浅谈手持式医用显示器与传统医用显示器的区别

辽宁省检验检测认证中心 （辽宁 沈阳 110036）

内容提要： 简要介绍手持式医用显示器，对手持式医用显示系统与传统医用显示器进行对比分析，并讨论了手持式医用显示器性能评价方法。通过对比，了解其使用局限性，为实现高质量的患者护理服务，确保设备的安全使用提供指导。

智能手机和平板电脑等移动设备已得到广泛应用。通过移动客户端更加快速便捷地访问患者影像，可推广移动式设备在各种医疗环境中的使用。医生可能会在访问或不访问先前检查、报告或其他临床数据的情况下，使用手持式设备对检查作出初步判读。专业医疗人员可以将手持式设备用于术前或术中成像、介入显像、介入手术期间的引导、访问以前的检查。此外，医护人员还可使用手持式设备观察最终检查与报告，以帮助规划疗程，开展会诊以及进行住院医师培训。

1.手持式显示技术概述

随着移动显示解决方案日益增多，移动平台加快创新步伐，以及这些解决方案对公共卫生带来了潜在利益与风险，美国食品药品监督管理局（FDA）发布了一份指导文件，明确规定移动应用程序在哪些情况下应被视为医疗器械。近年来，包括手机和平板电脑在内的手持式设备已经非常普遍，还被提出作为医学成像解决方案的组件，尤其是需要立即会诊的急诊医学领域。

随着液晶显示器技术不断进步，其电能利用效率得到提高，而且在明亮环境光下的对比度可视性也得到了提高。但显示技术的一项重大创新是有机发光二极管（OLED）屏幕的出现，其占地面积较小、响应时间快速，能够减少时间模糊。有机发光二极管医用级显示器于2012年首次推出。有机发光二极管显示器无需背光即可工作，可以实现深黑电平并让设备变得更薄更轻；在低环境光下，有机发光二极管屏幕可以实现比液晶显示器更高的对比度；与液晶显示器相比，上述技术的观察角度通常更广。设备的观察角度是指其在偏离正常观察方向上保持给定对比度的能力。有机发光二极管像素即使在观察角度较广的情况下也可以实现更高的色彩保真度。此外，有机发光二极管可以制成轻薄、透明、柔性、可折叠的筒状设备，从而使其有可能用于各种可穿戴设备配备的显示器中。大多数手持式显示器包含至少一个环境光传感器（ALS），也称为照明传感器、光传感器或光纤传感器。ALS能够自动控制各种照明条件下（从黑暗到阳光直射）的背光亮度。凭借ALS，微控制器处理器可以根据环境照明来增加或降低显示器亮度。

2.手持式显示设备与传统设备的区别

手持式设备在操作方面的差异包括可变环境照明、图像尺寸和分辨率、移动、触摸、校准问题、连接性及影像压缩。手持式硬件由于其尺寸、重量和功率受限会限制计算和内存资源。

2.1 可变环境照明

手持式显示器的环境照明条件与传统医用显示器的标准观察条件可能存在较大差别。手持式设备的移动不受限制，即意味着其可在各种照明条件下使用：从黑夜到白昼。这种巨大的可变性不仅会挑战显示器技术保持其性能特性的能力，而且还会影响人类视觉系统（HVS）对所显示影像的感知方式。由于手持式设备具有高反射率特性，因此在使用者从黑暗区域移至环境照明较好的环境时，其性能会有所下降。图1将手持式设备放在可模拟四种照明条件的照明条件下（从左到右）：无灯光、行业标准人造日光（D65）、典型商店环境（CWF）和白炽灯（家庭照明），反映了不同环境照明条件对影像质量的影响。

由于使用手持式设备阅片时的环境光是不受控制的，在阅片过程中可能会发生变化，并且通常会包含明显的镜面（类似于镜子）反射。因此在使用手持式设备前进行环境评估至关重要。即使不为实现理想的可视化效果，为了记录阅片环境，也应在每次阅片时进行环境评估。

2.2 图像尺寸和分辨率

虽然手持式设备的尺寸通常小于传统医用显示器，但依然可以提供与300万像素放射科显示器类似的视觉体验。即使是iPad mini，也能在7.9英寸显示器上提供300万像素分辨率，且其在24cm处的观察效果与20英寸的医用显示器相当[1]。iPad Pro配有550万像素13英寸显示器（大约是标准乳腺X射线片的大小），所提供的胸部X射线片影像比标准300万像素的显示器更佳。尽管非Apple品牌的平板电脑倾向于使用16×9的长宽比，但其显示器和分辨率相似于Apple品牌。

2.3 运动

显示器的移动可能会严重阻碍影像评估的准确性与完整性。如果使用正在移动的显示器，则几乎无法实现全面的观察。但是，只要拿着显示器的人不动，就可以尽量减少显示器的移动。正常的手眼反馈协调可使显示器保持稳定。显示器能够方便移动是手持式设备的重要特性。显示器可易于倾斜，以避免眩光反射或某些明亮的背景照明。

