Lossy JPEG 2000 compression in digital mammography evaluation of image quality, radiation dose and breast density using 600 mammograms of the CDMAM phantom

Der DICOM Standard unterstützt sowohl die quantitative als auch die qualitative verlustbehaftete Kompression von Mammographien. Ziel dieser Studie war, die qualitative verlustbehaftete JPEG 2000 Kompression zu untersuchen und herauszufinden inwieweit unterschiedliche Faktoren wie Objektdicke, Röntgen- Dosis und die Lossy-Kompressionsstufen die Bildqualität beeinflussen. Material und Methode: Das CDMAM Phantom Artinis 3.4 wurde mit 4 verschiedenen Objektdicken und 5 verschiedenen Röntgendosen geröntgt. Die so gewonnenen Bilder wurden mit 10 verschiedenen Kompressionsstufen qualitativ verlustbehaftet komprimiert, was in 600 Bilder resultierte. Die Bildqualität wurde von der zugehörigen Software des CDMAM-Phantoms mit dem interpolierten IQFinv-Wert ermittelt. Ergebnisse: Lossy 90 führte zu 89% Datenreduktion, Lossy 70 zu 95% und Lossy 60 zu 96%. Bei höheren Kompressionsstufen (Lossy 30) reichte die resultierende Bildqualität von 80% bis 36%, bei niedrigen Kompressionsstufen (Lossy 90) von 89% bis 93%. Die Objektdicke interagierte signifikant mit der Kompressionsstufe in Bezug zur resultierenden Bildqualität: Zunehmend höhere Kompressionsstufen führten im Vergleich bei den simulierten dichteren Mammae zu zunehmend niedrigerer Bildqualität (p < 0,05). Schlußfolgerung: Höhere qualitative Lossy-JPEG 2000 Kompressionsstufen führen lediglich zu geringer zusätzlicher Datenreduktion, während die resultierende Bildqualität exponentiell abnimmt. Faktoren, die die Bildqualität beeinflussen wie Objektdicke und Strahlenqualität, sollten bei der Bildkompression berücksichtigt werden. Stärkere Objektdicken sollten mit Vorsicht komprimiert werden, weil die Ausgangsqualität der simulierten dichteren Mamma bereits deutlich schlechter ist als bei den schlanken Objekten. Im Verlauf der JPEG 2000 Kompression ist der Verlust an Bildqualität um so größer, je schlechter die Ausgangsdaten sind, so daß aufgrund der Abhängigkeit der Bildqualität von der Brustdichte ohne anerkannten Schwellenwert für die Bildqualität keine generelle Empfehlung für die verlustbehaftete Datenkompression in der digitalen Mammographie gegeben werden kann.The DICOM standard supports both quantitative and qualitative lossy compression of mammograms. The purpose of this study was to investigate qualitative JPEG 2000 lossy compression and how different factors such as breast density, radiation dose, and lossy compression levels affect image quality. Material and Methods: The CDMAM phantom Artinis 3.4 was radiographed with 4 different object thicknesses and 5 different doses. The images were compressed at 10 different quality compression levels resulting in 600 images, image quality was assessed by the software interpolated IQFinv-value. Results: Lossy 90 resulted in 89% data reduction, lossy 70 in 95% and lossy 60 in 96%. At higher compression levels (lossy 30) resulting image quality ranged from 80% to 36%, at low compression levels (lossy 90) from 89% to 93%. Object thickness was found to significantly interact with the compression level with regard to the resulting image quality: higher object thickness resulted in increasingly poorer image quality at increasing compression levels (p < 0.05). Conclusion: Higher qualitative JPEG 2000 compression levels contribute only little additional data reduction, while the resulting image quality is exponentially worsening. Factors affecting image quality such as radiation quality and object density should be taken into account, while performing image compression. Dense objects such as CDMAM-mammogram simulating dense breasts should be compressed with caution because the image quality is already low without any compression compared to less dense mammomograms. The mammogram of a dense breast will lose even more image quality when intelligent data compression algorithms are used. Therefore a general recommendation for lossy data compression in digital mammography without an accepted threshold for image quality can´t be given