介紹和概述
對於人類觀察者來說，人體的內部結構和功能通常不可見。然而，通過各種技術，可以創建圖像，醫學專業人員可以通過該圖像觀察身體以診斷異常狀況並指導治療程序。醫學圖像是身體的窗口。沒有圖像窗口顯示一切。不同的醫學成像方法揭示了人體的不同特徵。對於每種方法，圖像質量和結構可見性的範圍可以是相當大的，這取決於成像設備的特性，操作者的技能以及諸如患者輻射暴露和成像時間等因素的折衷。
下圖是醫學成像過程的概述。五個主要組成部分是患者，成像系統，系統操作員，圖像本身和觀察者。目的是使觀察者可以看到患者體內的物體或狀況。特定解剖特徵的可見性取決於成像系統的特性及其操作方式。大多數醫學成像系統具有必須由操作者選擇的相當多的變量。它們可以是可變系統組件，例如放射線照相中的增強屏幕，超聲波檢查中的換能器或磁共振成像（MRI）中的線圈。但是，大多數變量是與成像過程相關的可調節物理量，例如 千伏電壓射線照相術，超聲檢查增益和MRI中的回聲時間（TE）。選擇的值將決定圖像的質量和特定身體特徵的可見性。
與醫學成像過程相關的組件
觀察者檢測病理過程跡象的能力取決於三個主要因素的組合：（1）圖像質量，（2）觀察條件，和（3）觀察者表現特徵。
畫面質量
醫學圖像的質量由成像方法，設備的特徵和操作者選擇的成像變量確定。圖像質量不是單一因素，而是至少五個因素的組合：對比度，模糊，噪聲，僞像和失真，如上所示。圖像質量因子與成像系統變量之間的關係將在後面的章節中詳細討論。
人體包含許多結構和物體，它們通過大多數成像方法同時成像。我們經常考慮與其直接背景相關的單個對象。實際上，對於大多數成像過程，對象的可見性由該關係而不是整個圖像的整體特徵確定。
請看下圖。每個成像系統的任務是將特定組織特徵轉換成灰度或顏色的圖像陰影。如果對比度足夠，則對象將可見。圖像中的對比度取決於物體和成像系統的特性。
醫學成像是將組織特徵轉換爲視覺圖像的過程
圖像對比度
對比意味着差異。在圖像中，對比度可以是不同灰度，光強度或顏色的形式。對比度是圖像最基本的特徵。只有當物體相對於周圍組織具有足夠的物理對比度時，才能在圖像中看到物體內的物體。然而，遠遠超出良好物體可見度所需的圖像對比度通常沒有用處，並且在許多情況下是不希望的。
物體的物理對比度必須表示一個或多個組織特徵的差異。例如，在射線照相術中，如果密度或原子序數存在足夠的差異並且物體足夠厚，則可以相對於其周圍組織對物體成像。
將值指定給對比度時，它指的是圖像中兩個特定點或區域之間的差異。在大多數情況下，我們感興趣的是圖像中特定結構或對象與其周圍區域或其背景之間的對比
對比敏感度
物體在圖像中可見所需的物理對象的對比度取決於成像方法和成像系統的特性。建立圖像對比度和物體對比度之間關係的成像系統的主要特徵是其對比敏感度。考慮下面顯示的情況。圓形物體尺寸相同，但填充有不同濃度的碘造影劑。也就是說，它們具有不同水平的物體對比度。當成像系統具有相對低的對比敏感度時，在圖像中僅可見具有高濃度碘（即，高對象對比度）的物體。如果成像系統具有高對比度靈敏度，則低對比度對象也將是可見的。
增加對比度靈敏度可提高圖像對比度和身體中物體的可見度
我們強調對比敏感度是成像方法和特定成像系統的變量的特徵。這是與系統將物理對象對比度轉換爲圖像對比度的能力相關的特徵。可以從兩個角度考慮成像系統的對比度傳遞特性。從對象可見性的足夠圖像對比度的角度來看，系統對比度靈敏度的增加導致較低對比度的對象變得可見。然而，如果我們考慮具有固定物理對比度的物體（即，對比介質的固定濃度），則增加對比度靈敏度將增加圖像對比度。
