第二講 數字化醫療影像臨床質量評價

銳珂醫療集團 馮慶宇

第二講 數字化醫療影像臨床質量評價

銳珂醫療集團 馮慶宇

編者按：評價醫療影像質量時，應同時從臨床特點和設備成像能力兩方面進行評價。本系列將用兩篇文章分別對臨床影像質量評價和設備成像能力質量評價的理論與方法進行總結和分析。

本篇文章主要結合數字化醫療影像的特點，從臨床的角度介紹影像質量評價的理論與方法，包括進行臨床評價時的主觀性和客觀性、應注意的問題、評價角度與方法、圖像的臨床影像特點、噪聲的識別與評價、受試者工作特征（ROC）等，并初步介紹了人類視覺特性的基本知識。

0 前言

醫療影像質量評價包括多方面的主觀和客觀因素。影像質量評價的最根本標準是對診斷信息的提供，最終目的也是為了診斷正確率的提高。DQE、MTF等參數反映了成像系統的圖像生成能力，但不足以全面地評價影像質量，因此更要從臨床實際需求進行圖像質量的評價。

1 數字化醫療影像質量評價的主觀性與客觀性

醫療影像的生成涉及到生物工程學、物理學、化學、生理學、光學、數學等許多學科，又受到諸多臨床實踐經驗的影響，同時具有主觀性與客觀性，也需要從這兩方面進行質量評價。

主觀評價主要從臨床和人的角度來描繪數字化醫療影像的質量，如人的心理、生理因素與臨床需求等。客觀評價主要從設備的基本性能角度來描繪數字化醫療影像的質量。

客觀評價近年來研究的比較廣泛，如經常使用的模量傳遞函數(MTF)、量子獲取效率(DQE)等[1]。從純技術的角度來評判，MTF的高低對影像質量的評價更具有決定性，因為它反映了圖像對解剖結構的還原情況。從管理的角度來評判，影像質量管理要達到最佳影像質量與最低曝光劑量的平衡，這樣DQE更加具有優勢，因為它反映了成像客觀影響因素的整體情況。

2 數字化醫療影像主觀評價的分類

在主觀評價中，根據對人的依賴情況，可以分為絕對主觀評價和相對主觀評價。 絕對主觀評價指醫護人員的個人觀片習慣和診斷經驗。在臨床醫療工作中，每位醫生對圖像的認識均有所不同，都有自己的評價標準，而這方面很難進行有規律的評判。

相對主觀評價主要指人的生理與心理因素同圖像質量的相關性，這些方面既有一定的客觀基礎，也有很強的主觀因素，其中最典型的是人類視覺特性(HVS)[2]和人類組織行為學對影像質量評價的影響。

人類視覺系統對具有不同光學特性圖像的反映是有區別的。在醫療影像中，醫護人員通過眼睛進行圖像識別并經過一系列的生理變化而完成醫療活動，因此人類視覺特性是圖像質量評價中非常關鍵的因素，本文將在后續的文章中對人類視覺特性在醫療影像診斷中的應用進行介紹。

近年來，由于各種研究和技術的發展，人類在觀察圖像時的心理變化因素也被逐漸揭示，這方面反映了人的組織行為能力和認知能力，但還需要進行更深層次的探討。

3 醫療影像與普通影像的評價目的差異

醫療圖像的最終的目的和需求是為診斷提供信息并提高醫療質量，因此在影像質量的評價方面也必然要增加新的因素，在評價目的上與普通影像領域也有著很大的差別，體現了不同的應用文化。

普通影像領域，圖像是用作欣賞的，對視覺的沖擊感有著更高的要求。它的最根本目的是為了可以使觀察者在視覺上得到美的享受，以達到對文化的體現。

醫療影像領域，圖像的最基本要求是真實地反映出人體的生理和病理變化，因此對被成像物體的成像真實性與還原性具有更高的要求。

例如，一幅數字化胸部正位像，分別用8英寸×10英寸和14英寸×17英寸的膠片進行成像。如果以普通影像領域的角度來評價，那么毫無疑問8英寸×10英寸圖像的影像視覺效果會更好，因為它的圖像更佳細膩，視覺的沖擊感更佳。但在醫療影像領域，當然14英寸×17英寸圖像的影像質量更佳，因為它將更多的解剖細節和病變信息展現在我們眼前，可以據此做出更正確的診斷結果。同樣，如果存在更大尺寸的膠片，可以將圖像的真實信息更完整地顯現出來，還會進一步提高影像質量。

