Bilderzeugung und beurteilung Qualitätskriterien bei analogem und digitalem Röntgenbild

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1 Bilderzeugung und beurteilung Qualitätskriterien bei analogem und digitalem Röntgenbild Inhaltsverzeichnis 0 Vorbemerkung 1 Technische Qualitätskriterien von Detektorsystemen 1.1 Die Übertragungskennlinie 1.2 die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) die MTF digitaler Detektoren die MTF analoger Film-Folien-Systeme 1.3 das Wienerspektrum (W) oder Noise Power Spectrum (NPS) bei digitalen Detektoren bei analogen Detektoren 1.4 die Detective Quantum Efficiency (DQE) 1.5 Einflüsse der Bildverarbeitung 2 Die Bildwiedergabe 2.1 Sehphysiologische Anforderungen 2.2 Bildwiedergabe bei digitalen Systemen auf Hard Copy Systemen auf elektr. Displaysystemen 2.3 Bildwiedergabe bei analogen Systemen 3 Psychophysische Bewertungen 3.1 Methode des konstanten Stimulus 3.2 Kontrast-Detail-Diagramme 3.3 Alternativ Forced Choice (AFC) Verfahren 3.4 Reciever Operating Characteristic Curve (ROC) 4 Literaturhinweise 1

2 0 Vorbemerkung Die nachfolgenden Ausführungen sollen Erläuterungen zum Vortrag sein und haben nicht zur Absicht alle Themen des Vortrages ausführlich darzustellen. Sie sollen darüber hinaus Anregungen zu einigen Aspekten des Vortrages geben, die in den angegeben Literaturstellen vertieft werden können. Die Vortragsfolien selbst können auf der web Seite der FH-Koeln, Institut für Medien- und Phototechnik/ C. Blendl / Vorträge eingesehen werden. 1 Technische Qualitätskriterien von Detektorsystemen Qualitätskriterien unterliegen zeitlichen Änderungen. Dies trifft sowohl für die medizinischen Anforderungen an ein Röntgenbild zu wie auch für die technischen Anforderungen. Für projektionsradiographische Bilder haben sich Projektionsstandards durchgesetzt, die in zahlreichen Lehrbüchern für die MTRA-Ausbildung [1] detailliert erläutert werden und z.b. auch als CD mit Videoclips zur Einstelltechnik von der Ärztlichen Stelle der Kassenärztlichen Vereinigung Nordrhein [2] erhältlich sind. Welche anatomischen Details in den Bildern vorhanden sein müssen ist in den Radiologischen Leitlinien [3] beschrieben und festgelegt worden. Damit ist die Grundlage für die Beurteilungsarbeit der Aufnahmetechnik durch die Ärztlichen Stellen festgelegt. Zwar machen die Radiologischen Leitlinien auch Hinweise zur technischen Ausgestaltung einer Röntgeneinrichtung mit der die geforderten Strukturen üblicherweise zur Abbildung gebracht werden können, aber diese Anforderungen unterliegen einem schnellerem technischen Wandel als die medizinischen, diagnostischen Anforderungen an das Bild. Ein Beispiel für einen medizinischen Wandel sind die Anforderungen an die Darstellung der Magenschleimhaut: die Methode der Wahl ist die Endoskopie; eine radiologische Untersuchung ist nicht indiziert. Das ALARA Prinzip für die Dosis (As Low as Reasonable Acchievable) fordert eine stetige Anpassung der Technik. Die für die Anfertigung von Aufnahmen / Untersuchungen notwenige Dosis hat so niedrig wie vernünftigerweise erreichbar zu sein. Dies schließt auch ökonomische Überlegungen mit ein. In der diagnostischen Radiologie müssen die technischen Einrichtungen i.d.r. dem Stand der Technik entsprechen (Ausnahme: Screening-Mammographie mit Einhaltung des Standes von Wissenschaft und Technik), in der Therapie dem Stand von Wissenschaft und Technik. Das Festschreiben eines stetigen Wandels in der Radiologie mit entsprechenden Qualitätskriterien erzwingt auch die stetige Weiterentwicklung von Prüfverfahren, mit denen die Bildqualität gemessen werden kann. Je anspruchsvoller die Qualitätskriterien sind, desto höher muss die Messgenauigkeit und die Reproduzierbarkeit der Verfahren sein (Absolut- und Wiederholgenauigkeit), bzw. erzwingt der analog/digital Übergang andere Prüfverfahren. Mit dem Übergang von anlogen Techniken (Film-Folien-Systeme (FFS), Filme auf Basis von Silberhalogenid-Kristallen in unterschiedlichen Anwendungsbereichen: Röntgenbildverstärker-Photographie, Kinematographie, Bild-Dokumentationssysteme (BDS), intraorale Zahnaufnahmen, Panoramaaufnahmen usw.) auf ihre digitalen Analoga hat sich ein Paradigmenwechsel vollzogen, der die messtechnischen Schwierigkeiten bei analogen Systemen z.t. aufgehoben hat, dafür aber neue Herausforderungen mit sich gebracht. Konnte man sich Ende der 70iger beruhigt zurücklehnen und die Messtechnik für analoge Systeme weitgehend als konsolidiert betrachten, so ist der Stand 2007 der, dass wesentliche Aspekte der bildgebenden Kette