医用显示器:新技术和严苛标准推动了视觉质量测试需求

日期:  
2019年 11月 4日
作者: 
Anne Corning  | 
主题: 

医用显示器:新技术和严苛标准推动了视觉质量测试需求

物理学家Marie Curie基于她在放射性元素领域荣获诺贝尔奖的研究成果,帮助开发了X射线,这是世界上首项医学成像技术。自那时起,MRI(磁共振成像)、CT扫描(计算机断层扫描)、超声波核医学 技术(比如正电子发射断层扫描(PET))以及其他先进的成像技术已经被添加到医疗工具箱中,为人体检查提供了不同的视角。这些无创方法依赖于不同的技术来扫描内部结构,并生成骨骼、器官和组织的图像,以支持诊断、医学监测和治疗。

放射科医师在诊断用显示屏上查看大脑扫描图像。

当成像技术最初出现时,它们是在胶片上产生二维图像,我们必须将这些图像放在特定的光源下才能读取。随后,业界开发出了新的技术,该技术可将多次扫描图像组合在一起形成3D渲染图,并以数字方式生成和采集可在计算机屏幕上查看的2D与3D图像。

如今,所有这些成像技术都依赖于高质量的显示屏,以使临床医生能够详细查看图像,并辨别患者扫描图像中揭示的细微差别。这些扫描图像通常包含大量数据,因此需要高分辨率显示屏才能准确呈现扫描图像。而且,屏幕分辨率只是“医用级”或“医院级”显示器的首要要求。

医用级显示器

相比典型的商用显示器和消费类显示器,医疗环境中使用的显示器需要提供增强的性能和更长的使用寿命(由于它们的不断使用)。医用显示器通常采用特殊的图像增强技术,以确保在显示器的整个使用寿命期间提供恒定的亮度以及清晰一致的图像。医用显示器的一些关键考虑因素包括:

  • 分辨率—屏幕分辨率越高,图像清晰度和图像中的细节可见度就越高,这对于准确的诊断或研究是必需的。领先制造商提供的最新医用级显示器产品包括高清(HD)显示屏、4K显示屏和高达1200万像素分辨率的显示屏。典型显示器设备的像素间距约为0.200微米,阵列尺寸为1536 x 2048以上。1
  • 光度— 光度(通常称为“亮度”)是指到达眼睛的光子能量的数量,以坎德拉(cd)/平方米(cd/m2)为单位测量,也称为“尼特”。举例来说,用于放射学检查的显示器的可接受亮度范围为350-420尼特。2
  • 对比度—对比度也很重要,它是以一个显示器像素“关闭”时至该像素的最大亮度之间的可用亮度范围来衡量的。

尽管近年来制造商们一直在通过增加亮度和矩阵尺寸、减小像素间距和加强工厂质量保证来确保均匀性,以缩小与预期亮度和对比度的差距,但消费类显示器始终未能产生与医用显示器相同的亮度和对比度。虽然消费类LCD显示器一开始的亮度达到400尼特,但在使用18个月后,其背光性能将会下降至约350尼特,这会导致其在放射学领域的使用寿命结束。为了解决这个问题,制造商们为医用显示器设计了一定的“余量”,即高于正常运行水平的最大亮度容量,随着时间的推移,这些“余量”将被利用以补偿预期的性能下降。

许多医学图像(比如X射线和乳腺X线图像)都是单色的,因此非常重要的一点是能够分辨出灰度级的细微亮度差异。医学成像依赖于NASA率先开发的“最小可觉差”(JND)标准。最小可觉差是普通观察者可以在显示器系统上感知到的最小亮度差异(例如:两个灰度级之间)。

大脑的单色CT和MRI扫描图像,显示脑内出血或肿块。

标定—为了确保冷启动到充分运行期间以及整个生命周期内能够维持稳定的峰值亮度,医用显示器配备了闭环控制电路,其与内置亮度计相连接。该亮度计用于监测伽玛(γ)水平,并在每秒内多次测量峰值亮度,以确保亮度水平保持一致。此外也可对显示器定期进行标定,以确保准确性。相比之下,商用级(消费类)显示器仅提供手动亮度控制,用户可以在不参照绝对亮度水平的情况下设置自己的偏好。单色医用级显示器具有符合DICOM第 14部分“灰度标准”(DICOM part 14 Grayscale Standard)的标定功能。

