医用显示器与民用显示器性能指标对比分析

孟昭阳 金玉博 马跃 汤旋毓

（1.辽宁省检验检测认证中心 辽宁省沈阳市 110171 2.辽宁何氏医学院 辽宁省沈阳市 110125）

目前国内越来越多的医院步入了数字化建设的阶段，诊断专用显示器（也称为医用显示器）也越来越多的用于PACS系统和数字放射影像设备。医用显示器在整个影像链中起着信息传达的作用，医疗诊断疾病的准确性很大一部分取决于显示器所显示的图像信息，所以医用显示器的特性和品质受到越来越多人的关注。但是由于医用显示器的价格比普通显示器高出很多，很多医院在考虑到设备配置时，往往忽视两种显示器的技术性能和质量的差别，简单的选用普通显示器来替代医用显示器。这种做法虽然节省了资金，却给临床医疗质量带来很大的隐患。本文使用色彩分析仪、照度计和AAPM 测试图形，对医用显示器和普通民用显示器两组设备分别测试基本光亮度、灰度分辨率、亮度一致性等性能参数。对比分析测得两类显示器性能指标差异。

1 试验概况

在影像显示系统中，图像呈现的质量会受到单个零部件的限制或降低。医用显示器与普通显示器所用零部件不同，其呈现的图像质量也不同，所以需要适当的测量对其进行质量评价。

为了在评价两组设备性能指标差异时，有效消除环境因素造成的影响，试验场地设在我院专用医用显示器实验室，在同样的环境温度、湿度和照度的条件下进行试验。为确保两组设备的良好工作状态，在进行试验前由工程师对两组设备系统进行检测调试，使显示器的各项指标符合出厂要求。使用CA-410色彩分析仪、照度计和AAPM 测试图样测试医用显示器及普通民用显示器的性能指标参数，实时记录显示器灰度分辨率、亮度、色度等相关数据。数据的整理和计算使用EXCEL。

1.1 试验条件与设备

1.1.1 环境条件

温度26℃，湿度20%，供电电源220V 50Hz。

在开始测试前，影像显示器前面板根据使用指导书进行清洁；确保影像显示系统之前所有标称设置都无变动；室内光线，窗户，观察器等不应引起影像显示器表面的干扰性反射；室内的环境光保持在正常使用状态下。

1.1.2 设备与工具

测试开始之前，将显示器安装好，并遵照制造商推荐的方法启动；为了维持其性能稳定,测出的数据更精确，在开始测试前，影像显示器应先接通电源并遵照制造商的规定进行预热30min左右。

（1）照度计。照度计是一种专门测量光度、亮度的仪器仪表。它由主机和一个光传感器组成，测量范围是(0-50000)lux，室内的平均光照度是(100-1000)lux，室外的太阳光照度大概是50000lux。

（2）色度计。色度计应能评价CIE所规范的（ISO11664-1：2007）色彩坐标，并在影像显示系统的亮度范围内，在u’，v’空间对于标准照度具有优于±0.004（在x，y空间里是0.007）的精度。色度计的校准应可以追溯到基本测量标准并具有明确的校准程序。

（3）色彩分析仪。本次实验选用的是CA-410色彩分析仪，具有高传感器灵敏度和高速计算性能，CA-410缩短了多次执行亮度和色度评估和调整所需的时间；使用拟合LED光谱的标准光源做校准，提升仪器自身的色度测量精度，可更准确地测量和调整显示器的色度和白平衡。

1.1.3 测试图形

如图1和图2所示。

图1：用于综合评价的TG18-QC

1.2 性能指标

本章所有实验实验开始之前，显示器均已预热，且符合时间规定；本章所有实验均在环境光正常条件下进行，显示器屏幕调节与桌面垂直，按照制造商推荐的方法启动；本章所有的目视测试均在影像显示器的中心，观察距离均为正常使用时的常规距离，眼睛与显示器垂直观测。

