野戰(zhàn)醫(yī)療圖文資料后數(shù)字化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王陳海，蘭 斌，倪 萍，陳自謙

野戰(zhàn)醫(yī)療圖文資料后數(shù)字化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王陳海，蘭 斌，倪 萍，陳自謙

目的：為適應(yīng)野戰(zhàn)醫(yī)療的需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種圖文資料后數(shù)字化系統(tǒng)，重點(diǎn)是滿足對(duì)醫(yī)用膠片的處理要求。方法：研究調(diào)整系統(tǒng)中的相機(jī)、光源等模塊關(guān)鍵參數(shù)，如焦距、光源亮度等，對(duì)醫(yī)用膠片進(jìn)行后數(shù)字化處理并分析圖像。結(jié)果：該系統(tǒng)可對(duì)多種醫(yī)療資料進(jìn)行數(shù)字化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧，可在數(shù)分鐘之內(nèi)由1～2人完成展收。結(jié)論：在處理包括醫(yī)用膠片在內(nèi)的各種醫(yī)療圖文資料時(shí)，后數(shù)字化系統(tǒng)能夠通過選擇合理參數(shù)來獲得滿意的圖像質(zhì)量，而對(duì)于采集后數(shù)字化圖像的管理和傳輸?shù)裙δ?，還需在后續(xù)工作中進(jìn)一步完善。

后數(shù)字化；醫(yī)用膠片；失真率；分辨率

0 引言

野戰(zhàn)環(huán)境下的醫(yī)療圖文資料，如X線片、心電圖和B超報(bào)告、病歷等轉(zhuǎn)換為電子信息的過程稱為野戰(zhàn)醫(yī)療圖文資料數(shù)字化，分為前數(shù)字化和后數(shù)字化2種方式。與其他資料相比，X線片攜帶豐富的診斷信息，對(duì)其數(shù)字化是此項(xiàng)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

前數(shù)字化是指通過設(shè)備直接產(chǎn)生特定格式數(shù)字化文件的信息化過程。以X線圖像的前數(shù)字化裝備為例，目前的研究集中在計(jì)算機(jī)X線攝影（computed radiography，CR）系統(tǒng)和直接數(shù)字化X線攝影（digital radiography，DR）系統(tǒng)[1]的野戰(zhàn)化改造上，如孟慶良等開發(fā)的野戰(zhàn)CR系統(tǒng)[2]以及胡海宏等對(duì)普通車載X線機(jī)進(jìn)行的DR升級(jí)[3]。然而，CR系統(tǒng)的IP影像板和DR系統(tǒng)的平板探測(cè)器都容易損壞[4]，且維護(hù)費(fèi)用昂貴?？梢?，將現(xiàn)有衛(wèi)生裝備直接升級(jí)為前數(shù)字化裝備，如野戰(zhàn)車載普通X線機(jī)[5]升級(jí)為野戰(zhàn)CR或DR系統(tǒng)，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行維護(hù)的成本高、難度大。

后數(shù)字化是指將設(shè)備產(chǎn)生的圖文資料在機(jī)外完成數(shù)字化轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)有后數(shù)字化產(chǎn)品多為掃描儀類，成本低，輸出格式兼容性好，如用于X線片數(shù)字化的醫(yī)用膠片掃描儀。但這種掃描方式對(duì)精度和環(huán)境要求高，掃描面積和種類受局限。另一類后數(shù)字化產(chǎn)品采用攝影方式，該方式最初是用于醫(yī)用資料的翻拍[6]。陳自謙等人基于攝影方式實(shí)現(xiàn)了一種后數(shù)字化系統(tǒng)，可用于膠片、病歷等多種資料的數(shù)字化，但其體積和質(zhì)量過大，且缺少對(duì)數(shù)字化圖像質(zhì)量的分析[7]。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于野戰(zhàn)環(huán)境下后數(shù)字化裝備的研究較少。

本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)從野戰(zhàn)應(yīng)用需求出發(fā)，以單反相機(jī)為核心部件，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模塊集成，采用攝影方式對(duì)膠片及其他圖文資料進(jìn)行圖像采集，從而實(shí)現(xiàn)后數(shù)字化系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于保存、運(yùn)輸、使用，有助于提高我軍的野戰(zhàn)衛(wèi)勤能力。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

