Medical imaging systems are often evaluated and optimized via objective, or task-specific, measures of image quality (IQ) that quantify the performance of an observer on a specific clinically-relevant task. The performance of the Bayesian Ideal Observer (IO) sets an upper limit among all observers, numerical or human, and has been advocated for use as a figure-of-merit (FOM) for evaluating and optimizing medical imaging systems. However, the IO test statistic corresponds to the likelihood ratio that is intractable to compute in the majority of cases. A sampling-based method that employs Markov-Chain Monte Carlo (MCMC) techniques was previously proposed to estimate the IO performance. However, current applications of MCMC methods for IO approximation have been limited to a small number of situations where the considered distribution of to-be-imaged objects can be described by a relatively simple stochastic object model (SOM). As such, there remains an important need to extend the domain of applicability of MCMC methods to address a large variety of scenarios where IO-based assessments are needed but the associated SOMs have not been available. In this study, a novel MCMC method that employs a generative adversarial network (GAN)-based SOM, referred to as MCMC-GAN, is described and evaluated. The MCMC-GAN method was quantitatively validated by use of test-cases for which reference solutions were available. The results demonstrate that the MCMC-GAN method can extend the domain of applicability of MCMC methods for conducting IO analyses of medical imaging systems.


翻译:医学成像系统常常通过量化观察者在特定临床相关任务中的表现的图像质量(IQ)的客观或任务特定的评估和优化。贝叶斯理想观察者(IO)的性能在所有观察者中设置了一个上限,包括数字或人类观察者,并且一直被倡导用作评估和优化医学成像系统的效能指标(FOM)。然而,IO测试统计量对应于大多数情况下无法计算的似然比。以前曾提出过一种基于采样的方法,它采用马尔科夫链蒙特卡罗(MCMC)技术来估计IO性能。但是,目前将MCMC方法应用于IO近似的情况仅限于考虑的待成像对象分布可以用相对简单的随机对象模型(SOM)描述的少数情况。因此,有必要扩展MCMC方法的适用领域,以解决需要基于IO进行评估但相关的SOM并不可用的各种情况。在本研究中,描述和评估了一种采用生成对抗网络(GAN)-基础SOM的MCMC方法,称为MCMC-GAN。测试案例是通过参考解可以得到数量化验证MCMC-GAN方法。结果表明,MCMC-GAN方法可以扩展MCMC方法的适用范围,以进行医学成像系统的IO分析。

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