Frakturdiagnostik mit der digitalen Lumineszenzradiographie Von H. M. Klein,U.WeUz, /I. J. Langen. K. H. GIussr. A. Staryardt und R. W. Giinther Kliiiik für Radiologisclie Diagnostik der HWTII Arrclirii

Konventionelle Film-Folien-Technik und digitale Lumineszenzradiographie (DLR) wurden hinsichtlich ihrer diagnostischen Sicherheit in der traurnatologischen Skelettdiagnostik verglichen. Insgesamt erfolgte eine Beurteilung von 106 Röntgenaufnahmen (50 konventionell/56 digital). Die Aufnahmen wurden durch vier crfahrene Radiologen bezüglich der Erkennbarkeit von Läsionen in fünf Sicherheitskategorien eingeordnet und die Ergebnisse nach der ROC-Methode analysiert. Zusätzlich erfolgte eine Bewertung der Aufnahmen beziiglich Bildqualität und optischer Dichte. Die ROC-Analyse bewies insgesamt eine Überlegenheit der konventionellen Pilm-Folien-Technik gegenüber der digitalen Technik in der Frakturdiagnostik. wo siibtile knöcherne Läsionen nachgewiesen werden müssen. Die digitalen Aufnahmen boten Vorteile bei schwierigen Belichtungsbedingungeri sowie durch die Möglichkeiten der digitalen Bildverarbeitung. Für einzelne Indikationen (Verlauf, Funktionsaufnahrnen) ist bei digitalen Aufnahmen eine Dosisreduktion unter Zunahme des Bildrauschens akzeptabel.

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Conveiitional screen-film radiographs were compared with storage phosphorus irnages concerning diagnostic performance in trauniatologic radiography. We used an irnage pool of 106 radiographs including 50 conventionally arid 56 digitally recorded images. The images were reviewed by four experienced radiologists. Detectability of fractiires was coded in a five-point scale of confidence and analysed by ROCctatistics. Furthermore the irnage quality and the optical density was compared. Digital iinages are superior under difficiilt exposure conditions and offer advantages by additional image processing and documentation. For some indications (follow-up, functional examinations), reduced x-ray exposure is tolerable. The detectability of subtle lesions, which is essential for the primary diagnosis of fractures was significantly better by conventional radiography.

Schlüsselwörter

Key words

Frakturdiagnostik - Digitale Lumineszenzradiographie

Fracture diagnosis phosphorus systern

Nach wie vor werdcn in großen radiologischen Kliniken etwa 70 % allcr Aufnahmen in der bildgebenden Diagnostik unter Einsatz der konventionellen FilrnFolien-Technik (FFT) angefertigt (7).WiU man digitale Korizepte wie etwa Dokurnentations- und Kommunikationssysteme nutzen, so besteht die Notwendigkeit, auch die konventionelle Projektionsradiologie zu integrieren. Dies ist möglicherweise durch die digitale Lurnineszenzradiographie (DLK) realisierbar - sie erlaubt eine primär digitale Bildaufzeichnung unter Nutzung der bestehcnden Rönlgeneinrichtungen (1-5,161.

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Fracturediagnosis using Ihe digital Storage phosphorus System -

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Fortsclir. Röntgsnstr. 154.6(1991)582-586 O ticorg'l'hierne VerlagStuttgart . Ncw York

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Digital Storage

In einigen Bereichen wie Thorax- oder Gastrointestinaldiagnostik hat sich die digitale Lumineszenzradiographie bereits als geeignet erwiesen (8. 11, 14-1 6). In der vorliegenden Studie wird eine vergleichende Untersuchung von konventioneller und digitaler Radiographie durchgellihrt und eine Einschätzung beider Systeme hinsichtlich der Leistungsfähigkeit in der Frakturdiagnostik der Extremitäten vorgenommen. Insbesondere in der traumatologischen Primärdiagnostik werden hier höchste Anforderungen an die Abbildungsgüte gestellt (6); demgcgenüber sind Verlaufskontrollen oder Funktionsaufnahrnen möglicherweise unter reduzierten Qualitätsmaßsläbcn erzeugbar, die durch die DLR bei teilweise erheblich reduzierter Dosis erreicht werden könnten.

