Valutazione fisica delle immagini digitali 2D e 3D

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1 Corso per fisici e tecnici di radiologia "Evoluzione in mammografia digitale: la tomosintesi" Valutazione fisica delle immagini digitali 2D e 3D Barbara Lazzari Azienda USL3 Pistoia U.O. Fisica Sanitaria

2 A quali domande deve rispondere il fisico? Come ottimizzo l utilizzo di una data apparecchiatura in relazione alle sue caratteristiche in termini di qualità delle immagini e dose al paziente? Quali sono le caratteristiche del rivelatore in questione? Data una certa qualità dell immagine, che dose deve arrivare sul rivelatore, ovvero come devo calibrare l esposimetro automatico? Rispetto del principio ALARA.

3 Quale immagine? In mammografia digitale X-ray tube X 0 X a X b distribuzione spaziale di quanti QUANTUM IMAGE: DETECTOR ELECTRONIC IMAGE: distribuzione spaziale di cariche elettriche SAMPLING - QUANTIZATION DIGITAL IMAGE: matrice di valori digitali compresi tra 0 e 2 N-1 dove N è il numero di bit utilizzato per la quantizzazione GAIN & BAD PIXELS CORRECTION DIGITAL RAW IMAGE: matrice di valori digitali

4 Quale immagine? In mammografia digitale GAIN & BAD PIXELS RAW IMAGE PROCESSING PROCESSED IMAGE

5 Quale immagine? In mammografia digitale DISPLAY (monitor&printers response function) DISPLAYED IMAGE: distribuzione spaziale di luminosità PERCEIVED IMAGE +

6 Quale immagine? In mammografia digitale LA QUALITA DI QUALE IMMAGINE? DA COSA DIPENDE? COSA SIAMO IN GRADO DI MISURARE/VALUTARE? QUANTUM IMAGE SPETTRO X, GEOMETRIA DI ESPOSIZIONE, GRIGLIA, ecc. DIRETTAMENTE SULL IMMAGINE, NIENTE!! RAW DIGITAL IMAGE CARATTERISTICHE DI TRASFERIMENTO DEL RIVELATORE CURVA DI RISPOSTA, MTF, NPS, NEQ, DQE, ecc. PROCESSED DIGITAL IMAGE ALGORITMI DI ELABORAZIONE LUTs & PROCESSING DISPLAYED IMAGE PERCEIVED IMAGE DIAGNOSTIC ACCURACY LUTS & CURVE CARATTERISTICHE DEI SISTEMI DI VISUALIZZAZIONE CONDIZIONI AMBIENTALI & PSICOFISICA TUTTO QUELLO CONSIDERATO SOPRA E MOLTO ANCORA CONDIZIONI AMBIENTALI, LUTs & GSDF CONDIZIONI AMBIENTALI & CARATTERISTICHE DELL OSSERVATORE INTERPRETAZIONE DELL INFORMAZIONE PERCEPITA TRAMITE L ANALISI DELLE CURVE ROC

7 Quale immagine? QUANTUM IMAGE SI VALUTA INDIRETTAMENTE MISURANDO ALTRI PARAMETRI contrasto radiologico; Parametri di esposizione Geometria di ripresa compressione, griglia antidiffusione, limitatori di campo, allineamento campo rx, ecc.. Intensità del campo rx trasmesso e della dose alla paziente Rapporto radiazione diretta/radiazione diffusa risoluzione in contrasto risoluzione spaziale

8 QUANTUM IMAGE Contrasto radiologico Modello di formazione dell immagine C = (N B -N L ) / (N B + N L ) = (1 - e -(μ - μ) t ) / (1 + e -(μ - μ) t ) μ=μ(e) Il contrasto radiologico dipende dallo spettro del fascio rx

