3D-Druck von realistischen Halsphantomen mit Niedrigkontrastläsionen zur Evaluation von diagnostischer Bildqualität in der Computertomographie

Abstract

Hintergrund: Aufgabenbasierte Methoden bewerten Bildqualität in der Computertomographie (CT), indem klinische Befundungsszenarien simuliert werden. Ein häufiges Vorgehen besteht in der Durchführung von Detektierbarkeitsexperimenten zur Evaluation von Niedrigkontrastläsionen. Für einen realitätsnahen Versuchsaufbau werden hierbei anatomisch realistische Phantome benötigt, die Patienten nachahmen. Zielsetzung: Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Evaluation realistischer Halsphantome mit Niedrigkontrastläsionen zur aufgabenbasierten Bewertung von CT-Bildqualität.

Material und Methodik: Mit einem strahlendichten 3D-Druckverfahren wurden auf Basis eines modifizierten CT-Bildes fünf Phantome hergestellt. Vier Phantome enthielten jeweils eine Läsion mit 1 cm Durchmesser und 10, 20, 30 oder 40 Hounsfield Einheiten (HE) Kontrast. Ein Phantom enthielt keine Läsion. Die Phantome wurden mit verschiedenen Parametern in der CT untersucht. Auf Grundlage der resultierenden Datensätze erfolgte eine Auswertung der gemessenen Läsionskontraste. Die Datensätze wurden anschließend zur Bewertung der Läsionsdetektierbarkeit durch Radiologen verwendet. Es wurde ein experimenteller Aufbau mit zwei Entscheidungsalternativen gewählt, wobei jeweils zwei Bilder präsentiert wurden, wovon nur eines eine Läsion enthielt und von den Teilnehmenden zu identifizieren war. Hierbei wurden Detektionsgenauigkeit und subjektive Sicherheit bei der Entscheidungsfindung (1 = unsicher, 5 = sicher) in Abhängigkeit vom Läsionskontrast beurteilt.

Ergebnisse: Größe, Form und Anatomie der Phantome entsprachen dem als Vorlage verwendeten CT-Bild. Die gemessenen Läsionskontraste zeigten eine gute Übereinstimmung mit den Zielwerten (9,7 ± 1,2, 18,2 ± 2, 30,2 ± 2,7 und 37,7 ± 3,1 HE für die Läsionen mit 10, 20, 30 und 40 HE Zielkontrast). Die teilnehmenden Radiologen waren unzuverlässig und unsicher in der Detektion von Läsionen mit ≤ 20 HE Kontrast. Die Detektionsgenauigkeit und Sicherheit in der Entscheidungsfindung zeigten keinen wesentlichen Unterschied für 10 und 20 HE Läsionskontrast (Detektionsgenauigkeit 82,1 ± 6,3 % und 83,9 ± 9,4 %, p = 0,863 und subjektive Sicherheit 1,71 ± 0,41 und 1,84 ± 0,5, p = 0,159). Ein signifikanter Anstieg für beide Parameter war zwischen 20 und 30 HE Läsionskontrast zu beobachten (Detektionsgenauigkeit 83,8 ± 9,4 % und 95,0 ± 5,7 %, p = 0,007 und subjektive Sicherheit 1,84 ± 0,5 und 2,59 ± 0,7, p = 0,001).

Schlussfolgerung: Realistische Halsphantome mit Niedrigkontrastläsionen wurden mittels 3D-Druck hergestellt und für Detektierbarkeitsexperimente genutzt. Die Ergebnisse legten nahe, dass Phantome mit einem Läsionskontrast von 20 bis 30 HE zur Beurteilung von CT-Bildqualität verwendet werden sollten. Die Arbeit schaffte neue Grundlagen zur Untersuchung von CT-Bildqualität in einem realistischen Umfeld, woraus sich verschiedene Anwendungen beispielsweise zur Protokolloptimierung oder Evaluation von Rekonstruktionsverfahren ergeben.

Background: Task-based methods evaluate CT image quality by imitating clinical diagnostical scenarios. A frequent approach consists in evaluating the detectability of low-contrast lesions. For a more realistic experimental setup, anatomically realistic phantoms that mimic patients are of interest. Purpose: This work aimed to develop and evaluate realistic neck phantoms with low-contrast lesions for task-based assessment of CT image quality.

Materials and methods: Five phantoms were developed using radiopaque 3D printing based on a modified CT-image. Four phantoms each contained one lesion of 1 cm diameter and 10, 20, 30 or 40 Hounsfield units (HU) contrast respectively. One phantom did not contain any lesion. The phantoms were examined in the CT scanner with different scan parameters. Lesion contrasts were analyzed through HU measurements. The datasets were then used to assess the lesion detectability in an experiment with seven radiologists. A 2-alternative forced choice experiment was used, where two images (one with and one without a lesion) were presented and readers were asked to identify the lesion image. Detection accuracy and reader confidence (1 = unconfident, 5 = confident) were evaluated with regard to the lesion contrast.

Results: The phantoms’ size, shape and anatomy nicely reproduced the features of the CT image that was used as template. Measured lesion contrasts showed good correlation with the target values (9.7 ± 1.2, 18.2 ± 2, 30.2 ± 2.7, and 37.7 ± 3.1 HU for the lesions with 10, 20, 30, and 40 HU target contrast, respectively). The participating radiologists were unreliable and unconfident in detecting lesions of ≤ 20 HU contrast. Detection accuracy and reader confidence showed no significant difference for 10 and 20 HU lesion contrast (detection accuracy 82.1 ± 6.3 % and 83.9 ± 9.4 %, p = 0.863 and reader confidence 1.71 ± 0.41 and 1.84 ± 0.5, p = 0.159). There was a significant increase of both parameters between 20 und 30 HU lesion contrast (detection accuracy 83.8 ± 9.4 % and 95 ± 5.7 %, p = 0.007 and reader confidence 1.84 ± 0.5 and 2.59 ± 0.67, p = 0.001).