“軟閱讀”及灰度圖像顯示器

    本文作者曹厚德先生，中華醫(yī)學(xué)會(huì)影像技術(shù)學(xué)會(huì)第二屆委員會(huì)副主任委員，上海市政府采購(gòu)咨詢專家，上海第二醫(yī)科大學(xué)附屬瑞金醫(yī)院PACS項(xiàng)目顧問(wèn)。

從影像診斷作業(yè)角度而言，醫(yī)學(xué)影像診斷可解析成三個(gè)環(huán)節(jié):

(1)影像生成(Generation);

(2)影像認(rèn)知(Perception);

(3)影像解讀(詮釋)及交流(Interpretation and Comunication)。

    其中每一環(huán)節(jié)都會(huì)影響診斷質(zhì)量。近年來(lái)由于數(shù)字化放射科實(shí)施進(jìn)程的加速，影像學(xué)醫(yī)師認(rèn)知影像的載體正在經(jīng)歷由照片—燈箱的閱讀模式向顯示器屏幕的“軟閱讀”(軟拷貝閱讀Soft-Copy Reading)模式轉(zhuǎn)化。了解新的閱讀模式，掌握相關(guān)器械設(shè)備的性能及應(yīng)用，有助于專業(yè)人士盡快擺脫傳統(tǒng)習(xí)慣的影響，充分發(fā)揮“軟閱讀”的優(yōu)越性。 

一  “軟閱讀”是影像學(xué)發(fā)展的必然 

    隨著影像設(shè)備的發(fā)展，影像生成的方式及內(nèi)涵也在發(fā)生根本性的變化。主要體現(xiàn)在下列幾方面:

    1.影像數(shù)量大幅度增加。由于CT技術(shù)的發(fā)展，快速掃描多層CT技術(shù)生成的影像數(shù)量是原有技術(shù)的幾十倍甚至上千倍。據(jù)資深專家估計(jì)，到2004年每次CT檢查預(yù)計(jì)最多可能達(dá)到5000幀圖像。

    2.數(shù)字化影像的動(dòng)態(tài)范圍寬。目前的CT、MRI數(shù)字圖像一般均具有0~ 4095個(gè)灰度級(jí)，但在打印成膠片時(shí)是在設(shè)定的窗寬、窗位條件下成像的。這樣必定會(huì)帶來(lái)圖像信息的丟失，即灰度級(jí)由0~4095減至0~255，且不能調(diào)整窗寬、窗位。另外，量大面廣的胸部攝影由于臟器間的密度差別懸殊，需要較寬的動(dòng)態(tài)范圍才能在同一幅圖像中清晰顯示肺野、縱隔及脊柱。這在傳統(tǒng)方式的X射線照片上是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，在“軟閱讀”中則能夠解決。主要?dú)w因于數(shù)字化圖像較傳統(tǒng)模擬圖像有更大的動(dòng)態(tài)范圍(見圖1)。“軟閱讀”顯示器動(dòng)態(tài)范圍寬達(dá)5個(gè)數(shù)量級(jí)。見圖2、3(由星光1號(hào)數(shù)字?jǐn)z影裝置拍攝)。臨床實(shí)踐中不乏來(lái)影像科檢查脊柱的病人，結(jié)果在“軟閱讀”中調(diào)整窗寬、窗位后發(fā)現(xiàn)肺癌的病例。

    3.目前的成像設(shè)備(如CT、MRI、DSA等)都能提供三維乃至四維的動(dòng)態(tài)圖像，傳統(tǒng)的閱讀模式則無(wú)法讀取這些動(dòng)態(tài)信息。

