Skjermteknologi:Skjermteknologi:Hvordan sikre diagnostisk Hvordan sikre diagnostisk

bildekvalitet ved visning av bildekvalitet ved visning av bilder i PACS? bilder i PACS?

Patrik SundPatrik SundMFT/DiagnostikMFT/DiagnostikSahlgrenska UniversitetssjukhusetSahlgrenska Universitetssjukhuset

Sahlgrenska Sahlgrenska Universitetssjukhuset, Universitetssjukhuset,

Göteborg, SverigeGöteborg, Sverige

2700 vårdplatser2700 vårdplatser Bassjukvård förBassjukvård för

800 000 invånare800 000 invånare Specialistvård för Specialistvård för

1,7 miljoner inv.1,7 miljoner inv. 17 000 anställda17 000 anställda 800 röntgenunder-800 röntgenunder-

sökningar per dagsökningar per dag

Varför bry sig om Varför bry sig om monitorer?monitorer?

Monitorer är länken mellan Monitorer är länken mellan människa och PACSmänniska och PACS

Skulle vi acceptera samma variationer hos Skulle vi acceptera samma variationer hos framkallningsmaskiner som vi gör hos framkallningsmaskiner som vi gör hos monitorer?monitorer?

BakgrundBakgrund

Hur kan man säkerställa att en bild ser likadan Hur kan man säkerställa att en bild ser likadan ut överallt där den visas?ut överallt där den visas?

Hur optimerar man bildvisningen till det Hur optimerar man bildvisningen till det mänskliga synsystemet?mänskliga synsystemet?

Monitorer har olika ljusstyrka och står i rum Monitorer har olika ljusstyrka och står i rum med olika bakgrundsbelysning.med olika bakgrundsbelysning.

God synbarhetGod synbarhet Dålig synbarhetDålig synbarhet

Till vänster: Visning på Till vänster: Visning på ett bildvisningssystem ett bildvisningssystem med kontrast anpassad med kontrast anpassad efter bilden/objektetefter bilden/objektet

Till höger: Samma bild Till höger: Samma bild på ett annat system på ett annat system med annan gråskala. med annan gråskala.

Resultat: Ingen eller Resultat: Ingen eller dålig kontrastupplösningdålig kontrastupplösning

ProblemProblem

IlluminansIlluminans(belysning)(belysning)

1 lux1 lux= 1 lumen/m= 1 lumen/m22

= 0,0929 foot-candles (fc)= 0,0929 foot-candles (fc)

Infallande ljus på en Infallande ljus på en yta kallas illuminans yta kallas illuminans och mäts i lux.och mäts i lux.

LuminansLuminans(ljusstyrka)(ljusstyrka)

1 cd/m1 cd/m22 = 1 lumen/steradian/m= 1 lumen/steradian/m22

= 1 nit= 1 nit

= 0,2919 foot-lamberts (fL)= 0,2919 foot-lamberts (fL)

= = apostilbs (asb) apostilbs (asb)

En ytas ljusstyrka kallas En ytas ljusstyrka kallas luminans och mäts i luminans och mäts i cd/mcd/m22..

För en diffus yta gäller attFör en diffus yta gäller att1 lux = 1/1 lux = 1/ cd/m cd/m22

Kontrast i en bildKontrast i en bild

medel

minmax

LLL

C

SMPTE-testbildSMPTE-testbild

Att anpassa en bild så god Att anpassa en bild så god kontrast uppnås kontrast uppnås lokaltlokalt är är lätt, det är mycket svårare lätt, det är mycket svårare att att globaltglobalt få god kontrast i få god kontrast i både ljusa och mörka både ljusa och mörka områden samtidigt.områden samtidigt.