9 Spettro del fascio rx 3,0E+07 X spectrum (Mo anode - Mo filter) 28 kv U.A. 2,5E+07 2,0E+07 1,5E+07 1,0E+07 aria 1 cm PMMA 2 cm PMMA 3 cm PMMA 4 cm PMMA 5 cm PMMA 6 cm PMMA 7 cm PMMA 5,0E+06 0,0E energy [kev]

10 Spettro del fascio rx 1,0E+06 X spectrum (Mo anode - Mo filter) 28 kv U.A. 9,0E+05 8,0E+05 7,0E+05 6,0E+05 5,0E+05 4,0E+05 aria 1 cm PMMA 2 cm PMMA 3 cm PMMA 4 cm PMMA 5 cm PMMA 6 cm PMMA 7 cm PMMA 3,0E+05 2,0E+05 1,0E+05 0,0E energy [kev]

11 Spettro del fascio rx 3,0E+05 X spectrum (Mo anode - Mo filter) 28 kv U.A. 2,5E+05 2,0E+05 1,5E+05 1,0E+05 aria 1 cm PMMA 2 cm PMMA 3 cm PMMA 4 cm PMMA 5 cm PMMA 6 cm PMMA 7 cm PMMA 5,0E+04 0,0E energy [kev]

12 QUANTUM IMAGE Geometria di ripresa Effetto di un allineamento scorretto (B) rispetto a quello corretto (A) tra fuoco, compressore e rivelatore

13 QUANTUM IMAGE Geometria di ripresa Tubo radiogeno: macchie focali

14 QUANTUM IMAGE Geometria di ripresa Effetto della compressione sulla radiazione diffusa

15 QUANTUM IMAGE Griglia antidiffusione

16 Quale immagine? In mammografia digitale LA QUALITA DI QUALE IMMAGINE? DA COSA DIPENDE? COSA SIAMO IN GRADO DI MISURARE/VALUTARE? QUANTUM IMAGE SPETTRO X, GEOMETRIA DI ESPOSIZIONE, GRIGLIA, ecc. NIENTE!! RAW DIGITAL IMAGE CARATTERISTICHE DI TRASFERIMENTO DEL RIVELATORE CURVA DI RISPOSTA, MTF, NPS, NEQ, DQE, ecc. PROCESSED DIGITAL IMAGE ALGORITMI DI ELABORAZIONE LUTs & PROCESSING DISPLAYED IMAGE PERCEIVED IMAGE DIAGNOSTIC ACCURACY LUTS & CURVE CARATTERISTICHE DEI SISTEMI DI VISUALIZZAZIONE CONDIZIONI AMBIENTALI & PSICOFISICA TUTTO QUELLO CONSIDERATO SOPRA E MOLTO ANCORA CONDIZIONI AMBIENTALI, LUTs & GSDF CONDIZIONI AMBIENTALI & CARATTERISTICHE DELL OSSERVATORE INTERPRETAZIONE DELL INFORMAZIONE PERCEPITA TRAMITE L ANALISI DELLE CURVE ROC

21 Come Misure quantitative ed oggettive di grandezze fisiche relative alla capacità del sistema per immagini di trasferire nell immagine digitale l informazione contenuta nell oggetto. Grandezze indice: MTF (Modulation Transfer Function) NPS (Noise Power Spectrum) NEQ (Noise Equivalent Quanta) DQE (Detective Quantum Efficiency) Misura preliminare: Curva di risposta caratteristica

22 Caratteristiche di trasferimento Grandezze indipendenti dalla posizione (shift-invarianti) : si rappresentano solitamente nel dominio delle coordinate cartesiane (x,y) dell immagine Curva di risposta caratteristica Rapporto segnale/rumore (SNR) Large Area NEQ, DQE Grandezze dipendenti dalla posizione (spatial correlated): si rappresentano solitamente nel dominio coniugato delle frequenze spaziali (1/x,1/y) indicate con (u,v) Risoluzione spaziale MTF(f) Rumore NPS(f) NEQ(f), DQE(f)

