Сравнение восьми различных систем грудной рентгенографии по способности к обнаружению симулированных заболеваний органов грудной клетки

Оригинал статьи в формате PDF

Авторы

Lucia J. M. Kroft, Wouter J. H. Veldkamp, Bart J. A. Mertens, Mireille V. Boot, Jacob Geleijns

Цель статьи

За короткий период в клиническую практику вошли несколько технически различающихся цифровых систем рентгенографии органов грудной клетки. Нашей целью было оценить диагностические параметры восьми различных систем рентгенографии органов грудной клетки в отношении обнаружения симулированных заболеваний органов грудной клетки в условиях клинических испытаний.

Материалы и методы

Оценивались четыре различных системы с плоскопанельными детекторами, две различных системы с CCD-детекторами, один барабан с селеновым покрытием, и одна система с накоплением на фосфоре. Для каждой системы было произведено 10 снимков антропоморфного фантома. Каждое изображение содержало от одного до 12 симулированных поражений органов грудной клетки. Восемь рентгенологов составляли описание снимков с экрана. Измерялись входные дозы, эффективные дозы вычислялись. Для статистического анализа использовалась полупараметрическая логистическая регрессионная модель.

Результаты

Статистически значимые различия были найдены в диагностических показателях восьми цифровых систем рентгенографии органов грудной клетки (p = 0.01). Наилучшие показатели были достигнуты со сканирующие системой с CCD-детектором, где чувствительность достигла 46% (132 из 288) обнаружения органических поражений. Показатели трех систем с FPD-детектором и системы с селеновым барабаном несущественно отличались от показателей сканирующей системы с CCD-детектором. Меньше поражений было диагностировано с системой накопления на фосфоре, чем для всех прочих цифровых технологий, с показателем 34% (99 из 288) обнаруженных органических поражений, p < 0.001. Эффективная доза различалась для всех цифровых систем.

Заключение

Мы обнаружили различия в диагностических показателях восьми различных цифровых систем рентгенологии грудной клетки. Различия в показателях обнаружения органических поражений главным образом объясняется конструкцией детектора.

Первой внедренной методикой цифровой радиографии была CR, основанная на кассетах, содержащих стимулируемые светом фосфора. Процедурно работа с кассетами похожа на работу с пленкой, что, с одной стороны, доставляет неудобства, с другой стороны, дает преимущества для рентгенографирования грудной клетки лежачих больных. Затем в клиниках появились цифровые системы прямого чтения [2].

Материал детектора в цифровые системах прямого чтения содержит либо фотопроводник, преобразующий рентгеновские лучи в электрический заряд непосредственно, либо сцинтиллятор (CsI или GOS). Свет от сцинтилляторов преобразуется в заряд либо матрицей фотодиодов, либо сборкой ПЗС. В системах с ПЗС конструкция позволяет охватить всю грудную клетку. В одной из реализаций системы с ПЗС, охват всей грудной клетки осуществляется с помощью сканирования через щель на небольшую сборку ПЗС.

В других ПЗС-системах для проектирования относительно больших изображений на маленькие сборки используются линзы или оптическое волокно.

Считывание сырых данных с матриц может быть динамическим либо статическим. Динамический сбор данных осуществляется сканированием детектора в направлении ROI во время экспозиции (slot-scanning CCD) или сканированием с помощью микроэлектрометров после экспозиции (используя вращающийся селеновый барабан).

Первой была внедрена методика с использованием селенового барабана, и эта методика имела преимущество в сравнении с CR. Позже были внедрены детекторы с плоской панелью (Flat Panel Detectors), также превосходившие CR.

Наша цель в этой работе – сравнить диагностические показатели восьми систем цифровой радиографии органов грудной клетки при обнаружении симулированной патологии в клинических условиях.

Исследовались 4 системы FPD (две CsI-FPDs, одна GOS-FPD, и одна Se-FPD); две ПЗС-системы (одна сканирующая и одна с объективом (линзами)); одна система с селеновым барабаном; и одна с накопительным фосфором (CR)

ТАБЛИЦА1: Характеристики и параметры постероантериорных (грудью к детектору) снимков органов грудной клетки на восьми системах

Прим.—Таблица отражает нормальную клиническую практику в отделениях-участниках исследования, и эти параметры использованы в настоящем исследовании. CsI = йодид цезия, FPD = плоскопанельный детектор (flatpanel detector), GOS = оксисульфид гадолиния, Se = селен, CCD = ПЗС, CR = computed radiography, ВЗН (TDI) = временная задержка накопления (time delay and integration), Al = алиюминий, Cu = медь, eq. = equivalent. aMultix Bucky system (Siemens) with FCR 5000 Reader (Fuji).