難以比較各種成像方法的對比敏感度，因爲許多成像方法基於不同的組織特徵。但是，某些方法確實具有比其他方法更高的對比敏感度 例如，計算機斷層掃描（CT）通常具有比傳統射線照相術更高的對比敏感度。這可以通過CT對無法用放射線照相成像的軟組織對象（腫塊）進行成像的能力來證明。在後面的章節中將考慮確定每種成像方法的對比敏感度的具體因素。
考慮下面的圖片。這是一系列具有不同物理對比度的物體。它們可以是裝有不同濃度造影劑的容器。最高濃度（和對比度）位於底部。現在想象一下從頂部向下的簾子並覆蓋一些物體，使它們不再可見。對比度靈敏度是成像系統的特徵，可以提升和降低幕布。增加靈敏度可以提升窗簾，讓我們可以看到更多的物體。具有低對比度靈敏度的系統允許我們僅可視化具有相對高的固有物理對比度的物體。
對比敏感度對物體可見度的影響
模糊和細節的可見性
身體中的結構和物體不僅在物理對比度上而且在尺寸上也不同。物體的範圍從大器官和骨骼到小結構特徵，如小樑圖案和小鈣化。正是小的解剖學特徵爲醫學圖像增添了細節。每種成像方法都限制了可以成像的最小物體，從而限制了細節的可見性。細節的可見性是有限的，因爲所有成像方法都會在過程中引入模糊。圖像模糊的主要影響是降低小物體或細節的對比度和可見度。
考慮下面的圖像，它根據物理對比度和大小來表示身體中的各種物體。正如我們所說，可見和不可見物體之間的邊界由成像系統的對比靈敏度決定。我們現在擴展我們的幕布的想法，包括模糊的效果。它對大型物體的可見性幾乎沒有影響，但它會降低小物體的對比度和可見度。當存在模糊時，它始終存在，我們的隱形窗簾涵蓋了小物體和圖像細節。在後面的章節中將更深入地討論模糊和細節的可見性。
模糊對圖像細節可見性的影響
可以以長度爲單位量化圖像中的模糊量。該值表示小物體的模糊圖像的寬度。下圖比較了醫學成像方法的近似模糊值。作爲一般規則，可以成像的最小物體或細節具有與圖像模糊的尺寸大致相同的尺寸
各種成像方法獲得的模糊值範圍和細節可見度
噪聲
所有醫學圖像的另一個特徵是圖像噪聲。圖像噪聲（有時稱爲圖像斑點）使圖像具有紋理或顆粒狀外觀。圖像噪聲的來源和數量取決於成像方法，將在後面的章節中詳細討論。我們現在簡要地考慮圖像噪聲對可見性的影響。
在下圖中，我們發現我們熟悉的身體對象陣列根據物理對比度和大小排列。我們現在添加第三個因子，噪聲，它將影響可見和不可見對象之間的邊界。增加圖像噪聲的一般效果是降低幕簾並降低物體可見度。在大多數醫學成像情況下，噪聲的影響對已經接近可見度閾值的低對比度物體最爲顯着。
噪聲對物體可見度的影響
我們已經看到成像方法的幾個特徵（對比敏感度，模糊和噪聲）導致某些身體對象不可見。另一個問題是大多數成像方法可以創建不代表身體結構或對象的圖像特徵。這些是圖像工件。在許多情況下，工件不會顯着影響對象可見性和診斷準確性。但是，人工製品可能會遮擋圖像的某個部分，或者可能會被解釋爲解剖特徵。與每種成像方法相關的各種因素可能導致圖像僞影。
醫學圖像不僅應該使體內物體可見，而且應該給出它們的大小，形狀和相對位置的準確印象。然而，成像過程可能引入這三個因素的失真。
提出一個問題是合乎邏輯的，即爲什麼我們不調整每個成像程序以產生最大可見度。原因在於，在許多情況下，影響圖像質量的變量也會影響諸如患者的輻射暴露和成像時間等因素。通常，應設置成像程序以產生足夠的圖像質量和可視性，而不會過度暴露患者或成像時間。
在許多情況下，如果改變變量以改善圖像質量的一個特徵，例如噪聲，則它經常不利地影響另一個特徵，例如模糊和細節的可見性。因此，必須根據臨牀檢查的具體要求選擇成像程序。
組織特徵和圖像視圖