23 Curva di risposta caratteristica Caratteristiche di trasferimento globali Shift invarianti Curva di risposta: relazione tra il segnale in ingresso al rivelatore (esposizione [mr]) e quello in uscita (D.O. oppure valore digitale [PV]) dal sistema di rivelatozione. X-ray tube N 0 Curva caratteristica S = F(N B ) = Resp(X) Dove X = esposizione in ingresso al rivelatore N B Serve a determinare l intervallo di utilizzo del sistema, in termini di esposizione in ingresso, più appropriato in relazione alle sue caratteristiche DETECTOR S,σ!! La curva di risposta non tiene conto del rumore

24 Esempi di curva di risposta caratteristica - CR y = 111,94Ln(x) + 220,21 R 2 = 0,9999 Pixel value Esposizione [mr]

25 Esempi di curva di risposta caratteristica - FFDM y = 103,66x R 2 = 0,9999 Pixel value ,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 Esposizione [mr]

26 Rapporto Segnale/Rumore Large Area SNR Caratteristiche di trasferimento globali Shift invarianti Se il rivelatore fosse un contatore di fotoni ideale: X-ray tube N 0 Signal S N B DETECTOR S N SNR = = = σ N x N N B 2 SNR = N

27 Rapporto Segnale/Rumore Large Area SNR diff Caratteristiche di trasferimento globali Shift invarianti X-ray tube N 0 Signal ΔS S C def = ΔS S N B N A SNR diff = ΔS σ = C S σ x = C N N = C N DETECTOR N B N A SNR diff = C N A A N' A SNR = 2 C diff A 2

28 Large Area NEQ e DQE Caratteristiche di trasferimento globali Shift invarianti In realtà la maggior parte dei rivelatori sono ad integrazione di energia ed aggiungono delle componenti di rumore non Poissoniane SNR 2 meas < N det SNR 2 def real = N' = NEQ Noise equivalent quanta: rappresenta il numero di fotoni realmente utilizzati dal rivelatore NEQ N inc SNR 2 out = SNR 2 inc = DQE Detective Quantum Efficiency: rappresenta l efficienza con cui il sistema utilizza la radiazione incidente

29 Large Area NEQ Caratteristiche di trasferimento globali Shift invarianti 1,00E+05 large area SNR 2 vs. exposure 1,00E+04 Measured data Noise Quantum Limited Detector A.U. 1,00E+03 1,00E+02 1,00E+01 1,00 10,00 100,00 exposure [mr]

30 Large Area DQE Caratteristiche di trasferimento globali Shift invarianti 1,000 large area DQE vs. exposure 0,900 0,800 0,700 Measured data 0,600 A.U. 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 exposure [mr]

31 Risoluzione Spaziale e Modulation Tranfer Function Caratteristiche di trasferimento spatially correlated Risoluzione spaziale: è la minima distanza alla quale possono essere posti due oggetti ad alto contrasto ed essere ancora distinti come oggetti separati Dipende in qualche modo dalla forma degli oggetti [ IRF( x, )] MTF ( u, v) = F y Modulation Transfer Function (MTF): Informazioni sulla risoluzione spaziale del sistema in assenza del rumore. Contiene le caratteristiche deterministiche di trasferimento del sistema a tutte le frequenze spaziali

32 Modulation Tranfer Function (MTF) Caratteristiche di trasferimento spatially correlated Pre-sampling Modulation Transfer Function f 1 = 2 x MTF 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 f 0,40 N 0,30 0,20 0,10 0,00 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 Frequency [mm -1 ] f [lp/mm] x [mm] 0, ,5 2 0,25 4 0, ,1 6 0,0833

