医学影像显示系统亮度特性的评价分析

张翼，宋少娟，韩士忠

山东省医学影像学研究所 质控中心，山东 济南 250021

引言

显示器已取代胶片成为影像诊断的主要工具，其质量直接影响影像诊断的结果和效率。对于已普及应用的液晶显示器，由于物理分辨率固定，影响显示质量的主要因素是亮度特性，包括显示器自身的亮度特性以及环境光对其的亮度特性的影响。2002年，美国医学物理学师协会第18工作组（American Association of Physicists in Medicine Task Group 18，AAPM TG18）发布了“医学成像系统显示性能测试的标准”并提供了相关测试图案，日本及欧盟也随后参考AAPM TG18制定了相应标准，为医学影像显示器的质量控制提供了具体方法和依据[1-5]。上述标准强调了显示器的验收检测与稳定性检测，保证了数字化图像在不同的显示器上能达到一致性的视觉效果。我国由于相应标准还未推出，导致在医学影像的相关应用中对显示器的质量管理重视程度还不够，结合环境照度对显示器的亮度特性进行的研究也比较少[6-8]。本文通过对比研究不同类别显示器亮度特性，测试环境光对灰阶亮度的显示精度以及对阅片舒适度的影响，反映了当前医学影像显示器的质量现状，为显示器在临床应用环节的质量控制以及软阅读环境的设计提供了客观依据[9-15]。

1 材料与方法

1.1 显示器

按照使用类别及使用时间的不同随机挑选了用于影像获取、后处理、CT/MR报告、DR报告、影像会诊5类共30台显示器进行测试（表1），其中包括单独购置的医学影像诊断显示器以及影像设备、后处理工作站配套的显示器。

表1 测试用显示器分类

1.2 测量设备与图像

台湾泰仕亮度照度计TES-1332A，德为显示器调校软件iCalibrate；测试图像为图像质量综合测试图AAPM TG18 QC，18级渐变灰阶测试图TG18-BN01～18，亮度均匀性测试图TG18-UNL80。

1.3 测试参数与方法

测试内容包括综合测试、最大亮度、亮度比、亮度均匀性、亮度响应曲线以及环境照度对亮度响应的影响、环境照度对阅片舒适度的影响。数据利用SPSS 17.0进行统计学分析，采用K-S非参数检验、单因素方差分析及非配对t检验，P＜0.05认为差异有统计学意义。除对环境照度有特殊说明外，所有指标在该显示器所处工作场所默认的环境照度下测试（实测为45～120 lux）。

（1）综合测试：该项目为主观测试，包括测试图案中16个亮度块及内部细节的分辨能力，5%和95%亮度块的分辨能力。

（2）亮度均匀性和亮度比：亮度均匀性计算公式为：(Lmax-Lmin)/(Lmax+Lmin)×200；亮度比计算公式为：Lmax/ Lmin；其中Lmax为TG18-BN18中心区域测试亮度，Lmin为TG18-BN01中心区域测试亮度。

（3）亮度响应的符合度测试：应用亮度计测量TG18-BN01～18 图 案 中 每 一 级 灰 阶 的 亮 度 Ln（n=1～18）。 采用Baton亮度模型将Ln转换成对应的最小可觉差（Just Noticeable Difference, JND）对应的J（Ln）值。通过计算相邻两个灰阶的亮度差与其对应的J（Ln）值，绘制亮度响应曲线。按照同样原理绘制该J（Ln）对应的DICOM 3.14标准亮度响应曲线及±15%的误差曲线[2]。

（4）环境光对亮度的影响：在不同的环境照度下对暗室环境下测试合格的3台显示器进行亮度响应测试，然后在该环境照度下进行亮度校正。评估校正前后由环境光引起的亮度响应误差。

（5）环境照度对阅片舒适度的影响：按照FDA推荐的医疗工作环境照度，选择工作经验在五年以上的医师共31名，每位分别在4种典型的环境亮度下完成阅片工作，每种环境下工作时长大于4小时，通过主观感受选择最适合的环境照度。

