DE3840257A1 - Verfahren und vorrichtung zur automatischen beurteilung von unterschieden zwischen normalen und abnormalen lungen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur automatischen beurteilung von unterschieden zwischen normalen und abnormalen lungen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der deutschen Anmeldung P 38 26 287 ist es bekannt, Erkrankungen der Lungenzwischenräume entsprechend den physikalischen Abmessungen des Lungengewebes bei digitalen Brustradiographien zu beurteilen. Es werden etwa 20 quadratische Bereiche von Interesse (IBs) aus Zwischenrippenräumen nach einem automatischen oder manuellen Verfahren ausgewählt und der ungleichmäßige Hintergrundtrend in jedem interessierenden Bereich (IB oder ROI) wird korrigiert, um die gesamte Lungenanatomie von der darunterliegenden Feinstruktur zu trennen, die auf Erkrankungen zurückzuführen ist. Nachdem das Potenzspektrum der Lungenzusammensetzung entsprechend der visuellen Beurteilung eines Beobachters gefiltert wurde, werden die mittlere quadratische Variation und das erste Moment des Potenzspektrums als quantitative Strukturmaße für die Größe und Grobheit (oder Feinheit) des Lungengewebes ermittelt. Darauf baut die vorliegende Erfindung auf, und zwar wurden 100 normale Lungen und 100 abnormale Lungen auf nodulare, retikulare oder wabenförmige Strukturen untersucht, um eine Datenbasis zu etablieren. Diese Datenbasis wird dann gemäß Erfindung verwendet, um Kriterien zur automatischen Beurteilung des Unterschiedes zwischen normalen Lungen und abnormalen Lungen im Hinblick auf Lungenerkrankungen heranzuziehen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein neuartiges Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die noch zuverlässiger als bisher verschiedene Lungenabnormalitäten automatisch erkennt.
Es ist auch Ziel der Erfindung, ein neues und verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Erkennung von verschiedenen Lungenabnormalitäten zu schaffen, die überlegene Ergebnisse im Vergleich zu Diagnosen liefern, welche von erfahrenen Radiologen erstellt werden können.
Zur Lösung dieser Aufgaben dienen ein Verfahren und eine Vorrichtung, die auf einer Analyse von vorgegebenen physikalischen Strukturmaßen und außerdem auf der Datenbasis dieser Strukturmaße basieren. Die ausgewählten Strukturmaße sind die Schwankungen im quadratischen Mittelwert, R und das erste Moment des Potenzspektrums, M, für die Lungenstruktur, die so abgeleitet werden, wie dies in der deutschen Anmeldung P 38 26 287 beschrieben ist. Zuerst werden die zwei Strukturmaße (die Schwankung im quadratischen Mittelwert, R, und das erste Moment des Potenzspektrums, M, für die Lungenstruktur) normalisiert, indem die Datenbasis für normale Lungen verwendet wird. Hierauf wird ein einzelner Strukturindex aus den zwei normalisierten Strukturmessungen festgelegt, indem die Verteilung (oder die Datenbasis), die von Strukturmessungen von abnormalen Lungen erhalten werden, zugrundegelegt werden, um die automatische Klassifizierung von normalen und abnormalen Lungen zu erleichtern. Darauf wird ein Schwellenwertstrukturindex für die anfängliche Selektion von "abnormalen" Bereichen von Interesse (IBs) ausgewählt, der einen großen Strukturindex über dem Schwellenwert hat. Die ausgewählten abnormalen IBs werden dann drei unabhängigen Tests auf (1) ein definitiv abnormales singuläres Muster, (2) lokalisierte abnormale Strukturen für zwei oder mehrere abnormal mit Clustern versehenen IBs, und (3) auf diffuse abnormale Strukturen für mehr als vier abnormale IBs, die über die Lunge verteilt sind, unterworfen. Ein Brustbild, das eine dieser abnormalen Strukturen zeigt, wird als Bild eingeordnet, das eine abnormale Lunge mit Zwischenrippenraumerkrankung darstellt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigt
Fig. 1 ein Fließbild des automatischen Klassifizierungsverfahren zur Unterscheidung zwischen normalen Lungen und abnormalen Lungen bei Lungenerkrankungen, basierend auf einer Analyse von physikalischen Strukturmaßen,
Fig. 2 die Verteilung der zwei Strukturmaße, Schwankung im quadratischen Mittelwert (R) und erstes Moment des Potenzspektrums (M), die für normale Lungen aufgenommen wurden und die eine Datenbasis für normale Lungen bilden, mit welcher eine Klassifikation möglich ist;
Fig. 3 die Verteilung von normalisierten Strukturmessungen, die aus 100 Brustbildern von normalen Lungen erhalten wurden, wobei der Kreis die Standardabweichung von ±1 zeigt;
Fig. 4 die Verteilung von normalisierten Strukturmessungen, die von 100 Brustbildern von abnormalen Lungen erhalten wurden, wobei die Ellipse den Bereich einer mittleren Standardabweichung von ±1 angibt;
Fig. 5 einen einzigen Strukturindex (T), der für normalisierte Strukturmessungen festgelegt ist, um eine Computer-Klassifikation von normalen und abnormalen Lungen zu erleichtern, wobei der Strukturindex (T) in den vier Quadranten durch vorgegebene Gleichungen definiert und durch gestrichelte Pfeile angedeutet ist;
Fig. 6 Histogramme von Maximalwerten für normalisierte Schwankungen des quadratischen Mittelwerts, die bei allen IBs vorhanden sind, welche in jedem Brustbild für normale und abnormale Lungen ausgewählt werden;
Fig. 7 Histogramme von Maximalwerten von normalisierten ersten Momenten der Potenzspektren, die zu allen IBs gehören, welche in jedem Brustbild für normale und abnormale Lungen ausgewählt werden;
Fig. 8 Histogramme des Maximalwerts der Strukturindices, die unter allen IBs enthalten sind, welche bei jedem Brustbild für normale und abnormale Lungen ausgewählt werden;
Fig. 9 Empfänger-Betriebskennlinien (ROC) für die Unterscheidung zwischen normalen und abnormalen Lungen mittels Computer basierend auf den Schwankungen im quadratischen Mittelwert, dem ersten Moment des Potenzspektrums oder dem Einzelstrukturindex, wobei man erkennt, daß der Strukturindex wirksamer als jede der beiden Strukturmaße allein ist.
