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画像工学・医用工学

医用画像表示モニタの品質管理（GSDF・TG18）

#画像工学 #モニタ #品質管理 #DICOM #国家試験 #過去問解説

どれだけ良い装置で撮っても、見るモニタが狂っていれば診断はできません。だから医用画像表示モニタには、装置と同じように品質管理が定められています。

国家試験でも毎回のように出題されますが、聞かれることは実は少なく、次の3つに集約されます。

  1. 目視試験か、測定試験か（＝器械が要るかどうか）
  2. どの器械を使うか（輝度計・色彩計・照度計）
  3. TG18 のどのパターンか、GSDF とは何か

この記事では、その3つを順に整理します。

目視試験か、測定試験か

モニタ品質管理の目視試験と測定試験医用画像表示モニタの品質管理を目視試験と測定試験に分けて示した図。目視試験はテストパターンを人が見るもので、アーチファクトすなわちムラや欠陥画素や残像、幾何学的歪み、全体的な均一性の目視確認が該当する。人の目で判断するので主観的評価であり、器械は要らない。測定試験は器械で数値を測るもので、最大輝度や最小輝度や輝度比、コントラスト応答、輝度均一性や色度が該当する。数値化するので客観的評価であり、輝度計や色彩計が要る。仕分けの基準は器械が要るかどうかである。テストパターンを用いた目視試験は客観的評価であるという記述は誤りで、目視は主観的評価である。不変性試験は日常の毎日の目視と定期の月次や年次に行い、2年ごとでは間隔が空きすぎる。モニタの品質管理：目視試験か、測定試験か仕分けの基準は「器械が要るかどうか」目視試験テストパターンを 人が見るアーチファクト（ムラ・欠陥画素・残像）幾何学的歪み全体的な均一性の目視確認人の目で判断するので 主観的評価器械は要らない測定試験器械で数値を測る最大輝度・最小輝度・輝度比コントラスト応答輝度均一性・色度数値化するので 客観的評価輝度計・色彩計が要る仕分けの基準は「器械が要るかどうか」アーチファクトは目で見る項目。輝度比・最大輝度・コントラスト応答・色度は測る項目「テストパターンを用いた目視試験は客観的評価」は誤り。目視は 主観的評価不変性試験は 日常（毎日の目視）＋ 定期（月次・年次）。「2 年ごと」は間隔が空きすぎで誤り受入試験で測った値が、以後の基準値になる
仕分けの基準は「器械が要るかどうか」。数値で管理するものはすべて測定試験。

モニタの品質管理は、大きく2つに分かれます。

目視試験測定試験
やることテストパターンを人が見る器械で数値を測る
代表項目アーチファクト（ムラ・欠陥画素・残像）、幾何学的歪み、全体的な均一性最大輝度・最小輝度・輝度比、コントラスト応答、輝度均一性、色度
性格主観的評価客観的評価

仕分けの基準は単純で、器械が要るかどうかです。数値で管理するものはすべて測定試験だと考えてください。

ここで狙われるのが、目視試験は客観的評価であるという選択肢です。誤りです。人の目で判断するのだから主観的評価になります。客観的評価とは、輝度計などで数値化するものを指します。

不変性試験の頻度も問われます。日常と定期（毎日の目視＋月次・年次）に行います。「2 年ごと」は間隔が空きすぎで誤りです。

どの器械を使うか

モニタ品質管理に使う器械モニタの品質管理に使う器械を3つ示した図。輝度計は画面そのものの明るさを測るもので、最大輝度や最小輝度や輝度比やコントラスト応答や輝度均一性を測り、単位はカンデラ毎平方メートルである。色彩計は画面の色を測るもので、色度を測る。照度計は部屋の明るさを測るもので、読影室の照度管理に使い、単位はルクスである。いちばん混ざるのは輝度計と照度計である。輝度計は画面そのものの明るさ、照度計はその場所がどれだけ明るく照らされているかを測る。照度計を用いてコントラスト応答を求めるという記述は誤りで、使うのは輝度計である。輝度計は「画面の明るさ」、照度計は「部屋の明るさ」コントラスト応答を測るのは輝度計。照度計ではない輝度計画面そのものの明るさ測る項目最大輝度・最小輝度輝度比・コントラスト応答輝度均一性単位 cd/m²色彩計画面の 色測る項目色度色度座標照度計部屋の明るさ測る項目読影室の照度管理単位 lx（ルクス）いちばん混ざるのは 輝度計 と 照度計輝度計 ＝ 画面そのものの明るさ（cd/m²）照度計 ＝ その場所がどれだけ明るく照らされているか（lx）。読影室の明るさを測る「照度計を用いてコントラスト応答を求める」は誤り。使うのは 輝度計「輝度比 ── 色度計」「最大輝度 ── 照度計」も、どちらも器械が違う
輝度計は「画面の明るさ」、照度計は「部屋の明るさ」。コントラスト応答を測るのは輝度計。

