淺談手持式醫(yī)用顯示器與傳統(tǒng)醫(yī)用顯示器的區(qū)別

遼寧省檢驗檢測認(rèn)證中心 （遼寧 沈陽 110036）

內(nèi)容提要： 簡要介紹手持式醫(yī)用顯示器，對手持式醫(yī)用顯示系統(tǒng)與傳統(tǒng)醫(yī)用顯示器進(jìn)行對比分析，并討論了手持式醫(yī)用顯示器性能評價方法。通過對比，了解其使用局限性，為實現(xiàn)高質(zhì)量的患者護(hù)理服務(wù)，確保設(shè)備的安全使用提供指導(dǎo)。

智能手機和平板電腦等移動設(shè)備已得到廣泛應(yīng)用。通過移動客戶端更加快速便捷地訪問患者影像，可推廣移動式設(shè)備在各種醫(yī)療環(huán)境中的使用。醫(yī)生可能會在訪問或不訪問先前檢查、報告或其他臨床數(shù)據(jù)的情況下，使用手持式設(shè)備對檢查作出初步判讀。專業(yè)醫(yī)療人員可以將手持式設(shè)備用于術(shù)前或術(shù)中成像、介入顯像、介入手術(shù)期間的引導(dǎo)、訪問以前的檢查。此外，醫(yī)護(hù)人員還可使用手持式設(shè)備觀察最終檢查與報告，以幫助規(guī)劃療程，開展會診以及進(jìn)行住院醫(yī)師培訓(xùn)。

1.手持式顯示技術(shù)概述

隨著移動顯示解決方案日益增多，移動平臺加快創(chuàng)新步伐，以及這些解決方案對公共衛(wèi)生帶來了潛在利益與風(fēng)險，美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）發(fā)布了一份指導(dǎo)文件，明確規(guī)定移動應(yīng)用程序在哪些情況下應(yīng)被視為醫(yī)療器械。近年來，包括手機和平板電腦在內(nèi)的手持式設(shè)備已經(jīng)非常普遍，還被提出作為醫(yī)學(xué)成像解決方案的組件，尤其是需要立即會診的急診醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

隨著液晶顯示器技術(shù)不斷進(jìn)步，其電能利用效率得到提高，而且在明亮環(huán)境光下的對比度可視性也得到了提高。但顯示技術(shù)的一項重大創(chuàng)新是有機發(fā)光二極管（OLED）屏幕的出現(xiàn)，其占地面積較小、響應(yīng)時間快速，能夠減少時間模糊。有機發(fā)光二極管醫(yī)用級顯示器于2012年首次推出。有機發(fā)光二極管顯示器無需背光即可工作，可以實現(xiàn)深黑電平并讓設(shè)備變得更薄更輕；在低環(huán)境光下，有機發(fā)光二極管屏幕可以實現(xiàn)比液晶顯示器更高的對比度；與液晶顯示器相比，上述技術(shù)的觀察角度通常更廣。設(shè)備的觀察角度是指其在偏離正常觀察方向上保持給定對比度的能力。有機發(fā)光二極管像素即使在觀察角度較廣的情況下也可以實現(xiàn)更高的色彩保真度。此外，有機發(fā)光二極管可以制成輕薄、透明、柔性、可折疊的筒狀設(shè)備，從而使其有可能用于各種可穿戴設(shè)備配備的顯示器中。大多數(shù)手持式顯示器包含至少一個環(huán)境光傳感器（ALS），也稱為照明傳感器、光傳感器或光纖傳感器。ALS能夠自動控制各種照明條件下（從黑暗到陽光直射）的背光亮度。憑借ALS，微控制器處理器可以根據(jù)環(huán)境照明來增加或降低顯示器亮度。

2.手持式顯示設(shè)備與傳統(tǒng)設(shè)備的區(qū)別

手持式設(shè)備在操作方面的差異包括可變環(huán)境照明、圖像尺寸和分辨率、移動、觸摸、校準(zhǔn)問題、連接性及影像壓縮。手持式硬件由于其尺寸、重量和功率受限會限制計算和內(nèi)存資源。

2.1 可變環(huán)境照明

手持式顯示器的環(huán)境照明條件與傳統(tǒng)醫(yī)用顯示器的標(biāo)準(zhǔn)觀察條件可能存在較大差別。手持式設(shè)備的移動不受限制，即意味著其可在各種照明條件下使用：從黑夜到白晝。這種巨大的可變性不僅會挑戰(zhàn)顯示器技術(shù)保持其性能特性的能力，而且還會影響人類視覺系統(tǒng)（HVS）對所顯示影像的感知方式。由于手持式設(shè)備具有高反射率特性，因此在使用者從黑暗區(qū)域移至環(huán)境照明較好的環(huán)境時，其性能會有所下降。圖1將手持式設(shè)備放在可模擬四種照明條件的照明條件下（從左到右）：無燈光、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)人造日光（D65）、典型商店環(huán)境（CWF）和白熾燈（家庭照明），反映了不同環(huán)境照明條件對影像質(zhì)量的影響。

