6.3 数字图像评价与计算机辅助诊断

【调制传递函数】

调制传递函数(MTF)是从光学传递函数(OTF)发展而来,并借用了无线电通讯中“调制”的概念而成的。MTF是描述成像系统分辨力特性的重要参量。
一个成像系统往往包括几个子系统,如X线管焦点、滤线栅、探测器系统等,整体成像系统的MTF等于各子系统的MTF乘积。对于一个成像系统来说,每个子系统的MTF值都会降低整体成像系统的MTF,整体成像系统的MTF都比每个子系统的低。
MTF的理论依据为傅里叶级数、傅里叶变换、拉普拉斯变换及一般调和解析等数学理论。这种评价图像质量的方法比以往的方法更科学。首先,MTF的值可以直接测量和计算机处理;第二,它反映系统的成像质量,不受被观察物类型的影响;第三,对于复杂系统的总调制函数可由它的各个分系统MTF的乘积来确定;第四,还可以从MTF曲线和阈值反差函数曲线来确定影像的分辨率。
对影像质量的评价必须把对比度和空间分辨率两者结合起来,MTF反映的就是对比度和空间分辨率的关系。对于数字成像系统,直接转换硒探测器的MTF优于屏/片和间接转换探测器的MTF。探测器的调制传递函数作为表征平板探测器的空间对比度空间响应的系统函数,它受成像链的影响。数字成像系统的MTF包括预采样MTF、量化MTF、滤过MTF、激光相机的MTF、显示MTF等。

【量子检出效率】

量子检出效率(DQE)是20世纪60年代用于评价天体物理摄影系统成像质量的一个物理量,它描述了从探测器输入到探测器输出的信噪比(SNR)的传递特性。80年代初Sandric等人发现,DQE在评价X线成像系统SNR的传递特性的过程中起着至关重要的作用,并测量了屏-片系统的DQE值。近年来,对于DQE的测量已经成为当前对数字成像系统进行物理评价的最常用的方法。
量子检出效率(DQE)将对比度、噪声和分辨率这些物理参数结合起来,更加全面地反映了成像系统的成像性能。它表达的是一个成像系统的信噪比的传递特性。

【观测者操作特性曲线】 1. 观测者操作特性曲线(ROC曲线)

是一种以信号检出概率方式对成像系统在背景噪声中微小信号的检出能力进行解析、评价的方法。可以客观地评价诊断者的能力,提高医学影像对照研究的科学性和准确性。它是以通讯工程学的信号检出理论为基础,以临床心理评价的观测者操作特性曲线的解析和数据处理为手段的像质评价方法,属于通过人眼观测刺激反应判断的主观评价。

2. 刺激-反应矩阵方法

用2×2判断矩阵来取得有关制作ROC曲线的数据,在理论上是正确的。但在实际应用时因其数据太少,很难绘制ROC曲线。此时观测者对图像进行判断时,采用5值法回答:①绝对没有;②好像没有;③不清楚;④好像有;⑤绝对有。然后制作ROC曲线。

3. 敏感度与特异度方法

用于区分正常(只有噪声)和异常(有信号)的影像或检查方法的可信赖程度一般用敏感度和特异度来表示。
敏感度是指被检查的对象真正处于异常状态,或者说该对象的状况为“真阳性”时,将这种状态正确地判定为“阳性”的能力。敏感度又被称为感受性、敏感性、真阳性率或疾病正确诊断率;
特异度指当被检查的对象真正处于正常状态,或者说该对象的状况为“真阴性”时,将这种状态正确地判定为“阴性”的能力。特异度又被称为非疾病状态正确诊断率,表示的是在无异常情况下的识别能力。也就是说,特异度良好的检查,是不会发生将正常状况判定为“异常”这种情况的。
在2×2矩阵中,将敏感度与“真阳性”相对应,将特异度与“真阴性”相对应,所以“1-敏感度=假阴性”,“1-特异度=假阳性”。
对异常的有无(阳性或阴性)进行识别时,敏感度和特异度可以表现观察者的固有能力。对全部被观察的对象判定为有异常(信号、疾病)的结果中,真正处于异常状态者所占有的比例称为阳性预测率。
同样,在被判定为无异常(噪声或正常)的结果中,真正处于正常状态者所占有的比例称为阴性预测率。
阳性预测率被检查对象中异常发生的频率(称之为有异常率或有病率)所左右。因此,它用来判定在阳性的总数中,真正处于异常状态者所出现的概率。同理,阴性预测率也是如此。

4. ROC曲线的绘制

通过观察者分析的概率分布,以真阳性率为纵坐标,假阳性率为横坐标进行。综合敏感度和特异度两个方面描述诊断方法的准确度,曲线愈凸说明诊断价值愈高;根据具体情况,权衡漏诊和误诊的影响,选择一个适当的“截断点”作为实际诊断的参考值。

【计算机辅助诊断】

自1966年Ledley首次提出计算机辅助诊断(CAD)并应用于临床放射诊断以来,CAD技术在计算机技术的推动下取得了长足的发展。20世纪70年代,国外首先将此项技术应用于乳腺疾病的诊断,并进行了大量技术的临床应用方面的研究。80年代起,美国芝加哥大学又对胸部疾病的CAD技术进行了大量研究,并取得了阶段性成果。
CAD的本质是利用计算机视觉解释医学图像的内涵,弥补影像学科医生凭肉眼观察图像发现异常征象、主观分析影像学表现,并作出判断失误的不足为医生作出正确的影像学诊断提供帮助。CAD技术主要基于图像存档与传输系统(picture archiving and communication system,PACS),利用工作站对获得的医学图像进行模式识别、图像分割、病变特征的提取等处理,进而得到有价值的诊断信息。
CAD在乳腺疾病中应用主要通过计算机将乳腺钼靶X片数字化,再与计算机数据库中的正常乳腺进行比较,最后计算机将其认为异常的部位勾画出来,供放射科医生参考。由于乳腺的腺体组织与肿瘤组织在X线摄影条件下缺乏良好的对比,所以早期体积较小的肿瘤易被放射科医生漏诊。CAD技术可以提示放射科医生注意可疑的区域,利于发现早期肿瘤。
CAD在胸部疾病中应用主要集中在胸片中的心脏和肺野的自动分析(如心胸比例)、肺结节、气胸的检测肺间质渗出、肿块和钙化的分类鉴别等方面,尤其肺结节的检出有着特别重要的意义。