1.4 评价指标

根据AAPM及JESRA制定评价标准，见表2。等级为“优秀”的可以作为诊断用显示器，等级为“良好”的可以作为临床观察影像用显示器。按照上述标准，由于图像获取用及后处理要为诊断提供图像，因此这两类显示器在亮度响应指标上要求达到“优秀”标准。

表2 显示系统等级评价标准

2 结果

2.1 亮度特性

亮度特性的评价结果，见表3，所有指标全部符合“优秀”等级的显示器有8台，占26.6%；满足“良好”等级以上的显示器有13台，占43.3%。

表3 亮度特性评价符合标准的显示器数量（台）

（1）综合测试：处于“良好”指标以下的共15台显示器，其中8台不能分辨1个亮度块，7台不能分辨2个亮度块，2台不能辨认95%亮度块，2台不能辨认5%亮度块。不同类别的显示器在主观判断指标上没有显著性差异（K-S非参数检验P=0.0706）。

（2）最大亮度：平均为307.77 cd/m2，标准差为12.05 cd/m2，不同种类显示器之间有显著性差异（K-S非参数检验，P=0.048）（图1a）。最大亮度与显 示器的使用时间分布情况，见图1b，最大亮度与使用时间与存在显著性差异（K-S非参数检验，P=0.01），但使用2年以内的显示器无显著差异（t检验，P=0.41）。

（3）亮度均匀性与亮度比：亮度均匀性平均值为14.76，标准差为6.26，各类别之间无显著差异（K-S非参数检验，P=0.51），见图1c；亮度比平均值680.81，标准差为268.71，各类别之间有显著差异（K-S非参数检验，P=0.048），见图 1d。

图1 亮度特性测试结果

（4）亮度响应的符合度测试：与标准DICOM响应曲线相比，被测显示器有22台符合DICOM曲线，偏差平均值为-2.89%，最大值100%，标准差22.7%，8台不符合DICOM曲线。不同类型显示器之间亮度响应偏差存在显著差异（K-S非参数 检验，P=0.049）。亮度响应曲线所呈现出来的特征，见图2。

2.2 环境光对亮度响应特性的影响

不同照度等级校正前后的显示器亮度响应偏差，见表4。校正前的亮度响应曲线，见图3。校正前亮度响应偏差有显著性差异（单因素方差分析，P＜0.0001），校正后亮度响应偏差无显著差异（单因素方差分析，P=0.95）。

表4 显示器在不同照度下的亮度响应偏差

图3 环境光对显示器灰度特性的影响

2.3 阅片舒适度

图2 亮度响应曲线

表5 最佳阅读环境的主观测试

按照FDA推荐的医疗环境的工作亮度[1]，在预设的4种亮度环境下对阅片的舒适度进行了测试，结果见表5。59.01%的测试人员认为环境亮度为24 lux时，阅读图像是最舒适的，该亮度属于CT/MRI诊断的亮度环境。但在默认的工作环境中，环境照度实测值为150～220 lux。

3 讨论

3.1 显示器亮度特性差别较大

达到“优秀”指标的显示器数量只占26%的主要原因在于综合测试以及亮度响应测试不达标。亮度综合测试中，造成不能有效分辨全部亮度块及其内部细节的一方面原因是由于显示器的本身质量，尤其是液晶显示器选用的面板达不到标准造成的；另一方面是由于显示器在长期使用过程中，最大亮度出现了衰减，造成没有足够的亮度来分辨灰阶。亮度响应测试中，8台呈现了非DICOM特性曲线，主要来源于设备操作及后处理用显示器。应用这类显示器进行操作，会造成影像细节显示的偏差。例如用Gamma 2.2曲线进行影像处理及胶片打印，由于该曲线在低亮度区的会压缩灰阶的层次，操作者会因感觉图像在低亮度区的细节显示不清，通过调整窗宽窗位以适应观察需要。但如果将调整后的图像发送到PACS，用DICOM标准显示器进行阅读或胶片打印机进行打印，会因为曲线的不匹配造成亮度过高甚至出现饱和。所以AAPM标准指出，这类显示器因为需要给后续的诊断提供标准图像，因此在亮度响应上要求达到“优秀”。5台显示器的亮度响应虽然符合DICOM曲线，误差超过±15%，原因是没有在其默认工作环境的照度下进行校正。