野戰(zhàn)醫(yī)療資料后數(shù)字化系統(tǒng)可對(duì)多種醫(yī)療資料進(jìn)行數(shù)字化，采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧，可在數(shù)分鐘之內(nèi)由1～2人完成展收，主要通過降低系統(tǒng)的復(fù)雜度來提高環(huán)境適應(yīng)性。

1.1 后數(shù)字化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。將相機(jī)安裝在上蓋板上，面光源I1安裝于上蓋板底面，在底座上放置面光源I2。采集普通圖文資料時(shí)，只有I1開啟，光線照射在圖文資料上反射成像于相機(jī)；拍攝膠片時(shí)，只有I2開啟，光線經(jīng)膠片透射成像于相機(jī)。相機(jī)可視為電荷耦合元件（charge-coupled device，CCD）與變焦鏡頭F的組合，使用時(shí)根據(jù)拍攝距離調(diào)整F的焦距，使得被拍攝的圖文信息能夠清晰地成像在CCD上。通過工作站控制相機(jī)，調(diào)整物距和焦距，使所采集的圖像能夠清晰成像，經(jīng)過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)焦ぷ髡旧线M(jìn)行保存和顯示等后續(xù)的工作。

圖1 后數(shù)字化系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證相機(jī)進(jìn)行圖像采集的效果，確保翻拍膠片以及拍攝紙質(zhì)圖文資料時(shí)的光線要求，需要一個(gè)攝影棚來排除外部環(huán)境的干擾?，F(xiàn)有工作中[7]，正是由于其構(gòu)建的攝影棚部分過大，限制了其在野戰(zhàn)環(huán)境下的應(yīng)用。在本設(shè)計(jì)中，利用4根可拆卸的支撐桿撐起上、下蓋并套上遮光布構(gòu)成攝影棚，當(dāng)支撐桿和遮光布撤去后，攝影棚也就隨之消失。當(dāng)收納運(yùn)輸時(shí)，可以將相機(jī)、上下蓋、支撐桿、遮光布等各部分拆解，節(jié)約空間（體積可減小70%），也便于保存、運(yùn)輸和防震處理等。本設(shè)計(jì)已經(jīng)申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利[8]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 可拆裝的攝影棚

1.2 設(shè)備部件的選擇

在各種圖文資料的后數(shù)字化處理中，醫(yī)用膠片對(duì)于后數(shù)字化系統(tǒng)的光源要求最高。故在底座中集成某型專用觀片燈作為膠片拍攝的背景光源，其主要參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)[9]，亮度最高為10 028 lux，均勻度大于0.7。在上蓋底面集成LED面光源作為其他紙質(zhì)圖文資料的光源，以提高光源的均勻性。選擇單反相機(jī)（尼康公司生產(chǎn)，D5100）用于圖像采集，其分辨率可達(dá)1 600萬像素；為其配置變焦鏡頭（尼康公司生產(chǎn)，AF-SDX 18～105 mm ED VR），其視場(chǎng)角為76°～15°20′。

2 分析方法與參數(shù)調(diào)整

在后數(shù)字化系統(tǒng)所需要處理的圖文資料中，醫(yī)用膠片資料因其所攜帶的豐富診斷信息而有較高的圖像質(zhì)量要求，其余圖文資料并無明確要求。因此，本文主要針對(duì)膠片的成像質(zhì)量進(jìn)行分析，并以此作為后數(shù)字化系統(tǒng)的性能指標(biāo)。參考現(xiàn)有數(shù)字化系統(tǒng)的的性能參數(shù)[5]和現(xiàn)有膠片掃描儀的部分指標(biāo)，本系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：圖像最大診斷尺寸14 in×17 in（1 in=25.4mm），空間分辨率大于3.0 lp/mm，密度分辨率最小達(dá)到0.8%，幾何失真率小于1%。

2.1 幾何失真率與焦距、物距的選擇

后數(shù)字化系統(tǒng)中采用攝影鏡頭，因此，在成像時(shí)會(huì)存在一定的畸變，即位于被攝平面上的不通過鏡頭光軸的直線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像后變成曲線。畸變程度通常用幾何失真率進(jìn)行描述。

制作一張尺寸為44 cm×36 cm的矩形網(wǎng)格紙，面積稍大于14 in×17 in膠片，分成22×18個(gè)均勻網(wǎng)格，并標(biāo)出8個(gè)測(cè)試點(diǎn)（A、B、C、D、E、F、G、H），E、F、G、H分別為矩形ABCD各邊的中點(diǎn)，如圖3所示。將相機(jī)鏡頭中心對(duì)準(zhǔn)中心點(diǎn)O，依次用35、24、18mm焦距拍攝得到3幅圖像。分別對(duì)每幅圖像進(jìn)行分析，得到8個(gè)測(cè)試點(diǎn)的實(shí)際像素坐標(biāo)與理論像素坐標(biāo)，便可計(jì)算X軸方向和Y軸方向上的幾何失真率。

