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更新日期:2017年10月15日
  • 作者:伊丽莎白A Krupinski,Phd,Fspie,Fsiim,Faimbe;首席编辑:Eugene C Lin,MD更多…
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无胶片放射学

介绍

放射科医生一直在寻找自从伦琴首先发现X射线并获得了妻子的手的图像胶片图像。然而,自80年代以来,放射科医师已经跳进在计算机监视器上的数字世界视图图像随频率的增加。医学影像存档和通信系统(PACS),跨企业文档共享成像(XDS-1)和远程放射学网络变得司空见惯,许多放射目前居民用数字而不是薄膜显示器训练。 123.4.5.6.7.

对于许多放射科医生来说,网络架构、带宽、数字档案以及医学数字成像和通信(DICOM)接口的兼容性等技术细节很少受到关注。从临床的角度来看,最重要的是,所需的患者图像在需要时可用,可以快速获得,并且具有诊断质量。其中,从临床医生的角度来看,诊断质量可能是主要因素(见下图)。 8.9.10111213

一个典型的雷达眼位置模式的例子 放射科医生在骨骼图像中寻找骨折的典型眼位模式。每个小圆圈代表眼睛停留的位置。这些线条表明了固定产生的顺序。
一个MAM的典型眼位置模式的一例 一个典型的眼睛位置模式的例子,乳房x线摄影师搜索乳腺图像的微钙化和肿块。小圆圈代表眼睛停留的位置。这些线条表明了固定产生的顺序。

在将最终图像呈现给放射科学家的眼睛脑系统之前,质量可能会受到数字链中的许多点。放射科学家的最关心是该链中的最后一步,临床图像在显示装置上呈现,因为这是放射科医师检查和用来进行诊断决策的。因此,放射科医师必须了解影响数字放射线图像显示的问题。

最近的研究集中在这些图像传输中的隐私保护和安全问题,包括混沌地图的使用 14和水印。 15其他研究人员正专注于建立标准化和一致的报告程序。 1617

过渡到监视器

随着从胶片到显示器的转变开始发生,很明显,与许多数字图像一样,计算机显示器上的射线图像与胶片上的图像并不相同。一开始,放射科医生对数字显示器的常规临床应用持怀疑态度。当胶片的使用开始减少时,出现了许多知觉和人体工程学问题。与在灯箱上观看胶片的传统方法相比,显示器通常亮度较低,空间分辨率较低,对比度较低(动态范围),观看区域有限。

这些因素必须得到解决,医学图像感知的研究人员已经开始研究它们。最终,放射科医生必须确保切换到不同的观看介质既不会对诊断准确性造成负面影响,也不会显著影响工作流程。如果适应和使用一种新型的工作站或观察系统需要太多的时间,放射科医生不太可能轻松或快速地进行转换。 181920.21

下一步:

临床数字显示的优化

将监视器图像与电影进行比较

许多研究发现,最佳显示器亮度、音阶和界面设计与影响临床阅读环境和诊断准确性的感知因素相关。在诊断准确性方面,胶片的表现通常与监视器观看的表现大致相同。然而,性能的其他方面可能会受到显示方式变化的影响。 2223242526

在一项研究中,3名骨放射科医生和3名矫形外科医生阅读了27名骨外伤患者的研究结果,一次来自胶片,一次来自监视器。 27他们寻找骨折、脱位或半脱位、韧带损伤和软组织肿胀或渗出物。要求读者指出每个患者的每个特征的存在和/或不存在。他们在搜索图像时记录了眼睛的位置(见下图)。 282930.313233

一个典型的雷达眼位置模式的例子 放射科医生在骨骼图像中寻找骨折的典型眼位模式。每个小圆圈代表眼睛停留的位置。这些线条表明了固定产生的顺序。

在观看电影和监视器时,诊断性能在统计学上相当(电影= 86%真阳性,13%假阳性;监测值= 80%真阳性,21%假阳性),尽管胶片读数略好。从眼睛位置的记录来看,视觉搜索表现的观察时间和其他测量方法存在显著差异。观看电影的平均时间为46.45秒,而观看显示器的平均时间为91.15秒,大约是前者的两倍。

