王福龍 劉愛軍 王海括 王 韜*

PACS影像后處理系統(tǒng)準(zhǔn)確性的評估*

王福龍①劉愛軍①王海括②王 韜①*

目的：評估影像存檔與傳輸系統(tǒng)(PACS)產(chǎn)品影像后處理系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。方法：選取國內(nèi)3家PACS廠商的單機(jī)版產(chǎn)品，分別評估其CT值測量、長度測量、角度測量及面積測量4種功能，并與北美放射協(xié)會影像處理軟件eFilm2.1的測量結(jié)果進(jìn)行對比；使用CT對針管進(jìn)行三維重建，測量針管內(nèi)徑并與實(shí)際值對比。結(jié)果：eFilm2.1系統(tǒng)與各廠商的CT值測量結(jié)果一致；角度測量結(jié)果較為準(zhǔn)確；長度、面積測量結(jié)果和三維重建后的長度測量結(jié)果均有誤差。結(jié)論：PACS影像后處理系統(tǒng)的長度、面積和三維重建后的長度測量結(jié)果準(zhǔn)確性較低，在臨床診斷中僅可起到參考作用。各廠商需對PACS影像后處理系統(tǒng)的測量結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，以滿足醫(yī)療活動的需要。

影像歸檔和通信系統(tǒng)；放射學(xué)信息系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)輔助圖像處理

王福龍，男，(1988- )，碩士研究生。首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院信息中心，研究方向：醫(yī)學(xué)信息學(xué)。

影像存檔與傳輸系統(tǒng)(picture archiving and communication systems，PACS)已被多數(shù)醫(yī)院廣泛應(yīng)用。其影像后處理系統(tǒng)是醫(yī)生調(diào)閱、瀏覽、處理醫(yī)學(xué)圖像的接口，具備圖像的二維處理和三維處理功能，其中與臨床診斷關(guān)系最為密切的有CT值、長度、角度及面積測量等功能[1-2]。然而，目前PACS產(chǎn)品繁多，衡量其影像后處理系統(tǒng)的測量結(jié)果是否準(zhǔn)確，尚需要采用一定的方法進(jìn)行評估。本研究采用對每種功能使用不同廠商的系統(tǒng)測量同一對象并計(jì)算誤差、對比結(jié)果的方法，對PACS影像后處理系統(tǒng)的準(zhǔn)確性進(jìn)行評估。

1 設(shè)備與方法

1.1 設(shè)備與材料

使用3臺數(shù)字X線攝影(digital radiography，DR)機(jī)，1臺計(jì)算機(jī)X線斷層攝影(computed tomography，CT)機(jī)，游標(biāo)卡尺，幾何模具，5 ml針管，造影劑等設(shè)備，采用30幅CT機(jī)拍攝的人體不同位置(頭部、脊椎)的DICOM圖像。選用國內(nèi)3家PACS廠商(廠商A、廠商B、廠商C)的PACS影像后處理系統(tǒng)單機(jī)版，采用北美放射協(xié)會影像后處理軟件eFilm2.1。

1.2 評估方法

(1)CT值測量。采用30幅CT機(jī)拍攝的人體不同位置(頭部、脊椎)的DICOM圖像，使用eFilm2.1與廠商A、廠商B和廠商C的PACS影像后處理系統(tǒng)在3種窗寬窗位下，對位于不同位置的骨骼、軟組織和空氣3個對應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)的CT值進(jìn)行測量并截圖保存，對測量結(jié)果進(jìn)行橫向?qū)Ρ取?/p>