Fig. 10 die ROC-Kurven für die Unterscheidung zwischen normalen und abnormalen Lungen mittels Computer, während der Strukturindex zusammen mit dem lokalisierten und/oder diffusen Abnormalitätstest verwendet werden, woraus man erkennt, daß das Volltestschema nach Fig. 1 die besten Ergebnisse liefert;
Fig. 11 einen Vergleich der ROC-Kurven, die mittels Computer und von 12 Radiologen aus 60 ausgewählten Brustbildern erhalten werden (die nicht in der Datenbasis von Fig. 2 enthalten sind), wobei man erkennt, daß die Erfindung den Entscheidungen der Radiologen hinsichtlich der Unterscheidung zwischen normalen und abnormalen Lungen mit Zwischenrippeninfiltraten überlegen war;
Fig. 12 eine Darstellung von drei verschiedenen Bereichen im Strukturmaßkoordinatensystem, wobei retikulare, nodulare und Waben-Muster (reticulo-nodulare Strukturen) durch Quadrate, Kreise und Sechsecke dargestellt werden; und
Fig. 13 ein schematisches Blockdiagramm zur Verdeutlichung des Verfahrens und der Vorrichtung zur automatischen Klassifizierung von Lungenstrukturanalysen anhand von digitalen Brustbildern.
In den Zeichnungen sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Fig. 1 ist ein Fließbild zur Erläuterung des Verfahrens zur automatischen Klassifizierung der Unterscheidung zwischen normalen und abnormalen Lungen. Im ersten Schritt 10 wird ein digitales Bild des zu diagnostizierenden Patienten aufgenommen. Insbesondere werden etwa 20 interessierende Bereiche (IBs) aus Zwischenrippenräumen durch ein automatisches oder manuelles Verfahren, beispielsweise nach der deutschen Anmeldung P 38 26 287 untersucht. Für jeden IB, der im Schritt 20 ausgewählt wird, wird die quadratische Mittelwertvariation und das erste Moment des Potenzspektrums als quantitative Strukturmaße für die Größe und Grobheit (oder Feinheit) des Lungengewebes bestimmt, wie dies ebenfalls in der erwähnten Patentschrift beschrieben ist. Insbesondere beim Aufnehmen dieser Strukturmaße auf die in der P 38 26 287 beschriebenen Weise wird der ungleichmäßige Hintergrundtrend für jeden IB für eine zweidimensionale Oberflächenanpassungstechnik korrigiert, um die Schwankungsstrukturen des darunterliegenden Lungengewebes für die nachfolgende Computeranalyse zu bestimmen. Das Potenzspektrum des Lungengewebes wird aus der 2D Fourier-Transformation erhalten und entsprechend der visuellen Betrachtung gefiltert. Schließlich werden die Schwankung im quadratischen Mittelwert, R, und das erste Moment des Potenzspektrums, M, als die bemerkten quantitativen Strukturmaße für die Größe und Grobheit (oder Feinheit), des Lungengewebes bestimmt.
Im einzelnen werden die 2D-Fourier-transformierten Daten durch T (u, v) definiert, worin u und v räumliche Frequenzen in einem kartesischen Koordinatensystem sind. T (u, v) werden durch das menschliche Sehverhalten V (u, v) gefiltert, worin
um gefilterte Daten T (u, v) V (u, v)) zu erhalten, worin u₀ und D vorgegebene Konstanten sind.
Die Variation im quadratischen Mittelwert, R, und das erste Moment des Potenzspektrums, M, werden dann folgendermaßen erhalten:
Nachdem R und M gemäß Fig. 1 bestimmt sind, werden im Schritt 30 die zwei Strukturmaße R und M von allen IBs eines Patienten-Brustbilds normalisiert, indem die Mittelwerte und die Standardabweichungen herangezogen werden, die aus einer Datenbasis für normale Lungen abgeleitet wurden. Diese Datenbasis wurde von den Erfindern entwickelt, indem Strukturmaße R und M für 100 normale Lungen sowie für 100 abnormale Lungen mit nodularen, retikularen und Waben-Strukturen durchgeführt wurden. Danach wird im Schritt 40 ein einzelner Strukturindex aus den zwei normalisierten Strukturmaßen festgelegt, indem die Verteilung, d. h. die Datenbasis der von abnormalen Lungen erhaltenen Strukturmaße berücksichtigt wird. Danach werden im Schritt 50 interessierende Bereiche mit großen Strukturindices ermittelt, die über einem vorgegebenen Schwellenwert liegen. Diese ausgewählten IBs werden schließlich in den Schritten 60₁, 60₂ und 60₃ drei unabhängigen Tests auf ein definitiv abnormales Einzelmuster (Schritt 60₁), ein lokalisiertes abnormales Muster (Schritt 60₂) oder ein diffuses abnormales Muster (60₃) unterworfen. Ein Brustbild, das irgendeines der abnormalen Muster enthält, wird so klassifiziert, daß es eine abnormale Lunge mit Zwischenrippenerkrankung anzeigt, und zwar in Schritt 70. Wenn andererseits keines der abnormalen Muster vorliegt, wird die Lunge im Schritt 80 als normal klassifiziert.