胶片读数和监视器读数的主要区别是与图像无损伤区域相关的视觉停留时间。在监视器上真实阴性区域的平均停留时间明显比在胶片上长,因为图像上的大多数区域都是无损伤的,延长的停留时间增加了显著的观看时间。 3435

此外,读者花费的时间是普通读者的两倍tt= 4.84,自由度[df= 107,统计概率[p= 0.0001),首先用显示器(搜索4.67秒)注视(眼睛落在)感兴趣的损害,而用胶片(搜索2.35秒)。

在图像处理菜单和工具栏上而不是诊断图像上的搜索过程中产生的注视簇增加了20%。因此,电脑界面可能会让人分心。越来越多的人发现,最好的界面是简单而整洁的,并且不需要太多的培训就能使用。

这项研究表明除了诊断准确性以外的其他因素也很重要。延长每个患者的查看时间会导致工作流程减少,疲劳增加,而且随着时间的推移,可能会导致性能下降。开发一个易于使用、无干扰的界面对于促进临床放射科医生使用PACS和远程放射学系统也至关重要。 8.3637

显示器的物理特性

显示器的某些物理特性也会影响诊断性能;因此,在考虑购买用于远程放射学和/或PACS临床应用的监护仪时,应检查这些特性。注意,所有这些显示参数都适用于传统的阴极射线管(CRT)显示 38以及大量可用于放射学的液晶显示器(lcd)。当然,液晶显示器也有自己的局限性(例如,当从离轴角度观看时,图像质量会下降)。

例如,据报道显示器亮度会影响诊断性能。目前可用的最好的显示器的亮度大约是典型的放射线观察箱的5倍(1000比250英尺lambert)。在一项研究中,高亮度显示器(140英尺兰伯特)比低亮度显示器(80英尺兰伯特)的诊断性能更好。 39在每个监视器上观察50对乳房x线片,记录眼球位置(见下图)。

一个MAM的典型眼位置模式的一例 一个典型的眼睛位置模式的例子,乳房x线摄影师搜索乳腺图像的微钙化和肿块。小圆圈代表眼睛停留的位置。这些线条表明了固定产生的顺序。

在以前的研究中,没有发现诊断性能的显著差异(替代自由响应接收器工作特性[AFROC] A1为80英尺朗伯= 0.9594,为140英尺朗伯= 0.9695;t= 1.685,df= 5,p= 0.1528)。然而,眼睛位置记录再次显示了明显不同的观看时间:80英尺lambert和140英尺lambert分别为52.71秒和48.99秒(t= 1.99,df= 299,p= 0.047)。关于与决策相关的停留时间,再次发现真负停留时间受到的影响最大,80英尺兰伯特监测器比140英尺兰伯特监测器明显更长。

这些结果表明,数字显示亮度的变化可能影响放射科医师容易确定无病变(即普通)图像位置是正常的能力。亮度变化可能会增加彻底搜索图像所需的时间,并确定是否自由衰退。

监视器的知觉线性化

感知线性化的显示曲线(如DICOM曲线)比非线性曲线(如用于校准监视器的美国电影和电视工程师协会模式)的性能更好。DICOM标准曲线是为了将监测输出(相对于灰度)与人类视觉系统的感知能力相匹配而开发的。 40

知觉线性化的思想来源于使用两个非线性映射在监视器上显示图像。

  • 第一幅图采集记录的图像数据(数字图像的实际数值),并将其转换为显示器屏幕上的亮度值,亮度值代表显示器的显示功能或特征曲线。

  • 第二地图根据人类视觉系统的响应亮度变换的显示亮度。

显示的最佳感知动态范围(影响对比度,因此影响感知,特别是低对比度病变)关键取决于这两种映射的最佳组合。在PACS和远程放射学中,显示曲线的标准化非常重要,因为该系统允许放射科医生将图像从一个位置发送到另一个位置,并使用不同的监视器进行查看。一个显示器上的图像必须在所有显示器上看起来相同。DICOM显示标准试图通过设置标准显示曲线和某些其他质量控制措施来实现这一理想。