messtechnisch noch nicht so zugänglich sind, dass die angewendeten Verfahren als konsolidiert zu betrachten wären. So ist insbesondere die Messung des Einflusses der digitalen Bildverarbeitung auf die Erkennbarkeit von malignen wie benignen Bildmustern zwar mit psychophysischen Methoden gut definiert, aber digitale, automatisch ablaufende Messverfahren sind noch zu entwickeln. Unabhängig von obiger Fragestellung ist zu beachten, welches Qualitätsniveau geprüft werden soll: einfache Prüfungen mit z.t. visuellen Kontrollen, die z.b. für einfache Funktionsteste verwendet werden können, z.b. im Rahmen von Konstanzprüfungen nach Röntgenverordnung oder Prüfungen, die dem Stand von Wissenschaft und Technik entsprechen und eher für 2

3 Prüfungen geeignet sind, die eine Einrichtung vollständig qualifizieren sollen (z.b. Typprüfungen beim Hersteller). Im Rahmen dieser Ausführungen wird schwerpunktmäßig auf Prüfungen nach dem Stand von Wissenschaft und Technik eingegangen, einfachere Prüfungen werden gelegentlich erwähnt. Für die technische Beschreibung eines Bildsystems sind wenige Kenngrößen ausreichend, die im nachfolgenden beschrieben werden: Kennlinie: sie beschreibt die Wirkung unterschiedlicher Dosen auf die Systemantwort, sei es bei analogen FFS die Dichte oder bei digitalen Systemen der mittlere Grauwert (large area transfer characteristic). Aus der Kennlinie lassen sich Größen ableiten wie der maximal mögliche Kontrastumfang des Strahlenbildes usw. (siehe 1.1) Modulationsübertragungsfunktion (MÜF; eng.: Modulations Transfer Function (MTF)): sie beschreibt die Übertragungseigenschaften des Systems in Bezug zu unterschiedlichen Eingangsmodulationen ( spatial transfer characteristic) (siehe 1.2). Wienerspektrum (W; eng.: Noise Power Spectrum (NPS) / Noise Autocovariance Function): sie beschreibt den Einfluss statistischer Störungen auf das Bild (siehe 1.3). Wirksame Quantenausbeute (DQE; engl.: Detective Quantum Efficiency): sie beschreibt die komplexe räumliche Antwortfunktion des Systems auf unterschiedliche (Ort und Dosis/Strahlenqualität) Eingangssignale und ist eine Kombination aus den drei erstgenannten Kenngrößen (siehe 1.4). 1.1 Die Übertragungskennlinie Unabhängig von der Detektortechnologie ist bei der Ermittelung der Übertragungskennlinie zu beachten, dass zur Ermittelung eine konstante Strahlenqualität und Expositionszeit zu wählen ist. Nachdem die Theoreme der Übertragungstheorie (Dainty and Shaw [3]) streng nur auf lineare Systeme angewendet werden können, werden i.d.r. Darstellungen der Übertragungskennlinie gewählt, die zu mindest in Teilabschnitten linear sind. Bei digitalen Systemen zeigen Auftragungen z.b. des Logarithmus der Dosis gegen den Logarithmus der Grauwerte partiell ein lineares Verhalten. Bei hohen Dosen erschöpfen sich die Detektoren (Sättigungseffekte durch Ladungsüberlauf der Dioden, bzw. Kapazitäten) und bei niedrigen Dosen zeigt sich ein offset, der durch das elektronische Grundrauschen des Systems verursacht ist. Ein Kontrastumfang von drei Dekaden (1000 : 1; bzw. 60 db) mit linearem Verhalten digitaler Detektoren ist nicht ungewöhnlich. Bei FFS kann die S-förmige Dichtekurve als bekannt vorausgesetzt werden. Weniger bekannt ist, dass die Dichte zwar ein logarithmisches Schwächungsmaß darstellt, dass aber die Dichte linear mit der Silberkonzentration des Bildsilbers verknüpft ist. Im physikalischen Sinne ist die Dichtekurve also eine halblogarithmische Kurve. Wird die Netto-Dichte logarithmiert und gegen den Logarithmus der Exposition aufgetragen, so erhält man ähnliche Kennlinien, wie bei digitalen Systemen. Die Darstellung der Dichtekurve in der von Hurter und Driffield vorgeschlagenen Form, hat mit den sehphysiologischen Bewertungen von Helligkeitsunterschieden zu tun (siehe 2.1). Digitale Systeme liefern Elektronen als Systemantwort (Ladungen, die dann im weiteren in Spannungen konvertiert werden, welche dann digitalisiert werden: ADC) und analoge Systeme liefern durch Belichtung Silbercluster (n 4) auf damit entwickelbaren Silberhalogenidkörnern. Nach der Filmverarbeitung werden die Körner vollständig in Bildsilber umgewandelt. Bei geringen Packungsdichten der Silberhalogenidkörner oder bei geringen Expositionen ist der Zusammenhang zwischen Exposition (logk) und dem Logarithmus des gebildeten Bildsilbers linear, bei hohen Expositionen kommt es zu Sättigungseffekten. Werden nichtlineare, analoge wie auch digitale Systeme untersucht oder der gewählte Arbeitspunkt liegt im nichtlinearen Bereich, so muss der lokale Gradient gebildet werden. Beide Systeme, analoge wie digitale verhalten sich physikalisch gleichartig, nur das äußere Erscheinungsbild der Wirkung (Dichte oder Grauwert) ist unterschiedlich. 3