Die zwei Strukturmaße werden im Schritt 30 durch die mittlere und die Standardabweichung von Strukturmaßen normalisiert, die für normale Lungen, die in der Datenbasis enthalten sind, enthalten wurden, und zwar nach den folgenden Gleichungen:
worin R N und M N die normalisierten Schwankungen in dem quadratischen Mittelwert und das normalisierte erste Moment des Potenzspektrums sind; R - und M - sind die mittleren Schwankungen im quadratischen Mittelwert und das mittlere erste Moment des Potenzspektrums für normale Lungen; und σ R und σ M sind die Standardabweichungen der quadratischen Mittelwertschwankung und der Standardabweichung des ersten Moments des Potenzspektrums für normale Lungen.
Der Verteilung der zwei Strukturmaße, die für normale Lungen erhalten wurden, ist in Fig. 2 dargestellt.
Aus dieser Verteilung wurde ermittelt, daß die mittlere und die Standartabweichung für die Schwankungen im quadratischen Mittelwert für normale Lungen 8,190 und 0,884 in Pixelwerteinheiten sind und die mittlere und die Standardabweichung für das erste Moment des Potenzspektrums 2,577 bzw. 0,120 Schwingungen/mm betragen. Die Pixelwerteinheit, die für die Schwankung im quadratischen Mittelwert verwendet wird, kann in andere Einheiten umgewandelt werden, die in Situationen zweckmäßig sind, in denen die Mittelwert-Schwankung als optische Dichte oder relative Röntgenstrahlintensität angegeben wird. Da radiographische Bilder bei dieser Studie mit einem Hochqualitäts-Trommelscanner digitalisiert wurden, wobei eine 10 Bit-Analog-Digital-Umwandlung erfolgte und wobei der optische Dichtebereich von 0,4 bis 2,2 für die Pixelwerte im Bereich von 800 bis 200 linear aufgezeichnet wurde, (d. h. 0,003 optische Dichte/Pixelwert), sind die mittlere und die Standardabweichung der Mittelwertschwankung für normale Lungen 0,02457 bzw. 0,002652 für die optische Dichteeinheit.
Die mittlere und die Standardabweichung in der mittleren Schwankung für relative Röntgenstrahlintensität läßt sich erhalten, indem diese Größen bei der optischen Dichte durch einen Faktor von 0,434G geteilt werden, worin G der Gradient der Kennlinie für ein Schirmfilmsystem ist, wie es für Bruströntgen verwendet wird. Nimmt man an, daß der mittlere Gradient 2,8 ist, dann wird vermutet, daß die mittlere und die Standardabweichung der Mittelwertschwankung für normale Lungen etwa 0,02 und 0,002 für die relative Röntgenstrahlintensität beträgt. Es wird darauf hingewiesen, daß diese Größen für die relative Röntenstrahlintensität lediglich eine grobe Abschätzung darstellen und nur vorsichtig verwendet werden sollten, da nicht alle Kennlinien für alle Röntgenbilder bekannt sind und lediglich die gemittelte Kurve verwendet wurde, um den gemittelten Gradienten zu erhalten.
Die Verteilungen der normalisierten Strukturmaße für normale und abnormale Lungen in der Datenbasis sind in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Die Verteilung für normale Lungen ist um den Ursprung der normalisierten Strukturmaße-Koordinaten zentriert, während die Verteilung für abnormale Lungen nach oben links verschoben ist. Es gibt jedoch offenbar eine beträchtliche Überlappung zwischen diesen zwei Verteilungen. Dies ist deswegen der Fall, weil Lungenstrukturen in einer abnormalen Lunge auch normale Bereiche enthalten können, sofern nicht die Erkrankung über die gesamte Lunge verbreitet ist. Es wird vermutet, daß ein Klassifikationsschema basierend auf lediglich diesen Verteilungen nicht sehr effektiv in der Unterscheidung zwischen normalen und abnormalen Lungen ist.
Da die Verteilung der Strukturmaße für abnormale Lungen einige Werte für normale Lungen enthält und somit in den zweiten Quadranten der normalisierten Strukturmaße-Koordinaten verschoben ist, wird der Schritt 40 durchgeführt, um einen neuen Einzelstrukturindex (T) gemäß Fig. 5 zu formulieren und dadurch wirksam zwischen normalen und abnormalen Lungen zu unterscheiden. Die Nützlichkeit einer einzigen aussagekräftigen Zahl, die durch einen verläßlichen Index geliefert wird, anstelle von zwei Parametern, liegt in der Einfachheit und Wirksamkeit der Erzielung einer genauen automatisierten Computerklassifikation, wie dies aus den später angegebenen Ergebnissen klar wird. Mathematisch wird der Einzelstrukturindex T folgendermaßen definiert:
Im ersten Quadranten, d. h. M N < 0 and R N < 0, T = R N. (6)
Im dritten Quadranten, d. h. M N < 0 and R N < 0, T = - M N. (8)
Im vierten Quadranten, d. h. M N < 0 and R N < 0, T = - {Min (M N), |R N |)}, (9)
d. h. der Negativwert des kleineren von M N oder des Absolutwerts von R N.
