超声诊断仪显示器的选型依据与调教

李毅 北京东方惠尔图像技术有限公司 （北京 100176）

超声诊断仪显示器的选型依据与调教

李毅 北京东方惠尔图像技术有限公司 （北京 100176）

该文介绍了液晶显示器的原理、分类、特性及选型依据，对比了不同特性显示器对超声诊断设备图像的影响，同时，对比屏幕调教前后的图像，说明显示器调教的重要性。

显示器 超声诊断仪

彩色超声多普勒诊断设备，常称彩超，是利用超声的物理特性与人体器官组织声学特质，进行疾病诊断的检查设备，因其安全、无损、无电离辐射等优点，在临床诊断中具有广泛的应用[1]。彩超系统属于医学影像设备，显示器的品质，直接关系到图像质量，进而会影响医生诊断，所以，设计彩超系统时，挑选、并优化一款显示器，是一个关键的设计环节。本文将介绍显示器相关的特性，以及选型时的一些依据。

1.显示器分类

显示器根据显示原理分类，分为CRT（Cathode Ray Tube）阴极射线管显示器，PDP（Plasma Display Panel）等离子显示器，LCD（Liquid-Crystal Display）液晶显示器，OLED（Organic Light-Emitting Diode）有机发光二极管显示器，以及近些年出现的MicroLED（Micro Light-Emitting Diode）微发光二极管显示器等[2-5]。另外，三星推出的QLED（Quantum Dot Light-Emitting Diode）量子点LED显示器，本质上还是LCD的一种。

这些类型的显示器中，CRT、PDP已经逐步淘汰，OLED成本较高，尚未大规模普及，MicroLED、QLED尚未正式商用，LCD仍是当前显示器的主流。本文将以LCD显示器技术为主，介绍显示器的选型与优化。

2.液晶显示器基本原理与分类

图1. 液晶显示器构造图

2.1 液晶显示器基本原理

液晶显示器的基本构造如图1所示，液晶分子层夹在透明的电极之间，两侧分别有一片偏振方向垂直的偏光板[3]。当液晶分子没有偏转时，光线被阻隔，当液晶分子偏转时，光线被液晶分子偏转，就可以通过另外一片偏光片，从而可以通过控制液晶分子的偏转，来实现光线控制。光线的来源，则来自背光模组，主要由光源和导光板组成。光源之前多采用荧光灯管，现在市场流行的，则是采用LED光源的背光光源。

2.2 液晶显示器分类

按照显示模式分类，液晶显示器分为扭曲向列型（Twisted Nematic，TN），平面转换（In-Plane Swithing，IPS），垂直配向（Vertical Alignment，VA）等。值得注意的是，常说的薄膜晶体管（Thin Film Transistor，TFT）是一种场效应管的特殊制作工艺，是一种驱动技术，与屏幕显示技术没有直接关系，TFT是LCD的主流驱动技术，上述TN、IPS、VA屏，都可能采用了TFT技术。

下图是TN、IPS、VA三种面板的原理解析图[6]。TN面板默认状态下液晶分子处于水平偏转状态，刚好可以将光线扭转90˚，光线可以透过液晶，当电极施加电压时，液晶分子趋于垂直状态，此时显示渐暗。IPS面板的液晶分子则一直处于水平状态，且电极在同一面，加电压时，液晶分子实现水平偏转，实现光线的扭转。VA面板液晶分子默认处于垂直状态，加电压后，液晶偏转，实现光线的偏转。

三种面板各有优劣，其中TN面板价格低廉，响应速度快，但是可视角度不足，不过采用富士的TN+Film技术后可以达到160˚，另外大部分TN面板采用6bit控制芯片，采用抖动算法实现8bit色彩效果，色彩显示单薄。IPS面板由于液晶分子始终水平，所以可视角度大，色彩还原准确，但也会造成开窗率低，功耗高，黑色纯度不够，响应速度慢于TN面板。VA面板的对比度高，可以实现纯净的黑色，色彩还原准确，但是屏幕均匀性一般，响应速度同样慢于TN。

随着技术的进步，三种面板也衍生出了各自的分类，比如TN-Film，S-IPS、H-IPS、E-IPS、MVA、PVA等等，已经不能单纯依靠采用的TN、IPS还是VA技术来判定一款面板的品质，需要根据具体面板的特性来选型，下面就介绍下，选择显示器时，需要考虑的一些特性。