測定に使う器械は3つです。

  • 輝度計 … 画面そのものの明るさを測る（cd/m²）。最大輝度・最小輝度・輝度比・コントラスト応答・輝度均一性
  • 色彩計 … 画面の色を測る。色度
  • 照度計 … 部屋の明るさを測る（lx）。読影室の照度管理

いちばん混ざるのが 輝度計と照度計です。

輝度計 ＝ 画面そのものの明るさ／照度計 ＝ その場所がどれだけ明るく照らされているか

だから「照度計を用いてコントラスト応答を求める」は誤りです。コントラスト応答は画面の輝度を測るので、輝度計を使います。照度計の出番は、読影室の明るさ管理です。

同じ理由で、「輝度比 ── 色度計」「最大輝度 ── 照度計」といった組合せも、すべて器械が違います。

TG18 テストパターン：名前から用途が読み取れる

TG18テストパターンの使い分けAAPMのTG18テストパターンの使い分けを示した図。TG18-QCは全般的な画質を見るもので、解像度と階調とアーチファクトを1枚で確認できる。TG18-UNやUNLは輝度均一性を見るもので、UNはuniformityすなわち均一性の略である。TG18-LNは輝度応答やコントラスト応答を見るもので、LNはluminanceすなわち輝度の略である。TG18-CXは解像度を見るものでCxパターンを使う。TG18-QCに含まれる要素は、高コントラストの帯すなわちビデオ特性要素でゴーストや尾引きやにじみを見るもの、連続階調のグラデーション帯で階調の飛びや段差を見るもの、ラインペアやCxパターンで解像度を見るもの、16段階の輝度パッチで輝度応答を測るもの、0から5パーセントと95から100パーセントのパッチで低コントラストの見え方を見るものである。コントラスト応答にTG18-UNL80を使うという組合せは誤りで、UNLは均一性用である。TG18 パターン：名前から用途が読み取れるUN ＝ 均一性、LN ＝ 輝度。QC は1枚で多項目名前から用途が読み取れるTG18-QC全般的な画質解像度・階調・アーチファクトを1枚でTG18-UN / UNL輝度均一性UN ＝ uniformity（均一性）TG18-LN輝度応答・コントラスト応答LN ＝ luminance（輝度）TG18-CX解像度Cx パターンで細かさを見るTG18-QC に含まれる要素●高コントラストの帯ビデオ特性要素。ゴースト・尾引き・にじみ●連続階調のグラデーション帯階調の飛びや段差●ラインペア・Cx パターン解像度●16 段階の輝度パッチ輝度応答の測定●0〜5%・95〜100% のパッチ低コントラストの見え方名前の由来を知っていれば、組合せ問題はほぼ落とさないUN ＝ uniformity なので 輝度均一性。LN ＝ luminance なので 輝度応答「コントラスト応答 ── TG18-UNL80」は誤り。UNL は均一性用（一様な輝度面）TG18-QC は1枚で多くの項目を確認できる、日常点検の中心ビデオ特性要素は、白地を黒帯が・黒地を白帯が横切る高コントラストの部分
UN ＝ uniformity（均一性）、LN ＝ luminance（輝度）。名前の由来を知っていれば組合せ問題は落とさない。

モニタの品質管理には、AAPM の TG18 が定めたテストパターンを使います。名前の由来を知っていれば、用途が読み取れます。

パターン用途
TG18-QC全般的な画質（解像度・階調・アーチファクトを1枚で）
TG18-UN / UNL輝度均一性（UN ＝ uniformity）
TG18-LN輝度応答・コントラスト応答（LN ＝ luminance）
TG18-CX解像度（Cx パターン）

