L Introduzione della tecnologia digitale nello screening mammografico: protocolli per il controllo di qualità fisico-tecnico

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1 L Introduzione della tecnologia digitale nello screening mammografico: protocolli per il controllo di qualità fisico-tecnico Test per la verifica della qualità delle immagini 2 Paola Golinelli S.C. Fisica Sanitaria Ausl Modena (p.golinelli@ausl.mo.it)

2 Caratterizzazione fisica di un detettore digitale La qualità dell immagine di un detettore digitale da un punto di vista fisico si valuta attraverso la misura di alcune funzioni oggettive come: la Funzione di Trasferimento della Modulazione (MTF) lo Spettro di Rumore (NPS) l Efficienza Quantica di Detezione (DQE) Queste funzioni descrivono contemporaneamente le caratteristiche di risoluzione, di contrasto e di rumore del detettore digitale. Esse non sono però risolutive nel definire la qualità dell intero sistema di imaging. Caratterizzazione psicofisica di un detettore digitale Per caratterizzare l intero sistema di imaging si valuta la sua capacità di rendere visibili oggetti test di varie dimensioni e contrasti. La visibilità di questi oggetti test dipende in ultimo dalle caratteristiche dell osservatore finale. Per questo è stato definito matematicamente l osservatore ideale.

3 La visibilità di un oggetto uniforme di area nota immerso in un fondo uniforme dipende in prima approssimazione dalle proprietà dell oggetto e del sistema di imaging: la dimensione dell oggetto (ad esempio il diametro circolare, D) la differenza tra il segnale prodotto dall oggetto e il segnale prodotto dal fondo circostante (contrasto C) Il rumore e la risoluzione del sistema di imaging

4 Una Curva Contrasto Dettaglio (CD) si ottiene esponendo ad un fascio RX (Anodo/Filtro, kvp, mas) un fantoccio Contrasto-Dettaglio che contiene oggetti costituiti da un materiale di diverso coefficiente di attenuazione rispetto al materiale del fantoccio con dimensioni e spessori (contrasto) variabili. Per ciascun diametro viene valutata la Soglia di Contrasto a cui esso risulta ancora visibile/percepibile. Dettaglio circolare di diametro D e contrasto C

5 La Teoria di Rose definisce la soglia di contrasto (C) in funzione dell area dell oggetto (per dettagli circolari in funzione del diametro dell oggetto (D)); studi sulle caratteristiche del sistema visivo umano hanno dimostrato che la soglia di contrasto segue la legge: C*D = costante dove la costante può essere scritta come costante = 2*SNR min /(π*q*dqe(0)) 1/2 Tale legge è valida in condizioni ideali (background uniforme, assenza di scattering che produce rumore aggiuntivo sull immagine) e per un intervallo limitato di dimensioni dell oggetto. Teoria di Rose

6 Le Curve CD migliori sono quelle inferiori, ovvero quelle per cui a parità di dimensione di oggetto si ottiene una soglia di visibilità con contrasto più basso. Un buon parametro per confrontare Curve CD è il seguente Indice: IQF inv (Image Quality Figure Inverted) = 100/Σ i=1,,n (C i * D i ) dove N = # diametri disponibili La soglia di contrasto per ciascun dettaglio dipende dalla dose a cui si espone il detettore. Esempi di Curve Contrasto-Dettaglio

7 Esistono in commercio vari fantocci contrastodettaglio. Il fantoccio CDMAM v. 3.4 è, tra i fantocci contrasto-dettaglio (CD) esistenti in commercio, quello che permette di costruire la curva contrasto-dettaglio con il maggior numero di punti. Esso è costituito da una matrice di 205 celle quadrate contenenti dettagli circolari di oro dello spessore variabile da 2um a 0.03um e diametri compresi tra 2mm e 0.06mm evaporati su uno substrato di alluminio. La Curva Contrasto-Dettaglio viene determinata valutando le Soglie di Contrasto (spessore minimo visibile di oro) di ciascun dettaglio di diametro variabile.

8 Condizioni di esposizione IEC standard (caratterizzazione fisica di un detettore digitale) 28kVp, Mo/Mo -W/Rh Filtrazione di 2mm Al all uscita del tubo RX (condizioni di basso scattering), compressore e griglia non inseriti Esecuzione di almeno # 6 immagini ripetute Linee guida EUREF (commissioning e CQ di un sistema di imaging) Il Protocollo Europeo: propone di esporre il fantoccio con 40mm di plexiglass (20 mm al di sopra e 20mm al di sotto) in condizioni cliniche (compressore e griglia inserite) Esecuzione di almeno 6 immagini ripetute con parametri selezionati dal Sistema Automatico di Esposizione (Anodo/Filtro,kVp, mas) per uno spessore di 50mm. In entrambe i casi: necessità di riposizionamento del fantoccio tra un esposizione e l altra