Die Nützlichkeit des Strukturindex T wird durch Vergleich der Histogramme für die Schwankungen im quadratischen Mittelwert, für die ersten Momente der Potenzspektren und für die neuen Strukturindices für normale und abnormale Lungen gemäß den Fig. 6, 7 und 8 verdeutlicht. Diese Histogramme geben die Auftrittsfrequenzuen für den Maximalwert an, der in allen IBs für jedes Brustbild enthalten ist. Man erkennt, daß die Histogramme der Mittelwert-Schwankungen und das erste Moment des Potenzspektrums für abnormale Lungen sich mit jenen für normale Lungen wesentlich überlappen. Es ist daher schwierig zwischen normalen und abnormalen Lungen zu unterscheiden, wenn der Maximalwert oder entweder die Mittelwertschwankung oder das erste Moment des Potenzspektrums zu ihrer Klassifikation herangezogen wird. Die Histogramme des Einzelstrukturindex zeigen jedoch eine verbesserte Trennung zwischen den Verteilungen für normale und abnormale Lungen, wodurch sie auf verbesserte Klassifikationen hinweisen. Dies ist in der Tat das Ergebnis, wenn die Empfängerbetriebskosten (ROC) gemäß Fig. 9 gezeichnet werden (zur Erläuterung einer ROC-Analysetechnik wird auf C. E. Metz, Investigative Radiology 21 : 720-733 (1986) hingewiesen)). Die ROC-Kurve gilt derzeit als das zuverlässigste Diagramm, welches die Wirksamkeit von Detektoren (oder Beobachtern) bei der Unterscheidung zwischen zwei möglichen Zuständen für Lungen, nämlich normal und abnormal, angibt. Die ROC-Kurve ist allgemein eine Wiedergabe der Beziehung zwischen dem wahren positiven Anteil, d. h. dem Anteil der korrekten Klassifikationen (oder Erkennungen) der abnormalen Lunge als abnormal, und dem falsch-positiven Teil, d. h. dem Teil der inkorrekten Klassifikationen (oder Erkennungen) der normalen Lunge als abnormal. Diese Beziehung wird durch eine Kurve anstelle eines Punktes ausgedrückt, da sich diese Teile je nach verwendetem Schwellenwert ändern können.
Bei der Erzeugung der ROC-Kurve mit der Bezeichnung "Strukturindex" in Fig. 9 wird eine Strukturindexschwelle in bezug auf die in Fig. 8 dargestellten Histogramme einrichtet. Für jeden möglichen Schwellenwert wird der wahre positive Anteil als das Verhältnis der Fläche unter der Kurve für das abnormale Lungenhistogramm rechts von dem Schwellenwert zum Gesamtbereich unter der Kurve für das normale Lungenhistrogramm ermittelt. In ähnlicher Weise wird der falsche positive Anteil als Verhältnis der Fläche unter der Kurve des normalen Lungenhistogramms rechts vom Schwellenwert zum Gesamtbereich unter der Kurve des normalen Lungenhistogramms ermittelt. Wenn beispielsweise der Schwellenwert abnimmt, soll der wahre positive Anteil ansteigen, aber auch der falsche positive Anteil soll ansteigen. Beim Vergleich der verschiedenen ROC-Kurven, die mit unterschiedlichen Detektoren oder Verfahren erhalten werden, stellt die höhere (oder näher zur oberen linken Ecke) liegende ROC-Kurve im allgemeinen das bessere Verhalten dar. Daher weist Fig. 9 deutlich daraufhin, daß die Verwendung des Strukturindex sowohl der Verwendung der Schwankung im quadratischen Mittelwert, als auch der Verwendung des ersten Moments des Potenzspektrums bei der automatischen Klassifikation von Lungenstrukturen für normale Lungen und für abnormale Lungen aufgrund von Zwischenrippenerkrankung überlegen ist.
Um das automatisierte Klassifikationsverfahren nach der Erfindung weiter zu verbessern, sind drei unabhängige Tests 60₁, 60₂ und 60₃ für abnormale Muster in abnormale Lungen mit Zwischenrippenerkrankung eingeschlossen. Der erste Test 60₁ dient dazu, festzustellen, ob irgendein Strukturindex, der von allen IBs aus einem Brustbild erhalten wurde, einen größeren Wert als vier hat. Wenn dies der Fall ist, wird das Brustbild als abnormal klassifiziert, da es keine normalen Lungen in der Datenbasis gibt, die einen Strukturindex von mehr als 4 haben, wie man aus Fig. 8 erkennt. Wenn das erfindungsgemäße Verfahren zur täglichen Analyse einer großen Anzahl von klinischen Fällen herangezogen wird, dann kann es einige normale Fälle geben, bei denen der Strukturindex größer als vier ist und diese werden zu einer Vergrößerung des falschen positiven Anteils beitragen. Diese Erhöhung wird jedoch im Hinblick darauf verhältnismäßig klein sein, daß keines der 100 normalen Brustbilder in der Datenbasis zu einem höheren Strukturindex als vier führte.
Der zweite Test 60₂ dient dazu, festzustellen, ob vorgewählte "abnormale" IBs mit einem Strukturindex, der relativ weit über dem Schwellenwert liegt, sich in einem bestimmten vorgegebenen Abstand (oder Durchmesser eines Kreises) sammeln. Der Schwellenwert für den Strukturindex kann durch Verwendung einer interaktiven Selektionssteuerung oder durch ein automatisches Verfahren verändert werden, oder er kann auf einen vorgegebenen Wert eingestellt werden. Der Efekt des Abstandes im Bereich von 1 cm bis 5 cm auf die Bestimmung von gehäuften abnormalen IBs wurde bei der Ableitung der vorliegenden Erfindung untersucht. Es hat sich herausgestellt, daß eine Distanz von etwa 3 bis 4 cm für die Erkennung von lokalisierten abnormalen Strukturen, die auf eine Erkrankung zurückzuführen waren, wirksam ist und daß das Vorsehen dieses Tests den Wirkungsgrad deutlich verbesserte, wie dies die ROC-Kurven in Fig. 10 zeigen.
