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SCHWERPUNKT

Identische Darstellung bei jeder Betrachtung

DICOM-Kalibrierung medizinischer Monitore – zwei Methoden im Vergleich Diese Analyse beschreibt die Grundlagen der automatischen Monitorkalibrierung. Adi Abileah, Chief Research Scientist Planar Systems Inc., vergleicht die beiden gebräuchlichsten Kalibrierungsmethoden, wie sie die meisten Hersteller verwenden. Er geht deren Vor- und Nachteilen auf den Grund. Die Diagnosesicherheit ist das entscheidende Element für eine verlässliche Bildinterpretation. Es muss sichergestellt sein, dass die Darstellungen auf den medizinischen Monitoren exakt den Eigenschaften des Originals entsprechen. Die Bilddarstellung muss einheitlich und wiederholbar sein, nicht nur für ein und dasselbe Display, sondern für alle Displays im gesamten Gesundheitsbereich. Die Bilder werden von Geräten aufgenommen und in den PACS gespeichert. Die Speicherung

Abb. 1 Die Dicom-Kurve zeigt, dass das menschliche Auge empfindlicher bei Kontrast-Unterschieden im unteren Bereich reagiert (Ordinate – logarithmische Skala der Helligkeit)

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erfolgt als Datei. Diese enthält die Bildelemente mit digitalen Informationen der relativen Signalstärke. Die digitalen Werte werden dann auf dem Monitor so angezeigt, dass jedes Bildelement mit genau der richtigen Intensität originalgetreu dargestellt wird. Die Kalibrierung ist notwendig, damit eine identische Darstellung bei jeder Betrachtung gewährleistet ist. LCDMonitore benötigen eine initiale Kalibrierung für die Anpassung an die Umgebungsbedingungen und für die Anpassung des Licht-Ausgabe-Bereiches an die DICOM-Kurve. Auf Grund des Alterungseffektes dieser Monitore ist später eine automatische oder manuelle Kalibrierung notwendig, um die Konformität mit dem DICOM-Standard weiterhin sicherzustellen.

Die DICOM-Kurve - ein Darstellungsstandard für die Empfindlichkeit des Auges Auf Grundlage von Modellen des menschlichen Sehens und von Messungen der Darstellung einzelner Pixel auf den Monitoren wurde eine Abhängigkeit zwischen den digitalen Bilddaten und der dargestellten Bildhelligkeit eingeführt. Die Art und Weise, wie das menschliche Auge auf unterschiedliche Lichtstärken reagiert, ist nicht linear. Bei wenig Licht können wir kleinste Veränderungen der Helligkeit unterscheiden. Bei höheren Lichtstärken müssen die Helligkeitsunterschiede viel größer sein, damit wir sie unterscheiden können. Eine Kurve zeigt den Zusammenhang zwischen

den gemessenen Helligkeitsunterschieden und dem Anstieg der wahrgenommenen Differenzen. Die DICOM-Kurve wurde entwickelt, um die Empfindlichkeit des menschlichen Auges bei Kontraständerungen abzubilden. Die AAPM-Arbeitsgruppe 18 (American Association of Physicists in Medicine) entwickelte die DICOM-Kurve um sicherzustellen, dass alle radiologischen Monitore der Empfindlichkeit des menschlichen Auges entsprechend standardisiert sind. Auf der DICOM-Kurve wird ein Bild auf einer Skala von 0 bis 1023 dargestellt, wobei 0 der dunkelste und 1023 der hellste Punkt sind. Jeder Anstieg des Grauwerts entspricht dem Anstieg der Helligkeit zwischen 0,05 cd/m2 und 4,000 cd/m2, welcher gerade noch vom Auge unterschieden werden kann. Das Ergebnis ist die Abhängigkeit des Grades der Helligkeit von der visuellen Wahrnehmbarkeit. Diese DICOMKurve ergibt spezifische Grauskalenwerte in einem definierten Bereich der Helligkeit, welcher praktisch linear in der Wahrnehmung ist. Die DICOM-Kurve (Abbildung 1) wird in der Regel auf einer logarithmischen Skala als Abhängigkeit der Helligkeit vom Anstieg des Grauwertes dargestellt und ist inzwischen internationaler Standard. Sie stellt einen objektiven und quantifizierbaren Ansatz für die Darstellung digitaler Bilder auf Monitoren sicher. Die DICOM-Standardisierung der Monitore und die Anpassung an die Kontrastempfindlichkeit des menschlichen Auges stellen sicher, dass ein bestimmter Grauwert auf verschiedenen Monitoren gleich dargestellt wird. Das ist der Standard für die Ansicht von medizinischen Graustufen-Bildern. Er wurde entwickelt, um praktisch das gleiche Ergebnis wie bei der Betrachtung eines Filmes zu liefern.