1.2.1 整体图像质量评价

通过目视法，观测图1，TG18-QC测试图形中的测试单元可以用来评价显示器的整体图像质量。包括对测试图形线对的目视检查、5%和95%图块的目视检查、字符的目视检查、白色-黑色的目视检查、16个辉度块的目视检查、灰度的目视检查、定中心的目视检查、闪烁的目视检查、噪点的目视检查、视频伪影的目视检查等来评价显示器的整体图像质量，实验结果见表1。

表1：医用显示器与普通显示器整体图像质量评价测试结果

1.2.2 灰度分辨率

显示器的灰度分辨率使用测试图形TG18-MP（如图2）采用目视的方法来评价。测试时，为了更清楚、直观的观察测试图形各单元，可以把图形放大至200%，测试结果见表2。

表2：灰度分辨率测试结果

图2：用于光照度分辨率的TG18-MP

1.2.3 基本光亮度

使用照度计，测得环境光E为17 lx，漫反射系数Rd由制造商连同特定测量方法一起给出，即R=0.5%。根据公式（1）：

计算得出环境光L为0.085cd/m。

实验公式

影像显示器的光亮度比：

安全系数：

测试图形TG18-LN8-01和TG18-LN8-18可以用来测显示器的基本光亮度。将色彩分析仪分别垂直对准显示器屏幕中心，在DDL=0和DDL=255时，测得显示器的L’和L’，根据公式（2）（3）计算得出L、L，根据公式（4）（5）计算得出光亮度比 r’和安全系数a。

通过上述实验测得数据及计算得出数据列于表3。

表3：显示器基本光亮度测试数据

医用显示器的L’值大于普通显示器，为了维持人类视觉反应系统的介视区域，推荐L’值较高的显示器，从而维持人眼视觉反应系统的介视区域。

医用显示器的平均光亮度比为588.324，安全系数为0.122；普通显示器的平均光亮度比为646.975，安全系数为0.257。由此可见，医用显示器的光亮度比、安全系数更小，所有医用显示器的基本亮度优于普通显示器的基本亮度。医用显示器亮度趋于恒定，不随时间变化而变化。

1.2.4 亮度一致性

在测试之前，将显示器分别将医用显示器和普通显示器的屏幕调节与桌面垂直，按照制造商推荐的方法启动，分别进行预热。

测量值应与灰阶标准显示函数（GSDF）相关。首先它们应被变换成显著不同的基于人类视觉系统特性（J值对应亮度）的索引（J值）。J值对应测量到的L'和L'，J和J应予以鉴别。中间的J值应在J到J范围内均匀的分布，ΔJ，并且与实际使用的P值线性相关，P，如：

式中：

——P是系统的数字输入

——i是指用于本试验的18个测试图形的索引。

式中：

使用色彩分析仪在TG18-LN8-01~18的18个测试图形（8位灰度等级0,15,30，...，240,255）步骤中进行，产生了总共18个测试结果，根据公式（7）和公式（8）计算出最大偏差。两种显示器亮度一致性数据最大偏差对比见表4，绘制的DICOM曲线及±10%的误差曲线列于图3。

图3：亮度一致性最大偏差对比图

表4：显示器亮度一致性数据与最大偏差

通过实验数据得出，医用显示器的最大偏差均小于10%，实验测得的18个点均在DICOM曲线+/-10%范围内，符合DICOM标准；而普通显示器的最大偏差均在90%以上，且实验测得的18个点大部分都在DICOM曲线+/-10%范围外，不符合DICOM标准。

1.2.5 亮度均匀性

利用TG18-UN80测试图形，测试亮度均匀性。将显示器的光亮度值设置为生产厂商推荐的校准光亮度值，使用色彩分析仪分别垂直对准显示器屏幕四角及中心位置的亮度进行测试，根据公式（9）计算得出光亮度的最大偏差。测试结果如表5。

表5：医用显示器亮度均匀性

由上述实验数据得出，医用显示器的最大偏差均小于5%，普通显示器最大偏差均为8%以上。所以，医用显示器的最大偏差小于普通显示器的最大偏差，即医用显示器的亮度均匀性优于普通显示器的亮度均匀性。

