Socrate Medical presenta Zone Sonography, by Zonare
Qualità del servizio in una uo di bioimmagini digitale
1. Qualità del servizio in una u.o.
di Bioimmagini digitalizzata
TSRM Walter Antonucci
2. X-ray
Lo sviluppo di nuove
tecnologie per i rivelatori,
l’introduzione di
piattaforme Paziente
IT potenti e di monitor
digitali
ad alta brillanza e
Rivelatore
risoluzione
hanno soppiantato le tre
funzioni delle pellicole e Image
Film
processing
favorito il progresso della
Radiologia digitale (DR).
Display
3. Vantaggi della radiologia digitale
Maggior latitudine dei rivelatori: esami ripetuti quasi
esclusivamente per errato posizionamento
Benefici in termini di “Capacità diagnostica/dose” per
maggiore DQE
Incremento della produttività di un dipartimento
radiologico
Qualità immagine più costante
Immagine digitale
Riduzione costi pellicole e chimici
Archiviazione digitale e trasmissione remota
CAD
4. Tecnologie per Radiografia Digitale
L’immagine latente prodotta
Indirect su un supporto analogico CR Imaging
Digital viene convertita in formato Plates
digitale nella fase di lettura.
CCD
Digital
Indirect X-Ray
Image
Conversion a-Si : Silicio Amorfo
Capture
I raggi X sono convertiti in
luce che viene poi letta dal
rivelatore
Direct
Digital a-Se : Selenio Amorfo
L’immagine è Photon Counting
prodotta
direttamente in Direct X-Ray
forma digitale Conversion High-gain conversion
I fotoni X sono convertiti materials: HgI2, PbI2,
direttamente in segnale CdZnTe.
elettrico
5. Proprietà dei rivelatori/Efficienza
Efficienza quantica: probabilità di
assorbimento di un fotone di energia E incidente
su un rivelatore di spessore attivo T e coefficiente
di attenuazione lineare µ
− µ ( E ) ⋅T
η = 1− e
η può crescere aumentando lo spessore del rivelatore
oppure utilizzando dei materiali con coefficiente di
attenuazione più elevato per un certo intervallo di
energie.
η in generale è maggiore alle basse energie e decresce
all’aumentare dell’energia della radiazione incidente.
In ambito diagnostico, il principale processo di interazione
nel materiale attivo è l’effetto fotoelettrico a causa del
relativamente alto numero atomico dei materiali di cui
sono costituiti i rivelatori.
6. Proprietà dei rivelatori/Range
Dinamico
Il range dinamico viene definito come:
DR=Xmax/Xmin
dove Xmax è la fluenza che dà origine al massimo valore di
segnale che il rivelatore può generare mentre Xmin è la
fluenza necessaria a generare un segnale equivalente alla
somma in quadratura del rumore elettronico del rivelatore e
del rumore quantico (Noise Quantum Limit).
7. Proprietà dei rivelatori/Uniformità
E’ importante che un rivelatore risponda in modo
uniforme su tutta l’area dell’immagine, ovvero che
abbia la stessa sensibilità su tutta l’area di
interesse.
Nei sistemi digitali l’uniformità è relativamente
semplice da ottenere perché su un intervallo
considerevole, le differenze !! Non e’ eseguibile per
di risposta dei diversi i CR
elementi del rivelatore possono essere corrette
mediante calibrazione (matrice di correzione).
Importante valutare e seguire nel tempo la quantità
dei “bad pixels”.
8. Caratterizzazione della qualità di un sistema
per imaging
Prestazioni del sistema Qualità delle immagini
Valutazione della qualità
Qualità percepita: basato su un osservatore esperto (curve dettaglio
contrasto = valutazione complessiva delle caratteristiche di
contrasto/rumore/risoluzione del sistema)
Qualità misurata: basato sulla misura di grandezze indice
indipendentemente dal sistema che ha prodotto le immagini
Misura preliminare: Curva di risposta caratteristica
Grandezze indice:
MTF (Modulation Transfer Function)
NPS (Noise Power Spectrum)
NEQ (Noise Equivalent Quanta)
DQE (Detective Quantum Efficiency)
9. Interrelazione fra gli attributi di qualità e le
grandezze indice
Contrasto
MTF NEQ
CCD
Risoluzione Rumore
NPS
10. Formazione dell’immagine: teoria dei sistemi
lineari
y
Imaging detector
z
e
fascio
incidente
X
x
f(x,y)
g(x,y)
y
y
x
x
+∞
g ( x, y )= ∫∫ f ( x, y ) PSF ( X − x,Y − y )dxdy
−∞
11. Convoluzione nello spazio delle frequenze:
spettro della funzione immagine
G (u , v) = OTF (u , v) ⋅ F (u , v)
G = FT { g ( x, y )}
F = FT { f ( x, y )}
OTF = FT { PSF ( x' , y ' )}
12. Teoria dei sistemi lineari (1)
Le proprietà di un sistema lineare spazialmente invariante ideale
possono essere descritte con formalismo matematico:
Linearità dati f(x,y) e f’(x,y) input del sistema e g(x,y) e g’(x,y)
output del sistema allora l’immagine della combinazione
lineare c f(x,y) + d f’(x,y) deve essere c g(x,y) + d g’(x,y)
Invarianza per traslazione
se g(x,y) è l’immagine di f(x,y) attraverso il sistema, allora
l’immagine di f(x-x’,y-y’) deve essere g(x-x’,y-y’)
Nei sistemi non lineari Invertendo la curva di risposta fra ingresso ed uscita
è possibile riportarsi alla dose equivalente in ingresso ed utilizzare così il
formalismo dei sistemi lineari.
13. Teoria dei sistemi lineari (2)
Modulation Transfer Function:
Mout Informazioni sulla risoluzione
MTF= spaziale del sistema in assenza
Min del rumore.
Noise Power Spectrum (Wiener):
Informazioni sul livello di
2
NPS (u,v)= FT [ I ( x, y )] rumore alle diverse frequenze
spaziali.
