野战医疗图文资料后数字化系统的设计与实现

王陈海，兰 斌，倪 萍，陈自谦

野战医疗图文资料后数字化系统的设计与实现

王陈海，兰 斌，倪 萍，陈自谦

目的：为适应野战医疗的需求，设计并实现一种图文资料后数字化系统，重点是满足对医用胶片的处理要求。方法：研究调整系统中的相机、光源等模块关键参数，如焦距、光源亮度等，对医用胶片进行后数字化处理并分析图像。结果：该系统可对多种医疗资料进行数字化，结构简单小巧，可在数分钟之内由1～2人完成展收。结论：在处理包括医用胶片在内的各种医疗图文资料时，后数字化系统能够通过选择合理参数来获得满意的图像质量，而对于采集后数字化图像的管理和传输等功能，还需在后续工作中进一步完善。

后数字化；医用胶片；失真率；分辨率

0 引言

野战环境下的医疗图文资料，如X线片、心电图和B超报告、病历等转换为电子信息的过程称为野战医疗图文资料数字化，分为前数字化和后数字化2种方式。与其他资料相比，X线片携带丰富的诊断信息，对其数字化是此项研究的重点和难点。

前数字化是指通过设备直接产生特定格式数字化文件的信息化过程。以X线图像的前数字化装备为例，目前的研究集中在计算机X线摄影（computed radiography，CR）系统和直接数字化X线摄影（digital radiography，DR）系统[1]的野战化改造上，如孟庆良等开发的野战CR系统[2]以及胡海宏等对普通车载X线机进行的DR升级[3]。然而，CR系统的IP影像板和DR系统的平板探测器都容易损坏[4]，且维护费用昂贵。可见，将现有卫生装备直接升级为前数字化装备，如野战车载普通X线机[5]升级为野战CR或DR系统，会导致运行维护的成本高、难度大。

后数字化是指将设备产生的图文资料在机外完成数字化转换。现有后数字化产品多为扫描仪类，成本低，输出格式兼容性好，如用于X线片数字化的医用胶片扫描仪。但这种扫描方式对精度和环境要求高，扫描面积和种类受局限。另一类后数字化产品采用摄影方式，该方式最初是用于医用资料的翻拍[6]。陈自谦等人基于摄影方式实现了一种后数字化系统，可用于胶片、病历等多种资料的数字化，但其体积和质量过大，且缺少对数字化图像质量的分析[7]。目前，国内关于野战环境下后数字化装备的研究较少。

本文的系统设计从野战应用需求出发，以单反相机为核心部件，通过合理的结构设计和模块集成，采用摄影方式对胶片及其他图文资料进行图像采集，从而实现后数字化系统。该系统结构简单，便于保存、运输、使用，有助于提高我军的野战卫勤能力。

1 系统设计

野战医疗资料后数字化系统可对多种医疗资料进行数字化，采用模块化设计，结构简单小巧，可在数分钟之内由1～2人完成展收，主要通过降低系统的复杂度来提高环境适应性。

1.1 后数字化系统的结构设计

系统基本结构设计如图1所示。将相机安装在上盖板上，面光源I1安装于上盖板底面，在底座上放置面光源I2。采集普通图文资料时，只有I1开启，光线照射在图文资料上反射成像于相机；拍摄胶片时，只有I2开启，光线经胶片透射成像于相机。相机可视为电荷耦合元件（charge-coupled device，CCD）与变焦镜头F的组合，使用时根据拍摄距离调整F的焦距，使得被拍摄的图文信息能够清晰地成像在CCD上。通过工作站控制相机，调整物距和焦距，使所采集的图像能够清晰成像，经过数据线传输到工作站上进行保存和显示等后续的工作。

图1 后数字化系统基本结构设计

为保证相机进行图像采集的效果，确保翻拍胶片以及拍摄纸质图文资料时的光线要求，需要一个摄影棚来排除外部环境的干扰。现有工作中[7]，正是由于其构建的摄影棚部分过大，限制了其在野战环境下的应用。在本设计中，利用4根可拆卸的支撑杆撑起上、下盖并套上遮光布构成摄影棚，当支撑杆和遮光布撤去后，摄影棚也就随之消失。当收纳运输时，可以将相机、上下盖、支撑杆、遮光布等各部分拆解，节约空间（体积可减小70%），也便于保存、运输和防震处理等。本设计已经申请国家发明专利[8]，其结构如图2所示。

图2 可拆装的摄影棚

1.2 设备部件的选择

在各种图文资料的后数字化处理中，医用胶片对于后数字化系统的光源要求最高。故在底座中集成某型专用观片灯作为胶片拍摄的背景光源，其主要参数符合标准[9]，亮度最高为10 028 lux，均匀度大于0.7。在上盖底面集成LED面光源作为其他纸质图文资料的光源，以提高光源的均匀性。选择单反相机（尼康公司生产，D5100）用于图像采集，其分辨率可达1 600万像素；为其配置变焦镜头（尼康公司生产，AF-SDX 18～105 mm ED VR），其视场角为76°～15°20′。