由于使用手持式設(shè)備閱片時的環(huán)境光是不受控制的，在閱片過程中可能會發(fā)生變化，并且通常會包含明顯的鏡面（類似于鏡子）反射。因此在使用手持式設(shè)備前進(jìn)行環(huán)境評估至關(guān)重要。即使不為實現(xiàn)理想的可視化效果，為了記錄閱片環(huán)境，也應(yīng)在每次閱片時進(jìn)行環(huán)境評估。

2.2 圖像尺寸和分辨率

雖然手持式設(shè)備的尺寸通常小于傳統(tǒng)醫(yī)用顯示器，但依然可以提供與300萬像素放射科顯示器類似的視覺體驗。即使是iPad mini，也能在7.9英寸顯示器上提供300萬像素分辨率，且其在24cm處的觀察效果與20英寸的醫(yī)用顯示器相當(dāng)[1]。iPad Pro配有550萬像素13英寸顯示器（大約是標(biāo)準(zhǔn)乳腺X射線片的大?。?，所提供的胸部X射線片影像比標(biāo)準(zhǔn)300萬像素的顯示器更佳。盡管非Apple品牌的平板電腦傾向于使用16×9的長寬比，但其顯示器和分辨率相似于Apple品牌。

2.3 運動

顯示器的移動可能會嚴(yán)重阻礙影像評估的準(zhǔn)確性與完整性。如果使用正在移動的顯示器，則幾乎無法實現(xiàn)全面的觀察。但是，只要拿著顯示器的人不動，就可以盡量減少顯示器的移動。正常的手眼反饋協(xié)調(diào)可使顯示器保持穩(wěn)定。顯示器能夠方便移動是手持式設(shè)備的重要特性。顯示器可易于傾斜，以避免眩光反射或某些明亮的背景照明。

2.4 觸摸

觸摸屏顯示器提供獨特的用戶界面。通過一系列常用手勢，可以獲得直觀的影像操作和強化功能。但是，所有手持式顯示器的玻璃表面均非常光滑，容易顯示出指紋和條紋。巧妙的用戶界面（UI）設(shè)計可以將影像顯示控件劃分到顯示器的一角或一側(cè)，有助于保持影像區(qū)域的清潔。為了使顯示器保持清晰以確保閱片不受阻礙，需要經(jīng)常進(jìn)行例行清潔。即使使用精心設(shè)計的用戶界面，顯示器也會出現(xiàn)條紋，因為其他應(yīng)用程序并不會具有相同的用戶界面設(shè)計。

圖1. 不同環(huán)境照明條件對影像質(zhì)量的影響

由于許多技術(shù)需要高折射率薄膜，因此添加觸摸屏通常會增加反射光線的數(shù)量。制造商可以通過抗反射涂層來部分減輕此種影響。但是使用者經(jīng)常在手持式設(shè)備上增加保護(hù)套，而這又影響了制造商在減少屏幕反射方面所做努力。

2.5 校準(zhǔn)

大多數(shù)商用手持式顯示器在出廠時都已經(jīng)過校準(zhǔn)，以在sRGB色彩空間中顯示影像。但是，它們不會像使用灰階標(biāo)準(zhǔn)顯示函數(shù)（GSDF）校準(zhǔn)的醫(yī)用監(jiān)測器那樣顯示灰階影像。同樣，隨著醫(yī)療行業(yè)朝著標(biāo)準(zhǔn)化醫(yī)學(xué)影像色彩空間的方向發(fā)展，大多數(shù)已校準(zhǔn)過的手持式設(shè)備都需要重新校準(zhǔn)以匹配該色彩空間。由于操作系統(tǒng)軟件提供的訪問權(quán)限有限，因此手持式設(shè)備的校準(zhǔn)過程較為復(fù)雜。

