PACS中DICOM打印图像质量控制的研究

      PACS（Pmture Archiving and Commtmication Systems）即图像存储与通信系统，是医院数字化建设的重要组成部分，它一般包含图像的采集、存储、诊断报告、网络通讯和网络打印等功能，其中网络胶片打印是PACS的重要内容之一，其技术要求必须符合整个PACS的构架，即必须建立在DICOM（Digital Imaging and Communication in Medicine）标准的基础上，否则就不能最大限度地发挥整个PACS的效率，DICOM是美国放射学会和全国电器制造商协会于1993年共同制定的用于规范医学数字图像的标准，目前已广泛应用于各设备制造厂商和PACS系统中。由于打印输出的胶片是影像信息的最终表达，并直接应用于疾病的诊断，因此打印输出的质量是一个需要考虑的重要问题。当然，输出胶片的质量和打印机、定影显影药液、胶片型号等有直接的关系，但在数据流上就做好严格的控制，可以科学、定量地做好网络打印的质量管理，这是DICOM在相关领域发展的一个方向。另外通常一台设备连一台相机，打印参数设置比较简单，在PACS网络中，所有的影像设备和相机连在一个网上，打印参数的调整和变化会更加复杂。本文从DL COM中数字影像的表达、DICOM打印图像的测试和图像打印的整个环节上对DICOM网络打印的质量控制进行研究，以实现对DICOM打印图像质量的控制。

1　DICOM中数字影像的表达

　　在DICOM胶片打印管理中，有一个表达LUP（Look Up Table） SOP （Service Object Pair）类，这就是数字影像表达。数字影像表达是DICOM标准中一项重要的内容，也是数字影像应用的最终目的。任何医学影像信息只有通过软拷贝（显示器显示）或硬拷贝（胶片打印）的方式才能得以应用。由于医学影像的发展，出现了多种成像显示方式，应用最多的还是灰度图像，所以我们在这里讨论灰度图像打印的有关影像表达。

　　一个标准的DICOM的数字影像表达流程如图1所示［1］。

 

图1　DICOM的数学影像表达流程

 

　　当影像获取设备获得数字化的医学影像后，DICOM通过所定义的灰度标准显示函数将P值（Prosentatmn Value）转换成亮度信息输出到标准显示系统进行影像的表达。在DICOM数字影像的表达中，P值是一个重要的概念，是一个设备无关的线性表达值，作为DICOM表达层的输出和标准显示表达系统的输入。尽管显示方式有软、硬拷贝的不同，但只要输出的P值范围确定，影像的表达就可确定。

　　标准灰度显示函数的数学表达有通用公式、透射型（胶片）打印表达公式、反射型（纸张）打印表达公式三种。我们在网络打印中应用的为透射型打印表达公式，对于图像的亮度与胶片的密度之间的关系可用下式表达：

　　L＝La+L0×l0-D　　　　　　　　　　　　　　　 （1）

　　其中：L—为图像像素的亮度

　　L0—为阅片灯没有胶片时的亮度

　　La—为阅片环境对胶片的影响亮度

　　D（Density）为胶片光学密度

　　在实际应用中，在不同的显示表达系统间选择一个合适的函数，因为如果没有标准显示的线性函数，在网络环境中进行显示系统的调节将会十分困难。下面我们来探讨如何选取标准的线性函数。

　　假设胶片的密度从Dmin到Dmax，那么图像亮度范围为：

　　Lmin=La+L0·10-Dmax，Lmax=La+L0·10-Dmin　     （2）

　　Lmin为最小亮度，Lmax为最大亮度

　　设j（Just-Noticeable Difference，正好能分辩的差值）的最小值为jmin＝j（Lmin），最大值jmax＝j（Lmax）

　　如果j用一个n位二进制的P值来表示，范围从jmin＝0到jmax＝2n－1，则j与P的关系可表示为：

　　j（p）＝jmin?＋P·（jmin＋jmax）/（2N-1） 　　　 （3）

　　因此由（1）和（3）可得

　　D（P）＝-Log10｛［L（j（P））－La］/L0｝　　　  （4）

　　其中：LO和La的典型值为：

　　LO＝2000cd/㎡

　　La＝10cd/㎡

　　（4）式就是我们得到的P值与胶片密度D之间一一对应的一个表达函数，每一个P值对应于一个胶片密度值D。P的值为。至2n－1，其中n：为图像像素的位数，因此只要知道图像的像素值，通过P即可转换成胶片密度D值，实现数字影像胶片（硬拷贝）的表达。

