Einblicke in die digitale Gesundheit Displays für medizinische Geräte

Im Operationsraum, in der Befundung und bei der Diagnose kommen Monitore zum Einsatz, die für den medizinischen Einsatz qualifiziert sind. Schlüsselkomponente dafür sind TFT-Displays. Sie müssen besondere Eigenschaften hinsichtlich der Optik aufweisen. Die elektrische Anpassung an das System übernimmt die Monitor-Elektronik.

Sie unterstützt außerdem mit der Skalierung des Bildes, wenn erforderlich, der Ansteuerung des Backlights und Linearisierung nach DICOM. Im Folgenden werden speziell die Eigenschaften eines Displays auf die Eignung für den Einsatz im medizinischen Umfeld betrachtet.

Optische Spezifikationen

Für die Beurteilung eines Displays sind im Datenblatt alle optischen Parameter in einer Tabelle zusammengefasst. Um Messwerte reproduzieren und vergleichen zu können, müssen bei den Messungen zwingend gleiche Bedingungen vorausgesetzt werden.

Der Hersteller gibt in der Spezifikation detailliert an, mit welchen Aufbauten, Messgeräten und Verfahren die Werte ermittelt wurden. Vor Messungen muss der Prüfling Betriebstemperatur erreicht haben, die Messungen werden bei Raumtemperatur in einer dunklen Umgebung durchgeführt. Für die Betrachtung der Parameter wurde die Spezifikation des LM270WQ3 von LG Display herangezogen.

Kontrast

Der Kontrast, umgangssprachlich als „Ablesbarkeit“ verstanden, definiert den Quotienten zwischen hellstem und dunkelstem Bildinhalt. Für ein Bild mit hoher Dynamik ist ein hoher Kontrastwert wichtig, denn die Steigerung der Bildhelligkeit führt auch zu einem Anheben des Schwarzwerts. Da LCD nur Ventile für das von hinten einfallende Licht sind und dies nicht komplett blockieren, werden Displaytechniken wie IPS und MVA auch auf eine hohe Dämpfung hin optimiert. Ein häufig zum Einsatz kommendes Verfahren ist das Local Dimming, das weiter unten bei „Backlight“ beschreiben wird.

Backlight

Da LCDs nur das von hinten einfallende Licht moduliert, muss ein Backlight für ausreichende Helligkeit sorgen. Der vom Display darstellbare Farbraum wird von Farbfilter und Backlight bestimmt. Heute werden ausschließlich LEDs eingesetzt. Das LED-Backlight kann entweder an den Kanten des Displays angebracht sein („Edge Backlight“), von wo aus das Licht über einen Diffusor flächig verteilt wird, oder hinter dem kompletten Panel montiert sein („Direct“ oder „Matrix“ Backlight).

Bei letzterem können die LEDs einzeln oder in Gruppen in Abhängigkeit vom Bildinhalt angesteuert werden („Full Area Local Dimming“), um den Schwarzwert abzusenken und dadurch den Kontrast zu steigern. Man stelle sich das Bild einer Frau im roten Kleid auf einer grünen Wiese unter blauem Himmel vor – dort leuchten immer nur die LEDs einer Farbe. Je mehr Zonen das Backlight enthält, desto feiner sind die Inhalte voneinander abgegrenzt.

Damit das Display einen möglichst weiten Farbraum aufweisen kann, müssen die Primärfarben eine große Fläche im CIE-Farbdiagramm aufspannen. Der Display-Hersteller stimmt die Transmissions-Wellenlängen des Farbfilters so genau wie möglich mit denen des LED-Backlights aufeinander ab.

Industrie-Displays verwenden ein weißes Backlight, das mit einer blauen LED und einem gelben Konverter erzeugt wird. Das dadurch entstehende Spektrum nimmt das menschliche Auge als weiß wahr, wobei einzelne Spektral­linien auf die Transmissions-Wellenlänge des Farbfilters angepasst sind.

Mit dem Einsatz von Quantum Dots lässt sich das Spektrum und damit der dargestellte Farbraum erweitern. Quantum Dots wandeln die Wellenlänge des Lichts, das sie passiert. Die resultierende Farbe hängt von der entsprechenden Dimension der Dots ab. Das abgegebene Licht hat dabei immer eine größere Wellenlänge als das einfallende. Mit Hilfe eines blauen Backlights können Quantum-Dot-Folien die drei wichtigen Primärfarben problemlos erzeugen.