显示器同其它医学影像设备的一样，需要定期进行检测和校准，而不是在不显示图像时才进行维修。不符合DICOM亮度响应标准的显示器应用于医学影像流程的各个环节在是普遍现象，主要原因在于标准控制不严格[16]。对于专业的医学影像用显示器，有自带亮度探测系统的，可以依据背光亮度及环境照度进行校准，这些显示器在测试中表现出了较好的性能。没有自带校准系统的显示器，则需要通过本实验所需步骤进行定期的检验和校准，以保证显示器在良好的状态下运行。对那些经过校准还是不能达标的显示器，应考虑维修或更换。

3.2 环境照度对显示质量的影响不能忽视

环境光会影响到显示器的亮度表达，由于显示器出厂亮度校准是在暗室环境下，因此环境照度越强，亮度响应的负偏差越大，因此显示器安装后要照度根据环境进行校准并提供亮度响应曲线。作为显示器验收的必要程序，在实际工作中往往被忽视。图像的显示效果也与环境照度相关，尤其在低亮度区，会受到环境光在显示器屏幕的折射干扰，使对比度降低。AAMP要求显示器亮度与环境光折射亮度之比大于100:1，按照办公室的一般照度水平200 lux，显示器折射率为2%计算，则显示器亮度至少应为400 cd/m2，从测试结果看能达到这一水平的显示器并不多，因此需要降低照度水平。本研究测试中，有的显示器工作环境照度在100 lux左右，高于FDA的推荐值，也高于本研究所得到的最佳环境照度。在此照度下，显示器的亮度响应误差存在超过标准的可能，也不属于主观感觉最舒适的阅片环境，可能会影响到读片效率和准确度。理论上，环境光亮度越低，人眼对灰阶的分辨能力越高，图像表达细节更完美，但考虑到人眼的暗适应，以及屏幕与周围背景的反差，需要一定强度的环境光来保证长时间读片不会感到疲劳。过低的环境照度也不利于相互的交流。综合考虑到影像报告签发流程和环境照度的影响，24 lux左右的环境照度，最有利于工作。在阅片室的规划中，要重点考虑照明因素，以保证环境亮度符合要求。

4 结论

综上所述，显示器在整个影像链中承担信息表达的任务，要重视亮度因素以及配套的环境因素，保证质量符合标准，避免显示器成为整个影像链中的短板，导致具有高分辨能力影像设备的优势无法展现。

[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] 胡晓欣,顾雅佳,吴斌,等.3M和5M液晶显示器对不同分辨率乳腺体模图影像显示质量的研究[J].肿瘤影像学,2013,22(2):166-169.

[5] 陈卫彬,高磊,张剑,等.医用显示器亮度质量控制方法的研究[J].医疗卫生装备,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] 张海成.医用显示器质量控制及校准周期的研究[J].中国医学装备,2015,(7):57-59.

[10] 黄小乔,石俊生,邰永航.用显示器测量人眼视觉的亮度最小可觉差[J].液晶与显示,2016,31(2):222-228.

[11] 杨燕敏,曹厚德.医疗环境下“软阅读”的质量管理研究[J].医学影像学杂志,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] 王先运,孙勇,刘惠琴,等.显示器亮度对诊断质量的影响[J].中华放射学杂志,2003,37(6):556-559.

[14] 陈长松,郭辉.关于AAPMTG18标准在医用显示器性能评价方面的探讨——以南京市妇幼保健院医学影像科为例[J].生物医学工程与临床,2016,(2):206-209.

[15] 吕晓辉,姚毅,杨建群,等.医用显示器校准方法在临床应用 的价值[J].中国医疗设备,2009,24(3):127-129.

[16] 陶勇浩,缪竞陶.医学影像学信息系统工作站配置方案的探讨[J].中华放射学杂志,2002,36(6):489-492.