二者之間還存在著觀片距離不同的差異。在普通影像學領域，人眼與圖像的距離是不固定的，必須同時考慮眼睛的視覺分辨率和觀察距離兩個因素，因此對不同觀片距離和不同大小的影像要采取不同的評價標準。但在醫療影像學領域，我們的觀片距離一般是30～50cm，這樣觀片距離的因素就相對固定，所以在進行影像質量評價時的評價標準也更加具有針對性。

4 數字化醫療影像的臨床評價

4.1 數字化醫療影像質量的基本要求

醫療影像必須滿足臨床醫療活動的基本要求，因此可以從圖像的還原性、干擾性、可視性三方面來評價影像質量。

4.1.1 還原性

圖像的還原性主要指對人體組織解剖結構空間和密度差(對比度)的還原。醫療影像的應用目的決定了圖像必須最真實的表現出人體內的組織結構變化，這也是評判成像系統成像能力的基本因素。成像設備在不同的空間分辨率下對比度的還原能力是不同的，一般可用MTF(模量傳遞函數)來評價。

4.1.2 干擾性

所有可以影響診斷的非感興趣影像信息均會干擾正確診斷的做出，可以將這些影響因素統稱干擾因素。它有兩方面的因素，即系統固定干擾和人為可變干擾。系統固定干擾存在于成像前（如探測器的制造工藝、設備的基本情況等）、成像中（如曝光時產生的量子噪聲、數據采集和量化過程中產生的量化噪聲等）和成像后（如膠片的片基密度、顯示色溫、Dmin、顯示器狀態等）。人為可變干擾則主要與患者的配合程度、醫護人員的操作技巧等人為因素密切相關。

4.1.3 可視性

圖像要具有一定的可視范圍和敏感性與特異性。從目前的觀點來看，可視范圍要越廣越好。與傳統屏片體系相比較，數字化影像的可視范圍要大得多，可以觀察到更多的影像信息，降低漏診率。

所有的醫療診斷圖像既要使醫生可以最清晰確切地觀察到，還要具有一定的特點以做出正確的診斷。前者與人類的視覺特性密切相關，圖像處理的基本原則之一就是要保證觀察者可以對圖像有最大的敏感性。后者與診斷經驗和診斷習慣有很密切的聯系，圖像處理的另一基本原則就是所有的圖像都要最特異地將醫療信息展現給醫護人員，以此來得到正確的診斷。

4.2 數字化醫療影像的組織細節顯示(以胸部后前位為例并附評價準則)

數字化醫療影像的成像原理發生了根本性的變化，對組織結構的細節顯示也更加豐富清晰，圖像質量也有了很大的提高。

作為一幅優秀的數字化醫療影像，所能顯示的解剖細節的清晰度和信息的豐富量要遠遠超過傳統模擬醫療影像。例如，在普通胸部后前位數字化圖像中(如圖1)，可以非常清晰準確地觀察到：① 肺野外緣與肋膈角的肺紋理；②膈肌下肺紋理與膈肌下11與12肋；③ 心影后重疊處的左側肺動脈；④ 縱隔區后的全部椎間隙、椎弓根以及棘突；⑤ 主氣管以及雙側左、右主支氣管，還有左主支氣管下緣和氣管隆凸角；⑥ 肺野外的肋弓應與肩胛骨有良好的對比，腋下區肌肉脂肪間隙；⑦ 鎖骨中部骨小梁結構。

圖1 普通胸部后前位數字化圖像

在上面所描述中，①②③④方面所顯示的組織結構是傳統模擬醫療影像所無法顯示的，而在數字化醫療影像卻可以清晰顯示；而在⑤⑥⑦方面，數字化醫療影像所顯示的組織清晰度也遠遠超出了傳統模擬醫療影像。

4.3 數字化醫療影像的臨床醫療感興趣區

人眼觀看一幅圖像時，一般會對其中的某些區域感興趣，這些區域可以稱為圖像的感興趣區。感興趣區的特點受到人的心理、視覺興趣、文化背景、周圍環境、不同應用場合等多種因素的影響。

每幅圖像所執行的功能特點不盡相同，因此必然出現圖像質量的不均勻性，即允許某些人們感興趣區域的質量要相對高于非感興趣區。也就是說，人類在觀察圖像的時候，對于圖像中某些部分的誤差關注程度要明顯高于其它周圍區域。