Ögats upplösningsförmågaÖgats upplösningsförmåga

Ögat uppfattar variationer i luminans Ögat uppfattar variationer i luminans som funktion av betraktningsvinkel.som funktion av betraktningsvinkel.

lp/mm = 57,3 × (lp/grad) / betraktningsavstånd (mm)lp/mm = 57,3 × (lp/grad) / betraktningsavstånd (mm)

Minsta detekterbara Minsta detekterbara kontrastkontrast

Vid hög Vid hög luminansnivå kan luminansnivå kan man se objekt med man se objekt med liten kontrast liten kontrast medan det vid låg medan det vid låg luminansnivå krävs luminansnivå krävs högre kontrast.högre kontrast.

Ögats frekvensberoendeÖgats frekvensberoende

För en given kontrast För en given kontrast gäller att det krävs gäller att det krävs högre luminans för att högre luminans för att se höga spatiella se höga spatiella frekvenser än det krävs frekvenser än det krävs för att se låga spatiella för att se låga spatiella frekvenser.frekvenser.

Perceptuell lineariseringPerceptuell linearisering

För att få en likvärdig kontrastupplevelse i såväl ljusa som För att få en likvärdig kontrastupplevelse i såväl ljusa som mörka delar av bilden krävs att man anpassar mörka delar av bilden krävs att man anpassar bildvisningen till den mänskliga synförmågan. Ett sådant bildvisningen till den mänskliga synförmågan. Ett sådant system sägs vara system sägs vara perceptuellt lineariseratperceptuellt lineariserat. På detta sätt . På detta sätt utnyttjas även antalet gråskalevärden i ett bildvisnings-utnyttjas även antalet gråskalevärden i ett bildvisnings-system på ett effektivare sätt.system på ett effektivare sätt.

Det vanligaste sättet finns beskrivet i DICOM-standarden, Det vanligaste sättet finns beskrivet i DICOM-standarden, Part 14: Grayscale Standard Display Function.Part 14: Grayscale Standard Display Function.

Syfte och princip medSyfte och princip medDICOM 14DICOM 14

Syfte:Syfte: Att erbjuda en metod att Att erbjuda en metod att

objektivt och kvantitativt objektivt och kvantitativt presentera digitala presentera digitala bilddata med en bilddata med en specificerad kontrast-specificerad kontrast-funktion för att digitala funktion för att digitala bilders kontrast skall bli bilders kontrast skall bli oberoende av oberoende av visningsmedium visningsmedium

Princip:Princip: DICOM 14 specificerar DICOM 14 specificerar

en funktion som relaterar en funktion som relaterar ”pixelvärden” till visade ”pixelvärden” till visade luminansnivåerluminansnivåer

DICOM 14 baseras på DICOM 14 baseras på mätningar och modeller mätningar och modeller av hur det mänskliga av hur det mänskliga ögat uppfattar ljus och ögat uppfattar ljus och kontrastkontrast

FörklaringarFörklaringar

Pixelvärde (gråskalevärde)Pixelvärde (gråskalevärde): Grunddata från bildutrustningen: Grunddata från bildutrustningenP-värde (presentationsvärde)P-värde (presentationsvärde): Resultatet av att applicera : Resultatet av att applicera window/level, kantförstärkning m.m på pixelvärdena.window/level, kantförstärkning m.m på pixelvärdena.DDL (Digital Driving Level)DDL (Digital Driving Level): Används som indata till monitorn.: Används som indata till monitorn.LuminansvärdenLuminansvärden: Uppmätta luminansnivåer på monitorn.: Uppmätta luminansnivåer på monitorn.

OBS! Omvandlingen från DDL till luminans kallas monitorns karakteristiska OBS! Omvandlingen från DDL till luminans kallas monitorns karakteristiska funktion och går vanligen inte att justera.funktion och går vanligen inte att justera.

DICOM-kurvanDICOM-kurvan

Antag att varje stegs Antag att varje stegs ändring i p-värde ändring i p-värde motsvarar en ändring i motsvarar en ändring i luminans som är lika med luminans som är lika med den minsta detekterbara den minsta detekterbara kontrasten.kontrasten.

