Supresja kości na obrazach radiograficznych kości

Transkrypt

1 Supresja kości na obrazach radiograficznych kości Wprowadzenie Radiografia klatki piersiowej pozostaje najczęściej stosowaną metodą badań przesiewowych i diagnostyki chorób płuc, np. raka płuc, odmy opłucnowej, choroby śródmiąższowej, rozedmy i wielu innych. Na możliwość wykrycia choroby płuc na radiogramie klatki piersiowej wpływa współczynnik sygnału-do-szumu (SNR) na obrazie. Wysokokontrastowe struktury kostne to główne elementy wywołujące szum, które skutecznie redukują SNR na radiogramach klatki piersiowej. Interesujący sygnał na radiogramie klatki piersiowej może zostać częściowo lub całkowicie przesłonięty lub nadmiernie zacieniony przez otaczające go wysokokontrastowe struktury kostne. Dlatego usunięcie struktur kostnych, szczególnie struktur tylnych żeber i obojczyka, jest bardzo pożądane w celu poprawienia widoczności tkanki miękkiej. Zaawansowane techniki obrazowania RTG, np. obrazowanie 3D (TK i tomosynteza) i technika dual-energy subtraction, zostały opracowane, aby usunąć nakładający się szum struktur kostnych w celu poprawienia widoczności tkanki. Jednakże te zaawansowane technologie obrazowania nie mogą zastąpić roli, jaką radiografia klatki piersiowej pełni w związku z jej wydajnością, niską dawką promieniowania, niewielkim kosztem, a przede wszystkim, możliwością przenoszenia i mobilnością. Radiografia klatki piersiowej odgrywa zasadniczą rolę w przypadku pacjentów na oddziałach intensywnej opieki medycznej (OIOM). Zaawansowane techniki obrazowania nie zostały zoptymalizowane do stosowania na oddziałach OIOM, gdzie możliwość przenoszenia i mobilność urządzeń jest wymagana lub bardzo pożądana. Oprogramowanie firmy Carestream przeznaczone do supresji kości oferuje rozwiązanie umożliwiające supresję struktur kostnych, w tym tylnych żeber i obojczyków, na obrazach RTG klatki piersiowej uzyskanych w technologii tradycyjnej i przenośnej. Rozwiązanie to nie wymaga wykonywania żadnych dodatkowych procedur ani dodatkowego napromieniania. Oprogramowanie przetwarza radiogramy klatki piersiowej za pomocą systemów uczących się i technologii rozpoznawania wzorców, aby precyzyjnie wykrywać struktury żeber i obojczyka oraz szacować profile struktur wykorzystywane później na etapie supresji. Proces supresji kości ograniczony jest do wykrytych struktur, aby niechciane zmiany na oryginalnych obrazach były minimalne. Oprogramowanie jest przeznaczone do supresji wysokokontrastowych struktur kostnych z zachowaniem integralności jakości obrazu, w szczególności poziomu kontrastu detali, jak najbliższej jakości obrazów oryginalnych. Oprogramowanie CARESTREAM Bone Suppression Oprogramowanie CARESTREAM Bone Suppression pobiera oryginalny obraz z urządzenia rejestrującego (DR lub CR) i przetwarza go etapami, jak pokazano na Rysunku 1. Przetwarzanie obrazu obejmuje pięć głównych etapów: 1) segmentacja płuc, 2) detekcja struktur żeber i obojczyka, 3) detekcja krawędzi żeber i obojczyka, 4) estymacja profilu żeber i obojczyka oraz 5) supresja na podstawie oszacowanych profili. Oprogramowanie przeznaczone do supresji kości generuje obraz, na którym przeprowadzona została supresja struktur tylnych żeber i obojczyka. Obraz poddany supresji jest wówczas wzmacniany w celu wizualizacji w taki sam sposób jak obraz oryginalny, a następnie wykorzystywany jako widok towarzyszący.

