Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/854
Title: Performance evaluation of new components and services in digital medical imaging
Other Titles: Έλεγχος απόδοσης νέων συνιστωσών και υπηρεσιών στη ψηφιακή ιατρική απεικόνιση
Authors: Ungureanu-Kocsis, Otilia
Issue Date: 2008-08-25T10:55:47Z
Keywords: Medical imaging
Keywords (translated): Ιατρική απεικόνιση
Abstract: In current digital imaging systems, new components such as digital display, image compression, image processing, as well as film digitization and film printing are introduced, in addition to analogue or digital imaging modalities. Although the current trend is towards fully digital systems, analog images (films) represent a high percentage of the volume of medical image data in the interim transition period from analog to digital. Soft copy display of medical image using CRT monitors, which plays a critical role in diagnostic information extraction, is one of the most vulnerable to failure and performance degradation component of the display workstation. Medical film digitizers and film printers play an important transitory role as analog-to-digital bridges in current PACS. Lossless compression algorithms are widely used in digital medical imaging systems for efficient image storage, transmission, and display, while lossy ones, offering significantly higher compression ratios, are emerging. An important factor for the acceptance of lossy compression in clinical practice is the assessment of “visually lossless” compression thresholds. The above components, as well as the services involving them in telemedicine or PACS systems, introduce additional needs of performance evaluation. In this thesis a performance evaluation protocol, applicable to each of the new components of digital medical imaging systems, as well as to telemedicine or PACS services, is proposed. The proposed protocol is based on a set of transfer characteristics assessment, such as characteristic curve, high contrast transfer, low contrast transfer, noise, uniformity, and geometric distortion, common to all components, and additional component specific parameters (i.e. veiling glare for CRT monitors). The application of the protocol for each component is based on the use of digital test objects, designed using a software tool, which enables (a) user-driven selection of patterns, associated to evaluation parameters, to be included, and (b) user-driven pattern specifications, according to requirements of individual components. The protocol has been applied for the assessment of transfer characteristics of: (a) three film digitizers, (b) two CRT monitors, (c) two film printers, and (d) two compression algorithms, used or intended for use in digital medical imaging systems, to demonstrate its completeness with respect to evaluation parameters, its sensitivity (i.e., the capability to differentiate between components of the same category and with similar performance), and its adaptability with respect to the specifications of the individual component being tested. Of the three film digitizers tested two are CCD based, Lumiscan 20 and Agfa DuoScan, and one is laser based, Lumiscan 75. Measurements performed show superior performance of the Lumiscan 75 digitizer with respect to its characteristic curve and amount of noise introduced. The Agfa DuoScan has superior performance with respect to spatial resolution. For low contrast discrimination the Agfa DuoScan has superior performance for low optical densities, up to 1.8 o.d. units, while for higher optical densities the Lumiscan 75 digitizer show better performance. The Lumiscan 20 film digitizer has a linear characteristic curve and acceptable noise handling up to 2.8 o.d. units, but low spatial resolution. Of the two CRT monitors tested, Sony E500 and Samsung 950p, the former exhibits slight performance superiority, but they are both characterized by limited performance with respect to maximum luminance, resolution (high contrast response), and low contrast discrimination. Of the two film printers tested, AGFA DrayStar 2000 and Kodak DrayView 8100, the latter shows better performance with respect to characteristic curve, high contrast response and low contrast discrimination. The assessment results for the JPEG compression algorithm tested (OTE-TS implementation) indicate the compression ratio of 15:1, as a visually lossless threshold in case of low contrast lesion detection in x-ray chest images, in agreement with previous observer performance studies. The wavelet based compression algorithm tested (Pegasus Imaging Corp. implementation) is JPEG 2000 compatible with respect to the wavelet filters used. Its visually lossless threshold, derived from contrast threshold curves associated with microcalcification cluster detection in mammograms, is at compression ratio 35:1, and it is lowered at 30:1 if a perceptibility criterion for image quality degradation is applied. The validation study, based on ROC analysis of observers’ performance, confirmed these values, as the threshold for cluster detection is at compression ratio 40:1, and it is lowered to 25:1 by observers’ image quality grading. Component performance evaluation results indicate that the proposed protocol can be successfully used for comparative evaluation of film digitizers, film printers and CRT monitors. In case of compression algorithms, the proposed protocol can be used: (a) as a preliminary step for testing the algorithm during development, (b) for comparative evaluation of algorithms, and (c) in the efficient planning of a ROC study with respect to range of interest of compression ratios. The wide applicability of the proposed protocol is based on a generic set of common transfer characteristics with respect to components and services, and is also empowered by the userdriven design of the digital test objects used. Test objects design is flexible, due to their soft character, enabling adaptation of the design to the technical specifications of each type of individual component.
