Ricke, Jens: Über die Optimierung von Waveletalgorithmen für die verlustbehaftete Kompression digitaler Röntgenbilddaten

80

Kapitel 4. Ergebnisse

4.1 Phantom „Lungenrundherde“

4.1.1 Quantitative Kompressionsergebnisse

Eine Übersicht der Ergebnisse der Kompression mit den unterschiedlichen Filtern bei den 5 Testbildern des Phantoms „Lungenrundherde“ zeigt Tab. 1. Die absolute Kompressionsrate im Verhältnis zum Ausgangsbild betrug etwa 1:15,3 mit einer in der Rubrik „Dateigröße“ ersichtlichen Standardabweichung unterhalb 1 ‰.

4.1.2 Signal-Rausch-Verhältnis

In Tabelle 2 ist das Signal-Rausch-Verhältnis der Ergebnisbilder nach Kompression dokumentiert. Es ergab sich eine Spannbreite von 0,6083 dB zwischen dem höchsten und dem niedrigsten PSNR. Die absteigende Rangfolge gemessen an den maximalen PSNR-Werten lautete bicdf 9.7 > bicoif 22.14 > bivil 18.10 > bicdf 5.3.

4.1.3 ROC-Analyse

Die Einzelbewertungen der 4 Beobachter finden sich in Tabelle 3 und geben Aufschluß über die Verteilung richtiger oder falscher Wertungen in der Gruppe mit Detail oder ohne Detail. Die errechnete ROC-Kurve für die Summen der Einzelbeobachtungen zeigt Abbildung 18. Die höchste Bewertung erzielte bivil 18.10 mit einer Fläche unter der Kurve (Az) von 0,8433 gegenüber bicdf 5.3 mit 0,8169, bicoif 22.14 mit 0,803 und bicdf 9.7 mit 0,7496. Die Kurven von bicdf 5.3 und bicoif 22.14 zeigen eine Überkreuzung entsprechend einer höheren Zahl richtig positiver Bewertungen für bicoif 22.14 bei gleichzeitig einer höheren Zahl falsch negativer gegenüber bicdf 5.3.


81

4.1.4 Statistische Analyse

Die höherwertige ROC-Kurve des bestplazierten Filters bivil 18.10 zeigte hohe Signifikanz gegenüber der schlechtesten des Filters bicdf 9.7 (p < 0.001). Gegenüber bicoif 22.14 ergab sich für bivil 18.10 ein signifikant besseres Ergebnis mit p < 0.05. Gegenüber dem nach absolutem ROC-Wert zweitplazierten Filter bicdf 5.3 errechnete sich für bivil 18.10 p = 0.05. Die besseren Ergebnisse des zweitplazierten Filters bicdf 5.3 gegenüber dem dritten bicoif 22.14 verfehlten mit p = 0.06 knapp das Signifikanzniveau. Beide Filter zeigten gegenüber dem letztplazierten bicdf 9.7 signifikant bessere Wertungen (jeweils p < 0.05).


82

Tab. 1: Durchschnittliche Ergebnisse der Kompression mit unterschiedlichen Filtern1 für die fünf Bilder des Phantoms „Lungenrundherde“

 

Bildnr.

bicdf 5.3

bicdf 9.7

bicoif 22.14

bivil 18.10

Mittelwert

Stdabw.

 

 

 

 

 

 

 

 

Dateigröße2

1

277315

279736

277787

280112

278738

1392

 

2

423653

429324

425627

426267

426218

2351

 

3

290255

293827

291958

293796

292459

1710

 

4

287621

291404

289175

291128

289832

1777

 

5

255560

257067

255624

258120

256593

1233

 

 

 

 

 

 

 

 

Bpp3

1

0,5879

0,5931

0,5889

0,5939

 

 

 

2

0,8982

0,9102

0,9024

0,9037

 

 

 

3

0,6154

0,6229

0,6190

0,6229

 

 

 

4

0,6098

0,6178

0,6131

0,6172

 