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Zusammenfassung --

Frakturdrugrzostik tnlt der drgitalcn Lumirzeszo2zrad~ogru p h ~ e -

I:ortsclir Roritqcrzstr 154.6 -- - - . .- --

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583 P

Abb. 1 a Konventionelle Referenzaufnahine,Detektordosis 20 uGv [nicht in die Studie einbezogen).Die distale Fraktur 14g;t'erkennbar. Abb. 1 b DigitaleAufnahme,Detektordosis20 pGy: distale Fraktur schlecht erkennbar.

Abb. 1 Digitale Aufnahmen der Ulna mit einer gut sichtbaren proximalen Fraktur und einer diskrelen distalen Fraktur (Pfeil).

Material und-Metlioden - -

Es wiirdeii Röntgeiiauhaliiiien der Extrcmitätcn am licgcnden Patienten angefertigt. FFA: 90-1 10 cin, 45-70 kV, Fokus 0.6 x 0.6 mm. Konvcntioncll-radiologisch wurde i m Bereich der distalen Extreriiitäteii eiii Iinchaullöscndcs Film1:olicn-System m i t einzelner Hinterfolie (Kodak I.ariex Fiiie, Filrii: Kodak NMn100. S - 50). i m Bcrcich dcr proximalen Extremitäten ein Folieripaar verweiidei. (DuPoiit. Fast Detail, Film: Croncx 4. S 200).

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Zur Erzeugiiiig der digitalen Aufnahmen stand uns ein System (üigiscan) der Fa. Siemens zur Verriigiiiig. Rildspeicher: max. 2048 x 2048 Pixci. 12 Bit Grauwerttiefe (4096 Dichtestufen). Max. Auflösuiig: 5 I.P/iirni bei Verwendung einer 18/24 cm Kasscttc. N l c digitalen Aufnahmen wurden i r i zwei Modi auf dem Film wiedergegcbcn: einmal dcm konvcntioncllcn Bild entsprechend. zuni zweiter1 init eirieiii kantnnbetonendeii (Hochpaß-)l:iltcr. %urBcurtcilung wurden beide Bilder vorgelegt. Von insgesarrit 304 Au~iialiriierider Routinedingnosti k ( I60 digital. 144 konventionell) wurden 106 Bilder nach Aufnahrncdeii Kriterien Indikation (PrimtirdiagnoctildVcrlau~ verrahren (digital/konventionell), Scliwierigkeit iiiid Diagnose (Fraktiirlkcinc Fraktur) von zwci erfahrenen Radiologen ausgewählt iiiid dienten als Grundlage der Ilntcrsuchung. Dic 50 konventioncllen Aufnahmen enthielten 38 Frakturen, die 56 digitaleii Aurnaliincn bcinhaltctcn 40 1:rakturcn. Dic Ihagnosen wurden

unter Hinzuziehung klinischer Informationen, Verlaulkbenbaclitung sowie in Einzcifailen durch xusatxliche Untersuchungen (konventioiielle Toiriographie. Computerlomographic) gesichert. Um Lerneffekte zu vermeiden. wurde jcwcils nur die Aul'naliiiie cincr Ebcnc der traumatisierten Region vorgelegt. Da nur die Erkeniibarkeit der 1.äsion vergliclien werden sontc. entsteht durch dieses Vorgehen keine Bccinträchtigung der Aussageliiliigkeit. Linc direkte (;cgcnübcrstellung voii koiiveiitioriellen und digitalen Aul'naliiiieii desselberi Patienten wurde aus Strahlcnschutzgründen nicht durchgeführt. Ziir Einschätzung der Bildqualität wurdc die optische üichte ~ r o x i m aund l distal der I:rakt.ur an ieweils zwei Orleii photometrisch gcmcsscn (Photoincter: 1.iilliis 3.7, Fa. Wellhöier). Für die koiiveiitioiielleii und digitalen Aufnahmcn wurdcn der Mittelwert für jedes Bild sowic Mittclwcrt und Standardabweichung aller Messungen (insgesamt: 200 konventionell, 224 digital) berecliriet.

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Weiterhin wurden die 106 Aufnahmen vier Ucobacliterii vorgelegt, die anhand einer sub,jcktivcn Uualitätsskala (1 =gut. 2 rnittcl. 3 -schlecht) die I)etailerkeriiiI>arkeit bewertetcn. Eingeschtitzt wurden die Darstellung der 'I'rabekelstruktur. die Direrenzierbarkeit von Kompakta und Spongiosa sowic die Erkennbarkcit dcs 1:rakturspaltcs. Es wurden Mil.telwert uiid St,andardabwcichung besl.irnnit.