Abstract (translated): Η τρέχουσα τάση στην ιατρική απεικόνιση είναι τα πλήρη ψηφιακά απεικονιστικά συστήματα. Κύρια χαρακτηριστικά των ψηφιακών απεικονιστικών συστημάτων είναι πρώτον ο διαχωρισμός καταγραφής και παρουσίασης εικόνας, μέσω ψηφιακών ανιχνευτών και οθονών CRT αντίστοιχα, και δεύτερον η ψηφιακή επεξεργασία/ανάλυση και μετάδοση ιατρικής εικόνας, στα πλαίσια συστημάτων PACS και Τηλε-ιατρικής. Μεταβατικά, οι ψηφιοποιητές και οι εκτυπωτές ιατρικού φιλμ διαδραματίζουν ένα σπουδαίο ρόλο ως “γέφυρες” μεταξύ αναλογικών και ψηφιακών συστημάτων. Η αποδοτική αποθήκευση, μετάδοση και παρουσίαση ψηφιακών ιατρικών εικόνων επέβαλλε τη χρήση αλγορίθμων συμπίεσης. Προς το παρόν, οι αντιστρέψιμοι αλγόριθμοι (lossless) είναι κλινικά αποδεκτοί, ενώ οι μη αντιστρέψιμοι (lossy), οι οποίοι χαρακτηρίζονται από μεγάλους λόγους συμπίεσης, αποτελούν τρέχον πεδίο έρευνας. Οι νέες συνιστώσες των ψηφιακών ιατρικών απεικονιστικών συστημάτων δημιουργούν την ανάγκη ανάπτυξης πρωτοκόλλων ελέγχου απόδοσης για τη διασφάλιση υψηλής ποιότητας ιατρικής εικόνας. Στα πλαίσια της διατριβής αυτής αναπτύχθηκε ένα πρωτόκολλο ελέγχου απόδοσης, γενικής χρήσεως, ικανό να ανταποκρίνεται σε όλες τις ανωτέρω συνιστώσες και υπηρεσίες. Το πρωτόκολλο βασίζεται σε ένα σύνολο χαρακτηριστικών μεταφοράς, κοινό για όλες τις συνιστώσες, όπως η χαρακτηριστική καμπύλη, η μεταφορά υψηλής αντίθεσης, η μεταφορά χαμηλής αντίθεσης, ο θόρυβος, η ομοιογένεια και η γεωμετρική παραμόρφωση, καθώς και σε χαρακτηριστικά εξειδικευμένα για κάθε συνιστώσα. Η εφαρμογή του πρωτοκόλλου στηρίζεται στη χρήση ψηφιακών ομοιωμάτων (digital test objects) που σχεδιάζονται με χρήση λογισμικού που σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής. Η εφαρμοσιμότητα του πρωτοκόλλου πιστοποιήθηκε σε: (α) τρεις ψηφιοποιητές ιατρικού φιλμ (Lumiscan 75, Lumiscan 20 και Agfa DuoScan), (β) δύο οθόνες ψηφιακής παρουσίασης (Sony E500 και Samsung 950p), (γ) δύο εκτυπωτές ιατρικού φιλμ (Agfa DrayStar 200 και Kodak DrayView 8100) και (δ) δύο αλγορίθμους συμπίεσης (OTE-TS JPEG και Pegasus wavelet-based), που χρησιμοποιούνται ή προτείνονται για χρήση σε ιατρικά απεικονιστικά συστήματα. Ειδικότερα ελέγχθηκαν: (ι) η πληρότητα του κοινού συνόλου χαρακτηριστικών μεταφοράς, (ιι) η ευαισθησία τους, δηλαδή η ικανότητα διαφοροποίησης μεταξύ συνιστωσών της ίδιας κατηγορίας και (ιιι) η προσαρμοστικότητα των ψηφιακών ομοιωμάτων στις τεχνικές προδιαγραφές των επιμέρους συνιστωσών. Από τους ψηφιοποιητές ιατρικού φιλμ που ελέγχθηκαν, ο Lumiscan 75 έχει καλύτερη απόδοση ως προς την χαρακτηριστική καμπύλη και το θόρυβο. Ο ψηφιοποιητής Agfa DuoScan έχει καλύτερη απόδοση ως προς την μεταφορά υψηλής αντίθεσης. Ως προς την μεταφορά χαμηλής αντίθεσης, ο ψηφιοποιητής Agfa DuoScan έχει καλύτερη