第八讲 数字化医疗影像输出设备质量控制

冯庆宇

第八讲 数字化医疗影像输出设备质量控制

冯庆宇

编者按：随着医疗影像数字化设备的发展，影像的输出方式也由传统的模拟胶片输出方式发展为数字化胶片打印与显示器输出两种形式。本文介绍了两种输出方式的基本原理、成像流程，以及影像质量控制的基本方法与手段。

临床工作中，为了得到最佳的影像质量，以做出最合理的临床医疗方案，必须保证影像输出设备的质量。因此，对影像输出设备的质量控制也是医疗影像质量管理的关键环节之一。

1 图像输出质量控制基本概念与评价工具

1.1 DPI与PPI

DPI（Dot Per Inch）指输出分辨率，一般用于输出设备的评价。最早用于印刷领域，作为分辨率的计量单位，表示每英寸所能印刷的网格数。随着数字图像技术的发展，又引入像素的概念来表达图像分辨率，即PPI（Pixels Per Inch）。PPI表示每英寸所拥有的像素数目，图像PPI值越高，单位面积的像素数量越多，画面的细节越丰富。

1.2 连续调图像与半色调图像

1.2.1 连续调图像

指图像的深浅变化与颜色变化都是连续的，从微观上看，图中没有跳跃性变化，如摄影照片、正片，以及未挂网的电子图像等。真正的连续色调输出设备种类目前并不多，常见的彩色喷墨打印机或家用激光打印机并非连续色调输出设备。而在放射医疗影像领域，目前均要求连续调图像的输出设备，即每一个打印点（Dot）均可以显示4096级灰阶中的任何一种灰阶度。

1.2.2 半色调图像

相对于连续图像而言，如挂网印刷的印刷品图像，通过网点的大小或疏密表达图像层次与色彩的变化。从微观上看，这类图像的细节变化不连续，称为半色调图像。目前的非连续色调打印机，包括彩色喷墨打印机、家用激光打印机等，所打印的每一个最小点并不能表现出完整的灰阶层次。

1.3 常用评价指标介绍

对医学影像进行观察与评价时，需要标准的测试图像来进行图像质量评价。目前可用于图像质量评价的测试图像很多，国际相关专业学会及组织制定了不同的医学影像显示装置成像性能评价标准，主要包括：①SMPTE RP 133-1991，电影和电视工程师协会（Society of Motion Picture and Television Engineers，SMPTE）在1986年发表，提供了一个单一、全面的测试图，描述了对于模拟或数字信号源系统的分辨力测量所需的测试图格式、尺寸和对比度，可以对显示的焦点、亮度、对比度、空间分辨力、均匀性、软阅读显示和硬阅读胶片的线性进行调整，但是却没有给出性能说明标准的建议值；②NEMA-DICOM标准(PS3)，美国放射学院（American College of Radiology，ACR）和美国国家电器制造协会（National Electrical Manufactures Association，NEMA）联合推出，在第14部分中的“灰度显示标准函数”说明了对于灰度图像的一个标准显示函数，并且包含了人眼系统的非线性特性；③DIN V6868-57，德国标准机构（DIN）发布，显示性能包括观察条件和周围照度的影响、灰度再现、空间分辨力、对比度分辨力、颜色、伪影等，提供了每种情况的质量控制和日常性检查标准；④ISO9241和13406系列，ISO系列标准，针对视频显示终端的设计和评价建立了图像质量要求，提供了测试方法和对于几何线性的要求；⑤VESA平板显示器测量标准（The Flat Panel Display Measurements Standard，FPDM），电子视频标准协会（the Video Electronics Standards Association，VESA）1998年发布，FPDM标准是一个确认显示器是否与遵守标准相一致的程序规范，提供了较容易的测试步骤；⑥AAPM的显示性能评价标准，美国医学物理学家协会第18工作组（The American Association of Physicist s in Medicine Task Group 18，AAPM TG18）2002年发布，该组织由政府机构（如FDA）、医学物理师、放射医师、高校研究机构、医疗设备厂商、医用显示器厂商共同组成的。该标准涵盖了医用显示设备性能各个方面，包括对显示设备的反射、几何失真、亮度、分辨率、噪声、闪烁、色度、伪影等特性的测试，还详细定义了如何使用测试图来评价显示质量的方法、所需的测试工具和不同级别显示器的最低指标，强调医学图像显示质量控制应该成为医疗影像技术业务的日常工作之一，并详细定义了医用显示设备初始安装、每天、每月、每年医学图像显示质量控制所必须完成的评测内容、方法和必须达到的指标以及针对评测结果建议的操作。