在一项相关的研究中,类似于比较不同亮度显示器的研究,一系列50张乳房x线照片被用来比较感知线性化显示器和非感知线性化显示器的性能。 41AFROC分析表明,感知线性化显示(A1 = 0.972)显著高于非线性显示(A1 = 0.951,t= 5.42,df= 5,p= 0.003)。

眼睛位置数据也显示了关于停留时间和视觉搜索的显著差异。与线性显示相比,非线性显示的总观看时间更长,与所有类型的决定(真与假、正与负)相关的停留时间更长(尤其是真负片),并且在搜索过程中产生的注视簇明显更多。监视器显示曲线的选择可能会显著影响放射科医生检测病变和确定真正负图像是否为负的能力,从而延长非感知线性化显示的总体查看时间。

显示分辨率考虑

显示分辨率是目前数字放射学和PACS的一个重要课题;放射科医生喜欢尽可能高的分辨率。然而,显示器的分辨率越高,成本就越高。最大化动态范围的黑白(B&W)显示器(大多数灰度图像所需要的)通常也比彩色显示器更贵。典型的台式电脑显示器最常见的分辨率是1024 x 1280像素或1200 x 1600像素。桌面显示器通常是彩色的,这降低了动态范围(黑色不像B&W显示器那样黑,白色不像B&W显示器那样白)。

核医学(单光子发射计算机断层扫描[SPECT]、正电子发射断层扫描[PET]、计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)都会产生256 x 256像素或512 x 512像素的图像(每个切片)。如果要逐个切片或滚动查看这些图像,1200 x 1600像素的监视器可能就足够了,因为这些切片很容易在这样的监视器上以全分辨率显示。随着技术的发展,从不同的模式合并图像,并使用彩色叠加突出某些类型的信息,彩色显示器是可取的。

低分辨率彩色显示器的问题在于,它们无法为需要B&W显示高分辨率图像以充分最大化动态范围的模式提供最大对比度分辨率(CR)和空间分辨率。一幅典型的CR图像大约是2300 x 1700像素,如果要以全分辨率查看整个图像,就需要使用中高分辨率显示器。新的数字乳房x线照相术系统可以产生4800 x 6400像素的图像。

在放射学有一些争论关于是否有必要显示一个图像一下子全分辨率还是可接受的压缩图像查看一次,紧随其后的是变焦或放大访问原始数据和查看全分辨率的图像的特定部分。为解决这一争论,正在进行大量工作。

一般来说,至少2048 x 2560像素的监视器应该用于放射学的初级诊断解释。这种分辨率将适合大多数模式,特别是给予足够的图像处理支持。目前,5000 x 5000像素的显示器是可用的,但成本和寿命问题仍然是很大的关注这些显示器。如前所述,在购买放射学显示设备时需要考虑其他特性(如亮度、价格、动态范围);因此,空间分辨率不应单独成为决定因素。

尽管CRT显示显示器是目前最常见和最可靠的显示设备,其他技术也在数字放射学领域产生影响。平板设备有很多前景,特别是在显示亮度方面。一旦视角问题(显示偏离中心)得到完全解决,这些新设备将成为高分辨率CRT显示器的可行替代品。由于许多公司也在进行平板技术的研究和开发,以适应商业市场,如果该技术可以很容易地适应临床使用,放射科可能在成本方面受益显著。

亮度和颜色

今天的射线照相图像显示在医疗级(MG)和商业现成(COTS)彩色LCD上展示,其易于获得,通常比MG灰度显示器更便宜,因此对于大型和小型实践非常有吸引力。大多数液晶面板都是用冷阴极荧光灯(CCFL)的背光,但较新的使用发光二极管(LED),并且具有更薄的轮廓,较低的功耗,且据报道更长的寿命。

