液晶显示面板的DICOM矫正方法研究与实现

论文总字数：23377字

摘 要

人们的生活水平的不断提高，使人们对于健康的关注程度也在不断上升，以此推动着医疗产业的不断进步。其中医疗行业的数字化，使医学诊断的主要工具逐渐从传统的胶片转变为在医用显示器上显示的图像。医用显示器相比于普通的显示器，具有一致性以及稳定性的特点，可以精确地再现医疗诊断图像。其中一致性是医用显示器的关键特点，目的是实现医疗诊断图像在不同的显示器上能够显示出统一的显示特性，以保证医生能够及时发现病灶并进行诊断和治疗。目前已经推出了医疗行业显示和通信相关的标准DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine）即医学数字成像与通信。本文目的在于探讨与分析液晶显示面板上的DICOM的矫正方法，制定矫正方案并进行设计实现，使液晶显示面板上能够显示出符合标准的图像。本文使用了FPGA作为硬件开发平台，搭建矫正系统并进行测试实验，以实现医学图像显示的一致性。本文使用LUT(Look-Up-Table)法，改善液晶显示面板的显示特性，实现DICOM校正，最终实现灰阶图像的准确再现。

关键词： 液晶显示器；查找表；医学数字成像与通信

A STUDY AND IMPLEMENT OF DICOM CORRECTION IN LCD PANELS

Abstract

With the rising of people’s living level, people focus more on hearth, which take improvement in medical industry. Digitizing of the medical industry makes the main tool of medical diagnosis changing from traditional films to the medical images on the medical monitors. Compared to normal monitors, medical monitors are consistent and more stable, can accurately reproduce medical diagnostic images. Consistency is the key feature of medical monitors, whose purpose is to make medical diagnostic images on different displays having a unified display effects to ensure that doctors can find lesions and cure in time. A medical display standard called DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) has been produced. This article aims to explore and analyze DICOM’s correction methods to design a correctional plan and then implement it. This article uses the FPGA as a hardware development platform to build the correction system and correct. The finally goal is to achieve consistency of medical images in monitors. Using LUT (Look-Up-Table) method to improve the display characteristics of the liquid crystal display to fit DICOM’s requirements, and ultimately complete the accurate reproduction of grayscale images.

KEY WORDS: LCD; LUT; DICOM

目录

第一章 引言 4

1.1课题研究背景 4

1.1.1医用显示器的特殊性 4

1.1.2 医用显示器行业市场 5

1.2主要研究内容 6

1.3文章构成 6

第二章 矫正平台整体设计 6

2.1硬件平台 6

2.2 显示器选择 6

2.2.1 灰阶数 6

2.2.2 亮度和对比度要求 7

2.2.3 显示效果均匀 7

2.2.4 响应时间和可视角度 7

2.2.5 所选的液晶屏 8

2.3 图像接口VGA 8

2.3.1 VGA接口概述 8

2.3.2 VGA硬件电路及接口 9

2.3.3 VGA时序 9

2.4 FPGA设计输出 11

2.4.1 时钟设计 11

2.4.5 VGA时序参数生成 12

2.4.6 图像数据的输出 14

第三章 矫正方法的设计 14

3.1 DICOM标准 14

3.1.1 DICOM的优势 14

3.1.2 DICOM标准的组成部分 15

3.1.3灰度图像标准函数 16

3.2 LUT法改变显示特性 18

3.2.1 gamma校正 18

3.3 测量与计算 19

3.3.1 原始特性曲线的测量 19

3.3.2计算DICOM显示特性 20

第四章 结果及分析 20

4.1 测试矫正的拟合程度 20

4.1.1 影响矫正精确性的因素 22

4.2 改进方法 23

第五章 总结 24

参考文献 25

第一章 引言

1.1课题研究背景

在1895年，伦琴发现了X射线，1896年第一台X射线发射机被发明出来。由此产生了一门全新的学科——医学影像学。发展了一百多年，医学成像技术已今非昔比，先进的医学成像技术在医院中占有了越来越重要的地位。而随着人们生活水平的提高，对于健康的要求也越来越高，对于医学诊断图像的需求也越来越大。

在许多行业，数字化已经逐渐成为了主要趋势，医疗行业也是如此。数字医疗概念的发展和推进，使医用显示器显示在这一领域体现出其重要性。医生不再像过去那样将X光胶片放在光箱前观察，而是使用医用显示器来观察要诊断的图像。这一进步，不仅极大提高了诊断的效率，也降低了医疗诊断的成本，更能使诊断图像能被恰当地保存下来，也方便了患者。

和普通的家庭用显示器不同，由于医用显示器有其特殊的用途，从而在显示特性上有着区别于家用显示器的特殊的要求。

1.1.1医用显示器的特殊性

医用显示器要满足医生能够从微小的灰阶差异上看出病灶所在，因此医用显示器有别与普通显示器，对于显示器的显示特性有着更高的要求。医用显示器的对比度以及亮度都要高于普通的显示器。在色彩深度方面，对于黑白显示器要求至少显示256级灰阶，甚至要更多级的灰阶。另外一方面，不同的显示器在显示特性上不可能完全相同，而医学图像有别于普通图像，医学图像上的病灶所在处可能不是十分明显，医生们要进行会诊才能最终的出结果。如何让医生们使用不同的显示器，却能够看到相同的诊断图像就成为了一个重要问题。医用显示器就是要解决这一问题，在输入相同的图像信息时，在不同的医用显示器上有着相同的显示特性，并且这一显示特性不随着时间的推移而发生变化。为了解决这一问题，美国放射学院(ACR)和国家电气制造协会（NEMA）在1993年发布了DICOM标准3.0，这一标准成为了医学影像学领域的国际通用标准。[1]

一般来说，相比于普通显示器，医用显示器在以下几方面具有优势：

1. 高亮度：在DICOM3.14中说明亮度和人眼可分辨数有关，为了满足阅片要求，医用显示器要有更高的亮度，目前主要厂商都能达到黑白亮度到1000-1200cd/m2。
2. 色彩深度高：医用显示器由于要使医生能辨别病灶，因此深度要在8bit以上，目前大多都能做到12bit深度（4096级灰阶）。这一问题除了屏幕的要求外，还需操作系统和显卡和传输线支持，因此具有较高的附加价值，使得相应硬件设备价格较高。
3. 高对比度：黑白一半要600:1以上。
4. 符合行业标准：契合DICOM标准是所有医用显示器的基本要求。
5. 快速背光及高度稳定：一般屏幕需要大约5-30分钟以上才能达到稳定的亮度，医用显示器可以通过背光控制在数十秒内达到稳定。
6. 亮度均匀：由于屏幕本身背光的限制，可能出现四周亮度更大，或者亮度不均匀的情况，这对于医学诊断是十分致命的，医用显示器要通过背光稳定模块达到尽量均匀的程度。
7. 环境光调节：在白天或晚上时，由于环境光亮度的变化，可能造成诊断问题。在医用显示器一般都有环境光检测的传感器，以调节背光模块的亮度。
8. 校准：由于有许多因素都会影响屏幕显示特性，使得不符合DICOM标准。例如在长时间使用后可能由于背光老化而造成屏幕偏黄，这时候校准就显得十分必要了。
9. 其他环境要求：由于使用时间较长而需要更可靠的质量保证，这也是和普通消费性产品的较大区别；可视角度要更大，因为可能有多人同时观察一块屏幕的情况出现；由于是在医院环境中使用，所以外壳材质要易于清洁并且最好使用能减少细菌滋生的材质。

医用显示器的一个主要特点是一致性，这是其区别于普通显示器的最主要之处。

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