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i model におけるモニター表示品質管理 1. はじめに ----------------------------------------------------------------- 3 2. 表示品質の変化 ----------------------------------------------------------- 3 2-1 輝度とガンマの関係 ---------------------------------------------------- 3 2-2 輝度の変動要因 -------------------------------------------------------- 4 3. i model が提供するソリューション --------------------------------------------- 5 3-1 フロント ビルトインセンサー方式 ------------------------------------------- 6 3-2 輝度安定化システム ----------------------------------------------------- 7 3-3 DICOM-GSDF 適合性の評価 ---------------------------------------------- 8 4. まとめ --------------------------------------------------------------------- 9 2007/3/28 vj7.00 M.H. Copyright 2007 TOTOKU ERECTRIC CO., LTD. All rights reserved. 2/12
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 5. 5. 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 =0.0067 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 ) ) 450 450 400 輝度 400 JND JND index 350 350 300 300 250 250 200 200 150 150 100 100 50 50 0 0 32 32 64 64 96 96 128 128 160 160 192 192 224 224 p 値 (0-255) 800 800 700 700 600 600 500 500 400 400 300 300 200 200 100 100 0 255 255 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 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 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 2-2-2 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
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
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 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
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 DIN6868-57 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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