在这两种情况下,LCD/LED元素调节通过面板的背光量,背光亮度决定显示亮度。面板模块的光量设定了最小亮度。液晶显示器和led都会随着使用时间和数量的增加而退化或变暗,所以一旦亮度不再符合既定标准(最低1.0 cd/m),就需要更换它们2; 最大值至少为350 cd/m2和420烛光/米2用于乳房X线X X X X亮度比> 250)。MG显示器通常具有监视和调整背光级别的嵌入式工具,以便它们比COTS显示器更稳定,这需要更常规的手动重新校准。它们通常具有比嵌入式技术更好地显示(> 20%)的亮度均匀性(〜15%),也可以补偿像素亮度变化。

一个主要的原因亮度是非常重要的是对比度,这可显着变化,因为(1)人眼调整到平均亮度它暴露于和(2)从适配的点亮度发散,细微对比度变化(即,在X线图像病变)是越来越难以察觉。非常简要地说,人类视觉系统(HVS)的对比敏感度可以使用刚刚明显的差异(个JND)或检测阈值,其表示在亮度为给定的显示的亮度感知的变化进行定量。大多数建模对比敏感度的开创性工作是由Barten完成,沿用至今。他决定基于数据(在不同亮度的背景检测的正弦对比度图案)从受试者的大样本收集和显示,HVS是非线性的平均人类视觉系统反应。换句话说,对于在高背景亮度JND所需的百分对比度变化是低于在低backgroundluminance一个JND。

这意味着,为了优化的诊断图像信息中的可感知性,校准方法必须考虑能力和HVS的限制(即,对比敏感度非线性)。Barten的模型提供了通过在灰度值产生感知线性(通过设置亮度值,从而在像素值对应于等于变化个JND),所以在像素值跨越灰度范围改变被认为具有相似的对比度来完成这个的一种手段。基本上,在低亮度级信息不能以能够在较高水平,反之亦然感知信息的费用丢失。

医学数字成像与通信(DICOM)第14部分灰度标准显示功能(GSDF)实现了这一点,研究表明,DICOM校准后的诊断准确性优于未校准的显示。虽然DICOM GSDF并不完美,但它是当今放射学中使用最广泛的校准方法。

DICOM GSDF对MG灰度显示器的使用和影响是众所周知的,但如前所述,如前所述,彩色显示器在诊断解释的放射学中比以往任何时候都更广泛地使用。DICOM GSDF不到迄今为止对放射学中的颜色显示器的任何特定建议,并且事实上标准是使用GSDF来校准灰度图像的彩色显示。尽管较旧的研究表明,在可实现的诊断精度(单色优于颜色)方面,颜色和单色显示屏之间的差异显然,但最近的研究表明,如果适当校准和维护,甚至高质量的COTS彩色显示器也可以产生等效的诊断精度水平。美国放射学(ACR)标准建议将所有监视器设置为对应于CIE日光标准D65白点或约6500°F的色温对应的白色点。

随着电子医疗记录和集成医疗保健企业(IHE)的出现,彩色显示器的正确校准变得越来越重要。放射科医生和其他临床医生在病人护理期间不仅要查看灰度x线照片,而且还要查看彩色医学图像,如病理整体幻灯片图像(WSI)、数字眼科图像、皮肤科图像和许多其他可见光图像。在目前的实践中,关于医用彩色显示器的校准或表征的指导非常少。一种可能是使用符合国际色彩联盟(ICC)数字成像系统色彩管理规范标准的色彩设备配置文件,因为它为色彩管理提供了标准化的体系结构、配置文件格式和数据结构,以及不同彩色成像设备之间的颜色数据交换。

目前正在提出显示单色和彩色医学图像的方法,但很少有人在对诊断性能的影响方面得到验证。可能需要单独的校准方案在彩色显示器上显示单色图像与彩色图像,直到设计出适合同时显示两种类型图像的一体化方法。例如,可以从扫描和显示2张标准病理切片开始。一张载玻片嵌入9个过滤器,这些过滤器的颜色是特意为苏木精和伊红(H&E)染色的WSIs选择的,另一张载玻片是H&E染色的小鼠胚胎。将显示的图像与标准进行比较,以确定颜色显示不准确及其原因。