2.4 触摸

触摸屏显示器提供独特的用户界面。通过一系列常用手势，可以获得直观的影像操作和强化功能。但是，所有手持式显示器的玻璃表面均非常光滑，容易显示出指纹和条纹。巧妙的用户界面（UI）设计可以将影像显示控件划分到显示器的一角或一侧，有助于保持影像区域的清洁。为了使显示器保持清晰以确保阅片不受阻碍，需要经常进行例行清洁。即使使用精心设计的用户界面，显示器也会出现条纹，因为其他应用程序并不会具有相同的用户界面设计。

图1. 不同环境照明条件对影像质量的影响

由于许多技术需要高折射率薄膜，因此添加触摸屏通常会增加反射光线的数量。制造商可以通过抗反射涂层来部分减轻此种影响。但是使用者经常在手持式设备上增加保护套，而这又影响了制造商在减少屏幕反射方面所做努力。

2.5 校准

大多数商用手持式显示器在出厂时都已经过校准，以在sRGB色彩空间中显示影像。但是，它们不会像使用灰阶标准显示函数（GSDF）校准的医用监测器那样显示灰阶影像。同样，随着医疗行业朝着标准化医学影像色彩空间的方向发展，大多数已校准过的手持式设备都需要重新校准以匹配该色彩空间。由于操作系统软件提供的访问权限有限，因此手持式设备的校准过程较为复杂。

当前，软件应用程序能够进行自行校准，有时使用特殊的测试图形，有时使用亮度计，有时使用交互式对比度调整。校准过程包括两个步骤：特征化和校正。在手持式设备上，这两个步骤均具有挑战性。理想的特征化非常耗时，因为它要通过读取液晶显示器的每个驱动电平来解决电压-光亮度函数的不连续性。但优点是，这个过程只需执行一次。液晶显示器在使用寿命期间不会发生重大变化。设备需要进行全面而仔细的特征化征，将特征化数据存储在设备或数据库中（与设备唯一关联）。这是获得准确的显示器校正的最佳方法。在已知特征化函数之后，可以很容易地将输出调整为目标函数。但缺点是，GSDF目标函数取决于环境光和显示器的特定环境反射率。大多数手持式显示器具有光滑的反射表面和极低的漫反射环境反射。为了GSDF校准和以后解决镜面反射，假定显示器处于低环境光环境中可能会比较方便。漫反射背景的反射通常不可忽略，尤其是在高环境光环境中。通过查找表校正进行的DICOM GSDF校准可能会减少显示的灰度级数量。此外，在使用全灰色渐变进行视觉检查时，可能会将潜在的条带问题变得更加明显。

3.手持式医用显示器性能评估方法

许多用于传统医用显示器评估的测试图形都可以在手持式设备中使用。然而，由于手持式设备的屏幕较小，限制了可以观察的细节数量。除了标准的质量控制测试图形，还可使用8位和10位的水平和垂直渐变来目视检查灰阶变化[2]。可以使用固定分辨率目标（例如1024×1024分辨率显示器抽取的512×512测试方块）来测试物理分辨率。TG18-LN或具有较大测试面积的等效测试图形用于研究光亮度目标模型之间的亮度一致性。专业人员目测评估需要更详细的灰阶渐变和分辨率目标可使用TG18-QC测试图形。另外，还可能需要单独的测试图形来评估坏点、均匀性和色域。这些评估应在受控照明环境中进行，以确保适用性和重现性。

显示器影像质量的量化评估可为其提供最详细及重现性评估，同时还可以在发现设备性能不足时对其进行校准。显示器的光学测量评估通常分为暗室测量值和环境测量值。暗室测量值确定显示器的固有发射特性。影响显示器影像质量的属性包括光亮度、色域、亮度均匀性、对比度以及与DICOM GSDF的偏差。由于某些显示器技术会显示光亮度负载效应，因此建议使用小于10%的平均像素等级测试图形对设备性能进行测试。这将要求一次测量一个灰度级的灰阶。通常还可以在暗室条件下测量运动伪影，同时使用1-D正弦黑白图形（与IEC61988-2-4中使用类似）来测量静态和动态影像的显示器分辨率[3]。

由于移动显示器上的感知影像可能会受到环境光照明环境的显著影响，因此还需要评估照明环境对影像的影响。对于非透明显示器，照明环境对感知影像的主要影响在于光如何反射到观察者。这通常通过光度或光谱反射系数来表征。

4.小结

尺寸、分辨率、观察距离甚至亮度并不是手持式影像观察设备的重要问题。虽然可以通过触摸屏界面来使影像区域没有指纹和条纹，但由于显示器可能因使用其他应用程序或仅因随身携带而变脏，因此即使在最佳情况下，仍应要求放射科医生在每次观察之前清洁显示器。镜面反射可能是使用手持式设备所面临的最关键问题。虽然显示器可以通过倾斜（即使在阅片过程中）来避免眩光，但使用者需要注意存在破坏性反射的可能性。

手持式医用显示器应用前景广阔。通过上述内容的比较，可以发现在手持式设备上观察医学影像时，最主要的问题是显示器本身是否能够充分显示必要的影像细节以及环境因素对影像质量的影响。希望本文能对医用显示器的研究有所帮助，了解其使用局限性，为实现高质量的患者护理服务，确保设备的安全使用提供指导。