 

 

5

0,5418

0,5430

0,5419

0,5472

 

 

 

Mittelwert

0,6506

0,6574

0,6531

0,6570

 

 

1Nach Festlegung einer Richtgröße definiert durch die Ergebnis-Dateigröße. Vorgabe durch Filter bicoif 22.14
2in Kbit
3Bit per pixel; resultierend aus einem Ausgangswert von 10 Bit (Digitale Lumineszenz Radiographie, Digiscan, Siemens, Erlangen)


83

Tab. 2: Durchschnittliches Signal-Rausch-Verhältnis der Kompression mit unterschiedlichen Filtern für die fünf Bilder des Phantoms „Lungenrundherde“

 

Bildnr.

bicdf 5.3

bicdf 9.7

bicoif 22.14

bivil 18.10

 

 

 

 

 

 

PSNR1

1

47,6303

48,1833

48,1203

48,1160

 

2

47,0479

47,7994

47,6787

47,6150

 

3

47,5862

48,2001

48,1237

48,1036

 

4

47,6224

48,2217

48,1449

48,1279

 

5

47,9152

48,4388

48,3807

48,3835

 

Mittelwert

47,5604

48,1687

48,0897

48,0692

1Pixel Signal-to-noise Ratio [dB], Signal-Rausch-Verhältnis


84

Tab. 3: Rating unterschiedlicher Filter für das Phantom „Lungenrundherde“

 

Rating*

Detail

Kein Detail

 

 

 

 

bicdf 5.3

1

21

3

 

2

53

16

 

3

16

43

 

4

10

30

 

5

0

8

 

 

 

 

bicdf 9.7

1

18

2

 

2

35

19

 

3

34

33

 

4

12

42

 

5

1

4

 

 

 

 

bicoif 22.14

1

18

1

 

2

45

12

 

3

25

47

 

4

11

36

 

5

1

4

 

 

 

 

bivil 18.10

1

23

1

 

2

48

13

 

3

17

38

 

4

12

43

 

5

0

5

* entsprechend dem Urteil von 4 Radiologen: 1 = sicher positiv, 2 = wahrscheinlich positiv, 3 = weder positiv noch negativ, 4 = wahrscheinlich negativ, 5 = sicher negativ


85

Abb. 18: ROC-Kurven unterschiedlicher Filter für das Phantom „Lungenrundherde“


86

4.2 Phantom „Interstitielle Pneumonie“

4.2.1 Quantitative Kompressionsergebnisse

Die quantitativen Kompressionsergebnisse ergeben sich aus Tabelle 4. Die Kompressionsrate der unterschiedlichen Filter für das Phantom „Interstitielle Pneumonie“ lag bei etwa 1:117,1 mit einer Standardabweichung unter 1 ‰.

4.2.2 Signal-Rausch-Verhältnis

Die Signal-Rausch-Verhältnisse der Ergebnisbilder nach Kompression dokumentiert Tabelle 5. Der maximale Unterschied der PSNR betrug 0,1949 dB zwischen bicoif 22.14 (49,1807 dB) und bicdf 5.3 (48,9858 dB). Die absteigende Rangfolge gemessen an den maximalen PSNR-Werten lautete bicoif 22.14 > bicdf 9.7 > bivil 18.10 > bicdf 5.3.

4.2.3 ROC-Analyse

Tabelle 6 gibt Auskunft über die Summe der richtigen und falschen Einzelbewertungen für Felder mit und ohne Detail. Abbildung 19 zeigt die transformierten Einzelbeobachtungen als ROC-Kurven mit den Flächen unter der Kurve von 0,9754 für bicdf 9.7; 0,9680 für bicdf 5.3; 0,9617 für bivil 18.10; 0,9553 für bicoif 22.14. Eine Überkreuzung der ROC-Kurven dokumentiert bicdf 5.3 sowohl mit bicdf 9.7 als auch mit bivil 18.10. Gegenüber beiden Filtern erheben wir entsprechend für bicdf 5.3 eine erniedrigte Rate richtig positiver bei einer höheren Rate richtig negativer Bewertungen.

