醫(yī)用顯示器DICOM自動校正系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

馬玉敏 劉衛(wèi)東

摘 要：為了有效解決傳統(tǒng)醫(yī)用顯示器需要定期檢查和校準(zhǔn)的問題，并保證在使用壽命內(nèi)醫(yī)用顯示器的灰階特性始終滿足DICOM標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了醫(yī)用顯示器DICOM自動校正系統(tǒng)。本文首先介紹了DICOM標(biāo)準(zhǔn)，其次介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計，最后介紹了系統(tǒng)的工作流程。

關(guān)鍵詞：醫(yī)用顯示器；DICOM標(biāo)準(zhǔn)；自動校正

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言

醫(yī)療顯示器是醫(yī)療影像領(lǐng)域的重要設(shè)備，實(shí)現(xiàn)DICOM標(biāo)準(zhǔn)是醫(yī)用顯示器必須達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)之一。醫(yī)用顯示器在出廠前必須進(jìn)行DICOM校正，使灰階顯示符合DICOM標(biāo)準(zhǔn)。醫(yī)用顯示器在使用過程中，液晶背光源的性能會隨時間的推移退化，使得顯示器的亮度變暗。通常醫(yī)用顯示器需要使用亮度計和相應(yīng)的軟件測量亮度并進(jìn)行校準(zhǔn)，常見的校正方法有外置亮度計手動校正和內(nèi)置亮度計自動校正。

2 DICOM標(biāo)準(zhǔn)概述

在醫(yī)學(xué)影像信息學(xué)的發(fā)展和PACS的研究過程中，由于醫(yī)療設(shè)備廠商的不同，造成與各種設(shè)備相關(guān)的醫(yī)學(xué)圖像存儲格式、傳輸方式千差萬別，使得醫(yī)學(xué)影像及相關(guān)信息在不同系統(tǒng)、不同應(yīng)用之間的交換受到阻礙。為了解決上述問題，美國放射學(xué)會和美國電氣生產(chǎn)聯(lián)合會共同制定了DICOM標(biāo)準(zhǔn)。DICOM標(biāo)準(zhǔn)推出了關(guān)于灰度圖像顯示標(biāo)準(zhǔn)方面的內(nèi)容：灰度標(biāo)準(zhǔn)顯示函數(shù)。

DICOM標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)barten視覺模型，在0.05cd/m2～4000cd/m2的亮度范圍內(nèi)，人眼的對比敏感度是非線性的，在此范圍內(nèi)人眼可分辨出1023個亮度級別JNDs，每個亮度級別JND的索引j對應(yīng)著一個亮度值L（j），而且隨著j值的依次增加，人眼感覺亮度L（j）幾乎是線性變化的，當(dāng)顯示系統(tǒng)輸入級別與輸出亮度的關(guān)系與此關(guān)系一致時，此系統(tǒng)的顯示符合標(biāo)準(zhǔn)的灰度顯示。

在DICOM標(biāo)準(zhǔn)中給出了DICOM曲線的計算方法：

①已知顯示器的最小亮度Lmin和最大亮度Lmax。利用下式計算出對應(yīng)的JND值，即Jmin和Jmax

J（L）=A+B·log10L+C·（log10L）2+D·（log10L）3+E·（log10L）4+F·（log10L）5+G·（log10L）6+H·（log10L）7+I·（log10L）8 （1）

J（L）表示亮度L的JND值，式中

A=71.498068 B=94.593053

C=41.912053 D=9.8247004，

E=0.28175407 F=-1.1878455

G=-0.18014349 H=0.1410899

I=-0.017046845

②根據(jù)Jmin和Jmax，計算出等間距JND值即Jsn：

（2）

J（k）=Jmin+k·Jsn

N為位數(shù)，k=0，1，2，…2N-1，J（k）為第k個灰階對應(yīng)的JND值。

③根據(jù)各灰階對應(yīng)的JND值J（k）計算出各灰階對應(yīng)的DICOM標(biāo)準(zhǔn)亮度值L（k）：

L的單位是cd/m2，式中

a=-1.3011877

b=-2.5840191×10-2

c=8.0242636×10-2

d=-1.0320229×10-1

e=1.3646699×10-1

f=2.8745620×10-2

g=-2.5468404×10-2

h=-3.1978977×10-3

k=1.2992634×10-4

m=1.3635334×10-3

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本醫(yī)用顯示器DICOM自動校正系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)分為顯示屏控制模塊、通信模塊、顏色傳感器模塊和校正模塊總共四部分。

3.1 軟件系統(tǒng)各模塊描述

3.1.1 顯示屏控制模塊

顯示屏控制模塊是顯示器的控制核心，負(fù)責(zé)對顯卡傳來的圖像信號進(jìn)行縮放、調(diào)節(jié)相應(yīng)銳度，OSD菜單顯示以及將輸出信號轉(zhuǎn)化為液晶屏可接收的數(shù)字或模擬陣列信號等。

LUT方法是更改顯示器顯示特性的一種有效方法，通過查表的方法來實(shí)現(xiàn)輸入到輸出的轉(zhuǎn)換，為了使顯示器的輸出符合DICOM標(biāo)準(zhǔn)，控制模塊必須有硬件電路支持DICOM校正使顯示器的灰階屬性變得可以調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)采用MT5327AEDJ作為主控芯片，該芯片中LUT可實(shí)現(xiàn)8bit-12bit的轉(zhuǎn)換，即對每個色彩通道支持8位到12位的LUT可編程查表功能，12位輸出可以擴(kuò)展的顏色的深度。可編程的LUT實(shí)際上就是一個RAM，如果不進(jìn)行DICOM校正，可向寄存器寫入相應(yīng)的值關(guān)閉查找表修正功能。

