I MONITOR DI REFERTAZIONE. G. Belli^ e G. Pedroli* *S.C. di Fisica Sanitaria, Azienda Ospedaliera Niguarda Ca Granda - Milano

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1 I MONITOR DI REFERTAZIONE G. Belli^ e G. Pedroli* ^S.O.D. Fisica Sanitaria, Azienda Ospedaliero Universitaria Careggi Firenze *S.C. di Fisica Sanitaria, Azienda Ospedaliera Niguarda Ca Granda - Milano INTRODUZIONE La refertazione soft-copy è un passaggio obbligato per la completa digitalizzazione del processo diagnostico e per l introduzione nella pratica clinica di tecniche d elaborazione delle immagini e di ausilio alla diagnosi. Grande importanza assumono quindi i dispositivi di visualizzazione delle immagini, i quali devono avere prestazioni di elevata qualità, al fine di conservare la qualità diagnostica delle immagini riprodotte e di presentare le stesse in modo da ottimizzare le capacità di osservazione, da parte del medico refertatore, delle immagini riprodotte. Inoltre particolare attenzione deve essere prestata anche alle condizioni di illuminazione del locale in cui è installato il monitor in modo da non pregiudicare tali capacità di osservazione. Nella presente relazione verranno riassunte innanzitutto le caratteristiche del sistema visivo umano al fine di definire le caratteristiche tecniche dei sistemi di visualizzazione. Saranno quindi indicate le modalità di valutazione degli aspetti fisici della qualità di un monitor di refertazione. CARATTERISTICHE DEL SISTEMA VISIVO UMANO Un osservatore umano è in grado di adattarsi a un ampio intervallo di valori di luminanza, pari a diversi ordini di grandezza (da ~10-2 a ~ 10 4 cd/m 2 ). Per un dato stato di adattamento la funzione di risposta P può essere approssimata dalla funzione: P = L/(L+S) essendo L l'intensità luminosa incidente sulla retina e S una costante che dipende dallo stato di adattamento (Fig. 1) [1]. Fig. 1 - Funzione di adattamento dell occhio all intensità luminosa (da Flynn et al., 1999 [1]) Nell'ambito di un dato stato di adattamento, l'intervallo dei valori di luminanza (da un valore Lmin ad un valore massimo Lmax) che un osservatore umano è in grado di discriminare è pari : Lmax/Lmin ~240. Inoltre la sensibilità di contrasto della visione umana varia in funzione del livello di luminanza e migliore ai valori alti di luminanza con un andamento come quello indicato in Fig. 2 [2].

2 Soglia di Contrasto (dl/l) luminanza (cd/m2) Fig. 2 - Variazione della soglia di contrasto percepita dall occhio umano in funzione della luminanza (da Wang e Langer, 1997 [2]) Per quanto riguarda le capacità risolutive del sistema visivo umano, esso è in grado di distinguere, come separate, due sorgenti puntiformi poste alla distanza di 1/30. Ciò significa che la risoluzione spaziale del sistema visivo umano dipende dalla distanza di osservazione. Le caratteristiche della capacità risolutiva del sistema possono essere anche descritte in termini di funzione di trasferimento della modulazione (Visual Response Function - VRF): essendo f = frequenza (cicli/mm) d = distanza di osservazione (cm) VRF(f) = exp(-(lnf - ln(25/d))^2 /1.894) L'andamento della VRF, cioè della capacità di risoluzione dell occhio umano in funzione della frequenza, è rappresentato in Fig. 3 per tre valori diversi della distanza di osservazione. VRF u.a. 1 0,1 d = 70 cm d = 50 cm d = 30 cm 0,01 0, pl/mm Fig. 3 - Capacità di risoluzione dell occhio in funzione della frequenza spaziale (pl/mm) e della distanza di osservazione CARATTERISTICHE TECNICHE DEL SISTEMA DI VISUALIZZAZIONE Le caratteristiche tecniche del sistema di visualizzazione sono ovviamente determinanti affinché il sistema visivo esplichi in modo ottimale le sue capacità e possono essere riassunte in alcuni parametri fondamentali quali: i livelli di luminanza, la funzione di visualizzazione della scala di grigi, la risoluzione, la riflettanza. Le caratteristiche del sistema visivo umano, sopra descritte, richiedono che un dispositivo di visualizzazione, come i monitor delle workstation per le applicazioni radiologiche, deve avere delle