4 1.2 die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) Die visuelle Auflösungsgrenze, ermittelt mit Bleistrichrastern oder Siemenssternen ist zum einen rauschbegrenzt, zum anderen abhängig vom Kontrast des Rasters. So können mit analogen Systemen und Rasteraufnahmen mit sehr hohem Kontrast nominell zwar hohe Auflösungswerte erzielt werden, aber in dem dabei ermittelten Frequenzbereich gibt es keine natürlichen Strukturen, die einen derartig hohen Kontrast aufweisen könnten (radiologische Ausnahme: Implantate). Insofern sagt eine hohe Ortsauflösung mit Pb-Rastern nichts darüber aus, bei welchen Ortsfrequenzen mit niedrigem Kontrast das visuelle, rauschbegrenzte Auflösungsvermögen liegt. Nur Störungen, die erheblich sind, können also mit derartigen Prüfungen entdeckt werden. Es stellt sich bei analogen wie bei digitalen Systemen die Frage welchen Sinn derartige Prüfungen überhaupt haben. Das Konzept der MTF erfordert lineare Systeme und beschreibt das Übertragungsverhalten im Frequenzraum (Fourier-Transformation); es ist näherungsweise unabhängig vom Rauschen und vom Kontrast des Eingangssignals. Meist wird eine polierte, zur Scanrichtung gekippte Stahlkante abgebildet, unterabgetastet, normiert, abgeleitet, gefiltert und aus dem so erhaltenen Datensatz mittels Fouriertransformation die MTF gebildet. Näheres hierzu ist für digitale Detektoren in einer Norm [4] zu finden die MTF digitaler Detektoren Grundsätzlich muss unterschieden werden zwischen zwei Teilkomponenten, welche die MTF eines digitalen Detektors bestimmen. Zum Einen ist dies die Systemkomponente, welche die Wandlung der Strahlung in eine andere Energieform beschreibt und zum Anderen die Wandlung, welche durch das TFT-Array (amorphes Silizium) vorgenommen wird. Bei indirekten Flächendetektoren wird das Strahlungsbild mittels phosphoreszierender Kristallschichten (CsJ oder Gd 2 O 2 S:Tb) in ein Bild im visuell sichtbaren Bereich ( nm) gewandelt. Bei diesem Wandlungsprozess treten Streueffekte des Lichtes auf, die zu einer Unschärfe des Lichtbildes gegenüber dem Strahlungsbild führen: MTF der Leuchtstoffschicht. Das Lichtbild wird durch Photodioden aus amorphem Silizium, (a-si) detektiert. Bei CR- Systemen wird die in einer Schicht aus Speicherleuchtstoffen befindliche Information durch Auslesung mit einem Laserstrahl detektiert. Die Größe des auslesenden Strahls bestimmt die nominelle Pixelgröße. Bei direkten Detektoren wird die im Selen absorbierte Strahlung unmittelbar in Ladungen gewandelt, die dann mittels der angelegten Spannung auf ein TFT-Array gelenkt werden. Wesentlich wird die MTF digitaler Systeme durch die geometrische MTF des Detektors (Pixelgröße) bestimmt. Dabei gehen sowohl der Pixelpitch, wie auch die Apertur des jeweiligen Pixels mit ein. Mit Pitch wird der Abstand zweier Pixel voneinander und mit Apertur wird das Verhältnis von aktiver zu nomineller Größe des Pixels bezeichnet. Neben der geometrischen MTF spielen die MTF des unvollständigen Ladungstransportes, die Diffusions-MTF und die MTF der inhomogenen Empfindlichkeit im Pixel selbst eine untergeordnete Rolle. Mit X ist die wirksame Pixelbreite (Apertur), f Sig = Ortsfrequenz des abzubildenden Objektes, f N = Nyquistfreqenz und P pix = Abstand zweier Pixel bezogen auf ihre Mittelpunkte (Pitch) Damit wird deutlich, dass eine Aussage zur MTF, die sich allein auf den Pixelpitch bezieht unsinnig ist. Als Faustregel kann gelten, dass die MTF geo um ca % (direkte Systeme zu indirekten Systemen) zu erniedrigen ist um einen plausiblen Schätzwert für die wirksame MTF des Systems zu erhalten. 4

5 1.2.1 die MTF von Film-Folien-Systemen Scheinbar einfach ist die Bestimmung der MTF eines FFS. Es ist aber zu bedenken, dass ein FFS ein Doppeldetektorsystem mit gegenseitiger Interferenz ist und eine nicht linearere Kennlinie besitzt. Damit sind die systemtheoretischen Voraussetzungen für lineare Systeme vom Grundsatz her verletzt. Zwei Folien belichten den Film, der auf zwei Seiten mit derselben o- der unterschiedlichen Emulsionen beschichtet ist. Dabei gilt, dass die einer Filmseite anliegende Folie auch die der Folie gegenüberliegende Emulsion belichtet, allerdings durch die Abbildungsgeometrie und Streuprozesse bedingt weit unschärfer. Die Eigen-MTF von Front und Backfolie unterscheidet sich je nach Aufbau und für die Bestrahlung verwendete Strahlenqualität ebenfalls. Auch das Verhältnis, mit