14. Teoria dei sistemi lineari (3)
MTF 2 Noise Equivalent Quanta:
NEQ = informazioni sul rapporto S/N
(risoluzione e/o soglia di
NPS norm contrasto)
Detective Quantum
2
SNRout MTF 2 NEQ Efficiency:
DQE = 2
= = indicazioni sulle
SNRin NPS norm q q prestazioni della
“tecnologia” usata
(quanto ci si avvicina
al rivelatore ideale)
15. Curva di risposta
Corrispondenza fra i valori digitali del pixel e
l’esposizione in ingresso al rivelatore:
•Curva di trasferimento lineare
•Curva di trasferimento non lineare (logaritmica, radice
quadrata ecc.)
E’ utile per riportare i valori digitali in uscita a
esposizione in ingresso.
16. Set-up per la misura della curva di risposta
Filtrazione aggiuntiva
180cm
Camera a ionizzazione
Piombo
17. Esempi di misure: curva di risposta
Funzione di trasferimento Dose-PV
lineare
Transfer Function
1600,00
1400,00
1200,00
1000,00
Pixel value
800,00
600,00
400,00
200,00
0,00
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00
mR
18. Esempi di misure: curva di risposta (2)
Funzione di trasferimento Dose-PV
non lineare (logaritmica)
19. Campionamento spaziale del segnale
b
a: pitch
b : pixel size
frequenza di campionamento:
fs = 1/a
fill factor = (b/a)2
a
20. OTF/MTF
Optical Transfer Function è definita come la
trasformata di Fourier (2D) della risposta del
sistema ad una funzione delta in ingresso. Nel
caso 1-D può essere utilizzata la Line Spread
Function:
+∞
OTF ( f )= ∫ LSF ( s )⋅e −i⋅2π ⋅ f ⋅s ds
−∞
La Modulation Transfer Function è definita come il modulo della
OTF:
MTF (u ,v)= OTF (u ,v)
Per i sistemi analogici la definizione operativa non è ambigua, per i
sistemi digitali vi sono problemi legati al campionamento.
21. MTF di precampionamento
MTF di conversione (interazione nel materiale
attivo: conversione X-luce, conversione X-cariche):
MTFconv
MTF dell’apertura del pixel di campionamento (pixel
circolare gaussiano nei sistemi a scansione laser,
oppure quasi quadrato): MTFA
MTFPRE = MTFconv × MTFA
24. MTF digitale
MTF digitale diventa una replica periodica dell’MTF
analogica con ripetizione pari a fS=1/a :
k =+∞
MTFd ( f )= ∑MTFPRE ( f −k⋅ f s )
k =−∞
27. Teorema del campionamento
Sistema a banda limitata fB : per evitare l’aliasing il
teorema del campionamento stabilisce che la
frequenza di campionamento fs = 1/p deve essere
sufficientemente grande:
fs ≥ 2 ⋅ fB (frequenza di Nyquist fN = ½ fS)
In presenza di aliasing lo spettro del segnale è
distorto in quanto le frequenze superiori alla
frequenza di Nyquist si ritrovano shiftate a
frequenza più bassa.
40. Noise Power Spectrum
Definizione operativa:
<| FT ( flatfield ( x, y )) |2 >
NPS (u , v) = ∆ x∆ y
NxNy
L’integrale del NPS è legato alla varianza del
segnale:
σ =∫∫NPS (u ,v)dudv
2
Il segnale deve essere trasformato come esposizione in
ingresso (curva caratteristica).
41. Noise Power Spectrum (2)
Cause del rumore
La più importante componente di rumore è data dalla
radiazione assorbita (rumore quantico poissoniano);
in generale vi sono altre componenti (rumore elettronico,
rumore strutturato, sorgente laser (CR), ecc…)
Tutte le componenti di rumore sono additive.
In un flat-panel:
NPS ( f , D) = α ⋅ D ⋅ MTF 2 + β ⋅ D 2 + γ
(α rumore quantico, β rumore moltiplicativo, γ rumore additivo
42. NPS sottocampioanto
Nel caso di MTFpre troppo alta alla frequanza di
Nyquist
imaging detector è sottocampionato: lo spettro di
rumore è quasi piatto (“white noise”). Per quanto
riguarda il rumore non è sempre ottimale avere la
migliore MTF: si perde in soglia di contrasto.
Conviene che il pitch si adatti alla MTF.
43. Noise aliasing: simulazione
•Oggetto test sintetico con aree di diversa
dimensione e contrasto in un fondo
uniforme
•Rumore quantico aggiunto
•Trasformata di Fourier 2D
•Moltiplicazione per due funzioni MTF
(aliased e non)
•Trasformata di Fourier 2D inversa
46. NPS 2-D:elaborazione dei dati
1) ROI di dimensioni 64x64 o
128x128 o 256x256 shiftate di una
semi-larghezza sia in orizzontale che
in verticale
2) Per ogni ROI: calcolo del modulo
quadro della trasformata di Fourier
2-D delle fluttuazioni del segnale,
riportato come esposizione in
ingresso, rispetto alla media.
3) Media d’insieme su tutte le ROI
Suggerimenti:
•Media di alcune centinaia di ROI
(errore relativo ≈ 1 )
M
•Minimizzazione della deriva del
segnale per effetto anodico
48. spettro rumore 2-D: effetto della griglia
NPS a 70kVp 2.5µGy NPS a 70kVp 2.5µGy
senza griglia con griglia
49. spettro rumore 1-D
NPS normalizzato 1-D ottenuto come funzione della frequenza
radiale f, mediando NPS 2-D su corone circolari (step di 0.1
lp/mm) con esclusione degli assi principali oppure su strisce
parallele ai due assi sempre escludendo i due assi principali
57. Rapporto Segnale Rumore vs. dose
SNR ≈ 55 a 1.25µGy ingresso
SNR ≈ 82 a 2.5µGy (in un CR si ottiene a ≥ 5µGy)
SNR ≈ 118 a 5µGy
300
280
260
240
220
200
180
160
SNR
140
120
100
80
60
40
20
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
KERMA [µGy]
58. Detective Quantum Efficiency
NEQ( E , f )
DQE ( E , f ) =
Q
photons
q[ ]
mm ⋅ µGy
2
J.M.Boone et al., “Molybdenum, rhodium and tungsten anode spectral models using interpolation
polynomials with application to mammography”, Med. Phys. 24(12), December 1997, 1863-1874
64. Flowchart procedura misura parametri
Curva di risposta rivelatore
Spettro LSF
MTF
EMTF NPS
numero
fotoni per
unità di sup
e unità di dose NEQ
DQE
65. Analisi contrasto dettaglio
Valutazione globale della qualità delle immagini: qualità
percepita (osservatore)
CDRAD, TO12, TO16 CDC (contrast-detail curve)
• CDC = curve che rappresentano i più piccoli oggetti visibili in
funzione del loro contrasto relativo
HTA = 1/(CT A ½) indice di rivelabilità
IQF = Σ i Ci · Di,min (dove Di,min è il diametro del più piccolo particolare
con contrasto Ci visibile sull’immagine). IQF diminuisce
all’aumentare della qualità.
