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れいがふくだ
4 years ago
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2 i model におけるモニター表示品質管理 1. はじめに表示品質の変化輝度とガンマの関係輝度の変動要因 i model が提供するソリューションフロントビルトインセンサー方式輝度安定化システム DICOM-GSDF 適合性の評価まとめ /3/28 vj7.00 M.H. Copyright 2007 TOTOKU ERECTRIC CO., LTD. All rights reserved. 2/12

3 1. はじめに PACS の普及とともに診断用モニターの品質管理の重要性は高まり品質管理手法についてはガイドラインや国際規格というかたちで世界的に整備されつつあるそれと同時に医療現場では増大するモニター設置数に対応すべく簡単かつ定量的に日々の品質管理を行いたいという要求が高まってきているその要求に応え TOTOKU が商品化したのが i model である i model は前面に配置した輝度センサーにより医用画像表示モニターの画像品質を決定付ける要素である輝度とガンマの品質管理を簡単かつ短時間に行う事を可能とし同時に高い輝度安定性を実現したまた TOTOKU のモニター管理用ソフトウエア PM Medivisor を併用する事により PACS 上に接続された多くのモニターの品質管理が自動で行えるようになるこのソフトによりデータの管理や閲覧も非常に容易になるためモニター品質管理にかかる時間とコストを抑える事が可能となる本ペーパーでは管理すべき医用画像表示モニターの品質とは何か品質変動の要素とは何かまた品質を安定させ管理するために i model に付加された機能とは何かについて述べたい 2. 表示品質の変化 2-1 輝度とガンマの関係前項で輝度とガンマは医用画像品質を決定付ける要素と記したがその理由について説明しておきたいガンマとはモニターに入力される信号に対する出力輝度の特性を指し医用画像表示モニターにおいては DICOM Ver.3 Part14 にて GSDF(Grayscale Standard Display Function) という形で定義されている本来ガンマ特性とは出力輝度が入力電圧のガンマ乗である特性を意味し GSDF とは DICOM で定義された特性を指すが本ペーパーでは便宜上入力信号対出力輝度の特性を表す一般的な表現としてガンマを用いるちなみに DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine) とは医用デジタル画像と通信に関する標準規格であるその一部を構成する Part14 は医用画像表示モニターやプリンタ等の表示装置についての規定をまとめたものであり GSDF を用いる事によりあらゆる表示装置で画像の見え方を等しく再現する事を目的としている図 GSDF に校正された 8bit 8bit モニターの輝度特性 dl 500 L 輝度 (cd/m 2 ) 1 (L: 平均輝度 ) (dl: 知覚可能な最小の輝度変化 ) L dl 平均輝度 500cd/m 2 における 1JND = 3.3cd/m 2 dl/l = 平均輝度 1cd/m 2 における 1JND = 0.024cd/m 2 dl/l =0.024 閾値コントラスト =dl/2l 1) 輝度 (cd/m 2 2 ) ) 輝度 400 JND JND index p 値 (0-255) p 値の増分に対する輝度の増分が知覚的に直線関係に校正されている JND index 図 1 視覚モデルと輝度特性ここで定義される GSDF は人間の視覚特性をモデル化した Barten モデルに基づいたもので低輝度領域でも高輝度領域でも視覚上リニアな階調が得られるように定義されているその仕組を理解するには JND(Just Noticeable Difference) の概念を知っておくと便利である JND とは人間の目が知覚できる最小の輝度差の単位を指し図 1のように低輝度では輝度差は小さく高輝度では大きくなるこれは人間の視覚特性が輝度差に対して低輝度では鋭敏に高輝 Copyright 2007 TOTOKU ERECTRIC CO., LTD. All rights reserved. 3/12

度では鈍感になっているためである GSDF はグレースケールの各ステップに対して得られる JND 値が均等となるように定義されておりその結果として視覚上リニアな階調が得られるわけである重要なポイントとして GSDF は表示装置が出力する最低輝度と最高輝度によって一意に決定される事を上げておこう平たく言えば GSDF は最高輝度が 300cd/m 2 の場合と 400cd/m 2