απόδοση για χαμηλές οπτικές πυκνότητες, μέχρι 1.8. o.d. μονάδες, ενώ ο ψηφιοποιητής Lumiscan 75 έχει καλύτερη απόδοση για υψηλές οπτικές πυκνότητες. Ο ψηφιοποιητής Lumiscan 20, έχει γραμμική χαρακτηριστική καμπύλη και ικανοποιητικό χειρισμό θορύβου για οπτικές πυκνότητες μικρότερες από 2.8 o.d. μονάδες, αλλά χαρακτηρίζεται από χαμηλή απόδοση ως προς την μεταφορά υψηλής αντίθεσης. Σχετικά με την απόδοση οθονών η Sony E500 έχει καλύτερη απόδοση, όμως και οι δύο οθόνες χαρακτηρίζονται από χαμηλή απόδοση ως προς την χαρακτηριστική καμπύλη και την μεταφορά υψηλής και χαμηλής αντίθεσης. Σχετικά με την απόδοση εκτυπωτών ιατρικού φιλμ ο Kodak DrayView 8100 να έχει καλύτερη απόδοση ως προς την χαρακτηριστική καμπύλη και την μεταφορά υψηλής και χαμηλής αντίθεσης. Ως προς τους αλγορίθμους συμπίεσης, επιβεβαιώθηκε το οπτικά αντιστρέψιμο κατώφλι (visually lossless threshold) του αλγορίθμου JPEG (OTE-TS υλοποίηση), με λόγο συμπίεσης 15:1, που αντιστοιχεί σε ανίχνευση πνευμονικών αλλοιώσεων χαμηλής αντίθεσης στην ακτινογραφία θώρακος. Για τον αλγόριθμο wavelet που μελετήθηκε (Pegasus Imaging Corp. υλοποίηση), ο οποίος είναι συμβατός με το πρότυπο JPEG 2000 ως προς το φίλτρο wavelet, προτείνεται οπτικά αντιστρέψιμο κατώφλι με λόγο συμπίεσης 35:1, στην περίπτωση ανίχνευσης ομάδων αποτιτανώσεων στη μαστογραφία. Με τη χρήση κριτηρίου αντίληψης υποβάθμισης ποιότητας εικόνας (perceptibility criterion for image quality degradation) το κατώφλι μειώνεται σε 30:1. Τα κατώφλια επιβεβαιώθηκαν και με ανάλυση ROC, η οποία ανάδειξε το οπτικά αντιστρέψιμο κατώφλι για ανίχνευση ομάδων αποτιτανώσεων σε 40:1, ενώ με τη διαβάθμιση ποιότητας εικόνας από τους παρατηρητές, το κατώφλι μειώνεται σε 25:1. Τα αποτελέσματα συγκριτικής απόδοσης των ψηφιοποιητών, των οθονών και των εκτυπωτών ανάδειξαν ότι το προτεινόμενο πρωτόκολλο ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις των ανωτέρω συνιστωσών. Ως προς τους αλγόριθμους συμπίεσης, το προτεινόμενο πρωτόκολλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για: (α) βελτιστοποίηση των αλγορίθμων κατά τη διαδικασία ανάπτυξης, (β) συγκριτικό έλεγχο μεταξύ διαφορετικών αλγορίθμων, και (γ) αποδοτική σχεδίαση μελέτης ROC, μέσω του περιορισμού του εύρους των λόγων συμπίεσης. Η ευρεία εφαρμοσιμότητα του προτεινόμενου πρωτοκόλλου βασίζεται στο κοινό σύνολο χαρακτηριστικών μεταφοράς για συνιστώσες και υπηρεσίες, και ενδυναμώνεται με την χρήση ψηφιακών ομοιωμάτων. Ο σχεδιασμός των ψηφιακών ομοιωμάτων επιτρέπει την προσαρμογή τους στις ανάγκες του χρήστη και των τεχνικών προδιαγραφών της κάθε συνιστώσας.
Appears in Collections:Τμήμα Ιατρικής (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Nimertis_Kocsis_Ungureanu(i).pdf2.19 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.