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医学显示器成像系统性能的评价方法

  医学图像是由各种不同的成像系统通过测量患者的生理或功能属性而产生的。这些图像根据其不同的特性而发生相应的变化,比如图像的尺寸、空间分辨力以及其数据深度。从不同的成像系统中得到的数据也会因其观察和理解方式的不同而有所不同。以往大部分的医学成像设备都是直接把图像记录在胶片上,然后通过观片灯来阅读图像进行临床诊断。胶片响应阐释的是人体成像部分的生理属性和图像特性之间的关系。对于屏一片系统的质量控制和质量保证,广大医学研究工作者已经做出了不少努力,并取得了一套比较完善的成像系统图像显示的评价体系。但是随着数字成像模式的出现逐渐产生了电子医学图像。在一些早期的应用中,这些数字图像是通过数字打印机呈现出来的。而当时所要做的主要是,校准每个图像源和打印机来控制所打印的图像外观以达到临床上能够接受的结果。
  当
医学显示工作站出现后,医学图像就可以在能够改变图像外观的视频显示仪器上进行观察。这些医用显示器主要是用来接收和显示从成像设备中得到的数字图像。图像的外观可以通过使用显示器的“亮度”和“对比度”控制来调节。但是软阅读显示广泛的应用,其图像显示的可变动性也逐渐引起了人们对医学图像外观一致性的关注。软阅读和硬阅读图像的交叉使用也带来了新的挑战,因此需要对电子医学显示器进行接收测试和质量控制。

医学成像系统显示器评价标准
1  SMPTE RP 133-1991
  在八十年代早期,电影和电视工程师协会(Society of Motion Picture and Television Engineers,SMPTE)就开始为了使用者评价的需要而对显示仪器性能进行了研究,并在1986年发表了这一实践建议,对于电视监视器和硬阅读记录照相机的医学诊断图像测试图形的规定(Specifications for Medical Diagnostic Imaging Test Pattern for Television Monitors and  Handcopy Recording Cameras,SMPTE RP 133-1991)。它描述了对于模拟或数字信号源系统的分辨力测量所需的测试图格式、尺寸和对比度。提供给使用者的是一个单一的全面的测试图,可以对开始建立和日常操作进行检查,并能对显示的焦点、亮度、对比度、空间分辨力、均匀性和软阅读显示和硬阅读胶片的线性进行调整。但是,这种推荐的准则虽然明确了测试图和测量方法,却没有给出其性能说明标准的建议值。
  这个测试图的最有价值和最经常使用的一个方面是能够通过图案中5%和95%两个小方块对显示系统进行粗略的亮度调整。应当注意的是尽管SMPTE测试图可以提供一个视觉评价图像灰度值范围的方法,但它不能保证全部的灰度值均被逐一地显现。而且,测试图不能保证在不同的显示系统中显示同一幅图像时能够获得等量的显示。

2  NEMA-DICOM标准(PS 3)
  1984年,美国放射学院(American College of Radiology,ACR)和国际电气制造业协会(National Electrical Manufactures Association,NEMA)联合推出TDICOM标准(Digital Image Communication On Medicine,医学数字图像通讯标准)。文件“灰度显示标准函数(grayscale display standard function,GDSF)”说明了对于灰度图像的一个标准显示函数,其中已经把人眼系统的非线性特性考虑在内了。此标准的目的是允许使用DICOM标准传输的图像可以显示在任何一台与DICOM相容的显示仪器上并且其图像的灰度范围外观仍能保持一致。图像的外观是通过感觉的线性化来实现的,即数字值的同等变化应引起所感知的亮度的同等变化。这个标准将图像显示的最优方案与显示仪器的标准化区分开来。在图像处理中产生最优化同时通过参照表功能支持最优化在DICOM中是可能的。
  为了理解这一标准应区分几个概念,像素值、灰度值、p值、数字驱动电平和
监视器特性函数。在获得图像和进行完一定的校正后,将图像存于磁盘中一些数字图像基本上就是一系列的像素值(也叫灰度值),通常12-16比特每像素。当要求显示图像时,可能需使用附加的图像处理,能实现window/level调整的软、硬件,然后才能准备显示这一图像。像素依赖的数字值,即传递给显示器硬件的那部分,称为P值,是显示值。显小器的硬件(尤指显示适配器)提供了一个数字的参照表,它将P值转换为数字驱动电平(digital driving levels, DDLs)。而数字驱动电平又通过显示器硬件转换成亮度值。在从DDL、到亮度水平的转换过程中使用了数模转换器(digital to analog converter,DAC),和模拟电路。而在LCD技术下,现在可得到全数字的监视器。注意,DDL到亮度的转换,称为监视器特性函数,通常是不能调节的。DICOM标准允许一个绘制从P值到DDL,的函数的计算。所显示的亮度水平应具有合乎需要的特性,即P值的变化将产生期望亮度的同等变化。实际上,监视器特性函数是由初始应用在参照表上的单位转换值来决定的。这将允许DDL;的软件改造和监视器特性函数的直接测量。这一函数被用于计算必要的LUT(look-up table)条目,即从p值到亮度的基本转换遵从DICOM标准。
  值得注意的是,DICOM标准虽然规定了图像的交换和显示,但是却将实现上述所应考虑的事留给了销售商。这样,图像的处理和标准化可能会产生于计算机中,或是存在于图形卡(或视频卡)内,又或是产生在显示器本身。