dem beide Folien zum Gesamtergebnis beitragen ist von der Strahlenqualität abhängig, da die rel. Absorption durch die Front-Folie strahlenqualitätsabhängig ist und damit die Dosis bestimmt, welche die Back-Folie trifft. Das scheinbar einfache FFS ist messtechnisch extrem anspruchsvoll und die Angabe einer MTF für ein FFS ist nur eine grobe Näherung an die räumlichen Übertragungseigenschaften eines FFS: 1.3 das Wienerspektrum (W) oder Noise Power Spectrum (NPS) In Normen zur Konstanz- oder Abnahmeprüfung nach RöV wird häufig die Standardabweichung innerhalb vorgegeben Fläche (Pixelanzahl) als Maß für die Unruhe im Bild verwendet. Schwebungen im Bildausschnitt, z.b. verursacht durch den Heel-Effekt erzeugen ggf. eine große Standardabweichung, die durch eine Drift des Mittelwertes verursacht ist und nichts mit dem visuellen Eindruck der Körnigkeit/Rauschens zu tun hat, der die Erkennbarkeit von Bildmustern beeinträchtigt. Das visuelle System ist sehr gut in der Lage eine solche Drift des Mittelwertes zu erkennen und die Mustererkennung davon unabhängig durchzuführen. Auch eine dominante Störung in einem bestimmten Frequenzbereich, die visuell als sehr störend empfunden werden kann, sich aber in der Standardabweichung nicht bemerkbar macht, bleibt bei der Bestimmung der Standardabweichung als Qualitätsmaß ggf. unentdeckt. Dies zwingt dazu, die Fouriertransformierte eines bestimmten Bildausschnittes zu betrachten um die ggf. unterschiedlichen Frequenzanteile des Rauschens erkennen zu können bei digitalen Detektoren Prinzipiell sollte das untersuchte System ortsinvariant sein. Normen wurden entwickelt, welche die Bestimmung des NPS beschreiben, deshalb wird hier nicht näher auf die Methoden eingegangen [5]. Es sei zusätzlich darauf hingewiesen, dass es frei zugängliche Bildverarbeitungsprogramme gibt, wie z.b. ImageJ, in dem es Java basierte plugin s gibt, die für die Berechnung des NPS zur Verfügung stehen. Eine kurze Herleitung von W und NEQ folgt: 1/W in (ν) = G 2 MTF 2 (ν) / W n (ν) mit G = Gain, Verstärkungsfaktor bei direkter Proportionalität von Input zu Output-Signal gilt W Q (ν) = Q mittel Bei einem idealem, rauschfreien Detektor gilt W n (ν) = G 2 Q mittel Für einen realen Detektor gilt 1/Q`(ν) = G 2 MTF 2 (ν) / W n (ν) Dazu siehe auch [6] Es ist heute also kein großes Problem mehr bei Vorliegen digitaler Bilddaten Auswertungen vorzunehmen, die dem Stand von Wissenschaft und Technik entsprechen. 5

6 1.3.2 bei analogen Detektoren Wie schon bei der MTF gezeigt ist bei der Bestimmung des Wiener-Spektrums auch das analoge System messtechnisch weit schwieriger als das digitale System. Wie dort müsste das NPS beider Emulsionsschichten getrennt aufgenommen werden und dann miteinander kombiniert werden. Die Messung mittels Mikrodensitometern ist kaum mehr möglich, da entsprechende Messgeräte nicht mehr erhältlich sind. Das Ausweichen auf Hochleistungsscanner aus der reprographischen Industrie ermöglicht zwar eine sehr hohe Ortsauflösung (bis zu dpi und mehr), aber die Grauwertauflösung bei hohen Dichten ist selbst mit diesen Geräten immer noch nicht ausreichend. Die in der PAS 1054 beschriebenen Anforderung an Scanner zum Digitalisieren von Mammogrammen stellen eine Mindestanforderung für Mammogramme dar um diese ohne wesentliche Einschränkungen befunden zu können, sie sind aber nicht ausreichend um damit die Genauigkeit zu erreichen, die für eine ausreichend genaue Bestimmung des NPS von FFS erforderlich ist. Eine kurze Herleitung von W und NEQ folgt: [1] D = γ (logq) = 0,434 γ Q/Q mittel mit D = Dichte = -log(t); T = Transmission γ = lokaler Gradient und Q = Quantenflussdichte 0,434 = log 10 e [2] D = 0,434 CTF Q/Q mittel = 0,434 MTF (ν) K/K mittel mit CTF = Contrast Transfer Function [3] d( D) / d( Q/Q mittel ) = 0,434 γ MTF(ν) in differentieller Schreibweise: [4] W D (ν) = (0,434) 2 γ 2 / Q mittel oder [5] Q mittel = (0,434) 2 γ 2 / W D (ν) oder [6] NEQ (ν) = (0,434) 2 γ 2 MTF 2 (ν)/ W D (ν) Dazu siehe auch [6] 1.4 die Detective Quantum Efficiency (DQE) / Rauschäquivalente Quantenzahl (NEQ) Die Rauschäquivalente Quantenzahl (eng.: Noise Equivalent Quanta (NEQ)) beschreibt das beobachterwirksame Rauschen, die DQE die Quanteneffizienz des Detektors jeweils in Abhängigkeit von der Ortsfrequenz. Eine hinlänglich hohe DQE ist eine hinreichende Voraussetzung für eine hohe Leistungsfähigkeit des Systems, aber ist keine ausreichende. Insbesondere die Anpassung des Bildes an das HVS und eine angemessene Bildverarbeitung bestimmen die Leistungsfähigkeit ebenso wie die DQE. DQE(ν) = Q mittel / Q detektiert DQE(ν) = NEQ(ν) / Q mittel für FFS oder DQE(ν) = SNR 2 out / SNR 2 in Dazu siehe auch [6] 1.5 Einflüsse der Bildverarbeitung Ohne Zweifel ermöglicht eine angemessene Bildverarbeitung eine verbesserte, zumindest angenehmere Befundung. Eine Anpassung an die sehphysiologischen Gegebenheiten des menschlichen Sehsystems ist eine Grundvoraussetzung. Welche Filtermethoden oder Bearbeitungsschritte das Bild in welcher Weise verändern lässt sich zwar mathematisch gut beschreiben, aber die Wirkung auf die komplexe Aufgabe der Mustererkennung lässt sich nicht eindeutig vorhersagen. Die Wirkung einzelner oder einer Kette von Bildverarbeitungsschritten 6