3 caratteristiche di luminanza tali che L max sia il più elevato possibile, per migliorare la sensibilità di contrasto, e inoltre che L min sia il più basso possibile in modo che l'intervallo dei livelli di luminanza presenti in una immagine sia tale per cui L max /L min 240. I valori di L max, ottenibili con i diversi dispositivi di visualizzazione, sono: cd/m 2 per i negativoscopi, cd/m 2 per i monitor di alta qualità cd/m 2 per monitor standard L min dipende a sua volta dalle caratteristiche del display, quali ad esempio la riflessione e la diffusione della luce emessa ( 0,002), dalla riflessione della luce ambientale ( 0,03 cd/m 2 /lux), ma anche dalla condizione ambientale di illuminazione della stanza ( 50 lux in corrispondenza della posizione dell osservatore). In genere L min non è mai inferiore a 2-3 cd/m 2. La risposta visiva di un osservatore umano dipende dalla curva caratteristica del dispositivo di visualizzazione che deve integrarsi con la sensibilità di contrasto dell osservatore stesso. Per questo motivo è stata introdotta una funzione di visualizzazione della scala dei grigi (Grayscale Standard Display Function - DICOM Part 14) [3], la quale descrive matematicamente il modo con cui i valori dei pixel delle immagini digitali devono essere convertiti in valori di luminanza (livelli di grigio). valore del pixel fi DDL fi Funzione di visualizzazione fi (GSDF) luminanza Il valore digitale del pixel viene trasformato in un livello digitale (Digital Driving Level - DDL) che governa il sistema di visualizzazione per produrre un livello di luminanza. I livelli digitali che governano il sistema di visualizzazione sono determinati in modo che ciascun incremento di tali valori corrisponda a un incremento di luminanza appena percettibile da parte dell'osservatore umano. Le differenze di luminanza possono essere misurate tramite un parametro assoluto detto just noticeable difference (JND). La funzione di visualizzazione (GSDF) è basata sulla sensibilità di contrasto dell'osservatore umano calcolata, utilizzando il modello di Barten, per un oggetto standard costituito da una mira quadrata di 2 x 2, avente una modulazione sinusoidale di 4 cicli/grado, immersa in un fondo omogeneo. La funzione GSDF è mostrata in Fig. 4. Fig. 4 - Funzione di visualizzazione della scala dei grigi

4 Al variare dell intervallo di luminanza L max /L min variano il numero di livelli di luminanza percettibili, più ampio risulta questo intervallo e maggiore risulta il numero di livelli di luminanza percettibili. Alcuni esempi sono riportati in Tab. I. L min (cd/m 2 ) L max (cd/m 2 ) Numero di livelli di luminanza percettibili (JND s ) 0, Tab. I - Livelli di luminanza percettibili per diverse coppie di valori L max e L min, valutati in base alla GSDF. Nel caso di un monitor di alta qualità e in condizioni ottimali un osservatore standard è quindi in grado di percepire circa 600 livelli di luminanza (livelli di grigio), per quanto riguarda l'oggetto standard sopra descritto. In realtà però, ovvero in condizioni pratiche e per oggetti più simili alla realtà, è molto difficile discriminare più di 256 livelli di grigio. Considerando le capacità risolutive del sistema visivo umano in Tab. II viene mostrato indicativamente, per tre diverse distanze di osservazione, il numero di linee TV necessarie per poter evidenziare il minimo dettaglio percettibile dall'occhio umano. Si suppone che il monitor abbia un'altezza di 30 cm (21") e che la risoluzione del monitor corrisponda approssimativamente ad una linea TV. Distanza di osservazione (cm) Numero di linee TV Tab. II - Numero di linee TV percepibili da un osservatore Le workstation radiologiche dedicate alla refertazione devono avere caratteristiche tecniche di elevata qualità e, in funzione dell applicazione a cui sono dedicati, per cui può variare la risoluzione, dovrebbero avere le caratteristiche di minima, di cui alla Tab. III. dimensioni (cm) 24 x 30 numero di pixel 1k x 1k - 2k x 2k numero di bit 8 10 luminanza massima (cd/m 2 ) refresh rate (Hz) 80 riflettanza di diffusione (cd/m 2 /lux) 0,03 riflettanza speculare 0,005 curva di visualizzazione Dicom part 14: Grayscale Standard Display Function Tab. III - Caratteristiche tecniche dei monitor per workstation radiologiche