　　那么如何选择P和D值，在PACS中对DICOM网络打印的胶片打印质量影响是非常大的。密度值D的范围对于不同的相机来说是不同的：如KODAKl60为0—399，KODAKPACSLink 9410控制器的密度最小为0，最大为170—350可选［2］，AGFA LA型激光相机的最小最大密度值与用一定大小、一定类型的胶片校准后有关［3］。而P值的范围0－2n－1对于PACS网上的不同图像来说也是不同的，如MR、Cr的图像像素的位数一般为12位，NUP的范围为0—4095；而数字胃肠的图像像素的位数一般为8位，则P的范围为0—256。PACS中DICOM网络打印管理可以在同一平台下对不同设备的图像进行打印，在网上从不同厂家、不同型号的相机出胶片。因此在网上对于各种不同图像选择不同相机进行打印时，一定要合理选择P值和D值，也就是说当需要打印的图像和相机变化时，需要对打印参数进行合理的调整和选择，才能达到最佳打印质量，实现影像信息的正确表达。

2　DICOM打印图像的测试

　　正如前面所述，胶片是信息的一个最终载体，它直接影响到医生对影像信息的判断、对疾病的确诊。尤其在一个网络环境中，涉及到多种模态的设备和不同厂家、不同型号的DI。 COM相机，如何保证打印图像的一致性，是一个很重要的问题。我们注意到，DICOM标准在质量保证体系方向的内容正在不断加重，建立在DICOM、HL7（Healthcare Level 7）的标准体系基础上的IHE（Integrating the Healthcare Enterprise）也将此作为一个重点发展方向。

　　因此，遵循DICOM的打印测试在实现网络打印质量控制的过程中是一项不可或缺的工作。根据国际上标准的测试方法，打印测试分为定标和验证两部分。定标即厂商对打印设备自身的校正，主要和设备相关；而验证指的是在DICOM网络打印环境中所支持的相应打印服务类以及是否正确执行了表达LUT，从而评估打印机是否可以进行一致性表达。和打印实现过程类似，网络打印的DICOM测试也需要从DICOM PMS（打印管理服务）的SCU（Service Class User）、SCP（Service ClassPro rider）两方面来考虑。

　　SCP端即打印机，这是影响打印质量的一个重要环节。但由于该方面和硬件结合得较紧密，不容有太多的介入调节，所以相对于DICOM网络构架中的数据流控制来说，仅仅是一个次要方面。在SCP端，可进行的测试包括：

2．1  打印机的DICOM协议测试。要实现DICOM打印，需要对打印机各项参数有一个预先了解，这些信息都包含在打印机的DICOM一致性声明中，如AE（Application  Entitle）标题，执行类UID（Unique ldentification）等。在这里，有一个方法是利用一个打印结构取回（Printer Configuration Retrieval）SOP类，从而获得打印机更多的细节信息，但这一选项在实际应用中并没有被广泛支持。

 

图2　SMPTE样片

 

2．2　测试打印机是否支持一些诸如打印方向选择、最大／最小密度定义、反相、collation（在单个打印任务中打印多幅）、8／12位图像的像素处理变换等功能。通过样片来测定。通常使用的有SMPTE（Society of Motion Pictureand Television Engineers）美国电影与电视工程师协会样片（见图2）。同时各设备厂商也提供自己的样片，图3是KODAK公司提供的校准测试片。目的都是利用密度仪测试通过不同的灰阶的表达方式定量体现打印质量。

2．3　如果要严格做到对打印SCP端的测试，还需要通过一些不常用的  DICOM服务来测试打印机对 Presentation LUT执行支持的完整性（如：测试 11位、13位 图3 KODAK公司测试校准样片等特殊像素位数的LUT）。由于我们主要的工作是在SCU端进行，因此相对SCP端来说，从SCU端来进行测试有较多的自由度。

 

图3　KODAK公司测试校准样片

 