圖3 網(wǎng)格紙圖像

以A點(diǎn)為例，該點(diǎn)在X軸方向上與O點(diǎn)距離-10.5個(gè)網(wǎng)格，在Y軸方向上與O點(diǎn)距離8.5個(gè)網(wǎng)格，M為網(wǎng)格尺寸，則A點(diǎn)的理想像素坐標(biāo)（XA，YA）為

在圖像上計(jì)算各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的實(shí)際像素坐標(biāo)，就得到X、Y軸方向上的幾何失真。如A點(diǎn)實(shí)際像素坐標(biāo)為（X′A，Y′A），則A點(diǎn)在X軸和Y軸方向上的幾何失真率為

根據(jù)光學(xué)理論，相機(jī)焦距、物鏡距和視場(chǎng)角有以下關(guān)系[10-11]

其中，f為焦距；Dv、Dh為縱向、橫向物鏡距；V、H為物體縱向、橫向尺寸；v=23.6 mm、h=15.6 mm分別為相機(jī)的CCD靶面縱向和橫向尺寸；θv、θh為相機(jī)的視場(chǎng)角。

由公式（5）可知，鏡頭在某一特定物鏡距下，視場(chǎng)角隨焦距增大而減小。考慮外型尺寸，物鏡距初步設(shè)計(jì)為0.5m，而后數(shù)字化系統(tǒng)所需處理的膠片最大尺寸為14 in×17 in（360mm×430mm）。當(dāng)f=18mm時(shí)，根據(jù)公式（5）和公式（6），則所能拍攝到的物體尺寸為650 mm×430 mm；若f=105 mm，則該尺寸為112mm×70 mm。由此可知，焦距較短的廣角鏡頭才能將膠片的全部信息攝入影像中。

又由公式（4）可知，若CCD尺寸和所攝物體尺寸固定，物鏡距隨焦距f的減小而變小。若取鏡頭最小焦距，則物鏡距最小，可使得后數(shù)字化系統(tǒng)的體積達(dá)到最小。然而，由于鏡頭存在像差，當(dāng)其以廣角模式工作時(shí)，容易導(dǎo)致成像過程中產(chǎn)生較大的桶形失真。為此需要選擇不同的焦距，計(jì)算適當(dāng)?shù)奈锞啵?duì)成像后的圖像按上述方法進(jìn)行幾何失真率分析，結(jié)果見表1。為滿足體積較小、幾何失真率小于1%的設(shè)計(jì)要求，可選擇焦距為24mm，并微調(diào)物鏡距為58 cm。

表1 不同拍攝焦距下的圖像幾何失真率

2.2 后數(shù)字化系統(tǒng)的空間分辨率與密度分辨率分析

空間分辨率指清晰分辨被攝景物纖維細(xì)節(jié)的能力?？臻g分辨率的單位依不同設(shè)備而不同，通常用“線對(duì)/毫米”（lp/mm）或“像素點(diǎn)/毫米”（pixel/mm）來表示。本文中所描述的圖文后數(shù)字化系統(tǒng)的空間分辨率受到相機(jī)CCD器件分辨率、鏡頭分辨率和曝光量的綜合影響。

密度分辨率（又稱“低對(duì)比度分辨率”）是指當(dāng)細(xì)節(jié)與背景之間具有低對(duì)比度時(shí)，將一定大小的細(xì)節(jié)從背景中鑒別出來的能力，是體現(xiàn)放射影像系統(tǒng)和膠片圖像質(zhì)量的重要指標(biāo)，通常以密度差（%）來表示。

在放射影像系統(tǒng)中，密度分辨率與成像系統(tǒng)的響應(yīng)能力、照射量相關(guān)，最小密度分辨能力隨著照射量的增大而減小[12]。膠片的后數(shù)字化處理過程可視為放射影像系統(tǒng)的逆過程，同樣可以通過調(diào)整背景光源的亮度和相機(jī)的曝光量來改變后數(shù)字化圖像的密度分辨率。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可以通過相機(jī)光圈和曝光補(bǔ)償值調(diào)整曝光量。為了簡(jiǎn)化分析，設(shè)置光圈值為最大，此時(shí)相機(jī)通過曝光補(bǔ)償值來調(diào)節(jié)曝光量，從而改變拍攝效果。

