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Torino 10 dicembre 2004 Torino 10 dicembre 2004 -- Corso teoricoCorso teorico--praticopratico“Controllo di qualità in radiologia digitale”“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Digitalizzazione e interventistica
Nuccia CanevarolloFisica Sanitaria – A.O. Villa Scassi - Genova
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-Cardiologia-Angiologia-Oncologia-Neurologia-Gastroenterologia-Urologia-Ginecologia-Reumatologia-Ortopedia
55%
7%5%
6%
5%3%
19%
angioplastica
embolizz.ni
tratto biliare
tratto urinario
drenaggi
terapia dolore
biopsia
(Germania 1994)
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Procedure IR per milione nel 1993-Germania 862 Media Europea 343/milione-Olanda 759-Francia 565-Svezia 423-Regno Unito 226 -Spagna 201-Italia 181 (Journal of Interv.Cardiol. 1996)
Incremento in Italia:delle coronarografie da 0,7/1000 pop nel ’90 a 1,3/1000 nel ’95delle PTCA da 0,1/1000 pop nel ’90 a 0,25/1000 nel ’95
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Procedura angiografica cardiaca
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Procedura angiografica
Fluoroscopia Fluorografia: acquisizioni single shot o in serie veloce
con registrazione digitale su video direttamente dal rivelatore
DSA: acquisizione di mask image (senza mdc); sequenza di immagini con mdc
Tempo di fluoroscopiaFrequenza di acquisizione (7,5 - 30 fps)Numero di sequenze (numero totale frame)Training e esperienza dell’operatore
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Procedura angiograficaDIMOND cardio Survey 2002 6 centri – 30 CD-ROM con Coronaro
N.ro medio sequenze/procedura X N.ro medio frames/sequenza (7,5 – 15,4) (62,5 – 138,2)
= N.ro medio frames / procedura(574,8 – 1417,4)
CA PTCATempo medio scopia 6’ 16’N.ro medio frames 1270 1355
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Procedura angiografica
Dose alla cute
PTCATempo medio scopia 16’ x 30 mGy/min = 480 mGyN.ro medio frames 1355 x 0,2 mGy/frame = 271 mGy
TOTALE 0,751 Gy
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Intensificatore di immagine
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Intensificatore di immagine
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Sistema fluoroscopico con II
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Sistema fluoroscopico con IIVideo cameraVidicon: strato fotoconduttivo in antimonio
Plumbicon: “ “ “ in ossido di piombo
CCD: a stato solido con array fotosensibile di fotodiodi letti da fascio elettronico
>500k45004500Durata (hr)
5<120Dark current (nA)0,1110Lag rel.
0,400,650,55Risoluzione rel.
700400variaSensibilità (µA/lumen)SiPbOSb2S3Target
CCDplumbiconvidicon
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Fluorografia digitale DF
•Riduzione dose•Ampio range dinamico•Facilità di registrazione immagini•Imaging istantaneo•Imaging dinamico (30 fps)•Riproduzione immagini senza perdita di qualità•Trasferimento PACS
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Fluorografia digitale DF
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Fluorografia digitale DF
Immagine 1024x1024x10 bit = 1 MB
Frame rate 30 fps = 30 MB/s
Iniezione coronarica 8 s = 240 Mb
Studio angiografico completo ≥ 1 GB
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Fluorografia digitale DF
Image data processing
-Windowing profondità 10 bit 1024 livelli grigio
profondità 12 bit 4096 livelli grigio
-Spatial filtering immagine rumorosa per effetti quantici o elettronici - filtro low pass smoothing
high pass filter – enfatizza edge details
-Temporal or recursive filtering
aumento del SNR su successioni immagini bassa dose, mediando diverse frames
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Fluorografia digitale DF
Digital Subtraction Angiography DSA
Immagini di vasi isolate da strutture soprastanti
Acquisizione di immagini prima e dopo iniezione di m.d.c., sottrazione, immagine del m.d.c. e artefatti da movimento
Memoria RAM tra 30 e 300 MB
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Fluorografia digitale DF
Specifiche sistema cardiologico DSA
Immagine video
CCD o plumbicon 1024 x 1024 x 10 512 x 512 x 8
Frame rate 30 – 60 fps
Image memory 320 Mbyte
Disco magnetico 1-2 Gbyte
Image processing cardiac subtraction
Clinical analysis ejection fraction
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Procedure IR
mask live
mask-live live-mask
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Fluorografia digitale DF
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Fluorografia digitale DF
Limiti sistemi convenzionali con II
Degradazione del segnale X ray
OpticsVideocamera
IIDigital Matrix 32%
Patient82%
X_ray100%
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Fluorografia digitale DF
Limiti sistemi convenzionali con IIDistorsione geometrica: curvatura fosfori di input per focalizzare gli e- sul fosforo di output
Non uniformità risoluzione (MTF)
Veiling glare: effetto cumulativo fenomeni di diffusione e trascinamento entro la catena. Perdita di contrasto. Dovuto agli scattering X nel fosforo di input, degli e-
nell’II, della luce nelle lenti.