2 分析方法与参数调整

在后数字化系统所需要处理的图文资料中，医用胶片资料因其所携带的丰富诊断信息而有较高的图像质量要求，其余图文资料并无明确要求。因此，本文主要针对胶片的成像质量进行分析，并以此作为后数字化系统的性能指标。参考现有数字化系统的的性能参数[5]和现有胶片扫描仪的部分指标，本系统应满足以下要求：图像最大诊断尺寸14 in×17 in（1 in=25.4mm），空间分辨率大于3.0 lp/mm，密度分辨率最小达到0.8%，几何失真率小于1%。

2.1 几何失真率与焦距、物距的选择

后数字化系统中采用摄影镜头，因此，在成像时会存在一定的畸变，即位于被摄平面上的不通过镜头光轴的直线经过光学系统成像后变成曲线。畸变程度通常用几何失真率进行描述。

制作一张尺寸为44 cm×36 cm的矩形网格纸，面积稍大于14 in×17 in胶片，分成22×18个均匀网格，并标出8个测试点（A、B、C、D、E、F、G、H），E、F、G、H分别为矩形ABCD各边的中点，如图3所示。将相机镜头中心对准中心点O，依次用35、24、18mm焦距拍摄得到3幅图像。分别对每幅图像进行分析，得到8个测试点的实际像素坐标与理论像素坐标，便可计算X轴方向和Y轴方向上的几何失真率。

图3 网格纸图像

以A点为例，该点在X轴方向上与O点距离-10.5个网格，在Y轴方向上与O点距离8.5个网格，M为网格尺寸，则A点的理想像素坐标（XA，YA）为

在图像上计算各个测试点的实际像素坐标，就得到X、Y轴方向上的几何失真。如A点实际像素坐标为（X′A，Y′A），则A点在X轴和Y轴方向上的几何失真率为

根据光学理论，相机焦距、物镜距和视场角有以下关系[10-11]

其中，f为焦距；Dv、Dh为纵向、横向物镜距；V、H为物体纵向、横向尺寸；v=23.6 mm、h=15.6 mm分别为相机的CCD靶面纵向和横向尺寸；θv、θh为相机的视场角。

由公式（5）可知，镜头在某一特定物镜距下，视场角随焦距增大而减小。考虑外型尺寸，物镜距初步设计为0.5m，而后数字化系统所需处理的胶片最大尺寸为14 in×17 in（360mm×430mm）。当f=18mm时，根据公式（5）和公式（6），则所能拍摄到的物体尺寸为650 mm×430 mm；若f=105 mm，则该尺寸为112mm×70 mm。由此可知，焦距较短的广角镜头才能将胶片的全部信息摄入影像中。

又由公式（4）可知，若CCD尺寸和所摄物体尺寸固定，物镜距随焦距f的减小而变小。若取镜头最小焦距，则物镜距最小，可使得后数字化系统的体积达到最小。然而，由于镜头存在像差，当其以广角模式工作时，容易导致成像过程中产生较大的桶形失真。为此需要选择不同的焦距，计算适当的物距，并对成像后的图像按上述方法进行几何失真率分析，结果见表1。为满足体积较小、几何失真率小于1%的设计要求，可选择焦距为24mm，并微调物镜距为58 cm。

表1 不同拍摄焦距下的图像几何失真率

2.2 后数字化系统的空间分辨率与密度分辨率分析

空间分辨率指清晰分辨被摄景物纤维细节的能力。空间分辨率的单位依不同设备而不同，通常用“线对/毫米”（lp/mm）或“像素点/毫米”（pixel/mm）来表示。本文中所描述的图文后数字化系统的空间分辨率受到相机CCD器件分辨率、镜头分辨率和曝光量的综合影响。

密度分辨率（又称“低对比度分辨率”）是指当细节与背景之间具有低对比度时，将一定大小的细节从背景中鉴别出来的能力，是体现放射影像系统和胶片图像质量的重要指标，通常以密度差（%）来表示。

在放射影像系统中，密度分辨率与成像系统的响应能力、照射量相关，最小密度分辨能力随着照射量的增大而减小[12]。胶片的后数字化处理过程可视为放射影像系统的逆过程，同样可以通过调整背景光源的亮度和相机的曝光量来改变后数字化图像的密度分辨率。

根据经验，可以通过相机光圈和曝光补偿值调整曝光量。为了简化分析，设置光圈值为最大，此时相机通过曝光补偿值来调节曝光量，从而改变拍摄效果。

为了较准确地分析后数字化系统的分辨能力，用标准分辨率卡（RTI公司，CR DR-26）经高分辨率的放射影像系统生成标准分辨率胶片（如图4所示），对其进行后数字化处理，用成像结果的分辨率来描述后数字化系统的空间分辨能力和密度分辨能力。该胶片的中部是不同空间分辨率的线对信号，最高为3 lp/mm，右侧为不同密度分辨率的圆斑，最高为0.8%。