7 muss deswegen durch psychophysische Bewertungen vorgenommen werden (dazu siehe 2.1). Durch die Vielzahl der morphologischen Muster, ihr unterschiedliches Frequenzspektrum o- der ihren Kontrast, ihre räumliche Ausdehnung usw. kann die Wirkung der Bildverarbeitung auf unterschiedliche Muster antagonistisch sein. 2 Die Bildwiedergabe Die Unterschiedsempfindlichkeit des HVS in Abhängigkeit von der Leuchtdichte und der Ortsfrequenz bei simultaner Reizanbietung ist von Barten gut untersucht und dokumentiert [7]. Informationsschriften des ZVEI zu Bildwiedergabesystemen (BWG) zu diesem Thema lehnen sich an diese Untersuchungsergebnisse an. Die Medien, die für die Bildwiedergabe verwendet werden gehören prinzipiell zwei Klassen an: selbstleuchtende Medien und Medien, die unter Auflichtbedingungen arbeiten. Selbstleuchtende Medien können CRT-, LCD- oder Rückprojektionssysteme sein. Auflichtsysteme sind z.b. der klassische Papierausdruck aber auch Beamer-Systeme. In den letzten Jahren sind unterschiedliche Bildwiedergabesysteme entwickelt worden, die nur zum Teil in die Radiologie Eingang gefunden haben, die aber von ihren technischen Kenndaten her in der Lage sind radiologische Anforderungen zu erfüllen. Es ist zu erwarten, dass neue Medien die bisherigen Arbeitsabläufe bei der Befundung oder bei der Demonstration verändern werden. 2.1 Sehphysiologische Anforderungen Zwei wesentliche Anforderungen gilt es bei der Befundung von statischen Bildern zu beachten: Dynamik des BWG (daraus leitet sich auch die mittlere Leuchtdichte/ Arbeitspunkt des BWG ab) zur Anpassung an die Dynamik des adaptierten Zustandes des HVS. Da die Dynamik des Bildes durch Streulicht beeinträchtigt wird, spielt die Balance zwischen Raumlichtbedingungen und Bildhelligkeit eine große Rolle. Selbstleuchtende Systeme sind dabei besonders betroffen, da die Reflektion des Raumlichtes an der O- berfläche zu erheblichen Beeinträchtigungen führen kann. Dabei ist nicht nur die Dynamikeinschränkung durch diffuses Streulicht gemeint, sondern ebenso spekuläre Beleuchtungen (gerichtetes Licht/Spitzlichter). Die Reflexionskoeffizienten für diffuses und spekuläres Licht unterscheiden sich erheblich und die Beeinträchtigung bei der Befundung ist ebenfalls unterschiedlich. Sehphysiologisch angepasste Grauwertwiedergabe (Grey Scale Display Function) durch empfindungsgemäß gleichabständige Abstufung von Grauwerten. Bei richtiger Wahl der Wiedergabekennlinie sollten Bilder so dargestellt sein, dass zumindest ein vergleichbarer Bildeindruck zwischen den verschiedenen Wiedergabemedien entsteht: Hardcopy (transparent oder opak) oder Softcopy (selbstleuchtend oder reflektiv). Messtechnisch werden Selbstleuchter heute mit Luminanzmetern (Leuchtdichtemessgeräte) vermessen. Dies bedingt, dass Einflüsse diffuser Reflektion am Medium mit eingeschlossen werden. Bei transparentem oder opakem Filmmaterial wird zur Bestimmung der Kennlinie hingegen das Densitometer verwendet, so dass Einflüsse des Umgebungslichtes unberücksichtigt bleiben. Da Reflexionskoeffizienten auch dichteabhängig sind, kann nicht mit einfachen Interpolationen und Schätzwerten für Reflexionskoeffizienten gearbeitet werden, da die erforderliche Genauigkeit für die Festlegung von Kennlinien nicht erreicht werden kann. Der Versuch der Anpassung unterschiedlicher Medien auf einen vergleichbaren Bildeindruck muss unter diesen Vorgaben scheitern. Die bisher bestehenden Normen für Bilddokumentationssysteme nehmen auf diesen Umstand wenig Rücksicht. Densitometrische Messungen (Durchlicht- oder Auflichtverfahren) können 7