COR= (Numero totale di osservazioni corrette / Numero totale
di particolari nel fantoccio)*100
71. Artefatti da persistenza
1) Esporre ad alta dose oggetto
con forte contrasto
2) Riesporre a basso dosaggio
3) Contrastare con window & level
l’immagine
72. Immagine ghost da persistenza
Flat Panel (DR selenio) CR (ciclo di cancellazione)
74. Artefatti da bad pixel/line
Il costruttore dovrebbe dichiarare quanti bad pixels sono
accettati al massimo nel digital panel.
75. Un nuova versione del protocollo per i
CQ
sui sistemi CR
I punti salienti del protocollo:
normativa e documenti tecnici di riferimento
(la nuova release AAPM Task Group 10
(Ottobre 2006)
i report KCARE….)
i parametri da controllare (per tutti i plate?, per ogni dimensione? per
ogni sensibilita’ dei fosfori?)
la periodicita’ dei controlli
le procedure operative per la valutazione e/o misurazione di ogni
parametro INDICI DI ESPOSIZIONE vs DOSE
i valori di riferimento e le relative tolleranze
Definizione quantitativa dei limiti di accettabilita’
La validazione del protocollo sul sistema CR-AGFA in
fase di installazione presso l’Azienda Ospedaliero-
Universitaria Careggi
76. Componenti oggetto del CQ
Lampada e Piastra ai fosfori Laser e
sistema di sistema di
cancellazione scansione
Segnale Sensibilita’ e Risoluzione Produttivita’
di buio indice di esposizione Spaziale limite oraria
dello scanner
Permanenza Uniformita’ di risposta Funzionalita’
scansione laser Software
di artefatti per misurare
Curva di risposta
le distanze
Uniformita’ di campo
SNR
Scala di contrasto
77. La catena di formazione del
segnale
Scrittura
PMT su file
Filtro
Analogico ADC
Amplificatore Conversione
analogico 10 – 15 bit
(Logaritmico
o
Potenza)
78. Quale segnale digitale?
PV
Agfa Konica
(SAL) (S-Value)
Fuji
Kodak (Sensitivity Value)
(E.I.)
Relazione sensitometrica che
lega l’indice di esposizione direttamente
al Kerma in aria in ingresso al rivelatore
PV = f( E(uGy) )
79. Indici di Esposizione - AGFA
S
SAL(S) = α 0 • • Esposizione(uGy )
S0
con S0 = 200
e α 0 = 410 per PLATE MD10
Indice di esposizione proprietario lgM
lgM = logaritmo del valore dell’esposizione mediana
dell’istogramma raw
Fornisce indicazioni all’operatore riguardo al livello
di esposizione verificatosi nell’esame
lgM = log ( SAL) − 3,9477
2
80.
81. Setup per la misura di esposizione al
plate
Necessita’ di conoscere l’esposizione in ingresso al plate per valutazione di:
•relazione sensitometrica
•validita’ degli indici di esposizione
•conoscenza del punto di lavoro
Fuoco del tubo radiogeno
Filtro aggiuntivo
SID SDD
(>150cm) (100-120cm)
Camera ionizzazione
Piano di appoggio del plate
>30 cm
!!!l Ridurre la radiazione diffusa
82. Rendimento dell’apparecchio RX
35,00
Dose(uGy) = 0,501uGy/mAs * mAs - 0,57 uGy
Tensione 75 kVp 2
R = 0,9997
tubo 30,00
Dose in ingresso al plate (uGy)
Filtrazione 1,5 mm
aggiuntiva Cu
25,00
SDD 110,5
cm
20,00
SID 140,3
cm
Tempo 100 ms 15,00
esposizion
e 10,00
5,00
0,00
0 20 40 60 80
mAs registrati
83. Componenti oggetto del CQ
Lampada e Piastra ai fosfori Laser e
sistema di sistema di
cancellazione scansione
Segnale Sensibilita’ e Risoluzione Produttivita’
di buio indice di esposizione Spaziale limite oraria
dello scanner
Permanenza Uniformita’ di risposta Funzionalita’
scansione laser Software
di artefatti per misurare
Curva di risposta
le distanze
Uniformita’ di campo
SNR
Scala di contrasto
84. Setup per esposizione uniforme del
plate
Fuoco del tubo radiogeno
SDD > 150 cm
Filtro 1.5 mm Cu
Cassetta CR
85. Rimozione della disomogenita’ del
campo X
Metodo della doppia esposizione
Misura del campo X
Punti di misura del campo X
~7 cm
in termini di dose in ingresso al plate
87. Flat Field
Esposizione Uniforme con classe
esposizione S=200
Modalita’ di lettura
• System Diagnosis
• Flat Field
Diversi valori di esposizione
88. Curva di Risposta
Dalla relazione fra SAL e Dose si ricava il coefficiente α :
SAL = 415 * Dose 0.5
R2 = 0,9997
3000
2500
2000
α =(415 +/- 6)
SAL
1500
1000
500
0
0,000 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000
Dose (uGy)
SAL(S) = α Esposizione(uGy ) S0=200
90. Cassetta 18x24
0,90
Uniformita’ di campo
0,80
0,70
Circa 20 uGy in ingresso al plate 0,60
0,50
CV
0,40
0,30
0,20
CV = SD(SAL5ROI) / Media(SAL5ROI) 0,10
0,00
cod28 A
cod34 cod35 cod37 B cod38
Codice Plate
2
Coefficiente variazione CV
C
1,5
Scarti massimi relativi in direzione
orizzontale e verticale D E
1
Scarti massimi relativi in direzione
0,5
orizzontale e verticale
0
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43
Numero Plate
91. 180,0
160,0
140,0 SNR
SNR ROI centrale
120,0
Misura del SNR su 4 ROI periferiche e 1 centrale
100,0
80,0
60,0
40,0
20,0
0,0
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43
Rapporto segnale rumore a grande cassetta
Numero scala
SNR = Media(SAL)/ SD(SAL)
Uniformita’ di campo del SNR
NUi = [ SNRROIi – MEDIA5ROI(SNR) ] / MEDIA5ROI(SNR)
92. Scala di contrasto
?