Ein dritter Test 60₃ untersucht, ob vorgewählte abnormale IBs über die gesamte Lunge verteilt sind und ein diffuses abnormales Muster aufgrund von Erkrankung bilden. Im Test 60₃ wird die Gesamtzahl dieser IBs je Brustbild gezählt, die zu einem Strukturindex führen, der über dem Schwellenwert liegt. Die Resultate zeigten an, daß dann, wenn mehr als vier abnormale IBs vorlagen, das Brustbild höchstwahrscheinlich ein diffuses abnormales Muster aufgrund von Erkrankung enthielt. Die Zweckmäßigkeit des Tests 60₃ sowie das Gesamtresultat bei der Verwendung dieser drei Tests zusammen, ist in Fig. 10 dargestellt. Aus diesem Ergebnis und aus anderen Daten, die zum Vergleich mit der Leistung von Radiologen hinzugezogen werden, wird bestätigt, daß der Volltest nach Fig. 1 das beste Leistungsergebnis lieferte. Es wird darauf hingewiesen, daß die optimalen Kriterien für sowohl die Distanz (oder den Durchmesser) des lokalisierten abnormalen Gebiets als auch für die Gesamtzahl der abnormalen IBs für diese Tests Veränderungen unterworfen sein kann, wenn die Gesamtzahl der je Brustbild ausgewählten IBs wesentlich erhöht wird.
Die oben beschriebenen Methoden und Verfahren für die Normalisierung, für den einzelnen Strukturindex und der Test auf Abnormalität wurden für jedes Brustbild auf die gesamte Lunge angewendet. Die gleichen Verfahren und Methoden können aber auch unabhängig voneinander auf ausgewählte Lungenbereiche an verschiedenen Stellen wie in der oberen, mittleren und unteren Lunge sowie in der inneren und äußeren Lunge angewendet werden. Eine Datenbasis für Lungenstrukturen für die normale und abnormale Lunge muß dann für jeden ausgewählten Bereich eingerichtet werden. Die Normalisierung der Strukturmaße wird dann unabhängig für jeden Lungenbereich erreicht, indem die Datenbasis für normale Lungen verwendet wird, die von dem entsprechenden Lungenbereich erhalten wurde. Der Strukturindex wird nach dem Verfahren gemäß Gleichungen 6-9 sowie nach Fig. 5 ermittelt. Tests für abnormale Lungen werden unabhängig in jedem Lungenbereich durchgeführt.
Es hat sich gezeigt, daß dieser Anlauf zur automatischen Klassifikation, der auf Teillungenbereiche angewendet wird, etwas empfindlicher in der Unterscheidung zwischen normalen und abnormalen Lungen ist, als wenn er auf die gesamte Lunge angewendet wird. Da jedoch die Datenbasis derzeit linitiert ist, war es nicht möglich, die statistische Bedeutung dieser geringfügigen Empfindlichkeitsverbesserung zu bestätigen. Offenbar wird eine größere Datenbasis für Strukturmaße benötigt, um diesen Ansatz hinsichtlich von Teilbereichen der Lunge zu vervollständigen.
Um die Nützlichkeit des mit Computer erfolgenden automatisierten Klassifikationsschemas zu untersuchen, wurde das erfindungsgemäße Verfahren auf die Analyse von klinischen Fällen angewendet, die zuvor für Studien der Wirkung eines Anzeigeformats auf die diagnostische Neuigkeit von digitalen Bruströntgenbildern verwendet wurde. Diese Studie schloß einen Vergleich von Hardcopy, Video und Grauwert-Umkehrbildern ein (H. MacMahon, C. E. Metz, K. Doi, T. Kim, M. L. Giger, und H. P. Chan. Radiology 161 (P): 203, 1986 (abstract)). Die für diese Studie ausgewählten 60 Brustbilder enthielten kleine Abnormalitäten wie pulmonare Knoten, Pneumotorax, Zwischenrippenraum-Infiltrate und Knochenverletzungen. Die ROC-Kurven für die Erkennung jeder dieser Abnormalitäten wurden von sechs Radiologen und sechs erfahrenen radiologischen Hilfskräften ermittelt.
Fig. 11 zeigt einen Vergleich der ROC-Kurven, die von diesen zwölf Beobachtern erstellt wurden, mit dem automatischen Klassifikationsverfahren nach der Erfindung. Man sieht, daß die Computer-Auswertung den Auswertungen eines durchschnittlichen Beobachters hinsichtlich der Unterscheidung zwischen normalen und abnormalen Lungen mit Zwischenrippenraum-Infiltraten überlegen ist. Es wird darauf hingewiesen, daß die Brustbilder, die für die Beobachter-Leistungsstudien verwendet wurden, mit Pixelgrößen von 0,3 mm und einem Trommelscanner aufbereitet wurden, der qualitativ hochwertige Hardcopybilder lieferte, während die automatische Klassifikation anhand von digitalen Bilddaten erfolgte, die mit einer Pixelgröße von 0,1 mm erhalten wurde. Man nimmt an, daß die von Radiologen erhältliche ROC-Kurven verbessert werden können, wenn für die Beobachter-Leistungsstudien Hardcopybilder mit Pixelgrößen von 0,1 mm zur Verfügung gestellt werden. Diese Verbesserung würde jedoch nicht sehr wesentlich sein, wie bereits bei früheren Beobachterleistungsstudien hinsichtlich der Wirkung der Pixelgröße auf die Erkennung von Infiltraten festgestellt wurde (H. M. MacMahon, C. J. Vyborny, C. E. Metz, K. Doi, V. Sabeti, und S. L. Solomon, Radiology 158 : 21, (1986). Man nimmt daher an, daß die aus der Fig. 11 gezogenen Schlüsse bestehen bleiben, nämlich daß die Computerauswertung zuverlässiger als der menschliche Beobachter auf Erkrankungen zurückzuführende Abnormalitäten der Lunge feststellen kann.