5 Va anche detto che la rapida evoluzione tecnologica e la sempre maggior diffusione e commercializzazione di questi sistemi stanno portando all introduzione sul mercato di monitor con caratteristiche sempre migliori e costi progressivamente più contenuti. VALUTAZIONE DEGLI ASPETTI FISICI DELLA QUALITA DI UN MONITOR Per l ottimizzazione dell intera catena digitale è importante la valutazione delle prestazioni dei dispositivi di visualizzazione, in relazione alle applicazioni cui sono dedicati, così come un sistema di verifica di qualità per garantire il mantenimento nel tempo delle prestazioni. Gli aspetti fisici di qualità di cui occorre tener conto, anche sulla base di quanto detto in precedenza, sono: risoluzione brillanza e rapporto di contrasto risposta luminosa uniformità spaziale di risposta e risposta angolare rumore glare La tecnologia attuale, basata su monitor CRT e LCD, non permette di ottimizzare tutti questi aspetti nello stesso tempo; inoltre alcune di queste caratteristiche di qualità possono degradare nel tempo. Un gruppo di lavoro dell AAPM [4] ha ideato delle immagini test e ha proposto alcune procedure per la valutazione quantitativa e qualitativa delle caratteristiche ottiche dei monitor, mentre un documento dello standard DICOM stabilisce una procedura di calibrazione della risposta luminosa per garantire una consistenza di visualizzazione fra sistemi diversi e per ottimizzare la visibilità in base alla sensibilità di contrasto dell osservatore (linearizzazione della percezione). Risoluzione Il numero dei pixel dello schermo e la loro dimensione non è elemento certo di garanzia della risoluzione effettiva perché lo spot luminoso potrebbe allargarsi, in funzione del tipo di tecnologia impiegata, e in maniera diversa in funzione del livello di luminanza. Allora la risoluzione è Modulation Modulation Transfer Function Monitor LCD 5MP - pixel size 165 mm Frequenza Nyquist relativa scan subscan Fig 5. MTF ottica di un monitor LCD nelle direzioni scan e subscan oggettivamente definita, tramite la MTF ottica, oppure più semplicemente dal parametro RAR (Resolution Addressability Ratio): definito come il rapporto fra la larghezza effettiva (FWHM) dello spot luminoso e la Tab. IV Monitor LCD 5MP: misura del RAR nelle direzioni scan e subscan Direzione Luminanza Luminanza 280 cd/m cd/m 2 scan subscan

6 dimensione nominale del pixel. Il valore del RAR per i monitor primari dovrebbe essere compreso fra 0.9 e 1.1 [5] e se supera 1.5 la risoluzione degrada fortemente; per esempio le migliori stampanti laser per pellicole hanno un RAR intorno a 0.9. Nei monitor CRT la larghezza dello spot luminoso (gaussiano) aumenta col crescere della luminanza, per un fosforo di tipo P45 il RAR è pari a 1.1 a 220 cd/m 2 e supera 1.5 a 350 cd/m 2 [6]. Nel caso dei LCD la risoluzione spaziale risente meno del livello di luminanza. In Tab.IV e in Fig. 5 sono riportati i risultati per RAR e MTF di un monitor LCD a 5MP [7]. La valutazione qualitativa di risoluzione e dell uniformità di risoluzione è facilmente realizzabile tramite un immagine test [4] quale il TG18-CX (Fig. 6). In questa immagine sono riprodotti degli elementi (CX) ruotati di 90 fra posizioni contigue e visualizzati a 4 differenti luminosità ( % del valore massimo) su un fondo nero, e che coprono tutto lo schermo. Un sistema di score è previsto su una scala da 0 a 4 per i display di refertazione primaria, corrispondente a RAR 1.15, e da 0 a 6 per quelli secondari con RAR Anche in un immagine per uso generale (Fig, 7) tali elementi sono riprodotti in parte al centro; con questo oggetto la risoluzione può essere anche valutata dalle barre orizzontali e verticali (alla frequenza di Nyquist), di diversa modulazione, riprodotte nei quattro vertici dello schermo. Fig. 6 Parte centrale dell immagine test TG18-CX Fig. 7 Immagine test TG18-QC general-purpose Luminosità e calibrazione Sempre nell immagine TG18-QC sono riprodotte 18 aree a luminanza crescente dal fondo fino al massimo valore impostato sul monitor, è così possibile verificare ad un primo livello la riproduzione della scala dei grigi e del contrasto. Quest ultimo aspetto è possibile per la presenza di due quadrati all interno, rispettivamente di un area più scura e una più chiara, fra i quali il salto di luminosità è del 5%. Per la migliore riproduzione della scala dei grigi deve essere possibile tarare la risposta effettiva in luminanza partendo dalla misura della reale risposta del monitor al variare del segnale di pilotaggio DDL (Digital Driving Level). Attraverso la conoscenza della curva caratteristica è possibile cambiare la risposta e ottenere quella voluta (standard Dicom) mediante una look-up table (LUT), da memorizzare opportunamente o nella scheda grafica di pilotaggio o nel monitor. Le schede grafiche sono progettate con uscita della LUT (DAC) a 8 o 10 bit, comunque anche nel caso di visualizzazione a 256 livelli di