Jede Lichtquelle altert. Deshalb wird bei medizinischen Displays die Helligkeit des Displays von der internen Elektronik gemessen und nachgeregelt. Dadurch behält das Display trotz Alterung des Backlights die Darstellung wie am ersten Tag und liefert reproduzierbare, miteinander vergleichbare Abbildungen, was in der Medizin wichtig ist.

Uniformität

Für Displays, die in der medizinischen Befundung eingesetzt werden, ist auch die Uniformität der Helligkeit, das heißt die gleichmäßige Ausleuchtung der gesamten Fläche durch das Backlight, wichtig. Sie ist im Datenblatt bei der Spezifikation der optischen Daten aufgeführt und hier besser als bei industriellen Modellen. Für ihre Bestimmung wird die Helligkeit an mehreren Stellen des Displays gemessen.

Reaktionszeit/Response Time

Ein schnelles Umschalten der Pixel ist wichtig, um Bewegungsunschärfe zu minimieren und eine flüssige Darstellung von Inhalten zu ermöglichen. Dies ist besonders bei der Betrachtung von Videos von Bedeutung. Zur Veranschaulichung: Bei der Standard-Bildwiederholfrequenz von 60 Hz wird ein Bild auf dem Display für 16,7ms angezeigt.

Farbraum

Für eine optimale Darstellung muss der Farbraum, der durch das Display dargestellt werden kann, möglichst weit sein. Nur diejenigen Farben, die innerhalb des aufgespannten Dreiecks liegen, können dargestellt werden. Von einem kräftigen Rot profitieren besonders Farbaufnahmen in der Chirurgie und Endoskopie, von der Ausgewogenheit die darstellbaren Graustufen bei Anwendungen wie MRT und CT.

Zum Thema Abstufungen ist es hilfreich, wenn das Display 10 Bit Farben unterstützt, das bedeutet, dass jede Primärfarbe 1024 verschiedene Werte von Schwarz bis zur vollen Ansteuerung darstellen kann. Diese Abstufungen werden auch benötigt, um die Gradationskennlinie oder die Gamma-Kennlinie zu korrigieren, um eine visuell ideale Darstellung zu erhalten.

Mit dem medizinischen DICOM-Standard wird unter anderem die Farbwiedergabe eines Geräts definiert und der Zusammenhang von Digitalwert der Farbe als Eingangswert für das Display und der dargestellten Farbe festgelegt. Für eine optimale Darstellung von Farbtönen, besonders im Bereich der Graustufen, wie sie bei Radiologie- und Ultraschall-Bildern vorkommen, sollte das Display ausreichende Reserven haben.

Für eine flimmerfreie Darstellung sollte das Display „echte“ Graustufen darstellen. Manche Displays fügen durch „Dithering“ weitere Graustufen hinzu, die durch eine frame-weise Ein-/Aus-Ansteuerung der Pixel erzeugt werden. Das geschulte Auge erkennt das Umschalten als störendes Flimmern, da die effektive Frame-Frequenz von 60Hz heruntergesetzt wird.

Blickwinkel/Colour Shift

Wird das Display nicht genau aus der Senkrechten betrachtet, ergibt sich je nach Technologie eine Veränderung der Farbdarstellung. Selbst bei blickwinkelerweiternden Technologien wie IPS, FFS und MVA kann der Polfilter für eine leichte Verschiebung der Farbdarstellung sorgen, beispielsweise bekommt ein helles Weiß einen Blaustich. In Umgebungen mit mehreren Betrachtern wie in Operationssälen oder Konferenzräumen ist eine gute Blickwinkelstabilität zwingend erforderlich, um sicherzustellen, dass alle Benutzer identische Farbabstufungen aus verschiedenen Positionen sehen können. Die Spezifikation gibt darüber hinaus an, bis zu welchem Blickwinkel ein Kontrast (Verhältnis von hell zu dunkel) von mindestens
10 erreicht wird. Bei medizinischen Displays liegt der Winkel umlaufend nahe bei 90°.