3.1.2 通信模塊

通信模塊分為兩部分：一是主控芯片與顯示屏之間的通信采用LVDS線，輸入的數(shù)字信號經(jīng)主芯片處理后，通過LVDS（低電壓差分信號）線傳輸給液晶屏的LVDS接收器，再由低電壓差分信號接收器將串行的低電壓差分信號轉(zhuǎn)換為行驅(qū)動信號，最終在液晶屏上形成圖像；二是顏色傳感器與DICOM校正模塊之間的通信采用I2C總線，DICOM校正模塊通過I2C總線控制顏色傳感器讀取測試圖卡亮度數(shù)據(jù)，顏色傳感器通過I2C總線向DICOM校正模塊反饋亮度信息。

3.1.3 DICOM校正模塊

DICOM校正模塊是軟件中最重要的部分，用于控制灰階顏色變化；控制顏色傳感器測量的各灰階的亮度；生成查找表；計算亮度響應(yīng)誤差率。

生成DICOM查找表的算法如下：

第一步：將顏色傳感器測得的256個灰階圖像的亮度插值為4096個亮度數(shù)據(jù)（主控芯片中的LUT是8bit-12bit的轉(zhuǎn)換過程）。

第二步：在測得的256個灰階亮度中，0灰階（全黑）圖卡的亮度為最小亮度Lmin，255灰階（全白）圖卡的亮度為最大亮度Lmax，由上述的DICOM標(biāo)準(zhǔn)曲線的計算方法計算出DICOM標(biāo)準(zhǔn)曲線對應(yīng)的256個亮度數(shù)據(jù)。

第三步：DICOM標(biāo)準(zhǔn)曲線對應(yīng)的256個亮度數(shù)據(jù)在插值生成灰階的4096個亮度數(shù)據(jù)中做查找，生成灰階對應(yīng)關(guān)系即LUT。

通常用亮度響應(yīng)誤差率來判斷顯示器的灰階顯示特性與DICOM標(biāo)準(zhǔn)曲線的符合程度，亮度響應(yīng)誤差的計算方法如下：

第一步：用顏色傳感器測18個TG18-LN8圖卡的亮度，TG18-LN8-1圖卡的亮度為最小亮度Lmin，TG18-LN8-18圖卡的亮度為最大亮度Lmax。

第二步：根據(jù)DICOM標(biāo)準(zhǔn)曲線計算方法計算出18個圖卡對應(yīng)的DICOM標(biāo)準(zhǔn)亮度值。

第三步：計算18個TG18-LN8圖卡的亮度對應(yīng)的亮度響應(yīng)Rmn

第四步：計算DICOM標(biāo)準(zhǔn)亮度值對應(yīng)的亮度響應(yīng)Rsn

第四步：計算亮度響應(yīng)誤差率

通過上述方法計算的亮度響應(yīng)誤差率若均小于10，則說明此時顯示器的灰階顯示特性符合DICOM標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.4 顏色傳感器模塊

本系統(tǒng)采用的顏色傳感器為TCS3414，TCS3414是一種高分辨率的色度傳感器，具有紅、綠、藍(lán)和白光的感測功能，可在各種照明條件下通過各種衰減材料來檢測光強(qiáng)度，此傳感器為I2C接口芯片，采集的色度數(shù)據(jù)可通過內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出，I2C總線一主多從的特點(diǎn)為系統(tǒng)由單通道測量向多通道測量提供了可能。

3.2 軟件具體工作流程

3.2.1 選中醫(yī)用顯示器菜單中的“DICOM校正”選項(xiàng)，在其子菜單中選擇“亮度響應(yīng)誤差率”選項(xiàng)。

3.2.2 DICOM校正模塊控制發(fā)送18個TG18-LN8個圖卡，并在顯示屏上顯示。

3.2.3 顏色傳感器彈出，測量18個TG18-LN8圖卡的亮度，并將亮度數(shù)據(jù)反饋給DICOM校正模塊。

3.2.4 DICOM校正模塊計算出亮度響應(yīng)誤差率，如果亮度響應(yīng)誤差率合格，則會在顯示屏上顯示“符合DICOM標(biāo)準(zhǔn)”，不需要校正；如果亮度響應(yīng)誤差率不合格，則會在顯示屏上顯示“不符合DICOM標(biāo)準(zhǔn)”，需要重新校正。

3.2.5 選中醫(yī)用顯示器菜單中“DICOM校正”選項(xiàng)，在其子菜單中選擇“自動校正”選項(xiàng)。

3.2.6 顯示屏控制模塊根據(jù)亮度響應(yīng)誤差率調(diào)節(jié)顯示器的亮度和對比度，修正和補(bǔ)償顯示器的亮度輸出，向GAMMA表控制寄存器寫入0000H關(guān)閉GAMMA表修正功能

3.2.7 DICOM校正模塊控制發(fā)送用于測量顯示屏控制參數(shù)的256個灰階（從全黑到全白），并在顯示屏上顯示。

3.2.8 顏色傳感器彈出，測量256個灰階的亮度，并將亮度數(shù)據(jù)反饋給DICOM校正模塊。

3.2.9 DICOM校正模塊根據(jù)256個灰階的亮度數(shù)據(jù)生成查找表，并更新主控芯片中的查找表。

3.2.10 主控芯片向GAMMA表控制寄存器寫入000FH打開GAMMA表修正功能，然后重復(fù)步驟1到步驟4。

4 結(jié)果分析

從圖2可以看出經(jīng)過本文所介紹的醫(yī)用顯示器DICOM自動校正系統(tǒng)校正后，顯示器的灰階顯示特性已非常符合DICOM標(biāo)準(zhǔn)，且顯示屏的亮度響應(yīng)誤差率在小于10。

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