Procedura da implementare per un sistema CR generico.
Nel caso AGFA si utilizza un cuneo a gradini come oggetto di test.
Selezione di una qualita’ del fascio standard:
FDD = 100 cm
Tensione (70 +/-1) kVp
Fuoco grande
Corrente costante 200 mA
Dose (47 +/-1) uGy
Parametri di lettura:
S=400 con protocollo proprietario AGFA
93. Scala di contrasto
4
3,5
3
2,5
log(SAL)
2
1,5
1
0,5
0
0 2 4 6 8 10
Steps
Riproducibilita’ nel tempo del
valore del gradino
94. Componenti oggetto del CQ
Lampada e Piastra ai fosfori Laser e
sistema di sistema di
cancellazione scansione
Segnale Sensibilita’ e Risoluzione Produttivita’
di buio indice di esposizione Spaziale limite oraria
dello scanner
Permanenza Uniformita’ di risposta Funzionalita’
scansione laser Software
di artefatti per misurare
Curva di risposta
le distanze
Uniformita’ di campo
SNR
Scala di contrasto
95. Immagine di buio
Cassetta non esposta
Ciclo di cancellazione completo
Parametri di lettura e analisi
S=800
ROI>80% immagine
Limiti di accettabilità
Assenza di artefatti visibili con
WW e WL clinici
SAL<=100
96. Immagine di buio
Il SAL dipende dal ciclo di cancellazione (diverse modalita’ di cancellazione)
Segnale di buio
140
120
100
80
SAL
60
40
20
0
24x30 21x43 18x24 35x43
Formato Cassetta
Nota: Il report AAPM richiede SAL <130
Problema noto per plate MD4.0; secondo AGFA il SAL dovrebbe scendere
dopo 2-3 settimane di utilizzo clinico
97. Ciclo di cancellazione
Procedura:
Selezionare campo (10*10) cm2
Posizionare oggetto (5*5) cm2 ad alta attenuazione al
centro del plate (DFF=150 cm)
Parametri del fascio 80 kVp, 25 mAs, no filtro
Scansione del plate con algoritmo clinico standard di
ricostruzione immagine
Selezionare campo (9*9) cm2
Esporre senza oggetto e filtrazione a 80 kVp, 0.5-0.7 mAs
Scansione del plate in modalita’
System Diagnosis – Flat field
98. Ciclo di cancellazione
Calcolare il fattore di “ghost” GF
GF= (SALROI2 – SALROI1 )/ SALROI1
ROI2
Fattore di "ghost" ROI1
1,0%
0,9%
0,8%
Fattore di "ghost"
0,7%
Tolleranza:
0,6%
Non devono essere visibili immagini “ghost” dopo
0,5%
aver impostato una finestra molto stretta e
0,4%
aggiustato il livello della scala dei grigi.
0,3%
0,2%
Il fattore di “ghost” deve essere inferiore a 1%
0,1%
0,0%
35x43 18x24 24x30 21x43
Dimensioni cassetta
99. Componenti oggetto del CQ
Lampada e Piastra ai fosfori Laser e
sistema di sistema di
cancellazione scansione
Segnale Sensibilita’ e Risoluzione Produttivita’
di buio indice di esposizione Spaziale limite oraria
dello scanner
Permanenza Uniformita’ di risposta Funzionalita’
scansione laser Software
di artefatti per misurare
Curva di risposta
le distanze
Uniformita’ di campo
SNR
Scala di contrasto
100. Risoluzione Spaziale
Parametri di esposizione:
DFF = 150 cm
50 kVp +/- 5 kVp
10 uGy in ingresso al plate
Oggetto test a 45°
Criterio di accettabilita’:
Il limite di risoluzione visivo deve essere maggiore o uguale al 90% della frequenza
di Nyquist fNy (1.41 * fNy se le barre sono a 45°)
101. Risoluzione Spaziale
+ metodo di valutazione quantitativo della modulazione
?
Esperienza con plate AGFA MD4.0 e lettori CR85-x e CR35-X:
La risoluzione spaziale massima e’ leggermente inferiore ai limiti di tolleranza
adottate (varia fra 80% e 90% della fNy)
(Test di Huttner, gruppo di fenditure a 6.3 lp/mm)
102. Funzionalita’ raggio laser
Visualizzare l’immagine con finestra di
contrasto molto stretta
Verificare che il profilo sia a gradino
Per tutta la lunghezza del plate
103. Varie…
Software per misurare le distanze
Artefatti di Moire’
(accoppiata griglia – pixel size)
Produttivita’ oraria dello scanner
104. Esempio: Griglia con 7lp/mm utilizzata
con sistema CR a risoluzione
standard (6lp/mm)
105. Esempio: Griglia con 7lp/mm utilizzata
con sistema CR a risoluzione
standard (6lp/mm)
106. Il protocollo di CQ per un sistema
DR
Apparecchiature basate su
sistemi Digitali Diretti (DR)
Active Matrix Flat Panel
Imagers (AMFPI)
107. Apparecchio DR con FP statico per
grafia
FPI Trixell Pixium 4600 CsI-aSi (4-tiled) (Axiom Aristos FX, Siemens):
• campo 43cmx43cm, matrice 3000x3000
• pitch di campionamento di 143mm
• ADC 14bit, immagine ricostruita a 12bit (gain ricostruzione a scelta),
AEC con “speed ISO”: 200,280,400,560,800
108. Apparecchio DR con FP dinamico per
angiografia
FPI (GE – Innova 3100) con scintillatore CsI-aSi mono-piastra
• campo 31cmx31cm, matrice 1024x1024
• pitch di campionamento di 200mm
Fantoccio per
Quality
Assurance
Program - QAP
109. Valutazione prestazioni mediante indici di
qualità
R.F., Uniformità spaziale, MTF, RNS, SNR, bad pixel,
ghost, basso contrasto, conviene anche NPS, NEQ,
DQE, IDQE
per diverse dosi in ingresso al rivelatore, consigliato intervallo da 0.5µGy a
40µGy
modalità “service” su immagini “raw data” o Dicom “DX for processing”. Con
immagini “DX for presentation” occorre linearizzare la risposta PV vs.