2 Przykładowe obrazy przedstawione na Rysunku 2 ilustrują niektóre etapy supresji żeber. Detekcja żeber wykonywana jest w posegmentowanym polu płucnym. Wykryte żebra na Rysunku 2(c) są dalej przetwarzane, aby precyzyjnie wykryć ich krawędzie. Profile żeber szacowane są w przypadku wykrytych żeber i wykorzystywane w późniejszym procesie supresji. Proces supresji jest ograniczony wyłącznie do obszarów żeber; obszary poza żebrami pozostają niezmienione. Ponadto krawędzie żeber zostają poddane wystarczającej supresji, jak pokazano na Rysunku 2(d). Nie odbywa się żadne dodatkowe przetwarzanie, w szczególności operacje wygładzania, powodujące redukcję ostrości obrazu. Kluczowe znaczenie ma zachowanie jakości (tj. kontrastu detali) obrazów po supresji kości na poziomie maksymalnie zbliżonym do obrazów oryginalnych, dzięki czemu supresja szumu struktur kostnych może ułatwić wykrywanie zarówno większych nieprawidłowości niskokontrastowych (jak pokazano na Rysunku 4), jak i subtelnych struktur liniowych (odma opłucnowa, jak pokazano na Rysunku 3). Na etapie wzmacniania obrazu standardowe oprogramowanie CARESTREAM DirectView EVP Plus wykorzystywane jest do wygenerowania widoku towarzyszącego z supresją żeber. Jednakże obrazy po supresji żeber można dalej wzmocnić za pomocą innego rodzaju przeznaczonego do przetwarzania obrazu oprogramowania firmy Carestream, np. wzmocnienie wizualizacji odmy opłucnowej (oprogramowanie CARESTREAM Pneumothorax Visualization), jak pokazano na Rysunku 3(c). Obecnie opcja ta nie jest dostępna. Oryginalne obrazy klatki piersiowej uzyskane w technologii DR lub CR Segmentacja płuca Wykrywanie żebra/ obojczyka Wykrywanie krawędzi żebra/obojczyka Estymacja profilu kości Supresja żebra/ obojczyka Wzmocnienie obrazu Wygenerowan y obraz towarzyszący Rysunek 1: Łańcuch przetwarzania obrazu pozwalający wygenerować widok towarzyszący z supresją kości 2

3 (a) (b) (c) (d) Rysunek 2: a) Oryginalny radiogram klatki piersiowej uzyskany w technologii przenośnej CR; b) obraz z posegmentowanym polem płucnym; c) obraz z wykrytymi żebrami oraz d) obraz z supresją żeber. Rysunek 3 przedstawia obraz w technologii przenośnej CR, na którym widać odmę opłucnową w górnej części prawego płuca, oraz obraz towarzyszący z supresją żeber. Obraz z supresją żeber jest dalej przetwarzany za pomocą oprogramowania CARESTREAM Pneumothorax Visualization. Obszar, w którym występuje odma opłucnowa zaznaczony jest na każdym z trzech obrazów. Jak przedstawia Rysunek 3(d), kontrast detali jest dobrze zachowany na obrazach z supresją żeber w celu zwizualizowania oznak subtelnej odmy opłucnowej, tj. krawędzi zapadniętego płuca i różnicy w teksturze obszarów oddzielonych krawędzią. Rysunek 4 przedstawia obraz uzyskany w technologii DR z widoczną dużą nieprawidłowością, potwierdzoną w badaniu TK, która znajduje się za prawym obojczykiem i górnym żebrem. Jak pokazano na Rysunku 4(b), zarys i rozmiar nieprawidłowości są znacznie lepiej widoczne po supresji obojczyka i żebra. Pokazuje to, że oprogramowanie precyzyjnie szacuje profile struktur kostnych i nie wykonuje nadmiernej supresji obszarów, w których występują duże struktury lub nieprawidłowości. 3

4 (a) (b) (d) (c) Rysunek 3: Obraz klatki piersiowej uzyskany w technologii przenośnej CR przed (a) i po supresji kości (b). Wzmocniony obraz (c) wygenerowany za pomocą oprogramowania CARESTREAM Pneumothorax Visualization. Na obszarach zainteresowania (d) w górnej części prawego płuca widoczna jest odma opłucnowa, co potwierdza, że po supresji żeber kontrast detali jest dobrze zachowany. 4

5 (a) (b) (c) (d) Rysunek 4: Obraz klatki piersiowej uzyskany w tradycyjnej technologii DR (a) i widok towarzyszący z supresją żeber (b). Obrazy TK (widok czołowy i strzałkowy) tego samego pacjenta. Strzałki wskazują te same duże nieprawidłowości. 5