4 度では鈍感になっているためである GSDF はグレースケールの各ステップに対して得られる JND 値が均等となるように定義されておりその結果として視覚上リニアな階調が得られるわけである重要なポイントとして GSDF は表示装置が出力する最低輝度と最高輝度によって一意に決定される事を上げておこう平たく言えば GSDF は最高輝度が 300cd/m 2 の場合と 400cd/m 2 の場合は異なるつまり輝度と GSDF は密接な関係があり輝度が変動してしまえばそれまで設定されていたガンマは GSDF に適合しなくなってしまうのであるでは輝度が変動した場合具体的にはどのような不具合が生じるのであろうか例として最高輝度 400cd/m 2 で DICOM GSDF に一致すべくキャリブレーションされたモニターにおいてバックライトの劣化等により 20% の輝度低下が発生した場合について考えてみようこのとき最高輝度は 320cd/m 2 となるこの場合モニターのガンマは 400cd/m 2 時の GSDF に合わせて設定されているわけであるがあるべきガンマ設定すなわち最高輝度 320cd/m 2 時の GSDF との間に違いが生じるこれを模式化したものが図 2である図 2 20% 輝度低下時のガンマカーブの比較この図から判る事は 400cd/m 2 から 320cd/m 2 に輝度が低下する場合その時のガンマは 320cd/m 2 で目標とされるガンマと比較して低輝度領域においてグレースケールの階調変化が識別しにくくなることを意味し適切な画像診断が行えなくなる懸念があるまた上記のような階調特性の変化以外にも輝度の変化は診断に悪影響を及ぼし得る PACS 端末には2 台の ( もしくはそれ以上の ) 医用画像表示モニターが接続される場合が多いその際モニターは並べて配置されるわけであるが各モニターで輝度が異なる場合読影医は視覚的心理的なストレスを受ける可能性があるこれらの事から 1モニターのガンマは設定された輝度に対して DICOM GSDF に基づき正しくキャリブレーションされる必要があり 2 設定された輝度は一定に保持される必要があるという結論が導き出されるのである 2-2 輝度の変動要因上記では輝度変化がガンマに与える影響を述べ輝度安定化の必要性を説いたわけであるが次に何が原因で輝度変化が発生するのかについて考察してみよう輝度変動は主として次のような要因があげられるバックライトとして用いられている光源 ( 蛍光管など ) の輝度変化バックライト系の光学材料の反射率および透過率の経時変化図 3 液晶パネル断面構造 Copyright 2007 TOTOKU ERECTRIC CO., LTD. All rights reserved. 4/12

それぞれの変動要因についてもう少し詳しく説明しよう 2-2-1 光源バックライト光源には一般に発光効率が優れた蛍光管が用いられている蛍光管は管内部の両端に冷陰極を配置し内部には希ガスと極微量の水銀を封入し内壁には蛍光体が塗布された構造になっている蛍光管の端子に高電圧を印加すると電極から放出した高速の電子が水銀原子に衝突し励起することによって紫外線を発生し

5 それぞれの変動要因についてもう少し詳しく説明しよう光源バックライト光源には一般に発光効率が優れた蛍光管が用いられている蛍光管は管内部の両端に冷陰極を配置し内部には希ガスと極微量の水銀を封入し内壁には蛍光体が塗布された構造になっている蛍光管の端子に高電圧を印加すると電極から放出した高速の電子が水銀原子に衝突し励起することによって紫外線を発生しその紫外線が内壁の蛍光体によって可視光線に変換されるこのような発光原理に基づくため発光輝度は管壁の温度や管電流に大きく影響しまた点灯時間とともに水銀の枯渇や蛍光体劣化が進んで輝度が低下していく図 4は代表的な蛍光管の輝度と温度および管電流との関係を示したものである図 4. 蛍光管周囲温度及び管電流による輝度バックライト系光学材料バックライトユニットには光源を液晶パネルの背面直下に配置した直下型とパネルの上下あるいは左右の縁に配置したエッジライト方式があるいずれも発光面のむらを低減するための拡散板光の利用率を上げるための反射板光を効率よく前方に導くための輝度上昇フィルムなど様々なプラスチック製光学部材が使用されているまたエッジライト方式ではエッジの光源を液晶パネルの背面全域にむらなく導くために透明のプラスチック製導光板が用いられている蛍光管には厳重な紫外線漏れ対策が施されてはいるが極微量ではあるがそのバリヤーを通り抜け至近距離にあるこれらのプラスチック材料 ( 図 3) を照射するそのため時間とともに材料の透過率が減少し輝度が低下していく 3. i model が提供するソリューション本章では i model が前述した輝度変動要素を如何にして排除し高度な輝度安定を実現しているのか更にどのようにして輝度やガンマの品質管理を行っているのかについて述べていきたい輝度安定化の方法としては輝度を検知するセンサーと調光回路で構成されるフィードバックシステムを用いるのが一般的である取り付けられるセンサーの特性や位置または調光回路の精度等により得られる安定性に差異が出てくることが明らかになっている TOTOKU は i model の開発に際して様々な方式を評価研究した結果液晶パネル上に組込みセンサーを配するフロントビルトインセンサー方式を採用 [n2] したこれまで培ってきた輝度安定化システムのノウハウとフロントビルトインセンサーの組み合わせにより更に高レベルな輝度安定を実現できたセンサーを含む輝度安定化システムは診断を妨げることなく輝度とガンマの品質評価を行えるように設計されている輝度はリアルタイムに監視され輝度値はディスプレイ上の OSD で簡単に確認できる仕組みとなっているまたガンマ Copyright 2007 TOTOKU ERECTRIC CO., LTD. All rights reserved. 5/12