33 Noise Power Spectrum (NPS) Caratteristiche di trasferimento spatially correlated [ I( x, )] 2 NPS ( u, v) = F y Noise Power Spectrum (Wiener): Informazioni sul livello di rumore alle diverse frequenze spaziali. NPS [mm 2 ] Normalized Noise Power Spectrum vs. Frequency 1,0E-04 1,0E-05 1,0E-06 1,0E-07 1,0E Frequency [mm -1 ] 1,27 2,91 4,26 9,17 12,15 15,07 19,05 24,73 30,65 38,41 48,77 61,94 77,40 96,60 116,04 135,51 155,10 194,27

34 Large Area NEQ e DQE Caratteristiche di trasferimento globali Shift invarianti Noise equivalent quanta: rappresenta il numero di fotoni realmente utilizzati dal rivelatore. Fornisce informazioni sul rapporto S/N (risoluzione e/o soglia di contrasto) alle diverse frequenze spaziali NEQ( f ) = MTF( NPS( f f ) ) 2 norm Detective Quantum Efficiency: rappresenta l efficienza con cui il sistema utilizza la radiazione incidente. Fornisce indicazioni sulla tecnologia usata in termini di quanto si avvicina ad un rivelatore ideale DQE( f ) = SNR SNR 2 2 ( ( f f ) ) out inc = NEQ( q f ) = MTF( q NPS( f f ) ) 2 norm

35 Noise Equivalent Quanta NEQ(f) Caratteristiche di trasferimento spatially correlated Noise Equivalent Quanta vs. Frequency 01mR 1,0E+07 02mR 03mR [photons/mm 2 ] 1,0E+06 1,0E+05 1,0E+04 06mR 08mR 09mR 11mR 12mR 14mR 15mR 18mR 24mR 1,0E Frequency [mm -1 ] 30mR 42mR

36 Detective Quantum Efficiency DQE(f) Caratteristiche di trasferimento spatially correlated DQE 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Detective Quantum Efficiency vs. frequency frequency (cycles/mm) 01mR 02mR 03mR 06mR 08mR 09mR 11mR 12mR 14mR 15mR 18mR 24mR 30mR 42mR

37 Detective Quantum Efficiency DQE(f) Caratteristiche di trasferimento spatially correlated 0,7 0,6 0,5 DETECTIVE QUANTUM EFFICIENCY vs. entrance exposure 0,5 lp/mm 1 lp/mm' 1,5 lp/mm 2 lp/mm DQE 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 exposure [mr] 2,5 lp/mm 3 lp/mm 3,5 lp/mm 4 lp/mm 4,5 lp/mm 5 lp/mm

38 Ottimizzazione del punto di lavoro Rivelatore ideale SNR out = SNR in esposizione L unica fonte di rumore è il rumore quantico dovuto alla natura statistica delle interazioni dei fotoni X con la materia Rivelatore reale SNR out < SNR in esposizione A causa principalmente del rumore elettronico Theoretical 100 Measured data SNR 10 1 Noise quantum limited threshold 0,1 0, Exposure [mr]

39 ALARA Detective Quantum Efficiency vs. Exposure DQE Noise quantum limited threshold Exposure [mr] 0 lp/mm 1 lp/mm 2 lp/mm 3 lp/mm

40 Analisi contrasto dettaglio Valutazione globale della qualità delle immagini: osservatore CD MAM-phantom 3.2 CDC (contrast-detail curve) CDC = curve che rappresentano i più piccoli oggetti visibili in funzione del loro contrasto relativo IQF = Σ i C i D i,min (dove D i,min è il diametro del più piccolo particolare con contrasto C i visibile sull immagine). IQF diminuisce all aumentare della qualità. COR = (Numero totale di osservazioni corrette / Numero totale di particolari nel fantoccio)*100

41 Analisi Contrasto-Dettaglio Disks Relative 28 kvp (constant within a column): 0.52% < C i < 29.53% diameter (constant within a row): 0.06 mm < D i < 2.00 mm row column CD MAM - phantom mas 125 mas 80 mas 50 mas FPD [mr] ESAK [mgy]

