尹景隆 程宏斌 王瑞光 趙健博 袁慶海

摘要：為了滿足大尺寸高清醫(yī)用顯示系統(tǒng)的需求，設(shè)計基于FPGA的醫(yī)用大尺寸高清LED顯示控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由HDMI接口信號處理模塊、FPGA控制模塊、千兆網(wǎng)接口模塊和驅(qū)動電路等模塊組成，利用分段伽馬的設(shè)計方法來保證在高灰度、中間灰度和低灰度時顯示屏顯示的特性曲線均嚴(yán)格符合DICOM曲線，并在每一段伽馬基礎(chǔ)上進(jìn)行亮度校正，保證整屏在各灰度級下的一致性，來實現(xiàn)醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的處理和顯示。實驗測試表明，該新型LED醫(yī)用顯示控制系統(tǒng)滿足醫(yī)用要求，具有較強的實用性。

關(guān)鍵詞：醫(yī)用LED顯示;控制系統(tǒng);伽馬變換;亮度校正;影像數(shù)據(jù)處理;結(jié)果分析

中圖分類號：TN876-34;TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X（ 2019）24-0020-05

0 引 言

目前醫(yī)學(xué)影像學(xué)科是大型醫(yī)院現(xiàn)代化的主要標(biāo)志，是臨床最重要的診斷方法，也是進(jìn)行醫(yī)學(xué)研究的強大手段和重要的治療手段。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，不論是醫(yī)院的診療、讀片和教學(xué)，還是醫(yī)學(xué)影像大數(shù)據(jù)、基于云平臺的醫(yī)學(xué)影像應(yīng)用、醫(yī)學(xué)影像信息化在區(qū)域醫(yī)療的應(yīng)用，這一切都提出了對于大尺寸高清醫(yī)用顯示系統(tǒng)的需求[1-2]。目前醫(yī)用液晶顯示屏，由于工藝技術(shù)的限制，單個顯示器難以做到100英寸以上;多個液晶顯示拼接單元又存在著0.5-4 mm的拼接間隙，大大降低了圖像的顯示精度，同時各單元的色彩、亮度衰減存在差異性，長期使用后畫面一致性難以保證。LED顯示技術(shù)具有尺寸大、畫質(zhì)高、圖像精細(xì)、無縫拼接、可逐點校正等優(yōu)點，是公認(rèn)的最具市場前景的高端智能顯示技術(shù)。因此研制具有液晶級分辨精度的大尺寸高清LED醫(yī)用顯示系統(tǒng)以滿足數(shù)字化臨床醫(yī)療診斷、讀片、遠(yuǎn)程會診及教學(xué)，填補醫(yī)用顯示系統(tǒng)在110英寸以上醫(yī)療應(yīng)用的不足具有重要的現(xiàn)實意義和緊迫性。

本文針對小間距LED顯示屏，設(shè)計了大尺寸LED醫(yī)用顯示控制系統(tǒng)。針對醫(yī)用需求，利用分段伽馬的設(shè)計方法來保證顯示屏顯示特性曲線嚴(yán)格符合DICOM曲線，使該顯示系統(tǒng)可以作為診斷、教學(xué)和會診當(dāng)中的顯示終端。經(jīng)測試，該顯示系統(tǒng)響應(yīng)速度快、亮度恒定、均勻性好，顯示特性曲線符合DICOM標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)醫(yī)療影像的精準(zhǔn)顯示。

1 LED顯示控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

LED顯示系統(tǒng)主要由顯示控制的計算機、發(fā)送卡、接收卡和LED顯示屏組成。LED顯示屏的分辨率為1 920xl 080，發(fā)送卡最大帶載能力為1 920xl 200，控制系統(tǒng)只需一張發(fā)送卡即可滿足要求。接收卡設(shè)計最大帶載能力為256x256，在應(yīng)用中帶載面積為192x216，需要50張接收卡滿足要求。