Brightness non uniformity: perdita di luminosità dal centro ai bordi immagine, dovuta alla curvatura fosforo di input (II large FOV 30%)
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Fluorografia digitale DF
Requisiti del detettore
Fluoroscopia: segnale ordini di grandezza più basso che in radiografia
Detettore con rapporto contrasto-rumore che rimane elevato anche a bassa intensità di segnale
Radiografia: saturazione del segnale molto più elevata che in fluoroscopia
Massimizzazione contrasto/rumore per gli spettri X, i livelli di segnale, le frequenze spaziali usate in applicazioni cliniche
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Fluorografia digitale DF
Requisiti del detettore
• basso rumore (fluoroscopia)
• alta sensibilità (fluoroscopia)
• elevata capacità di segnale (radiografia)
• rapido switch tra fluoroscopia e radiografia
• possibilità di imaging dinamico (in tempo reale)
• ritenzione dell’immagine (lag) frame dopo frame trascurabile
• disponibilità di algoritmi di correzione di difetti intrinseci al materiale di rivelazione (non uniformità spaziale gain e offset, pixel difettosi, ritenzione segnale)
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Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Pannelli di grandi dimensioni con rivelatori stato solido integrati Active Matrix Flat Panel Imager AMFPI , dotati di tecnologia di lettura tramite strato Thin Film Transistor TFT
AMFPI a conversione diretta in segnale elettrico tramite fotoconduttore
AMFPI a conversione indiretta e sovrapposizione alla matrice di TFT strato di fotodiodi al silicio amorfo e scintillatore
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Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Carica elettrica prodotta da conversione
diretta o indiretta
temporaneamente immagazzinata e rivelata mediante read out elettronico.
Conversione analogico - digitale
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Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Sistemi AMFPI diretti
a-Se
500 µm
ottima fotoconducibilità X-ray
coppia elettrone-lacuna E = 42eV (22 eV CsI; 3 eV Ge)
Applicazione c.e. 5000 V che separa le cariche elettriche prodotte e convogliate verso elettrodi posti a contatto con matrice TFT(Hologic)
a-Se Z = 34 ρ = 4,2 g/cm3 applicazioni in mammografia
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Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Sistemi AMFPI indiretti
Piano di fotodiodi di a-Si + scintillatore
Gli eventi di scintillazione sui fotodiodi vengono convertiti in carica elettrica letta dalla matrice TFT.
Scintillatore non strutturato: grani all’interno dei quali la luce può diffondere (AMFPI Canon)
Scintillatore strutturato: cristalli di CsI:Tl fatti crescere direttamente sul rivelatore (aghi paralleli diametro 5-8 µm) –guide di luce che convogliano luce ai fotodiodi- buona efficienza di rivelazione (elevato DQE, ridotta risoluzione spaziale rispetto ai non strutturati)
(GE, trixell Philips, Siemens,Thomson)Torino 10 dicembre 2004 Torino 10 dicembre 2004 -- Corso teoricoCorso teorico--praticopratico
“Controllo di qualità in radiologia digitale”“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Sistemi angiografici con rivelatori digitali
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Sistemi angiografici con rivelatori digitali
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Flat panel
Trasferimento digitale dei dati
Trasferimento segnale al TFT, che attivato da segnale di sincronismo trasferisce la carica come segnale elettrico all’elaboratore di segnali ad alta velocità
Elaboratore segnali alta velocità: genera segnali di sincronismoper attivare il trasferimento dai TFT all’A/D converter
Dati digitali trasferiti a host computer
Tecnica fluoroscopica 30 fps trasmission rate 1 Gigabit/s
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Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Caratteristiche specifiche
Ampio Range dinamico: range di esposizione sul quale il rivelatore cattura informazioni utili anche 10 volte quello dei sistemi convenzionali con II
Linearità di risposta su tutto il range dalle basse alle alte intensità di segnale
Miglioramento di immagini sulla colonna e sul mediastino con minima saturazione in campo polmonare, migliore visualizza-zione di piccole arterie, stent, calcificazioni arteriose
Indagini più veloci – riduzione dose paziente
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Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Alcune considerazioni dosimetriche
I rivelatori digitali comportano valori di EAK più bassi in valore assoluto, ma variando alcune condizioni possono aversi incrementi di dose più elevati rispetto ai sistemi convenzionali
•Magnificazione elettronica (per mantenere costante la low contrast detectability)
•Spessore paziente (l’AEC o ABC lavora in modo da fornire incrementi di KV più elevati)
•Riduzione della SID con riduzione dei kV e dei mA non comporta la riduzione della dose cute.