兩個因素的組合使每種成像方法都是獨特的。這些是在圖像和觀察視角中可見的組織特徵。產生各種灰度和圖像對比度的特定組織特徵在各種模態和方法之間變化。
放射科醫生使用圖像來搜索身體中的病理狀況或損傷的跡象。只有當病情在相關組織中產生物理變化時才能觀察到體徵。許多病理狀況產生物理特徵的變化，可以通過一種方法而不是另一種方法成像。
成像方法通過投影或斷層成像創建從兩個視角之一顯示身體的圖像。每個都有優點和缺點。
在投影成像（射線照相和熒光透視）中，通過將X射線束投射穿過患者的身體並將陰影投射到適當的接收器上來形成圖像，該接收器將不可見的X射線圖像轉換成可見光圖像。伽馬相機記錄投影圖像，該投影圖像表示體內放射性物質的分佈。這種類型圖像的主要優點是可以用一張圖像查看大量患者的身體。缺點是結構和物體經常疊加，使得一個人的圖像可能干擾另一個人的可見性。投影成像產生空間失真，這在大多數臨牀應用中通常不是主要問題。
斷層成像，即常規斷層掃描，計算機斷層掃描（CT），超聲波檢查，單光子發射斷層掃描（SPECT），正電子發射斷層掃描（PET）和MRI，產生患者體內所選平面或組織切片的圖像。斷層圖像的一般優點是增加了成像平面內物體的可見度。造成這種情況的一個因素是沒有上覆物體。主要缺點是隻能用一張圖像可視化患者身體的一小部分。因此，大多數斷層攝影程序通常需要許多圖像來調查整個器官系統或體腔。
圖像查看條件
我們在圖像中查看特定對象或特徵的能力取決於我們查看圖像的條件。除了醫學圖像的專業解釋之外，我們還必須處理許多活動中觀看條件的影響。昏暗的燭光增強了精緻晚餐的樂趣，但往往使菜單難以閱讀。迎面而來的汽車前照燈的眩光降低了我們在路上看到物體的能力，同時也產生了不適和壓力。我們很快就會發現電視機，報紙等的觀看距離最佳。落在餐桌光滑表面上的小物體比落在紋理地毯或沙灘上的物體更容易看到。考慮到這些經驗，
下圖顯示了影響我們查看或檢測圖像中對象的能力的主要因素。我們將假設一個位於較大背景區域內的圓形對象。觀察者檢測物體的能力取決於多種因素的組合，包括物體對比度和大小，背景，亮度（亮度）和結構（紋理），其他光源產生的眩光，圖像與觀察者之間的距離，以及可用於搜索對象的時間。
查看影響對象可見性的條件因素
下圖是我們用來演示圖像質量因子影響的物體陣列的圖像。我們現在用它來演示與查看過程相關的因素如何影響我們查看對象的能力。您可以使用此實際圖像來測試下面討論的因素。
觀察條件對物體可見度的影響
對象對比
查看或檢測對象的能力很大程度上受到對象與其背景之間對比度的影響。對於大多數觀察任務，沒有特定的閾值對比度，對象突然變得可見。相反，觀察或檢測特定對象的準確性隨着對比度而增加。
人類觀察者的對比敏感度隨觀看條件而變化。當觀察者對比度靈敏度較低時，物體必須具有相對較高的對比度才能被看見。所需的對比度取決於改變觀察者對比敏感度的條件：背景亮度，物體尺寸，觀察距離，眩光和背景結構。
背景亮度
人眼可以在很大範圍的光照水平或亮度下工作，但視覺在所有亮度水平上都不是同樣敏感的。檢測物體的能力通常隨着背景亮度或圖像照明的增加而增加。爲了在低亮度區域中檢測，物體必須很大並且相對於其背景具有相對高的對比度。這可以通過上圖中的圖像來證明。使用不同級別的照明查看此圖像。您會注意到在低照度下您無法看到所有小對比度和低對比度的物體。可見性需要更高水平的物體對比度。
視圖框亮度（亮度）會對圖像中對象的可見性產生重大影響。對於一般圖像查看，視圖框應具有至少1,500尼特的亮度。乳房X光檢查建議使用至少3,500尼特的更亮視野。單位面是亮度單位，將在後面的章節中詳細介紹。
對象大小
