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格符合DICOM曲線，并在每一段伽馬基礎上進行亮度校正，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

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X（ 2019）24-0020-05

0 引 言

目前醫(yī)學影像學科是大型醫(yī)院現(xiàn)代化的主要標志，是臨床最重要的診斷方法，也是進行醫(yī)學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，還是醫(yī)學影像大數(shù)據(jù)、基于云平臺的醫(yī)學影像應用、醫(yī)學影像信息化在區(qū)域醫(yī)療的應用，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、無縫拼接、可逐點校正等優(yōu)點，是公認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、遠程會診及教學，填補醫(yī)用顯示系統(tǒng)在110英寸以上醫(yī)療應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，利用分段伽馬的設計方法來保證顯示屏顯示特性曲線嚴格符合DICOM曲線，使該顯示系統(tǒng)可以作為診斷、教學和會診當中的顯示終端。經(jīng)測試，該顯示系統(tǒng)響應速度快、亮度恒定、均勻性好，顯示特性曲線符合DICOM標準，實現(xiàn)醫(yī)療影像的精準顯示。

1 LED顯示控制系統(tǒng)硬件設計

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。接收卡設計最大帶載能力為256x256，在應用中帶載面積為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)打包傳遞給遠端的接收卡[3-4]。醫(yī)學影像位寬為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機進行通信，方便遠程操作。

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，負責各個模塊之間協(xié)同工作。DDR3用于緩存醫(yī)學影像數(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)學數(shù)字成像和通信（Digital Imaging and Commu-nications in Medicine，DICOM）是醫(yī)學圖像和相關信息的國際標準，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)學圖像格式。

醫(yī)用LED顯示屏的特性曲線與標準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)所屬灰度范圍進行判斷并根據(jù)判斷結(jié)果查找變換系數(shù)表，得到對應的調(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）對其進行變換得到對應的Mbit侍校準灰度數(shù)據(jù)，用M bit待校準灰度數(shù)據(jù)驅(qū)動醫(yī)用LED顯示屏進行顯示[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顯示屏進行顯示。對醫(yī)用LED顯示屏各像素的亮度數(shù)據(jù)進行采集，同時將顯示屏顯示特性曲線與DICOM標準進行比對，調(diào)整各像素對應的亮度校正系數(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一步逼近DICOM標準曲線，最后生成對應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?？刂葡到y(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)進行伽馬變換及亮度校正得到符合DICOM標準的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y1選擇2.0-2.3;中間灰度范圍為256-511，對應y2選擇2.3-2.6;高灰度范圍為512-1 023，對應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行變換得到對應的16 bit待校準灰度數(shù)據(jù)Si，S2，S3，分別用16 bit待校準灰度數(shù)據(jù)S1，S2，S3，驅(qū)動醫(yī)用LED顯示屏進行顯示。

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)進行采集。DICOM標準第十四部分定義了灰度圖像的標準顯示函數(shù)，灰度標準顯示函數(shù)通過從Barten ' s模型衍生而來的1 023亮度級數(shù)學差值法定義的，亮度范圍為0.05-4 000 cd/m2，標準DICOM曲線計算方法如下：

亮度校準主要通過顯示屏最大亮度值、最小亮度值來進行。利用上面的公式，通過所測得的最大和最小亮度得到標準的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)的關系曲線）逼近DICOM標準曲線，最后得到對應于低灰度范圍的調(diào)節(jié)系數(shù)Ci。同理，得到對應于中間灰度范圍的調(diào)節(jié)系數(shù)C2和對應于高灰度范圍的調(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)進行變換得到對應的16 bit灰度數(shù)據(jù)，以此驅(qū)動醫(yī)用LED顯示屏進行顯示。對醫(yī)用LED顯示屏各像素的亮度數(shù)據(jù)進行采集，同時將顯示屏顯示特性曲線與DICOM標準進行比對，調(diào)整各像素對應的亮度校正系數(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一步逼近DICOM標準曲線，最后生成對應于低灰度范圍的校正系數(shù)表I1。同理，可以生成對應于中間灰度范圍的校正系數(shù)表I2和對應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)所屬灰度范圍進行判斷，根據(jù)判斷結(jié)果查找變換系數(shù)表，得到對應的調(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)與各灰度范圍對應的3個校正系數(shù)表中對應的亮度校正系數(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準DICOM曲線的對照圖如圖5所示。其中，A為DICOM標準曲線;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標準曲線擬合較好，亮度響應誤差率小于10%。醫(yī)學圖像在LED顯示屏的顯示效果如圖6所示。

4 結(jié)論

本文設計的LED顯示控制系統(tǒng)應用在點間距1.25 mm的LED顯示屏樣機，并在吉林大學第二醫(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，可應用于醫(yī)療診斷、教學及科研工作中，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)在應用的液晶拼接屏及會診應用的投影儀。

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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)。