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Abb. 1 C DigilaleAufnahme, Detektordosis 2 $[Gy:distiile Fraktur durch Rauschenüberlagert. nicht erkennbar.

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Falsch positiv

-Film-/Folien System

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OLR

ROC-Kurveder zusamrnengefaßten Ergebnisse aller Untersucher füi digitale und konventionelle Bilder.

b

a

Um den Einfluß des dosisabh5iigigeii Rauschens

Abb. 2 a

Konventionell;Deteklordosis 10 pGy.

Abb. 2 b

Digital: Detektordosis2,5 pGy. Gleiche Beurteilbarkeit beider Auf-

iiul' die Rildqiialitäl alizuscliätxen, wurden weiterhin 3 Objekte

nahmen. Abb. 2

Stellungskontrolleirn Gipsverband

(Humerus. Femur. Ulna) unter standardisicrtcn Bedingungen gcröntgt: 45 kV. FIFA 1 1 0 crn. 2 cm Plexiglas sowie Raycast- bzw. Gipsverband Sirnulatioii vor1 Weichteiltextur und möglicher Erschwerung der Beurteilbarkeit durch Verbandmatcrial. An dcr I.llna setzten wir zwci Frakturen. cinc proxirnalc. gut sichtbare Fraktur und eine distal-epiphysare Fissiir. Mit deiii digitalen System wurden die drei Objekte jeweils mit drei Dosen aufgenommen (Kassetteneingangsdosis: 20 p(;y/10 pGy/2 pCy. cntsprccliend 100/50/10 %der Dosis iur ein Filrn-Folien-System. S = 50). Wie beim Digiscan routinemäßig üblich, wurde ein pseudo-konventionellcs und cin kantcnbctontcs Bild angcfertigl. Dic Bildcr wurderi riach aufsteigender Dosis in das Rildmaterial der Gesamtstudic eingeordnet. Die üiagnose galt für die frakturierte Ulna als richtig. wenn sowohl dic proxirnalc als auch dic distalc Fraktur erkaiini wurde (Abb. 1 ).

Ergebnisse

1

2

3

4

Gesamt

Untersucher Vergleich der diagnostischenSicnerheit,geniesseii durch die Flache unter der ROC-Kurvefur digitale (vol e Balken)undkonventionelle (gestreifte Balken)Aufnahmen.

Abb. 3

Vicr Radiologen befundeten die ziirallig geordiieten dinitaleii und koriveiitionellen Aul'nahmcn in fünf ie 45minüti" gcn Sitzungen. Es wurden fünf Klassen festgelegt. donon dio Aufnahnien bozüglich dcs Vorliegens einer Fraktur iiacli eineiii losekündigen Intervall zugeordnet wcrdcn mußtcn ( 1 - sicher positiv. 2 - wahrscheinlich posit,iv, 3 = nicht entscheidbar, 4 = wahrscheinlich ncgativ, 5 = sicher negativ). Insgesaiiit erhielten wir somit 424 Beobachtungen, dic gcmäß dcr HOC-Methode (ROC = Rcccivcr-Operating-Characleristic) ausgewertet wurden (9). Für die digitalen Aufnahmcn fragten wir die Ueobacliter ziis~l.zlicli nach dem EirilluB der Kaiiterinnhebung Ipositivlncgativ).

Drei d e r vier Untersucher erzielten bei d e n digitalen Aufnahmen deutlich schlechtere Ergebnisse für die diagnostische Sicherheit als bei konventionellen Bildern. Bei einem Untcrsuchcr. d e r irn Umgang mit digitalen Rildcrn bereits Erl'ahrungen besaß, zeigte sich kein Unlerschied zwischen beiden Verfahren (P < 0.05). Die zusamrnengefaßten Ergebnisse aller Untersucher wiesen eine deutliche Überlegenheit (P 0.02) d e r konventionellen Aufnahmen a u s (Abb. 3). Die ROC-Fläche betrug fiir dic PPT 0 , 9 8 (Standardabweichung: 0,Ol) und iür die digitale . Tcchnik 0 , 8 9 (Standardabweichung: 0.02) (Abb. 4).