8 für Abnahme- oder Konstanzprüfungen verwendet werden, nicht hingegen um die sehphysiologisch wirksame Kennlinie zu bestimmen. Nachdem mit einer weiteren Zunahme der Medienvielfalt zu rechnen ist, müssen medienübergreifende Prüfverfahren entwickelt werden. 2.2 Bildwiedergabe bei digitalen Systemen auf Hard Copy Systemen Die Darstellung von Röntgenbildern mit einem BDS hat abnehmende Bedeutung. Bei fehlender datentechnischer Infrastruktur in einem Krankenhaus kann die Erstellung von Hardcopies zur 1.- und 2.-Befundung erforderlich sein. Im Niederlassungsbereich ist ebenfalls sicherzustellen, dass eine Bildqualität im Bild vorhanden sein muss, die eine eindeutige Befunderkennung ermöglicht. Dies trifft insbesondere auf die Bildkommunikation zwischen überweisendem Arzt und ausführendem Radiologen zu. Strittig ist, ob die Befundfähigkeit des Mediums auch auf opake Medien zutrifft, bzw. welche Printverfahren für opake Medien hierfür geeignet sind. Der Dichteumfang von opaken Materialien übersteigt den Wert von D=2,2 nicht; dies entspricht einem Helligkeitsumfang von 1: 156 und übersteigt damit die Anforderungen, die an einen Befundmonitor für die allgemeine Projektionsradiographie gestellt werden. Es bedarf einer detailierten Analyse, welche Dokumentationsform für welchen Zweck angemessen ist; eine Aussage, die sich allein auf transparente oder opake Medien bezieht, greift offensichtlich zu kurz. Wird die Druckqualität von sogenannten Photodruckern betrachtet, so reicht sowohl die Grauwertauflösung (mindestens 8 Bit Bildtiefe) und die Ortsauflösung aus um radiologische Bilder angemessen, d.h. befundfähig darzustellen. Ob damit allerdings noch ein Kostenvorteil zu erzielen ist, darf bezweifelt werden auf elektronischen Displaysystemen Bei den BWG vollzieht sich ebenfalls ein Technologiewandel, der durch die Entwicklung im Consumer -Bereich getrieben wird. Die Herstellung von CRT s wird aus arbeitsschutzrechtlichen Gründen immer weiter eingeschränkt: Bleihaltige Gläser zur Abschirmung der bei der Lichterzeugung entstehenden Röntgenstrahlung werden bei der Herstellung immer mehr zum Problemfall. Der Preisrückgang bei Flachdisplaysystemen allgemein bringt die Kostenvorteile von CRT-Systemen immer mehr zum Kippen. Technologische Probleme bei der Darstellung von Bewegtbildern mit LCD-Displays spielen zumindest in der Darstellung von projektionsradiographischen Röntgenbildern keine große Rolle. Neben den BWG s die an Befundplätzen/workstations eingesetzt werden, muss das Augenmerk auch auf Demonstartionsräume gelenkt werden. Denn die Orts (SVGA)- und Grauwertauflösung (8 bit), sowie der Kontrastumfang ( :1) von Beamern ist ausreichend um befundfähige Bilder aus dem Schnittbildbereich darzustellen. Projektionsradiographische Bilder mit höherer Ortsauflösung können mit Zooming in ausreichender Auflösung dargestellt werden. Allein die Beleuchtungsbedingungen entscheiden über die Befundfähigkeit der Bilder. Auf diese Weise lassen sich auch Befundarbeitzplätze mit Beamern gestalten, z.b. mit Rückprojektionseinrichtungen usw Bildwiedergabe bei analogen Systemen Das klassische Röntgenbild erfordert Röntgenfilmbetrachtungsgeräte nach DIN 6856: mittlere Leuchtdichte etwa 2000 cd/m 2, Einblendmöglichkeiten usw. sowie eine ausreichend abgedunkelte Umgebung. Anforderungen an die Maximaldichte des Filmmaterials im Gegensatz zu Anforderungen an die Minimaldichte - bestehen nicht, obgleich zu bedenken ist, dass unter Befundbedingungen der Kontrastumfang des Bildinhaltes in etwa 400:1 ( D=2,6) betragen sollte. Unter Berück- 8

9 sichtigung der Rückstreuung des Raumlichtes an der Filmoberfläche ist dann eine deutlich über Dichte 3 liegende Maximaldichte erforderlich um die sehphysiologische Anforderung an den Dichteumfang einzuhalten. 3 Psychophysische Bewertungen Wie unter 1.5 ausgeführt sind psychophysiche Bewertungen an Röntgenbildern für eine Bewertung der klinischen Validität von Bildsystemen erforderlich. Im angelsächsischen Sprachraum gibt es hierfür die Bezeichnung efficacy: Eine entsprechende Tabelle ist [6] entnommen, in der die Bedeutung der einzelnen Level dargestellt ist. In diesem Beitrag werden nur Ausführungen zu Level 1 und 2 gemacht, also der untersten beiden Ebenen in der Bedeutung medizinischer Maßnahmen. In Abschnitt 3 dieses Beitrages werden Randnotizen zu Level 2 gemacht. Level Typical Output Measures 1 Technical efficacy MTF, Gray scale steps 2 Diagnostic accuracy efficacy Sensitivity, Specifity, ROC, curve analysis 3 Diagnostic thinking efficacy Entropy chance; Change in clinican s diagnostic probability 4 Therapeutic efficacy Percentage of times therapy changed 5 Patient outcome efficacy Change in quality adjusted life years 6 Societal efficacy Summed quality adjusted years; Positive change in national product Tab.: 1: Six-tiers model of efficacy [6] Psychophysiche Bewertungen