2 图像输出设备的基本原理

随着数字化医疗影像设备的发展和PACS系统的广泛应用，目前可以采用“硬输出”和“软输出”两种方式得到可用于医疗影像诊断的图像。所谓“硬输出”和“软输出”是在医学领域常用的一种俗称，“硬输出”指通过各式医疗专用打印设备将数字医疗图像在胶片上成像，“软输出”指通过显示器将数字医疗图像显现并用于临床诊断。

2.1 干式成像技术

目前在医疗影像领域应用的胶片输出设备主要包括光敏热成像（PGT）和非光敏性成像（TG）两种，即通常在医疗影像中所说的激光热成像技术与直接式热敏成像技术，代表厂商分别为CarestreamHealth和Agfa。

2.1.1 医用胶片的主要成分与结构

PTG材料的聚酯片基支持体正面由保护层、中间隔层、感光层组成，背面由防光晕层和保护层组成。感光层由光敏卤化银、非光敏性羧酸银盐、显影还原剂、调色剂、稳定剂、光谱增感剂及粘合剂等组成。背面的防光晕层用以提高影像清晰度，正面和背面的保护层可以提高胶片的物理机械性能，防止使用过程中的机械损伤。TG材料与PTG材料的组成类似，但是其中不含有光敏性的卤化银。

2.1.2 羧酸银

材料的组成成分中， PTG成像技术以羧酸银和卤化银为成像物质基础，TG成像技术以羧酸银为成像物质基础。羧酸银本身不感光，但它在直接加热的情况下可以发生还原反应并根据温度的差异形成不同密度，这也是TG成像技术的理论基础。在PTG成像技术中，羧酸银是形成PTG材料银影像的Ag+供应源，约占涂层银量的90%左右。目前最常用的羧酸银为山嵛酸银，此外还有硬脂酸银、花生酸银等。

羧酸银中，研究最多的是硬脂酸银。研究发现，硬脂酸银是一种八元环的二聚体单元结构，[Ag(O2CXH2X-1)]2，单元内的两个硬脂酸银分子之间通过共用Ag+与羧酸离子成键后形成八元环的二聚体结构，Ag-O间是共价键；二聚体单元间通过较弱的Ag-O配位键相连形成长链的（聚合型）晶体，具有二维平面结构；形成的长链聚合体的链与链之间又通过范德华力的作用，使有机酸银中长链烷基彼此靠近，形成多层结构，最终形成一种具有板状结构的有机羧酸银晶体。

羧酸银一般热分解温度在200℃以上，但由于晶体缺陷、杂质和碳链长度变化等原因，其分解温度相对要低于此温度，约150℃，热分解产物是游离脂肪酸和金属银。羧酸银二聚体[Ag(O2CXH2X-1)]2的热稳定性是链长的函数，即随链长的增加其分解温度提高。羧酸银在常温下为结晶体，在110～120℃附近发生非晶质状态相变，这种特性使硬脂酸银在热显影温度下能够成为Ag+供体，而在常温条件下适合保存。

2.1.3 非光敏直接热成像（TG）

非光敏直接热成像是使用非常小的呈线性阵列组成的热敏头，直接在胶片上产生密度的方法，每一个热敏头就是一个热元素，即一个像素。目前所采用的一般是羧酸银为基础的成像介质，也曾经有采用加热包含染色剂的微囊体的成像方法。

以羧酸银为胶片主要材料的公司目前以AGFA为代表，工作原理与流程如下：① 胶片主要由羧酸银晶体以及含有调色剂和显影剂的基质组成；② 热电阻头接触胶片表面，将不同的热量传递至胶片，电阻头的热量由数字图像信息所决定；③ 在显影剂与热量的直接作用下，羧酸银中的银源还原为银，显影的银颗粒形成具有一定光学密度的图案。

