医用显示器DICOM自动校正系统的设计与实现

马玉敏 刘卫东

摘 要：为了有效解决传统医用显示器需要定期检查和校准的问题，并保证在使用寿命内医用显示器的灰阶特性始终满足DICOM标准，设计了医用显示器DICOM自动校正系统。本文首先介绍了DICOM标准，其次介绍了系统的软件设计，最后介绍了系统的工作流程。

关键词：医用显示器；DICOM标准；自动校正

中图分类号：TP391 文献标识码：A

1 引言

医疗显示器是医疗影像领域的重要设备，实现DICOM标准是医用显示器必须达到的技术指标之一。医用显示器在出厂前必须进行DICOM校正，使灰阶显示符合DICOM标准。医用显示器在使用过程中，液晶背光源的性能会随时间的推移退化，使得显示器的亮度变暗。通常医用显示器需要使用亮度计和相应的软件测量亮度并进行校准，常见的校正方法有外置亮度计手动校正和内置亮度计自动校正。

2 DICOM标准概述

在医学影像信息学的发展和PACS的研究过程中，由于医疗设备厂商的不同，造成与各种设备相关的医学图像存储格式、传输方式千差万别，使得医学影像及相关信息在不同系统、不同应用之间的交换受到阻碍。为了解决上述问題，美国放射学会和美国电气生产联合会共同制定了DICOM标准。DICOM标准推出了关于灰度图像显示标准方面的内容：灰度标准显示函数。

DICOM标准根据barten视觉模型，在0.05cd/m2～4000cd/m2的亮度范围内，人眼的对比敏感度是非线性的，在此范围内人眼可分辨出1023个亮度级别JNDs，每个亮度级别JND的索引j对应着一个亮度值L（j），而且随着j值的依次增加，人眼感觉亮度L（j）几乎是线性变化的，当显示系统输入级别与输出亮度的关系与此关系一致时，此系统的显示符合标准的灰度显示。

在DICOM标准中给出了DICOM曲线的计算方法：

①已知显示器的最小亮度Lmin和最大亮度Lmax。利用下式计算出对应的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根据Jmin和Jmax，计算出等间距JND值即Jsn：

（2）

J（k）=Jmin+k·Jsn

N为位数，k=0，1，2，…2N-1，J（k）为第k个灰阶对应的JND值。

③根据各灰阶对应的JND值J（k）计算出各灰阶对应的DICOM标准亮度值L（k）：

L的单位是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 系统软件设计

本医用显示器DICOM自动校正系统的软件结构分为显示屏控制模块、通信模块、颜色传感器模块和校正模块总共四部分。

3.1 软件系统各模块描述

3.1.1 显示屏控制模块

显示屏控制模块是显示器的控制核心，负责对显卡传来的图像信号进行缩放、调节相应锐度，OSD菜单显示以及将输出信号转化为液晶屏可接收的数字或模拟阵列信号等。

LUT方法是更改显示器显示特性的一种有效方法，通过查表的方法来实现输入到输出的转换，为了使显示器的输出符合DICOM标准，控制模块必须有硬件电路支持DICOM校正使显示器的灰阶属性变得可以调节。本系统采用MT5327AEDJ作为主控芯片，该芯片中LUT可实现8bit-12bit的转换，即对每个色彩通道支持8位到12位的LUT可编程查表功能，12位输出可以扩展的颜色的深度。可编程的LUT实际上就是一个RAM，如果不进行DICOM校正，可向寄存器写入相应的值关闭查找表修正功能。

3.1.2 通信模块

通信模块分为两部分：一是主控芯片与显示屏之间的通信采用LVDS线，输入的数字信号经主芯片处理后，通过LVDS（低电压差分信号）线传输给液晶屏的LVDS接收器，再由低电压差分信号接收器将串行的低电压差分信号转换为行驱动信号，最终在液晶屏上形成图像；二是颜色传感器与DICOM校正模块之间的通信采用I2C总线，DICOM校正模块通过I2C总线控制颜色传感器读取测试图卡亮度数据，颜色传感器通过I2C总线向DICOM校正模块反馈亮度信息。