(2)長度測量。使用經(jīng)北京市計(jì)量檢測科學(xué)研究院(法定計(jì)量檢測機(jī)構(gòu))鑒定合格的游標(biāo)卡尺，測量并拍攝記錄金屬尺和幾何模具的寬度。使用3臺DR機(jī)拍攝金屬尺：1號DR機(jī)探測器面較薄，拍攝距離為100 cm，80 cm，60 cm；2號DR機(jī)為常用型，拍攝距離為100 cm，140 cm，180 cm；3號DR機(jī)探測器面較厚，拍攝距離為100 cm，120 cm。使用CT機(jī)拍攝幾何模具。分別使用eFilm2.1軟件，三家廠商的PACS影像后處理系統(tǒng)測量上述拍攝結(jié)果中尺子寬度、幾何模具寬度，分別測量3次取其平均值，并與真實(shí)值對比并計(jì)算誤差。

(3)角度測量。使用游標(biāo)卡尺測量幾何模具寬度并利用三角函數(shù)計(jì)算以下角度的真實(shí)值：①大木質(zhì)方塊底角；②小木質(zhì)方塊對角線與底邊形成的夾角；③大木質(zhì)方塊左下點(diǎn)與小木質(zhì)方塊右上點(diǎn)構(gòu)成線段與豎直方向夾角。采用上一步CT機(jī)拍攝的幾何模具圖像，使用eFilm2.1軟件與廠商A、廠商B(廠商C的PACS產(chǎn)品無角度測量功能)測量上述角度，分別測量3次取其平均值，并與真實(shí)值對比并計(jì)算誤差。

(4)面積測量。使用游標(biāo)卡尺測量5 ml針管內(nèi)徑，計(jì)算其截面積。將針管抽滿造影劑經(jīng)CT機(jī)拍攝，使用eFilm2.1軟件和3家廠商的PACS產(chǎn)品測量針管截面積，分別測量3次取其平均值，并與真實(shí)值對比并計(jì)算誤差。

(5)三維重建。使用CT機(jī)對上步中的拍攝結(jié)果進(jìn)行三維重建，測量針管內(nèi)徑3次取其平均值。使用eFilm2.1軟件與廠商A、廠商B、廠商C測量針管內(nèi)徑3次取其平均值。將內(nèi)徑測量結(jié)果與真實(shí)值對比并計(jì)算誤差。

2 測量結(jié)果

2.1 CT值測量結(jié)果

通過CT值測量，得到eFilm2.1軟件與廠商A、廠商B和廠商C的PACS影像后處理系統(tǒng)測量圖像的CT值結(jié)果截圖和表格。eFilm2.1軟件與廠商A、廠商B和廠商C的PACS測量結(jié)果相符，同一點(diǎn)在不同窗寬窗位的條件下CT值相同(如圖1所示)，(見表1)。

圖1 測量CT圖像一點(diǎn)的CT值

表1 CT值測量結(jié)果示例

2.2 長度測量結(jié)果

使用游標(biāo)卡尺測得金屬尺子寬度為18.78 mm，幾何模具寬度分別為49.80 mm，37.83 mm。得到eFilm2.1軟件與廠商A、廠商B、廠商C的PACS測量DR機(jī)拍攝的金屬尺寬度測量截圖(如圖2所示)、CT機(jī)拍攝的幾何模具寬度測量截圖(如圖3示)。

圖2 測量DR機(jī)拍攝的金屬尺寬度

圖3 測量CT機(jī)三維重建后的針管內(nèi)徑

統(tǒng)計(jì)測量結(jié)果數(shù)據(jù)，得到使用DR機(jī)拍攝金屬尺時eFilm2.1軟件和3家廠商的長度測量結(jié)果與真實(shí)值的對比圖。計(jì)算誤差，1號機(jī)拍攝結(jié)果的測量值誤差較小，2號、3號機(jī)的誤差較大。使用CT機(jī)拍攝幾何模具時測量值誤差較小(如圖4所示)。