Die Arbeitsweise von AMLCDs Für das Verständnis der DICOM-Kalibrierung ist die Arbeitsweise von Aktiv-

MatrixLCDs (AMLCD) wichtig. Wenn eine bestimmte Spannung an ein LCD-Display angelegt wird, dann produziert sie eine entsprechende Ausgangs-Helligkeit. Diese Helligkeit ist eine Kombination des Hintergrundlichtes, welches durch ein Flüssigkristall-Element austritt, und anderen optischen Elementen. Das entstehende Bild nehmen wir mit den Augen auf. Ein Aktiv-Matrix-LCD-Monitor besitzt ein helles Hintergrundlicht. Dieses wird durch mehrere Lampen erzeugt und wirkt wie ein Lichtkasten. Das Licht strahlt zum Betrachter durch ein Feld von Pixeln, welche aus kleinen rechtwinkligen SubPixeln besteht, die in die Glasschichten eingelassen sind. Jedes Sub-Pixel ist wie ein kleiner Schieber, der sich öffnet und schließt, um das Hintergrundlicht in Abhängigkeit von der angelegten Spannung passieren zu lassen. Über und unter den Pixeln befinden sich Schichten mit polarisierenden Filtern und anderen optischen Filtern, die die Bildqualität verbessern (siehe Abb. 2). Bei Betrachtung der DICOMKurve ist zu beachten, dass jedes AMLCD seine eigene Reaktions-Kurve besitzt. Die Stärke der Ausrichtung der Flüssigkristalle, um das Hintergundlicht passieren zu lassen, hängt von der Höhe der an das Pixel angelegten Spannung ab. Bei einer hohen Spannung richten sich die Moleküle vollständig aus und erlauben einen hohen Grad der Lichtdurchlässigkeit. Eine

Abb. 2 Basis-Struktur eines AMLCDs

geringe Spannung führt zu einer weniger gleichmäßigen Ausrichtung und bewirkt eine geringere Lichtdurchlässigkeit. Der Spannungswert zur Steuerung der Pixel verläuft nicht linear. Im mittleren

Bereich von ca. 1,5 bis 2,5 V liegt fast der gesamte Übertragungsbereich. Im hohen und im tiefen Bereich flacht die Kurve jedoch ab. Das ist die so genannte Ansprechkurve des AMLCD (siehe Abb. 3). Diese Kurve darf nicht mit der DICOM Kurve verwechselt werden, ist aber genauso

Gerät auspackt. Bei normaler Nutzung muss die obere Helligkeitsgrenze bei veränderten Lichtbedingungen im Raum neu eingestellt werden. Dann kann sich das System schnell mit dem neuen Maximalwert rekalibrieren. Andere Monitor-Hersteller verlangen vom Nutzer die Durchführung der initialen Kalibrierung als Teil des Bildschirmset-ups oder bei jeder Veränderung des Peak Levels. Dies bedeutet einen zusätzlichen Zeitaufwand, bei dem das Gerät nicht für die Diagnose genutzt werden kann. Hier kann zudem eine Fehlerquelle liegen.

