Normativa di riferimento e Controlli di Qualità

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1 Innovazioni tecnologiche e Assicurazione di Qualità dei Monitor per la Refertazione in Diagnostica per Immagini Monza 20 novembre 2012 Normativa di riferimento e Controlli di Qualità Dott. Andrea Crespi Direttore S.C. di Fisica Sanitaria A.O. San Gerardo Monza a.crespi@hsgerardo.org

2 PACS: Picture Archiving and Communication System Gestione degli esami filmless e paperless Accesso istantaneo agli esami precedenti Possibilità di post-elaborazione

3 PACS refertazione soft copy macchine diagnostiche forniscono immagini di alta qualità Sistemi di trasferimento all avanguardia Questa qualità deve essere in grado di raggiungere l osservatore (il medico che referta a monitor), per non vanificare l effetto. La refertazione soft-copy comporta la valutazione degli esami radiologici su monitor di elevata qualità

4 Classificazione monitor Primari: destinati all interpretazione di immagini mediche (refertazione) Secondari : Tutti gli altri scopi Es. nei reparti per l accesso alle immagini già refertate, preview delle diagnostiche (al momento non prevedono controlli, ma sarebbe utile)

5 Grandezze fisiche La luminanza è una grandezza fotometrica che indica la quantità (rate) di luce visibile emessa da una superficie (ad esempio lo schermo di un monitor). In particolare la luminanza indica l energia di luce visibile emessa per secondo da un area unitaria entro l angolo solido unitario. L energia della luce visibile è correlata alla visibilità della luce in funzione della lunghezza d onda pesata con una curva fotometrica standard. Nel sistema internazionale (SI) l unità di misura dell energia della luce visibile è il lumensecondo e perciò la luminanza si misurerà in lumen per steradiante per metro quadro o più comunemente candele per metro quadro (cd/m²).

6 Grandezze fisiche Superfici Lambertiane Una caratteristica importante della luce emessa da una superficie è la sua distribuzione spaziale. Quando l intensità luminosa emergente da una superficie varia col coseno dell angolo di vista, la luminosità della superficie appare uniforme rispetto all angolo di vista. Queste superfici hanno una distribuzione Lambertiana. Questo fatto è rilevante per le modalità operative di misura: poiché con le superfici lambertiane la luminanza non dipende dall angolo di vista, si possono usare fotometri con angolo grande e il posizionamento degli stessi non è critico.

7 Grandezze fisiche L illuminazione (o illuminanza) è una grandezza fotometrica che descrive la quantità (rate) di luce visibile che colpisce una superficie. È spesso usata per descrivere la luce ambiente o la luce che illumina la superficie di un display. unità di misura: lumen/ metro quadrato ( lm/ m²) o lux (lx) Nel caso di oggetti riflettenti ideali (superfici Lambertiane) un illuminazione di 1 lux su una superficie bianca e perfettamente riflettente produrrà una luminanza di 1/π cd/m².

8 Luminanza e contrasto L min : luminanza minima, pixel nero (0) L max : luminanza massima, pixel bianco (256) L amb : luminanza riflessa a monitor spento a causa dell illuminazione ambientale

9 Luminanza e contrasto Un alto rapporto di contrasto (L max /L min ) garantisce una maggior differenza di luminanza tra due livelli di grigio = migliore discernimento L min non può essere abbassata a piacere: i toni scuri verrebbero coperti dalla luce ambientale riflessa. Lamb < 2 L Lamb < 3 2 L 3 min min necessaria alta luminanza massima

10 Risposta di luminanza La scala dei grigi dell immagine deve essere percepita dall'occhio umano in modo lineare: uguale differenza in grigi = uguale differenza percepita

11 Caratteristiche del sistema visivo umano L'occhio umano non percepisce in modo lineare la luminanza (Modello di Barten) P = L (L+ S)

12 Caratteristiche del sistema visivo umano la sensibilità di contrasto della visione umana varia in funzione del livello di luminanza e migliora ai valori alti di luminanza

13 Caratteristiche del sistema visivo umano Le caratteristiche della capacità risolutiva del sistema possono essere anche descritte in termini di funzione di trasferimento della modulazione (Visual Response Function - VRF):

14 Luminanza I monitor delle workstation per le applicazioni radiologiche, devono avere caratteristiche di luminanza tali che Lmax sia il più elevato possibile, per migliorare la sensibilità di contrasto, e inoltre che Lmin sia il più basso possibile in modo che l'intervallo dei livelli di luminanza presenti in una immagine sia tale per cui Lmax/Lmin > 240. Diafanoscopi cd/m 2 Monitor PC cd/m 2 Monitor medicali cd/m 2 Monitor mammografici cd/m 2