圖4 eFilm2.1軟件與各廠商PACS影像后處理系統(tǒng)測量金屬尺子寬度結(jié)果與真實(shí)值對比

2.3 角度測量結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，3個角度的真實(shí)值分別為90.00o、49.77o和27.79o，得到eFilm2.1軟件與廠商A、廠商B和廠商C的PACS測量角度結(jié)果截圖。計(jì)算誤差可見eFilm2.1軟件和廠商A、廠商B的角度測量結(jié)果誤差均較小(如圖5所示)。

圖5 eFilm2.1軟件與各廠商PACS影像后處理系統(tǒng)的角度測量誤差

2.4 面積測量結(jié)果

經(jīng)測量，針管內(nèi)徑為12.2 mm，可得實(shí)際截面面積為116.90 mm2。得到eFilm2.1軟件與廠商A、廠商B的PACS面積測量結(jié)果截圖。計(jì)算誤差可見eFilm2.1與廠商A、廠商B的面積測量結(jié)果誤差很大(如圖6所示)。

圖6 eFilm2.1與各廠商PACS影像后處理系統(tǒng)的面積測量誤差

2.5 三維重建結(jié)果

經(jīng)CT三維重建后得到針管的截圖。計(jì)算誤差可見CT三維重建后直接測量的結(jié)果誤差最小，使用eFilm2.1軟件或PACS影像后處理系統(tǒng)的長度測量結(jié)果均有較大的誤差(如圖7所示)。

圖7 eFilm2.1與各廠商PACS影像后處理系統(tǒng)的長度測量誤差

3 討論

開展PACS影像后處理系統(tǒng)的準(zhǔn)確性評估，無論對企業(yè)為了解市場上的競爭對手和優(yōu)化產(chǎn)品、對醫(yī)院為盡快找到適合自己的優(yōu)秀產(chǎn)品和合作伙伴以及對政府職能部門為了規(guī)范國內(nèi)市場競爭秩序均大有益處[3]。在美國，對PACS評估有兩類：①針對行業(yè)范圍的PACS產(chǎn)品所做的評估，主要是有關(guān)效率、用戶體驗(yàn)和功能多少的評估；②醫(yī)療機(jī)構(gòu)在規(guī)劃PACS項(xiàng)目時，針對各供應(yīng)商為滿足需求提出的需求方案說明書(request for proposal，RFP)所做的評估[4]。我國《醫(yī)院信息系統(tǒng)基本功能規(guī)范》中規(guī)定了“醫(yī)學(xué)影像分系統(tǒng)”的測量功能：提供ROI值、長度、角度、面積等數(shù)據(jù)的測量[5]。該規(guī)范是現(xiàn)階段商品化醫(yī)院信息系統(tǒng)必須達(dá)到的基本要求?！夺t(yī)療器械監(jiān)督管理?xiàng)l例》中規(guī)定，PACS應(yīng)“實(shí)施再評價及淘汰制度”[6]。國內(nèi)對PACS的評估和研究正處于初級階段，如2000年上海醫(yī)藥信息學(xué)會舉行的“產(chǎn)品評估會”，浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院對PACS評估的指標(biāo)做出的研究，2003年國家科委、信息產(chǎn)業(yè)部、衛(wèi)生部等有關(guān)部門召開的“中國PACS標(biāo)準(zhǔn)研討會”，“中國醫(yī)院信息基本數(shù)據(jù)集標(biāo)準(zhǔn)”中與PACS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，中國醫(yī)學(xué)裝備協(xié)會舉辦的IHE測試等[7-8]。

PACS系統(tǒng)影像后處理系統(tǒng)作為用戶接口，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性必須得到保障，才能夠在診斷中起到較好的參考作用，甚至成為臨床診斷的依據(jù)。本研究在PACS影像后處理系統(tǒng)準(zhǔn)確性評估上做出了有益的探索。經(jīng)過與中國醫(yī)學(xué)裝備協(xié)會的協(xié)作，收集到國內(nèi)一家主流PACS廠商和兩家非主流PACS廠商的單機(jī)版作為測試樣本。eFilm2.1軟件是北美放射協(xié)會的專業(yè)醫(yī)學(xué)影像處理軟件，測量依靠像素計(jì)算，其準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性及可信度均較高，具有良好的口碑和影響力[9]。本研究將eFilm2.1軟件的測量結(jié)果作為參照，客觀反應(yīng)出各廠商PACS產(chǎn)品與eFilm2.1軟件的差異。