TG18-QC は日常点検の中心になるパターンで、目的の違う要素が1枚に詰め込まれています。

  • 高コントラストの帯 … ビデオ特性要素。白地を黒帯が、黒地を白帯が横切る部分で、ゴースト・尾引き・にじみがないかを見ます
  • 連続階調のグラデーション帯 … 階調の飛びや段差を見ます
  • ラインペア・Cx パターン … 解像度を見ます
  • 16 段階の輝度パッチ … 輝度応答の測定に使います
  • 0〜5%・95〜100% のコントラストパッチ … 低コントラストの見え方を見ます

GSDF：どのモニタで見ても同じ見え方にする

GSDFとコントラスト応答GSDFすなわちグレースケール標準表示関数と、コントラスト応答を示した図。左のグラフは横軸が階調すなわちJNDインデックス、縦軸が輝度で、0.05カンデラ毎平方メートルから4000カンデラ毎平方メートルまでの範囲を対数で表している。GSDFは人の目の感じ方に合わせて階調を等間隔に割りつけたもので、どのモニタで見ても同じ見え方になる。右はコントラスト応答で、各階調の実測輝度とGSDFによる理論値の差を階調ごとに棒で表している。差が許容範囲におさまっているかを見て、はみ出したらキャリブレーションが必要である。GSDFはDICOMのPart14で定められた表示関数である。人の目は暗いところと明るいところで感度が違うので、それに合わせて階調を割りつける。ガンマ2.2は一般のPCモニタやテレビの特性で診断用では使わない。LUTは変換表という一般用語、MPPSとMWMはDICOMの別のサービスである。GSDF：どのモニタで見ても同じ見え方になるための関数コントラスト応答は「実測と理論値の差」で評価するGSDF（グレースケール標準表示関数）0.0511004000輝度cd/m²階調（JND インデックス）目の感じ方に合わせて、階調を等間隔に割りつけるどのモニタで見ても同じ見え方になるコントラスト応答各階調の 実測輝度 と 理論値（GSDF）の差0＋−階調差が許容範囲におさまっているかを見るはみ出したらキャリブレーションが必要GSDF は DICOM Part 14 で定められた表示関数人の目は暗いところと明るいところで感度が違う。それに合わせて階調を割りつけるだから どのモニタで見ても同じ見え方 になる。これが診断用モニタの前提ガンマ 2.2 は一般の PC モニタやテレビの特性。診断用では使わないLUT は変換表という一般用語、MPPS・MWM は DICOM の別のサービス
GSDF は DICOM Part 14 で定められた表示関数。コントラスト応答は「実測と理論値の差」で評価する。

GSDF（Grayscale Standard Display Function、グレースケール標準表示関数）は、DICOM Part 14 で規定された表示関数です。

人の目は、暗いところと明るいところで明るさの違いを見分ける能力が違います。GSDF は、その目の特性に合わせて階調を割りつけたもので、

どのモニタで見ても、同じ見え方になる

ようにするための約束です。診断用モニタの前提になっている考え方です。

図の曲線は、実際に DICOM が定める式で描いたものです。輝度は 0.05 cd/m² から 4,000 cd/m² までの広い範囲をカバーし、対数に近い形で立ち上がります。

そして、コントラスト応答はこう定義されます。

各階調の実測輝度と、理論値（GSDF）との差

差が許容範囲におさまっているかを見て、はみ出していればキャリブレーションが必要、と判断します。

まぎらわしい用語も整理しておきましょう。

  • LUT（ルックアップテーブル）… 入力値を出力値に変換する表そのものを指す一般的な用語。GSDF を実現する手段ではありますが、規格の名前ではありません
  • MPPS（Modality Performed Procedure Step）… 検査の実施状況を RIS へ伝える DICOM のサービス
  • MWM（Modality Worklist Management）… 検査予定リストを装置へ渡す DICOM のサービス
  • ガンマ 2.2 … 一般の PC モニタやテレビの表示特性。診断用モニタでは使いません