色域—您可能会认为高端主显示屏具有较宽的色域,但事实上,现代医用级LCD显示器可显示10.74亿种颜色,而商用LCD显示器只能显示1670万种颜色。3要提供此色域范围通常需要操作系统、软件、视频卡和显示器上具备10位/颜色的输出能力;性能以“sRGB”(标准红色、绿色和蓝色)百分比衡量。举例来说,典型的医用显示器在进行宣传时可能会突出“sRGB 99.9”,以表明其具有较高的色度精度。有些外科手术用显示器提供增强的红色显示功能(增添深红色光谱以提供sRGB 115%),从而可以更精确地显示内部组织和器官。

计算机断层扫描成像可提供血管造影片的3D彩色渲染图,用于评估患者的冠状动脉疾病。

耐久性—在急诊科、重症监护室、手术室等动态环境中,医用显示器可能会经常四处移动、发生碰撞或粘附东西。对于普通的商用LCD显示器而言,这可能会对单个像素造成损坏,从而导致显示器中产生坏像素或死像素。尽管商用显示器上市时允许存在“可接受”数量的坏像素/死像素,但医用显示器上市时所允许的最低缺陷数量要低得多,并且不允许像素在使用过程中容易遭受损坏。

为了保护此类显示器,医用LCD面板通常拥有坚固的覆盖材料(玻璃或塑料),它们可以分散击打效应并吸收震动,从而保护面板下方的像素。覆盖材料也可以经过特殊制造,使其具有增强图像可视性并减少眼疲劳的特性。

稳定性和使用寿命—医用显示屏需要维持一致的亮度,并在整个使用寿命期间保持无伪影。医用显示屏在“正常”使用情况下(这可能意味着24 x 7 x 365)的预期使用寿命为5年以上,并且图像质量或性能不能降低。它们必须日复一日甚至年复一年精确地复制图像,以使临床医生能够随着时间的推移评估患者的身体状况。

环境光性能—显示器在明亮光线下(比如在急诊室或ICU中)的显示效果如何是医用显示屏的另一个关键考虑因素。屏幕表面上的反光或眩光可能会妨碍用户清晰查看或在适当的对比度下查看图像的能力。许多医用显示器具有光学贴合或其他防眩光功能,并且经过特殊处理,能够防止屏幕因潮湿而“起雾”。

视角—医用显示器(包括临床用显示器,也称为“审查”显示器,通常在医疗办公室使用,用于与医疗人员举行会议或者与患者会面时审查影像结果;以及外科手术用显示器,通常在手术室和动手治疗环境中使用)需要能够在宽视角范围内提供清晰且对比度高的图像,以确保位于房间内不同位置的多名用户都能够看清图像。

安全性—在外科手术环境中使用的显示器通常具有额外的特性,比如抗菌涂层和耐流体边框,以便能够定期对它们进行清洁和消毒。

医用LCD显示器

由于性能要求如此之多,采用侧光式LED背光源的LCD屏幕目前在医疗行业以93%的市场渗透率占据主导地位。4虽然LCD屏幕具有相对稳定性,并且性能可靠,但医用LCD显示器还必须包含一些补充特性,比如背光稳定性(配备传感器用于监控背光输出)和内置亮度计。LCD面板技术的选择也是一个需要考虑的重要性能因素。

LCD面板技术 特点
扭曲向列型(TN)面板 扭曲向列型(TN)面板是最古老、最常见的面板类型。此外,由于易于制造,它的价格也很便宜,您可以在低端显示器和笔记本电脑中看到此类面板。它的最大优点在于快速的响应时间。当与LED背光灯搭配使用时,TN面板具有高能效,并且提供高亮度。但是,中等视角至宽视角下的颜色失真会导致图像质量较低,并且准确度较低。
面内切换型(IPS)面板 面内切换型显示器的色彩再现性能明显优于TN面板。此外,面内切换型显示器还可在极端视角下提供更佳的可读性和颜色稳定性。然而,面内切换型面板的透光率低于垂直对位型显示器。随着超级面内切换型(S-IPS)面板的出现,响应时间和对比度得到了改进。此外,面内切换型显示器还允许进行色度标定。
垂直对位型(VA)面板 垂直对位(VA)型面板技术结合了上述两种面板的优点,可提供更佳的透光率和透色率。然而,该面板在极端视角下的对比度较差。
多域垂直对位型(MVA)面板 垂直对位(VA)型面板技术结合了上述两种面板的优点,可提供更佳的透光率和透色率。然而,该面板在极端视角下的对比度较差。
多域垂直对位型(MVA)面板 多域垂直对位型(MVA)面板是VA面板与补偿膜的组合。它在极端视角下可提供出色的图像质量,并且响应时间较快,超越了IPS显示器。此外,MVA面板还提供比IPS或TN显示器更佳的黑色色度和对比度。MVA显示器的色彩还原效果优于TN显示器。MVA医用显示器将高质量与经济实惠的价格相结合,非常适合用于临床审查应用。
高级边缘场切换型(AFFS)面板 高级边缘场切换型(AFFS)面板提供出色的性能、色彩还原效果和高亮度,在极端视角下具有最小的色彩失真,并且提供出色的白色/灰色还原效果。AFFS用于飞机驾驶舱中安装的商用机载显示器中的高端面板。后来,它演变为HFFS(高透射率边缘场切换)型和AFFS +型面板,在室外环境下具有更高的可读性。它是价格最昂贵的面板类型。