CT值是物質(zhì)X射線衰減系數(shù)在CT圖像上的反映，是構(gòu)成CT圖像的基礎(chǔ)[10]。在CT值測量功能的評估中選取骨骼、軟組織和空氣3種不同位置點(diǎn)作為測量對象，是因?yàn)槿叩腃T值有明顯的差異，能夠涵蓋CT值測量的廣度。為了測試相同點(diǎn)在不同窗寬窗位下測量的CT值是否一致選取3種窗寬窗位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，eFilm2.1軟件與3家廠商、在同一點(diǎn)而不同窗寬窗位下的CT值均為一致，而且骨骼、軟組織和空氣的CT值測量數(shù)值符合其大致范圍。表明當(dāng)今PACS產(chǎn)品能夠準(zhǔn)確測量CT圖像上的CT值。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，由于CT系統(tǒng)產(chǎn)生的CT圖像質(zhì)量會受X射線硬化、電源狀況、掃描參數(shù)、溫度及鄰近組織等因素影響，其與X射線衰減系數(shù)并非為理想的線性關(guān)系[11]。因此，CT系統(tǒng)提供的CT值不能保證完全準(zhǔn)確，而PACS作為圖像后處理系統(tǒng)，在CT圖像測量的CT值同樣不能作為診斷的依據(jù)，只能作為參考。

在X射線影像轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字圖像的過程中，被攝物體的放大率受DR機(jī)的物-片距、焦點(diǎn)-片距以及后處理軟件(如DR機(jī)軟件，PACS等)算法不同的影響[12]。在長度測量功能的評估中，控制硬件、軟件兩種變量，即采用新、常用和舊3種DR機(jī)和CT在多種距離下進(jìn)行拍攝，并分別使用不同廠商的PACS影像后處理系統(tǒng)測量長度。測量結(jié)果表明，1號機(jī)其物-片距較短，拍攝的圖像長度測量結(jié)果較為準(zhǔn)確，誤差保持在2%以內(nèi)，可以接受。2號機(jī)的焦點(diǎn)-片距可調(diào)距離范圍較大，因此選了步長為40 cm的3種，這樣產(chǎn)生的隨機(jī)誤差比1號機(jī)和3號機(jī)小(由于可調(diào)距離受限，步長設(shè)20 cm)，表明隨著焦點(diǎn)-片距的增大，放大率減小。但2號機(jī)、3號機(jī)拍攝的圖像長度測量結(jié)果誤差均較大，無法作為臨床診斷的依據(jù)。而eFilm2.1軟件和3家廠商的測量結(jié)果各不相同，表明程序內(nèi)都加入了修正算法，使用的參數(shù)可能不同。但目前的評估結(jié)果顯示，當(dāng)今PACS的長度測量結(jié)果很大程度上受到測量儀器放大作用的影響，其軟件本身的調(diào)整算法效果并不理想，測量結(jié)果在臨床診斷中只能作為參考。如果將儀器參數(shù)(如焦點(diǎn)-片距，物-片距等)加入到PACS長度測量結(jié)果的調(diào)整算法中，會得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。

在角度測量功能的評估中，所選測量對象的角度值可較方便地通過角度尺測量以及游標(biāo)卡尺測量的長度計(jì)算出來。由測量結(jié)果可見，eFilm2.1軟件和廠商A、廠商B的測量誤差均較小，而廠商C無角度測量功能。角度測量是影像診斷所需要的常用功能之一，也是PACS圖像后處理系統(tǒng)必須具備的功能。由于醫(yī)學(xué)影像上的角度不會受DR拍攝的放大作用影響，因此大部分PACS系統(tǒng)的角度測量功能準(zhǔn)確。

