“软阅读”及灰度图像显示器

    本文作者曹厚德先生，中华医学会影像技术学会第二届委员会副主任委员，上海市政府采购咨询专家，上海第二医科大学附属瑞金医院PACS项目顾问。

从影像诊断作业角度而言，医学影像诊断可解析成三个环节:

(1)影像生成(Generation);

(2)影像认知(Perception);

(3)影像解读(诠释)及交流(Interpretation and Comunication)。

    其中每一环节都会影响诊断质量。近年来由于数字化放射科实施进程的加速，影像学医师认知影像的载体正在经历由照片—灯箱的阅读模式向显示器屏幕的“软阅读”(软拷贝阅读Soft-Copy Reading)模式转化。了解新的阅读模式，掌握相关器械设备的性能及应用，有助于专业人士尽快摆脱传统习惯的影响，充分发挥“软阅读”的优越性。 

一  “软阅读”是影像学发展的必然 

    随着影像设备的发展，影像生成的方式及内涵也在发生根本性的变化。主要体现在下列几方面:

    1.影像数量大幅度增加。由于CT技术的发展，快速扫描多层CT技术生成的影像数量是原有技术的几十倍甚至上千倍。据资深专家估计，到2004年每次CT检查预计最多可能达到5000帧图像。

    2.数字化影像的动态范围宽。目前的CT、MRI数字图像一般均具有0~ 4095个灰度级，但在打印成胶片时是在设定的窗宽、窗位条件下成像的。这样必定会带来图像信息的丢失，即灰度级由0~4095减至0~255，且不能调整窗宽、窗位。另外，量大面广的胸部摄影由于脏器间的密度差别悬殊，需要较宽的动态范围才能在同一幅图像中清晰显示肺野、纵隔及脊柱。这在传统方式的X射线照片上是无法实现的，在“软阅读”中则能够解决。主要归因于数字化图像较传统模拟图像有更大的动态范围(见图1)。“软阅读”显示器动态范围宽达5个数量级。见图2、3(由星光1号数字摄影装置拍摄)。临床实践中不乏来影像科检查脊柱的病人，结果在“软阅读”中调整窗宽、窗位后发现肺癌的病例。

    3.目前的成像设备(如CT、MRI、DSA等)都能提供三维乃至四维的动态图像，传统的阅读模式则无法读取这些动态信息。

    根据笔者的经验，为数不少的影像专业人员在两种阅读模式的转换过程中，需要一段适应的过程。特别是在PACS运行的初期，更为明显。以上海第二医科大学瑞金医院为例，该院200多个工作点上均有影像科医师及非影像科的临床医师，在运用新的阅读模式读取医学影像。笔者在考察我国台湾地区高雄医科大学附属中和纪念医院时，了解到该院每天有多达700帧图像在全院的显示器在线流动。实践证明: 通过培训，不论专业、年龄及不同层次的医师都能适应并运用自如。 

二  显示器的分类 

    由于彩色显示器的亮度仅及灰度显示器(即日常所称黑白显示器)的1/8左右。另外，由于彩色显示器是由红、绿、蓝三个单元组成一个象素，空间分辨率也不及灰度显示器，所以用于放射影像诊断的显示器均为灰度显示器。

    1.按照分辨率分类(见表1)。

    2.按照技术类型分类，可分为阴极射线管型(CRT)及液晶屏型(LCD)。

    3.按显示屏面分类，可分为直画面的“肖像型”(Portrait)及横画面的“风景型”(Landscape)两种。

三  灰度显示器的临床应用 

    传统的显示器为灰阶CRT类型，采用磷涂层系统，如P45及P104，这类显示器具有大尺寸黑白电视机的物理特性，重量超过40kg，应用过程中会产生大量的热，需在较暗的光环境中使用。目前市场销售磷涂层显示器主要用的是P45这类，主要因为该显示器使用寿命长及在使用期中图像质量稳定。

    磷光体类型的选择还应从正确性的角度考虑。Arizona大学的Kuprinski医生曾作过有关研究，发现当让有经验的放射科医师阅读20份有肺部结节的后前位胸片时，采用P45显示器者准确率为93%，P104显示器者则为87%，而彩色显示器的诊断准确率仅为76%。在购置CRT时应考虑其最高亮度，当一般CRT在使用时一直采用接近其最高亮度，比起高亮度性能的CRT，其老化及损坏来得快。目前多数专家认为如CRT的亮度在使用中已较其正常的亮度低10%时提示该显示器不应再使用，所以在购置显示器时应考虑其亮度，以维持较长期的使用。

    近2年来1.5K(2048×1536)的高分辨率灰阶LCD已进入市场并被专业人士所接受。笔者注意到: 2001年87届RSNA主要影像产品的展台上几乎全用LCD显示器。在购置LCD时应注意LCD存在的问题及了解其细节，如灰阶的深度、双显示装置亮度的调节、LCD屏的保护等，均应在购置时进行评估。LCD显示器对于图像显示卡非常敏感，PACS软件可驱动显示器通过256灰阶达到1024或更高灰阶。采用LCD技术，JND(Just Noticeable Difference)主要位于256至1024灰阶，因此购买者应确认自己的硬件，更重要的是要知道其PACS软件能达到完全的1024灰阶水平。