ESAK.
Riferimenti:
• Linee guida AIFM
• IEC 62220-1 (IEC 62220-1 2 e 3 per angio e mammo sono work in
progress)
• Handbook of Medical Imaging vol. 1. SPIE Press (2000)
• Letteratura di Medical Physics
111. Misure preliminari
Scelta di una qualita’ del fascio X
secondo protocollo clinico
Calibrazione apparecchio (ESAK vs
mAs)
112. Set-up di misura ed esposizione
flat-fieldrendimento
•Misura del
fuoco
collimatore
filtro
•Esposizione “flat-field”
•Per indici qualità: fascio
IEC-61267: RQA5 - RQA7 - RQA9
•Per uniformità e costanza qualità
fascio costruttore
griglia •distanza fuoco-detettore >140cm
detettore
•Esposizione con e senza griglia
Tutte le valutazioni devono essere condotte su immagini
convertite in dose
113. Correzione flat field and dark field
Flat Panel DR: e’ un RIVELATORE unico
Procedura di omogeneizzazione per ogni pixel riguardo
a:
offset (meno stabile nel tempo)
guadagno (sensibilita’) (piu’ stabile nel tempo)
Correzione dei “bad pixel”
114. Calibrazione rivelatore
esposizione a diversi valori di dose per fissare offset e guadagno di
ciascun pixel della matrice e correggere l’immagine ricostruita
immagine
non corretta
115. Procedura di flat field
Calibrazione
• Attenzione alla presenza di griglia antidiffusione
Controllare presenza di bad pixels o
bad lines
!! In tutte le misure utlizzare una modalita’ di esportazione delle immagini
in cui i pixel values siano legati alla dose da una relazione analitica nota,
e riportare tutte le misure in termini di dose
116. Immagine di buio
esposizione a 40kVp 0.6mAs,
Schermo Pb 2mm e rivelatore se possibile fuori campo
PV SD limite temperatura
dark field 13.31 0.47 10% rif. 42.5°C
118. Non uniformità di risposta
Dosi in ingresso di circa 2,5 uGy
ROI 3cm x 3cm sovrapposte di 1.5 cm nelle due direzioni
Segnale, rumore e rapporto segnale-rumore
119. Non uniformita’ di risposta
Qualche problema …
Su quale frazione del campo ?
Le grandezze devono essere definite
con precisione !
•NU locale
•NU globale
•NU assoluta o integrale
Limiti ragionevoli ? Da validare !!
127. Misura della LSF/ESF
LSF e ESF slit camera e edge (norma IEC)
supercampionati esposizione slit e edge inclinati rispetto a
griglia pixel:
MTF = FT{[LSF]} angolo inclinazione <5° ottenuto come best
fit dei baricentri delle singole LSF
MTF = FT{d/dx[ESF]}
128. Calcolo MTF
Presampling Modulation Transfer Function
Siemens Aristos FX (Trixell Pixium 4600, pitch 143µm)
1.00
0.90
0.80
0.70
0.60
MTF
0.50
0.40
0.30
0.20
fN
0.10
0.00
0 1 2 3 4 5 6
-1
Frequency [mm ]
variazione <10% rispetto al costruttore ???
129. Artefatti: bad pixel
Taratura del sistema: analisi eseguita su immagini non
corrette bad pixel sono sostituiti (via software) dal
valore dei pixel vicini.
Criterio analisi: analizzare i pixel dell’immagineper cui il
segnale > 7 volte la SD del valore medio nella regione.
frazione
bad pixel
=1.88 10-4
(180)
131. DQE medio vs. dose ingresso
Ottimizzazione uso apparecchio: punto di lavoro
ADQE vs. KERMA
70kV filtrazione: rame 0.6mm
0.5
800 560 400 280 200
0.4
0.3
<DQE>
0.2
ADQE=IDQE/(fmax-fmin)
0.1
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
KERMA [µGy]
132. Rapporto Segnale Rumore vs. dose
ingresso
SNR ≈ 55 a 1.25µGy
SNR ≈ 82 a 2.5µGy (in un CR si ottiene a ≥ 5µGy)
800 560 400 280 SNR ≈ 118 a 5µGy
200
300
280
260
240
220
200
180
160
SNR
140
120
100
80
60
40
20
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
KERMA [µGy]
133. Monitor: stato dell’arte
CRT (cathode ray tube):
monitor con tubo a raggi catodici LCD (liquid crystal display):
monitor con matrice a cristalli
liquidi
134. LCD vs. CRT
LCD CRT
•Geometria perfetta •Geometria da correggere
•Effetto Pixelatura (linee nere tra pixel) •Immagine continua
•MTF quasi perfetta (MTF ≈1) •Modulation Transfer Function (MTF <1)
•Sharpness uniforme •Sharpness meno uniforme
•600:1 rapporto contrasto (stanza al buio) •1000:1 rapporto contrasto (stanza al buio)
•Rapporto di contrasto dipendente da •Rapporto di contrasto indipendente da
angolo di vista angolo di vista
•Bianco “tipo LCD” •Nero “tipo CRT”
•Nero più chiaro •Nero molto scuro
•Bassa riflessione luce ambientale •Alta riflessione luce ambientale
•Minore stabilità •Buona stabilità
•Velocità di risposta minore •Velocità di risposta “istantanea”
•Persistenza immagine •Bassa persistenta immagine
•Invecchiamento della backlight •Invecchiamento del fosforo
•Invecchiamento indipendente dalla •Invecchiamento dipendente dal contenuto
luminosità dell’immagine
•Nuova Tecnologia •Tecnologia matura
•Basso consumo di energia •Alto consumo di energia
•Assenza di flickering •Flickering dell’immagine
135. Dimensioni
Singolo o doppio monitor da 18” a 21”
Dimensione tipica del pixel del monitor: 150 µm a 300 µm
Risoluzione o dimensione tipica della matrice del quadro e
numero totale di pixel (MegaPixel):
1.3MP : 1024 x 1280 (rapporto di formato 5/4)
2MP : 1280 x 1600 (rapporto di formato 4/3)
3MP : 1536 x 2048 (rapporto di formato 4/3)
5MP : 2048 x 2560 (rapporto di formato 4/3)
136. Intervallo di luminosità
La luminanza massima dipende dal tipo di
display:
2000 - 4000 cd/m2 per un negativoscopio per film
200 - 400 cd/m2 per un monitor diagnostico a CRT
500 - 700 cd/m2 per un monitor diagnostico a LCD
La luminanza minima (nero) dipende da:
tipo di display (riflessioni e diffusioni di luce all’interno dello
schermo)
condizioni di luce ambientale
con un CRT si ottiene una luminanza minima più bassa.