行血管造影時常用到血管截面積測量，或內(nèi)徑測量，以便輔助確定是否需要支架、耗材采購數(shù)量。本研究采用充滿造影劑的針管為拍攝對象，是為了模擬血管造影的情形。測量結(jié)果顯示，eFilm2.1軟件和各廠商的面積測量誤差均很大，無法作為臨床診斷的依據(jù)。面積測量的誤差與長度測量誤差和面積區(qū)域的標(biāo)注方式、程序本身的計(jì)算誤差均具有相關(guān)性，如果可在調(diào)整長度測量算法的基礎(chǔ)上，優(yōu)化面積區(qū)域的標(biāo)注方式，如采用多點(diǎn)標(biāo)注、自由圈畫曲線的方式同時改進(jìn)面積計(jì)算方法，可得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。在針管內(nèi)徑的測量評估中，采用CT目前較為先進(jìn)的三維重建功能，在重建后的三維圖像中測量針管的內(nèi)徑，并與eFilm2.1軟件和各PACS廠商單機(jī)版直接測量針管截面半徑的結(jié)果進(jìn)行對比，其結(jié)果顯示的測量誤差均較大。CT三維重建后圖像中的測量結(jié)果誤差最小，表明三維重建具有一定的抗噪、抗干擾能力[13]。

4 結(jié)語

醫(yī)生能否通過PACS影像工作站得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果，既依賴于醫(yī)院硬件設(shè)備的升級以采集更高質(zhì)量的原始圖像，又受PACS等影像后處理軟件算法的影響[14-15]。本研究結(jié)果表明，當(dāng)今PACS影像后處理系統(tǒng)的測量結(jié)果仍存在一定的誤差，只能起參考作用，在醫(yī)療活動和科研工作中僅可作為參考軟件。更多針對PACS系統(tǒng)準(zhǔn)確性評估的工作有待繼續(xù)進(jìn)行，以加強(qiáng)衛(wèi)生信息化的規(guī)范管理，保護(hù)醫(yī)生和患者的利益，保障醫(yī)療活動順利進(jìn)行，推動和指導(dǎo)醫(yī)院信息化建設(shè)；同時能夠敦促PACS廠商不斷改進(jìn)算法，提供更加精確的測量結(jié)果以滿足醫(yī)療活動的需求。

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Accuracy assessment on the PACS image processing system

WANG Fu-long, LIU Ai-jun, WANG Hai-kuo, et al// China Medical Equipment,2014,11(5):13-16.

Objective:To do the assessment on the accuracy of PACS Image Processing System.Methods:Choose stand-aloneVersions of three PACS manufacturers, evaluate the accuracy of the functions of CTValue, length, angle and area measurement by comparing the measurement results with eFilm, an image processing software designed by the Radiological Society of North America. Generate three-dimensional reconstruction of needle tube, and contrast between measureValue and trueValue of internal diameter.Results:The functions of CTValue and angle measurement are accurate, while the length, area measurement functions are not accurate.Conclusion:The result of evaluation proves that the length and area measurement function of PACS Image Processing System is low, which can’t become a clinical diagnosis and need improvement. The assessment of the accuracy of PACS Image Processing System has far-reaching significance to the healthy development of PACS systems.

Picture archiving and communication systems; Radiology information systems; Image processing; Computerassisted

1672-8270(2014)05-0013-04

R319

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.05.005

2014-01-15

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2012AA02A611)“數(shù)字化醫(yī)療醫(yī)院示范”

①首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院信息中心 北京 100050

②首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院放射科 北京 100050

*通訊作者：ttyywangtao@sina.com

[First-author’s address]Data Center, Beijing Tiantan Hospital Attached to The Capital Medical University, Beijing 100050, China.