6 の品質管理に関しては AAPM の DICOM GSDF 適合性試験が容易に行えるようになっておりオプションの運用管理ソフト PM Medivisor と組み合わせることで輝度とガンマの定量的な品質管理を自動で行うことができる 3-1 フロントビルトインセンサー方式 i model に装備されているフロントビルトインセンサーにはどのような優位点があるのであろうか前項で輝度安定化回路は輝度検知センサーと調光回路で構成されるフィードバックシステムであると記したがその方式には大きく分けて二つあるひとつがフロントセンサー方式でありもうひとつがバックライトセンサー方式であるバックライトセンサー方式は光源の安定化には非常に有効な方法である例えばディスプレイの電源を投入するとバックライト自体の温度や周囲温度が時間とともに上昇しその影響でバックライト輝度も変化するわけであるがこのバックライトセンサー方式を用いる事により電源投入時から輝度安定に至るまでの時間を飛躍的に短縮する事ができるまた長期間使用した場合のバックライトの劣化に対しても本方式は十分に対応しうる但し 2 章で述べたパネル内部の光学的な輝度変動要因で発生する実際にユーザーが見る光の変化はフィードバックループには含まれないためその要因による輝度変化には対応できないそれに対してフロントセンサー方式はパネル光学部位を含んだフィードバックループの構成が可能であり輝度の安定度についてはバックライトセンサー方式と比べて優れているといえるまたセンサーがパネル上に配置されておりパネルが出力するあらゆる階調の輝度を測定できることも可能であるためガンマの品質管理も可能であるさらにフロントセンサー方式にも大きく分けて固定式と可動式の二つがある詳しくは下表を参照していただきたいが TOTOKU では各方式を比較検討した結果として固定式を採用している固定式は可動式では避けられないメカニカルな作動音複雑な構造による故障などの問題とも無縁であるというメリットがある i model のフロントセンサーはビルトインタイプであり診断の妨げにならないように非常に小型に設計されパネルのコーナー部位に配置されているセンサーユニットは外光の影響を受けないようにパネル表面にほぼ密着しセンサー周囲は遮光シールドが施されているこのセンサーはディスプレイが使用されている状態では常に動作しておりリアルタイムでの輝度監視すなわち輝度安定化が可能であるまたガンマ評価の際にはいくつかの異なる中間輝度を表示する必要があるが i model ではその表示 / 輝度測定用エリアはフロントセンサーが位置する部分のみであり医用画像が表示されるエリアに全く影響を及ぼさないため診断作業を妨げる事が無い表 1 センサー方式比較輝度センサーの種類長所短所固定式フロントビルトインセンサー (TOTOKU i model にて採用 ) 1. 固定式であるためメカニカルな故障要因が無い 2. センサー稼動時に不快な作動音が発生しないため診断が妨げられる事が無い 3. リアルタイムでの表示面輝度監視ができる 4. 表示面の中間輝度の測定ができる 1. 画面端の一部がセンサーにより覆われる (i model のセンサーサイズは約 5mm 角 ) 可動式フロントビルトインセンサー 1. 非稼動時にセンサーはベゼルに収納され全画面が見渡せる 2. 中間輝度の測定ができる 1. メカニカルな部分があるので構造が複雑になる 2. センサーを稼動する場合に機構部を持っているので作動時に音が発生する可能性があるバックライトセンサー 1. バックライト背面に装備されるため全画面が見渡せる固定式であるためメカニカルな故障要因が無い 1. 光学部材による輝度低下はフィードバックできない 2. 中間輝度が測定できない 3. リアルタイムでの表示面の輝度監視ができない Copyright 2007 TOTOKU ERECTRIC CO., LTD. All rights reserved. 6/12

