Bildqualität in der digitalen Radiografie

Durchblick

von PD Dr. Eberhard Ludewig

Verschiedene Faktoren bestimmen die Erkennbarkeit von Ver­änderungen auf Röntgenaufnahmen. Dazu gehören die patientenseitigen Voraussetzun­gen zur Darstellung der für die Diagnostik relevanten Strukturen (Größe, Dichte, Form, Berandung, anatomischer Hintergrund), die Qualität der Rönt­genaufnahme und die äußeren Bedingungen, unter denen die Röntgenbildbetrachtung erfolgt (Leistungsdaten des Betrachtungsgerätes, Gestaltung des Betrachtungsumfeldes) [1].

Abb.4 Bei der Aufnahme von einer Taube wurden bei der Bildverarbeitung unterschiedliche Parameter angewendet. Im oberen Bild werden durch die extreme Kantenbetonung Artefakte, die sich als dunkle Banden entlang der Knochen-Weichteil-Grenzen manifestieren, hervorgerufen. Außerdem wird durch die Bildverarbeitung der Rauscheindruck verstärkt.

Eine diagnostische Bildqualität ist dann erreicht, wenn die diagnoserelevanten Bildinformationen so dargestellt werden, dass sie für den Betrachter hinreichend sicher wahrnehmbar sind. Insbesondere kleine und kontrastarme Strukturen müssen sicher abgrenzbar sein [2]. Der Entstehungsprozess digitaler Röntgenaufnahmen setzt sich – im Unterschied zur Film-Folien-Radiografie – aus vier einzelnen Schritten „Bildaufzeichnung“, „Bildverarbeitung“, „Bildpräsentation“ sowie „Bildverteilung /-archivierung“ zusammen. Für jeden der Schritte existieren alternativ anwendbare und separat optimierbare technische Lösungen. Die Bildqualität ist damit von der Summe der Leistungsmerkmale der ersten drei Abschnitte abhängig. Sie wird durch das schwächste Glied innerhalb dieser Abbildungskette limitiert (Abb.1).

Merkmale der Bildqualität

Die Bildqualität digitaler Röntgenaufnahmen wird durch die Parameter „Kontrast“, „Bildschärfe“, „Rauschen“ und „Artefakte“ bestimmt. Jeder dieser Parameter unterliegt dem Einfluss von mindestens zwei der vier Schritte der Abbildungskette. Darüber hinaus besteht ein Zusammenhang zwischen der Aufnahmedosis und dem Parameter „Rauschen“ (Abb.2).

Detektoren

Zahlreiche Aufzeichnungssysteme werden in der tierärztlichen Praxis eingesetzt (Abb.3). Zur Bewertung der mit dem Detektor erreichbaren Güte der Abbildung kann eine Reihe von Kenngrößen herangezogen werden. Die detektive Quanteneffizienz (Detective Quantum Efficiency, DQE) wird mittlerweile als wichtigster Parameter zur Bewertung des Leistungspotenzials eines digitalen Detektors angesehen. Die DQE charakterisiert den Wirkungsgrad des Detektors – also seine Fähigkeit, Röntgenquanten in Bildinformation umzuwandeln. Der Einsatz von Detektoren mit höherer DQE führt bei gleicher Bildempfängerdosis zu einer höheren Signal-Rausch-Verhältnis (SRV) und damit einer besseren Detailerkennbarkeit. Alternativ kann mit solchen Systemen die Bildempfängerdosis vermindert werden, ohne dass sich das SRV verändert [3]. Weitere wichtige Kenngrößen sind die Grenze der Ortsauflösung (Grenzfrequenz), die Modulationsübertragungsfunk­tion (Modula­tion Transfer Function, MTF) und das Rauschleistungsspektrum (Noise power spectrum, NPS). Die Ortsauflösung beschreibt die Erkennbarkeit kleiner, kontrastreicher Objekte. Bei digitalen Detektoren wird sie durch den Pixel pitch, den Abstand zwischen benachbarter Pixelzentren bzw. die Kantenlänge der Pixel bestimmt. Bei den meisten großformatigen Detektoren (Speicherfolien, Flachbilddetektoren) liegt der Pixel pitch zwischen 100 und 200 µm, sodass sich rechnerisch Grenzfrequenzen von 5 bzw. 2,5 Linienpaaren/mm ableiten lassen. Ob diese tatsächlich erreicht werden, muss die Messung mit einem Bleistrichraster ergeben. Die MTF beschreibt die Fähigkeit eines Aufzeichnungssystems, die registrierten Schwächungsunterschiede für unterschiedlich große Strukturen (Objektkontraste) in Intensitätsunterschiede im Bild (Bildkontraste) zu überführen. Das NPS kennzeichnet das Rauschen des Detektors in Abhängigkeit von der Ortsfrequenz [3, 4].