7 grigio la LUT ha un buffer interno e un DAC 10 bit per assicurare che i diversi passi di grigio corrispondano con precisione al valore di JND (Just Noticeable Difference) richiesto dalla curva standard Dicom. Solitamente i programmi forniti insieme ai monitor professionali prevedono una procedura di calibrazione, basata sulla misura con sensore esterno o interno, di differenti livelli di luminanza; è poi possibile scegliere la curva di calibrazione più idonea fra cui anche quella prevista dallo standard Dicom. L AAPM fornisce comunque una serie di 18 immagini in scala di grigio con un quadrato al centro a valore crescente di luminanza, dove deve essere posizionato il sensore, e immerso in un fondo omogeneo che deve avere il 20% del massimo di luminanza [4] (Fig. 8). Ovviamente maggiore è il numero di livelli di luminosità a disposizione, più accurata è la calibrazione, in risposta al valore consigliato di 64 [3] si può ragionevolmente impiegare 30 immagini. Fig 8 Modalità di misura della curva caratteristica di luminanza (DICOM 3.14) In Fig. 9 sono riportati due esempi di misura di curva caratteristica per due monitor CRT e LCD con insieme la curva standard applicata. in funzione del valore digitale normalizzato a 1. Per il monitor LCD la curva caratteristica ha una forma che dipende fortemente dal tipo di cristallo liquido. Per il CRT invece le curve hanno forma simile, differendo solamente per il valore che può assumere il cosiddetto gamma del fosforo, ovvero tramite la seguente relazione che lega la luminanza L al valore di pilotaggio DDL (normalizzati): L/L m = (DDL/DDL m ) g dove γ è il gamma del monitor. Dopo la taratura è bene misurare di nuovo la curva di emissione per verificare il conformance Dicom: per gli esempi di Fig. 9 gli scarti massimi di luminanza sono pari a 0.27 cd/m 2 per il CRT e 0.56 cd/m 2 per l'lcd Grayscale Display Function Monitor CRT 5MP 1000 Grayscale Display Function Monitor LCD 5MP Luminanza (cd/m 2 ) 10 1 CRT GSDF DICOM GSDF Luminanza (cd/m 2 ) 10 1 LCD GSDF DICOM GSDF DDL DDL Fig. 9 Curve caratteristiche e curve standard Dicom per due monitor CRT (sinistra) e LCD (destra) in funzione del DLL normalizzato.