Uildquulität Die mittlere optische Dichte lag für die konventionellcn Aiif'nahmen bei 1,36 (über Schlcicr). Die Standardabwc:ichung betrug 0,63. Die digitalen Aufnahmen wiesen eirie niittlere optische Dichte von 1,12 mit einer Staridardabweichung von 0.45 auf. Die Abbildung d e r Trabekelstruktur wurde in digitaler Technik durchschnittlich mit der Qualitätsnotc! 2,25 (Standardabweichung: 0.77), in konvcntionellar Technik mit 1,33 (Standardabwc?ichung:

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Abb. 4

Frakturdiagnostik mir d e r digitalen Li~nii17eszenzrndiogruphir ~

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Tab 1 Bildqualitatskriterien digitaler und konvenlioneller Aufnahmen im Vergleich -

optische Dichte (uber Schleier) digital konventionell Qualitatskriterien (1 =gut 2 = mittel. 3 - schlecht) 1 Trabekelstruktur digital konventionell 2 Differenzierung Kompakta/Spongiosa digital konventionell 3 Mittelwert digital konventionell

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1,12(1 0 4 5 ) 1.36 (.L 0,63)

2 , 2 5 ( f 0,77) i 33 (? 0.63) 1,72 (+ 0,68) 1.25 (f0,47)

i 98(? 0.73) 1,27 (t0,53)

Tab. 2 Einflußder reduzierten Detekiordosis auf die diagnostische Sicherheit bei 15 Patienten. -

Detektordosis

Diagnose richtig (AnzahllGesamtzahl)

0.63) bewertct. Die Differenzierbarkeit von Kompakta urid Spongiosa wurde für digitale Bilder mit 1,72 (Staridardabweichung: 0.611).für konventionelle Bilder rnit 1.25 (Standardabweichung: 0.47) angegeben. Der Mittelwert der subjektiven Beiirtcilung der Detailerkennbarkeit betrug somit 1,98 (Standardabweichung: 0.73) für die digitalen und 1,27 (Standardabweichung: 0,53) f'iir die konventionellen Aufnahmen ('Tab. 1). Die Kant.enanhebung wurde in 70 'X der Fälle ('"h24) als vorteilhaft empfunden.

Mit sinkender Dosis trat eine verstärkte Rauschüberlagerung der Bildinformatiori auf. Dies führte zu einer Abnahme des Anteils richtiger Diagnosen. Während bei einer Dosis von 20 p(;y an der Speicherfolie 1 0 von 1 5 Diagnosen richtig gestellt wurden, traf dies bei 2 pGy nur noch für 3 der 1 5 Diagnosen zu (Tab. 2). Diskussion

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Das in unserer Untersuchung verwendete Bildmaterial wurde bewußt aus Aufnahmen der klinischen Routinediagnostik zusammengestellt. wobei wir einen repräsentativen Querschnitt durch die traumatologische ~ontgendiagnostikder Extremitäten betrachtet haben. Die gleichzeitige Anfertigung von digitalen und konventionellen Aufnahmen derselben Skelettregion unserer Patienten crschicn uns aus Strahlenschutzgründcn nicht vertretbar. Da nur die Erkennbarkeit von 1.äsionen vergleichend getestet werden sollte, wiirdc jeweils nur eine Ebene einer Fraktur präsentiert. Hierdurch konnten gleichzeitig Lerneffekte verhindert werden. Um untersucherabhängige Fehler zii vcrringerri, wurde die Auswertiing in Form einer ROC-Studie durchgeführt (9).