為了較準(zhǔn)確地分析后數(shù)字化系統(tǒng)的分辨能力，用標(biāo)準(zhǔn)分辨率卡（RTI公司，CR DR-26）經(jīng)高分辨率的放射影像系統(tǒng)生成標(biāo)準(zhǔn)分辨率膠片（如圖4所示），對(duì)其進(jìn)行后數(shù)字化處理，用成像結(jié)果的分辨率來描述后數(shù)字化系統(tǒng)的空間分辨能力和密度分辨能力。該膠片的中部是不同空間分辨率的線對(duì)信號(hào)，最高為3 lp/mm，右側(cè)為不同密度分辨率的圓斑，最高為0.8%。

圖4 分辨率測(cè)試卡與分辨率測(cè)試膠片

近代光學(xué)理論認(rèn)為，攝影成像的過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)信息傳遞的過程——在拍攝時(shí)，光學(xué)信號(hào)通過鏡頭，將景物本身的信息傳遞到CCD器件上，由CCD器件進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，完成高速采樣[13]。因此，后數(shù)字化系統(tǒng)中相機(jī)和鏡頭的分辨率應(yīng)該能夠保證圖像信息在上述傳遞和采集過程中沒有失真和損失。鏡頭分辨率指在精確調(diào)焦的像平面上，1mm寬度內(nèi)能分辨開的最細(xì)密的黑白相間的等寬線條對(duì)數(shù)，通常用“線對(duì)/毫米”（lp/mm）來表示。在實(shí)際應(yīng)用中，常用調(diào)制傳遞函數(shù)（modulation transfer function，MTF）來描述鏡頭的分辨能力，表示對(duì)不同空間頻率信號(hào)（不同寬度的黑白線對(duì)）的響應(yīng)性能。根據(jù)所使用鏡頭AF-SDX的MTF曲線，該鏡頭可以確保對(duì)30 lp/mm的線對(duì)有良好的成像能力。

CCD器件的空間分辨率r是用單位尺寸上的像素?cái)?shù)量來描述，通常用r=（像素?cái)?shù)/面積）1/2表示，單位是 “像素點(diǎn)/毫米”（pixel/mm）。本文中所使用的D5100相機(jī)CCD的尺寸為15.6mm×23.6mm，像素尺寸為3 264×4 928，理想分辨率最高約為208 pixel/mm，用“線對(duì)/毫米”表示為104 lp/mm[14]。

可見，后數(shù)字化系統(tǒng)中成像的關(guān)鍵器件——鏡頭和CCD器件的空間分辨率都遠(yuǎn)高于系統(tǒng)要求的3 lp/mm，但在具體實(shí)現(xiàn)中，還會(huì)受到膠片自身分辨率、曝光量和背景光源亮度等因素的影響。

選擇3擋不同亮度的背景光源（亮度1為1 481.4 lux，亮度2為4 398.3 lux，亮度3為9 278.3 lux），對(duì)標(biāo)準(zhǔn)分辨率膠片進(jìn)行圖像采集。其空間分辨率變化情況如圖5所示：曝光補(bǔ)償值在-2～0 EV，不同背景光源亮度下，空間分辨率都可達(dá)到4.3 lp/mm。

圖5 曝光補(bǔ)償值與空間分辨率關(guān)系圖

背景光源亮度、曝光補(bǔ)償值與密度分辨率的關(guān)系如圖6所示。亮度越高，密度分辨率受曝光補(bǔ)償值的影響越明顯；隨著曝光補(bǔ)償值的提高，密度分辨率逐漸升高，即分辨細(xì)節(jié)的能力逐漸降低。可見，在3種亮度條件下，為確保密度分辨率滿足設(shè)計(jì)要求（最小0.8%），應(yīng)將曝光補(bǔ)償值控制在1/3 EV以下。

圖6 曝光補(bǔ)償值與密度分辨率關(guān)系圖

3 討論

在一定亮度范圍內(nèi)，當(dāng)后數(shù)字化系統(tǒng)的相機(jī)鏡頭焦距設(shè)置為24mm，被攝平面與鏡頭的距離設(shè)置為58 cm，曝光補(bǔ)償值在-2～0 EV，對(duì)測(cè)試膠片進(jìn)行后數(shù)字化處理時(shí)，可以獲得符合要求的圖像。此外，還可以針對(duì)不同類型的圖文資料對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，并以配置文件的形式保存在工作站上。當(dāng)實(shí)際采集時(shí)，直接調(diào)用與圖文資料類型對(duì)應(yīng)的配置文件進(jìn)行快速設(shè)置，獲得滿意的數(shù)字化效果。數(shù)字化圖像效果對(duì)比如圖7所示。

