介紹和概述
對于人類觀察者來說，人體的内部結構和功能通常不可見。然而，通過各種技術，可以建立圖像，醫學專業人員可以通過該圖像觀察身體以診斷異常狀況并指導治療程式。醫學圖像是身體的視窗。沒有圖像視窗顯示一切。不同的醫學成像方法揭示了人體的不同特征。對于每種方法，圖像品質和結構可見性的範圍可以是相當大的，這取決于成像裝置的特性，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内的物體或狀況。特定解剖特征的可見性取決于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元件，例如放射線照相中的增強螢幕，超音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實體量，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）。選擇的值将決定圖像的品質和特定身體特征的可見性。
與醫學成像過程相關的元件
觀察者檢測病理過程迹象的能力取決于三個主要因素的組合：（1）圖像品質，（2）觀察條件，和（3）觀察者表現特征。
畫面品質
醫學圖像的品質由成像方法，裝置的特征和操作者選擇的成像變量确定。圖像品質不是單一因素，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。圖像品質因子與成像系統變量之間的關系将在後面的章節中詳細讨論。
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，對于大多數成像過程，對象的可見性由該關系而不是整個圖像的整體特征确定。
請看下圖。每個成像系統的任務是将特定組織特征轉換成灰階或顔色的圖像陰影。如果對比度足夠，則對象将可見。圖像中的對比度取決于物體和成像系統的特性。
醫學成像是将組織特征轉換為視覺圖像的過程
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階，光強度或顔色的形式。對比度是圖像最基本的特征。隻有當物體相對于周圍組織具有足夠的實體對比度時，才能在圖像中看到物體内的物體。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，并且在許多情況下是不希望的。
物體的實體對比度必須表示一個或多個組織特征的差異。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并且物體足夠厚，則可以相對于其周圍組織對物體成像。
将值指定給對比度時，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實體對象的對比度取決于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系的成像系統的主要特征是其對比敏感度。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，它們具有不同水準的物體對比度。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，則低對比度對象也将是可見的。
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征。這是與系統将實體對象對比度轉換為圖像對比度的能力相關的特征。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緻較低對比度的對象變得可見。然而，如果我們考慮具有固定實體對比度的物體（即，對比媒體的固定濃度），則增加對比度靈敏度将增加圖像對比度。
難以比較各種成像方法的對比敏感度，因為許多成像方法基于不同的組織特征。但是，某些方法确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。在後面的章節中将考慮确定每種成像方法的對比敏感度的具體因素。
考慮下面的圖檔。這是一系列具有不同實體對比度的物體。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）位于底部。現在想象一下從頂部向下的簾子并覆寫一些物體，使它們不再可見。對比度靈敏度是成像系統的特征，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實體對比度的物體。
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實體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征，如小梁圖案和小鈣化。正是小的解剖學特征為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，進而限制了細節的可見性。細節的可見性是有限的，因為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，它根據實體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。我們現在擴充我們的幕布的想法，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，我們的隐形窗簾涵蓋了小物體和圖像細節。在後面的章節中将更深入地讨論模糊和細節的可見性。
模糊對圖像細節可見性的影響
可以以長度為機關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。作為一般規則，可以成像的最小物體或細節具有與圖像模糊的尺寸大緻相同的尺寸
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征是圖像噪聲。圖像噪聲（有時稱為圖像斑點）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于成像方法，将在後面的章節中詳細讨論。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實體對比度和大小排列。我們現在添加第三個因子，噪聲，它将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并降低物體可見度。在大多數醫學成像情況下，噪聲的影響對已經接近可見度門檻值的低對比度物體最為顯着。
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征（對比敏感度，模糊和噪聲）導緻某些身體對象不可見。另一個問題是大多數成像方法可以建立不代表身體結構或對象的圖像特征。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确性。但是，人工制品可能會遮擋圖像的某個部分，或者可能會被解釋為解剖特征。與每種成像方法相關的各種因素可能導緻圖像僞影。
醫學圖像不僅應該使體内物體可見，而且應該給出它們的大小，形狀和相對位置的準确印象。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，即為什麼我們不調整每個成像程式以産生最大可見度。原因在于，在許多情況下，影響圖像品質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，應設定成像程式以産生足夠的圖像品質和可視性，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品質的一個特征，例如噪聲，則它經常不利地影響另一個特征，例如模糊和細節的可見性。是以，必須根據臨床檢查的具體要求選擇成像程式。