42 row column

43

44

45 T F F T

46 Curva Dettaglio-Contrasto Contrast detail curve 0 disks relative contrast 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18% 20% 22% 24% 26% 28% 30% 0,2 disks diameter [mm] 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 CR Hard Copy CR Soft Copy Conventional 1,6 1,8 2

47 Curva Dettaglio-Contrasto

48 Contrast-Detail Analysis 1) Image quality figure (IQF) IQF = Σ i C i D i,min D i,min è il più piccolo particolare visibile con contrasto relativoc i IQF decresce al aumentare della qualtià delle immagini 2) Correct Observation Ratio (COR) total # of correct findings COR= total # of disks COR cresce all aumentare della qualità delle immagini 18.0 mr 13.0 mr 8.4 mr 5.3 mr IQF COR 43.0 % 38.7 % 37.5 % 24.6 %

49 Contrast-Detail Analysis 1) Image quality figure (IQF) IQF = Σ i C i D i,min D i,min è il più piccolo particolare visibile con contrasto relativoc i IQF decresce al aumentare della qualtià delle immagini 2) Correct Observation Ratio (COR) total # of correct findings COR= total # of disks COR cresce all aumentare della qualità delle immagini 18.0 mr 13.0 mr 8.4 mr 5.3 mr IQF COR 43.0 % 38.7 % 37.5 % 24.6 %

50 Interrelazione fra gli attributi di qualità e le grandezze indice Contrasto MTF NEQ CCD Risoluzione NPS Rumore

51 Breast Tomosynthesis (BT) Vengono acquisite una serie di proiezioni bidimensionali dell organo in esame per diverse angolazioni del tubo rx intorno alla mammella. I dati acquisiti vengono ricostruiti in una serie di strati sottili ad alta risoluzione. Vincoli Dose totale all organo accettabile (~ dose per MX doppia proiezione). Qualità dell immagine ricostruita adeguata Tempo di scansione contenuto (artefatti da movimento).

52 Breast Tomosynthesis (BT) Scanning system FFDM detector

53 Breast Tomosynthesis (BT) N complete = π D r D = diametro dell oggetto r = risoluzione spaziale D = 10 cm r = 5 lp/mm (100 μm) N complete 3000 Si accetta una risoluzione inferiore lungo Z rispetto a quella nel piano XY. N proj < N complete t scan 10s Dtomo D DM D / proj (2 / N proj ) D image 2D

54 Breast Tomosynthesis (BT) Sistema anisotropo Angolo totale di scansione ridotto Scansione angolare non uniforme Diminuzione della risoluzione spaziale del rivelatore all aumentare dell angolo di scansione mediante pixels binning Riduzione della dose/proiezione per angoli elevati

55 Breast Tomosynthesis (BT) Requisiti del detettore Ridotto tempo di read-out per contenere il tempo di scansione Grande area: deve rivelare la proiezione geometrica della parte più alta dell oggetto anche ad angoli elevati. alta risoluzione spaziale lungo XY Basso rumore perché gli algoritmi di ricostruzione enfatizzano il rumore alle alte frequenze spaziali Elevato DQE a basse dosi per contenere la dose per proiezione necessaria ad ottenere un adeguato SNR

56 Breast Tomosynthesis (BT) Gantry che permetta l acquisizione di una sequenza di immagini ad intervalli di tempo < 1 s su un angolo ampio Sistema di immobilizzazione dell organo in esame Processori potenti per la ricostruzione dei dati Algoritmi di ricostruzione dedicati: BP: capacità limitata di riprodurre strutture a basso contrasto in una geometria cone-beam con range angolare limitato. FBP: migliora la risoluzione in contrasto ma sono presenti notevoli artefatti da ricostruzione ML- convex (metodi statistici iterativi) hanno dato i migliori risultati ma dipendono molto dal rumore delle immagini delle proiezioni bidimensionali.

