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1、第二节 放射诊断影像质量评价,放射诊断影响质量评价是放射诊断影像质量管理的主要内容之一。国际放射界将像质评价的方法分主观评价法、客观评价法和综合评价法三个方面。,一、主观评价法,心理属性的主观评价法（subjective evaluation）是通过人的视觉根据心理学的规律来评价像质的。从1938年Heilron提出金属网测试法开始，已有五十多年的历程，内容丰富，用途很大。现在常用的方法有两个：Bureger法（或分辨力评价法）和受试者操作特性曲线（receiver operating characteristic curve；ROC曲线）法。,所谓分辨力法是指以人的视觉感觉到的能分辨清楚的影
2、像细节来评价影像质量方法，其单位是每毫米中能分清楚的线对数，单位记作LP/mm，这是一种主观的数值评价法。其优点是简单易行，缺点是仅是一个数值的评价法，可因人而异，也不全面。 在主观评价法中主要介绍ROC曲线评价法。,ROC曲线法又称ROC解析法，是以通讯工程学中信号检出理论（signal detection theory,SDT）为基础，以心理临床评价的受试者操作特性曲线解析和数理统计处理为手段的一种评价方法。信号检出理论是在1948年N.Wiener等撰写的有关控制理论著作中提出的，用于雷达系统的信号识别。,1960年由Lusted首先提出在放射诊断范围内应用这一理论，即用ROC曲线法来评
3、价像质，完成这一方法的是1970年初芝加哥大学的Rossmann、Goodenough、Metz等学者。由于ROC曲线是利用数理统计手段来完成的，故可以客观的评价诊断者的能力，提高医学影像对照研究的科学性和准确性。现已得到国内外医学影像研究工作者的认可，应用广泛，被认为是影像检查技术和诊断方法的对照研究标准方法和最广泛的统计方法。利用此方法还可以进行模拟、数字两系统的成像性能比较。,1.基本概念 美国生物统计百科全书中关于ROC的定义为：“对于可能或将会存在混淆的二种条件或自然状态，需要试验者、专业诊断工作者以及预测工作者作出精细判别，或者准确决策的一种定量方法”。它源于信号检出理论，属统计假
4、设检验的范畴。在评价像质中所谓信号检出，是指在影像中有些微小低对比度信号（病灶）能否被识别出来。采用的识别方法是信号检出刺激-反应判断矩阵法。,(1)2刺激(s，n)2判断(S，N)矩阵：统计理论是在观察事件中，选择两个统计假设时的最好决策行动理论。信号检出问题是由统计决定的，要求对统计的假设进行判断。 信号检出问题，是在一定时间间隔条件下观察判断发生的事件是否含有信号。在一定时间间隔内发生的事件有仅有噪声或仅有信号两种情况，问题是要对这两种情况进行选择。最终要在二者中选一个。观察者看了以后若有“信号”就回答“yes”。若无“信号”就回答“no”。,观察者在规定某一时间间隔，并在各个时间间隔内
5、回答出仅有噪声或仅有信号，即yes(有信号)，no(无信号，是噪声)。但必须注意，在各时间间隔里一定含有某种随机噪声或信号出现一次，并以次进行下去，刺激是连续变化的。,若给观察者观察的噪声和信号分别用n和s表示，观察者判断为噪声和信号分别用N和S来表示。其信号检出的刺激及反应结果有：真阳性(true positive,TP)，表示对信号(病灶s)作出正确的回答yes，是信号S；真阴性(true negative,TN)表示对噪声(无病灶n)作出正确的回答yes，是噪声N；假阴性(false negative,FN)表示对信号(病灶s)作出错误的回答no，是噪声N；假阳性(false posit
