基于ROC理論評價單色顯示器對肺結節檢出效能的影響

尹建東，廖偉，郭啟勇，盧再鳴，馬躍

（中國醫科大學 附屬盛京醫院影像科，沈陽 110004）

軟閱讀模式下顯示器的選擇對放射診斷準確率的影響已成為影像診斷質量控制和質量保證研究的一個重要課題［1］。單色液晶顯示器亮度比較高、空間分辨率比較大、有較低的眩光和較好的同向調制傳遞函數［2］，這些都會對影像識讀的結果產生重要影響，所以近來備受推崇。但該種顯示器由于分辨率不同造成價格差異很大，另外顯示器對臨床疾病檢測效能的高低除了受其本身物理參數的影響外，還受到觀測者自身肉眼視覺系統的生理限制，所以高、中、低分辨率的顯示器在疾病檢出效能方面是否具有顯著性差異還存在疑問，本研究通過使用同一品牌而不同分辨率的單色液晶顯示器對肺結節檢出效能進行比較研究，旨在為醫院影像科診斷顯示器的合理配置及制定符合我國國情的相關行業標準提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗器材和儀器：影像診斷工作站3臺，對應3臺醫用單色液晶顯示器 （liquid crystal display，LCD）的性能指標，顯示器類型分別為Barco Z-2261、Barco Z-3620、Barco Z-5620；空間分辨率分別為1 600×1 200、2 048×1 536、2 560×2 048；像素度分別為 0.270 mm、0.207 mm、0.165 mm；激活屏幕對角線分別為540 mm、528 mm、540.9 mm；校準亮度分別為 500 cd/m2、500 cd/m2、500 cd/m2。為了實現圖像顯示一致性的要求，3種顯示器都進行了基于Barten模型的DICOM校正，且均使用同樣的圖像閱讀軟件（東軟Neusoft研發），該軟件將圖像密度采樣率的210位灰階降低為28位進行顯示，同時由于胸部影像圖空間采樣率基本為7 MP左右，大于顯示器的顯示矩陣，該軟件還會對圖像橫向和縱向的數據進行雙線性插值進行壓縮顯示。所有顯示器均調至最適宜讀圖亮度—500 cd/m2，且距離地板的高度相仿。直接數字化X線攝影（direct digital radiognaphy，DR）系統為Kodak公司的DR 7500，投照條件為115 kV、2.0～2.5 mAs，物片距為180 cm，探測器的像素點距為 143 μm；CT為 Philips公司的 Brilliance 64層CT，掃描參數為 120 kV、150～180 mA，螺距為 1.1，層厚和間隔均為3 mm；室內正常的熒光燈照明。

1.1.2 病例資料的選擇：從本院圖像存儲與傳輸系統 （picture archiving and communication system，PACS）中在線搜尋2007年10月至2008年4月有胸部后前位DR和CT的影像資料（兩者檢查時間差不超過7 d），滿足如下條件：（1）CT證實有結節的DR圖像；（2）DR疑似有結節但CT證實無結節或證實為淡片狀炎癥的DR圖像；（3）胸部DR和CT均無結節表現的DR圖像。將前者劃為陽性組，后兩者劃為陰性組，疑似病例主要目的是起干擾作用。結果在6萬多幅胸部DR圖像中尋到符合條件的93例，其中陽性組38例，疑似結節病例32例，正常病例23例。陽性組按結節直徑大小分為0.3～7.1 mm組（A組，19例）和7.5～1.9 mm組（B組，19例）2組，其中A組男8例，女11例，年齡4.0～76.0歲，平均年齡46.7歲，結節平均直徑5.5 mm；B組男10例，女9例，年齡20.0～72.0歲，平均年齡51.1歲，結節平均直徑10.7 mm。

1.2 操作方法

請放射科3名高年資醫師（主任或副主任醫師，工作年限>10年）參與讀圖，所有醫師的矯正視力均為1.0以上，以上3名醫師均未參與前期病例資料的選取，且是同年資醫師中日常工作狀態比較穩定的。3名醫師分別在3種不同分辨率的顯示器上集中進行3次獨立讀圖，每次讀圖期間醫師順序、顯示器類型順序、病例樣本順序均為隨機排序，且每2次讀圖的時間間隔在1周以上，主要目的是消除同一醫師2次讀圖期間學習的相互影響［2］。醫師讀圖不限時，不限制使用圖像后處理工具，盡量與平時實際工作條件相同，本研究不考慮限制使用圖像后處理工具的情況。

對肺部結節有無的評判采用5等分法［3～5］，具體是：肯定有，肺野中可見直徑＜3 cm、類圓形、密度比周圍組織高的病灶，評分5分；可能有，肋骨及肺紋理重疊中高度疑似有肺內結節，評分4分；不確定，密度差別小、重疊因素多，無法判斷結節影存在與否，評分3；可能無，肋骨及肺紋理重疊中局部密度略增高，但結節的可能性比較小，評分2；肯定無，確定肺內無結節，評分1。每名醫師給出每幅圖像在特定顯示器上表現出的相應等級的分數，并記錄所見病灶的位置。

1.3 統計學分析

仔細記錄每位醫師的診斷結果，并與CT證實的結節位置進行比對，若醫師未正確描述結節位置，統計時按“可能無”處理［3］。統計分析前對采集到的數據做如下預處理：分別計算2 MP、3 MP、5 MP顯示器上各醫師的平均分，采用平均評分進行統計分析。

采用SPSS13.0繪制受試者操作特性（receiver operating characteristic，ROC）曲線，計算曲線下的面積（area under curve，AUC），不同診斷效能的比較用Z檢驗（均為雙側檢驗），P<0.05表示差異有統計學意義。