Varje stegs ändring påVarje stegs ändring påx-axeln kallas då en JND x-axeln kallas då en JND (Just Noticable Difference)(Just Noticable Difference)

Bildens dynamiska Bildens dynamiska områdeområde

DICOM-kurvan är framtagen då man studerar (i princip) DICOM-kurvan är framtagen då man studerar (i princip) en luminansnivå i taget. Vid betraktning av en bild utsätts en luminansnivå i taget. Vid betraktning av en bild utsätts ögat för många luminansnivåer samtidigt. ögat för många luminansnivåer samtidigt.

Ögats dynamiska områdeÖgats dynamiska område

Bäst känslighet fås vid den Bäst känslighet fås vid den luminansnivå som ögat för luminansnivå som ögat för tillfället är anpassat till. Det tillfället är anpassat till. Det dynamiska området vid ett dynamiska området vid ett och samma tillfälle är 2-3 och samma tillfälle är 2-3 dekader.dekader.

Om ögat får tid att Om ögat får tid att anpassa sig kan man anpassa sig kan man diskriminera mellan diskriminera mellan luminanser från 10luminanser från 10-6-6 till 10 till 1044 cd/mcd/m22 (10 dekader). (10 dekader).

Betydelsen av ljusstarka Betydelsen av ljusstarka skärmarskärmar

Exempel: Min luminans 1,5 cd/mExempel: Min luminans 1,5 cd/m22

120 cd/m120 cd/m22 ger 411 jnd (1,61 per p-värde) ger 411 jnd (1,61 per p-värde) 220 cd/m220 cd/m22 ger 496 jnd (1,94 per p-värde) ger 496 jnd (1,94 per p-värde) 320 cd/m320 cd/m22 ger 550 jnd (2,16 per p-värde) ger 550 jnd (2,16 per p-värde)

Exempel: Min luminans 0,5 cd/mExempel: Min luminans 0,5 cd/m22

120 cd/m120 cd/m22 ger 454 jnd (1,78 per p-värde) ger 454 jnd (1,78 per p-värde) 220 cd/m220 cd/m22 ger 539 jnd (2,11 per p-värde) ger 539 jnd (2,11 per p-värde) 320 cd/m320 cd/m22 ger 593 jnd (2,32 per p-värde) ger 593 jnd (2,32 per p-värde)

Minsta möjliga luminansMinsta möjliga luminans

Beror av:Beror av: Intern ljusspridning i skärmenIntern ljusspridning i skärmen Externa reflexionerExterna reflexioner

– omgivningsljusomgivningsljus– reflexionsegenskaperreflexionsegenskaper

LCD bättre än CRT i båda fallenLCD bättre än CRT i båda fallen

Olika skärmars storlek och Olika skärmars storlek och ljusstyrkaljusstyrka

Storlekar (MegaPixel)Storlekar (MegaPixel)

1 MP (12801 MP (12801024) 1024) ~~18”18” 2 MP (12002 MP (12001600) 1600) ~~20”20” 3 MP (15363 MP (15362048) 2048) ~~21”21” 5 MP (20485 MP (20482560) 2560) ~~21”21”

CRT CRT FFäärrgg 120 cd/m120 cd/m22

CRT CRT SS/V/V 700 cd/m700 cd/m22

LCD LCD FFäärrgg 240 cd/m240 cd/m22

LCD LCD SS/V/V 700 cd/m700 cd/m22

Maximal ljusstyrka (ungefärlig)Maximal ljusstyrka (ungefärlig)

Kalibrering enligt DICOM 14Kalibrering enligt DICOM 14

FördelarFördelar

Likartad bild på olika Likartad bild på olika typer av monitorertyper av monitorer

Perceptuellt Perceptuellt lineariserad lineariserad bildvisningbildvisning

NackdelarNackdelar

Kan ge viss förlust i Kan ge viss förlust i antalet unika antalet unika gråskalevärdengråskalevärden

GrafikkortGrafikkort

Precisionen i utsignalen från ett Precisionen i utsignalen från ett grafikkort är inte obetydlig vid grafikkort är inte obetydlig vid kalibrering av monitorer!kalibrering av monitorer!