ürei Eckwerte charaktcrisiercn eiri Detektorsystem in der Projcktionsradiograptiie: Empfindlichkeit, Gradation und räumliche Auflösung. Während konventionelle I;ilni-Folien-Systeme nur in einem beschränkten Dosisbereich eine lineare Kennlinie aiifweiscn und somit eine merkliche Empfindlichkeit gcgeniiber Fehlbelichtungen besitzen. zoigt die DLR über einen weiten Dosisbercich cin lineares Verhältnis ~wischeiiExpositionsdosis und optischer Dichte (3.6). In unserer Untersuchung resiiltierle hieraus für die digitalen Aufnahmen cinc dciitlich geringere Schwankung der optischen Dichte gegenüber konventionellen Rildcrn. Dic Bildqualität wird bei abnolimendcr Ilosis lediglich durch eine verstärkte Hauschüberlagening vermindert. Für gewisse Fragestellungen ist eine gegenüber konventionellen Systemen reduzicrt.~ Dosis akzeptabel und damit sinnvoll (Abh. 2); die in der trauniatologischen Diagnostik unabdingbare I.'einstrukturdarsteIlung wird jedoch bei reduzierler Dosis deutlich eingeschränkt. Die Gradation eines Detektorsysterns bestimmt. welcher Dichteunterschicd im Objekt eine definierte Schwärzungsändening des Films bewirkt. Da die Fähigkeit des menschlichen Auges zur Grauwertdifferenzierung begrenzt ist, sollte der Bildkontrast im zu beurteilender~Bereich besonders gut sein. Durch den digitalen (;rauwertausgleich der DLR wird der verfügbare Kontras1 auf alle Bildanteile verteilt, was zwar eine verbesserte Beurteilbarkcit der Randbereiche bewirkt, die Kontrastverteilung in der diagnoserelevanteii Region aber durchaus verringern kann. Dieser primäre Nachteil kann durch die Möglichkeit der interaktiven Bildbeeinflussung am DLR-Bildrechner korrigiert werden (6). Der Kontrast der digitalen Bilder kann durch eine Hervorhebung von Bereichen hoher Ortsfrequenz (Kanten) selektiv verstärkt werden. Der Betrachter erhält durch die Kantenanhebiing einen subjektiv ,scharfenc' Bildeindruck. In unserer Studie empfanden die Beobachter in 70 % der digitalen Aufnahmen die Kantenanhebung als hilfreich. Die Kantenanhebung stellt jedoch eine Manipulation des Bildinhaltes dar, dic! unter Uniständen zu einer Verringerung der diagnostischen Sicherheit führen kann (13). Die räumliche Aullösurig der digitalen Speicherfolientechnik bei Verwendung von Kassetten des Formates 1 8 X 24 cm beträgt derzeit max. 5 LP/mm. Damit liegt die DLR um etwa den Faktor 2 unter der Auflösung des von uns verwendeten konventionellen Film-FolienSystems (6-12 LP/mm). Gröbere Formate haben rnit 2.5 LP/mm ein noch geringeres Auflösungsvermögen. Die Bedeutung dieses Faktors ist für die verschiedenen Einsatzbereiche unterschiedlich zu bewerten. Während in der gastroinlestinalen Diagnostik sicherlich die Auflösung des digitalen Systems für viele Fragestellungen ausreichend ist. bestehen in der Skelettdiagnostik oder bei der Maminographie höhere Anforderungen (12). So stellte Murphy (10) fest, daß die diagnostische Sicherheit bei der Beurteilung subtiler knöcherner Läsionen deutlich abnimmt, wenn dio Auflösung des Detektorsystems unter 5,7 I.P/rnm liegt. Unsere bisherigen Erfal~rungenmit der digitalen I.urnineszenzradiologie in der Kontrastmitteldiagnostik, der Intensivthoraxbefundung. der traumatologisc:tie~iDiagnostik unter schwierigen Belichtiingsbedingun-

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H. M. Klcirt 11r1d Miiarh.: Frakticrdiagrtostik mit der digitalen Lumineszcrtzrudiographir . . . .-. --- . . .

Fortschr. Rörttgenstr. 154.6 .

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gen (z. B. bei Mehrfachverlctztcn). d e r Funktionsdiagnostik (z. B. gehaltene Aufnahmen z u r Diagnostik von Bandvc?rletzungen) und bei d e r Verlaursbeurteilung von Frakluren sind überwiegend positiv; d a s System bietet durch Ausgleich von Fchlbelichtiingen und die digitalc Nachbearbeitiing und Dokumentation erwc:itertc MGglichkcitcn gcgenüber d e r Filrn-Folieri-Technik. Die vorliegenden Uritersuchungen zeigen jedoch. d a ß die Schwächen d e r D1.R hinsichtlich d e r räumlichen Auflösung und d e r digitalen Handhabung d e r Projcktionsbilder im Bereich d e r trauinatologischsri Primärdiagnostik zur Verringerung d e r diagnostischen Sicherlieit rühren können. Hinsichtlich dcss Einsatzes d e r D1211 in d e r Priinärdiagnoslik von Frakturen ist d a h e r Zurückhaltung angebracht.

Literatur -. .""...

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Dr rr~etfHans-Martin Klein Klinik lilr Rndiologisclir Iliagnostik Klinikum der IfW'I'H Aachcn I'auwclsstraßc 30 5100 A ~ C ~ P I I

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