由于所選用的單反相機(jī)作為一種獨(dú)立的子系統(tǒng)，其內(nèi)部的自動(dòng)控制復(fù)雜，如自動(dòng)測(cè)光和自動(dòng)調(diào)焦等。因此，上述工作主要是從應(yīng)用實(shí)踐出發(fā)，基于測(cè)試膠片進(jìn)行圖像質(zhì)量分析，簡(jiǎn)單調(diào)整后數(shù)字化系統(tǒng)中的少量關(guān)鍵參數(shù)，確保實(shí)現(xiàn)所要求的性能。但缺乏在理論上對(duì)成像中可能產(chǎn)生的其他各類像差（如色差、球差等）進(jìn)行分析，以及光圈、感光量等多重因素變化對(duì)后數(shù)字化成像質(zhì)量的影響分析。

圖7 X線鼻骨平片的數(shù)字化效果

在對(duì)不同部位的X線片信息進(jìn)行采集時(shí)，如X線鼻骨側(cè)位片、X線骨骼平片、X線胸部平片和X線腹部平片等，膠片信息比標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試膠片更為豐富，僅靠幾何失真率、空間分辨率和密度分辨率進(jìn)行評(píng)價(jià)仍不夠準(zhǔn)確。應(yīng)該增加影像科醫(yī)生對(duì)所采集圖像的主觀判斷，并據(jù)此調(diào)整后數(shù)字化系統(tǒng)的參數(shù)。

后數(shù)字化系統(tǒng)在處理病歷、檢驗(yàn)報(bào)告等紙質(zhì)圖文信息時(shí)，并無現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)可以參照，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)，主觀上只要達(dá)到清晰可見、色彩豐富、失真程度不影響閱讀即可。而目前所使用相機(jī)的色彩深度是24位，其顏色種類已經(jīng)達(dá)到人眼分辨的極限，色彩深度符合觀察標(biāo)準(zhǔn)，足以進(jìn)行普通圖文資料的數(shù)字化。

目前，樣機(jī)已經(jīng)研制完成，但展開時(shí)的體積仍然偏大。為了縮小體積，可以進(jìn)一步縮小焦距，采用微距鏡頭，增大視場(chǎng)角，縮小拍攝平面與鏡頭的距離。此外，對(duì)于采集后數(shù)字化圖像的管理和傳輸?shù)裙δ?，還需要在后續(xù)工作中進(jìn)一步完善。

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（收稿：2013-09-06 修回：2013-11-18）

Post-digitalization processing system for medical graphicmaterials in field operation

WANG Chen-hai1,LAN Bin1，2,NIPing1,CHEN Zi-qian1
(1.Departmentof Biomedical Engineering,Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Area Command,Fuzhou 350025, China;2.School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China)

Objective To design and develop a post-digitalization processing system for graphic materials to meet the medical requirements in the field,especially that to processmedical film.Methods The key parameters for the camera, light source and etc,such as focus and brightness,were adjusted to realize post digitalization of medical films and analysis of images.Results The system could be used for digitalization of kinds ofmedical graphic materials,and could be deployed and withdrawn by 1 to 2 persons in several minutes.Conclusion When used to process medical graphic materials includingmedical film,the system can result in satisfactory images through parameters setup,although its digital image management and transmission need improving in the future.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（7）：5-8,17]

postdigitalization;medical film;distortion;resolution

R318；TP311.1

A

1003-8868（2014）07-0005-05

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.07.005

南京軍區(qū)重點(diǎn)課題資助項(xiàng)目（11ZO31）

王陳海（1983—），男，碩士，工程師，主要從事生物醫(yī)學(xué)電子、醫(yī)學(xué)信號(hào)處理、醫(yī)學(xué)計(jì)量質(zhì)控方面的研究工作，E-mail：wangchenhai2006@163. com。

3500257福州，南京軍區(qū)福州總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科（王陳海，蘭斌，倪 萍，陳自謙）；710032西安，第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院（蘭斌）

倪 萍，E-mail：511091680@qq.com