3  DIN V 6868-57
  德国标准机构(The German Standards Institution)发布了一个接收测试标准,即X线诊断的图像质量保证以及对于图像显示仪器的接受测试。它规定了对于显示仪器接收测试的要求以及在质量控制或日常检查中使用的结果参照值。所涵盖的显示性能的方面有:①观察条件和周围照度的影响;②灰度的再产生;③空间分辨力;④对比度分辨力;⑤线结构;⑥颜色方面;⑦伪影;⑧图像的不稳定。还规定了包括SMPTE测试图的适当的测试图像。DIN标准允许测试图应用于模拟视频图像发生器或通过一个数字文件应用于计算机。除了几何测试图,至少应有一个临床参照图用于进行对灰度值显示的视觉评价和伪影出现的检查。
  DIN V 6868-57被称为成像仪器与显示仪器的联合评价标准。这个标准定义了三种显示仪器的应用目录:A是数字x线摄影图像,B为所有类型的图像,C是电脑文字/图形或控制用监视器。根据这些仪器的使用意图,包括观察的环境条件,这个建议标准提供了对于每种情况的质量控制或持久性检查。

4  ISO 9241和13406系列
  ISO标准,ISO 9241一3:1992 Ergonomic requirementsfor office work with visual display terminals(VDTs)一Part 3 Visual display requirements(ISO 9241一3)。针对视频显示终端的设计和评价建立了图像质量要求。这一标准提供了测试方法和对于几何线性的一致要求,正交性,最小显示亮度,最小对比度。软、硬图像之间的亮度比,闪光,亮度的空间均匀性,暂时的不稳定(闪烁),空间的不稳定(图像的抖动),以及屏幕图像的颜色。
  IS09241标准没有标明平板显示器的相关性能测试。此类测试是在其新标准中专门提出的,1S0 13406 -2。这一新标准涵盖的主要显示条目为显示亮度,对比度,反射,颜色,亮度均匀性,字形分析,像素缺陷和图像的抖动。
5   VESA平板显示器侧量标准
  1998年,视频电子标准协会(The Video Electronics Standards Association,VESA)发布了平板显示器测量标准的第10版(FPDM )。这个文件的目的是规定可复制的,清晰的和有意义的电子显示度量衡。FPDM标准并不是一个严格意义上需遵守的标准,而是一个确认显示器是否与遵守标准相一致的程序手册。
  通过一些列举着基本测量的短小部分,FPDM标准的格式提供了较容易的测试步骤。每一部分都包括一个描述,建立协议,测量步骤的描述,分析,报告和评论。其中在FPDM标准中描述的测量可以分为以下目录:全屏的中心测量;细节;分辨力和伪影;正方形图形测量;短暂的性能;均匀性;观察视角性能;反射;电子性能;以及机械和物理特性。现行的版本将重点放在了发射或传导性彩色显示器上,即办公用和笔记本电脑用的显示器。在全部程序后,紧接着是一套研究方法介绍,包括测试图发生器,光测量仪器,对于空间,时间和颜色问题的诊断,排列探测器的测量,错误分析以及粗略的环境测试。在VESA FPDM版本1.0发布之后,由于对全部种类显示器的度量衡的需求,显示计量委员会(The Display Metrology Committee,DMC)提供了针对其它显示领域的FPDM标准的概念。2001年,FPDM版本2.0出版了,它包括了对CRT显示器以及投影显;:器的测量。FPDM和DMC都是致力于显示测量方法的细节,但不提供关于性能标准,遵守标准或人机工程需要的建议。

6  AAPM的显示性能评价标准
  2002年,美国医学物理学家协会第18工作组(American Association of Physicists in Medicine Task Group18,AAPM TG18)首次提出了关于医学成像系统显示性能测试的指导标准。这一测试方法是为了方便临床诊断图像的应用,并涵盖了显示器性能各个方面,且针对
医用显示设备,相对易于操作的一种方法。
  这一标准包括对显示器特性的描述和对其一般特性(几何失真、亮度响应、环境照度、噪声、分辩力、模糊眩光等)的量化评价方法。同时,还给出了针对不同测试方法的不同的测试图。在这一标准中还详细的说明了测试显示器性能的方法,即分为视觉评价方法,量化评价方法以及高等评价方法。前两种评价方法适合用于临床显示系统。标准不仅给出了测试的方法,还针对不同用途的临床显示系统给出了各自不同的性能测试标准,包括基本接受标准和质量控制的标准,以方便临床应用。

  全球医学界在21世纪最具深远意义的重大变革是医用影像无片化的普遍开展。由于PACS系统在国内外发展迅速,其系统的质量控制问题已经引起了各方的广泛关注。对医学成像系统显示器性能的各个因素进行系统的评价,将对今后PACS系统的健康发展有着重要的意义。


巨烽专注于医用显示器的研发和生产,产品覆盖临床、诊断、超声、内窥手术及会诊等医疗影像显示领域,医用竖屏显示器、灰阶显示器、医用监视器、内窥镜监视器等专业显示器产品定制,是国内最大的医用显示器厂家,产品在国内医疗影像显示终端有超过50%的市场占有率,医院用户超过5000家。

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