4.2.4 Statistische Analyse

Das Ergebnis des höchsplazierten Filters bicdf 9.7 gegenüber dem am Schlechtesten bewerteten bicoif 22.14 liegt bei p = 0.06. Die Ergebnisse der Signifikanzprüfung des


87

Ergebnisses von bicdf 9.7 im Vergleich mit bivil 18.10 und bicdf 5.3 lagen bei p < 0.15. Für den Vergleich des Ergebnisses des zweitplazierten bicdf 5.3 mit dem schlechtplaziertesten bicoif 22.14 ergab sich gleichfalls ein p < 0.15. Für den Vergleich bivil 18.10 mit bicoif 22.14 war p > 0.2.

88

Tab. 4: Durchschnittliche Ergebnisse der Kompression mit unterschiedlichen Filtern1 für die fünf Bilder des Phantoms „Interstitielle Pneumonie“

 

Bildnr.

bicdf 5.3

bicdf 9.7

bicoif 22.14

bivil 18.10

Mittelwert

Stdabw.

 

 

 

 

 

 

 

 

Dateigröße2

1

34633

34291

34429

34821

34544

232

 

2

40638

40773

40318

40524

40563

193

 

3

39838

39845

39763

39823

39817

37

 

4

39960

40051

39716

39943

39918

142

 

5

45436

45642

45623

45505

45552

98

 

 

 

 

 

 

 

 

Bpp3

1

0,0737

0,0732

0,0733

0,0741

 

 

 

2

0,0865

0,0868

0,0858

0,0862

 

 

 

3

0,0848

0,0848

0,0846

0,0847

 

 

 

4

0,0850

0,0852

0,0843

0,0850

 

 

 

5

0,0969

0,0971

0,0971

0,0968

 

 

 

Mittelwert

0,0854

0,0854

0,0850

0,0854

 

 

1Nach Festlegung einer Richtgröße definiert durch die Ergebnis-Dateigröße. Vorgabe durch Filter bicoif 22.14
2in Kbit
3Bit per pixel; resultierend aus einem Ausgangswert von 10 Bit (Digitale Lumineszenz Radiographie, Digiscan, Siemens, Erlangen)


89

Tab. 5: Durchschnittliches Signal-Rausch-Verhältnis der Kompression mit unterschiedlichen Filtern für die fünf Bilder des Phantoms „Interstitielle Pneumonie“

 

Bildnr.

bicdf 5.3

bicdf 9.7

bicoif 22.14

bivil 18.10

 

 

 

 

 

 

PSNR1

1

49,5183

49,6744

49,6970

49,6824

 

2

49,0284

49,2123

49,2208

49,2041

 

3

48,8842

49,0748

49,0898

49,0627

 

4

48,9743

49,1793

49,1816

49,1479

 

5

48,5238

48,7040

48,7145

48,6537

 

Mittelwert

48,9858

49,1689

49,1807

49,1501

1Pixel Signal-to-noise Ratio [dB]


90

Tab. 6: Rating unterschiedlicher Filter für das Phantom „interstitielle Pneumonie“

 

Rating*

Detail

Kein Detail

 

 

 

 

bicdf 5.3

1

32

0

 

2

42

3

 

3

24

23

 

4

2

48

 

5

0

26

 

 

 

 

bicdf 9.7

1

28

0

 

2

43

0

 

3

25

22

 

4

4

49

 

5

0

29

 

 

 

 

bicoif 22.14

1

35

0

 

2

35

2

 

3

27

28

 

4

2

53

 

5

1

17

 

 

 

 

bivil 18.10

1

25

0

 

2

45

1

 

3

24

21

 

4

6

45

 

5

0

33

* entsprechend dem Urteil von 4 Radiologen: 1 = sicher positiv, 2 = wahrscheinlich positiv, 3 = weder positiv noch negativ, 4 = wahrscheinlich negativ, 5 = sicher negativ


91

Abb. 19: ROC-Kurven unterschiedlicher Filter für das Phantom „Interstitielle Pneumonie“


92

4.3 Phantom „Pneumothorax“

4.3.1 Quantitative Kompressionsergebnisse

Die quantitativen Kompressionsergebnisse zeigt Tabelle 7. Die mittlere Kompressionsrate der verschiedenen Filter lag bei etwa 1:13,7 mit einer Standardabweichung unter 1‰.

