Análisis de Calidad de Imagen en PET/CT

PET / CT Image Quality Analysis

Joisel Martínez Gómez^1*, Marlen Pérez Díaz¹, Yusely Ruiz González¹, Alexander Falcón Ruiz¹

¹Facultad de Ing. Eléctrica. Universidad Central “Marta Abreu”de las Villas. Carretera a Camajuaní km 5 ½. Santa Clara 54830. Villa Clara. Cuba.
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*Autor para la correspondencia: joiselmg@uclv.cu

RESUMEN

Se conoce que el tomógrafo híbrido PET/CT presenta altos niveles de sensibilidad y especificidad para detectar lesiones en etapas muy tempranas de diversas patologías, respecto a sus homólogas simples PET y CT. Para determinar los valores típicos para las condiciones cubanas se realiza un análisis tanto objetivo como subjetivo de calidad de imagen, así como cálculos de sensibilidad y especificidad con un equipo de radiólogos nacionales, cuya experiencia proviene básicamente de la radiología fílmica y de la CT simple, así como de la Medicina Nuclear, empleando fotones simples. Se comparan los resultados con los estándares internacionales, como punto de partida para mejorar el entrenamiento de estos profesionales, para sus futuros desempeños con la tecnología PET/CT. La técnica PET/CT presentó mejores valores en la Relación Señal a Ruido de Rose y Contraste Imagen con respecto a las técnicas simples PET y CT. La PET tuvo mejor relación Constraste a Ruido. Sin embargo, los resultados subjetivos no mostraron buena correlación con lo anterior, evidenciándose la necesidad de entrenar al personal.

Palabras clave: Calidad de imagen, SNRRose, CNRRose, Contraste imagen, Sensibilidad, Especificidad.

ABSTRACT

It is known that the hybrid PET / CT scanner has high levels of sensitivity and specificity to detect lesions in very early stages of various pathologies, with respect to its simple PET (Positron Emission Tomography) and CT (Computerized Tomography) homologs. In order to determine the typical values for the Cuban conditions, both objective and subjective image quality analysis are performed, as well as sensitivity and specificity calculations with a team of national radiologists whose experience comes basically from film radiology and simple CT, As well as Nuclear Medicine, using simple photons. Results are compared to international standards, as a starting point to improve the training of these professionals, for their future performances with PET / CT technology. The PET / CT technique presented better values of Rose Signal to Noise Ratio (SNR Rose) and Image Contrast (Cima) with respect to simple PET and CT techniques. The PET had better Contrast to Noise ratio (CNR). However, the subjective results did not show a good correlation with the previous one, evidencing the need to train the personnel.

Key words: Image Quality, SNR_Rose, CNR_Rose, Image Contrast, Sensitivity, Specificity.

INTRODUCCIÓN

Muchas imágenes médicas son evaluadas diariamente, en busca de detalles o hallazgos que indiquen o confirmen la presencia o no de una determinada patología. Esta labor es llevada a cabo por especialistas que interpretan y extraen la información contenida en las imágenes para un diagnóstico y establecer un proceder clínico con el paciente. La eficiencia del proceso de evaluación estará influenciada por la calidad de la imagen observada, es decir, por la utilidad de esta para realizar un diagnóstico a través de ella. Además, estará influenciada por características propias de las lesiones o estructuras en estudio; tamaños, localización y forma, y por factores subjetivos, dados por condiciones de iluminación, características de los medios en los que se presentan las imágenes e incluso la subjetividad del observador (Lau C., Cabral J.E. et al. 2000; Wong A. and Lou S.L. 2000).

Los equipos  de PET/CT que existen hoy día, están dotados de software muy completos y eficientes que permiten la realización de los dos estudios en un mismo tiempo, limitando el error por movimiento, realizando una verdadera fusión intrínseca de imágenes, minimizando el error humano y logrando una verdadera  integración de imágenes morfológicas y metabólicas adquiridas en diferentes tamaños de matrices (Suetens 2002).

Físicamente la calidad de imagen médica digital proveniente de cualquier técnica está determinada por 5 parámetros fundamentales: Presencia de Artefactos, Resolución espacial, Distorsión, Contraste imagen y Ruido (Sprawls P. 2003).