微囊体技术在早期Fuji的DRYPIX1000和DRYPIX 3000中采用，原理与流程如下：① 胶片主要由含有染色剂的微囊体和显影剂组成；② 热电阻头接触胶片表面，将不同的热量传递至胶片，电阻头的热量由数字图像信息所决定；③ 根据热量的不同，染色剂从微囊体中扩散；④ 显影剂作用下，染色剂显影，形成具有一定光学密度的图案，该光学密度与热量和显影剂相关。

2.1.4 光敏热成像（PTG）

光敏热成像是目前应用最普遍的医疗影像输出设备，CarestreamHealth、Fuji、Konica等公司均采用此种成像技术。PTG是在TG技术基础上发展而来，最早来源于3M 公司的一次偶然发现。他们在进行一种能进行热显影的光敏材料的实验中，发现只有使用带有相应卤离子的染料时才能取得成功，同时加入溴化银或能形成卤化银的材料时也能得到同样甚至更好的结果。

（1）PTG的成像流程

PTG材料是在聚酯片基上涂一层特殊的感光层，由非光敏性的羧酸银盐、 超细感光卤化银颗粒为主要组成。成像过程：① 根据数字图像信息，激光扫描胶片，在卤化银颗粒上生成潜影( 与传统卤化银照相材料相同)；② 加热后，羧酸银复合物扩散至潜影中心；③ 潜影中心催化共存的非光敏羧酸银与弱还原剂之间的氧化还原反应，形成可见的黑白影像。

（2）PTG的成像原理

PTG的成像过程主要包括潜影形成、银离子迁移与密度的形成（银影像的质量与色调）。目前感光学界对PTG材料潜影生成以及热显成像过程的反应机理等基础理论方面的认识尚存在一定分歧。但随着研究工作的进一步深入，国际感光科技界的研究人员在更多、更可信的实验数据基础上，通过充分论证达成共识，逐步建立起较完整的 PTG体系的理论。

潜影形成过程中，最初认为PTG材料中潜影生成的机理与常规卤化银感光材料是相同的，而完全忽略了卤化银-羧酸银体系与卤化银-明胶体系间所存在的巨大差异。一般认为，潜影形成源于多相光催化作用的理论，即卤化银是羧酸银相中Ag+界面还原的催化剂。在高分辨率电镜下可以清晰地观察到卤化银与羧酸银之间有外延界面的存在，因此推测此界面能将在卤化银中产生的光电子-空穴对有效地分离开，这一界面现象正是PTG材料潜影生成光催化机理的基础。

银离子迁移过程的研究是PTG材料的研究重点之一。早期研究认为PTG体系的调色剂通常是金属银离子的配位剂，其作用是转移并传递银离子。目前普遍接受的调色剂作用理论认为：热显影时，邻苯二甲酸使羧酸银晶体裂解，生成邻苯二甲酸二银(Ag2PA)；然后Ag2PA与酞嗪作用生成酞嗪银络合物的混合体，最后银离子载体被卤化银晶体潜影附近的显影剂还原成金属银。在此热显影过程中，邻苯二甲酸和酞嗪的量没发生变化，可反复循环使用，而显影剂和羧酸银则不断消耗。但是还有一些学者认为是羧酸银与邻苯二甲酸中的一个羧基发生作用，形成一种不对称八元环结构的中间体，而这种中间体是银离子转移的介质。

在密度的形成过程中，Ag0的特性决定了影像的质量与色调，而Ag0的特性是由众多的因素所决定，如调色剂种类、显影温度等。根据温度的不同，Ag0可以形成不同的形状，包括“细丝状”、“树枝状”以及各种形状的聚集体。在显影过程的初始阶段，微小的球形Ag0形成，接着大小不一Ag0粒子的数目逐渐增多，形成过程中存在二次成核过程，当Ag0超过某一临界浓度时，Ag0粒子聚集形成银影像，在一个显影完全的卤化银颗粒范围内存在数十种不同形貌的银颗粒。