4.3.2 Signal-Rausch-Verhältnis

Tabelle 8 illustriert das durch die 4 unterschiedlichen Filter erzielte Signal-Rausch-Verhältnis. Die maximale Differenz der Filterwerte betrug 0,5727 dB zwischen bicoif 5.3 (53,5188 dB) und bicdf 9.7 (54,0915 dB). Die nach der PSNR ermittelte absteigende Reihenfolge der Filter lautete: bicdf 9.7 > bicoif 22.14 > bivil 18.10 > bicdf 5.3.

4.3.3 ROC-Analyse

In Tabelle 9 sind die Ergebnisse der Einzelbeobachtungen aufgeführt. Die zugehörigen ROC-Kurven zeigt Abbildung 20. Die größte Fläche unter der Kurve erzielte bicdf 9.7 mit 0,9836 gegenüber bicdf 5.3 mit 0,9788, bicoif 22.14 mit 0,9748 und bivil 18.10 mit 0,964. Der zweitplazierte Filter bicdf 5.3 zeigte eine Überkreuzung mit allen anderen Kurven. Diese Überkreuzung veranschaulichte eine gegenüber allen anderen Filtern erniedrigte Rate richtig positiver bei gleichzeitig höherer Rate richtig negativer Beobachtungen.

4.3.4 Statistische Analyse

Die beobachteten Unterschiede der Flächen unter der Kurve im Vergleich der Filter verfehlten das Signifikanzniveau. Der Unterschied zwischen dem erstplazierten Filter bicdf 9.7 und dem dritt- sowie dem letztplazierten bicoif 22.14 respektive bivil 18.10 erreichte ein p < 0.1. Der Vergleich zwischen dem zweitplazierten bicdf 5.3 und dem


93

letztplazierten bivil 18.10 zeigte ein p < 0.15. Die p-Werte der Vergleiche des erst- mit dem zweitplazierten sowie des dritt- mit dem viertplazierten lagen über 0.2 (bicdf 9.7 versus bicdf 5.3 respektive bicoif 22.14 versus bivil 18.10).

94

Tab. 7: Durchschnittliche Ergebnisse der Kompression mit unterschiedlichen Filtern1 für die fünf Bilder des Phantoms „Pneumothorax“

 

Bildnr.

bicdf 5.3

bicdf 9.7

bicoif 22.14

bivil 18.10

Mittelwert

Stdabw.

 

 

 

 

 

 

 

 

Dateigröße2

1

342633

343493

344207

344568

343725

854

 

2

333357

333329

334311

334631

333907

664

 

3

339256

339132

340432

340575

339849

760

 

4

344160

344166

345161

345541

344757

703

 

5

359616

358509

359839

360290

359564

757

 

 

 

 

 

 

 

 

Bpp3

1

0,7345

0,7282

0,7297

0,7305

 

 

 

2

0,7067

0,7067

0,7088

0,7094

 

 

 

3

0,7193

0,7190

0,7217

0,7220

 

 

 

4

0,7296

0,7297

0,7318

0,7326

 

 

 

5

0,7624

0,7601

0,7629

0,7638

 

 

 

Mittelwert

0,7305

0,7287

0,7310

0,7317

 

 

1Nach Festlegung einer Richtgröße definiert durch die Ergebnis-Dateigröße. Vorgabe durch Filter bicoif 22.14
2in Kbit
3Bit per pixel; resultierend aus einem Ausgangswert von 10 Bit (Digitale Lumineszenz Radiographie, Digiscan, Siemens, Erlangen)