3.液晶显示器特性及应用于彩超设备时的选型考虑

液晶显示器的指标主要有响应时间、可视角度、亮度、对比度、色域、灰阶、分辨率等，不同的应用场景，有不同的特性要求。

图2. 面板原理解析图

3.1 灰阶、色阶

灰阶、色阶代表了显示器显示图像层次的精细程度。Windows操作系统采用8bit来输出显示，也就是可以表示256种灰度，但是调色板占用了20个色阶，实际只有236个灰阶。彩色由R、G、B三原色表示，每种原色采用8bit表示，总共可以表示1677万色，通常表示为16.7M色。但是，市场上大部分的显示器，为控制成本，采用的是6bit显示控制芯片，再通过抖动算法，实现8bit显示，通常能显示的色彩为16.2M色。医疗用显示器，经常需要10bit，甚至12bit的灰度级别，此时除了显示器需要支持，还需要显卡支持，因为通常消费级显卡是8bit数据输出。

人眼对灰阶的分辨与亮度有关，对明亮部分的更灵敏，DICOM定义了一个标准显示函数，该函数可以在不同的亮度下显示的图像，提供某种相似性，使人眼对灰阶的反映近似线性[7]。彩超图像一般采用8bit编码，所以优选8bit显示器。但是基于成本等考虑，优秀的6bit显示器也能满足大多数要求。

3.2 对比度

对比度有三种定义，分别为静态对比度、动态对比度、ANSI对比度。

静态对比度是指，最亮的白与最暗的黑的亮度比值。显示器标注的对比度通常是最大值，是在某种特定条件下测得，不一定符合实际使用情况，如果有典型值，则更具参考意义。一般显示器的数据手册上，给出的就是静态对比度的数值。

动态对比度则是是某一瞬间的最亮白色与最暗黑色的比值，没有实际意义，常用在消费电子的市场宣传中。

ANSI对比度是指显示一个16x16的黑白色块图像，8块白色与8块黑色亮度平均值的比。该定义更能反映实际使用时能达到的对比度，但是由于数值会远低于静态对比度，很少有厂商标注该值。

3.3 亮度

单位为cd/m²，一般来说，亮度越高，人分辨灰阶的能力也越强，所以，在X光等医用显示器领域，对亮度要求比较高，一般要求1000cd/m²以上，并且要求3～10万小时，亮度不变。

选择显示器亮度时，要考虑使用环境的影响。比如，根据医院建筑照明标准，诊室的照度标准值为300lux，如果显示器的折射率为2%，那么屏幕的最低亮度为6cd/m²，如果要求对比度达到100:1时，显示器的亮度就需要达到600cd/m²[8]。另外，还要考虑显示器是否漏光，如果漏光严重，亮度虽高，也实现不了高对比度。

3.4 可视角度

可视角度的定义是，当对比度降为10:1时的角度，一般来说，TN屏的可视角度最低，通常在160度以下，而且垂直方向与水平的可视角度不同，VA和IPS则在垂直和水平方向都可以做到170度。通常来说，可视角度越大越好，否则，在不同的角度观察屏幕时，由于对比度的变化，会影响人对灰阶的分辨能力，造成阅读影像困难。

3.5 响应时间

图3. 响应时间定义

图4. 亮度均匀性定义

图5. 色彩空间对比图

响应时间反映了显示屏亮暗转换的速度，通常有两种定义。一种是一种定义为黑-白-黑的全程响应时间，也就是液晶分子从初始位置，转到最大扭转位置，再恢复初始位置的时间（见图3）[9]。一种定义为中间色阶变化的时间，因为液晶分子黑白黑的转换时，施加了最大驱动电压，所以液晶分子扭转更快，而中间色阶的变化施加电压较小，响应时间也就更慢。实际应用中，大部分转换为中间色阶的转换，所以该参数更具有实际参考意义。

一般显示器响应时间低于30ms时，视频就可能会出现拖尾现象，对于实时显示动态图像的超声设备，优选响应时间低于25ms以下的显示器。

3.6 均匀性

均匀性的含义是指，屏幕显示白色时，屏幕上最亮的点与最暗的点之间的比值，图4以1024×768分辨率的屏幕为例，介绍均匀性的计算方法。

选取固定位置的5个点，按照如下计算公式计算。

3.7 背光模式

显示器的背光驱动模式有PWM模式，DC模式，和PWM+DC混合模式。其中，PWM模式最常用，但是由于存在开关控制，频率较低时，会感受到屏幕闪烁，造成视觉疲劳，另外，还容易产生低频干扰。DC模式不存在上述问题，但是，低亮度时，亮度控制会不精准。PWM+DC模式则是两者的结合，高亮度是采用DC模式，低亮度是采用PWM模式。超声设备内部有敏感的微小信号电路，尤其是连续波多普勒（CW模式）电路，对开关频率及其敏感，所以，优选DC背光驱动类显示器。如果要选PWM模式的显示器，需要考虑其开关频率范围，尽量避开系统中的敏感频率范围。