57 Breast Tomosynthesis (BT) Movimento del tubo rx: continuo o step-and-shoot Angolo rotazione del tubo Angolo tomosintesi: dipende dall ampiezza del fascio Tipologia di rivelatore Pixel size Spessore slice ricostruita

58 Images from Sectra prototype Work in progress 3D photon counting

59 Quale immagine in mammo 3D? RAW IMAGE PROCESSED IMAGE PROCESSING

60 Image quality measurements Response function Homogeneity NPS on slice Artifacts and propagation of artifacts in adjacent slices Detail detection on uniform background Detail detection on structured background Courtesy of Ruben Van Engen LRCB Nijmegen

61 Response Uniform PMMA block 7 cm thick W/Al target/filter combination 35 kv Images at different dose levels ( mas) Region-of-interest 5 x 5 mm Centred on the middle slice Courtesy of Ruben Van Engen LRCB Nijmegen

62 Response function prototype Response Response Average PV SD y = x R 2 = Tube load (mas) Tube load (mas) Pixel value kept constant SNR 2 against dose approximately linear Courtesy of Ruben Van Engen LRCB Nijmegen

63 Noise analysis prototype Noise analysis Sectra Tomo (July 2008) Relative noise Data points Quantum Noise Structured Noise (out side axis) Electronic Noise SD p = D dose (mas) Quantum noise dominant Courtesy of Ruben Van Engen LRCB Nijmegen

64 Homogeneity Pre-prototype Uniform PMMA block 7 cm thick W/Al target/filter 35 kv Images at 540 mas (MGD for a breast with equivalent attenuation is approximately 0.8 mgy) Voxel-of-interest 5 x 5 x 4.5 mm (averaged over three slices) Courtesy of Ruben Van Engen LRCB Nijmegen

65 NPS slice 2 Courtesy of Ruben Van Engen LRCB Nijmegen

66 NPS slice12 Courtesy of Ruben Van Engen LRCB Nijmegen

67 NPS slice 22 Courtesy of Ruben Van Engen LRCB Nijmegen

68 Evaluation of artifacts PMMA block 7 cm thick Aluminium spheres mm diameter in diagonal plane W/Al target/filter 35 kv 540 mas MGD for a breast with equivalent attenuation was 0.8 mgy Courtesy of Ruben Van Engen LRCB Nijmegen

69 Evaluation of artifacts Pre-prototype Slice with objects: Ten and twenty slices from slice with objects: Courtesy of Ruben Van Engen LRCB Nijmegen

70 Evaluation of artifacts Prototype 2 mm balls 1 mm balls 0.5 mm balls Courtesy of Ruben Van Engen LRCB Nijmegen

71 Evaluation of artifacts Prototype Artefact spread function 2.0 mm diameter 0.5 mm diameter ASF Slice number Courtesy of Ruben Van Engen LRCB Nijmegen

72 Detail detection CDMAM on 0.1 mm thick aluminium base 50 mm thick stack of PMMA slabs. (20 mm below CDMAM, 30 mm above) W/Al target/filter combination 35 kvp (MGD for a breast with equivalent attenuation was approximately 1.1 mgy). Courtesy of Ruben Van Engen LRCB Nijmegen

73 Detection of spherical objects Pre-prototype Background: spherical objects of 100% fatty tissue equivalent material and 30%/70% glandular/fatty tissue in oil Diameter spherical objects: 5, 10 and 20 mm Two spherical objects with 100% glandular tissue equivalent material (10 and 20 mm diameter) Courtesy of Ruben Van Engen LRCB Nijmegen

74 Detail detection on structured background L 30 Prototype tomo Courtesy of Ruben Van Engen LRCB Nijmegen

75 Detail detection on structured background L 30 Prototype tomo Courtesy of Ruben Van Engen LRCB Nijmegen

76 GRAZIE PER LA PAZIENZA! Barbara Lazzari