95

Tab. 8: Durchschnittliches Signal-Rausch-Verhältnis der Kompression mit unterschiedlichen Filtern für die fünf Bilder des Phantoms „Pneumothorax“

 

Bildnr.

bicdf 5.3

bicdf 9.7

bicoif 22.14

bivil 18.10

 

 

 

 

 

 

PSNR1

1

53,5129

54,0258

53,9774

53,9009

 

2

53,5771

54,1231

54,0914

54,0161

 

3

53,5477

54,1085

54,0789

53,9927

 

4

53,5463

54,1143

54,0724

53,9864

 

5

53,4098

54,0860

54,0498

53,9608

 

Mittelwert

53,5188

54,0915

54,0540

53,9714

1Pixel Signal-to-noise Ratio [dB]


96

Tab. 9: Rating unterschiedlicher Filter für das Phantom „Pneumothorax“

 

Rating*

Detail

Kein Detail

 

 

 

 

bicdf 5.3

1

26

0

 

2

49

3

 

3

25

24

 

4

0

57

 

5

0

16

 

 

 

 

bicdf 9.7

1

44

0

 

2

35

0

 

3

19

29

 

4

2

58

 

5

0

13

 

 

 

 

bicoif 22.14

1

35

0

 

2

41

2

 

3

22

22

 

4

2

59

 

5

0

17

 

 

 

 

bivil 18.10

1

37

0

 

2

37

2

 

3

23

28

 

4

3

57

 

5

0

13

* entsprechend dem Urteil von 4 Radiologen: 1 = sicher positiv, 2 = wahrscheinlich positiv, 3 = weder positiv noch negativ, 4 = wahrscheinlich negativ, 5 = sicher negativ


97

Abb. 20: ROC-Kurven unterschiedlicher Filter für das Phantom „Pneumothorax“


98

4.4 Phantom „CT Raumforderungen“

4.4.1 Quantitative Kompressionsergebnisse

Tabelle 10 veranschaulicht die Ergebnisse der Kompression für das computertomographische Phantom mit 12 Bit. Das Kompressionsverhältnis lag bei etwa 1:31,6 mit einer Standardabweichung unter 1 ‰.

4.4.2 Signal-Rausch-Verhältnis

In Tabelle 11 ist das Signal-Rausch-Verhältnis der Ergebnisbilder nach Kompression festgehalten. Der Unterschied zwischen dem höchsten und dem niedrigsten PSNR-Wert betrug 0,7067 dB (bivil 18.10: 65,6963 dB; bicdf 9.7: 66,403). Die absteigende Rangfolge gemessen an den maximalen PSNR-Werten lautete: bicdf 9.7 > bicdf 5.3 > bicoif 22.14 > bivil 18.10.

4.4.3 ROC-Analyse

Die absoluten Ergebnisse der Einzelbeobachtungen der ROC-Analyse zeigt Tabelle 12. Die daraus errechneten ROC-Kurven demonstriert Abbildung 21. Es ergaben sich Flächen unter der Kurve von 0,9632 für bicoif 22.14; 0,9615 für bivil 18.10; 0,9583 für bicdf 9.7; 0,9542 für bicdf 5.3. Sowohl bivil 18.10 als auch bicoif 22.14 verdeutlichten durch eine Überkreuzung der ROC-Kurven mit bicdf 9.7 und bicdf 5.3 eine niedrigere Rate richtig positiver bei einer höheren Rate richtig negativer Beobachtungen.

4.4.4 Statistische Analyse

In der statistischen Analyse demonstrierten die beobachteten Unterschiede der Flächen unter den Kurven keine statistische Signifikanz. Für den Vergleich des Filters mit der


99

größten gegen die geringste Fläche unter der Kurve (bicoif 22.14 versus bicdf 5.3) ergab sich ein p < 0.1. Im Vergleich der Flächen unter den Kurven des zweit- gegen den letztplazierten Filter (bivil 18.10 versus bicdf 5.3) fand sich ein p < 0.15.