8 Uniformità spaziale Per quanto riguarda l omogeneità di risposta spaziale ci si riferisce alla non uniformità di luminanza intesa come massima variazione su tutta l area attiva. Operativamente, la luminanza può essere misurata, sempre con sensore esterno, al centro e in periferia (quattro angoli) tramite l immagine test TG-UNL10 e 80, definendo il parametro non uniformità: NU = 2 (L max - L min )/(L max + L min ) Trasferimento di contrasto Un fantoccio molto semplice per l analisi del trasferimento di contrasto valido per stabilire indirettamente la bontà della calibrazione e quindi della linearizzazione della percezione su tutta la scala di tonalità è costituito dal TG18-CT. Invece un test più complesso e di uso più generale per la verifica della resa di dettagli grossi e fini a basso contrasto, è il test di Briggs [4] [8]. L immagine consiste di 4 quadranti con pattern che si ripetono e ciascuno è fatto di 8 pannelli le cui luminosità medie abbracciano tutta la scala. Ciascun pannello contiene un pattern di 16 checkerboard e il contrasto all interno dei checkerboard, in termini di differenza di unità digitali rispetto al fondo, è costante in ogni quadrante ma variabile fra loro e pari a 1, 3, 7 e 15 (Fig. 10). Fig. 10 Immagine test di Briggs (TG18- BR) con i diversi checkerboard di dimensione variabile e diverso contrasto. Per ogni pannello indagato è assegnato uno score in base al più piccolo checkerboard risolto (19 score da B-2 a B-90). Abbiamo introdotto un indice sintetico IQS [7] per confrontare facilmente i risultati fra sistemi diversi, oppure per lo stesso monitor ma in condizioni diverse, ad esempio con o senza la calibrazione Dicom e ripetendo il test per verificare l effetto della disomogeneità di luminanza. In Tab. V sono riportati i risultati dei monitor le cui curve sono quelle di Fig. 9. Tab. V Risultati del test di Briggs (IQS) per due monitor calibrati con curva caratteristica e curva DICOM (parentesi: n. elementi risolti a più alta risoluzione) CRT curva caratteristica CRT cal. DICOM LCD curva caratteristica LCD cal. DICOM LCD cal. DICOM (analisi al centro) I osservatore 18.7 (1) 42.5 (9) 43.7 (8) 49.2 (14) 58.4 (16) II osservatore 18.3 (0) 43.6 (9) 48.2 (16) 52.7 (16) 75.2 (28)

9 Rumore La rivelazione di oggetti a basso contrasto non dipende solo dalle loro dimensioni e dal trasferimento del contrasto ma anche dal rumore sovrapposto e circostante. Un metodo visuale è basato sull uso di un immagine come la TG18-AFC (Fig. 11). L analisi si basa sulla percezione dei diversi dettagli a dimensione e contrasto variabile: il criterio dell AAPM è che per i monitor primari tutti i dettagli tranne il più piccolo devono essere visibili. E comunque un immagine adatta più che altro ai CRT per confronto fra i diversi fosfori. Per una valutazione quantitativa del rumore viene fornito il test TG18-NS. Fig. 11 Test TG18-AFC per analisi influenza del rumore su dettagli a basso contrasto (a destra particolare ingrandito) Glare La diffusione della luce che proviene dall interno dello schermo genera una luminosità diffusa che riduce il contrasto e che vela l immagine (veiling glare). La quantificazione del glare è possibile tramite tre immagini test sulle quali è possibile misurare la luminanza L con uno spot-meter (alta collimazione). Si deve misurare la luminanza (L) al centro del TG18-GQ (cerchietto nero entro un cerchio bianco), la luminanza (L B ) al centro del TG18-GQB (cerchio tutto bianco), e la luminanza di fondo (L N ) al centro del TG18-GQBN (solo fondo nero). Il rapporto di glare è allora definito come: GR = (L B -L N )/(L-L N ). Un basso glare si traduce in un alto rapporto GR. Per i monitor primari è raccomandato un GR > 400; per i film in transilluminazione GR si aggira intorno a I monitor LCD forniscono in generale un GR più grande (che può superare 1000) dei CRT grazie al minor spessore di materiale fra la cella di cristallo liquido, che forma il pixel, e la superficie esterna di visualizzazione [4]. BIBLIOGRAFIA [1] Flynn M.J., Kanicki J., Badano A., Eyler W.R., "High-fidelity Electronic Display of Digital Radiographs", Radiographics, 19, pp (1999) [2] Wang J., Langer S., "A Brief Review of Human Perception Factors in Digital Displays for Picture Archiving and Communications Systems", Journal of Digital Imaging, 10, n. 4, pp (1997) [3] Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM). Part 3.14: Grayscale Standard Display Function, National Electrical Manufacturers Association (NEMA), USA, [4] American Association of Physicists in Medicine (AAPM), Task Group 18: Assessment of Display Performance for Medical Imaging Systems, Pre-print Draft (version 10), aug [5] Muka E., Mertelmeier T., Senol R.M., Impact of Luminance Noise on the Specification of High- Resolution CRT Displays for Medical Imaging, Proc. SPIE 3031, pp , [6] Muka E., Kohm K., Withing B.R., Deploying CRT soft-copy displays in medical imaging systems: A discussion of basic issues, Proc. SPIE, [7] Belli G., Lazzari B., Gori C., Calibrazione e confronto tra monitor CRT e LCD per refertazione soft-copy, Atti III Congresso Nazionale AIFM, Agrigento giugno 2003 [8] Compton K., Image Performance in CRT Displays, SPIE PRESS, USA 2003