Сбор данных

Распределение и симулированные поражения – антропоморфный фантом грудной клетки PBU-S-3, Kaguku Company. Фантом разделен на две области, легкие и средостение. Поражения, проецирующиеся на сердце, аорту, позвоночник, и центральные легочные сосуды, и поражения, проецирующиеся на нижнюю часть легких, которые проецируются на диафрагму, считаются расположенными в средостении. Опухоль в грудной клетке симулировалась синтетической глиной для моделирования…

Расчеты размера образцов выполнялись, ориентируясь на обнаружение 10%-различия вероятности обнаружения поражения между двумя методиками,…

Симулированные поражения фиксировались на листах, прикрепляемых сзади фантома. … Кол-во разных поражений на конфигурацию варьировалось от 1 до 12 и рандомизировалось (Excel 2000, Microsoft). Пример того, как выглядят симулированные поражения, показан на рис. 1.

Рис. 1—Digital radiograph showing appearance of simulated lesions on anthropomorphic chest phantom.

A, Внутретканевая-узловая болезнь interstitial-nodular disease. Стрелки показывают два из множества мелких узелков.

B, This part of image shows interstitial-linear disease.

C, Опухоль. Контраст изображения оптимизирован под выделенные поражения.

Получение изображений – Постероантериорная (спиной к источнику) радиография фантома с прикрепленными листами симулированных поражений. 10 снимков в каждой из 8 систем (80 снимков). Изображения получены в 6-ти больницах.

Визуальные маркеры на фантомах для выравнивания листов с симулированными поражениями… Снимки делались анонимно, чтобы грудная клетка не узнавалась. Изображения сохранялись в формате DICOM и печатались на пленку (Ektascan 2180, Eastman Kodak).

Описание снимков—Снимки предъявлялись восьми врачам в должности старших рентгенологов из упомянутых 6-ти больниц на рабочих станциях с экраном 2,048 × 1,530 программой eFilm. Врачам разрешалось изменять контраст и яркость. Врачи не знали ни о количестве, ни о типе поражений. Описание проводилось за один сеанс.

Описательная сессия начиналась с тренировки на трех фантомах с разными «тренировочными» поражениями. Врачи осваивались с обстановкой и с фантомами…

Описание делалось по экранным изображениям. Считалось, что благодаря возможности изменять контраст и яркость экранные изображения дают больше возможностей, чем твердые копии.

Оценка дозы – Входная доза на коже измерялась (WD 10, Wellhöfer Dosimetrie). Эффективная доза вычислялась программно с помощью метода Монте Карло, программой PCXMC (STUK) [15].

Два исследователя просматривали описанные снимки. Диагностические показатели системы цифровой радиографии определялись по вероятности обнаружения поражения врачом и по вероятности, что суждение врача было правильным. Баллы по поражениям начислялись за обнаружение (правильно-положительный тест) и необнаружение (неправильно-отрицательный тест). Если описывалась область, не содержащая поражения, балл имел значение неправильно-положительный тест.

[Абзац содержит описание методики статистической обработки и обсуждение выбранных значений порогов]

Результаты.

Обнаружение симулированных поражений.

Для всей исследованной группы систем получения медицинских снимков, обнаружены статистически значимые различия касательно обнаружения симулированных поражений.

Статистически значимых различий не обнаружено только по отношению к месту расположения поражения (если уж оно было выявлено).

В таблице 2 приведены статистические параметры сопоставления систем, с оценками и стандартными отклонениями параметров.

Частотность обнаружения симулированных поражений на разных системах показана в таблице 3. Наилучшие результаты дает сканирующая ПЗС-система: чувствительность 46% (132 из 288) обнаруженных поражений. Меньше всего поражений было обнаружено CRсистемой: чувствительность 34% (99 из 288) обнаруженных поражений. … Кроме того, обнаружение поражений органов грудной клетки было существенно хуже для ПЗС-системы с объективом (линзами) и для системы GOS-FPD (гадолиний-плоскопанельный детектор). Не обнаружено статистически значимых различий между чувствительностями систем CsI-FPD-1, Se-FPD, Se-drum, or CsI-FPD-2, в частности, в сравнении со сканирующей ПЗС-системой (для всех пяти систем примерно одинаковые показатели).

ТАБЛИЦА 3: Total Number and Probability Percentages of Simulated Lesions Detected and False-Positive Observations on Anthropomorphic Chest Phantom for Eight Different Digital Radiography Systems

В частотности исходов с неправильно-положительным тестом не было обнаружено статистически значимых различий для всех восьми систем.

… Поражения в средостении обнаруживались реже, чем в легких. … Различия в обнаружении внутритканевых узелков и опухолей могут объясняться материалом, использованным для моделирования поражений.

… Для CsI-FPD-1 и CsI-FPD-2 рассчитаны относительно низкие дозы, хотя чувствительность этих систем высокая. Для CR, наоборот, доза высокая, а чувствительность низкая.