100

Tab. 10: Durchschnittliche Ergebnisse der Kompression mit unterschiedlichen Filtern1 für die fünf Bilder des Phantoms „CT Raumforderungen“

 

Bildnr.

bicdf 5.3

bicdf 9.7

bicoif 22.14

bivil 18.10

Mittelwert

Stdabw.

 

 

 

 

 

 

 

 

Dateigröße2

1

12487

12600

12418

12552

12514

79

 

2

11978

12030

11987

11936

11983

39

 

3

12861

12935

12850

12913

12890

41

 

4

11109

11137

11019

11184

11112

69

 

5

13760

13658

13835

13712

13741

75

 

 

 

 

 

 

 

 

Bpp3

1

0,3811

0,3845

0,3790

0,3831

 

 

 

2

0,3655

0,3671

0,3658

0,3643

 

 

 

3

0,3925

0,3947

0,3922

0,3941

 

 

 

4

0,3390

0,3399

0,3363

0,3413

 

 

 

5

0,4199

0,4168

0,4222

0,4185

 

 

 

Mittelwert

0,3796

0,3806

0,3791

0,3803

 

 

1Nach Festlegung einer Richtgröße definiert durch die Ergebnis-Dateigröße. Vorgabe durch Filter bicoif 22.14
2in Kbit
3Bit per pixel; resultierend aus einem Ausgangswert von 12 Bit (CT, Somatom Plus, Siemens, Erlangen)


101

Tab. 11: Durchschnittliches Signal-Rausch-Verhältnis der Kompression mit unterschiedlichen Filtern für die fünf Bilder des Phantoms „CT Raumforderungen“

 

Bildnr.

bicdf 5.3

bicdf 9.7

bicoif 22.14

bivil 18.10

 

 

 

 

 

 

PSNR1

1

66,2883

66,5005

66,0733

65,7022

 

2

66,2587

66,5126

66,3027

65,8006

 

3

66,1989

66,4205

65,9725

65,5616

 

4

66,9728

67,2567

66,8988

66,5099

 

5

65,2779

65,3248

65,4872

64,9071

 

Mittelwert

66,1993

66,4030

66,1469

65,6963

1Pixel Signal-to-noise Ratio [dB]


102

Tab. 12: Rating unterschiedlicher Filter für das Phantom „Raumforderung CT“

 

Rating*

Detail

Kein Detail

 

 

 

 

bicdf 5.3

1

44

0

 

2

40

3

 

3

12

27

 

4

2

52

 

5

2

18

 

 

 

 

bicdf 9.7

1

41

0

 

2

42

1

 

3

10

29

 

4

7

49

 

5

0

21

 

 

 

 

bicoif 22.14

1

35

0

 

2

45

3

 

3

16

24

 

4

4

64

 

5

0

9

 

 

 

 

bivil 18.10

1

37

1

 

2

44

1

 

3

14

17

 

4

4

67

 

5

1

14

* entsprechend dem Urteil von 4 Radiologen: 1 = sicher positiv, 2 = wahrscheinlich positiv, 3 = weder positiv noch negativ, 4 = wahrscheinlich negativ, 5 = sicher negativ


103

Abb. 21: ROC-Kurven unterschiedlicher Filter für das Phantom „CT Raumforderungen“


104

4.5 Subtraktionsaufnahmen

In der durch zwei Beobachter vorgenommenen visuellen Bewertung der Subtraktionsaufnahmen konnte für keines der Phantome für Digitale Radiographien oder Computertomographien ein das Hintergrundrauschen übersteigender optischer Effekt nachgewiesen werden. Insbesondere fanden sich keine Konturen der auf den Phantomen abgebildeten kritischen Details oder sonstige, dem Originalbild zuordnungsbare Strukturen.


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Fri Feb 7 16:27:58 2003