15 Normativa di Riferimento IEC Evaluation and routine testing in medical imaging departments: part 2-5: constancy tests image display devices 1994 DIN V Image quality assurance in X-Ray diagnosis part 57: Acceptance testing for image display devices, 2001 NEMA, Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM), Part 14: Grayscale Standard Display Function, PS 3.14, AAPM TG18 Assessment of display performance for medical imaging systems, (Assessment of display performance for medical imaging systems: executive summary of AAPM TG18 report. Med Phys Apr;32(4): )

16 Normativa di Riferimento 2001 Euref European guidelines for quality assurance in breast cancer screening and diagnosis- forth edition 2006 DIN V Image quality assurance in X-Ray diagnosis part 57: Acceptance testing for image display devices 2011 IEC Medical electrical equipment Medical image display systems Part 1: Evaluation methods 2009 AIFM: Sistemi per la visualizzazione di immagini mediche. Protocollo per i controlli di qualità (in corso di pubblicazione: 2013?) International Standard: la IEC del 2009 rappresenta il primo riferimento internazionale

17 Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) Part 14: Grayscale Standard Display Function Scopo: definire la GSDF che permette di conoscere a priori come i p-values vengono trasformati in luminanza da parte di un sistema standard di visualizzazione per garantire una consistenza di visualizzazione fra sistemi diversi e per ottimizzare la visibilità in base alla sensibilità di contrasto dell osservatore. Basata sul modello di Barten della visione umana, tiene in considerazione la capacità dell osservatore di percepire il contrasto per ottimizzare la visibilità in base alla sensibilità di contrasto dell osservatore. Funzione creata in modo da garantire una percezione lineare, non linearizza la luminanza in sé, ma la percezione che l osservatore medio ha di essa. Questo procedimento è chiamato linearizzazione percezionale. L occhio umano infatti è meno sensibile nelle zone scure dell immagine rispetto alle zone chiare, distinguendo un maggior numero di dettegli in queste ultime.

18 Digital Driving Level segnale inviato dalla workstation al monitor GSDF Grayscale Standard Display Function: logaritmo della luminanza vs JND-Index La GSDF quindi è una funzione matematica monotona. Viene definita per valori di luminanza compresi tra 0.05 e 4000 cd/m2, cioè dalla minima luminanza ottenibile con uno schermo CRT, fino a quella massima ottenibile con un diafanoscopio utilizzato per le letture mammografiche. In questo intervallo si trovano 1023 Just Noticeable Differences (JND).

19 In realtà la GSDF è definita in modo rigoroso come tabella di valori di luminanza in funzione del JND espresso come numero intero usata per ottenere i valori intermedi. RAPPRESENTAZIONE TABELLARE RAPPRESENTAZIONE ANALITICA la curva DICOM rappresentata come luminanza su scala logaritmica in funzione dell indice JND. L equazione di questa curva ottenuta per interpolazione è la seguente: dove Ln rappresenta il logaritmo naturale, j è l indice del livello di luminanza Lj del JND e i coefficienti sono: a= , b= , c= e-2, d= , e= , f= , g= , h= , k= , m=

20 E necessaria una procedura di calibrazione in quanto ogni monitor ha la propria curva caratteristica, che dipende dai parametri costruttivi relativi a differente marca e modello, dalle variazioni in ogni singolo monitor, dalla stabilità nel corso del tempo. Chiamando g la curva caratteristica e f la funzione che lega i p-values con i DDL, la relazione p-values/luminanza si può scrivere: L( p) = g( f ( p)). Tramite il fotometro posto sul monitor si effettua la lettura della funzione g. Si utilizza quindi la formula inversa F cal (p)=g -1 (GSDF(p))

21 La calibrazione GSDF consente di normalizzare il parametro gamma e la corretta rappresentazione della luminanza rispetto alla curva di risposta dell occhio umano Risposta di luminanza

22 Strumentazione Fotometro telescopico Hagner S3 Fotometro a contatto X Rite DTP92 Fotometro/colorimetro IBA LXchroma

23 Documento di riferimento: AAPM TG : Pubblicazione delle linee guida e dei criteri di accettazione per i test di stato e costanza dei monitor di uso medico. Il fisico medico è la figura professionale responsabile di tali controlli periodici.