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Lag – risposta temporale del detettore
Esposizione del detettore a due differenti intensità pulsate.
Sn segnale n-esimo frame dopo la variazione di intensitàSf segnale finale di equilibrioS0 segnale originale
Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Caratteristiche specifiche
f
fnn SS
SSLag
−−
=0
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(Paul R.Granfors- Applied science laboratory –GE Medical Systems- Milwaukee)
Sistemi angiografici con rivelatori digitali
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(Paul R.Granfors- Applied science laboratory –GE Medical Systems- Milwaukee)
Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Lag in funzione del tempo Innova 2000Torino 10 dicembre 2004 Torino 10 dicembre 2004 -- Corso teoricoCorso teorico--praticopratico
“Controllo di qualità in radiologia digitale”“Controllo di qualità in radiologia digitale”
(Paul R.Granfors- Applied science laboratory – GE Medical Systems- Milwaukee)
S segnale medioMTF calcolato con metodo edgeNPS calcolato dalla media dei moduli MTF in ROI centrale X X-ray exposure misurata con c.i.C fluenza per esposizione calcolata con sftw modellizzazione per
qualità 7 mmAl HVL ( 70-80 kV + 20 mm Al 280 ph/mm2/µR)
Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Caratteristiche specifiche
CXfNPSfMTFSfDQE⋅⋅
⋅=
)())(()(2
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Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Caratteristiche specifiche
DQE flat panel con 160 mg/cm2 CsI fluoroscopiaTorino 10 dicembre 2004 Torino 10 dicembre 2004 -- Corso teoricoCorso teorico--praticopratico
“Controllo di qualità in radiologia digitale”“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Caratteristiche specifiche
DQE flat panel con 210 mg/cm2 CsI fluoroscopia
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Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Caratteristiche specifiche
Confronto DQE flat panel / II fluoroscopiaTorino 10 dicembre 2004 Torino 10 dicembre 2004 -- Corso teoricoCorso teorico--praticopratico
“Controllo di qualità in radiologia digitale”“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Caratteristiche specifiche
Confronto DQE flat panel 160 mg/cm2 CsI fluoroscopia/radiografia
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Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Caratteristiche specifiche
Confronto DQE flat panel 160 mg/cm2 CsI e altre tecnologie
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Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Caratteristiche specifiche
Confronto DQE diverse tecnologie digitali ( Kodak Direct View DR)
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Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Caratteristiche specifiche
DQE in DSA, imaging dinamico cardiaco, fluoroscopiaDQE medio±1 d.s. ( 28 detettori Innova 2000)
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Sistemi angiografici con rivelatori digitali
30 fps30 fps30 fpsFrame rate75%>65%70%DQE50000 img25000 img68000 imgSistema digitale14 bit14 bit14 bitProfondità img
550 µm500 µmSpessore184 µm154 µm200 µmDimensioni pixel1024 x 10242480 x 19201024x1024Numero riv.252, 202,162 cm30x38 (30,22,16)20x20 cmDimensioniTrixellTrixellMonoliticoCostituzioneIndiretto (CsI)Indiretto (CsI)Indiretto (CsI)Tipo
Siemens Axiom Artis dFc
Philps Allura Xper FDGE Innova2004Rivelatore
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Qualità immagine digitale
Risoluzione
Contrasto Rumore,dose,spettro
SNR(f)
NPS(f)MTF(f)DQE(f)
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Qualità immagine digitale
DETECTIVE QUANTUM EFFICIENCY
Parametro fondamentale di performance dei rivelatori digitali.