　　测试是按DICOM的基本灰度打印SOP类两大部分（基本灰度打印管理类和表达LUT类）进行，可以进行的测试包括：对PresentationLUT的支持、布局格式的支持、一些基本属性及可选属性的支持（边界密度、空图密度、方向、大小、放大类型、平滑类型、媒体类型、最大／最小密度、边界修整等）、网络协议的支持（例如测试在N—CREATE消息响应中是否包含SOP类 UID）等。我们测试了多台打印设备，包括KODAK 8100和160以及AGFALA5200相机。通过测试，发现一般打印设备都可以遵循DICOM的基本灰度打印管理服务，完成胶片打印，但在 DICOM遵循性上却不尽相同。有的设备支持的服务类更多， AGFA（DICOM执行版本名MG3000-VERSION-3）可以支持相关灰度打印管理类（Reference Gray Print Managemem Meta）等，甚至还支持Cr、CR等设备模态的STORE服务类，这为网络化打印及其它PACS应用提供了有利条件。

　　DICOM对象是非常复杂的，还有众多的SOP类，不可能通过一个简单的应用测试出所有的DICOM遵循性。DICOM对象和服务还在不断的发展中，需要不断发展完善。目前国际上有针对遵循性测试（Conformance testing）的ISO 9646－1标准，同时还有不少测试机构提供完善的测试方案，包括北美放射学会（RSNA）中央测试结点（CTN）的DICOM遵循性测试等引。我们与之还有较大差距，这里有硬件设备等方面的原因，更主要的还是观念意识上的差距。

3　DICOM图像打印环节上的质量控制

　　前面了解了DICOM中数字影像的表达和遵循DICOM的打印测试方法，下面我们探讨从DICOM图像打印的部分环节对打印图像的质量进行控制和管理。DICOM图像打印的主要环节有荧光图像的后处理、激光打印机的调试和校准以及洗片机冲洗性能的综合管理等［5］。

3．1　荧光图像的后处理质量控制　DICOM打印图像效果的好坏，看其拷贝后影片能否真实地将荧光屏图像中所有信息再现于影片中。因此获得高质量的荧屏图像是控制影片质量的关键。荧光图像的质量除了采集以外，图像的后处理是一个的重要因素，在PACS网上有O、MR、DR等不同设备产生的荧光图像，对这些不同图像所显示的内容或感兴趣区等对诊断有价值的部分做适当的和不同的后处理，进行图像修正或调节窗宽窗位等手段，能很好的提高图像打印的质量。

3．2　激光打印机的调试和校准控制　在第二部分对打印图像所能进行的测试进行了详细的说明，不过一般用户由于技术水平和条件的限制，不可能对所有的项目一一测试，但激光打印机安装完毕后，结合当时的具体情况和条件，如需要打印的叮、MR等图像类型、洗片机类型、冲洗药液和胶片型号、打印图像的最大密度、最小密度、对比度等，因地制宜地进行认真调试和校准，还是很有必要。调试时可用激光打印机内存QC图样为样片，确定出一个最佳标准值，作为以后机器调整的质控标准。浙江大学医学院附院的工作人员对KODAK和AGFA激光相机的背景密度、灰阶响应特性、图形几何结构、小对比度变化、分辨率等指标进行了检测，结果发现有37。5％不符合要求［6］，因此激光打印机安装完后，根据相关的国际标准进行验收检测是必须的，这可以保证激光打印胶片质量的稳定可靠。

3．3　洗片机冲洗性能控制和管理　除了干式DICOM相机打印的胶片外，其他相机打印后的胶片需经过显影、定影处理才能实现原设置胶片标准值，因此对洗片机冲洗性能诸因素的稳定是非常重要，要保证这一点，必须做到，尽量减少可变因素，如洗片机循环时间、显定影及水的温度、补充量大小、药液性能、胶片的感光性能等。同时做好日常的监测和校准，把日常质控人员的工作落到实处，确保冲洗质量的一致性、连贯性。

　　总之，随着PACS的日臻成熟，其应用层次也将日益广泛和深入。作为PACS重要组成部分网络打印的实现会带来影像质量的保证问题，PACS同样有不断出现的新问题需要完善和解决，PACS相关的QA、QC工作将是PACS实施后一项重要的任务，这也是符合事物发展规律的。因此要求PACS的设计者、使用者共同努力，才能使其发挥出最佳效益，带来数字化医学影像领域的春天