    关于LCD和CRT诊断质量的比较，有过不少的讨论。马里兰大学Eliot Siegel博士认为:“在LCD和CRT读片的对照中，发现其敏感性和特异性无明显的不同。他认为两者的测定均达80%左右。在CRT上平均的读片时间为35.4s，在LCD上则为35.6s。”LCD与CRT在其他方面相比具有许多优点: 产热少、体积小、重量轻、使用寿命长、图像质量稳定、较少需调节等。但从经济角度考虑则最主要的问题是价格，目前是CRT的两倍。但如长期运行，由于较长的使用寿命可使其相比之下并不昂贵。

    由于显示器的质量及市场价格存在较大的差异，选购时应根据临床需求而定。据研究结果: 用于一般CT、MRI、DSA、PET及超声诊断时，1K与2K显示器的“操作者特性曲线(ROC)”是重合的。这个研究结果说明1K显示器即可满足上述图像的诊断要求。但对X射线胸片作精细的诊断则必须应用2K的显示器。 

四  灰度图像显示器的主要参数

1. 亮度 

    是用来表征CRT发出的可见光的数量，以英尺—朗伯(fL)为单位，也可用(新)烛光/m2(cd/m2)计量。人眼进行图像分辨的主要参数为: 物体与背景的亮度差; 人眼检测细节的能力(即视觉灵敏度)。前者可用“恰能分辨的亮度差”JND量度(注: 笔者建议是否可改用“亮度差分辨阈值”这一名词？在此就教于同道。)分析证明，在一定视觉灵敏度下，背景亮度越高，JND也越大。因此应在分辨细节、背景亮度及绝对亮度差这三个参量之间综合考虑。人眼分辨细节的能力对骨小梁结构观察及细小的骨质病变的发现至关重要，而分辨亮度差的能力对检测肺小结节等软组织微小差异很关键。背景亮度太小带来的问题是，医生不习惯且环境影响大。目前高分辨率灰度显示器最大亮度约200fL，比读片灯箱亮度500fL低得多。CRT显示屏大面积亮度均匀性不好，寿命也短。均有待改进。 

2. 噪声

从数字图像的形成，再到CRT显示，这个过程将引入下列噪声:

(1)成像设备引入的噪声;

(2)由模/数转换引入的量化噪声;

(3)由显示器亮度涨落引入的噪声。包括: CRT电子线路噪声、电子束散弹噪声以及电子束偏转电路噪声等。

这些噪声常归之于时间噪声。还有一类噪声称为空间噪声，这是由于CRT荧光材料的颗粒结构引起的。 

3. 分辨力 

    分辨力包括密度分辨力及空间分辨力。后者常以描述物体的象素总量来度量。与此相关的是可寻址象素的数目与可分辨象素的数目。高分辨力CRT的可寻址象素矩阵高达2048×2560，但其可分辨矩阵远小于此值。光栅扫描CRT的分辨象素数由电子束点尺寸，显示信号的带宽和每一刷新周期内光栅数确定。

    一个矩形光栅具有2048条光栅线，每一根线有2048个象素，如此共有4194304个象素。对19英寸显示器，其有用光栅尺寸为13.4英寸×13.4英寸，若每一显示象素呈方形，则象素的边长为0.0065英寸(0.166mm)。但显示器屏幕上显示的象素图像不是正方形，而是由呈二维高斯分布的(电子束)电子密度形成，这样电子束在象素上产生的亮度几乎也是作高斯分布的，因此显示亮度是不均匀的。观察者可看到扫描线。为降低这一影响，可让各象素间和各扫描线间有少许重叠。

    密度分辨力用离散灰度级的总数来度量，例如CT数用12bit表示，其最高密度分辨力为1/212。一张X射线照片经激光扫描数字化并幅度量化后也有212(4096)级灰度。 

4. 失真 

    几何失真系一种像差，它引起显示的图像与原像在几何形状上的失真。显示在灰度显示器上的图像失真是指某象素偏移其校正位置的距离。通常用一幅失真后栅格的二维图相对于理想的栅格图作对比来表征，以用象素数目表示的最大的偏移来定量说明失真的程度。失真主要有两类:“像散失真”和“场失真”。所谓“像散失真”是指轴向目标线(即穿过CRT中心射束线)的焦距和与之垂直的目标线的焦距不同。“场失真”是由电子束偏转场引起，形成枕形(向显示屏中心凹进去)特性与桶形(自显示屏中心凸出)特性。实际应用中失真不是干扰信息的主要因素。 

5. 灰度标准显示函数 

    图像产生的数字信号可以客观地、精确地测量、传输和复制。但该信号的视觉铨释决定于显示该图像的不同系统的特性。同一信号的图像常在不同显示装置上产生完全不同的视觉表现、视觉信息与特性。在医学图像中，对任一给定的数字图像不论显示在监视器上，还是从读片灯箱观察，在视觉上应是一致的。因此希望有一个标准，以管辖在任何显示装置上表达的可视图像。DICOM 3.0第14部分PS3.14提供了一个客观的、定量的办法，将数字图像值映射到给定的亮度范围。对于某一具体应用，如果知道数字值与显示亮度之间的关系，则不论在何种显示装置上显示均可产生一致的视觉效果。PS3.14所定义的关系式是在一个宽度区内，根据人们的感知测量与模型做出的，而不是根据哪种图像显示装置或哪一成像模式决定，也与阅读者的习惯与主观偏爱无关。后者可用DICOM显示查找表作适当处理来考虑。为此，PS3.14专门定义了“灰度标准显示函数”作为表征。