Rapporto di contrasto (Lmax/Lmin) almeno
240:1 (ottimale 600:1)
137. Alcune grandezze fotometriche
Grandezza fotometrica Equivalente dimensionale o definizione
Lumen [lm] [W]=[J/s] (in cui l’energia e’ pesata con
una funzione psicofisica di equivalenza in visibilita’)
Energia luminosa [J]
[lm*s]
Intensita’ luminosa
Intensita’ luminosa energia della luce visibile emessa in
un secondo da una superficie
unitaria in un anglo solido unitario
Luminanza [lm/
(sr*m2)]=[cd/m2]=[ Descrive la potenza luminosa che
colpisce una superficie
nit]
Illuminanza
138. Catena visualizzazione immagine
Standard DICOM
Ottimizzazione durante Image Processing Standardizzazione
sistemi di visualizzazione
139. ..un po’ di nomenclatura…
Pixel Value
Grayscale values
p-values presentation values
DDL
Monitor characteristic function
140. Catena visualizzazione immagine
Valori numerici digitali in uscita dal rivelatore ->ADC
Correzioni di Flat field, guadagno, rebinning…
Immagine “raw” in uscita dalla modalita’ 1001010100011111..
Salvattaggio su disco come matrice numerica di pixel o voxel
(pixel values o grayscale values, tipicamente 12 o 16 bit per pixel
Image processing addizionale
(windowing, filtri di vario tipo, inversione,…)
Presentation Values (p-values) inviati al sistema di visualizzazione
141. ..entra in gioco il sistema di
visualizzazione…
Presentation Values (p-values) inviati al sistema di visualizzazione
L.U.T
Valori digitali per comandare l’hardware (DDL)
Characteristic Function (da DDL a luminanza)
Immagine presentata al display (in termini di luminanza)
L.U.T
C.F.
142. ..entra in gioco il sistema di
visualizzazione…
L.U.T
C.F.
Curva caratteristica (mappa DDL in luminanza)
Non tiene conto della luce ambientale
Display Function (mappa DDL in luminanza)
Tiene conto degli effetti della luce ambientale
Lo standard DICOM introduce una funzione che mappa i p-values in DDL in modo
che uguali variazioni di luminosita’ siano dovute ad uguali variazioni in p-values
144. La GSDF
Introduzione del concetto di
Grayscale Standard Display Function
L.U.T
C.F.
Sistema di
visualizzazione
standardizzato
GSDF
da p-values a log luminance
145. Valutazione delle prestazioni
AAPM Task Group 18
Assessment of Display
Performance for Medical
Imaging System AAPM
Altri riferimenti:
•Recommended Pratice SMPTE
•DICOM 3 (parte 14)
•AIFM: Report (2002)
•Norma CEI EN 31223-2-5
Immagini test “TG18-xxxx”
prodotte dal gruppo di lavoro
146. Tipologie di controlli
1. Controlli qualitativi con immagini test di uso
generale
2. Controlli quantitativi con immagini test dedicate per
la valutazione separata e per la quantificazione
numerica di alcuni fattori di qualità,
es: risoluzione, scala di contrasto, uniformità etc..
3. Controlli avanzati: strumentazione dedicata
impiegata per lo più dal costruttore per la misura di
caratteristiche particolari,
es: risposta angolare, riflettività dello schermo ..
147. Principali parametri da verificare
La calibrazione della scala dei grigi e il suo controllo nel tempo
è il primo passo per la messa a punto di un sistema di
refertazione a monitor (soft-copy)
Alcuni altri parametri di qualità dei monitor:
scala dei grigi
luminanza del bianco e del nero e rapporto di contrasto
uniformità
risoluzione orizzontale e verticale
rumore
glare
riflessione luce ambientale
148. Calibrazione secondo lo standard
DICOM (PS 3.14)
La curva Dicom oltre a risolvere l’inconsistenza nella visualizzazione delle
immagini fra monitor diversi linearizza anche la risposta percettiva del
sistema occhio-cervello nella visione di dettagli a basso contrasto su tutta
la scala luminosa.
150. Linearizzazione della percezione
Il numero di differenze di grigio che possono
essere percepiti in una immagine radiografica
dipendono dai valori Lmax e Lmin
L m in L m ax J u s t n o t ic e a b le
2 2
(c d /m ) ( c d /m ) d iffe r e n c e s ( J N D )
0 ,5 120 450
1 240 530
2 480 600
5 1200 680
10 2400 730
152. Curva caratteristica e calibrazione
Il computer a cui è connesso il monitor, e dotato della scheda grafica
opportuna (con look-up table programmabile), deve essere corredato di un
programma di calibrazione della curva di risposta luminosa.
Si possono presentare due casi:
Monitor dotato di sensore interno: deve essere lanciato il programma di
calibrazione il quale genera una serie di immagini uniformi a luminosità
crescente e il sensore interno ne misura la luminanza.