数値と構成

モニタの数値と構成画像診断用ディスプレイで問われる数値と構成を示した図。輝度比は最大輝度を最小輝度で割ったもので、診断用モニタでは250以上、マンモグラフィ用では350以上が求められる。画素数の計算では2048掛ける2560は5242880で、約5.2メガピクセルすなわち5メガピクセルとなり、マンモグラフィ用モニタの規格である。3メガピクセルではない。不変性試験の頻度は日常の毎日の目視と定期の月次や年次であり、受入試験で測った値が以後の基準値になる。2年ごとは間隔が空きすぎで誤りである。液晶ディスプレイを構成するのは偏光フィルタすなわち偏光板である。乳剤層はフィルム、蛍光体層は増感紙やCRT、誘電体層はコンデンサ、光電変換層はFPDのものである。モニタの数値：何と何の比か、どの用途か輝度比は最大 ÷ 最小。2,048 × 2,560 は 5 メガピクセル輝度比最大輝度 ÷ 最小輝度診断用モニタ 250 以上マンモグラフィ用 350 以上画素数の計算2,048 × 2,560 ＝ 5,242,880≒ 5.2 メガピクセル（5 M）マンモグラフィ用モニタの規格不変性試験の頻度日常（毎日の目視）＋ 定期（月次・年次）受入試験で測った値が、以後の基準値「2 年ごと」は間隔が空きすぎで誤り液晶ディスプレイを構成するのは偏光フィルタ（偏光板）乳剤層＝フィルム／蛍光体層＝増感紙・CRT誘電体層＝コンデンサ／光電変換層＝FPD数字は「何と何の比か」「どの用途か」をセットで覚える輝度比は 最大 ÷ 最小。定義そのものを問う選択肢がよく出る2,048 × 2,560 は約 500 万画素。3 メガピクセルではない（正しくは 5 M）液晶で問われるのは 偏光フィルタ。ほかの層はすべて別の装置のものモニタは経年で輝度が落ちる。だから定期的に測って、必要ならキャリブレーションする
輝度比は最大 ÷ 最小。2,048 × 2,560 は約 500 万画素で 5 メガピクセル。液晶を構成するのは偏光フィルタ。

輝度比

輝度比=最大輝度最小輝度\text{輝度比} = \frac{\text{最大輝度}}{\text{最小輝度}}

診断用モニタでは 250 以上、マンモグラフィ用では 350 以上が求められます。

画素数の計算

2,048×2,560=5,242,880≒5 メガピクセル2{,}048 \times 2{,}560 = 5{,}242{,}880 \fallingdotseq 5\ \text{メガピクセル}

これはマンモグラフィ用モニタの規格です。「3 メガピクセルに相当する」という選択肢は誤りで、実際は約 500 万画素なので 5 M です。

液晶ディスプレイを構成するもの

偏光フィルタ（偏光板）です。ほかの層はすべて別の装置のものです。

  • 乳剤層 … 写真フィルム
  • 蛍光体層 … 増感紙・CRT
  • 誘電体層 … コンデンサ
  • 光電変換層 … FPD・撮像素子

試験で問われやすいポイント

論点覚える形
目視試験と測定試験の分け方器械が要るかどうか
目視試験の代表アーチファクト・幾何学的歪み
目視試験の性格主観的評価
測定試験の性格客観的評価
不変性試験の頻度日常＋定期（2 年ごとは誤り）
輝度計画面の明るさ（cd/m²）
照度計部屋の明るさ（lx）
コントラスト応答を測るのは輝度計
TG18-QC全般的な画質（日常点検の中心）
TG18-UN / UNL輝度均一性
TG18-LN輝度応答・コントラスト応答
ビデオ特性要素高コントラストの帯（ゴースト・尾引き）
GSDFDICOM Part 14 の表示関数
コントラスト応答の定義実測輝度と理論値（GSDF）の差
ガンマ 2.2一般の PC・テレビ用。診断用では使わない
MPPS / MWMDICOM の別のサービス（表示関数ではない）
輝度比最大輝度 ÷ 最小輝度
2,048 × 2,560約 500 万画素 ＝ 5 メガピクセル
液晶の構成要素偏光フィルタ

まとめ

  • モニタの品質管理は目視試験と測定試験。分け方は器械が要るかどうか
  • 目視は主観的評価、測定（輝度計など）が客観的評価
  • 輝度計は画面の明るさ、照度計は部屋の明るさ。コントラスト応答は輝度計で測る
  • TG18 は名前から用途が読める。UN ＝ 均一性、LN ＝ 輝度、QC は1枚で多項目
  • ビデオ特性要素は高コントラストの帯で、ゴースト・尾引きを見る部分
  • GSDF は DICOM Part 14 の表示関数。どのモニタでも同じ見え方にするためのもの
  • コントラスト応答 ＝ 実測輝度と理論値の差
  • 輝度比は最大 ÷ 最小。2,048 × 2,560 は 5 メガピクセル。液晶は偏光フィルタ

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