G detector gain
Φ x-ray quanta per area at input detector
IEC 62220- 1
)()()(22
fNPSfMTFGfDQE Φ⋅⋅
=
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Qualità immagine digitale
IEC 62220 –1 (2003-10) Medical Electrical Equipment Characteristics of digital X Ray imaging devices – Part 1-determination of the detective quantum efficiency
Capacità del sistema di preservare il SNR dal campo di radiazione all’immagine finale
Rumore – dose
Capacità del sistema di descrivere l’efficienza della dose
(IEC 61262-5 DQE for X-Ray Image Intensifier)
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Qualità immagine digitale
IEC 62220
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Qualità immagine digitale
DETECTIVE QUANTUM EFFICIENCY
La misura richiede:
•Spettro standard
•Geometria standard
•Misure di kerma in aria sulla superficie del detettore
•Determinazione dei quanti per area dal kerma in aria
•Misura della funzione conversione del detettore
•Misura dell’MTF
•Misura dell’NPS
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Qualità immagine digitale
DETECTIVE QUANTUM EFFICIENCY
IEC 62220
Non è applicabile a
•Sistemi digitali mammografici o dentali
•CT
•Sistemi a scansione X-ray
•Dispositivi per imaging dinamico (fluoroscopia o imaging cardiaco)
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Qualità immagine digitale
DETECTIVE QUANTUM EFFICIENCY
IEC specifica 4 spettri
11,5 mmAl40 mmAlRQA9
9,1 mmAl30 mmAlRQA7
7,1 mmAl21 mmAlRQA5
4,0 mmAl10 mmAlRQA3
HVLFiltrazione aggiuntivaSpettro
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Qualità immagine digitale
DETECTIVE QUANTUM EFFICIENCY
Geometria di misura
Stessa geometria per: Air Kerma sul detettore
Funzione di conversione
MTF
NPS
Minimizzazione effetti di scatter
SID almeno 1,5 m
Campo sul detettore 16 cm x 16 cm
Filtrazione aggiuntiva più vicina possibile alla sorgente
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Qualità immagine digitaleDETECTIVE QUANTUM EFFICIENCY
Misura del Air Kerma sul detettore
Conversione Air Kerma a Quanta per area
31,0811,5 mmAl40 mmAlRQA9
32,369,1 mmAl30 mmAlRQA7
30,177,1 mmAl21 mmAlRQA5
21,764,0 mmAl10 mmAlRQA3
Quanta per Area per Air Kerma (ph/mm2nGy)
HVLFiltrazione aggiuntivaSpettro
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Qualità immagine digitaleMisura della MTF
Metodo dell’edge
Plate di tungsteno con edge di precisione circondato da piombo
Plate posto sul detettore ruotato di 1,5-3° sull’asse del detettore per misurare MTF perpendicolare all’asse
Immagine acquisita con spettro e geometria standard, linearizzata usando
l’inverso della funzione conversione
Edge spread function determinata dai dati entro la ROI
Differenziazione per ottenere la LSF
Calcolo MTF come modulo della trasformata di Fourier della LSF
MTF alla frequenza f ottenuta mediando su f ±0,01/pitch
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Qualità immagine digitaleMisura dell’NPS
Acquisizione immagini con spettro e geometria standard,
no edge, n.ro di immagini da avere 4 milioni di pixels
Conversione delle immagini a unità quanta per area applicando l’inversa della funzione di conversione
ROI 125 x 125 mm
Trend removal con sottrazione di polinomiale del secondo ordine dalla ROI di ogni immagine analizzata
Calcolo del quadrato del modulo della trasformata di Fourier 2D di ogni regione
Media delle trasformate 2D per avere 2D NPS
NPS a f ±7 punti su ogni lato degli assi, escludendo gli assi
F ±0,01/pitch lungo gli assi
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Qualità immagine digitale
Protocolli per sistemi convenzionali
• Range dinamico (Leeds TO.GS2)
• Risoluzione ad alto contrasto (mira di Funk)
• Risoluzione a basso contrasto (Leeds TO.N3)
• Distorsione geometrica (Leeds TO.M1)
• Uniformità di segnale (Leeds TO.MS3)
• Verifica della dose
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Qualità immagine digitale
Fantocci
TO.GS2 TO.M1
TO.MS3 TO.N3
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Qualità immagine digitale
Protocolli per sistemi convenzionali digitali sottrattivi(IEC 1223-3-3 Acceptance Test- imaging performance of X-ray equipment for
digital subtraction angiography DSA)
• Range dinamico
• Air kerma per immagine
• Soglia contrasto DSA
• Risoluzione spaziale visiva DSA
• Artefatti
• Compensazione per la non linearità dell’attenuazione
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Qualità immagine digitale
Protocolli per sistemi convenzionali digitali sottrattivi(IEC 1223-3-3 Acceptance Test- Imaging performance of X-ray
equipment for digital subtraction angiography DSA)
Fantocci DSA con
• step wedge
• vascular simulation pattern con contrasto da 5 mg a 10 mg di iodio per cm2
• compensazione dell’attenuazione
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Qualità immagine digitale
Image quality test tool
Fantoccio e software di misura automatizzati su immagini non post-processed
Fantoccio: Step wedge Cu, Step wedge Al, resolution pattern, lead circle, perforated steel, lead boundary lines, plastic laminates
Immagini non accessibili, memorizzazione dei soli risultati
Difficoltà ad integrarli con protocolli indipendenti
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Qualità immagine digitale
DQE e test di osservazione
DQE capacità del sistema di preservare il SNR lungo la catena, dipende dalla dose.