Los artefactos son elementos presentes en la imagen que no se corresponden con elementos en el objeto de estudio.  En la PET/CT las fuentes de artefactos más comunes son: los ocasionados por el movimiento voluntario o involuntario del paciente durante el estudio de CT y/o de PET (Tomografía por Emisión de Positrones) y CT (Tomografía Computarizada). Algunos de estos movimientos son el cardíaco y el respiratorio. Esto puede ocasionar la localización anómala de captaciones de FDG (Flúor-2-Deoxiglucosa) siendo una fuente potencial tanto de falsos positivos como falsos negativos, o una errónea localización de lesiones. Otros artefactos son los ocasionados por las diferencias en el ciclo respiratorio entre las imágenes recogidas en PET con respiración libre y las de CT en inspiración, los de truncado, ocasionados por utilizar un campo de visión (FOV) diferente para ambas exploraciones o utilizar un FOV demasiado pequeño en la CT. Y por último, los ocasionados por  la presencia de elementos de elevada densidad en el organismo (metal, yodo, bario) por la utilización de contrastes o material quirúrgico u ortopédico (Larese M.G. 2004). Los artefactos pueden ser interpretados erróneamente como rasgos válidos en las imágenes por el médico que las evalúa. Además, pueden impedir correctas detecciones y caracterizaciones de rasgos de interés asociado a patologías en las imágenes  (Boone J.M. 2002), lo cual puede generar diagnósticos con falsos positivos o falsos negativos.

La resolución espacial, por su parte, es la capacidad que tiene el equipo de imágenes de diferenciar objetos pequeños de densidad variable y cercanos entre sí espacialmente. Determinada por el grado de emborronamiento de la imagen y esto a su vez es dependiente del tamaño del píxel. A menor tamaño del píxel mayor resolución espacial, pues un mayor número de detalles podrán ser apreciados y un menor nivel de emborronamiento aparecerá en la imagen. También depende del grosor de los cortes, ya que mientras más fino es el corte se obtendrá una mayor resolución espacial. Además, se ve influenciado por los algoritmos de reconstrucción  (Boone J.M. 2002; González H.J. 2005).  En la PET/CT, la resolución espacial de la técnica híbrida permite que predomine la de la CT sobre la de la PET. Su valor actualmente, para los diversos modelos, está alrededor de 0.25-0.5 mm (Bushberg J., Seibert J.A. et al. 2002).

El contraste imagen se define como la diferencia relativa de intensidades de la imagen entre regiones con detalles adyacentes  (Shyn P.B., Tatli S. et al. 2011).  Para la PET/CT con FDG, el altísimo contraste de la PET, que resalta la región donde existe un intenso metabolismo de glucosa, hace un aporte fundamental sobre la CT, donde las densidades de tejidos o de patología sobre tejido sano pudiesen ser semejantes. Por tanto, el contraste de la PET/CT queda determinado por el contraste de la PET.

El ruido representa la variación de los valores de cada píxel sobre un mismo tejido por encima o por debajo del valor medio  (Shyn P.B., Tatli S. et al. 2011). La principal fuente de ruido en las imágenes tanto de PET como de CT tiene su origen en el hecho de que el número de fotones que intervienen en el proceso de formación de la imagen es finito y los que alcanzan ambos tipos de detectores siguen una estadística de Poisson (González H.J. 2005).  Las imágenes PET son más ruidosas que las de CT, ya que los tamaños de pixel son mucho mayores, en tanto las matrices de adquisición son menores. Esto hace que sean estas las que determinen el valor de ruido de la técnica híbrida.

La sensibilidad y especificidad de cada estudio médico están determinados por la respuesta no lineal del sistema visual del observador, su grado de experiencia y la información previa que tiene del caso a evaluar, así como por las propiedades físicas de la imagen a visualizar, determinadas por sus condiciones de adquisición y procesamiento, el contraste, luminancia, calibración y resolución espacial del monitor de visualización y el tamaño y contraste de los objetos a visualizar. (Shyn P.B., Tatli S. et al. 2011)

Nuestro país recientemente ha adquirido la moderna técnica del PET/CT. Tres equipos han sido instalados en la capital para brindar servicio al pueblo. Entrenar y capacitar adecuadamente al personal, en el uso de dicha técnica, es un importante aspecto a considerar, teniéndose en cuenta que la experiencia previa proviene de la radiografía convencional, la CT y la Medicina Nuclear planar y de SPECT.

En este sentido, el objetivo de este trabajo es: Analizar el desempeño de observadores radiólogos, ante la nueva técnica PET/CT, basada en valores de sensibilidad y especificidad para diversas patologías.

Como referente de la buena calidad de imagen mostrada en cada caso se tomaron los valores de medidas objetivas, de modo que las medidas sensibilidad y especificidad estuvieran básicamente determinadas por aspectos dependientes del observador.