Zwei Methoden zur Aufrechterhaltung der DICOM-Kalibrierung Abb. 3 Typische AMLCD-Ansprechkurve

wichtig für die Kalibrierung des Monitors. Jedes Flüssigkristall-Element hat eine etwas abweichende Ansprechkurve. Diese muss gemessen und auf der DICOM-Kurve abgebildet werden. Ein Beispiel: Um einen definierten Digital Drive Level (DDL) für das Pixel # 2.999.999 zu erhalten, ist eine Spannung x und für das Pixel # 3.000.000 ist eine Spannung y notwendig. Die Ansprechkurve ist in der Zuordnungstabelle („Look-up Table“, LUT) des Monitors hinterlegt. Tatsächlich ist die LUT ein Speicher. Dieser enthält für jedes Pixel oder als Mittelwert für den ganzen Bildschirm den entsprechenden Spannungswert, der für ein bestimmtes Ergebnis notwendig ist, damit dieses der DICOMKurve entspricht. Studien haben gezeigt, dass Flüssigkristalle, Glas und optische Filter zeitbeständig sind und sich unter normalen Nutzungsbedingungen nicht signifikant ändern (1). Planar führt das LUT-Mapping für verschiedene Helligkeitsstufen bei der Herstellung mit Präzisionsphotometern durch und speichert diese Daten im Monitor. Damit ist die initiale DICOM-Kalibrierung bereits durchgeführt, bevor der Kunde das

Unter DICOM-Kalibrierung wird allgemein die Überprüfung und Neukalibrierung von Monitoren verstanden, die bereits initial auf die DICOMKurve geeicht wurden. Darauf beziehen sich die folgenden Erläuterungen. Die DICOM-Kalibrierung beinhaltet zwei Variablen: 1. die „overall peak luminance“ und 2. die Graustufen-Unterteilung („graylevel separation“). Die Maximal-Helligkeit („white level“) entsteht durch die Hintergrundbeleuchtung, die auf einen bestimmten Helligkeitswert eingestellt ist. Die ursprüngliche Maximal-Helligkeit ist normalerweise höher als die eingestellte, um die Hintergrundbeleuchtung zu schonen. Mit der Zeit nimmt die maximale Lichtstärke ab, da das Phosphor der Lampen ausglüht. Das Zurücksetzen der Maximal-Helligkeit auf einen geringeren Wert als die Initialeinstellung ermöglicht durch die Kalibrierungs- und Lampensteuerungs-Routine den Betrieb unter kontinuierlichen Bedingungen. Damit die DICOM-Kurve auch bei alternden Displays erhalten bleibt, muss das Hintergrundlicht für eine konstante Maximalhelligkeit über eine Inverterschaltung angepasst werden. Die exakte Spannungskontrolle der Ansteuerung der Flüssigkristall-Elemen-

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te ist Voraussetzung für eine gute Unterscheidung der Graustufen. Nur so ist es möglich jedes Pixel so anzusteuern, dass genau der Grauwert angezeigt wird, der der DICOM-Kurve entspricht. Die Industrie verwendet heute in der Regel zwei Methoden der Kalibrierung für medizinische Monitore. 1. Die Methode A verwendet einen Sensor in der Mitte der Rückseite der Hintergrundleuchten zur Messung der Helligkeit. 2. Andere Hersteller verwenden einen kleinen Sensor an der Vorderseite am Rand oder in einer Ecke des aktiven Felds (Methode B). Beide Methoden haben ihre Vor- und Nachteile.

Methode A (Hintergrundlicht-Kontrolle) Die Methode A verwenden u.a. Planar und andere Monitor-Hersteller. Der Sensor befindet sich an der Rückseite der Hintergrundleuchten und misst dort die Helligkeit über den Rückstrahler (rear reflector), ohne den Einfluss von Material-Inhomogenitäten des FrontBereichs. Der Sensor misst vom Zentrum des Monitors aus, was auch für den Betrachter von Bedeutung ist. Mehrere Lampen können gemessen werden, ohne dass eine Dämpfung durch die Flüssigkristalle, den Polarisator oder durch andere Schichten an der Vorderseite der Lampen stattfindet. Das Ergebnis ist eine direkte Messung der Hintergrundlicht-Leistung, welche für die Einstellung der Maximal-Helligkeit und die Darstellung der verschiedenen Graustufen entscheidend ist. Diese Methode geht von folgenden Voraussetzungen aus: Sobald die Look-up-Tabelle (LUT) beim Hersteller auf die DICOM-Kurve eingestellt ist, bleibt die Flüssigkristall-Matrix unverändert stabil. Der maximale Kontrast (white level) wird durch die Inverter-Steuerungsschaltung konstant gehal-

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ten, auch wenn die maximale Lichtleistung abnimmt. Die Verwendung eines Photometers im zentralen Bereich ist die optimale Position für die Messung des Kontrastes. Die werkseitige Bestimmung der Ansprechkurve der Flüssigkristall-Matrix ist die beste Methode zur Steuerung der Graustufen.