    根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，為數(shù)不少的影像專業(yè)人員在兩種閱讀模式的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，需要一段適應(yīng)的過(guò)程。特別是在PACS運(yùn)行的初期，更為明顯。以上海第二醫(yī)科大學(xué)瑞金醫(yī)院為例，該院200多個(gè)工作點(diǎn)上均有影像科醫(yī)師及非影像科的臨床醫(yī)師，在運(yùn)用新的閱讀模式讀取醫(yī)學(xué)影像。筆者在考察我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)高雄醫(yī)科大學(xué)附屬中和紀(jì)念醫(yī)院時(shí)，了解到該院每天有多達(dá)700幀圖像在全院的顯示器在線流動(dòng)。實(shí)踐證明: 通過(guò)培訓(xùn)，不論專業(yè)、年齡及不同層次的醫(yī)師都能適應(yīng)并運(yùn)用自如。 

二  顯示器的分類 

    由于彩色顯示器的亮度僅及灰度顯示器(即日常所稱黑白顯示器)的1/8左右。另外，由于彩色顯示器是由紅、綠、藍(lán)三個(gè)單元組成一個(gè)象素，空間分辨率也不及灰度顯示器，所以用于放射影像診斷的顯示器均為灰度顯示器。

    1.按照分辨率分類(見表1)。

    2.按照技術(shù)類型分類，可分為陰極射線管型(CRT)及液晶屏型(LCD)。

    3.按顯示屏面分類，可分為直畫面的“肖像型”(Portrait)及橫畫面的“風(fēng)景型”(Landscape)兩種。

三  灰度顯示器的臨床應(yīng)用 

    傳統(tǒng)的顯示器為灰階CRT類型，采用磷涂層系統(tǒng)，如P45及P104，這類顯示器具有大尺寸黑白電視機(jī)的物理特性，重量超過(guò)40kg，應(yīng)用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，需在較暗的光環(huán)境中使用。目前市場(chǎng)銷售磷涂層顯示器主要用的是P45這類，主要因?yàn)樵擄@示器使用壽命長(zhǎng)及在使用期中圖像質(zhì)量穩(wěn)定。

    磷光體類型的選擇還應(yīng)從正確性的角度考慮。Arizona大學(xué)的Kuprinski醫(yī)生曾作過(guò)有關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)讓有經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師閱讀20份有肺部結(jié)節(jié)的后前位胸片時(shí)，采用P45顯示器者準(zhǔn)確率為93%，P104顯示器者則為87%，而彩色顯示器的診斷準(zhǔn)確率僅為76%。在購(gòu)置CRT時(shí)應(yīng)考慮其最高亮度，當(dāng)一般CRT在使用時(shí)一直采用接近其最高亮度，比起高亮度性能的CRT，其老化及損壞來(lái)得快。目前多數(shù)專家認(rèn)為如CRT的亮度在使用中已較其正常的亮度低10%時(shí)提示該顯示器不應(yīng)再使用，所以在購(gòu)置顯示器時(shí)應(yīng)考慮其亮度，以維持較長(zhǎng)期的使用。

    近2年來(lái)1.5K(2048×1536)的高分辨率灰階LCD已進(jìn)入市場(chǎng)并被專業(yè)人士所接受。筆者注意到: 2001年87屆RSNA主要影像產(chǎn)品的展臺(tái)上幾乎全用LCD顯示器。在購(gòu)置LCD時(shí)應(yīng)注意LCD存在的問(wèn)題及了解其細(xì)節(jié)，如灰階的深度、雙顯示裝置亮度的調(diào)節(jié)、LCD屏的保護(hù)等，均應(yīng)在購(gòu)置時(shí)進(jìn)行評(píng)估。LCD顯示器對(duì)于圖像顯示卡非常敏感，PACS軟件可驅(qū)動(dòng)顯示器通過(guò)256灰階達(dá)到1024或更高灰階。采用LCD技術(shù)，JND(Just Noticeable Difference)主要位于256至1024灰階，因此購(gòu)買者應(yīng)確認(rèn)自己的硬件，更重要的是要知道其PACS軟件能達(dá)到完全的1024灰階水平。