6、ive,FP)表示对噪声(无病灶n)作出错误的回答yes，是信号S。以上就是2刺激(s，n)2判断(S，N)矩阵的意义(图6-2)。,由图6-2可得出如下数学表达式： T(s)=TPFN (6-1) T(n)=TNFP （6-2) T(S)=TPFP (6-3) T(N)=TNFN (6-4) 式中T(s)表示信号总数，T(n)表示噪声总数，T(S)表示判断阳性总数，T(N)表示判断阴性总数。,若用T代表n和s刺激观察者的总数，可用下列式子分别计算信号s和噪声n的概率： P(s)= (6-5) P(n)= (6-6) 式中P(s)、P(n)分别代表信号s与噪声n的概率。,观察者在观察信号s和噪
7、声n时，有可能出现误判，即将信号s误判为噪声N，将噪声n误判为信号S。这就出现了条件概率问题： P(S|s)= (6-7) P(N|n)= (6-8) P(N|s)= (6-9) P(S|n)= (6-10) 式中P(S|s)表示真阳性概率(true positive fraction, TPF)，P(N|n)表示真阴性概率(true negative fraction；TNF)，P(N|s)表示假阴性概率(false negative fraction,FNF)，P(S|n)表示假阳性概率(false positive fraction,FPF)。,而且它们之间还有如下关系： P(N|s)=
8、1P(S|s) (6-11) P(S|n)=1P(N|n) (6-12) 随着观察者的正确判断和误判数量改变，其判断基准Xc就发生变化，即向坐标的左或右移动(图6-3)。图中f(x|s)、f(x|n)分别表示信号和噪声呈正态分布。,观图6-3可知： P(S|s)= (6-13) P(N|n)= (6-14) P(N|s)= (6-15) P(S|n)= (6-16),在ROC解析中，设计的测试刺激观察者的信号s和噪声n数量是已知的称金标准，把观察者判断的(包括误判的)N、S的结果可与金标准进行对照，或者说诊断医师并不是十全十美的，会出现对病灶s和无病灶n的影像既可能作出正确的判断，又可能作出误
9、判。ROC解析就是将判断结果与预先已知的金标准进行比较(表6-1)。,若用P(S|s)表示纵坐标，P(S|n)表示横坐标，用测试结果绘制成的曲线就是2剌激(s，n)2判断(S，N)的ROC曲线(图6-4)。,(2)敏感性和特异性：敏感性(sensitivity)是指观察者对信号s正确判断数TP与信号s的总数TPFN=T(s)之比，用下式表示： 敏感性(%)= (6-17) 特异性(speciality)是指观察者对噪声n正确的判断数TN与噪声n的总数TNFP=T(n)之比，用下式表示： 特异性(%)= (6-18),显然，敏感性和特异性表示的是观察者正确判断能力的大小。敏感性和特异性的存在，是
10、因为成像系统探测器的探测能力和观察者(诊断者)判断能力决定了f(x|n)和f(x|s) 的2种正态分布有重叠部分原因，决定了对信号s和噪声n的正确的判断和误判，形成判断基准Xc，随着观察者能力大小或者成像系统探测器的探测能力大小变化，Xc由A移到D，可求出各敏感性和特异性数值，并且可以描绘出相应变化的敏感性-特异性曲线(图6-5)。它可全面反应判断者判断能力，或成像系统的性能。但当Xc一定时，敏感性和特异性就确定了，不会同时增加或减小。,ROC解析的本质就是动态分析、比较不同诊断实验在多个判断基准Xc的条件下的各对敏感性-特异性。,2.ROC曲线的制作方法 常用的制作ROC曲线的方法有三种：一