Gray Scale/Gamma-Kurve

Die Wahrnehmung des Auges ist nicht linear zur Helligkeit. Die Gamma-Korrektur kompensiert diese so, dass von dunkel nach hell ein linearer Eindruck entsteht. Medizinische Monitore werden gemäß DICOM kalibriert, sodass beim Austausch von Daten diese auf jedem Monitor gleich angezeigt werden.

Auflösung

Eine hohe Auflösung ist wichtig, damit der Betrachter feine Strukturen differenzieren kann. Bestimmte medizinische Anwendungen erfassen Werte mit pixel-orientierten Sensoren, etwa in der Mammographie oder der Radiologie. Um dort Artefakte durch Skalierung zu vermeiden und das gesamte Bild darzustellen, werden Displays mit ungewöhnlichen Auflösungen eingesetzt.

Dort werden teilweise monochrome Displays eingesetzt, die sich durch besonders hohe Helligkeit und einen großen Dynamikbereich auszeichnen. In der Medizintechnik werden Displays auch nach Anzahl der Bildpunkte in Megapixel (MP) und nicht der Auflösungen in horizontaler und vertikaler Richtung klassifiziert. Für bestimmte Anwendungen, zum Beispiel in der Mammographie, wird die Abbildung im Porträt-Format bevorzugt.

Touchscreen

Manche medizinischen Geräte können alternativ zur Maus mit einem Touchscreen bedient werden. Dieser bietet den Vorteil des direkten intuitiven Zugriffs auf die Stelle, die in einer Vergrößerung betrachtet werden soll. Nachteilig ist, dass die Oberfläche mit Fingerabdrücken verschmutzt werden kann, was bei diagnostischen Displays problematisch ist. Die Einstellung der Parameter des Touchscreens muss in enger Abstimmung mit dem Einsatzgebiet erfolgen.

So sind zum Beispiel die Benetzung mit Flüssigkeiten, die Mehrfingerbedienung oder die Bedienung mit Handschuhen Kriterien, die berücksichtigt werden müssen. Die Gestaltung der Oberfläche des Bildschirms muss optisch und haptisch einwandfrei sein, wobei die Oberfläche gegen Verunreinigung mit im medizinischen Umfeld auftretenden Flüssigkeiten und Reinigungsmitteln besonders resistent sein muss.

Displays für medizinische Geräte müssen häufig bestimmte medizinische Zertifizierungen erfüllen, um den Standards und Vorschriften des Gesundheitswesens zu entsprechen. Dazu gehören beispielsweise die Zertifizierungen gemäß den Normen IEC 13485 für Medizinprodukte und IEC 60601-1 für die allgemeine Sicherheit elektrischer Geräte.

Mit dem Einsatz von TFT-Panels mit LED-Backlight kann Energie effizient genutzt werden, besonders bei tragbaren oder batteriebetriebenen Geräten kann dadurch die Akkulaufzeit verlängert werden. Medizinische TFT-Panels sind für eine lange Lebensdauer ausgelegt, da sie oft rund um die Uhr im Einsatz sind. Mechanismen wie die Nachregelung der Helligkeit ermöglichen einen stabilen Betrieb und reproduzierbare Ergebnisse über die gesamte Lebensdauer hinweg.

Fazit

Zwischen einem Display, das zur Bedienung eines Gerätes als HMI völlig adäquat ist und auch als Industriedisplay bezeichnet wird, und einem für die medizinische Befundung verwendeten gibt es wesentliche Unterschiede. Die Anforderungen an den Aufbau und die optischen Werte sind beim medizinischen Display ungleich höher, und auch die niedrigeren Stückzahlen sorgen für einen deutlichen Preisunterschied. Das Display selbst erfüllt noch nicht alle Anforderungen; die Ansteuerelektronik muss mit Farbabstimmung, Regelung des Backlights unterstützen; die optischen Anforderungen an Touchsensor, wenn vorhanden, und an die Frontscheibe sind durch das Umfeld im medizinischen Bereich und die unbedingte Ablesbarkeit unter widrigen Beleuchtungsbedingungen gegeben. Die Entwicklung und Serienfertigung eines Monitors verlangt vom Hersteller vielseitiges Know-How.