L’operatore deve solo scegliere il tipo di curva di calibrazione (Dicom, lineare,
gamma etc.) e i valori massimi (bianco) e minimi (nero) di luminosità a cui
fare lavorare il monitor. Dopo aver misurato la curva caratteristica il
programma calcola la tabella di look-up necessaria per ottenere la curva di
risposta effettiva voluta, e la memorizza permanentemente nella scheda
grafica o in una memoria del monitor.
153. Curva caratteristica e calibrazione
Monitor dotato di sensore esterno: il sensore esterno deve essere collegato
alla porta seriale del computer o a una porta dedicata sullo stesso monitor.
Relativamente al programma di calibrazione valgono le considerazioni del
caso precedente. In questo caso però il misuratore deve essere appoggiato
al centro dello schermo dove viene visualizzato un quadrato a luminosità
crescente.
Verifica della calibrazione: deve essere misurata
di nuovo la curva di risposta e confrontata con la
curva impostata (es: Dicom). Se il programma
genera una “funzione d’errore” (scarti) e lo
scarto massimo di calibrazione il valore deve
essere confrontato con la specifica del
costruttore ed eventualmente, se fuori
tolleranza, ripetere la calibrazione.
154. …calibrazione e verifica
Se il sistema non fornisce automaticamente le immagini per la calibrazione,
vi sono 18 immagini del TG18 (TG18-LNxx).
Le stesse immagini
possono essere
usate per la
verifica (Dicom
compliance) della
calibrazione
Deve inoltre
essere verificata la
costanza del livello
di bianco e di nero.
157. LUT di correzione per taratura Dicom
(Monitor CRT)
768
Output Index
512
LUT-Dicom
LUT-Lin
256
0
0 256 512 768
Input Index
158. … verifica calibrazione
1. Si misura di nuovo la curva di risposta (L vs. DDL)
2. Si confrontano i valori di L ottenuti con quelli teorici della
GSDF e si calcola una funzione d’errore:
a) RMSE delle differenze dei JND rispetto al valore medio
o come scarto della L rispetto a quella teorica (<1 molto
buono, fra 1 e 2 accettabile, >2 non accettabile) .
b) FIT con curve di diverso grado: più alto è il grado
peggiore è il conformance.
Si confrontano i valori con le specifiche del costruttore o con
valori di base stabiliti al collaudo
159. Es: verifica di conformità della
calibrazione
Luminance deviation relative to Dicom GSDF
0.80
0.60
Luminance Deviation (cd/m2)
2
0.40
0.20
0.00
-0.20
-0.40
-0.60
-0.80
-1.00
0 200 400 600 800 1000
DDL
DDL di solito sono 256 o 1024 valori
163. Uniformità di visualizzazione
luminosa
Immagine test a 5 quadranti per la misura della non uniformità di luminosità del
monitor: TG18-UNl10 e TG18-UNL80 che corrispondono ad una luminosità che
è rispettivamente il 10% e l’80% di quella massima.
164. Uniformità di visualizzazione
luminosa
La non uniformità di luminanza è definita come il massimo scarto rispetto
alla media del valore minimo e massimo misurato nelle cinque aree:
NU = 2 * (Lmax- Lmin)/(Lmax+ Lmin) * 100
Deve essere usato un sensore di luminanza e appoggiato nei 5 diversi
quadranti per misurarne la luminosità. Questa operazione non è
vincolata alla presenza di un programma presente nel software di
qualità del monitor, anche se molti programmi prevedono comunque
tale semplice test.
Oltre all’indice sintetico di non uniformità percentuale NU è utile, per
avere una visione diretta della variabilità di risposta luminosa, riportare i
valori della misura come scarto relativo al centro dello schermo, come
nell’immagine seguente …
165. … uniformità
92 89.5
100 NU = 11.1 %
scarto max
assoluto
rispetto al
97.6 92.4 centro = 10.5%
166. … uniformità
NU = 16.7 %
165 165
(15%) (15%)
scarto max
assoluto
rispetto al
centro = 15 %
195
valori di luminanza
(0%)
differenza (%) rispetto al
centro
174 177
(11%) (9%)
167. Immagini test
per valutazione complessiva della
qualità
Per poter verificare visivamente che i dispositivi usati per la
visualizzazione dell’immagine abbiano qualità idonea a
massimizzare le informazioni per l’osservatore sono in uso in
molti sistemi immagini test di tipo “general purpose”.
Il più diffuso è quello SMPTE (Society of Motion Picture and
Television Engineers), mentre il più recente test dell’AAPM il
TG18-QC, sta rapidamente diffondendosi per una valutazione
un po’ più approfondita della qualità di visualizzazione di un
monitor.
Tali immagini permettono di valutare la corretta
rappresentazione della scala dei grigi, della risoluzione
orizzontale e verticale ad alto contrasto, della risoluzione a
basso contrasto, della distorsione geometrica, di eventuali
artefatti nella transizione fra zone chiare e scure etc…
169. Immagine test TG18-QC
Diversi aspetti possono essere
valutati visivamente:
• Risoluzione alto e basso
contrasto
•Distorsione
•Scala dei grigi e trasferimento
di contrasto
•Uniformità
171. Analisi immagine SMPTE
Si verifica la corretta visualizzazione di un Fantoccio SMPTE le
cui caratteristiche sono:
1. Lo sfondo del fantoccio SMPTE è un grigio uniforme al 50%
del livello massimo. Questo permette di rivelare ogni problema
di uniformità e artefatti delle immagini.
2 1 2
6
4
2
5
6
2 3 2
172. Analisi immagine SMPTE
2. Le sezioni risoluzione ad alto e basso contrasto sono incluse nel fantoccio
SMPTE al centro e ai 4 angoli. I test a basso contrasto sono della stessa
frequenza, ma variano in contrasto dal 1% al 5%. Le sezioni ad alto
contrasto presentano una modulazione in intensità del 100% ma variano in
frequenza fino al limite massimo corrispondente ad una variazione pari alla
dimensione del pixel (ad esempio un pixel bianco seguito da uno nero:
frequenza di Nyquist).