Aus der Analyse von Strukturmaßen, die für abnormale Lungen in der oben erwähnten Datenbasis erhalten werden, hat sich gezeigt, daß abnormale Lungen mit einem Retikularmuster dazu neigen, eine große Schwankung in dem quadratischen Mittelwert und ein verhältnismäßig großes erstes Moment des Potenzspektrums im Vergleich zu normalen Lungen zu enthalten. Dieses Ergebnis entspricht der Feststellung, daß normalisierte Strukturmaße eines Retikularmusters im allgemeinen in der Nähe des oberen Teils der positiven R N-Achse verteilt sind. Für abnormale Lungen mit einem Knotenmuster, wird das erste Moment des Potenzspektrums normalerweise kleiner als für normale Lungen, während die Mittelwertschwankung mit normalen Lungen vergleichbar ist. Diese Resultate entsprechen einer Verteilung von normalisierten Strukturmaßen eines Knotenmusters, das im allgemeinen in der Nähe des linken Teils der negativen M N-Achse angeordnet ist. Abnormale Lungen mit Wabenmuster und Retikulo-Nodular-Struktur tendieren dazu, eine Mittelwertschwankung zu haben, die größer als für normale Lungen ist, während das erste Moment des Potenzspektrums kleiner als für normale Lungen ist. Dies impliziert, daß die normalisierten Strukturmaße von Waben- und Retikulo-Nodular-Mustern im zweiten Quadraten der (M N, RN) Koordinaten in der Nähe von links oben von der Diagonalen liegen, die durch den Ursprung gelegt ist.
Basierend auf den Feststellungen für diese Bildmerkmale betreffend verschiedene abnormale Muster aufgrund von Rippenraumerkrankungen werden abnormale Lungenbereiche mit speziellen Markierungen (oder Symbolen) dargestellt, die einem Brustbild überlagert werden, welches zur Interpretation durch einen Radiologen angezeigt wird. Typischerweise wird ein hochauflösender Kathodenstrahlröhrenmonitor zur Anzeige verwendet; es können jedoch auch andere Anzeige-Einrichtungen, beispielsweise Filmbilder hierfür verwendet werden. Wenn ein Brustbild basierend auf dem automatisierten Schema gemäß Fig. 1 als abnormal klassifiziert wird, werden alle abnormalen IBs, die einen Strukturindex enthalten, der über dem Schwellenwert liegt, mit drei Typen von Symbolen angezeigt, die dem Brustbild an der Stelle der abnormalen IBs überlagert werden und die die Art und Größe jeder Abnormalität in jedem interessierenden Bereich (IB) anzeigen.
In Fig. 12 stellen die Quadrate Retikular-Muster dar, wenn abnormale Strukturmaße in dem ersten Quadranten oder in einem Drittel des zweiten Quadranten lokalisiert sind, der neben dem ersten Quadranten liegt (wie dies durch die Ordinate und die gestrichelte Linie angedeutet wird, die unter 30° gegenüber der Ordinate liegt). Die Kreise stellen Knotenmuster für abnormale Strukturmaße dar, die im dritten Quadranten oder in einem Drittel des zweiten Quadranten liegen, der benachbart zu dem dritten Quadranten ist (wie dies durch die Abzisse und die strichpunktierte Linie angedeutet ist, die unter 30° zur Abzisse liegt). Sechsecke stellen Waben- und Retikulo-nodulare Muster dar, wenn abnormale Strukturmaße in einem Drittelabschnitt des zweiten Quadranten liegen, der im Bereich zwischen der gestrichelten Linie und der strichpunktierten Linie liegt. Die Größe der Abnormalität wird durch die Größe dieser Symbole angezeigt; je größer der Strukturindex eines abnormalen IBs ist, desto größer ist der Kreis, das Sechseck oder das Quadrat. Die Mitte des Symbols liegt in der Mitte des in dem Brustbild ausgewählten IB. Die Größe eines Symbols kann im Verhätnis zu dem Strukturindex verändert werden oder durch eine andere Beziehung, die eine monotone Vergrößerung mit größer werdendem Strukturindex liefert. Die Größen und Bereiche dieser drei unterschiedlichen Symbole werden gleichgehalten, wenn die Größen der entsprechenden Strukturindices gleichbleiben.
Andere Größen, die auf dem Bildröhren-Monitor angezeigt werden und die sehr nützlich sind, sind der wahr-positive Anteil und der falsch-positive Anteil, die aus der ROC-Kurve am Arbeitspunkt abgeleitet werden, nämlich bei dem verwendeten Schwellenstrukturindex. Dies hat wesentliche Einflüsse auf die Beurteilungskriterien betreffend die Zuverlässigkeit der Computer-Ausgabe, wenn sie eine abnormale Lunge anzeigen, da der wahr-positive Anteil und der falsch-positive Anteil die Wahrscheinlichkeit darstellen, daß eine abnormale Lunge bzw. eine normale Lunge vorliegt, wenn ein Brustbild automatisch gemäß Erfindung klassifiziert wird. Mit anderen Worten kann das erfindungsgemäße Verfahren die Wahrscheinlichkeit zeigen, daß die Lunge tatsächlich abnormal ist und auch die Wahrscheinlichkeit, daß die Lunge tatsächlich normal sein kann, selbst wenn die Computer-Ausgabe auf eine abnormale Lunge hindeutet.
Da eine ROC-Kurve, wie sie in Fig. 10 dargestellt ist, durch Veränderung des Schwellenwertes für den Strukturindex abgeleitet wird, können die Daten für diese Kurve zusammen mit dem entsprechenden Schwellenwert in dem Computer gespeichert werden. Wenn also ein Brustbild bei einem vorgegebenen Schwellenwert analysiert wird, können die entsprechenden Werte für den wahr-positiven Anteil und den falsch-positiven Anteil bei diesem Schwellenwert auf dem Monitor angezeigt werden, wenn das Brustbild aufgrund von Zwischenrippenraumerkrankung als abnormal klassifiziert wird. Ferner, wenn das Brustbild durch Veränderung des Schwellenwertes interaktiv analysiert wird, können die entsprechenden Veränderungen dieser Anteile bei verschiedenen Schwellenwerten sowie über dem Schwellenwert liegende abnormale IBs unmittelbar bei der Veränderung dieses Wertes angezeigt werden. Diese Anzeigen der Art, Größe und Wahrscheinlichkeit von abnormalen Lungenstrukturen erleichtern dem Radiologen die Diagnose ganz wesentlich.