Methode B (Am Rand der Frontseite) Die Methode B verwendet einen kleinen Sensor, welcher an der Seite oder in einer Ecke der der Bildschirmoberfläche angebracht ist. Dies bedeutet, dass der Sensor durch die Flüssigkristall-Matrix und die Filter sehen muss. Die Methode geht von dem Ansatz aus, dass damit alle Effekte erfasst werden können, die durch die Flüssigkristall-Elemente entstehen. Diese Methode geht von folgenden

Abb. Methode B (Am Rand der Frontseite)

seite mit kontrolliert werden. Die Effekte des Raumlichtes, die Sensor-Position bezüglich des polarisierten Lichts von den Flüssigkristallen und die Temperaturunterschiede haben keinen signifikanten Einfluss auf die Messung des Graustufenwertes.

Methode A: Vor- und Nachteile Beide Methoden haben ihre Vor- und Nachteile, wobei die Methode A deutliche Vorteile bietet. Die Annahme, dass sich Flüssigkristalle stabil verhalten, wurde sowohl durch eigene Forschungen als auch durch unabhängige Studien (1) bestätigt.

Abb. Methode A (Hintergrundlicht-Kontrolle)

Voraussetzungen aus: Der Maximalkontrast wird durch die Lampen-Steuerungsschaltung konstant gehalten, auch wenn die Maximalleistung der Hinterleuchtung abnimmt. Die Unterschiede in der Helligkeitsmessung zwischen dem zentralen Bereich und den Randbereichen des Monitors können auch über einen größeren Zeitraum als konstant angesehen werden. Die Flüssigkristall-Matrix verändert sich bei Temperaturveränderungen und muss deswegen bei Messungen über die Vorder-

Vorteile der Methode A: Größerer Sensor. Auf Grund der zentralen Platzierung kann der Sensor größer gewählt werden als bei der Methode B, bei der er das Blickfeld beeinträchtigen würde. Größere Sensoren liefern wegen des besseren Signal-Rausch-Abstandes generell genauere Ergebnisse. Fläche. Der Sensor der Methode A misst das Licht von mindestens drei Lampen in der Mitte des Monitors und damit in einem großen und repräsentativeren Bereich. Es wird nicht am Randbereich der Lampen gemessen, wo mit der Zeit einsetzende Dämpfungen die KalibrierungsMessungen verzerren können. Direkter Kontakt zur Hintergrundbeleuchtung. Die Signaldämpfung ist geringer, da das Licht direkt auf den Sensor fällt. Der Benutzer braucht sich keine Ge-

danken zu machen, ob die LCD-Pixel bei der Messung der Maximal-Helligkeit korrekt eingestellt sind. (Bei der Methode B misst der Sensor „rückwärts“ durch die Filter und die Flüssigkristalle und Verzerrungen können das Ergebnis beeinflussen.) Sichtfeld. Der Sensor der Methode A beeinträchtigt nicht das Sichtfeld des Betrachters an der Monitor-Oberfläche. Umgebungslicht. Das Streulicht der Raumbeleuchtung fällt nicht auf den Sensor und kann deshalb die Messungen nicht verfälschen. Einfachheit des Systems. Das direkte, einfache Design der Methode A beinhaltet weniger potentielle Fehlerquellen von unkontrollierten Einflussfaktoren, wie Raumbeleuchtung, Kanten-Effekte und Temperatur. Werkseitige Messungen der MasterLUT. Beim Hersteller werden Präzisionsmessgeräte zur Ausmessung und DICOMKalibrierung jedes einzelnen Digital Drive Level (DDL) eingesetzt. Entsprechend wird die „Lookup“-Tabelle erstellt und im Monitor gespeichert, wo sie bei Bedarf jederzeit abgerufen werden kann. Auswahl der Maximal-Helligkeit. Der Monitor verwendet automatisch die richtige LUT, die der vom Nutzer eingestellt Maximal-Helligkeit entspricht. Allerdings ist keine Kalibrierungs-Methode perfekt. Die Methode A hat zwei Nachteile. Nicht an der Vorderseite. Die Kalibrierung findet nicht an der Seite statt, an der der Betrachter sitzt. Keine LC Detektion. Die Methode A kann nicht feststellen, ob die Flüssigkristall-Zelle eine Fehlfunktion hat. Da der Sensor nur die Rückseite der Hinter-