醫療影像中，感興趣區與臨床工作密切相關，它必須由實際的臨床需要來決定。一幅數字化圖像所呈現的信息量非常多，每個患者具有不同的疾病特點與情況。因此醫療影像必須將這些醫護人員所感興趣的，對疾病的診斷和治療具有重要價值的組織結構清晰顯示出來。

舉例說明，在頸椎側位圖像(如圖2)中，上下兩幅圖像在寰椎到胸一椎體間的顯示情況具有很大的不同。相比較而言，上面一幅圖像對頸椎的組織結構顯示要明顯高于下面一幅，而下面一幅圖像對各個區域組織結構均有較良好的顯示。如果以普通影像領域的角度進行評價，則要求整幅圖像的細節均要良好的顯示，那么下面一幅圖像的影像質量較佳。但在醫療領域，由于頸椎側位的攝影目的主要是對椎體的顯示，對于顱底和肩關節部位的顯示則不那么重要，如果要進行這些部位的攝影，也有更為準確的其它擺位方法，因此上面一幅圖像的影像質量更好。

圖2 頸椎側位圖像

4.4 數字化醫療影像的臨床工作需求

即使在同一解剖部位，病理生理變化也是千變萬化的，所以在臨床影像學工作中的需求具有很大的差異性。進行臨床影像學檢查時，必須清晰了解患者的基本疾病情況和執行此次攝影工作的臨床目的。

例如一幅胸部正位像(如圖3)，當患者僅以比較普通的臨床表現（如胸疼）來就診時，那么患者則可能患有肺炎、肋骨骨折、胸椎骨折等各種疾病，因此就要更加仔細的根據最有價值的臨床信息來判斷患者的可能疾病情況以及應執行的影像學檢查。在下面四幅胸部正位像中，根據不同的臨床檢查目的，通過圖像處理方法，對一幅胸部正位的原始圖像，在窗寬和窗位均為4096與2048情況下，將所需要的臨床感興趣區的信息突出放大，得到分別以標準普通胸片、肺紋理增強為主、肋骨增強為主、胸椎增強為主的四種具有明顯不同臨床診斷價值的圖像，為臨床醫療工作提供了更精確的醫療診斷信息。

圖3 胸部正位像

同樣，在另一幅乳腺圖像中(如圖4)，也根據臨床上的不同目的和需求，通過一系列的圖像處理技術（保持窗寬與窗位為4096與2048）來生成具有不同臨床診斷價值的圖像。在第一幅圖中，該乳腺圖像具有豐富的信息量；第二幅圖則將乳腺組織的邊緣進行了圖像增強處理，使不同組織結構的邊緣可以清晰地觀察到；第三幅圖將乳腺圖像的對比度進行了最大化處理，由于乳腺組織是由大量軟組織所構成，組織間密度差非常小，不易觀察，通過這種處理手段，可以將組織間的密度差異最大化地體現出來，提高臨床醫療質量。

圖4 乳腺圖像

5 圖像噪聲與圖像噪聲評價

圖像噪聲是指與被成像物體無關的像素值波動，在圖像上主要表現為斑點、細紋或者雪花狀的異常形狀，它們的存在模糊了影像細節觀察，易造成誤診和漏診。

在臨床影像閱讀中，要求圖像噪聲在程度上以不干擾正常的臨床醫療工作為基本要求；區域上，診斷圖像的臨床醫療感興趣區內不可出現影響臨床醫療活動的圖像噪聲。

5.1 圖像噪聲的分類

圖像噪聲的分類既可以從產生的原因，也可以根據圖像噪聲本身的特性進行分類。

5.1.1 圖像噪聲的圖像學分類

從圖像學來看，圖像噪聲可以分為：① 加性噪聲：與圖像的信號強度不相關，如圖像在傳輸過程中引進的“信道噪聲”、數字化成像系統獲取圖像時的系統噪聲；② 乘性噪聲：與圖像信號相關，隨圖像信號的變化而變化，如數字化成像系統掃描時所產生的噪聲、圖像顯示設備的顆粒噪聲；③ 量化噪聲：其大小顯示出數字圖像和原始圖像的差異，減少這種噪聲的最好辦法就是按照灰度等級的概率密度函數來選擇量化等級；④“椒鹽”噪聲：由圖像傳感器，傳輸信道，解碼處理等產生的黑白相間的亮暗點噪聲。“椒鹽”噪聲為脈沖噪聲，往往由圖像切割、圖像后處理（如變換域中引入的誤差，使圖像反變換后造成的變換噪聲等）引起。