LCD面板技术包括扭曲向列型(TN)、面内切换型(IPS)、垂直对位型(VA)、多域垂直对位型(MVA)和高级边缘场切换型(AAFS)。来源:Cybernet5

开发人员一直在努力克服的一个挑战在于像素在使用过程中效率下降的问题。由于采用了标定和余量的方法,LCD屏幕已解决了该问题。尽管OLED显示器以及其他较新的显示器技术具有提供比LCD更高的亮度和分辨率的潜力,但直到最近,这些显示器技术尚未显示出医疗应用所需的稳定性和使用寿命。因为OLED像素是独立驱动的(它们是自发光的),因此这些使用频率较高的像素可能会比其他像素老化得更快,随着时间的推移,这会导致色度或亮度不均匀、图像残留以及其他问题。然而,最近,OLED的性能已开始显示出有望达到医用显示器所需的水平,并且预计到2023年将在总规模达到28亿美元的市场上占据7,000万美元以上的份额。6

显示器性能要求可能会有所不同,这取决于将应用显示器的特定医疗环境。举例来说,用于放射诊断学的显示器具有更高的要求,并且临床/审查用显示屏通常具有触摸屏功能。用于牙科、乳腺X线摄影、病理学的显示器以及其他显示器类型都具有独特的规格。而护士站仅用于查看患者图表数据的显示屏甚至可能是常规的商用级显示器。

牙科用显示器,用于查看患者牙齿的X射线图像。

如今,医务人员也使用平板电脑,其具有超越商用级产品的类似要求。不同类型屏幕的验收测试、稳定性检查和标定水平也相应地有所不同。

医用显示器标准及监管规定

对于医用显示器制造商及其客户而言,满足医用级显示器的要求不只是性能的问题,同时还涉及到合规性问题。除了上面提到的DICOM灰度标准外,医用显示器还受到一系列监管规定和行业标准的约束。

美国放射学会(American College of Radiology,简称“ACR”)、美国医学物理学家协会(American Association of Physicists in Medicine,简称“AAPM”)和医学影像信息学学会(Society for Imaging Informatics in Medicine,“SIIM”)都制定了自己的准则和标准。举例来说,AAPM任务组18(TG-18)于2005年制定的标准已在全国范围内广泛接受和采用。最新的技术标准更新于2019年发布,其中包括LCD和OLED平板显示器的性能参数。

医用级显示器的要求包括:

  • 经过认证,符合 DICOM (医学数字成像和通信)国际标准。
  • 符合AAMI(医疗仪器发展协会(Association for the Advancement of Medical Instrumentation) 60601-1医疗电气设备标准。
  • 符合美国国家消防协会(National Fire Protection Association ,简称“NFPA”)卫生保健设施法规(NFPA 99)EN / IEC 60601-1标准,根据该标准,在患者护理位置附近使用的显示器的泄漏电流水平不得超过100微安。
  • 符合美国食品药品监督管理局(FDA)510(k)法规,该法规主要监管是否可以将特定的显示器作为医疗设备销售。

医用显示器趋势

医用显示器市场一直在增长,并且没有放缓的迹象。总人口的增长和老龄患者数量的增加正在推动美国及全球医疗保健服务需求的增长。到2022年,医用显示器行业的销售额预计将以5%的复合年增长率增长。7

如今,彩色显示器占据医用屏幕行业的大部分市场份额,其中最大部分的彩色显示器用于各种诊断成像目的。8然而,许多成像技术(比如X射线)都是单色的,因此多模态显示器(可以用于有效显示多种图像类型的显示器)呈现出增长趋势。

显示器中的多模态功能使操作员能够查看静态和移动格式的彩色和灰度图像。它们可能具有色彩增强功能,使放射科医师能够获取多个图像的详细视图,比如PET和超声波输出。如需了解医用显示器技术的一些最新进展情况,请查看LG Display公司在用于审查、X射线成像和外科手术应用的显示器类别中必须提供的性能:

医用显示器质量评估

由于相关技术和性能标准如此严苛,在将产品投放市场之前,医用显示器制造商们需要可靠的质量方案和工具来对产品进行测试和测量。Radiant Vision Systems提供一系列显示器测量解决方案,可对显示器单个像素级别的亮度、色度和均匀性进行绝对测量和质量评估。解决方案包括:

  • ProMetric®成像亮度计和色度计,其经过专门设计,能够复制人眼对亮度和色度的光刺激反应。这些系统可在研发实验室和生产线上对亮度和色度进行精确的空间测量。它们配备分辨率高达4300万像素的科学级热电制冷传感器,可确保较高的测量分辨率与较低的噪声,以达到最佳的清晰度平衡。Radiant解决方案与TrueTest™自动化视觉检测软件搭配使用,可提供一系列质量测试和缺陷检测工具,包括:
    • 均匀性
    • 梯度变化
    • 线缺陷
    • 点缺陷
    • 像素缺陷
    • ANSI亮度
    • ANSI色度均匀性
    • 棋盘格对比度
    • 色度
    • 失真
    • 焦点一致性
    • 比较关注点
    • 关注点
    • 颜色边缘Mura缺陷
    • 颜色Mura缺陷
    • 对角线图案Mura缺陷
    • 偏光片变形
    • 点图案Mura缺陷
  • 最小可觉差(JND) —作为一种选择,Radiant的测量系统可以采用专门用于计算显示器均匀性最小可觉差的图像分析算法,该算法用于识别显示器Mura缺陷。最小可觉差检测算法在Radiant的TrueMURA™ 软件中提供,其基于美国航空航天局(NASA)的“空间标准观察者”技术(美国专利号:7,783,130),Radiant已取得该专利的许可。

ProMetric成像色度计和TrueTest软件搭配使用采集的屏幕图像(上图)的原始最小可觉差(JND)分析。当JND值较高时,图像较明亮;当JND值较低时,图像则较暗,这表示屏幕中心存在Mura缺陷,并且屏幕边缘存在漏光和暗点伪影。JND图片的伪彩色示意图(下图)显示了JND值大于1的区域,这是“最小可觉差”阈值。右下角的点具有最大的JND计算值,并且大部分显示器上的斑驳区域都呈现0.7以下的JND值。

  • 使用Radiant的FPD 锥光镜头进行视角性能测量。该镜头采用傅里叶光学元件,可针对色度、亮度和对比度的角度分布实现高分辨率亮度测量,通过单次测量全面评估显示器在+/- 70度范围内的输出。

ProMetric成像色度计,配备FPD锥光镜头,用于测量视角性能。

  •  像素级和亚像素级Mura缺陷检测和校正— Radiant的亮度测量成像系统能够测量每个像素,识别像素亮度或色度中的不均匀性,然后使用Radiant正在申请专利的Demura流程计算校正系数,以调整屏幕性能。随着医用显示器行业朝着采用OLED及其他较新发光显示器技术的方向发展,显示器像素级(单个发射器)测量和校正能力将变得越来越重要。

     

TrueMURA软件中显示器角落上 Mura缺陷的分析。

随着显示器行业不断开发分辨率越来越高的的屏幕,以及医疗行业朝着采用OLED及其他较新显示器技术的方向发展,采用Radiant最具辨别能力的显示器测量系统将有助于确保当前及未来医用显示器的性能和准确性 。

引用文献

  1. Flynn, M.,“Displays Chapter 3: DICOM Basics Pertaining to Displays”,医学影像信息学学会(Society for Imaging Informatics in Medicine),检索日期:2019年10月31日。
  2. Hirschorn, D.,“Displays Chapter 6: Alternatives to High-Performance Displays”,医学影像信息学学会,检索日期:2019年10月31日。
  3. Lovinus, A.,“What Does Medical Grade Mean for a Computer Monitor?”,SmartBuyer,2018年1月30日。
  4. Waltz-Flannigan, A.,“Introduction to Current Display Technologies for Medical Image Viewing”,Mayo Clinic,AAPM年会,2017年。
  5. A Brief Introduction to Medical Grade Monitors”,Cybernet,2017年6月20日。
  6. “2018年医用显示器市场规模达到28亿美元—2013年至2023年全球市场规模、份额、发展、增长及需求预测”,《研究与市场》(Research and Markets),2018年4月29日。
  7. “按技术(LED,OLED)、面板尺寸(≤22.9”、27.0-41.9”、≥42”)、分辨率(≤2MP,4.1-8MP,≥MP)、应用(放射学、乳腺X线检查、数字病理学、多模态、外科手术)和显示颜色分类的医用显示器市场——2023年全球市场预测”,来自Markets and Markets,2018年3月。
  8. “2018年至2022年全球医用显示器市场 / 行业分析与预测 / Technavio”,商业资讯(Business Wire),2018年12月28日。
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