組織特征和圖像視圖
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征。産生各種灰階和圖像對比度的特定組織特征在各種模态和方法之間變化。
放射科醫生使用圖像來搜尋身體中的病理狀況或損傷的迹象。隻有當病情在相關組織中産生實體變化時才能觀察到體征。許多病理狀況産生實體特征的變化，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建立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，通過将X射線束投射穿過患者的身體并将陰影投射到适當的接收器上來形成圖像，該接收器将不可見的X射線圖像轉換成可見光圖像。伽馬相機記錄投影圖像，該投影圖像表示體内放射性物質的分布。這種類型圖像的主要優點是可以用一張圖像檢視大量患者的身體。缺點是結構和物體經常疊加，使得一個人的圖像可能幹擾另一個人的可見性。投影成像産生空間失真，這在大多數臨床應用中通常不是主要問題。
斷層成像，即正常斷層掃描，計算機斷層掃描（CT），超音波檢查，單光子發射斷層掃描（SPECT），正電子發射斷層掃描（PET）和MRI，産生患者體内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内物體的可見度。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。是以，大多數斷層攝影程式通常需要許多圖像來調查整個器官系統或體腔。
圖像檢視條件
我們在圖像中檢視特定對象或特征的能力取決于我們檢視圖像的條件。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，同時也産生了不适和壓力。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檢視或檢測圖像中對象的能力的主要因素。我們将假設一個位于較大背景區域内的圓形對象。觀察者檢測物體的能力取決于多種因素的組合，包括物體對比度和大小，背景，亮度（亮度）和結構（紋理），其他光源産生的眩光，圖像與觀察者之間的距離，以及可用于搜尋對象的時間。
檢視影響對象可見性的條件因素
下圖是我們用來示範圖像品質因子影響的物體陣列的圖像。我們現在用它來示範與檢視過程相關的因素如何影響我們檢視對象的能力。您可以使用此實際圖像來測試下面讨論的因素。
觀察條件對物體可見度的影響
對象對比
檢視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。對于大多數觀察任務，沒有特定的門檻值對比度，對象突然變得可見。相反，觀察或檢測特定對象的準确性随着對比度而增加。
人類觀察者的對比敏感度随觀看條件而變化。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。所需的對比度取決于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準或亮度下工作，但視覺在所有亮度水準上都不是同樣敏感的。檢測物體的能力通常随着背景亮度或圖像照明的增加而增加。為了在低亮度區域中檢測，物體必須很大并且相對于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。使用不同級别的照明檢視此圖像。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。可見性需要更高水準的物體對比度。
視圖框亮度（亮度）會對圖像中對象的可見性産生重大影響。對于一般圖像檢視，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。機關面是亮度機關，将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系受到物體尺寸的影響。小物體需要檢測更高水準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。
檢視距離
能見度和觀看距離之間的關系受到幾個因素的影響。當觀看距離減小時，物體産生更大的角度并且通常更容易看到。然而，眼睛沒有聚焦并且在近距離處表現出最大的對比敏感度。是以，可探測性和觀察距離之間的關系通常在大約2英尺的距離處達到峰值。
強光
眩光由視野中的明亮區域或光源産生，并且具有若幹不期望的效果。一個效果是降低所觀察對象的感覺對比度。當來自眩光産生源的光進入眼睛時，其中一些光散射在視野内的其他區域。這反過來降低了對比敏感度。它減少的程度取決于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寫時，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。平滑的背景可産生最大的可見度 由于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，特定物體或标志的存在并不明顯，但需要由訓練有素的觀察者建立。用于确定特定标志存在的标準通常因觀察者而異。個體觀察者也使用不同的标準，通常受特定觀察的臨床意義的影響。
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式進行檢查，并且某些特定病理狀況存在于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為陽性而在缺席時被診斷為陰性。在實際操作中，通常無法實作。更為現實的情況如下圖所示。在這裡，我們看到一小部分病理狀況被診斷為陽性。該分數（或百分比）表示特定診斷程式的靈敏度。我們還發現，當缺席時，病情并不總是被診斷為陰性。診斷為陰性的這些病例的百分比代表該程式的特異性。
敏感性和特異性
真假決定
從成像過程得出的診斷将病例分為四類，如下圖所示：真陽性，真陰性，假陽性和假陰性。在理想情況下，隻有真正的積極因素和真正的消極因素。這将是一個具有100％準确性的診斷過程。
真假診斷決策與敏感性和特異性的關系
出于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，不适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系可以通過稱為接收器操作特征（ROC）曲線的圖表（如下圖所示）來描述。
理想診斷程式的ROC曲線與不産生有用資訊的ROC曲線的比較
如圖所示，理想的診斷測試産生100％的靈敏度和100％的特異性。如果診斷程式沒有預測值，并且通過随機選擇過程獲得診斷，則靈敏度和特異性之間的關系是線性的，如圖所示。觀察者确定沿該線的實際操作點。由于這種特定的診斷程式沒有提供有用的資訊，是以通過調用更多的陽性來增加靈敏度的嘗試将産生特異性的成比例降低。
大多數醫學成像程式的靈敏度和特異性之間的關系在理想值和無預測值之間。下面顯示的ROC曲線是典型的。成像方法的特征和所得圖像的品質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系。觀察者用于進行診斷的标準确定曲線上産生實際靈敏度和特異性值的點。
特定成像程式的ROC曲線。實際工作點由觀察者的特征決定。
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