2 結果

在不同分辨率的顯示器上識讀兩組肺結節的結果見表1所示。

識讀A組或B組肺部結節時，隨著顯示器分辨率的提高，代表醫師診斷效能的參數AUC有所增加，在5 MP影像診斷顯示器上AUC最大，但Z檢驗表明，各顯示器之間診斷效能比較差異無統計學意義（識讀A組結節時，2 MP和3 MP顯示器之間診斷效能比較的Z值為0.370，3 MP和5 MP之間為0.526，2 MP和5 MP之間為0.884；在識讀B組結節時，2 MP和3 MP之間的Z值為0.240，3 MP和5 MP之間為0.203，2 MP和5 MP之間為0.448，P均>0.05）；在各同分辨率的顯示器上識讀B組結節的AUC比A組要高，但Z檢驗表明診斷效能兩兩比較，差異也無統計學意義（在2 MP顯示器上A組和B組之間診斷效能比較的Z值為1.617，3MP顯示器為 1.562，5 MP 顯示器為 1.363，P 均>0.05）。以上結果表明：在不同分辨率的醫用單色液晶顯示器上檢測兩組不同物理尺寸的結節時，診斷效能比較差異無統計學意義。

表1 在不同分辨率的顯示器上識讀兩組肺結節的AUCTab.1 The AUC for the nodular detection of A and B groups on the displays with different resolutions

3 討論

ROC來源于信號檢測理論［6］，是一種廣泛應用的數理統計方法，該理論早期用于比較不同雷達之間的差異，Lee Lusted于1960年首先將該理論應用于醫學診斷，由于ROC曲線法不固定分類界值，同時允許中間狀態存在，更符合實際情況，所以現已成為影像檢查技術和影像診斷方法效能評價的客觀標準。AUC表明了該診斷實驗準確度的大小，其值越大說明該診斷試驗的準確度越高。采用ROC曲線法可對一個放射診斷系統的效能作出評價，也可對兩個或兩個以上的診斷系統的效能作出比較，在目前放射學領域新技術和新方法不斷出現的情況下顯得尤其重要。

挑選合適空間分辨率的顯示器時應充分考慮圖像本身的采樣分辨率，無論在低分辨率的顯示器上顯示高分辨率的圖像；還是在高分辨率的顯示器上全屏幕顯示低分辨率的圖像，都會通過軟件處理來對畫面的數據進行改動［7］。由于胸部DR影像的分辨率比較大，一般都大于5 MP，所以應盡量挑選分辨率比較高的顯示器，以便最大程度顯示影像本身的原有數據，使得顯示效果接近實際效果。美國計算機在放射學中的應用學會（the Society for Computer Application in Radiology）建議，以基本診斷為目的的影像工作站，其監視器應為肖像型，分辨率不得少于2 K×2 K。我國PACS起步較晚，診斷的準確性與否一直未引起放射學界的足夠重視，處于經濟上的考慮，不少醫院盲目采用空間分辨率1 024×1 280或1 024×768的顯示器，殊不知這要冒降低診斷精度的風險。

本試驗研究結果表明隨著醫用單色液晶顯示器分辨率的增加，識讀不同尺寸的肺結節時AUC有不同程度的增加，尤其對于直徑為0.3～7.1 mm的結節變化更大，這說明隨著顯示器分辨率的增加，放射診斷醫師降低了假陰性和假陽性病例的數目，提高了病灶檢出的效能，同時也說明顯示器分辨率的變化對小尺寸結節檢出效能的影響則更大，但不同分辨率顯示器之間比較差異卻無統計學意義。實驗沒有限制使用影像后處理工具，數字圖像操作與調整是進行數字圖像閱讀的一個非常自然的行為，只有這樣才能將數字圖像顯示的潛能完全挖掘出來，這可能是造成各個顯示器在觀測肺結節時沒有顯著性差異的重要原因，因為前臺后處理工具，尤其是放大工具，可以彌補顯示器分辨率太低的缺陷，國外也有對于精細診斷（如泌尿系小結石的檢測等）用1K和2K顯示器的檢出效能比較差異無統計學意義，其在研究中也強調了使用后處理工具，尤其是放大工具［8］。

本研究結果和國內吳杰［8］、王先運等［9］及國外Usami等［10］的研究結果相同，與程勇［3］的研究成果不完全一致。國內外關于不同分辨率的顯示器對放射診斷準確度影響的研究基本為彩色和單色顯示器之間的比較、LCD和CRT顯示器之間的比較、不同品牌的醫用顯示器之間的比較，筆者認為該試驗結論除了受顯示器分辨率的影響外還受到其他物理參數的影響，比如亮度、調制傳遞函數、眩光等，即試驗結論不足以說明完全是由顯示器分辨率的不同引起的。而本研究使用了同一品牌的醫用單色液晶顯示器，該顯示器物理尺寸的近似性、顯示亮度一致性和調制傳遞函數的同向性等，是優于其他類似實驗的一個最顯著的地方，表明本研究對顯示器其他各個影響因素的控制更為嚴格，即該放射系統的診斷效能主要受顯示器分辨率的影響和結節直徑大小的影響，而其他額外因素影響較小。

本實驗僅對不同分辨率的單色液晶顯示器對胸部DR影像圖上結節識別的影響進行了初步的研究，結果表明在不限制圖像后處理工具的情況下，使用不同分辨率的醫用單色液晶顯示器識讀不同尺寸肺結節時診斷效能相當。今后應在此基礎上加大研究的寬度與深度，以便更好指導醫院顯示器的合理規劃，在保證對不同疾病的影像診斷高準確率的前提下，購買那些性能更加可靠穩定但價格相對便宜的顯示器，滿足“高效率，低成本”的醫學影像工作站的購置原則。

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