MATERIALES Y MÉTODOS

Fundamentos

Para este estudio se emplearon 5 bases de datos anotadas que contienen 11 juegos de imágenes médicas de las tres técnicas a evaluar: PET, CT y PET/CT; contando con un total de 33 imágenes. Los conjuntos de todas las imágenes consisten en cortes axiales de diversas regiones anatómicas del cuerpo. Las matrices de las imágenes de CT y PET/CT presentan dimensión de 512x512 píxeles con una profundidad de 8 bits por píxel, lo cual garantiza una buena resolución espacial. En el caso de las imágenes de PET poseen dimensiones de: 128x128, 168x168, 336x 336 píxeles con 16 bits por píxel de profundidad. Todos los juegos de imágenes poseen un espacio en memoria en un rango de 64kB-1MB, en formato BMP, que conserva la mayor cantidad de información del DICOM original. Todas las imágenes eran RGB, empleándose pseudo-color en las de PET/CT y escala de grises para las PET y las CT. La figura 1 muestra un ejemplo de uno de los juegos de imágenes visualizados.

Experimento perceptual

Todas las observaciones se realizaron utilizando el mismo monitor: de 14 pulgadas, pantalla LCD, LG Philips LP140WH4-TLA1, con un tamaño de visión máximo de 31 cm x17 cm y una resolución máxima de 1366x768 píxeles, con 50 cm de distancia entre el observador y el monitor. El local empleado para el experimento perceptual poseía 4 lámparas de 500 lumen/m2. El tiempo de observación fue ilimitado. Las condiciones antes descritas fueron siempre las mismas para todos los observadores. La evaluación de las imágenes estuvo dada por una escala (MOS binaria), 0 para la ausencia de patologías y 1 para la detección de estas en cada imagen.

La variabilidad en las respuestas intra e inter observadores fue evaluada por el método de Bland y Altman (Bland J.M. 1986)

Medición de calidad de imagen

Medición objetiva

Para la medición objetiva se emplearon las Relaciones señal-ruido de Rose, la Relación contraste-ruido y el Contraste imagen, empleando las expresiones de cálculo siguientes:
Relación señal-ruido del Modelo de Rose

El contraste definido por Rose se expresa matemáticamente como:

donde: ]]> q_f valor medio de fotones por unidad de área del fondo.
q_o valor medio de fotones por unidad de área del objeto.

Rose además definió “señal” como un incremento del cambio en el número  de fotones de la imagen, causado por la integración de un objeto sobre el área de ese objeto (McLaughlin M.P. 2001). Matemáticamente se expresa:

donde:
A es el área del objeto.

El ruido en la señal de Rose es la desviación estándar del número de fotones en un área igual a un fondo uniforme, σ_Rose. Dado que es un caso especial de fotones de fondo no correlacionados, el ruido descrito es derivado de la distribución estadística de  Poisson  (Cunningham I.A.  and Saw R. 1999; Beutel J. 2000; McLaughlin M.P. 2001).

La expresión de cálculo para este caso es:

Por tanto, la relación señal a ruido de Rose se expresó como:

Relación Contraste a Ruido (CNR)
La expresión para esta magnitud se definió como:

donde son el valor medio de las intensidades de píxel en la región de fondo y el valor medio de las intensidades de píxel en una región de interés (ROI) y    la desviación típica en la ROI del fondo.

Contraste imagen (Cima)

El contraste imagen utilizado para este experimento es el definido por el modelo de Rose, utilizando la ecuación número 3 multiplicado por 100.

Para el cálculo de todas las medidas anteriores se emplearon, ventanas de 8x8 píxeles para las imágenes de CT y PET/CT, mientras que para las imágenes de la PET se utilizaron   de 3x3 píxeles, debido a la menor resolución espacial que presentan estas y sus tamaños consecuentemente menores. Se definieron dos tipos de regiones: de fondo y de lesión o patología.

Se implementó, además, un observador matemático empleando el método de detección de anomalías basado en histogramas, incluido en el MATLAB 2010b, el cual evaluó las imágenes PET/CT, en cuanto a

Sensibilidad y Especificidad, para ser comparadas con los valores obtenidos con los observadores reales.

La sensibilidad se define como la probabilidad, del observador, de detectar correctamente el evento positivo, imagen anormal o lesión presente (Shyn P.B., Tatli S. et al. 2011). La especificidad se define como la probabilidad de detectar los eventos negativos (imagen normal o ausencia de lesión) (Shyn P.B., Tatli S. et al. 2011).

En función de que el observador detecte o no si la imagen es patológica y, de ser posible, la localización de la zona de la lesión, la observación se clasifica en:

VP (Verdadero Positivo): se detecta la lesión correctamente.
FP (Falso Positivo): no hay presencia de lesión y el observador detecta una anomalía.
VN (Verdadero Negativo): en una imagen no patológica el observador no detecta lesión.
FN (Falso Negativo): el observador no detecta lesión alguna en una imagen que es patológica.