發(fā)送卡的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，發(fā)送卡接收視頻源的視頻數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)打包傳遞給遠(yuǎn)端的接收卡[3-4]。醫(yī)學(xué)影像位寬為10 bit，RGB信號共為30 bit，采用HDMI l.3接口。選用Silicon Image公司的Sil9135圖像處理芯片，它能支持HDMI l.3規(guī)范要求。千兆網(wǎng)芯片選用博通公司的B50610C芯片，實現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)安全、穩(wěn)定的傳輸。百兆網(wǎng)接口與PC機進(jìn)行通信，方便遠(yuǎn)程操作。

接收卡的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，接收卡通過千兆網(wǎng)網(wǎng)口接收發(fā)送卡傳遞的視頻信號，截取自己需要的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，實現(xiàn)灰度調(diào)制，然后通過另一千兆網(wǎng)網(wǎng)口將視頻信號轉(zhuǎn)發(fā)給下一個接收卡進(jìn)行顯示[5]。

發(fā)送卡和接收卡的FPGA芯片都選用Xilinx公司的XC6SLX25芯片，負(fù)責(zé)各個模塊之間協(xié)同工作。DDR3用于緩存醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，選用Micron公司的MT41J64M16芯片，芯片內(nèi)存大小為256 Mb，位寬為16 bit。FLASH型號為M25P80，存儲容量為8 Mb。接收卡FLASH存儲區(qū)主要分為程序區(qū)、配置區(qū)、Gamma區(qū)和校正區(qū)，在Gamma區(qū)和校正區(qū)分別存儲Gamma配置文件和校正系數(shù)文件。

2 顯示特性曲線校正原理

醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信（Digital Imaging and Commu-nications in Medicine，DICOM）是醫(yī)學(xué)圖像和相關(guān)信息的國際標(biāo)準(zhǔn)，它定義了質(zhì)量能滿足臨床需要的可用于數(shù)據(jù)交換的醫(yī)學(xué)圖像格式。

醫(yī)用LED顯示屏的特性曲線與標(biāo)準(zhǔn)DICOM曲線擬合時，發(fā)現(xiàn)單一伽馬變換在某些灰度級擬合效果較差，但在不同灰度級區(qū)間用不同的y值，擬合效果較好，因此采用分段伽馬的方法實現(xiàn)LED顯示屏的顯示特性曲線校正。

醫(yī)用LED顯示屏驅(qū)動數(shù)據(jù)可以選擇12 bit、14 bit或16 bit，接收端主控芯片對10 bit醫(yī)療圖像灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行伽馬變換及亮度校正的方法如下[6-7]：

1）接收10 bit醫(yī)療圖像灰度數(shù)據(jù)，對各像素10 bit灰度數(shù)據(jù)所屬灰度范圍進(jìn)行判斷并根據(jù)判斷結(jié)果查找變換系數(shù)表，得到對應(yīng)的調(diào)節(jié)系數(shù)和伽馬系數(shù)。利用式（1）對各像素10 bit灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行變換得到各像素的M bit灰度數(shù)據(jù)。

2）將各像素的Mbit灰度數(shù)據(jù)與J個校正系數(shù)表中對應(yīng)的亮度校正系數(shù)相乘得到各像素的Mbit驅(qū)動數(shù)據(jù)。

所述變換系數(shù)表和校正系數(shù)表的建立方法如下：

1）建立變換系數(shù)表

分別輸入屬于各灰度范圍內(nèi)的10 bit灰度數(shù)據(jù)，利用式（2）對其進(jìn)行變換得到對應(yīng)的Mbit侍校準(zhǔn)灰度數(shù)據(jù)，用M bit待校準(zhǔn)灰度數(shù)據(jù)驅(qū)動醫(yī)用LED顯示屏進(jìn)行顯示[8-9]。