2.2 显示器成像设备

2.2.1 液晶的物理特性

液晶（Liquid Crystal）是一种规则性排列的有机化合物，是一种介于晶体与液体之间的物质，由长棒状的分子构成，这些棒状分子的长轴大致平行。液晶既不同于分子排列完全混乱的各向同性液体，也有别于分子排列完全有序的晶体。加热液晶呈现透明的液体状态，冷却后则会出现结晶颗粒的混浊固体状态。这样，一方面，液晶具有流体的流动特性；另一方面，液晶又呈现出晶体固有的空间各向异性。当在液晶上加一定的电场时，液晶分子的取向就发生变化，继而引起光学特性发生变化。通电时，液晶分子排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过，这就是液晶的电光效应，也是人们应用液晶物质作为显示器件的物理基础。

2.2.2 液晶显示器成像基本原理

液晶显示器的成像原理是基于液晶电光效应的显示。液晶面板由两片玻璃素材中间夹着一层液晶组成。当光束通过这层液晶时，液晶本身会进行排列或扭转呈不规则状，改变光束的通过。

液晶显示器由背光板、偏光板、玻璃基板、驱动电路、液晶层、滤色片等组成。在一对平行放置的偏光板间填充了液晶，这一对偏光板的偏振光方向是相互垂直的。液晶分子在偏光板之间排列成多层，同一层内液晶分子的位置虽然不规则，但长轴取向都是平行于偏光板的。另一方面，在不同层之间，液晶分子的长轴沿偏光板平行平面连续扭转至90°。

通过电极加电后，液晶分子沿电场方向进行排列。当液晶分子沿电场方向排列时，液晶盒内的90°旋光性能消失，线偏振光通过液晶盒时，偏振方向不变，由于起偏器和检偏器透光轴正交，因而偏振光被检偏器所阻隔，光线就无法通过，结果在显示屏上出现黑色。这样会形成透光时为白，不透光时为黑，字符就可以显示在屏幕上了。由于作用于液晶盒内的电场强度不同，因而液晶分子沿电场方向倾斜的程度也不同，这样被检偏器所阻隔的光强度也不同，于是能转换为不同的视觉变化，从而达到显示灰度图像的目的。

3 显示器输出设备的质量控制

在软输出环境中，显示工作站是整体影像质量确认的关键环节。当图像矩阵的每一像素对应于显示系统至少一个像素，并且显示系统的像素尺寸可显示的最小细节与观察者肉眼最大灵敏度一致时，数字医疗影像信息达到最佳传递。

3.1 几何畸变

图1 TG18-QC影像

几何畸变主要发生在CRT显示器中，但是在专业医疗液晶高分辨率灰阶显示器中由于存在着各种影响因素，也要求临床工作者对显示器的几何畸变进行评测。视觉检查TG18-QC影像（如图1）的显示有无几何畸变。检查测试图型的边缘，要求边线应完全可视，线条应笔直，有效显示区应置于屏幕中心。

3.2 对比能见度

TG18-QC测试图型（如图2）可以从多角度评价显示器的对比能见度。测试图型的影像中心周围有16个不同亮度值的方块，底部的2个方块为最小与最大像素值，内有一亮度方块，分别为最大灰度值的5%和95%。在这些亮方块下有3个长方形方块，内有字母“QUALITYCONTROL”，以低于背景对比度显示，该字母的可视部分用于验收时检查能见度，跟踪降低的对比度。

观察时，应降低室内光线。LCD显示器的亮度依赖视角，大视角观察会使对比能见度下降，因此在观察影像时，应采用正对且平视的位置来进行评估。评判标准为所有角落方块应可视，5%和95%像素值方块应清楚可见。

图2 TG18-QC测试图型

3.3 显示器空间分辨力

空间分辨力是用来定量地衡量一个显示系统能否最真实地产生物体不同点独立影像的能力。需要使用有足够空间分辨力特征的系统以保证在显示一幅医学影像时能确保兴趣区的空间细节。