其他方法包括查看显示特性和用于校准的工具。最近的一项研究描述了3个用于测量显示颜色的探头:一个小光点亮度探头的改进和2个基于黑色frusta的圆锥探头。他们发现了影响量化显示颜色的测量的探针之间的显著差异,因此提出了一种方法来评估液晶显示器颜色校准套件的性能,一个通用平台(虚拟显示)来模拟色调再现曲线。

Silverstein等人开发的最新方法包括实现黑电平校正并对其进行编码,使其与ICC颜色配置文件结构兼容。他们发现,使用他们提出的彩色显示表征方法和使用一系列具有不同预设校准的COTS显示器进行描版的方法,色彩再现精度显著提高。

在研究颜色管理和校准对诊断准确性影响的仅有的一项研究中,该方法被用于比较一组WSI乳腺活检图像的校准和未校准(开箱即用)COTS NEC 2690显示器。虽然彩色校正显示的诊断性能高于未校正显示,但在诊断准确性方面没有观察到统计学上的显著差异。然而,经过校准的显示器显示时间明显缩短,这表明适当校准和彩色管理显示器在诊断上有轻微优势,并在改进工作流程方面具有显著的潜在优势。

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下一步:

放射科医生的数字显示和计算机辅助

计算机辅助诊断

x光片的数字显示也使计算机辅助诊断(CAD)方案的真正临床应用成为可能。CAD的目标与前面讨论的知觉反馈的目标相似(即,为放射科医生提供额外的图像查看,提示潜在病变的位置)。然而,CAD不是使用眼睛位置信息,而是使用各种图像处理算法来检测和偶尔分类可能的病变部位。放射科医生在临床中使用CAD信息的方法和CAD对诊断性能的影响正成为人们感兴趣的话题。 42

虽然CAD系统运行良好,但计算机仍然错过了放射科医生能够发现的病变。放射科医生和CAD系统独立检查了80例乳腺微钙化簇,结果如下 43

  • 该CAD系统的真阳性率为83%,每幅图像有0.5个假阳性。

  • 放射科医师每张图像的真阳性率为78-90%,假阳性率为0.03-0.20。

  • 并检查了CADS'和放射科医师的真和假阳性的位置,真正的微钙化簇的所有,但5%是由CAD系统中,放射科医师,或这两者加以识别。

  • 在检出的聚类中,10%被CAD检出但被放射科医生漏诊,11%被CAD检出且至少被1名放射科医生漏诊。

  • 病变特征检查显示,CAD检测到微钙化,放射科医生判断其很少或没有可见特征,但偶尔会错过明显但不典型的特征。

作为放射科医生,要意识到CAD并不完美,并学习如何使用CAD作为感知搜索策略的补充。不要消除对图像的感知搜索,不要依靠CAD检测100%的病变。继续搜索整个图像,以更好地确定CAD显示的提示区域是真病变还是假阳性。

一般来说,CAD可能会在某种程度上帮助大多数放射科医生处理某些类型的图像。在诊断性能方面,那些经验丰富的放射科医生比经验较少的放射科医生更不可能从CAD中获益,但CAD提示(当准确性高时,没有过多的假阳性结果)可能在其他方面有帮助,如改进工作流程。在CAD for lung CT成像等领域尤其如此,在这些领域中,必须查看大量图像,可能导致放射科医生注意力分散或注意力不集中。在这种情况下,CAD可以帮助发现潜在的病变,也可以帮助放射科医生集中搜索。

一项研究还使用眼位记录来研究经验丰富的乳房x光检查师与阅读有或没有CAD信息乳房x光检查的居民的感知策略。 44在专业水平上发现了显著的差异。有经验的乳房x光检查师在进入CAD提示前花的时间(104秒)比住院医生(86秒)更彻底地搜索图像。在没有CAD的搜索过程中,乳房x光检查师也比住院医生更能固定病灶;因此,当有经验的乳房x光检查师访问CAD指针时,他们更多地使用它们来确认潜在病变的怀疑。这一假设在研究后的读者访谈中得到了支持。