11、种是2阶求法；一种是5阶求法；最常用也是最简单的方法是用美国Fluke公司生产的ALVIM统计学摄影体模法。,（1）2阶求法：2阶求法有的称二等级法，也有的称二分类法。它解决是或否的问题，即要求诊断者必须作出二者择其一的明确判断（诊断）。如对信号s，即病灶的存在或不存在、恶性或良性等，不允许有第三种诊断。这种ROC曲线的绘制及描述采用二阶法，即由1位或几位观察者（诊断医师或实验测试人员）分别以不同的诊断界值对观察的每一幅影像（实验模型照片影像或临床放射诊断影像）作出二者择其一的诊断，然后与金标准相对照，分别计算各自的敏感性和特异性，这样每次会得到一对敏感性和特异性的数值。,每一对数值都可计算出
12、对应的P(S|s)和P(S|n)一对数值，可以描出一个点，将此点与2个角联起来就成为一条ROC曲线。2个观察者就有2条ROC曲线，此种方法求出的ROC曲线仅有3个点联起来的，是一条折线，很难描成一条光滑的ROC曲线（图6-4）。此方法的依据就是前述的2刺激（s，n）2判断（S，N）矩阵。此方法简单科学，但数据太少，计算结果误差大，故不常用此方法。,（2）5阶求法：5阶求法又称多阶法。实际上观察者（放射诊断医师）往往是面临多种选择的可能，并非简单的“是”或“否”。目前放射影像文献中用多阶法有4阶法、5阶法、6阶法，常用5阶求法。,5阶求法是，观察者面对信号s或噪声n可有5种选择：肯定没有；好像没
13、有；不清楚；好像有；肯定有。这里需指出的是，若对信号s判断，其中的好像没有是指好像有噪声n，肯定没有是指肯定有噪声n的意思；若对噪声n的判断，其中好像没有是指好像有信号s，肯定没有是指有信号s。表6-2中的数据，是由观察者对100个信号和100个噪声的判断结果的例子。表6-3中的数据是对表6-2中的数据的累积。表6-4中的数据是对表6-3中的数据计算出P(S/s)和P(S/n)数值。由表6-4中的P(S/s)和P(S/n)的数据就可绘制成25的ROC曲线（图6-6）。,5阶法制作ROC曲线的读取信号s和噪声n获得的P(S|s)和P(S|n)数值，多应用CEMetz的ROCKIT软件进行数据分析
14、处理。5阶法比2阶法能反应出更多的信息量，ROC曲线的估计更为稳定和精确，且效率更高。,（3）统计学摄影体模法：此方法应用起来方便、简单、计算快捷，是一种可信度很强的实用方法。此方法也可适用于超声检查、CT、MRI等成像系统。 ALVIM统计体模有3种：荧光透视体模TRS；X射线摄影体模TRG；乳腺摄影体模TRM（表6-5、表6-6、表6-7）。,传统的ROC曲线制作方法需对100个噪声（n）、100个信号（s）照片影像进行判断，并计算出5个对应于P（S/s）和P（S/n）的点来制作。用统计体膜的统计计算方法只需要对应于P（S/s）和P（S/n）的一个点，并判断5个信号（s）和5个噪声（n）照
15、片影像，即可制成ROC曲线了。,其方法是：统计体模照片影像上（或CRT显示的影像上）仅有5个信号（s）、5个噪声（n）（其信号和噪声的位置设计试验者知道，观察分析实验照片影像者不知道）。观察者对信号（s）影像判断结果也用5阶法：判断绝对有记作100；判断可能有记作75；判断不清楚记作50；判断可能没有记作25；判断绝对没有记作0。,有条件概率公式： P（S|s）=210-3A P（S|n）=210-3Z Pded=0.510-3（A-Z） 式中，P（S|s）表示真阳性概率，P（S|n）表示假阳性概率，A表示观察者对信号判断结果与金标准所记的总分数，Z表示对噪声判断结果与金标准所记的总分数。P（S|s）和P（S|n）计算出一个坐标点的位置，由于ROC曲线对称于副对线，所以，可以由一个点作出ROC曲线；公式中Pded可以计算出观察者判断的信号的概率值Pded（相当于ROC曲线面积值Az）。,例子,将表中的数值代入公式中，得： A=75+100+100+75+50=400 Z=0+0+25+0+25=50 P（S|s）=210-3A=2400/1000