图4 分辨率测试卡与分辨率测试胶片

近代光学理论认为，摄影成像的过程实质上是一个信息传递的过程——在拍摄时，光学信号通过镜头，将景物本身的信息传递到CCD器件上，由CCD器件进行模数转换，完成高速采样[13]。因此，后数字化系统中相机和镜头的分辨率应该能够保证图像信息在上述传递和采集过程中没有失真和损失。镜头分辨率指在精确调焦的像平面上，1mm宽度内能分辨开的最细密的黑白相间的等宽线条对数，通常用“线对/毫米”（lp/mm）来表示。在实际应用中，常用调制传递函数（modulation transfer function，MTF）来描述镜头的分辨能力，表示对不同空间频率信号（不同宽度的黑白线对）的响应性能。根据所使用镜头AF-SDX的MTF曲线，该镜头可以确保对30 lp/mm的线对有良好的成像能力。

CCD器件的空间分辨率r是用单位尺寸上的像素数量来描述，通常用r=（像素数/面积）1/2表示，单位是 “像素点/毫米”（pixel/mm）。本文中所使用的D5100相机CCD的尺寸为15.6mm×23.6mm，像素尺寸为3 264×4 928，理想分辨率最高约为208 pixel/mm，用“线对/毫米”表示为104 lp/mm[14]。

可见，后数字化系统中成像的关键器件——镜头和CCD器件的空间分辨率都远高于系统要求的3 lp/mm，但在具体实现中，还会受到胶片自身分辨率、曝光量和背景光源亮度等因素的影响。

选择3挡不同亮度的背景光源（亮度1为1 481.4 lux，亮度2为4 398.3 lux，亮度3为9 278.3 lux），对标准分辨率胶片进行图像采集。其空间分辨率变化情况如图5所示：曝光补偿值在-2～0 EV，不同背景光源亮度下，空间分辨率都可达到4.3 lp/mm。

图5 曝光补偿值与空间分辨率关系图

背景光源亮度、曝光补偿值与密度分辨率的关系如图6所示。亮度越高，密度分辨率受曝光补偿值的影响越明显；随着曝光补偿值的提高，密度分辨率逐渐升高，即分辨细节的能力逐渐降低。可见，在3种亮度条件下，为确保密度分辨率满足设计要求（最小0.8%），应将曝光补偿值控制在1/3 EV以下。

图6 曝光补偿值与密度分辨率关系图

3 讨论

在一定亮度范围内，当后数字化系统的相机镜头焦距设置为24mm，被摄平面与镜头的距离设置为58 cm，曝光补偿值在-2～0 EV，对测试胶片进行后数字化处理时，可以获得符合要求的图像。此外，还可以针对不同类型的图文资料对各个参数进行微调，并以配置文件的形式保存在工作站上。当实际采集时，直接调用与图文资料类型对应的配置文件进行快速设置，获得满意的数字化效果。数字化图像效果对比如图7所示。

由于所选用的单反相机作为一种独立的子系统，其内部的自动控制复杂，如自动测光和自动调焦等。因此，上述工作主要是从应用实践出发，基于测试胶片进行图像质量分析，简单调整后数字化系统中的少量关键参数，确保实现所要求的性能。但缺乏在理论上对成像中可能产生的其他各类像差（如色差、球差等）进行分析，以及光圈、感光量等多重因素变化对后数字化成像质量的影响分析。

图7 X线鼻骨平片的数字化效果

在对不同部位的X线片信息进行采集时，如X线鼻骨侧位片、X线骨骼平片、X线胸部平片和X线腹部平片等，胶片信息比标准测试胶片更为丰富，仅靠几何失真率、空间分辨率和密度分辨率进行评价仍不够准确。应该增加影像科医生对所采集图像的主观判断，并据此调整后数字化系统的参数。

后数字化系统在处理病历、检验报告等纸质图文信息时，并无现有标准可以参照，只能根据经验进行图像质量评价，主观上只要达到清晰可见、色彩丰富、失真程度不影响阅读即可。而目前所使用相机的色彩深度是24位，其颜色种类已经达到人眼分辨的极限，色彩深度符合观察标准，足以进行普通图文资料的数字化。

目前，样机已经研制完成，但展开时的体积仍然偏大。为了缩小体积，可以进一步缩小焦距，采用微距镜头，增大视场角，缩小拍摄平面与镜头的距离。此外，对于采集后数字化图像的管理和传输等功能，还需要在后续工作中进一步完善。

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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

南京军区重点课题资助项目（11ZO31）

王陈海（1983—），男，硕士，工程师，主要从事生物医学电子、医学信号处理、医学计量质控方面的研究工作，E-mail：wangchenhai2006@163. com。

3500257福州，南京军区福州总医院医学工程科（王陈海，兰斌，倪 萍，陈自谦）；710032西安，第四军医大学生物医学工程学院（兰斌）

倪 萍，E-mail：511091680@qq.com