6 Widok towarzyszący z supresją kości ułatwia wykrywanie guzków w płucach i odmy opłucnowej Aby wykazać zalety oprogramowania CARESTREAM Bone Suppression, przeprowadzono badania z udziałem lekarzy interpretujących, których celem była ocena skuteczności tych lekarzy w zakresie wykrywania guzków w płucach i odmy opłucnowej z wykorzystaniem widoku towarzyszącego z supresją kości i bez tego widoku. W obu badaniach udział wzięło pięciu licencjonowanych radiologów z różnym doświadczeniem w zakresie interpretacji radiogramów klatki piersiowej. Lekarze interpretujący zostali poproszeni o zaznaczenie miejsc, w których widoczne są choroby płuc, w tym guzki, odma opłucnowa, zwłóknienia, ziarniniaki, choroby śródmiąższowe i choroby opłucnej oraz inne rodzaje nieprawidłowości, na radiogramach klatki piersiowej bez obrazu towarzyszącego. Po przedstawieniu widoku towarzyszącego zostali oni następnie poproszeni o wprowadzenie ewentualnych zmian do wcześniejszej oceny. Lekarzom interpretującym zezwolono na zaznaczenie kolejnych zmian, zmianę pierwotnej oceny polegającą na zmianie jednego typu choroby płuc na inny lub usunięcie zaznaczonych wcześniej zmian. Ponadto poproszono ich o dostarczenie subiektywnej oceny ( znacznie lepiej, lepiej, bez zmian lub gorzej ) tego, jak dobrze mogli dostrzec lub scharakteryzować miąższ płuc i nieprawidłowości oraz pewności ( większa, bez zmian lub mniejsza ) przy formułowaniu diagnoz dotyczących obecności nieprawidłowości lub ich braku w każdym przypadku po przedstawieniu widoku towarzyszącego. Badanie dotyczące wykrywania guzków W badaniu dotyczącym wykrywania guzków wykorzystano radiogramy klatki piersiowej 50 pacjentów uzyskane techniką tradycyjną w projekcji PA. Obrazy wybrano z publicznie dostępnej bazy danych, Lung Image Database Consortium (LIDC) oraz Image Database Resource Initiative (IDRI). Obrazy te zostały zebrane w celu utworzenia wspólnej bazy danych guzków dla skanów TK i cyfrowych radiogramów klatki piersiowej 1. Potencjalne guzki o wielkości od 3 mm do 30 mm (pomiar za pomocą TK) zostały najpierw zidentyfikowane w badaniach TK. Lokalizacje guzków potwierdzonych w badaniach TK zostały oznaczone na radiogramach klatki piersiowej przez czterech doświadczonych radiologów, specjalistów w dziedzinie radiologii klatki piersiowej, ze wskazaniem pewności ( zdecydowanie niewidoczne, prawdopodobnie widoczne, zdecydowanie widoczne ). Szczegółowe informacje dotyczące faktycznej obecności guzków można znaleźć w innym miejscu 1. Na 50 obrazach DR łącznie 49 guzków potwierdzonych w badaniu TK zidentyfikowano jako prawdopodobnie widoczne lub zdecydowanie widoczne. Wyniki badania dotyczącego wykrywania guzków wykazały średni wzrost czułości z 51% do 58,2% po przedstawieniu obrazu towarzyszącego z supresją żeber-. Ogólnie, w przypadku pięciu lekarzy interpretujących zaobserwowano średni wzrost czułości wykrywania guzków potwierdzonych w badaniu TK o 7,2% na poziomie istotnym statystycznie (p=0,01). Średnia liczba detekcji fałszywie pozytywnych (FP) w przeliczeniu na obraz wzrosła z początkowej wartości 0,244 do 0,28 na obraz. Różnica ta nie była statystycznie istotna (p=0,25). 6