。

2）建立校正系數(shù)表

分別輸入屬于各灰度范圍的10 bit灰度數(shù)據(jù)，查找變換系數(shù)表得到對應(yīng)的調(diào)節(jié)系數(shù)和伽馬系數(shù);利用伽馬變換公式對各像素10 bit灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行變換得到各像素的M bit灰度數(shù)據(jù)，以此驅(qū)動醫(yī)用LED顯示屏進(jìn)行顯示。對醫(yī)用LED顯示屏各像素的亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時將顯示屏顯示特性曲線與DICOM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對，調(diào)整各像素對應(yīng)的亮度校正系數(shù)，在保證整個顯示屏亮度一致的前提下使得顯示屏顯示特性曲線進(jìn)一步逼近DICOM標(biāo)準(zhǔn)曲線，最后生成對應(yīng)于各灰度范圍的校正系數(shù)表。

3 顯示特性曲線校正實現(xiàn)

采用點間距為1.25 mm的LED箱體，箱體尺寸為480 mmx480 mm。控制系統(tǒng)參數(shù)：掃描數(shù)為20，刷新率為3 840 Hz，灰度等級為16 bit。

發(fā)送卡HDMI接口接收PC機傳輸?shù)?0 bit醫(yī)療圖像，經(jīng)圖像處理芯片轉(zhuǎn)換成R，G，B灰度數(shù)據(jù)并發(fā)送給發(fā)送端主控芯片，再經(jīng)發(fā)送端主控芯片進(jìn)行圖像緩存與數(shù)據(jù)分包處理，通過千兆網(wǎng)輸出接口發(fā)送給接收卡。接收卡千兆網(wǎng)接口接收發(fā)送卡的分包視頻數(shù)據(jù)后交給接收端主控芯片，接收端主控芯片對10 bit醫(yī)療圖像灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行伽馬變換及亮度校正得到符合DICOM標(biāo)準(zhǔn)的LED顯示屏驅(qū)動數(shù)據(jù)。LED控制系統(tǒng)控制流程圖見圖3。

以M=16為例，劃分的灰度范圍數(shù)量J等于3;低灰度范圍為0-255，對應(yīng)y1選擇2.0-2.3;中間灰度范圍為256-511，對應(yīng)y2選擇2.3-2.6;高灰度范圍為512-1 023，對應(yīng)y3選擇2.6-2.9。

3.1 建立變換系數(shù)表

輸入屬于低灰度范圍內(nèi)的10 bit灰度數(shù)據(jù)g1（gl可以選擇0-255之間任何一個灰度值），屬于中間灰度范圍內(nèi)的10 bit灰度數(shù)據(jù)g2 （g2可以選擇256-511之間任何一個灰度值），屬于高灰度范圍內(nèi)的10 bit灰度數(shù)據(jù)93（g3可以選擇512-1 023之間任何一個灰度值），利用伽馬變換公式進(jìn)行變換得到對應(yīng)的16 bit待校準(zhǔn)灰度數(shù)據(jù)Si，S2，S3，分別用16 bit待校準(zhǔn)灰度數(shù)據(jù)S1，S2，S3，驅(qū)動醫(yī)用LED顯示屏進(jìn)行顯示。

針對低灰度范圍，令調(diào)節(jié)系數(shù)c的初始值為Co，Co=2.44xl0^-4-5.52 X10^-3，對醫(yī)用LED顯示屏各像素的亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。DICOM標(biāo)準(zhǔn)第十四部分定義了灰度圖像的標(biāo)準(zhǔn)顯示函數(shù)，灰度標(biāo)準(zhǔn)顯示函數(shù)通過從Barten ' s模型衍生而來的1 023亮度級數(shù)學(xué)差值法定義的，亮度范圍為0.05-4 000 cd/m2，標(biāo)準(zhǔn)DICOM曲線計算方法如下：

亮度校準(zhǔn)主要通過顯示屏最大亮度值、最小亮度值來進(jìn)行。利用上面的公式，通過所測得的最大和最小亮度得到標(biāo)準(zhǔn)的DICOM曲線，再通過讀取屏本身的灰階亮度，利用LUT方法，將屏固有的顯示曲線調(diào)整為DICOM曲線。同時不斷調(diào)整調(diào)節(jié)系數(shù)c，使得顯示屏顯示特性曲線（即各像素顯示亮度與灰度數(shù)據(jù)的關(guān)系曲線）逼近DICOM標(biāo)準(zhǔn)曲線，最后得到對應(yīng)于低灰度范圍的調(diào)節(jié)系數(shù)Ci。同理，得到對應(yīng)于中間灰度范圍的調(diào)節(jié)系數(shù)C2和對應(yīng)于高灰度范圍的調(diào)節(jié)系數(shù)C3;將y1，y2，y3和Ci，C2，C3，存入變換系數(shù)表。

