醫用顯示器DICOM自動校正系統的設計與實現

2016-05-14 09:08:13馬玉敏劉衛東

中國新技術新產品 2016年5期

馬玉敏劉衛東

摘要：為了有效解決傳統醫用顯示器需要定期檢查和校準的問題，并保證在使用壽命內醫用顯示器的灰階特性始終滿足DICOM標準，設計了醫用顯示器DICOM自動校正系統。本文首先介紹了DICOM標準，其次介紹了系統的軟件設計，最后介紹了系統的工作流程。

關鍵詞：醫用顯示器；DICOM標準；自動校正

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

1 引言

醫療顯示器是醫療影像領域的重要設備，實現DICOM標準是醫用顯示器必須達到的技術指標之一。醫用顯示器在出廠前必須進行DICOM校正，使灰階顯示符合DICOM標準。醫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。通常醫用顯示器需要使用亮度計和相應的軟件測量亮度并進行校準，常見的校正方法有外置亮度計手動校正和內置亮度計自動校正。

2 DICOM標準概述

在醫學影像信息學的發展和PACS的研究過程中，由于醫療設備廠商的不同，造成與各種設備相關的醫學圖像存儲格式、傳輸方式千差萬別，使得醫學影像及相關信息在不同系統、不同應用之間的交換受到阻礙。為了解決上述問題，美國放射學會和美國電氣生產聯合會共同制定了DICOM標準。DICOM標準推出了關于灰度圖像顯示標準方面的內容：灰度標準顯示函數。

DICOM標準根據barten視覺模型，在0.05cd/m2～4000cd/m2的亮度范圍內，人眼的對比敏感度是非線性的，在此范圍內人眼可分辨出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，當顯示系統輸入級別與輸出亮度的關系與此關系一致時，此系統的顯示符合標準的灰度顯示。

在DICOM標準中給出了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Jmin和Jmax，計算出等間距JND值即Jsn：

（2）

J（k）=Jmin+k·Jsn

N為位數，k=0，1，2，…2N-1，J（k）為第k個灰階對應的JND值。

③根據各灰階對應的JND值J（k）計算出各灰階對應的DICOM標準亮度值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 系統軟件設計

本醫用顯示器DICOM自動校正系統的軟件結構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，負責對顯卡傳來的圖像信號進行縮放、調節相應銳度，OSD菜單顯示以及將輸出信號轉化為液晶屏可接收的數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現輸入到輸出的轉換，為了使顯示器的輸出符合DICOM標準，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節。本系統采用MT5327AEDJ作為主控芯片，該芯片中LUT可實現8bit-12bit的轉換，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位輸出可以擴展的顏色的深度。可編程的LUT實際上就是一個RAM，如果不進行DICOM校正，可向寄存器寫入相應的值關閉查找表修正功能。

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，輸入的數字信號經主芯片處理后，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換為行驅動信號，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據，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個亮度數據（主控芯片中的LUT是8bit-12bit的轉換過程）。

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標準曲線的計算方法計算出DICOM標準曲線對應的256個亮度數據。

第三步：DICOM標準曲線對應的256個亮度數據在插值生成灰階的4096個亮度數據中做查找，生成灰階對應關系即LUT。

通常用亮度響應誤差率來判斷顯示器的灰階顯示特性與DICOM標準曲線的符合程度，亮度響應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DICOM標準曲線計算方法計算出18個圖卡對應的DICOM標準亮度值。

第三步：計算18個TG18-LN8圖卡的亮度對應的亮度響應Rmn

第四步：計算DICOM標準亮度值對應的亮度響應Rsn

第四步：計算亮度響應誤差率

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

3.1.4 顏色傳感器模塊

本系統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度，此傳感器為I2C接口芯片，采集的色度數據可通過內部的ADC轉換為數字信號輸出，I2C總線一主多從的特點為系統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 選中醫用顯示器菜單中的“DICOM校正”選項，在其子菜單中選擇“亮度響應誤差率”選項。

3.2.2 DICOM校正模塊控制發送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，并將亮度數據反饋給DICOM校正模塊。

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

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

3.2.6 顯示屏控制模塊根據亮度響應誤差率調節顯示器的亮度和對比度，修正和補償顯示器的亮度輸出，向GAMMA表控制寄存器寫入0000H關閉GAMMA表修正功能

3.2.7 DICOM校正模塊控制發送用于測量顯示屏控制參數的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，并將亮度數據反饋給DICOM校正模塊。

3.2.9 DICOM校正模塊根據256個灰階的亮度數據生成查找表，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，然后重復步驟1到步驟4。

4 結果分析