2 1 2
6
4
2
5
6
2 3 2
173. Analisi immagine SMPTE
3. Lo sfondo del fantoccio SMPTE è quadrettato (linee al 75% del livello
massimo): questo evidenzia la presenza/assenza di distorsioni spaziali.
4. Un bordo (linea al 75% del livello massimo) circonda l'intero fantoccio e
permettere di verificare se il fantoccio SMPTE è visualizzato o stampato
nella sua interezza.
2 1 2
6
4
2
5
6
2 3 2
174. Analisi immagine SMPTE
5. Una scala di grigi è posizionata all'intorno del centro dell'immagine al fine di
valutare, nel limite del possibile, variazioni non uniformi della scala di luminosità.
Il range dinamico dell'immagine viene rappresentato in undici gradini dallo 0% al
100% (con incrementi del 10%). Completano la scala dei grigi, degli inserti
quadrati sovrapposti, con incrementi del 5%, su fondo nero e su fondo bianco (5%
su 0% e 95% su 100%). Questi ultimi due step sono più difficili da vedere perché
sono agli estremi della scala di luminosità. Sempre questi due inserti forniscono un
riferimento utile per l'aggiustamento del contrasto e della luminosità del monitor
che devono essere regolati in modo da permettere di evidenziarli entrambi.
175. 6. Una coppia di finestre con estese zone di biancoSMPTE
Analisi immagine su nero e nero su bianco
permette di verificare il comportamento del sistema a prove di "stress" alle
basse frequenze. Un sistema che funzioni correttamente deve essere in grado di
riprodurre il gradino tra inserto nero e bianco in modo netto, senza
ombreggiature, sconfinamenti, tremolii o macchie.
176. Metodo Analisi immagine SMPTE
1- Analisi dell’immagine SMPTE sui monitor usati.
2- Valutazione se visibile il dettaglio 5% su 0% e 95% su 100%.
3- Valutazione delle barre di risoluzione al centro e ai bordi
dell’immagine sia in alto che in basso contrasto..
4- Osservare eventuale presenza di distorsione geometrica
5- Verificare il bordo fra nero e bianco e bianco e nero
Tolleranza
I gradini della scala dei grigi tutti risolvibili e simili per ogni
monitor calibrato. I dettagli 5% su 0% e 95% su 100% devono
essere chiaramente visibili. Le risoluzioni orizzontali e verticali
non devono differire più del 20%. Non vi devono essere aloni
intorno alle zone ad alto contrasto (rettangolo nero su sfondo
bianco e viceversa). La griglia deve essere riprodotta senza
distorsione o asimmetria.
177. Illuminazione della sala di
refertazione
La riflessione della luce
ambientale dovrebbe
essere inferiore al 20%
della luminanza minima
179. Trasferimento del contrasto a diversi livelli di grigio
Immagine (TG18-BR) (test di Briggs)
Valutazione del trasferimento del contrasto a
diversi livelli di luminosità e per dettagli di diversa
dimensione. Un buon test di “qualità globale”
180. •4 quadranti con 8 pannelli ciascuno;
•ciascun pannello contiene un pattern di 16 “checkerboard”
•il contrasto all’interno dei checkerboard, in termini di
differenza di pixel-value nei 4 quadranti, è di 1, 3 , 7 e 15.
181. Score di Briggs
Per ogni pannello indagato è assegnato uno score in base
al più piccolo checkerboard risolto da scala (da 4 a 90)
184. Confronto CRT/LCD
Abbiamo introdotto un indice sintetico IQS per confrontare
velocemente i risultati fra sistemi diversi, oppure relativamente allo
stesso monitor ma in condizioni diverse, ad esempio in presenza o
meno della calibrazione con GSDF oppure ripetendo il test per
verificare l’effetto della disomogeneità di luminanza.
IQS = somma degli score di Briggs pesati di un fattore 1, 1/2 , 1/4, 1/8
IQS n. el. alta
risoluzione
CRT 33.2 0
LCD 42.1 9
185. Glare
La luce diffusa proveniente dall’interno dello schermo crea una luminosità
diffusa e una velatura che riducono il contrasto.
Rapporto di glare GR = (LB-LN)/(L-LN) basso glare alto GR (>400)
LB L LN
186. Controlli periodici
I controlli sui monitor per refertazione devono essere eseguiti dai fisici
sanitari (FS) e dai tecnici T.S.R.M. (TR) con le seguenti frequenze e
tolleranze:
(le frequenze indicate per i controlli di costanza sono quelle consigliate, ma possono essere modificate in
funzione delle singole realtà operative e dell’uso intensivo dei sistemi di osservazione. In particolare i
controlli qualitativi con frequenza più alta possono anche essere effettuati direttamente dall’utilizzatore e
non sono necessariamente oggetto di registrazione).
DISPOSITIVI DI VISUALIZZAZIONE
Parametri Accett. Stato Costanza Frequenza Tolleranza
Luminosità X X X trimestrale
bianco/nero FS,TR TR TR +5%
trimestrale
Calibrazione X X X
FS,TR TR TR SD<1
scala dei grigi
cd/m2
Non uniformità di X X semestrale
X TR TR 15%
campo FS,TR
Valutazione X X settimanale test di
X TR TR
immagine FS,TR accettazio
SMPTE,TG18-QC ne
Riflessione luce X X X annuale <20%
FS,TR TR TR
esterna nero
188. American Association of Physicists in Medicine (AAPM),
Task Group 18
Assessment of Display Performance for
Medical Imaging Systems
Public Draft (version 7.1), October 17, 2001
“According to the AAPM professional guidelines (AAPM 1994), the
performance assessment of electronic
display devices falls within the professional responsibilities of medical
physicists in healthcare institutions. “
“The intent of this document is to provide standard
guidelines to practicing medical physicists [……] for the
performance evaluation of electronic display devices intended
for medical use”
195. Predisposizione
Guarda l'immagine qui sotto e rispondi
velocemente:
chi è l'uomo dietro a Clinton?
Al Gore? No, è sempre Clinton con i capelli e la giacca più scuri
202. Continuità
Classico esempio di figura che produce un effetto fastidioso.
Fissa per un po' l'immagine e poi sposta lo sguardo su un muro
bianco. Vedrai un effetto interessante...