3.2 建立校正系數(shù)表

輸入屬于低灰度范圍內(nèi)的10 bit灰度數(shù)據(jù)g1，查找變換系數(shù)表得到對應(yīng)的調(diào)節(jié)系數(shù)和伽馬系數(shù)，利用伽馬變換公式對各像素10 bit灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行變換得到對應(yīng)的16 bit灰度數(shù)據(jù)，以此驅(qū)動醫(yī)用LED顯示屏進(jìn)行顯示。對醫(yī)用LED顯示屏各像素的亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時將顯示屏顯示特性曲線與DICOM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對，調(diào)整各像素對應(yīng)的亮度校正系數(shù)，在保證整個顯示屏亮度一致的前提下使得顯示屏顯示特性曲線進(jìn)一步逼近DICOM標(biāo)準(zhǔn)曲線，最后生成對應(yīng)于低灰度范圍的校正系數(shù)表I1。同理，可以生成對應(yīng)于中間灰度范圍的校正系數(shù)表I2和對應(yīng)于高灰度范圍的校正系數(shù)表I3。接收端主控芯片接收10 bit醫(yī)療圖像灰度數(shù)據(jù)，對各像素10 bit灰度數(shù)據(jù)所屬灰度范圍進(jìn)行判斷，根據(jù)判斷結(jié)果查找變換系數(shù)表，得到對應(yīng)的調(diào)節(jié)系數(shù)和伽馬系數(shù);利用伽馬變換公式對各像素10 bit灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行變換得到各像素的16 bit灰度數(shù)據(jù)。將各像素的16 bit灰度數(shù)據(jù)與各灰度范圍對應(yīng)的3個校正系數(shù)表中對應(yīng)的亮度校正系數(shù)相乘得到各像素的16 bit驅(qū)動數(shù)據(jù)。顯示特性曲線校正方法流程圖如圖4所示。

LED顯示屏顯示特性曲線與標(biāo)準(zhǔn)DICOM曲線的對照圖如圖5所示。其中，A為DICOM標(biāo)準(zhǔn)曲線;I，Ⅱ，Ⅲ分別為低灰度范圍、中間灰度范圍、高灰度范圍對應(yīng)的顯示屏顯示特性曲線。從圖中可以看出，得到的LED顯示屏顯示特性曲線與DICOM標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合較好，亮度響應(yīng)誤差率小于10%。醫(yī)學(xué)圖像在LED顯示屏的顯示效果如圖6所示。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的LED顯示控制系統(tǒng)應(yīng)用在點間距1.25 mm的LED顯示屏樣機，并在吉林大學(xué)第二醫(yī)院放射科率先開展實驗試點。新型LED醫(yī)用顯示系統(tǒng)能夠與醫(yī)院的PACS系統(tǒng)連接，可應(yīng)用于醫(yī)療診斷、教學(xué)及科研工作中，對于DR及CT的灰階圖像、CT的三維彩圖、磁共振圖像都能清晰顯示，色彩無失真。經(jīng)測試，該顯示系統(tǒng)可靠耐用，亮度恒定，色彩還原性好，響應(yīng)速度快，并能夠根據(jù)光線強弱自動調(diào)節(jié)亮度，使用安全，大尺寸無縫拼接的圖像質(zhì)量明顯要優(yōu)于現(xiàn)在應(yīng)用的液晶拼接屏及會診應(yīng)用的投影儀。

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作者簡介：尹景?。?992-），男，河南許昌人，碩士研究生，主要研究方向為LED顯示技術(shù)。

程宏斌（1972-），男，吉林人，博士，主要研究方向為平板顯示技術(shù)。

王瑞光（1957-），男，吉林人，研究員，主要研究方向為平板顯示技術(shù)。