müssen immer dem statistischen Verhalten von Entscheidungsprozessen Rechnung tragen. Dies bedingt immer eine große Zahl von Einzelentscheidungen und damit einen hohen Zeitaufwand bei der Durchführung derartiger Studien. Trotzdem sind bei psychophysischen Bewertungen die erzielbaren Genauigkeiten limitiert. Sind die Studien erst einmal durchgeführt und publiziert, so haben sie die untersuchten Systeme i.d.r. schon weiterentwickelt. Das sich hier auftuende Dilemma kann aber nicht dadurch gelöst werden, dass keine Untersuchungen durchgeführt werden oder der medizinische Fortschritt verlangsamt wird. Es ist auch Aufgabe der Medizinphysik derartige Studien zu initiieren, zu begleiten und zu publizieren. Von den unterschiedlichsten Verfahren oder Verfahrensausprägungen können hier nur wenige erwähnt werden. 3.1 Methode des konstanten Stimulus Bei dieser Methode wird ein Signal dem Beobachter dargeboten, das an der Wahrnehmungsgrenze liegt und das der Beobachter als wahrnehmbar oder nicht wahrnehmbar qualifiziert. Die Signaldarbietungen können mit Leersignalen gemischt sein. Die durch mehrmaliges Anbieten desselben Signals erhaltene Treffsicherheit (in %) kann z.b. gegen den Kontrast des Signals aufgetragen werden. Bei geeigneter Auftragung, z.b. als kummulative Treffsicherheit versus den Kontrast des Details erhält man die True Positive Fraction, bzw. den Kontrast, der zu einer bestimmten Treffsicherheit gehört. Beeinträchtigt werden derartige Untersuchungen von der Schwellwertsetzung des Beobachters, die über einen längeren Zeitraum nicht konstant bleiben muss. Bei alleiniger Darbietung von Aufnahmen mit Detail, spielt die Problematik des wishful thinking eine nicht unterschätzende Rolle. 9

10 3.2 Kontrast-Detail-Diagramme In Kontrast Detail-Diagrammen wird die Trennlinie zwischen sichtbar und nicht sichtbar in Abhängigkeit von Detailgröße und Kontrast bestimmt, entweder als positiv- oder negativ- Kontrastdarstellung. Jeder Reiz in dieser Art von Aufgabenstellung ist unterschiedlich. Das Ergebnis ist in gleicher Weise wie bei der Methode des konstanten Stimulus von dem durch den Beobachter gewähltem Vertrauensniveau abhängig. Die Auswertungen sind zudem limitiert durch eine schlechte statistische Verlässlichkeit, da jeder Datenpunkt durch eine oder wenige Darstellungen des Bildrauschens festgelegt wird. Kontrast-Detail-Diagramme sollten bei der Bestimmung der Bildqualität nur als grobe Abklärungsmethode angewendet werden. 3.3 Alternativ Forced Choice (AFC) Verfahren Bekanntestes Beispiel für ein 4AFC-Verfahren ist der CDMAM-Prüfkörper, den es auch in einer Ausführung für konventionelle Radiographie gibt. Vier verschiedene Möglichkeiten für die Anordnung eines Goldplättchens in den vier Ecken eines Bilddetails bei gleichzeitiger Anwesenheit eines im Zentrum des Bilddetails gibt es. Je nach Anzahl der verschiedenen Entscheidungsmöglichkeiten für die Position eines Details, 2AFC, 4 AFC usw. unterscheidet sich das Signal (Detail)-Rausch-Verhältnis (auch Contrast Noise Ration (CNR) genannt), das für die Erkennbarkeitsschwelle angesetzt werden muss. Besondere Bedeutung kommt bei diesen Verfahren der Tatsache zu, dass der Beobachter keine Möglichkeit hat, die jeweilige Position des Details auswendig zu lernen und damit einen erheblichen Bias produziert. Eine randomisierte Anbietung der Details ist für eine seriöse Durchführung von AFC-Testen unabdingbar. Dies ist bei analogen Systemen sehr schwer zu realisieren, aber bei digitalen Systemen sollte diese erforderliche Randbedingung unbedingt eingehalten werden. Dies würde dazu führen, dass bei nicht randomisierter Anbietung andere Grenzwerte/ CNR-Schwellen gelten würden als für Verfahren, bei denen die Signale randomisiert angeboten würden. Die Trennschärfe dieser Verfahren ist durch eine hohe Inter- und Intraobserver Variability eingeschränkt. AFC-Verfahren stellen auf Grund der schwierig einzuhaltenden Randbedingungen Verfahren dar, deren Aussagekraft nicht überbewertet werden darf, auch wenn sie z.b. vom Bundesministerium für Umwelt (BMU) für Screening Systeme in der Mammographie eingefordert werden. 