5.1.2 圖像噪聲的來源因素分類

從圖像噪聲的來源來看，圖像噪聲可以分為量子噪聲和固有噪聲。

量子噪聲包括X射線光量子噪聲和成像過程中的其它光量子噪聲，如激勵光量子噪聲、發射光量子噪聲。量子噪聲與技師選擇的X射線曝光劑量水平和X射線閃爍體物質的發光特性密切相關。

固有噪聲包括探測器固有噪聲、電氣系統噪聲、量化噪聲和其它干擾因素所引起的噪聲，如顯示噪聲、環境因素、設備機械誤差噪聲等。固有噪聲中與成像設備結構功能相關的噪聲因素無法避免，但應盡可能降低環境因素等干擾因素所引起的固有噪聲。

5.1.3 圖像噪聲的分布特性分類

數字化醫療影像設備中，典型的圖像噪聲有高斯型、均布型和脈沖型噪聲等，其中最主要的是呈高斯分布的電子噪聲、量子噪聲和固有噪聲以及呈脈沖分布的椒鹽噪聲，此外，還有可能出現周期噪聲。

高斯噪聲也稱正態噪聲，函數呈正態分布，如電子噪聲、白噪聲、固定噪聲等。量子噪聲服從泊松分布，信號處理上也可以將泊松噪聲作為高斯噪聲來處理。

脈沖噪聲即“椒鹽”噪聲，是由圖像傳感器，傳輸信道，解碼處理等產生的黑白相間的亮暗點噪聲。被“椒鹽”噪聲污染的圖像，噪聲點只取圖像動態范圍內的最大值或最小值，即在圖像中出現一些灰度值很小(接近黑色)或灰度值很大(接近白色)的污染點，在圖像上呈現一個個暗點和亮點，類似于胡椒末和鹽粉的微粒，因此稱為“椒鹽”噪聲。

周期噪聲是在圖像獲取中的干擾因素產生，如電力或機電干擾，以及外界有固定周期變化的干擾因素。周期噪聲是唯一的一種空間依賴型噪聲，通過頻率域濾波可以有效的減少。

5.2 圖像噪聲的識別

圖像噪聲的識別，前提要了解圖像的輸入源與輸出源的圖像特征。圖像的輸入與輸出中，所有圖像噪聲均來自于圖像信息的傳遞與轉換過程。對于圖像噪聲，根據不同的臨床要求和臨床目的，可以從不同的角度來進行識別與評判。

舉一個例子可以幫助我們更好的理解，在數字化鉬靶乳腺攝影中，如果一個患有乳腺病癥的患者進行從攝影到計算機輔助探測（CAD）的數字信息處理全過程，必然要依據下面的處理流程。

圖像信息傳遞與轉換的第一階段的輸入源是穿過乳腺后衰減的X射線光量子影像，輸出源是反映在人類視覺系統中的影像。在這個階段，經歷了模擬/數字轉換與數字/模擬轉換，還包括了圖像的視覺處理過程，該階段的圖像噪聲就是所有與被成像物體無關的圖像信息。也就是說，如果患者乳腺上有一個金屬異物，那么這個異物在此不被認為是圖像噪聲，因為它仍舊屬于被成像物體。

圖像信息傳遞與轉換的第二階段的輸入源是存儲在記憶體中的數字信息，輸出源是經過特定的圖像處理算法所得到的乳腺圖像的特征信息，如腺體的大小、像素值、輪廓等。這個階段是對數字圖像信息的處理，輸入源與輸出源均為數字信息，圖像噪聲就是所有與圖像特征無關的圖像信息。

圖像信息傳遞與轉換的第三階段的輸入源是包含圖像特征的數字信息，輸出源是經過對此圖像特征信息進行特定的圖像處理算法分析理解所得到的乳腺病癥的分析信息。在這個特定的圖像處理算法中，圖像信息處理技術與乳腺病癥的臨床分析相結合，進而以圖像輸出結果的形式表現了乳腺病癥的特征。在這個階段中，所有與乳腺病癥臨床特征無關的圖像特征均可以認為是圖像噪聲。

數字化醫療影像設備作為影像的捕獲設備，它處在圖像信息傳遞與轉換的第一階段，因此所有與被成像物體（人體組織）無關的圖像信息均可以認為是圖像噪聲。這些圖像噪聲降低了圖像質量，影響了臨床診斷醫生識別圖像細微結構的能力，降低了診斷的正確率。