空间分辨力的观察可以通过对TG18-PX、TG18-CX、TG18-LPH和TG18-LPV来进行评估。观察时，图像应以一个图像像素对应一个显示像素的方式显示，并且可以准备放大镜。TG18-CX测试图可以观察在显示区域中心和四角显示的“Cx”图案并使用相应的评价标准进行评分。TG18-PX测试图直接进行观察评价，图形中心和边角不同区域的几个像素的形状和尺寸用带有细十字线的放大镜评价，最大亮度的像素尺寸以接近剖面图亮度的50%和5%进行测量。

此外，还可以通过评价水平和垂直线图型进行视觉显示分辨率的检测。TG18在不同的背景亮度水平提供6种线状图型，图3显示了TG18-LPH50的放大图像（水平线图型为TG18-LPH10，TG18-LPH50和TG18-LPH89；垂直线图型 TG18-LPV10，TG18-LPV50和TG18-LPV89）。

图3 TG18-LPH50的放大图像

3.4 显示伪影

观察TG18-QC测试图形来评估图像的伪影，主要内容包括影像中的坏像素（只适合LCD）、黑－白和白－黑斜条之间的变换、显卡因素造成的黑白间伪影，以及时间性不稳定（闪动）和空间性不稳定（跳动）。

3.5 亮度范围

测定显示设备的最大和最小亮度，测试图型为TG18-LN12-01和TG18-LN12-18。固定室内光线亮度，应用亮度计测定显示器最大和最小亮度，以及室内光线的亮度，计算最大和最小显示亮度之比。降低室内光线或调整显示器可以增加比值。此外，由于LCD显示器的亮度依赖于视角，因此不同的观察视角可以得到不同的亮度范围。

3.6 亮度均匀性

显示器进行亮度检测时，应在包括中心区的不同位置进行测试，一般可在每一监视器的5个位置上测定显示亮度，以检查显示均匀性。

亮度不均匀性指的是显示均匀图像时在显示区域内亮度的最大变化。亮度不均匀性是CRT显示器的一个共同特征，从显示器中心到边角的亮度有代表性地下降。多种因素导致此现象的产生，包括电子束路径长度，线束的入射角和面板玻璃的传输特性。

造成LCD显示器亮度不均匀性的因素为背后照明的非均匀性，mura（指显示器亮度不均匀, 造成各种痕迹的现象，它由于显示器像素矩阵表面缺陷造成）潜影，彩色坐标的空间稳定性和液晶元件厚度。

评价显示器亮度均匀性可以通过显示器上显示TG18-UNL10和TG18-UNL80测试图，用校准的光度计测量显示设备面板上五个位置（中心和四个角）的亮度值, 也可从视觉上评价图形显示的均匀性。每一显示图的最大亮度偏差用最大和最小亮度的差值与它们的平均值的百分比来表示。

3.7 灰度显示函数

在进行临床阅片中，必须保证不同的显示设备所观察到的图像具有一致性。对于打印胶片，每一灰度值所对应的显示亮度或光密度应保持一致。因此应测定显示设备是否符合DICOM灰度标准显示函数（Greyscale StandardDisplay Function，GSDF，DICOM 3.0第14部分PS3.14）。

一般通过TG18-LN12-01至TG18-LN12-18确定灰度显示函数（GDF）。测试图型应全屏显示，亮度则在屏中心测定。GDF与室内光线密切相关，因此室内光线、灯箱和其他显示设备应在同一亮度水平。

4 胶片输出设备质量控制

在医疗影像学中，硬输出通常是指通过某种成像设备，使医疗影像在胶片上呈现的方式。激光打印机是目前最常采用的医疗影像硬输出方式，它包括干式激光打印机和湿式激光打印机。为了真实地再现影像学设备所采集的医疗影像，并使图像完全满足临床医疗的需求，必然也要对打印机的成像质量进行控制与管理。

4.1 几何畸变

打印TG18-QC测试图型，观察测试图型中的线和边，以肉眼视觉检查打印影像无几何畸变。良好的图像边线应完全可视，线条应笔直。

4.2 对比能见度

观察TG18-QC测试图像前，首先检查观片灯的亮度是否符合要求，以保证测试图像具有足够的亮度。观察时，应调高观片灯亮度或减暗室内光线，以提高对比能见度的观察。此外，TG18-QC测试图型的观察也取决于光密度与像素值间的对应关系，因此可进行光密度范围和灰度显示函数的测试以保证对比能见度的观察。良好的结果应该在所有角落方块均可见，且5%和95%像素值方块应清楚可见。