Mindestanforderungen für veterinärmedizinisch genutzte Systeme wurden bisher nicht definiert. Für Detektoren, die für die Röntgendiagnostik von Kleintieren eingesetzt werden sollen, kann man dennoch folgende Mindestanforderungen zu Grunde legen:

// Größe der aktiven Detektorfläche: ca. 43x43cm²

// Pixel pitch: < 200x200 µm²

// DQE: möglichst groß, sodass bei einer Bildempfängerdosis von etwa 1 µGy ein rauscharmes Bild erzeugt wird

// Speichertiefe: > 10 bit

Bildverarbeitung

Bildverarbeitung ist als Prozess zu verstehen, bei dem mit mathematischen Algorithmen die vom Detektor aufgezeichneten Signale in ein Bild umgewandelt werden. Die Bildverarbeitung ist damit ein außerordentlich wichtiger Bestandteil der Abbildungskette, der entscheidend die Qualität des am Ende der Kette dargestellten Bildes am Monitor beeinflusst. Mit einer intelligenten Verarbeitungssoftware können wichtige Bildstrukturen hervorgehoben und weniger wichtige Informationen gezielt unterdrückt werden. Dafür wird der Dynamikbereich an das Schwächungsprofil der Region angepasst, Detailkontraste werden verstärkt und gleichzeitig erfolgt eine Rauschunterdrückung [5, 6]. Eine unzureichende Prozessierung kann zur Unterdrückung relevanter Bildinformationen und zur Induktion von Artefakten führen [7, 8] (Abb.4 + 5).

Bildpräsentation

Die Bildqualität an Bildschirmarbeitsplätzen hängt von den Eigenschaften des ­Monitors und der Grafikkarte sowie der ­Kalibrierung des Monitors ab. Die Eignung des Monitors zur Befundung radiologischer Bilder wird durch seine Größe (Bildschirm­diagonale), die Pixelgröße (Pixel pitch), die Helligkeit (Minimum, Maximum, Homogenität), den Maximalkontrast, die Bildtiefe, Leuchtstoff- und Farbeigenschaften sowie Reflexionsmerkmale bestimmt [9] (Tab.1).

Im Allgemeinen übersteigt die Zahl der mit dem Detektor aufgezeichneten Pixel und Graustufen die Darstellungsmöglichkeiten der meisten Monitore deutlich. Deshalb erfolgt bei fast allen Monitoren zunächst nur eine Übersichtsdarstellung mit reduzierter Auflösung – nicht jeder Pixel wird dabei dargestellt. Unter Sichtkontrolle ist es mit der entsprechenden Software dann möglich, beliebige Ausschnitte der akquirierten Bildmatrix in voller Auf­lösung darzustellen und eine Verschiebung des Bildausschnitts vorzunehmen. Auch bei der Grauwertwiedergabe bestehen bei den meisten Monitoren Einschränkungen. Die Darstellung des Bildes auf dem Bildschirm erfolgt in der Regel mit (reduzierten) 8 bit (256 Grauwerte). Helligkeit und Kontrast werden mithilfe einer so genannten Wiedergabekenn­linie „übersetzt“. Diese Anpassung erfolgt durch Kalibrierung des Monitors. Die Umwandlung der Signalwerte wird über Tabellen, so genannte „Look-up-Tabellen“ (LUT), vorgenommen. Fehlende oder falsche Wiedergabekennlinien sowie die Verwendung einer ungeeigneten LUT führen zu Störungen bei der Wiedergabe von Kontrasten und Bildhelligkeit [1].