外部輝度センサーを画面中央に配置してキャリブレーションを行う時にビルトインセンサー校正テーブル LUT(Look Up Table) を作成することにより行われるこの LUT を用いることで表示画面の輝度を安定化することが可能となる LUT は次回キャリブレーションの時に書換えが行われるまで保持され輝度制御回路の基準値として使用される輝度制御回路はモニターの電源投入と同時に動作を開始し

7 3-2 輝度安定化システムではその i model のフロントビルトインセンサー方式の構成について説明しよう図 5にフロントビルトインセンサー方式の原理図を示す図 5. フロントビルトインセンサー方式の原理輝度測定系はセンサー素子構造微小電流増幅回路およびファームウエアなどが液晶透過光を測定するために最適化設計されておりグレースケール全域にわたって高輝度から低輝度までを安定した測定としデータを取得することができる画面中央の輝度とフロントビルトインセンサーの輝度校正は外部輝度センサーを画面中央に配置してキャリブレーションを行う時にビルトインセンサー校正テーブル LUT(Look Up Table) を作成することにより行われるこの LUT を用いることで表示画面の輝度を安定化することが可能となる LUT は次回キャリブレーションの時に書換えが行われるまで保持され輝度制御回路の基準値として使用される輝度制御回路はモニターの電源投入と同時に動作を開始しモニターが稼動している間は常に輝度の監視を行う図 6. 輝度立ち上がり特性と安定性輝度の検出と制御は電源投入時の初期変動が大きい期間には 1 秒間に数 10 回動作が安定した状態では 1 秒間に数回行われ常に目標輝度 ( 最大輝度 ) からのずれが補正される図 6に i model の輝度の立ち上り特性と安定性を示す電源投入後定格輝度に到達するまでの時間は輝度制御を行わない場合に比べ i model では大幅に短縮されまた稼働中の輝度変動も補正されていることがわかる輝度値は OSD 上で表示する事も可能でありユーザーは非常に簡単に輝度の状態を確認する事ができるまたモニターの管理ソフトである PM Medivisor を併用する事でディスプレイの管理者は個々のモニターの OSD を操作する事なく一台の端末上でネットワークに接続される i model 全数の現在の輝度値や輝度の変動傾向を把握する事が可能となるなお光源が故障あるいは寿命末期状態となり設定された輝度への制御が不能になった場合は PM Medivisor 上でアラームが表示され異常状態で画像観察が行われるのを防ぐことができる Copyright 2007 TOTOKU ERECTRIC CO., LTD. All rights reserved. 7/12

3-3 DICOM-GSDF 適合性の評価 i model ではリアルタイムで輝度の確認ができるだけでなくガンマの状態を簡単に評価する事が可能である前述したように医療画像表示用モニターにおいてはそのガンマが DICOM GSDF に適合している必要があるこの適合性の評価にはいくつかあるがその中でもアメリカの医療画像表示用モニターに関するガイドラインである AAPM TG18

