亮度區，會受到環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為400 cd/m2，從測試結果看能達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境照度。在此照度下，顯示器的亮度響應誤差存在超過標準的可能，也不屬于主觀感覺最舒適的閱片環境，可能會影響到讀片效率和準確度。理論上，環境光亮度越低，人眼對灰階的分辨能力越高，圖像表達細節更完美，但考慮到人眼的暗適應，以及屏幕與周圍背景的反差，需要一定強度的環境光來保證長時間讀片不會感到疲勞。過低的環境照度也不利于相互的交流。綜合考慮到影像報告簽發流程和環境照度的影響，24 lux左右的環境照度，最有利于工作。在閱片室的規劃中，要重點考慮照明因素，以保證環境亮度符合要求。

4 結論

綜上所述，顯示器在整個影像鏈中承擔信息表達的任務，要重視亮度因素以及配套的環境因素，保證質量符合標準，避免顯示器成為整個影像鏈中的短板，導致具有高分辨能力影像設備的優勢無法展現。

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