Digital and Computed Musculoskeletal Radiography. A study on spatial resolution, diagnostic accuracy, image quality and radiation dose.

Abstract

The aims of the study were to investigate the applications of digital radiography to musculoskeletal radiology.



In the first part of the research, the diagnostic accuracy of digital images as compared to film-screen radiographs was studied and the spatial resolution requirements evaluated. Using computed radiography (CR), the pathological changes included were erosions, soft tissue swelling, periarticular osteopenia, joint space narrowing, subperiosteal resorption and intracortical resorption, and, using digitized radiographs, fractures of the scaphoid bone. The CR images were displayed as hardcopies and on interactive workstations, the digital scaphoid images solely on a workstation. There was no significant difference in the diagnostic accuracy between CR images and film-screen radiographs for all parameters, except for periarticular osteopenia where the radiographs were significantly better than CR hardcopies but equal to CR monitor images. A CR system with imaging plates of 3.33 lp/mm resolution was adequate for the diagnosis of erosions, soft tissue swelling and joint space narrowing, but for periarticular osteopenia 5 lp/mm may be needed when using hardcopies. For subperiosteal and intracortical resorption, 2x magnification CR radiography with 5 lp/mm imaging plates was sufficient. The performance in detecting subtle scaphoid fractures improved with increasing spatial resolution. Radiographs digitized with 340 µm were inferior to the original images. A pixel size of 170 µm was statistically adequate for the diagnosis of subtle scaphoid fractures but 100 - 110 µm are recommended.



In the second part of the study, CR image quality in relation to radiation dose reduction was assessed. For hand images, the exposure could be lowered to 25% of the film-screen exposure and still provide adequate image quality. For hip images, the dose could be lowered to 50%. At lower exposure levels there was a progressive deterioration in CR image quality. Images with contrast enhancement were more vulnerable to dose reduction. Contrast enhancement had, however, a distinct advantage in the evaluation of soft tissues. CR offered a simple means to achieve very low radiation doses where dose reduction is imperative and a low spatial resolution is acceptable, such as in scoliosis follow-up.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Digital (datorbaserad) teknik för bildframställning är idag regel för samtliga moderna modaliteter i diagnostisk radiologi, såsom ultraljud, datortomografi, magnetisk resonanstomografi, scintigrafi, och digital subtraktionsangiografi. Digital bildteknik medför fördelar vid bildbearbetning, demonstration, bildkommunikation, samt arkivering.



Majoriteten av undersökningarna vid en avdelning för diagnostisk radiologi utföres emellertid inte med dessa metoder, utan utgöres istället av den traditionella röntgenundersökningen, där hittills analoga bilder erhållits - den klassiska röntgenfilmen. Emellertid finns sedan några år metoder som ger digitala bilder även vid traditionell röntgenundersökning.



En sådan metod är laserbaserad digitizer, där en traditionell, analog röntgenbild överföres till digitalt format. Denna metod användes huvudsakligen för teleradiologi, men en begränsande faktor har varit den tämligen låga spatiala upplösningen.



En annan digital metod är bildplattetekniken (computed radiography, CR). CR är mer avancerad som digital teknik, i det att röntgenfilmen inte längre används som mottagare av bildinformationen, utan istället en bildplatta. Bildplattan innehåller latent bildinformation efter exponeringen och när en särskild laserläsare lyser på plattan bildas luminescens i förhållande till bestrålningen som fallit på varje punkt (bildelement, pixel) på plattan vid bildtagningen. Ljuset detekteras av fotomultiplikatorer och denna information överföres sedan till digitalt format. Den digitala bilden kan tryckas på film eller granskas vid en arbetsstation med monitorer.



Denna digitala metod har under de senaste åren fått stor spridning. Vad gäller skelettradiologi är emellertid fortfarande såväl den diagnostiska säkerheten, samt de stråldoser som bör användas ofullständigt utredd. Det har ifrågasatts om metoden ännu är adekvat för rutinbruk inom skelettradiologin, eftersom röntgenundersökningar av ben, leder och mjukdelar kräver hög upplösning. I den nu föreliggande undersökningen studerades därför den diagnostiska säkerheten av CR, och den minimala spatiala upplösningen av digitala bilder inom muskuloskeletal radiologi. Dessutom studerades effekten av stråldosminskning på bildkvaliteten inom muskuloskeletal CR.



Ingen signifikant skillnad i diagnostisk säkerhet existerade mellan CR filmer och CR arbetsstationer jämfört med vanliga filmer för usurer, ledspaltssänkningar och mjukdelssvullnader undersökta med 3.33 och 5 linjepar/mm samt subperiosteal och intracortical resorption undersökta med 5 lp/mm och 2x förstoring. CR filmen med 3.33 lp/mm var signifikant sämre jämfört med vanlig film för bedömning av periartikulär osteopeni, men arbetsstationen var lika god som den vanliga filmen. Resultaten för 5 lp/mm var dock ej konklusiva. Inskannade röntgenbilder på arbetsstation användes för bedömning av båtbensfrakturer. Pixelstorlek 340 µm resulterade i signifikant försämring i diagnostik jämfört med vanliga bilder. 170 µm räckte statistiskt sett men minskad pixelstorlek gav bättre resultat. Med hänsyn till detta samt andra studier rekommenderas dock 110 µm. Kompressionsteknik är nödvändig för att begränsa datamängden, både för arkivering och teleradiologi. Effekten av 10x ej reversibel "wavelet" kompression och dekompression på båtbensbilder inskannade med 170 µm pixelstorlek studerades, jämfört med originalbilderna. Ingen signifikant skillnad fanns.



Stråldosen kunde reduceras till 25% av normal dos för CR handbilder och till 50% för CR höftbilder utan signifikant försämring i bildkvalitet. Lägre doser medförde försämrad kvalitet, vid mycket låga doser var bildbruset kraftigt. Vid skoliosundersökningar, där bildkvaliteten är ej kritisk, kunde dock dosen med CR hållas mycket låg samtidigt som bilderna var tillräcklig bra för skoliosmätning.

• author: Jónsson, Ásbjörn
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Standertskjöld-Nordenstam, Carl-Gustav, Helsinki University Hospital, Helsinki, Finland.
• publishing date: 1996
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Radiology, Nuclear Medicine and Medical Imaging
• keywords: Clinical physics, Radiation Dosage., Hip, Hand, Fractures, Scoliosis, Hyperparathyroidism, Rheumatoid, Arthritis, ROC Analysis, Computer-Assisted Image Processing, Musculoskeletal, Digital Radiography, radiology, tomography, medical instrumentation, Klinisk fysiologi, radiologi, tomografi, medicinsk instrumentering
• pages: 108 pages
• defense location: Föreläsningsal 5, Centralblocket, Universitetssjukhuset i Lund
• defense date: 1996-03-22 13:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/(MEXL-1031)/1996
• language: English
• LU publication?: no
• id: f067e120-f4aa-4a0b-9753-7111ae4687b7 (old id 28291)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:07:53
• date last changed: 2018-11-21 20:56:56