8 3-3 DICOM-GSDF 適合性の評価 i model ではリアルタイムで輝度の確認ができるだけでなくガンマの状態を簡単に評価する事が可能である前述したように医療画像表示用モニターにおいてはそのガンマが DICOM GSDF に適合している必要があるこの適合性の評価にはいくつかあるがその中でもアメリカの医療画像表示用モニターに関するガイドラインである AAPM TG18 に記述されている輝度応答特性評価がもっとも世に知られているといっても差し支えないであろう TOTOKU は i model の評価方法にこれを採用しモニターの GSDF 適合の可否を明確にユーザーに示す事ができるようになった AAPM TG18 の輝度応答特性評価ではモニターの最小輝度と最大輝度そしてその間の 16 点の中間輝度合計 18 点の輝度を測定する中間輝度の測定にはフロントセンサーの採用が不可欠である輝度測定用の表示領域はフロントセンサーが配置されている部分だけでよく医用画像の表示には全く影響を及ぼさないそのためユーザーは診断作業を妨げられる事がない評価結果は PM Medivisor 上で確認する事ができ万が一評価結果が DICOM GSDF に不適合という事になれば管理者に警告メッセージが発信されキャリブレーションを促すではこの AAPM TG18 の輝度応答特性評価とはどのようにして行われるのであろうか下記の算出手順を説明する 1 外光を含むモニターの最小輝度から最大輝度までの 18 点の輝度測定を行う 8bit 入出力システムの場合入力信号のデジタル駆動レベル (DDL) で 0 から 255 まで 15 刻みでの測定を行う事になるこの時の測定輝度をそれぞれ L 0,L 1,L 2 L 17 L 18 とする 2 隣り合う測定輝度 L I とL I-1 の間に含まれる JND 数を算出する (J I -J I-1 ) 3 隣り合う輝度の輝度変化量すなわちコントラストを算出する 2(L I -L I-1 )/(L I +L I-1 ) 4 各測定区間における1JND あたりのコントラスト ( 輝度変化率 ) である輝度応答値 δを算出する δ i =2(L I -L I-1 )/(L I +L I-1 )(J I -J I-1 ) 5 目標となる DICOM 3.14 GSDF でも上記 1-4の作業を行い目標輝度応答値 δ id を算出する 6 輝度応答値誤差を算出する κ δ =Max( δ i -δ id ) 7 この値が診断用の場合は 10% 以内であれば DICOM GSDF に適合という判断を 10% 以上の場合は不適合という事になるここで与えられる各測定期間での輝度応答値 δはモニターのガンマもしくは GSDF がどのようなカーブを描くのかを示し最終的に得られるκ δ はモニターのガンマのカーブが目標である DICOM GSDF に対してどれくらい近似しているのかもしくは乖離しているのかを示す指標になるわけであるこのように DICOM GSDF 適合試験は煩雑ではあるが i model と PM Medivisor を併用することによりユーザーは上記の試験を自動で行う事ができる試験結果の履歴管理や定期的な試験を行う事も可能である試験はごく短時間で済み試験時のワークステーションの負荷も非常に軽くビューワーやその他のアプリケーションへの影響も無いためユーザーは試験中でも快適に診断作業を続ける事ができる図 7. 自己診断の表示例 ( カラーモニターの例 ) Copyright 2007 TOTOKU ERECTRIC CO., LTD. All rights reserved. 8/12

9 4. まとめ本ペーパーでは LCD で起こる輝度やガンマの変化についての詳細と TOTOKU の i model が新採用の輝度安定化システムでそれにどのように対応しているかについて述べた医療用モニターでは輝度やガンマの安定が必須であるが Totokuの新システムはそれらをより高いレベルで実現させるため様々な工夫が凝らされていることがおわかり戴けたかと思うまた冒頭で述べたように現在医用画像表示用モニターの品質管理手法はガイドラインや国家規格というかたちで整備されつつありその代表的なものとしてはドイツの国家規格である DIN アメリカのガイドラインである AAPM TG18 日本のガイドライン JESRA 等が上げられるいずれも試験には時間がかかり試験者には知識と経験が要求される TOTOKU が i model で提供する品質管理手法は上記の国家規格ないしガイドラインでの品質管理に置き換わるものではなくそれらを補完するものとして位置付けられる特筆すべき点としては誰でも簡単にかつ定量的に品質管理を行えるという事でありモニターの設置台数が多い場合でもモニター管理者の負担はかなり軽減される最後に i model の特徴をまとめ結びとしたい 1 バックライト光源を含む光学系全体が輝度制御ループに含まれるため光源だけを制御する方式に比較して原理的にも実際にも高精度高安定度が得られる 2 フロントビルトインセンサーは工場出荷時に基準輝度計で校正され校正表はモニター内部に保持されているのでモニターが次回キャリブレーションを行うまでの期間はこの校正表を用いて輝度が管理されるまたこの校正表はモニターがキャリブレーションされる度に自動的に更新される 3 AAPM TG18 に基づいたキャリブレーション結果のデータは運用管理ソフト PM Mediviser との連携により管理ステーション ( サーバー PC) へ保存されキャリブレーション履歴などその他の稼働情報と共に集中一元管理が可能である Copyright 2007 TOTOKU ERECTRIC CO., LTD. All rights reserved. 9/12

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untitled Technical Overview グラフィックス用モニターにおける液晶パネルの温度特性の補正技術 CONTENTS 1. はじめに...2 2. 液晶モニターの安定性...2 3. 階調特性輝度の安定性に影響をあたえる要因...3 4. 温度センシング機能と有効性...4 5. まとめ...11 No.10-003 Revision B 作成 : 2010 年 4 月株式会社ナナオ企画部商品技術課