Basado en lo anterior, matemáticamente se puede calcular la sensibilidad y la especificidad a partir de las siguientes expresiones (Hanley J.A. and McNeil B.J. 1982):

Medidas objetivas

La figura 2 muestra los valores de los indicadores objetivos para cada técnica a) SNR, b) CNR y c) Cima. Las imágenes PET tuvieron una SNRRose de 13,47 ± 2,93, una CNR de 13,60 ± 5,97 y una Cima 29,55 ± 6,71. Las imágenes CT tuvieron una SNR_Rose de 22,82 ± 12,01, una CNR de 5,64 ± 2,84 y una Cima 26,58 ± 12,46. Las imágenes de PET/CT tuvieron una SNR_Rose de 39,65 ± 17,47, una CNR de 9,29 ± 8,16 y una Cima 54,95 ± 31,42.

Con estos resultados se hace evidente que las imágenes de PET/CT superan a las demás en relación señal-ruido de Rose y CNR, obteniendo los valores más altos. Además, el empleo de pseudo-color en las imágenes PET/CT genera mayor diferencia entre las intensidades de los píxeles y por tanto valores más elevados del Cima. En todos los casos las medidas de calidad de imagen corroboran que los observadores apreciaron imágenes con suficiente calidad para el diagnóstico.

Experimento perceptual

Sensibilidad y Especificidad

Los valores de Sensibilidad se aprecian en la Tabla 1 para todos los observadores

La sensibilidad obtenida en cada técnica a partir de las observaciones con los radiólogos resultó más alta para el caso de las imágenes de PET, aunque las PET/CT tuvieron valores cercanos. Los indicadores internacionales, sin embargo muestran que la PET/CT muestra siempre los mejores resultados con un promedio del 91% de sensibilidad (se incluye todo tipo de región anatómica y patología en este promedio)  (Schrenvens L., Lorent N. et al. 2004; Schoder H. and Gonen M. 2007; Delbeke D. 2009; O'Connor O.J., McDermott S. et al. 2011; Wang H.Y., Ding H.J. et al. 2012; Wafaie A., Kotb M. et al. 2014) . Esto sugiere que el conjunto de observadores que realizaron el experimento perceptual, requieren capacitación y entrenamiento para asumir este tipo de imagen en particular.

Los valores de Especificidad se aprecian en la Tabla 2 para todos los observadores

La especificidad también se aleja de los estándares internacionales  (Schrenvens L., Lorent N. et al. 2004; Schoder H. and Gonen M. 2007; Delbeke D. 2009; O'Connor O.J., McDermott S. et al. 2011; Wang H.Y., Ding H.J. et al. 2012; Wafaie A., Kotb M. et al. 2014) .  En nuestro experimento la PET resultó nuevamente la mejor de las técnicas en cuanto a especificidad. Los valores internacionales  para PET/CT presentan un valor medio del 86%  (se incluye todo tipo de región anatómica y patología en este promedio)  (Schrenvens L., Lorent N. et al. 2004; Schoder H. and Gonen M. 2007; Delbeke D. 2009; O'Connor O.J., McDermott S. et al. 2011; Wang H.Y., Ding H.J. et al. 2012; Wafaie A., Kotb M. et al. 2014) , por lo cual podemos decir que el grado de experiencia de los observadores incluidos en el experimento difiere de los estándares internacionales.

La variabilidad inter e intra observador se comportó como aparece en la Tabla 3

A partir de lo anterior podemos afirmar que todos los observadores incluidos en el experimento poseen semejante grado de pericia al evaluar los 3 tipos de imágenes.

Con el observador matemático se obtuvo un 85,71% de sensibilidad y un 100% de especificidad para la PET/CT, superior a la lograda por el promedio de los observadores reales (sensibilidad 79.64 %) y (especificidad 60 %).

CONCLUSIONES

La técnica PET/CT presentó mejores valores de SNRRose y Cima con respecto a las técnicas simples PET y CT. La PET tuvo, en cambio, una mejor relación CNR. Estas medidas caracterizaron adecuadamente la calidad de imagen presente en el experimento con las tres técnicas.

En el experimento perceptual, la PET obtuvo la mayor Sensibilidad y Especificidad. La PET/CT tuvo mayor Sensibilidad que la CT e igual Especificidad. Con la técnica PET/CT se obtuvo una sensibilidad del 79.64 % y una especificidad del 60 %, valores ambos por debajo de los estándares internacionales promedio para la técnica híbrida, lo que sugiere la necesaria capacitación del personal en el uso de la misma.

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Recibido: 03/09/2016
Aceptado: 15/12/2016