6 醫學數字化影像質量的ROC評價

ROC 是受試者工作特征或相對工作特征的縮寫，起源于統計決策理論，后來應用于雷達信號觀察能力的評價。20世紀60年代中期大量成功地用于實驗心理學和心理物理學研究，20世紀80年代起該方法廣泛用于醫學診斷性能的評價，如用于診斷放射學實驗室醫學癌癥的篩選和精神病的診斷，尤其是醫學影像診斷準確性的評價。

6.1 ROC 分析資料收集與整理

一個診斷系統獲得的原始資料可記錄成連續性和離散性兩種形式。連續性資料常見于臨床檢驗，它是利用儀器設備等測量的數據。離散性資料常見于醫學影像診斷和心理學評價。通常可將診斷結果劃分為5或6類，如果分5類，可將受試對象按肯定正常、可能正常、異常可疑、可能異常、肯定異常進行分類。

6.2 ROC 曲線的構建

以假陽性率FPF為橫軸，真陽性率TPF為縱軸，橫軸與縱軸長度相等形成正方形。在圖中將ROC工作點標出，用直線連接各相鄰兩點構建未光滑ROC曲線。構建光滑曲線需要假設對照組和病例組服從某種分布，用一曲線擬合技術估計參數。構建光滑曲線要注意，無論資料類型如何，曲線一定通過(0,0)和(1,1)這兩點，這兩點分別相當于靈敏度為0，而特異度為1和靈敏度為1而特異度為0。理論上，完善的診斷有TPF=1，FPF=0。圖中表現為ROC 曲線從原點垂直上升到圖的左上角然后水平到達右上角。完全無價值的診斷有TPF=FPF ，是一條從原點到右上角的對角線，一般ROC 曲線位于正方形的上三角。

ROC 曲線對診斷的準確性提供了直觀的視覺印象，描述了相反兩種狀態間診斷系統的判別能力。曲線上的每一點代表了隨著病例診斷閾值或置信閾變化的靈敏度與特異度的折衷。ROC 曲線以臨床診斷的統計學分析為依據，它可以最確實地反映一種診斷方法或診斷設備的醫療質量問題。因此，它反映的影像質量評價結果與我們圖像質量控制的最終目的緊密相關[3]。

7 結束語

數字化醫學影像設備已經廣泛應用于臨床，但還沒有明確的影像質量評價體系，評價方法也有很多分歧，因此很有必要進一步完善和發展，以適應目前飛速發展的技術進步。臨床評價作為影像質量評價中最重要的評價手段，必須結合數字化成像設備的基本原理和圖像特點，這樣才能更科學、合理地完成對數字化醫療影像質量的綜合評判。

一些思考：

1.數字化醫療影像的主觀性與客觀性？

本文認為數字化醫療影像不應僅僅用MTF、DQE等參數進行評價，而必須同時考慮圖像評價的主觀性與客觀性，即應同時進行設備成像能力和臨床評價。

2.數字化醫療影像質量的基本要求？

本文認為數字化醫療影像必須滿足臨床醫療活動的基本要求，可以從圖像的還原性、干擾性、可視性三方面來評價影像質量。

3.數字化胸部后前位的臨床影像質量評價準則？

本文根據數字化影像的基本特點和實際經驗，總結了數字化胸部后前位影像質量的臨床評價方法，描述了評價的基本原則。

4.數字化醫療影像圖像噪聲的分類與識別？

本文從圖像噪聲的圖像學、來源、分布特性進行了分類，并提出了根據不同的臨床要求和目的，對于圖像噪聲應有不同的認識和識別方法。

5.人類視覺特性特性的提出？

本文認為人類視覺特性在影像質量評價中具有非常重要的地位，一方面所有圖像的處理和顯示要符合人類視覺特性；另一方面在診斷閱片時也要考慮光學與人類視覺特性對醫療診斷工作的影響。

[1] Doi K.Diagnostic imaging over the last 50 years: research and development in medical imaging science and technology[J].Phys Med Biol,2006,51(13):R5-27.

[2] A M Eskiciogln,P S Fisher.Image quality measures and their performance[J].IEEE Trans.On Communication,1995,43(12):2959-2965.

[3] Klein R,Sabel M.Use of the ROC method in image quality problems in roentgen mammography. I. ROC analysis as image quality test procedure[J].Rontgenpraxis,2000,53(1):29-42.

2010-07-01

作者郵箱：fqyu@yahoo.com.cn