grundbeleuchtung misst, kommt es zu keiner Fehlermeldung, wenn die Flüssigkristalle defekt sind, die Beleuchtung aber funktioniert.

Methode B: Vor- und Nachteile Der Hauptvorteil der Methode B mit einem Sensor am Rand der Vorderseite ist, dass das Bild gemessen wird, welches der Betrachter sieht. Damit können Veränderungen des Glases und der anderen optischen Elemente an der Vorderseite mit einbezogen werden. Wenn sich diese Parameter mit der Zeit verändern, können diese entdeckt und eventuell kompensiert werden. Vorteile der Methode B: Sensor an der Frontseite. Mit dem Frontsensor werden für die Kalibrierung die Signaldämpfungen durch die Flüssigkristalle und die Filter mit einbezogen. LC-Detektion. Der Sensor an der Vorderseite kann die Funktion der Flüssigkristalle kontrollieren. Die Methode B hat ebenfalls Nachteile: Geringere Genauigkeit. Der Sensor dieser Methode muss möglichst klein sein, damit er am Bildschirmrand Platz findet. Kleinere Sensoren haben eine geringere Genauigkeit wegen des schlechteren Signal-Rausch-Abstandes. Eine Lampe. Von der Sensor-Position kann nur eine Lampe kontrolliert werden, und auch diese nur am Rand, wo eine ungleichmäßige Alterung stattfinden kann. Kanten-Messung. Der Sensor befindet sich am Rand der Flüssigkristall-Zelle, wo die Zelle ungleichmäßiger ist. Hinzukommen kann mit der Zeit ein mechanischer Druck vom Rahmen oder Beschädigungen von außen. Signal-Rausch-Abstand. Der Sensor misst das stark gedämpfte Signal des Hintergrundlichts. Zusätzlich arbeitet er in einem Bereich, bei dem der Signal-Rausch-Abstand an Bedeutung gewinnt, insbesondere bei geringen Helligkeitswerten. Kompliziertes Design. Die Methode B erfordert eine kompliziertere Steue-

„DICOM-kalibriert“: ein Begriff unter der Lupe Immer mehr medizinische Einrichtungen nutzen die Möglichkeiten der digitalen Bildspeicherung mit PACS. Damit steigen die Anforderungen an die Qualitätssicherung der Bilddarstellung, an die Kalibrierung und die identische Darstellung auf verschiedenen Workstations mit unterschiedlichen Flachbildschirmen. DICOM als Standard ist inzwischen weitestgehend ein Begriff, aber nicht immer ist die konkrete Bedeutung klar. Was heißt es, wenn ein Gerät DICOM-kalibriert ist, wie funktionieren automatische Kalibrierungen und wie wird sichergestellt, dass das Ergebnis den standardisierten Monitor-Funktionen der DICOM-Beschreibung entspricht?

rungsschaltung und ein aufwändigeres Design. Zwei-Stufen-Prozess. Die Methode B arbeitet mit einem Zwei-Stufen Prozess der Hintergrundlicht-Justierung. Diese muss möglicherweise wiederholt werden, da die Variablen voneinander abhängig sind (Erst white level, dann Flüssigkristall-Justierung). Zentrum-zum-Rand-Verhältnis. Die Methode geht davon aus, dass das Verhältnis vom Zentrum zum Rand über die Zeit konstant bleibt. Der Rand ist jedoch wesentlich anfälliger für Veränderungen als das Zentrum. Es ist schwierig, das Verhältnis zum Zentrum konstant zu halten, ohne regelmäßig externe Kalibrierung und Neuzuordnung der korrigierten Faktoren durchzuführen. Atypische Diagnosen. Die Methode B nutzt einen Teil des Bildschirmes, der gewöhnlich nicht für die Diagnose verwendet wird.