在研究的经验mammographers指出,在他们曾检测到的病变之前,冠心病患者至少95%,他们只是在用CAD病变瞥了一眼,以确保CAD是指向同一个病变的位置。的其余时间,他们看起来有点长,因为CAD提示并不总是在病灶的中心指向;因此,该位置必须更仔细地核实。居民似乎使用CAD引导他们潜在病变的初步检查。

有了这个战略,缺乏经验的读者可能没有可能更有经验的读者发现病变的CAD系统没有检测到。该研究完成后也得到了证实。居民倾向于状态,他们不能够检测乍一看太多病变或非常不确定他们检测到的病变。他们还表示,他们倾向于等待CAD信息,因为它是容易花太长时间没有它搜索因为有太多的混乱结构来处理,而不从CAD的帮助。然而,这可能不是一个很好的策略。

该研究还表明,CAD在帮助放射科医生的用处确定病灶存在受到影响。对于mammographers,检测到病变而不错过CAD的50%,并用CAD报道。CAD前漏报的原始数量为居民比经验丰富的mammographers更高,并正确地检测只有33%的漏诊病变,并与CAD的报道。因此,尽管居民决定等待CAD信息,只用大约三分之一错过病变的帮助他们。

CAD可以帮助识别病变,但如果没有必要的经验来解释所看到的情况,住院医生就不能像经验丰富的乳房x光检查师那样从CAD帮助中获益,后者更有准备能够解释CAD发现。这些和类似的结果可能对CAD在临床环境中的应用具有重要的意义。不擅长乳房x光检查的住院医生或放射科医生可能需要明确的指导,在使用CAD之前进行彻底的图像搜索。 45

其他观看艾滋病

除了CAD之外,数字显示器提供了放射科医生,观看胶片显示器的辅助助剂。例如,通常,更通用的图像处理(例如,窗口级操作,高通滤波器,低通滤波器)是具有大多数数字显示工作站的标准。 46

许多类型的图像处理似乎不能提高诊断的准确性,而其他类型的可以。例如,一项研究发现,当使用图像处理时,放射科医生的决定从假阴性变为真阳性的可能性与从真阳性变为假阴性的可能性相同。 47结论是,至少对于本研究中使用的图像类型和图像处理功能而言,图像处理对诊断性能没有显著影响。

其他类型的观看辅助辅助助剂与放射科学家可能更有用的数字显示器包括三维(3-D)显示器(特别是CT扫描,MRI,超声波[US])和颜色。传统上,仅以灰度为基于薄膜的射线照相图像,用染料(通常是蓝色),作为添加到薄膜基座的单色以减少眼部菌株。利用数字图像,偶尔使用了颜色,并可能在将来更广泛地被接受。

目前,彩色在射线图像上最成功的应用可能是多普勒超声跟踪流动信息。在一张图像中,放射科医生可以看到解剖学和功能。类似的技术已用于MRI、CT扫描和核医学成像,特别是图像配准,比较在不同时间或两种模式下拍摄的图像,以及图像数据的三维绘制。 48495051

色彩应用是否会定期使用,特别是在二维计算机射线图像中,仍有待观察。然而,请记住,如果使用彩色显示器,需要一套新的标准来控制和校正彩色显示器,以保持显示器之间的图像保真度。

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下一步:

结论

随着我们进一步进入21世纪,放射学完成了向无胶片实践的过渡,对图像感知和观察者表现的担忧将不会减少。事实上,医学图像感知研究的重要性可能会增加。技术将为放射科医生提供更好和不同的图像。放射科医生将如何在感知上处理诸如压缩图像、彩色添加和在图像上叠加的计算机辅助提示符等技术进步?

目前,这些呈现图像和图像信息的这些新方法都在调查。很快,将要求放射科医师查看这些新类型的图像。图像感知研究将有助于我们指导基础研究,了解如何将此新信息介绍放射科医师,并通过改善对图像的看法来了解如何提高诊断性能。也许最重要的是,放射科医生将需要临床实践中使用的PACS和遥理系统的持续反馈和意见。 9.10111213

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