    關(guān)于LCD和CRT診斷質(zhì)量的比較，有過(guò)不少的討論。馬里蘭大學(xué)Eliot Siegel博士認(rèn)為:“在LCD和CRT讀片的對(duì)照中，發(fā)現(xiàn)其敏感性和特異性無(wú)明顯的不同。他認(rèn)為兩者的測(cè)定均達(dá)80%左右。在CRT上平均的讀片時(shí)間為35.4s，在LCD上則為35.6s�！盠CD與CRT在其他方面相比具有許多優(yōu)點(diǎn): 產(chǎn)熱少、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)、圖像質(zhì)量穩(wěn)定、較少需調(diào)節(jié)等。但從經(jīng)濟(jì)角度考慮則最主要的問(wèn)題是價(jià)格，目前是CRT的兩倍。但如長(zhǎng)期運(yùn)行，由于較長(zhǎng)的使用壽命可使其相比之下并不昂貴。

    由于顯示器的質(zhì)量及市場(chǎng)價(jià)格存在較大的差異，選購(gòu)時(shí)應(yīng)根據(jù)臨床需求而定。據(jù)研究結(jié)果: 用于一般CT、MRI、DSA、PET及超聲診斷時(shí)，1K與2K顯示器的“操作者特性曲線(ROC)”是重合的。這個(gè)研究結(jié)果說(shuō)明1K顯示器即可滿足上述圖像的診斷要求。但對(duì)X射線胸片作精細(xì)的診斷則必須應(yīng)用2K的顯示器。 

四  灰度圖像顯示器的主要參數(shù)

1. 亮度 

    是用來(lái)表征CRT發(fā)出的可見光的數(shù)量，以英尺—朗伯(fL)為單位，也可用(新)燭光/m2(cd/m2)計(jì)量。人眼進(jìn)行圖像分辨的主要參數(shù)為: 物體與背景的亮度差; 人眼檢測(cè)細(xì)節(jié)的能力(即視覺(jué)靈敏度)。前者可用“恰能分辨的亮度差”JND量度(注: 筆者建議是否可改用“亮度差分辨閾值”這一名詞？在此就教于同道。)分析證明，在一定視覺(jué)靈敏度下，背景亮度越高，JND也越大。因此應(yīng)在分辨細(xì)節(jié)、背景亮度及絕對(duì)亮度差這三個(gè)參量之間綜合考慮。人眼分辨細(xì)節(jié)的能力對(duì)骨小梁結(jié)構(gòu)觀察及細(xì)小的骨質(zhì)病變的發(fā)現(xiàn)至關(guān)重要，而分辨亮度差的能力對(duì)檢測(cè)肺小結(jié)節(jié)等軟組織微小差異很關(guān)鍵。背景亮度太小帶來(lái)的問(wèn)題是，醫(yī)生不習(xí)慣且環(huán)境影響大。目前高分辨率灰度顯示器最大亮度約200fL，比讀片燈箱亮度500fL低得多。CRT顯示屏大面積亮度均勻性不好，壽命也短。均有待改進(jìn)。 

2. 噪聲

從數(shù)字圖像的形成，再到CRT顯示，這個(gè)過(guò)程將引入下列噪聲:

(1)成像設(shè)備引入的噪聲;

(2)由模/數(shù)轉(zhuǎn)換引入的量化噪聲;

(3)由顯示器亮度漲落引入的噪聲。包括: CRT電子線路噪聲、電子束散彈噪聲以及電子束偏轉(zhuǎn)電路噪聲等。

這些噪聲常歸之于時(shí)間噪聲。還有一類噪聲稱為空間噪聲，這是由于CRT熒光材料的顆粒結(jié)構(gòu)引起的。 

3. 分辨力 

    分辨力包括密度分辨力及空間分辨力。后者常以描述物體的象素總量來(lái)度量。與此相關(guān)的是可尋址象素的數(shù)目與可分辨象素的數(shù)目。高分辨力CRT的可尋址象素矩陣高達(dá)2048×2560，但其可分辨矩陣遠(yuǎn)小于此值。光柵掃描CRT的分辨象素?cái)?shù)由電子束點(diǎn)尺寸，顯示信號(hào)的帶寬和每一刷新周期內(nèi)光柵數(shù)確定。