… В целом, производители цифровых систем рекомендуют дозы, обеспечивающие хорошее качество изображения. Отправной точкой данного исследования было хорошей качество снимков для всех исследованных систем…

О связи дозы и клинического качества изображения для цифровых систем известно мало, но эта связь вполне может оказаться слабее связи физических параметров качества изображения и дозы. Документально подтверждается, что дозы на снимке могут существенно различаться без очевидного влияния на показатели диагностируемости. Для пленки это показано для снижения дозы на 65%. У изображений с 35% дозы в сравнении со стандартной увеличивался видимый шум без заметного воздействия на диагностику. То же самое можно сказать об увеличении дозы сверх стандартной. Удвоение дозы для CR в постельном режиме не улучшило диагностической эффективности.

[Абзац содержит описание методики статистической обработки (регрессионное моделирование)]

Основной ограничивающий фактор цифровых рентгенологических систем – шум и четкость. Для цифровых рентгенологических систем, шум, в основном, квантовый Шуи и электронный цифровой шум. Пространственное разрешение (четкость) выражается передаточной функцией модуляции и ограничена размером пикселя. … DQE – функция пространственной частоты, дозы, и качества излучения. … Щелевая решетка и цифровой детектор уменьшают DQE пропорционально фактору Bucky. Фактор Bucky = отношение падающего на решетку к пропущенному излучению. …

Наивысшую чувствительность к обнаружению органических поражений в настоящем исследовании показали сканирующие CCD-системы. Параметр DQE этих систем сравним с соответствующим параметром для CR, а потому его значение существенно ниже, чем для сравнимых непрямых плоскопанельных детекторов (Flat Panel Detectors). Однако, существенное снижение рассеянной радиации компенсирует снижение DQE, что ведет к высокому эффективному значению DQE и к высокому качеству изображения. Для таких сканирующих CCD-систем, показатели контрастирования деталей и обнаружения органических поражений существенно улучшены в сравнении с пленочной рентгенографией. В настоящем исследовании, при промежуточной эффективной дозе, такая сканирующая CCD-система показала наилучшую производительность и в сравнении с другими системами радиографии.

Процент обнаружения для двух селеновых детекторов прямой конверсии (Se-FPD и Se-drum) и двух цезий-йодных детекторов непрямой конверсии (CsI-FPD-1 и CsI-FPD-2) несущественно отличался от достигнутого по сканирующей методике с CCD-детектором. Хороший показатель обнаружения поражений при использовании детекторов прямой конверсии объясняется процессом конверсии в селене, фактически свободном от внутренних источников шума. Относительно высокое значение DQE для цезий-йодных сцинтилляторов можно объяснить высоким атомным номером и плотностью цезий-йода и сильно подавленным рассеянием света в игольчатой структуре фосфора. Кроме того, может использоваться толстый слой фосфора, что еще более увеличивает потенциальный DQE цезий-йодного детектора.

Три системы показали существенно худшие параметры обнаружения поражений при сравнении со сканирующей CCD-системой. Это CR, CCD-матрица с линзой, и GOS-FPD (гадолиний-оксисульфидный фосфор — плоскопанельный детектор). Предыдущие исследования показали, с точки зрения читаемости снимков и обнаружимости поражений, предпочтительность систем прямого преобразования (Se-drum и FPDs) в сравнении с CR. Пониженное значение параметра DQE для CR-систем приписывается генерируемым внутренним шумам. Для CCD-матриц с линзой, необходима линза для проектирования поля изображения на чип CCD размера меньшего, чем область изображения. Оптическое уменьшение выражается в низкой эффективности оптической связи, что приводит к относительно низким значениям параметра DQE. Качество изображения гранулярного экрана гадолиний-оксисульфидного фосфора ниже, чем может быть достигнуто со структурированным экраном из гадолиний-оксисульфидного фосфора при той же толщине, параметр DQE для гранулярного экрана намного ниже при подобных обстоятельствах.

… При описание снимков не использовалось увеличение изображения на экране. … Численный расчет с реальными размерами пикселей и учетом физиологии зрения показывает, что это вряд ли могло повлиять на результаты…

(Обсуждаются возможные методические слабости исследования):

… Сравнение делалась не при одинаковых условиях, а при условиях, принятых в клинической практике для исследуемых систем. Следовательно, нельзя полностью исключить возможность того, что показатели систем все же существенно зависят от дозы. Найденные в исследовании различия в производительности могут быть связаны с неправильно назначенными в клинической практике параметрами. Правила выбора оптимальных параметров до сих пор никем не разработаны.

Различия между различными системами цифровой рентгенографии органов грудной клетки проявляется в диагностических показателях. Данное исследование показывает существенные различия в обнаружении поражений органов различными системами рентгенографии. Различия главным образом объяснены конструкцией детекторов.