Wenn ein Brustbild mit dem automatisierten Klassifikationsverfahren als normal beurteilt wird, werden zwei wichtige Parameter auf dem Bildschirm in ähnlicher Weise wie für eine abnormale Lunge angezeigt. Diese Parameter sind die Wahrscheinlichkeit, daß die Lunge tatsächlich normal ist, d. h. der wahr-negative Anteil, der gleich eins ist, minus dem falsch-positiven Anteil, und die Wahrscheinlichkeit, daß die Lunge tatsächlich abnormal ist, d. h. der falsch-negative Anteil, der gleich eins ist, minus dem wahr-positiven Anteil. Es ist klar, daß diese Wahrscheinlichkeiten aus der ROC-Kurve ermittelt werden können und daß sie als Beurteilungskriterien betreffend die Zuverlässigkeit zweckmäßig sind, daß eine normale Lunge von dem Computer als solche bezeichnet wird.
Fig. 13 ist ein schematisches Blockdiagramm des sequentiellen Arbeitsablaufs eines fest verdrahteten, automatisierten Klassifikationsystems zur Analyse von Lungenstrukturen bei digitalen Brustbildern. Zuerst werden digitale Bilddaten entsprechend einem gegebenen Bruströntgenbild mit Hilfe einer Eingabeeinrichtung 100 eingegeben und in einem Bildspeicher 105 gespeichert. Ein digitales Brustbild kann durch Digitalisierung eines konventionellen Röntgenfilmbildes erhalten werden. Man kann das digitale Brustbild auch auf andere Weise, beispielsweise mit einer Vorrichtung nach Picker erhalten, bei der eine digitale Zeilenabtastung erfolgt. Ein anderes Verfahren von AS & E digitalisiert durch punktweise Abtastung. Weitere Vorrichtungen sind ein Speicherphosphor nach Fuji oder ein Lasersystem. Die Bilderzeugung kann auch mit Hilfe von Bildverstärkern erfolgen, die mit einem digitalisierten TV-System gekoppelt sind. Es sind auch Selen-Platten zur bilddigitalen Bilderzeugung bekannt. Geeignete IBs werden dann von Hand oder automatisch ausgewählt, (Block 110), und Strukturmessungen R und M werden an ausgewählten IBs ermittelt (Block 120). Die Strukturmaße R, M werden in einem Normalisierungsrechner 130 normalisiert, und zwar basierend auf der Datenbasisstatistik für normale Lungen, die in dem Datenbasisspeicher 130₁ gespeichert ist. Normalisierte Strukturmaße werden dann an den Rechner 140 gelegt, der einen einzigen Strukturindex T (M, R) berechnet, wie dies anhand von Fig. 5 erläutert wurde. Der einzelne Strukturindex T (M, R) wird vom Rechner 140 an einen Vergleicher 150 gelegt, der den Strukturindex für jeden IB mit einem Schwellenwert vergleicht, der interaktiv durch eine interaktive Schwellenwert-Auswahlsteuerung 150₁ ausgewählt werden kann. Die Steuerung 150₁ legt außerdem einen auswählbaren Schwellenwert an einen ROC-Generator 150₂, der ROC-Daten speichert und, basierend auf einem ausgewählten Schwellenwert, der von der Steuerung 150₁ angelegt wird, falsch-positive Daten und wahr-positive Daten bei dem ausgewählten Schwellenindex erzeugt. Außerdem ist ein Vergleicher 160₁ vorgesehen, der ermittelt, ob der Strukturindex für jeden IB, der den von der Steuerung 150₁ eingestellten Schwellenwert übersteigt, gemäß Entscheidung vom Vergleicher 150 größer als 4 ist; der Analysator 160₂, der feststellt, ob die IBs, die vom Vergleicher 160₁ nicht als abnormal eingeordnet wurden, sich in einem vorgegebenen Abstand (oder Durchmesser eines Kreises) häufen; und der Vergleicher 160₃, der feststellt, ob die Gesamtzahl der IBs, die den von der Steuerung 150₁ eingestellten Schwellenwert übersteigen, gemäß Feststellung durch den Vergleicher 150 größer als 4 ist. Falls einer der Vergleicher 160₁, 160₃ und der Analysator 160₂ eine positive Entscheidung liefern, dann wird von dem Klassifizierer 170 eine Klassifikation gemacht, daß eine abnormale Lunge vorliegt. Falls dies nicht der Fall ist, dann entscheidet ein Klassifizierer 180, daß eine normale Lunge vorhanden ist.
Es ist ferner ein Symbolgenerator 190 vorgesehen, der Symbole erzeugt, die auf die Art der Abnormalität hinweisen (z. B. Wabenform, Retikularform, Retikulo-Nodular-Form, Knotenform etc., wie dies bereits erläutert wurde), wobei jedes Symbol eine Größe hat, die auf das Ausmaß der Abnormalität hindeutet, d. h. im Verhältnis zu dem Strukturindex steht.
Gemäß Erfindung ist eine Anzeige 200, beispielsweise eine Bildröhre zur Anzeige des Bildes vorgesehen, wobei die vom Generator 190 erzeugten Symbole an der Stelle der abnormalen IBs ebenso wie die ROC-Information vom Generator 150₂ angezeigt werden.