3.8 表面工艺

表面工艺是光滑表面的，常称为镜面屏，具有亮度高，对比度高，色彩饱和度高的优点，但是容易造成反光，长时间看屏幕，容易造成视觉疲劳。为了克服该缺点，厂商采用了表面抗反光工艺，通常称为雾面屏，该类型屏幕色彩柔和，视觉感受更舒适，不易受环境光线影响，但是也会造成亮度降低、锐度降低。对于超声设备来讲，医生会长时间观看屏幕，处于医生健康考虑，更适合使用雾面屏。

3.9 色温

色温的定义，基于一个理想化的模型，假设一个物体可以完全吸收光和热，并将能量全部辐射出去，称之为黑体，而且，该黑体可以加热时辐射出光，而光的光谱随着温度而变化，另外假设该黑体发射出特定颜色光时的温度可以确定，以此来定义色温。

色温会影响彩超图像的显示风格，显示屏一般都具有色温偏向性，经过后期校准仍可能存在色温偏向，超声系统选择时，要根据客户的喜好，选择合适风格的屏幕色温。

3.10 色域、色准

色域是指显示器能够显示的颜色的总和，一般用占某种色彩空间的比例来表示[10]。色彩空间根据不同模型由多种定义，常用的如下图中所示的Adobe RGB、sRGB、NTSC 92等，显示器常以NTSC 92色彩空间为基准，表示显示器显示颜色的能力[11]。消费领域常见的屏幕色域有45% NTSC，72% NTSC等。色准是指显示某种色彩的准确度

彩超设备虽然有彩色显示，但是对于色彩的丰富程度、准确度要求并不高，所以对色域、色准参数不敏感。

3.11 其他

除了上述显示相关的特性，彩超显示屏选型时，还要考虑分辨率、机械尺寸、数据接口、电源电压、功耗等参数，这些与具体系统关系密切，这里不展开讨论。

4.彩超显示器选型对比

下面用实例来展示不同技术参数的显示器，对超声图像的影响。选用两款显示器，其技术参数如表1所示。采用相同的亮度设置，对于同一幅图像的显示效果见图6。可以明显看出，右侧采用VA技术的显示器，其对比度、细节表现能力要明显好于左侧TN显示屏。

上面的两幅图都是原始图像直接显示，没有做显示器的校准与优化，如果再经过校准优化，将可以获得更佳的现实效果，如图7所示。

5.小结

本文介绍了显示器的相关技术参数，对比了不同技术参数显示器的实际效果，并展示了优化前后的图像，说明了显示器选型以及优化，对彩超设备图像品质的重要性。虽然显示器选型时可以通过技术参数来量化对比，但是最终显示效果，以及优化方向，最终还需要实际测试，根据客户需求来评判，毕竟人对图像品质的评判，是带有主观色彩的。

表1 两种显示器的技术参数

图6. 两种显示器的图像对比图

图7. 第二种显示器优化后图像

[1] 冯若, 刘忠齐, 姚锦钟. 超声诊断设备原理与设计[M]. 北京:中国医药科技出版社, 1993.

[2] Wikipedia. Cathode ray tube[DB/OL]. https://en.wikipedia.org/wiki/Cathode_ray_tube.

[3] Wikipedia. Liquid-crystal display[DB/OL]. https://en.wikipedia.org/wiki/Liquid-crystal_display.

[4] Wikipedia. OLED[DB/OL]. https://en.wikipedia.org/wiki/OLED.

[5] Wikipedia. MicroLED[DB/OL]. https://en.wikipedia.org/wiki/MicroLED.

[6] Computerdiy. 浅谈TN、VA、IPS显色技术蓝、绿、红 三原色的缤纷世界[DB/OL]. https://www.computerdiy.com.tw/tn-va-ips/.

[7] 中华医学会影像技术学会. 医用显示器在数字影像系统的作用和选配[DB/OL]. http://csit.cma.org.cn/csit/cn/forum/topic.jsp?forumid=4&rootid=51358&topic id=51358.

[8] 中华人民共和国建设部. GB 50034-2004 建筑照明设计规范[S]. 2004-12-01.

[9] SHARP. Device Specifcation for TFT-LCD Module, LQ150X1LW12B datasheet[R].

[10] Wikipedia. Gamut[DB/OL]. https://en.wikipedia.org/wiki/Gamut.

[11] 章佳杰. 色彩空间表示与转换[OL]. https://zhuanlan.zhihu.com/p /24281841.

Selection and Adjustment of Ultrasound System’s Display

LI Yi Beijing East Whale Imaging Tech Co., LTD. (Beijing 100176)

This article introduces the principle, classifcation and characters of the LCD display. And introduces the selection basis. Compares the affection of different LCD screen. Introduces the signifcance of screen adjustment by comparing the images before and after being adjusted.

display, ultrasound system

1006-6586(2017)11-0108-04

R197.39

A

2017-04-28

李毅，超声硬件系统设计。