Parametro fisico, relazione con la performance decisionale dell’osservatore non nota.
Threshold Contrast Detail Detectability TCDD
parametro soggettivo, legato al quadrato
di SNR. Leeds TO.20
( )( ) 2
11
AACAH
t
t
×=
Torino 10 dicembre 2004 Torino 10 dicembre 2004 -- Corso teoricoCorso teorico--praticopratico“Controllo di qualità in radiologia digitale”“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Qualità immagine digitale (Dimond III Research Project)
Review standard esistenti
NEMA XR11-1993 Test standard for the determination of limiting resolution of X-ray II Systems
IEC 61262 – 7 (1995-09) Medical Electrical Equipment-Characteristics of digital imaging devices- Part 7 -Determination of MTF
IEC 60601 1-5- (2001) (Draft) Image Quality
and Dose for X-Ray equipment
NEMA Standard XR201-2000 Characteristics of and testprocedures for a Phantom to benchmark fluoroscopic andphotographic equipment
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Qualità immagine digitale (Dimond III Research Project)
IEC 61223-3-3 (1996-11) Evaluation and routine testing in medical imaging departments – Part 3 - acceptance tests -imaging performance of X ray equipment for DSA
DIN 6868-58 (2001) Image Quality Assurance in diagnostic X-Ray Dept - Part 58: Acceptance Testing of projection radiogrphy systems with digital receptors
DIN 6868-13 (2001) Image Quality Assurance in diagnostic X-Ray Dept - Part 13: Constancy Testing of projection radiography systems with digital receptors
Acceptance testing and quality control of photo stimulable phosphor imaging systems; report Task group #10, AAPMOctober 1997
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Qualità immagine digitale
(Dimond III Research Project)
Raccomandazioni di valutare
•Omogeneità
•Range dinamico
•Risoluzione Spaziale Limite
•Risoluzione a basso contrasto
•Artefatti
•Distorsione
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Standard DICOM
Esami cardiologici devono gestire immagini in
movimento, generando mole enorme di dati
Definizione di uno standard : compromesso tra potenzialità hardware e software ed esigenze diagnostiche
1995 Standard DICOM 3.0
Matrice 1024 x 1024 x 12 pixel (4096 livelli di grigio)
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Standard DICOM
Sostituzione pellicola 35 mm con nastri DD2,
dischi magnetoottici, CD-R
Necessità di standard di formato immagini derivato del DICOM utilizzato in radiologia
ACC/ACR/NEMA 1992
Operazioni di gestione immagini SOP service/object pair: acquisizione, stampa, archivio ecc.
Apparecchiatura conforme agli standard DICOM deve gestire le DICOM SOP
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Standard DICOM
Registrazione e scambio esami angiografici
• Capacità
• Facile reperibilità
• Basso costo
• Rispondenza standard internazionali sicurezza
• Compatibilità PC
1994: CD-R lettori CD velocità 6X (0,9 Mb/s) 512 x 512 x 8 a
7,5 fps
Oggi: CD-R lettori CD velocità 52X, stessa velocità di acquisizione 30 fps
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Standard DICOM
Registrazione e scambio esami angiografici
DVD
capacità 6 Gb
elevata velocità di lettura
stesso formato del CD
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Standard DICOM
Tecniche di compressione delle immagini
Esame da 2400 immagini 1024 x 1024 x 8 , v = 30 fps
Data rate 30 MB/s
Data capacity 2400 MB = 4 CD-R e lettore 200X
Necessità di compressione
Lossless-Reversible Lossy – Irreversible
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Standard DICOM
Tecniche di compressione delle immagini
Standard DICOM consente compressione lossless 2:1 con standard JPEG
Predictive encoding
Statistical encoding Lossless
Fattori di compressione da 2 a 4
Archivi e Network