7 Badanie dotyczące wykrywania odmy opłucnowej W badaniu dotyczącym wykrywania odmy opłucnowej wykorzystano radiogramy klatki piersiowej uzyskane w technologii przenośnej CR. W przypadku trzydziestu siedmiu z nich potwierdzono co najmniej jedno ognisko odmy opłucnowej. Obrazy wybrano z bazy danych zawierającej ponad 200 obrazów uzyskanych w technologii przenośnej CR, które zebrano w celu przeprowadzenia oceny oprogramowania CARESTREAM Pneumothorax Visualization 2. Obrazy wybrano tak, aby przedstawiały różne przypadki odmy opłucnowej o różnym nasileniu. Dokonano tego na podstawie rozmiaru i nasilenia, ocenionych przez dwóch radiologów specjalizujących się w radiologii klatki piersiowej. Wyniki detekcji odmy opłucnowej wykazały wzrost średniej czułości w przypadku pięciu lekarzy interpretujących z 74% do 83,2% po przedstawieniu obrazu towarzyszącego z supresją żeber. Analiza w oparciu o test t-studenta dla danych sparowanych wykazała, że średnia poprawa (9,2%) była istotna statystycznie (p=0,001). Ogólnie, w przypadku każdego z pięciu lekarzy interpretujących zaobserwowano wzrost czułości o co najmniej 8,1%. W przypadku trzech najlepszych lekarzy interpretujących poprawa taka doprowadziła do osiągnięcia czułości wykrywania odmy opłucnowej bez dodatkowej detekcji FP wynoszącej 89%, 97% i 100%. Średnia liczba detekcji FP w przeliczeniu na obraz w przypadku pięciu lekarzy interpretujących wzrosła z wartości początkowej 0,025 do 0,040 na obraz. Jednakże różnica ta nie była statystycznie istotna (p=0,19). Wykazaliśmy, że wzmocnienie obrazu po supresji żeber za pomocą oprogramowania CARESTREAM Pneumothorax Visualization może poprawić wskaźnik wykrywania odmy opłucnowej o dodatkowe 8% w przypadku dwóch lekarzy interpretujących, których wyniki były gorsze. Wpływ na pewność Analiza subiektywnych ocen z dwóch badań wykazała, że wykorzystanie obrazu towarzyszącego z supresją żeber poprawiło zdolność interpretujących do scharakteryzowania miąższu płuc i nieprawidłowości. Przeciętnie ocenili oni zdolność do scharakteryzowania miąższu i płuc jako znacznie lepszą lub lepszą, odpowiednio na poziomie 74% i 59%, w przypadku wszystkich obrazów (115) po przedstawieniu widoku towarzyszącego po supresji żeber. Zostało to potwierdzone większą pewnością przy stawianiu diagnoz dotyczących obecności nieprawidłowości lub ich braku. Na podstawie subiektywnych ocen ustalono, że lekarze byli bardziej pewni przy formułowaniu diagnoz w przypadku 58% obrazów po przedstawieniu widoku towarzyszącego. 7

8 Podsumowanie Wyniki badania wykazały, że wykorzystanie oprogramowania CARESTREAM Bone Suppression poprawiło zdolność radiologów do scharakteryzowania miąższu płuc i nieprawidłowości oraz ich pewności przy formułowaniu diagnoz dotyczących obecności nieprawidłowości lub ich braku na radiogramach klatki piersiowej. Badanie dotyczące wykrywania guzków wykazało, że wykorzystanie supresji kości znacząco poprawiło zdolność radiologów do wykrywania guzków potwierdzonych w badaniu TK (o 7,2%) przy wzroście wskaźnika wykrywania FP o 0,04/obraz-. Badanie dotyczące wykrywania odmy opłucnowej wykazało, że wykorzystanie supresji kości poprawiło zdolność poszczególnych radiologów do wykrywania odmy opłucnowej o co najmniej 8,1% przy braku lub nieznacznym zwiększeniu wskaźnika wykrywania FP (0,015/obraz). Interpretacja radiogramów klatki piersiowej to wielkie wyzwanie. Wygląd lub cechy różnych chorób płuc mogą różnić się znacząco pod względem rozmiaru, zarysu i kontrastu. Kluczowe znaczenie ma fakt, że rozwiązanie przeznaczone do supresji kości zapewnia możliwość zachowania detali obrazu, co sprawia, że po zastosowaniu supresji kości SNR można poprawić w przypadku wielu chorób płuc. Wyniki badan dotyczących lekarzy interpretujących wykazały, że oprogramowanie CARESTREAM Bone Suppression może ułatwiać wykrywanie chorób płuc o różnych cechach, np. guzków i odmy opłucnowej. Spodziewamy się, że oprogramowanie to dostarczy radiologom i lekarzom na oddziałach OIOM środków ułatwiających interpretację radiogramów klatki piersiowej i zapewniających jednocześnie większą skuteczność i wydajność. Bibliografia: 1 Armato SG III, McLennan G, Bidaut L, McNitt-Gray MF, Meyer CR, Reeves AP, Zhao B, Aberle DR, Henschke CI, Hoffman EA, Kazerooni EA, MacMahon H, van Beek EJR, Yankelevitz D, et al.: The Lung Image Database Consortium (LIDC) and Image Database Resource Initiative (IDRI): A completed reference database of lung nodules on CT scans. Medical Physics, 38: , Shoushtari H, Ley-Zaporozhan J, Karimzad Y, Menezes R, Odedra D, Jimenez-Juan L, Leon Zelovitsky L, Paul NS: Enhanced Pneumothorax Visualization in ICU Patients, Annual Meeting of Radiological Society of North American (RSNA),December Carestream Health, CARESTREAM jest znakiem handlowym firmy Carestream Health. NR KAT _PL 3/14