4.3 分辨率

可用TG18-PQC测试图像的水平和垂直线图型的细节来评估水平和垂直线，以检查打印影像的分辨率，要求所有线状图型应可识别。

4.4 伪影

通过打印并观察TG18-QC、TG18-PQC、TG18-UN80和TG18-UN10测试图像来评估图像的伪影，核查影像（尤其在黑白交界处）的打印伪影，例如带状、条状伪影和中断伪影等。

4.5 光密度范围

打印TG18-QC测试图型。测定影像中的Dmax和Dmin，要求检测结果Dmin<0.25OD，Dmax>3.4OD

4.6 光密度一致性

打印测试图型TG18-UNL10和TG18-UNL80。测定在5个标记位置中的光密度。最大光密度偏差应小于10%（（Dmax-Dmin）/Dmid<0.1）。

4.7 灰度显示函数

同使用显示器进行临床阅片一样，在使用胶片成像和阅片也应保证不同的显示设备所观察到的图像具有一致性，显示亮度灰度值或光密度映像应一致，即打印机对DICOM灰度标准显示函数（GSDF）是否一致。

灰度显示函数(GDF)由打印TG18-PQC测试图型和测定18条标记区的光密度来确定。GDF由光密度的亮度确定，打印影像区的亮度（L）和光密度（D）之间的关系为：L=La+L0×10-D；La是室内照度反射所测量的灯箱亮度，L0是无胶片存在时灯箱的亮度。如果进行乳腺影像的诊断，则标准观片箱的La是1cd/m2和L0是4000cd/m2。

5 讨论：临床需求对图像输出设备分辨率的要求

目前在医疗影像学界，对于不同的解剖部位有相应的不同图像输出分辨率标准和要求。例如，对于乳腺图像，硬输出时要求分辨率应不小于508dpi，软输出要求显示器为5M专业灰阶屏。但是笔者却从其它角度对此标准进行分析，也为各位学者提供一个新的思路。

举例说明，当用5M屏进行乳腺图像显示时，由于目前的乳腺成像设备已经达到50um的分辨率，则每一幅图像达到了2千万以上的像素。从上面可以看到，如果将一幅乳腺图像在5M屏上满幅显示，也仅仅显示全图的25%，而其余75%的图像信息必然无法被观察到，也就造成了信息的丢失。而如果我们应用1M的灰阶显示器，但将图像放大20倍，却可以将图像的信息全部呈现。也就是说，在进行图像显示时，是否符合临床需求，不在于显示器的分辨率是多少，关键是是否可以将图像的信息全部呈现出来。

由上面也可以推断出在进行硬输出时，如果采用325dpi的打印机，只要按照每一个打印点打印一个图像像素，即将图像放大1.6倍（508/325），就可以呈现全部医疗图像信息，也就符合临床需求。

从上面的分析又可以引出另一个问题，即“如何合理应用数字化医疗影像的真实尺寸”。在传统模拟影像中，真实尺寸指胶片上的影像与被摄影部位的尺寸一致，可以真实的反映相应的解剖结构。但在数字化成像设备中，CT与MRI已经完全不存在真实尺寸的概念了，当然此概念在X线摄影中还是非常有价值的。但另一方面，我们也可以从另一角度来理解真实尺寸，即数字影像的每一像素显示在成像介质的一个像素中。只有在这种情况下，才可以保证成像设备所采集的所有信息均被如实地反映，也就最真实地反映了被成像物体的组织结构，这也可以说是数字化成像设备中对“真实尺寸“的新理解。

[1]European communities.European guidelines for quality assurance in breast cancer screening and diagnosis[S],2006.

[2]GBT17006.5-2000,图像显示装置稳定性试验[S].

[3]GBT17006.6-2003,硬拷贝照相机稳定性试验[S].

[4]D R Whitcomb. Advances in photothermographic imaging technology based on silver carboxylates[J].Photographic Science and Photochemistry, 2003,21(1):1-19.

2010-10-18

作者邮箱：fqyu@yahoo.com.cn