3.1.3 DICOM校正模块

DICOM校正模块是软件中最重要的部分，用于控制灰阶颜色变化；控制颜色传感器测量的各灰阶的亮度；生成查找表；计算亮度响应误差率。

生成DICOM查找表的算法如下：

第一步：将颜色传感器测得的256个灰阶图像的亮度插值为4096个亮度数据（主控芯片中的LUT是8bit-12bit的转换过程）。

第二步：在测得的256个灰阶亮度中，0灰阶（全黑）图卡的亮度为最小亮度Lmin，255灰阶（全白）图卡的亮度为最大亮度Lmax，由上述的DICOM标准曲线的计算方法计算出DICOM标准曲线对应的256个亮度数据。

第三步：DICOM标准曲线对应的256个亮度数据在插值生成灰阶的4096个亮度数据中做查找，生成灰阶对应关系即LUT。

通常用亮度响应误差率来判断显示器的灰阶显示特性与DICOM标准曲线的符合程度，亮度响应误差的计算方法如下：

第一步：用颜色传感器测18个TG18-LN8图卡的亮度，TG18-LN8-1图卡的亮度为最小亮度Lmin，TG18-LN8-18图卡的亮度为最大亮度Lmax。

第二步：根据DICOM标准曲線计算方法计算出18个图卡对应的DICOM标准亮度值。

第三步：计算18个TG18-LN8图卡的亮度对应的亮度响应Rmn

第四步：计算DICOM标准亮度值对应的亮度响应Rsn

第四步：计算亮度响应误差率

通过上述方法计算的亮度响应误差率若均小于10，则说明此时显示器的灰阶显示特性符合DICOM标准。

3.1.4 颜色传感器模块

本系统采用的颜色传感器为TCS3414，TCS3414是一种高分辨率的色度传感器，具有红、绿、蓝和白光的感测功能，可在各种照明条件下通过各种衰减材料来检测光强度，此传感器为I2C接口芯片，采集的色度数据可通过内部的ADC转换为数字信号输出，I2C总线一主多从的特点为系统由单通道测量向多通道测量提供了可能。

3.2 软件具体工作流程

3.2.1 选中医用显示器菜单中的“DICOM校正”选项，在其子菜单中选择“亮度响应误差率”选项。

3.2.2 DICOM校正模块控制发送18个TG18-LN8个图卡，并在显示屏上显示。

3.2.3 颜色传感器弹出，测量18个TG18-LN8图卡的亮度，并将亮度数据反馈给DICOM校正模块。

3.2.4 DICOM校正模块计算出亮度响应误差率，如果亮度响应误差率合格，则会在显示屏上显示“符合DICOM标准”，不需要校正；如果亮度响应误差率不合格，则会在显示屏上显示“不符合DICOM标准”，需要重新校正。

3.2.5 选中医用显示器菜单中“DICOM校正”选项，在其子菜单中选择“自动校正”选项。

3.2.6 显示屏控制模块根据亮度响应误差率调节显示器的亮度和对比度，修正和补偿显示器的亮度输出，向GAMMA表控制寄存器写入0000H关闭GAMMA表修正功能

3.2.7 DICOM校正模块控制发送用于测量显示屏控制参数的256个灰阶（从全黑到全白），并在显示屏上显示。

3.2.8 颜色传感器弹出，测量256个灰阶的亮度，并将亮度数据反馈给DICOM校正模块。

3.2.9 DICOM校正模块根据256个灰阶的亮度数据生成查找表，并更新主控芯片中的查找表。

3.2.10 主控芯片向GAMMA表控制寄存器写入000FH打开GAMMA表修正功能，然后重复步骤1到步骤4。

4 结果分析

从图2可以看出经过本文所介绍的医用显示器DICOM自动校正系统校正后，显示器的灰阶显示特性已非常符合DICOM标准，且显示屏的亮度响应误差率在小于10。

参考文献

[1]刘巍.医用液晶显示器一致性问题解方案的设计实现[D].长春：东北大学，2005.

[2]陈冠雄.医用显示器的工作原理、选择及维护：中国医疗器械信息[J].2004，10（05）：32-40.

[3]严涛，陈钧，王冰.医用专业显示器应用与选型[J].中国数字医学，2007（08）：35-40.