24 AAPM TG18 Test Distorsioni geometriche Risposta di luminanza Uniformità della luminanza Risoluzione spaziale Rumore Veiling Glare Criteri di accettazione per monitor primari Differenze 2% L max > 170 cd/m 2 LR 250 Non uniformità 30% 0 Cx 4 Tutti i targets visibili eccetto i più piccoli 3 targets visibili Riflessione e luce ambiente L min 1.5 L amb (idealmente 4 L amb )

25 TG18-QC 1. Griglie di spessore di un pixel per la valutazione della distorsioni geometriche; 2. sedici aree uniformi per la valutazione della risposta di luminanza; 3. due aree con valori minimi e massimi con accluso inserto al 5% e 95% rispettivamente di valore del pixel, per valutazioni di basso contrasto; 4. coppie di linee alla frequenza di Nyquist e alla metà della frequenza di Nyquist,, orizzontali e verticali poste al centro e ai quattro angoli per valutazioni sulla risoluzione; 5. scritte Quality Control a vari rapporti di contrasto per valutazioni visuali a basso contrasto; 6. pattern Cx al centro e ai quattro angoli per valutazioni visuali della risoluzione utilizzando i riferimenti posti nell immagine 7. barre bianche e nere per la valutazione di artefatti del segnale video

26 Risoluzione: TG18-CX Il numero dei pixel dello schermo e la loro dimensione non è elemento certo di garanzia della risoluzione effettiva perché lo spot luminoso potrebbe allargarsi e in maniera diversa in funzione del livello di luminanza. RAR (Resolution Addressability Ratio): FWHM dello spot luminoso dimensione nominale del pixel elementi (CX) ruotati di 90 fra posizioni contigue e visualizzati a 4 differenti luminosità ( % del valore massimo)

27 Dipendenza angolare (LCD) anno 2003

28 IPS IPS-Pro Miglior rapporto di contrasto Minor dipendenza dall angolo di visione Maggiore velocità di switch

29 Dipendenza angolare (LCD) anno 2009

30 Nel 2009 l International Electrotechnical Commission emette questo documento di riferimento internazionale:

31 Valutazione qualitativa Attraverso la visualizzazione di test pattern appositamente predisposti Semplici Alta periodicità (giornalieri, settimanali, mensili.) Misure e valutazioni quantitative Richiedono attrezzature specifiche (fotometri, colorimetri) che forniscono valori numerici da elaborare Maggiori tempi di esecuzione Bassa periodicità (semestrali, annuali)

32 Test pattern TG18: Valutazione qualitativa Test generale TG18 QC Risoluzione di luminanza TG18 MP Pixel difettosi TG18 UN 10 e 80 Risposta di luminanza Uniformità di Luminanza Veiling glare TG18 CT TG18 UNL80 TG18 GVN e GV Nuovi Test pattern: Test generale Valutazioni geometriche Risposta angolare OIQ GD ANG

33 OIQ barre bianche e nere per la valutazione di artefatti del segnale video coppie di linee alla frequenza di Nyquist e alla metà della frequenza di Nyquist, orizzontali e verticali poste al centro e ai quattro angoli per valutare risoluzione; 16 aree uniformi per valutare risposta di luminanza; due aree con valori minimi e massimi con inserto al 5% e 95% di valore del pixel, per valutazioni di basso contrasto; 3 scritte Quality Control a vari rapporti di contrasto per valutare basso contrasto Rispetto al TG18-QC senza inserto Cx, necessario solo per CRT

34 TG18-MP: depth resolution 3 marker: 10 bit 5 marker: 8 bit

35 TG18-UN10 TG18-UN80 Valutazione dei sub-pixel difettosi (parte del pixel se in BN o un colore se a colori) utilizzando una lente di ingrandimento: Type A: un subpixel difettoso nell immagine scura TG18-UN10 Type B: un subpixel difettoso nell immagine chiaratg18-un80 Type C: un subpixel difettoso che si veda in entrambe le immagini Cluster: 2 o piu sub-pixel difettosi entro un blocco 5x5

36 TG18-CT Valutazione della visibilità delle mezzelune e delle 4 regioni di contrasto negli angoli di ciascuno dei 16 inserti

37 Geometrical evaluation GD Valutazione di eventuali clock artefacts ai bordi Valutazione dell intero test pattern, verificando eventuali tagli dell immagine ai lati Valutazione delle dimensioni orizzontali e verticali ognuno dei 4 cerchi