1.2.6 色度均匀性

利用TG18-UN80测试图形，测试色度均匀性。将显示器的光亮度值设置为生产厂商推荐的校准光亮度值，使用色彩分析仪分别垂直对准显示器屏幕四角及中心位置进行测试u’-v’空间的距离，得出色度坐标，根据公式（10）计算得出色度的最大偏差Δu’v’。测试结果如表6。

表6：医用显示器色度均匀性

由上述实验数据得出，医用显示器四角及中心色度最大偏差均小于等于0.003，普通显示器最大偏差为0.004，所以医用显示器色度均匀性优于普通显示器色度均匀性。

2 试验数据分析

医用显示器的L’值大于普通显示器，为了维持人类视觉反应系统的介视区域，推荐L’值较高的显示器，从而维持人眼视觉反应系统的介视区域。

通过实验数据得出，医用显示器的亮度响应最大偏差均小于10%，且符合DICOM曲线要求，实验测得的18个点均匀分布在DICOM曲线的实线上；而普通显示器的最大偏差均在90%以上，且曲线中的点排列杂乱无章。医用显示器的亮度均匀性最大偏差均小于5%，普通显示器最大偏差均为8%以上。所以，医用显示器的最大偏差小于普通显示器的最大偏差，即医用显示器的亮度均匀性大于普通显示器。医用显示器四角及中心色度最大偏差均小于等于0.003，普通显示器最大偏差均为0.004，所以医用显示器色度均匀性优于普通显示器。

显示器的光亮度比越小，不同角度的光亮度偏差越小，呈现的图像越清晰。灰阶层次越多，读片的质量越高，提升医学判读准确程度。临床诊断中，X光片黑白色占比居多，所以对显示器灰阶的要求很高。

测试显示器均匀性，显示器亮度最大偏差越小，X光检查时呈现的图像越清晰。显示器的四角及中心存在亮度差，医生在诊断病症时通常会把两张X光片放在一起同时观察，用两张肿瘤X光片举例，如果显示器均匀性的最大偏差过大，那么，显示器各个角落亮度差也偏大，会导致一张可以诊断出肿瘤，一张诊断不出肿瘤，这就直接影响医生对病症的判断，导致患者得不到及时的治疗。所以，应用于临床诊断，医用显示器更合适。

3 前景展望

综上所述，医用显示器比普通民用显示器基本光亮度、均匀性、分辨率等方面的技术参数要高的多。显示器是医学影像链的最后一个阶段，因此色度、亮度等性能指标校准的好坏将直接关系到医生是否能够及时发现组织或病变的密度差别。

显示器在传达信息任务中有着举足轻重的地位，医用显示器不仅质量符合标准，而且能够发挥高分辨能力，在临床诊断中展现这种设备优势，是医疗事业发展中不可或缺的“成员”。医用显示器在临床诊断中是不可替代的，显示器的成像质量在日常病症诊断中起到了至关重要的作用，图像显示质量将直接影响到临床诊断的精准性。一旦在选择方面出现偏差，将对医院内所有医学影像类数字化建设造成极大的影响，并导致医院内整体医疗质量的下降。

现如今是人工智能大数据飞速发展的时代，显示器在临床上使用的越来越多。符合DICOM标准的医用显示器，能够更快、更准、更清晰的将患者的病症呈现出来，使医生能够接收到更有价值的信息，提高了医生诊断的效率，降低了误诊的风险，推动医用级别显示器纳入医疗器械管理。

在不久的将来，综合患者记录和电子健康记录将提供与患者相关的所有数据，包括图像，提供完整的医疗程序记录。鉴于保健信息技术基础设施目前的发展速度，这些数据将很容易通过各种模式的图像数据获得，而且这些数据很可能出现在同一显示器上，提供单一的存取点。为了达到高水平的图像保真度，需要一个定义良好的颜色框架来传递颜色信息。