3.4 Reciever Operating Characteristic Curve (ROC) Für alle unter 3.1 bis 3.3 beschriebenen Verfahren werden Prüfkörper verwendet. Ein direkter Rückschluss auf die radiologische Leistungsfähigkeit ist dadurch dennoch nicht gegeben. Die Mustererkennung eines z.b. kreisförmigen Details wie im CDMAM Phantom unterscheidet sich wesentlich von der Mustererkennung radiologischer Details. Es ist aus psychphysischen Untersuchungen bekannt, dass die neurale Signalverarbeitung in Frequenzkanälen verläuft, so dass das Frequenzspektrum eines Details für die Mustererkennung eine erhebliche Bedeutung besitzt. Die armen Frequenzspektren eines Goldplättchens werden neural anders verarbeitet als die frequenzreichen Spektren realer morphologischer Details. Die Beweisführung für die diagnostische Eignung radiologischer Bildsysteme war vielmehr die, dass z.b. in der Screening-Mammographie festgestellt wurde, dass bestimmte FFS im Screening tauglich sind, bzw. waren und dass diese FFS eine bestimmte Leistung bei der Erkennbar von Goldplättchen aufwiesen. Die radiologische Tauglichkeit wurde an demographischen Untersuchungen über Recall-Quoten, Intervalkarzinomen usw. festgemacht. In einem streng genommen unzulässigen Umkehrschluss wurden Systeme vom Screening ausgeschlossen, welche die technischen Anforderungen eines CDMAM Phantoms nicht erfüllten ohne dass die radiologische Tauglichkeit demographisch ausreichend geprüft worden wäre oder zumindest mit gründlichen ROC- 10

11 Studien abgesichert worden wäre: ein aus pragmatischen Gründen nachvollziehbares Verfahren, aber methodisch sicher angreifbar. Im Gegensatz zu den unter 3.1 bis 3.3 beschriebenen Verfahren können mit dem ROC Verfahren auch Patientenbilder mit und ohne Befund untersucht werden. Der Vorteil dieses Verfahrens, das in seinen vielfältigen Ausprägungen den Stand von Wissenschaft und Technik wiedergibt, besteht darin, dass mit einer i.d.r. fünfstufigen Skala die Merkmalsdeutlichkeit erfasst wird. Auf diese Weise kann die Spezifität und Sensitivität eines Verfahrens oder z.b. die Wirkung einer Bildverarbeitung auf bestimmte Befunde erfasst werden. Bei digitalen Bildern können durch digitale Bildbearbeitung (im Gegensatz zur dig Bildverarbeitung) Befunde aus Bilddaten gelöscht, eingebaut oder geschwächt werden um den Einfluss auf die Treffsicherheit zu ermitteln. Ein Beispiel soll dies verdeutlichen: ist im Bild ein Cluster aus Mikroverkalkungen enthalten, so können einzelne Mikroverkalkungen gelöscht werden und es kann untersucht werden ab welcher Gruppenhäufigkeit der Mikroverkalkungen eine positive Markierung durch den Radiologen stattfindet. Ebenso kann Rauschen in Bilder eingerechnet werden um den Einfluss einer verringerten Dosis bei der Bilderzeugung auf die Treffsicherheit abschätzen zu können. Der Nachteil des ROC Verfahrens besteht darin, dass die einzelnen Untersuchungen meist Voruntersuchungen erfordern und bei der eigentlichen Versuchsdurchführung sehr zeitaufwändig sind. Es bedarf also einer sorgfältigen Planung der Fragestellung und der vorhandenen Resourcen (Radiologen) bevor ein ROC Test durchgeführt werden kann. Durch die i.d.r. erforderliche Anzahl von 5 Beobachtern mit mehr oder weniger radiologischer Erfahrung können derartige Untersuchungen nur in Kliniken durchgeführt werden oder der Versuchsleiter betreut ein Netzwerk von partizipierenden Radiologen. Copyright C. Blendl, Köln, Januar

12 4 Literaturhinweise [1] Lehrbücher für die MTRA-/Medizinphysikexperten-Ausbildung: H. Morneburg, Bildgebende Systeme in der Medizinischen Diagnostik, Siemens Verlag, 200x (ISBN 10: ) Handbook of Medical Imaging,, Vol.1: Physics and Psychphysics, J. Beutel, H.-L. Kundel, R. L. Van Metter, SPIE Press, Bellingham, 2000, (ISBN ) Handbook of Medical Imaging,, Vol.2: Medical Image Processing ans Analysis, M. Sonka, J. M. Fitzpatrick, SPIE Press, Bellingham, 2000, (ISBN ) Handbook of Medical Imaging,, Vol.3: Y. Kim, S. C. Horii, SPIE Press, Bellingham, 2000, (ISBN ) [2] CD zur Aufnahmetechnik: Ärztlichen Stelle der Kassenärztlichen Vereinigung Nordrhein, Dipl.Ing.(FH) R.Kolder Facharzt für Radiologie- Leiter der Ärztlichen Stelle Tel.: Fax: [3] Qualitätsbeurteilungskriterien der Kassenärztlichen Bundesvereinigung (KBV): Vereinbarung zur Strahlendiagnostik und Strahlentherapie gemäß 135 Abs. 2 SGB V, Köln, Radiologischen Leitlinien und Leitlinien der Bundesärztekammer zur Qualitätssicherung in der Röntgendiagnostik: Qualitätskriterien röntgendiagnostischer Untersuchungen, Dt. Ärzteblatt 34/35 (1995) [4] JC Dainty and R. Shaw, Image Science, London: Academic Press, 1974 [5] DQE: IEC , Medical electrical equipment Characteristics of digital X-ray devices Part 1: Determination of the detective quantum efficiency, Geneva, [6] ICRU Report 54, Medical Imaging-The Assesement of Image Quality, 1996 (ISBN X) [7] PGJ Barten,:The effects of picture size and definition on perceived image quality. Proc SID, Vol. 30, No. 2: 67-71,

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