可檢測性所需的對比度與背景亮度之間的關係受到物體尺寸的影響。小物體需要檢測更高水平的對比度或增加背景亮度。
物體的可檢測性與其在視野中形成的角度更密切相關。角度是物體直徑與圖像和觀察者之間距離的比率。原則上，小物體在近距離處具有與在較遠距離處觀察的較大物體相同的可探測性。
查看距離
能見度和觀看距離之間的關係受到幾個因素的影響。當觀看距離減小時，物體產生更大的角度並且通常更容易看到。然而，眼睛沒有聚焦並且在近距離處表現出最大的對比敏感度。因此，可探測性和觀察距離之間的關係通常在大約2英尺的距離處達到峯值。
強光
眩光由視野中的明亮區域或光源產生，並且具有若干不期望的效果。一個效果是降低所觀察對象的感知對比度。當來自眩光產生源的光進入眼睛時，其中一些光散射在視野內的其他區域。這反過來降低了對比敏感度。它減少的程度取決於眩光源的亮度和大小以及它與所觀察物體的接近程度。
當一些明亮的觀景區沒有被電影覆蓋時，眩光是一個主要問題。通過在乳房X線照相術中觀看小膠片時的遮蔽來提高可視性。
背景結構
對象背景的結構或紋理對其可見性有顯着影響。平滑的背景可產生最大的可見度 由於周圍組織的紋理或圖像噪聲，低對比度物體的可見度通常會降低。
觀察者表現
在許多情況下，特定物體或標誌的存在並不明顯，但需要由訓練有素的觀察者建立。用於確定特定標誌存在的標準通常因觀察者而異。個體觀察者也使用不同的標準，通常受特定觀察的臨牀意義的影響。
敏感性和特異性
讓我們假設我們有相對大量的病例需要通過醫學成像程序進行檢查，並且某些特定病理狀況存在於其他病例中而在其他病例中不存在。理想的情況是，如果病情在出現時被診斷爲陽性而在缺席時被診斷爲陰性。在實際操作中，通常無法實現。更爲現實的情況如下圖所示。在這裏，我們看到一小部分病理狀況被診斷爲陽性。該分數（或百分比）表示特定診斷程序的靈敏度。我們還發現，當缺席時，病情並不總是被診斷爲陰性。診斷爲陰性的這些病例的百分比代表該程序的特異性。
敏感性和特異性
真假決定
從成像過程得出的診斷將病例分爲四類，如下圖所示：真陽性，真陰性，假陽性和假陰性。在理想情況下，只有真正的積極因素和真正的消極因素。這將是一個具有100％準確性的診斷過程。
真假診斷決策與敏感性和特異性的關係
出於多種原因出現假陰性和假陽性，包括特定成像方法的固有限制，不適當的成像因素的選擇，觀察條件差以及觀察者（放射科醫師）的表現。
ROC曲線
一般而言，如果觀察者積極嘗試增加真陽性（敏感性）的數量，則假陰性的數量（特異性降低）也會增加。特定診斷測試（包括觀察者表現）的靈敏度和特異性之間的關係可以通過稱爲接收器操作特徵（ROC）曲線的圖表（如下圖所示）來描述。
理想診斷程序的ROC曲線與不產生有用信息的ROC曲線的比較
如圖所示，理想的診斷測試產生100％的靈敏度和100％的特異性。如果診斷程序沒有預測值，並且通過隨機選擇過程獲得診斷，則靈敏度和特異性之間的關係是線性的，如圖所示。觀察者確定沿該線的實際操作點。由於這種特定的診斷程序沒有提供有用的信息，因此通過調用更多的陽性來增加靈敏度的嘗試將產生特異性的成比例降低。
大多數醫學成像程序的靈敏度和特異性之間的關係在理想值和無預測值之間。下面顯示的ROC曲線是典型的。成像方法的特徵和所得圖像的質量決定了曲線的形狀以及特定病理狀況的靈敏度和特異性之間的關係。觀察者用於進行診斷的標準確定曲線上產生實際靈敏度和特異性值的點。
特定成像程序的ROC曲線。實際工作點由觀察者的特徵決定。
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