Exempel på LUTExempel på LUTLook-Up-TableLook-Up-Table

ININ UTUT

00 00

11 3232

22 5151

33 6464

44 7474

…… ……

254254 255255

255255 255255

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250 300

IN

UT

Val av hårdvaraVal av hårdvaraLåg nivåLåg nivå

Enklaste (och billigaste) varianten är ett grafikkort Enklaste (och billigaste) varianten är ett grafikkort och bildskärm av standardtyp.och bildskärm av standardtyp.

Kalibreringen kan utföras med “vanlig” utrustning (ex: Kalibreringen kan utföras med “vanlig” utrustning (ex: VeriLUM)VeriLUM)

Resulterar i viss förlust av gråskalenivåerResulterar i viss förlust av gråskalenivåer

8 bitars LUT: DICOM 14 8 bitars skärm: Ingen LUT

Karakteristisk funktionKarakteristisk funktion

Varje avvikelse måste korrigeras, denna Varje avvikelse måste korrigeras, denna korrigering läggs vanligen i grafikkortet.korrigering läggs vanligen i grafikkortet.

0.1

1.0

10.0

100.0

1000.0

0 50 100 150 200 250 300

Steg #

Dicom 14

Iiyama

Exempel på LUTExempel på LUTlutning ½lutning ½

8 bitar8 bitar

ININ UT*UT* UTUT

00 0,00,0 00

11 0,50,5 00

22 1,01,0 11

33 1,51,5 11

44 2,02,0 22

55 2,52,5 22

10 bitar10 bitar

ININ UT*UT* UTUT

00 0,00,0 00

11 2,02,0 22

22 4,04,0 44

33 6,06,0 66

44 8,08,0 88

55 10,010,0 1010

* Önskat värde* Önskat värde 3 Unika värden3 Unika värden 6 Unika värden6 Unika värden

8-bitars grafikkort8-bitars grafikkort

Med ökad kontrastMed ökad kontrast

TeoretisktTeoretiskt

VerkligtVerkligt

8 bitar in - 8 bitar ut

1

10

100

1000

0 50 100 150 200 250 300

p-värde

Lu

min

an

s (

cd

/m2 )

10-bitars grafikkort10-bitars grafikkort

Med ökad kontrastMed ökad kontrast

TeoretisktTeoretiskt

VerkligtVerkligt

8 bitar in - 10 bitar ut

1

10

100

1000

0 50 100 150 200 250 300

p-värde

Lu

min

an

s (

cd

/m2 )

Ändringar per stegÄndringar per steg8-bitars grafikkort, 8-bitars skärm8-bitars grafikkort, 8-bitars skärm

Antal steg medAntal steg med

jnd > 1,0: 221jnd > 1,0: 221jnd > 1,5: 217jnd > 1,5: 217jnd > 2,0: 178jnd > 2,0: 178

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

0 50 100 150 200 250 300

Steg #

lum

ina

ns

alt

. jn

d p

er

ste

g

jndluminans

Val av hårdvaraVal av hårdvaraMellannivåMellannivå

Idag finns platta skärmar med interna 10-bitars LUT Idag finns platta skärmar med interna 10-bitars LUT Använd för kalibrering och sätt datorns 8-bitars Använd för kalibrering och sätt datorns 8-bitars grafikkort till en helt linjär funktion.grafikkort till en helt linjär funktion.