38 Veiling Glare: TG18-GV Per i monitor CRT Velo luminoso che invade le aree scure mascherando dettagli a basso contrasto. valutare le diffusioni del monitor, non la capacità di adattamento dell occhio costruito un cono oscurante di cartoncino nero da appoggiare sul monitor durante l osservazione Tolleranza: almeno 3 inserti visibili

39 Test pattern ANG Osservatore fisso Cerchio centrale allineato con il centro degli occhi alla distanza normale di visualizzazione: quanti spicchi (o edge) vedo nel disco centrale e in ciascuno degli altri 8 cerchi? n/10 0.9

40 Test pattern ANG Osservatore mobile Guardo solo il cerchio centrale: fino a quale angolo, in ogni direzione, riesco a vedere lo stesso numero di spicchi (o edge) della visione normale frontale

41 Misure e valutazioni quantitative Curva di luminanza Luminanza tra monitor a display multipli Uniformità di luminanza nel singolo monitor Valutazione della cromaticità nel singolo monitor e tra monitor a display multipli

42 TG18-UNL: Uniformità di luminanza D = ( L Lmin ) max L centro 100 CRT: diminuzione dal centro verso i bordi, a causa del maggiore cammino percorso dagli elettroni e dalla maggiore deflessione che devono subire LCD:meno pronunciato, può dipendere da disomogeneità della retroilluminazione, da imperfezioni della matrice o dalla non Lambertianità dell emissione luminosa

43 Uniformità della cromaticità Si acquisisce il valore delle coordinate di colore utilizzando l immagine TG18-UNL80 e il fotometro nella regione centrale del monitor e nelle quattro regioni posizionate ai quattro angoli dello schermo. La non uniformità NUcroma è valutata in termini di distanza massima fra i cinque punti nello spazio (u i,v i ), con i che varia da 1 a 5. D ( u', v'), = ( u u ) + ( v vj) i j i j 2 i 2 NU croma = Max(D( u, v )) tra monitor multipli della stessa workstation Distanza massima, nello spazio (u,v ), delle medie delle 5 ROI [ ( ) ] Du', v' NU croma _ multi = max m, n con m e n indici identificativi dei monitor componenti il sistema di visualizzazione

44 Test Criteri di accettazione IEC AAPM TG18 TG-18 MP profondità di risoluzione > 8 bit = Valutazione Pixel difettosi type A: <=1 type B: <=1 type C: <=2 Cluster= più subpixel nello stesso blocco 5x5 Assente TG-18 CT visibili tutte le mezzelune in tutti i 16 inserti = viewing angle ANG edge periferia /edge centro 0.9 Assente Risposta di luminanza Max. deviazione < 15 % 10% (mammo 10%) r =L max /L min > 250 L max > 170 cd/m2 A=L amb /L min < = 0.25 Uniformità tra monitor differenti della stessa workstation L max 1-L max 2 < 10 % = (mammo 5%) Uniformità della cromaticità NU croma < 0, Uniformità della cromaticità tra monitor differenti della stessa WS NU croma_multi < 0, Uniformità di luminanza Lmax periferia - Lmax centro < 30 % 30%

45 Monitor mammografici Documento di riferimento per i controlli di qualità in mammografia digitale : European guidelines for quality assurance in breast cancer screening and diagnosis, Fourth Edition, maggio Risposta di luminanza: Max. deviazione < 10 % Uniformità tra monitor differenti stessa WS: Lmax1-Lmax2 < 5 % Periodicità: semestrale

46 Sistema di calibrazione dei CQ da remoto Calibrazione DICOM Impostazione L max Impostazione del tipo di sala di refertazione Verifica del punto di bianco Verifica conformità DICOM Verifica illuminamento ambientale NON SI POSSONO EFFETTUARE VALUTAZIONI DI : Test pattern Uniformità luminanza Bad pixel

47 contributi ergonomici e condizioni ambientali per l ottimizzazione l della refertazione soft copy L attenzione all allestimento di una Work Station PACS può permettere l incremento della produttività, ridurre la fatica, aumentare l accuratezza e migliorare i benefici della transizione al digitale

48 Condizioni di Cattiva luminanza ambientale in fase iniziale

49 Scelta di materiali e di soluzioni adeguate alla situazione

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55 Innovazioni tecnologiche e Assicurazione di Qualità dei Monitor per la Refertazione in Diagnostica per Immagini Monza 20 novembre 2012 Normativa di riferimento e Controlli di Qualità Grazie per l attenzione Dott. Andrea Crespi Direttore S.C. di Fisica Sanitaria A.O. San Gerardo Monza a.crespi@hsgerardo.org