Einfluss der Dosis

Ein wesentlicher Unterschied zur Bildaufzeichnung mit Film-Folien-Systemen besteht darin, dass der Dynamikumfang digitaler Detektoren mehr als 1000-fach über dem von Film-Folien-Systemen liegt (Abb.6). Eine Möglichkeit der optischen Kontrolle der Bildempfängerdosis, wie sie mit der Filmschwärzung gegeben ist, besteht bei digitalen Detektoren nicht. Der große Belichtungsspielraum kann gezielt genutzt werden, um Aufnahmen mit reduzierter Dosis anzufertigen. Erst bei sehr niedrigen Belichtungen – also wenig Signal – ist das SNR so niedrig, dass das Bild eine zu große „Körnigkeit“ aufweist. Es ist dann unmöglich, feine Strukturen im Bild abzugrenzen. Der Einsatz von Detektoren mit höherer DQE führt bei gleicher Bildempfängerdosis zu einer höheren SRV und damit einer besseren Bildqualität. Bei extremen Überbelichtungen erreicht der Detektor einen Zustand der Sättigung, sodass Signaldifferenzen nicht mehr registriert werden. Die Bildfläche weist einen homogenen Grauwert auf. Der Vollständigkeit halber muss erwähnt werden, dass aufgrund des großen Belichtungsspielraums und des fehlenden Zusammenhangs zwischen Bildempfänger­dosis und Bildhelligkeit die Gefahr groß besteht, dass unbemerkt mit zu hohen Dosen gearbeitet wird [3, 4].

Artefakte

Artefakts sind Störungen im Röntgenbild, die in der Realität kein Korrelat besitzen. Vorhandene Strukturen können dabei maskiert werden oder durch das Artefakt wird die Existenz von Strukturen, die nicht vorhanden sind, vorgetäuscht. In der digitalen Radiografie kann eine Reihe spezifischer Artefakte auftreten. Bei Speicherfolien­systemen verursachen Verschmutzungen sowie Kratzer und Knicke der Folie häufig Artefakte. Auch das Auslesesystem kann Artefakte induzieren, indem die Präzision der Laserstrahlabtastung, die Kalbrierung der Registriereinrichtung für das Lumineszenzlicht Mängel aufweist oder das finale Löschen der Folien unvollständig erfolgt (Abb.7). Bei Flachbilddetektoren führen Fehler bei der Kalibrierung zur Abbildung von Feldern mit unterschiedlichen Graustufen oder es kommt dadurch zu Streifenbildungen an den Übergängen der Bauelemente des Detektors. Weiterhin können Fehler beim Auslesen bei den nachfolgenden Aufnahmen „Geisterbilder“ (Memory-Artefakte) hervorgerufen [1, 8, 10, 11].

take home

Die Qualität digitaler Röntgenaufnahmen hängt von der Leistungsfähigkeit des Detektors, der Bildverarbeitung, der Bilddarstellung und der Aufnahmedosis ab. Der schwächste Faktor bestimmt das Abbildungsergebnis. Um ein gutes (diagnostisches) Abbildungsergebnis zu erzielen, müssen die technischen Komponenten bestimmte Mindestanforderungen erfüllen. Für veterinärmedizinisch genutzte Systeme sind diese – im Unterschied zu humanmedizinischen Anwendungen – trotz der damit in unmittelbarem Zusammenhang stehenden Bedeutung für den Strahlenschutz jedoch (noch) nicht definiert.

Literatur beim Autor