當(dāng)前，軟件應(yīng)用程序能夠進(jìn)行自行校準(zhǔn)，有時使用特殊的測試圖形，有時使用亮度計，有時使用交互式對比度調(diào)整。校準(zhǔn)過程包括兩個步驟：特征化和校正。在手持式設(shè)備上，這兩個步驟均具有挑戰(zhàn)性。理想的特征化非常耗時，因為它要通過讀取液晶顯示器的每個驅(qū)動電平來解決電壓-光亮度函數(shù)的不連續(xù)性。但優(yōu)點是，這個過程只需執(zhí)行一次。液晶顯示器在使用壽命期間不會發(fā)生重大變化。設(shè)備需要進(jìn)行全面而仔細(xì)的特征化征，將特征化數(shù)據(jù)存儲在設(shè)備或數(shù)據(jù)庫中（與設(shè)備唯一關(guān)聯(lián)）。這是獲得準(zhǔn)確的顯示器校正的最佳方法。在已知特征化函數(shù)之后，可以很容易地將輸出調(diào)整為目標(biāo)函數(shù)。但缺點是，GSDF目標(biāo)函數(shù)取決于環(huán)境光和顯示器的特定環(huán)境反射率。大多數(shù)手持式顯示器具有光滑的反射表面和極低的漫反射環(huán)境反射。為了GSDF校準(zhǔn)和以后解決鏡面反射，假定顯示器處于低環(huán)境光環(huán)境中可能會比較方便。漫反射背景的反射通常不可忽略，尤其是在高環(huán)境光環(huán)境中。通過查找表校正進(jìn)行的DICOM GSDF校準(zhǔn)可能會減少顯示的灰度級數(shù)量。此外，在使用全灰色漸變進(jìn)行視覺檢查時，可能會將潛在的條帶問題變得更加明顯。

3.手持式醫(yī)用顯示器性能評估方法

許多用于傳統(tǒng)醫(yī)用顯示器評估的測試圖形都可以在手持式設(shè)備中使用。然而，由于手持式設(shè)備的屏幕較小，限制了可以觀察的細(xì)節(jié)數(shù)量。除了標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量控制測試圖形，還可使用8位和10位的水平和垂直漸變來目視檢查灰階變化[2]?？梢允褂霉潭ǚ直媛誓繕?biāo)（例如1024×1024分辨率顯示器抽取的512×512測試方塊）來測試物理分辨率。TG18-LN或具有較大測試面積的等效測試圖形用于研究光亮度目標(biāo)模型之間的亮度一致性。專業(yè)人員目測評估需要更詳細(xì)的灰階漸變和分辨率目標(biāo)可使用TG18-QC測試圖形。另外，還可能需要單獨的測試圖形來評估壞點、均勻性和色域。這些評估應(yīng)在受控照明環(huán)境中進(jìn)行，以確保適用性和重現(xiàn)性。

顯示器影像質(zhì)量的量化評估可為其提供最詳細(xì)及重現(xiàn)性評估，同時還可以在發(fā)現(xiàn)設(shè)備性能不足時對其進(jìn)行校準(zhǔn)。顯示器的光學(xué)測量評估通常分為暗室測量值和環(huán)境測量值。暗室測量值確定顯示器的固有發(fā)射特性。影響顯示器影像質(zhì)量的屬性包括光亮度、色域、亮度均勻性、對比度以及與DICOM GSDF的偏差。由于某些顯示器技術(shù)會顯示光亮度負(fù)載效應(yīng)，因此建議使用小于10%的平均像素等級測試圖形對設(shè)備性能進(jìn)行測試。這將要求一次測量一個灰度級的灰階。通常還可以在暗室條件下測量運動偽影，同時使用1-D正弦黑白圖形（與IEC61988-2-4中使用類似）來測量靜態(tài)和動態(tài)影像的顯示器分辨率[3]。

由于移動顯示器上的感知影像可能會受到環(huán)境光照明環(huán)境的顯著影響，因此還需要評估照明環(huán)境對影像的影響。對于非透明顯示器，照明環(huán)境對感知影像的主要影響在于光如何反射到觀察者。這通常通過光度或光譜反射系數(shù)來表征。

4.小結(jié)

尺寸、分辨率、觀察距離甚至亮度并不是手持式影像觀察設(shè)備的重要問題。雖然可以通過觸摸屏界面來使影像區(qū)域沒有指紋和條紋，但由于顯示器可能因使用其他應(yīng)用程序或僅因隨身攜帶而變臟，因此即使在最佳情況下，仍應(yīng)要求放射科醫(yī)生在每次觀察之前清潔顯示器。鏡面反射可能是使用手持式設(shè)備所面臨的最關(guān)鍵問題。雖然顯示器可以通過傾斜（即使在閱片過程中）來避免眩光，但使用者需要注意存在破壞性反射的可能性。

手持式醫(yī)用顯示器應(yīng)用前景廣闊。通過上述內(nèi)容的比較，可以發(fā)現(xiàn)在手持式設(shè)備上觀察醫(yī)學(xué)影像時，最主要的問題是顯示器本身是否能夠充分顯示必要的影像細(xì)節(jié)以及環(huán)境因素對影像質(zhì)量的影響。希望本文能對醫(yī)用顯示器的研究有所幫助，了解其使用局限性，為實現(xiàn)高質(zhì)量的患者護(hù)理服務(wù)，確保設(shè)備的安全使用提供指導(dǎo)。