Ex: Eizo, Totoku, …Ex: Eizo, Totoku, …

8 bitars LUT: Linjär 10 bitars LUT: DICOM 14

Ändringar per stegÄndringar per steg8-bitars grafikkort, 10-bitars skärm*8-bitars grafikkort, 10-bitars skärm*

Antal steg medAntal steg med

jnd > 1,0: 256jnd > 1,0: 256jnd > 1,5: 248jnd > 1,5: 248jnd > 2,0: 172jnd > 2,0: 172

*Med inbyggd LUT

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

0 50 100 150 200 250 300

Steg #

lum

ina

ns

alt

. jn

d p

er

ste

g

jndluminans

Val av hårdvaraVal av hårdvaraMellannivåMellannivå

OBS! Se till att grafikkortets LUT inte ändras av OBS! Se till att grafikkortets LUT inte ändras av övriga programvaror på datorn (Gäller även låg nivå)övriga programvaror på datorn (Gäller även låg nivå)

Kräver kalibrator anpassad till just den skärmen. Kräver kalibrator anpassad till just den skärmen. Vanligt med extern kalibrator.Vanligt med extern kalibrator.

Generellt sett likvärdig bildkvalitet som “Generellt sett likvärdig bildkvalitet som “Hög nivåHög nivå”, ”, kräver dock mer av teknisk personal.kräver dock mer av teknisk personal.

8 bitars LUT: Linjär 10 bitars LUT: DICOM 14

Val av hårdvaraVal av hårdvaraHög nivåHög nivå

Integrerat paket med grafikkort, bildskärm, inbyggd Integrerat paket med grafikkort, bildskärm, inbyggd kalibrator och mjukvara – allt anpassat för att fungera kalibrator och mjukvara – allt anpassat för att fungera tillsammans.tillsammans.

Mjukvaran säkerställer kalibreringen kontinuerligt.Mjukvaran säkerställer kalibreringen kontinuerligt. Ex: Barco, Dome, …Ex: Barco, Dome, …

10 bitars LUT: DICOM 14 Skärm anpassad till grafikkortet

Inbyggd Inbyggd kalibratorkalibrator

Övriga finesserÖvriga finesser LjusstabilisatorLjusstabilisator: Justerar snabbt ljusstyrkan till : Justerar snabbt ljusstyrkan till

en konstant nivå även vid uppstart av kall en konstant nivå även vid uppstart av kall bildskärm.bildskärm.

Låsbara inställningarLåsbara inställningar: Förhindrar ändring av : Förhindrar ändring av kontrast och ljusstyrka vilket skulle förstöra kontrast och ljusstyrka vilket skulle förstöra kalibreringen.kalibreringen.

Pivot-funktionPivot-funktion: Gör att skärmen lätt kan vridas : Gör att skärmen lätt kan vridas 9090° för att användas i både liggande och stående ° för att användas i både liggande och stående läge.läge.

AdministratörsprogramAdministratörsprogram: Möjliggör övervakning : Möjliggör övervakning via nätverk.via nätverk.

Vikten av konstant Vikten av konstant omgivningsljusomgivningsljus

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 50 100 150 200 250 300

Steg #

jnd

/ s

teg

För låg illuminans jämfört med kalibreringstillfälletger oproportioneligt hög kontrast i mörka områden

För hög illuminans jämfört med kalibreringstillfälletger dålig (ingen synbar) kontrast i mörka områden

Sahlgrenskas val av Sahlgrenskas val av monitorermonitorer

HittillsHittills

Läkarnas stationerLäkarnas stationer

Barco CoronisBarco Coronis

2 MP & 3 MP2 MP & 3 MP

Svart/Vit LCDSvart/Vit LCD

Sköterskornas Sköterskornas stationerstationer

Eizo RadiForce R11Eizo RadiForce R11

1 MP1 MP

Färg LCDFärg LCD

3 avdelningar av 7 har digitaliserats – samtliga 3 avdelningar av 7 har digitaliserats – samtliga avdelningar kommer att vara helt digitala 2005avdelningar kommer att vara helt digitala 2005

Tack för Tack för uppmärksamheten!uppmärksamheten!