Claims (16)

1. Verfahren zur automatischen Klassifizierung und Unterscheidungen zwischen normalen und abnormalen Lungen bei Erkrankungen, die in digitalen Bruströntgenbildern erkennbar sind, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Vielzahl von interessierenden Bereichen (IBs) eines digitalen Röntgenbildes abgefragt werden;
daß digitale Daten erzeugt werden, die auf die Struktur jedes IB hinzuweisen;
daß aus den digitalen Daten jedes ausgewählten IB Strukturmaße ausgewählt werden, die auf die Lungenstruktur des jeweiligen IB hinweisen;
daß die Strukturmaße in bezug auf vorgegebene Eigenschaften, die aus einer Datenbasis für normale Lungen abgeleitet werden, normalisiert werden; und
daß die normalisierten Strukturmaße verarbeitet werden, um basierend auf den vorgegebenen Kriterien zu entscheiden, ob ein Lungenbild eine normale oder abnormale Lunge zeigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ermittlungsschritt aufweist:
Entfernen von ungleichmäßigem Hintergrundtrend in den digitalen Daten jedes IB zur Isolierung einer darunterliegenden Feinstruktur;
Festlegen des Potenzspektrums der darunterliegenden Feinstruktur;
Bandpaßfilterung eines festgelegten Potenzspektrums;
Ermitteln der Schwankung in dem quadratischen Mittelwert (R) und des ersten Moments des Potenzspektrums (M) des bandpaßgefilterten Potenzspektrums; und
Verwendung von R und M als die vorgegebenen Strukturmaße.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Normalisierungsschritt aufweist:
Festlegung von normalisierten Werten für R N und M N basierend auf den folgenden Beziehungen: worin R - und M - jeweils die mittleren quadratischen Mittelwertschwankungen und das mittlere erste Moment des Potenzspektrums für normale Lungen sind, wie sie aus der Datenbasis abgeleitet sind und worin σ R und σ M jeweils die Standardabweichungen der Mittelwert-Schwankungen und das erste Moment des Potenzspektrums für normale Lungen sind.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verarbeitungsschritt aufweist: Berechnen eines einzelnen Strukturindex (T) basierend auf den normalisierten Werten von R N und M N.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß T in (M N, RN) Koordinaten folgendermaßen definiert ist:
T = R N für den ersten Quadranten, in dem M N < 0 und R N < 0 ist,
T = für den zweiten Quadraten, in dem M N < 0 und R N < 0 ist,
T = - M N für den dritten Quadranten, in dem M N < 0 und R N < 0 ist, und
T = - {Min (M N), |R N |)} für den vierten Quadranten, in dem M N < 0 und R N < 0 ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verarbeitungsschritt umfaßt:
Vergleichen des Strukturindex T jedes ausgewählten IB gegen einen ersten Schwellenwert; und
Entscheiden, ob jeder IB möglicherweise abnormal ist, wenn der jeweilige Strukturindex den ersten Schwellenwert in dem Vergleichsschritt überschreitet.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verarbeitungsschritt umfaßt:
Vergleichen des Strukturindex T für jene IBs, die als möglicherweise abnormal bezeichnet wurden gegenüber einem zweiten Schwellenwert; und
Feststellen der Existenz einer abnormalen IB-Struktur, wenn irgendein Strukturindex T den zweiten Schwellenwert übersteigt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verarbeitungsschritt umfaßt:
Entscheiden, ob jene IBs, die als potentiell abnormal ermittelt wurden, in einem vorgegebenen Abstand zueinander gehäuft sind; und
Feststellen der Existenz eines abnormalen IB-Musters, wenn gefunden wurde, daß sich die möglicherweise abnormalen IBs in dem vorgegebenen Abstand zueinander häufen.
9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verarbeitungsschritt umfaßt:
Zählen der Anzahl der möglicherweise abnormalen IBs; und
Ermitteln der Existenz eines abnormalen IB-Musters, wenn die Zahl der möglicherweise abnormalen IBs einen dritten vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verarbeitungsschritt umfaßt:
Feststellen, ob irgendwelche abnormalen IBs retikular, nodular, wabenförmig oder retikulo-nodular basierend auf dem jeweiligen Quadranten von (M N, RN)-Koordinaten und dem Ort innerhalb eines Quadranten der (M N, RN)-Koordinaten der IBs sind.
11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichent durch:
Anzeigen des aus dem digitalen Röntgenbild gebildeten Bildes;
Identifizieren jener IBs in dem angezeigten Bild, die einem abnormalen IB-Muster entsprechen.
12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch:
Anzeigen jeweiliger Abnormalitätssymbole, die bestimmte abnormale IBs von abnormalen IB-Mustern als retikular, nodular, wabenförmig oder retikulo-nodular auf dem angezeigten Bild an der Stelle des jeweiligen abnormalen IB in dem angezeigten Bild bezeichnen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch:
Verändern der Größe jedes abnormalen Symbols entsprechend der Größe des Strukturindex T des jeweiligen IB.
14. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch:
Ableiten einer Empfängerbetriebscharakteristik (ROC)-Kurve als Funktion des ersten Schwellenwertes in bezug auf die Veränderung eines wahren positiven Anteils gegenüer einem falschen positiven Anteil von IBs, die als abnormal bezeichnet werden; und
Anzeigen eines wahr-positiven Anteils und eines falsch-positiven Anteils zusätzlich zu dem Bild und zu dem Abnormalitätssymbolen.
15. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch: Interaktives Verändern des ersten Schwellenwerts und Anzeigen des Bildes, der Abnormalitätssymbole und des wahr-positiven und falsch-positiven Anteils, wie er für einen veränderten ersten Schwellenwert ermittelt wird.
16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, mit denen sämtliche Verfahrensmerkmale durchführbar sind.
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