    一個(gè)矩形光柵具有2048條光柵線，每一根線有2048個(gè)象素，如此共有4194304個(gè)象素。對(duì)19英寸顯示器，其有用光柵尺寸為13.4英寸×13.4英寸，若每一顯示象素呈方形，則象素的邊長(zhǎng)為0.0065英寸(0.166mm)。但顯示器屏幕上顯示的象素圖像不是正方形，而是由呈二維高斯分布的(電子束)電子密度形成，這樣電子束在象素上產(chǎn)生的亮度幾乎也是作高斯分布的，因此顯示亮度是不均勻的。觀察者可看到掃描線。為降低這一影響，可讓各象素間和各掃描線間有少許重疊。

    密度分辨力用離散灰度級(jí)的總數(shù)來(lái)度量，例如CT數(shù)用12bit表示，其最高密度分辨力為1/212。一張X射線照片經(jīng)激光掃描數(shù)字化并幅度量化后也有212(4096)級(jí)灰度。 

4. 失真 

    幾何失真系一種像差，它引起顯示的圖像與原像在幾何形狀上的失真。顯示在灰度顯示器上的圖像失真是指某象素偏移其校正位置的距離。通常用一幅失真后柵格的二維圖相對(duì)于理想的柵格圖作對(duì)比來(lái)表征，以用象素?cái)?shù)目表示的最大的偏移來(lái)定量說(shuō)明失真的程度。失真主要有兩類:“像散失真”和“場(chǎng)失真”。所謂“像散失真”是指軸向目標(biāo)線(即穿過(guò)CRT中心射束線)的焦距和與之垂直的目標(biāo)線的焦距不同�！皥�(chǎng)失真”是由電子束偏轉(zhuǎn)場(chǎng)引起，形成枕形(向顯示屏中心凹進(jìn)去)特性與桶形(自顯示屏中心凸出)特性。實(shí)際應(yīng)用中失真不是干擾信息的主要因素。 

5. 灰度標(biāo)準(zhǔn)顯示函數(shù) 

    圖像產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)可以客觀地、精確地測(cè)量、傳輸和復(fù)制。但該信號(hào)的視覺(jué)銓釋決定于顯示該圖像的不同系統(tǒng)的特性。同一信號(hào)的圖像常在不同顯示裝置上產(chǎn)生完全不同的視覺(jué)表現(xiàn)、視覺(jué)信息與特性。在醫(yī)學(xué)圖像中，對(duì)任一給定的數(shù)字圖像不論顯示在監(jiān)視器上，還是從讀片燈箱觀察，在視覺(jué)上應(yīng)是一致的。因此希望有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，以管轄在任何顯示裝置上表達(dá)的可視圖像。DICOM 3.0第14部分PS3.14提供了一個(gè)客觀的、定量的辦法，將數(shù)字圖像值映射到給定的亮度范圍。對(duì)于某一具體應(yīng)用，如果知道數(shù)字值與顯示亮度之間的關(guān)系，則不論在何種顯示裝置上顯示均可產(chǎn)生一致的視覺(jué)效果。PS3.14所定義的關(guān)系式是在一個(gè)寬度區(qū)內(nèi)，根據(jù)人們的感知測(cè)量與模型做出的，而不是根據(jù)哪種圖像顯示裝置或哪一成像模式?jīng)Q定，也與閱讀者的習(xí)慣與主觀偏愛(ài)無(wú)關(guān)。后者可用DICOM顯示查找表作適當(dāng)處理來(lái)考慮。為此，PS3.14專門定義了“灰度標(biāo)準(zhǔn)顯示函數(shù)”作為表征。