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Externe Re-Kalibrierung. Bei der Methode B kann eine Re-Kalibrierung in unvorhersehbaren Intervallen notwendig sein, um den Sensor in den normalen Funktionsbereich zurückzubringen.

Zusammenfassung Beide Kalibrierungsmethoden haben Vor- und Nachteile. Wenn man davon ausgeht, dass die Flüssigkristall-Struktur der AMLCDs stabil ist, dann ist die Methode A mit Hintergrundlicht-Steuerungssensor, so wie ihn die Firma Planar für die auto-

matische Kalibrierung der Monitore verwendet, der Methode B mit einem seitlichen Sensor an der Vorderseite überlegen. Unsere Erfahrung der Stabilität der Flüssigkristalle wird von unabhängigen Studien der SCAR und anderer Fachleute bestätigt. Eine aktuelle Studie der University of Texas, welche Planars Dome C3™Monitore mit CXtra Rightlight™ untersucht haben, hat den Verkaufsslogan „immer kalibriert‘‘ bestätigt (1). Mit der Bestätigung der Kern-Annahmen der Methode A von unabhängiger Seite gehen wir davon aus, dass die Vorteile durch die Kalibrierungs-

methode A mit einem HintergrundlichtSensor den Ergebnissen der Methode B bei weitem überlegen sind. www.planar.com www.planarsystems.de Quellenangaben: (1) ‘‘Validation of a Self-Calibrating Active-Matrix Liquid Crystal Display System’’ presented at SCAR 2003 by Stephen K. Thompson, M.S., Chuck Willis, Ph.D., Raimund Polman, and Kenneth L.Homann, Department of Diagnostic Imaging Physics, University of Texas. ‘‘Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) Part 14: Grayscale Standard Display Function’’ Published by: National Electrical Manufacturers Association.

Kalibrierung von Bildwiedergabegeräten für die Radiologie. Die weite Verbreitung der Digitalisierung in der Medizin hat in den vergangenen Jahren zum umfangreichen Einsatz von Bildschirmen zur Darstellung von Diagnostikbildern geführt. Diese Entwicklung wurde von der Notwendigkeit begleitet, eine exakte und über verschiedene Bildschirme konsistente Bildwiedergabe sicher zu stellen. Vor allem in großen medizinischen Einrichtungen, wo viele Bildschirme eingesetzt werden, ist das erforderlich. Monitore auf aktuelle Standards zu justieren und sie gemeinsam zu verwalten, ist eine anspruchsvolle und zeitraubende Angelegenheit, insbesondere wenn es um eine Kalibrierung, Abnahme- und

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Konstanzprüfung von Bildwiedergabegeräten geht. Durch die Überprüfung und Wartung jedes einzelnen Monitors entstehen natürlich Kosten. Um in einer medizinischen Einrichtung gleich bleibend gute Bildeigenschaften bei allen Monitoren zu gewährleisten und die Kosten zu minimieren, ist ein zentralisiertes Management aller Systeme empfehlenswert. Daher haben Bildschirmhersteller wie EIZO Kalibrierungs- und Qualitätssicherungs (QS)-Software sowie dazu passende Netzwerk-Software entwickelt. Ein Schlüssel für diagnostisch vergleichbare Bilddarstellung auf Bildwiedergabegeräten in der Radiologie ist die nicht lineare Helligkeits-

wahrnehmung des Menschen. Sie macht Helligkeits- und Kontrastregelungen mit entsprechender Kennlinie für das Verhältnis von Eingangssignal zur Leuchtdichte (Kontraststufe) erforderlich. Häufig verwendete Wiedergabekennlinien (Standardkontrastkurven) sind durch den DICOM-Standard oder die CIE-Kurve (s. DIN 6868-57) definiert. Einstellungen erfolgen durch geeignete Kalibrierung des Bildwiedergabegerätes. Die Kalibrierung auf eine standardisierte Wiedergabekennlinie stellt außerdem sicher, dass Bilder auf unterschiedlichen Bildausgabegeräten so identisch wie möglich angezeigt werden, ganz gleich, ob es Digitalbilder