9 Tipologia Immagini da utilizzare per Curva CD Sistema Digitale con Detettore integrato (DR) Immagini FOR PROCESSING solo pre-processing (applicazione maschera di flat-field) Sistema Digitale Computed Radiography (CR) Immagini minimamente processate ad esempio: KODAK screen processing PATTERN FUJI screen processing LINEAR-FIXED AGFA sceen processing SYSTEM DIAGNOSIS

10 Linee guida Europee: Limiti sul contrasto di soglia valutato con fantoccio CD Contrasto di Soglia Limite Linee Guida Europee 10 Spessore ore (um) diametri (mm)

11 La determinazione della curva C-D di un sistema di imaging secondo le Linee Guida Europee può avvenire in due modi: 1) Metodo soggettivo: osservatori umani esperti 2) Metodo oggettivo: software di lettura automatica (attualmente l unico SW disponibile in commercio è il CDMAM Analyser v1.1 per il fantoccio CDMAM v.3.4) + applicazione di fattori di conversione per la visione umana

12 Lettura delle immagini da parte di almeno 3 osservatori esperti di due immagini su monitor per refertazione: identificazione del dettaglio centrale e laterale per ciascuna cella Applicazione delle regole NNC (Nearest Neigbours Corrections) per smoothing dei dati Media delle soglie ottenute Metodo soggettivo (attualmente proposto dagli autori nelle Linee Guida Europee) Confronto dei valori ottenuti con i valori di soglia indicati nelle Linee Guida Europee.

13 Metodo oggettivo (attualmente proposto dagli autori nel documento EUREF Type testing protocol, v.1.0) sw CDCOM.exe ( per la detezione del dettaglio centrale e periferico in ogni cella del CDMAM (produzione di due matrici) Sw CDMAM Analyser combina le matrici (es: per 8 immagini di CDMAM si ottengono 16 matrici di risultati) e calcola le probabilità di visibilità di ciascun dettaglio al variare dello spessore, applicando una interpolazione dei dati.

14 Metodo oggettivo (attualmente proposto dagli autori nel documento EUREF Type testing protocol, v.1.0) Il SW CDMAM Analyser esegue un fit dei dati di probabilità per ciascun diametro con una curva psicometrica p(t) La soglia di contrasto viene determinata intersecando la curva con la probabilità di 62.5% (valore medio tra 100% e 25% di probabilità) Conversione delle soglie per ciascun diametro secondo le relazioni pubblicate da Young (2008) Fit delle soglie di contrasto con polinomio di III per ottenere una curva CD Confronto dei valori ottenuti con i valori di soglia indicati nelle Linee Guida Europee.

15 Metodo oggettivo (attualmente proposto dagli autori delle Linee Guida nell EUREF Type testing protocol, v.1.0) Presentazione dei dati da SW CDMAM Analyser

16 Metodo oggettivo (attualmente proposto dagli autori delle Linee Guida nell EUREF Type testing protocol, v.1.0) L osservatore umano esperto ha una percezione inferiore del software automatico (rileva valori di soglie di contrasto più elevate), pertanto i valori di soglia di contrasto ottenuti per ciascun diametro con software devono essere convertiti con opportuni fattori/funzioni a quelle ottenibili da un osservatore umano esperto. Ad esempio nel documento EUREF Typetesting-2008 ( viene proposta la seguente formula: Tc predicted =a*( TC auto ) n dove a = n =1.17 (coefficienti attualmente in fase di ridefinizione per ciascuna apparecchiatura)

17 Metodo soggettivo Criticità nella valutazione della curva C-D Gli stessi autori delle Linee Guida sostengono che il metodo dell osservatore umano è estremamente time consuming, inoltre esiste una notevole variabilità inter-intra osservatore: il rischio è quello di misurare la variabilità di percezione degli osservatori e non la curva contrasto-dettaglio del sistema di imaging! Metodo oggettivo I sw CDCOM e CDMAM Analyser ad oggi non sono ancora stati validati scientificamente: mancanza di una valutazione di riproducibilità dei risultati (indicazioni di eseguire almeno #16 immagini e di considerare dettagli con diametro compreso tra 0.1mm e 1mm) Problema ancora aperto di definizione dei parametri di conversione delle soglie valutate con sw in automatico con quelle rilevabili dall osservatore umano (Es. Report NHSBSP per Mammografo GE Essential-maggio 2008)

18 Spessore (um) a Test per la verifica della qualità delle immagini 2 Criticità nella valutazione della curva C-D Problematiche fantoccio CDMAM v.3.4 e SW CDMAM Analyser : Valutazione curva CD su due Sistemi mammografici digitali: Valore Medio Soglia CDMAM-Analyser Spessore (um) b Valore Medio Soglia CDMAM-Analyser Diametro Dettaglio (mm) Diametro Dettaglio (mm) Sistema a): Senographe 2000D G.E. Sistema b): Fuji Profect CS

19 Criticità nella valutazione della curva C-D 10 1 Problematiche fantoccio CDMAM v.3.4 e SW CDMAM Analyser : interconfronto di #5 fantocci CDMAM su Sistema DR IMS C o nt rast D et ail C urve Perugia_120 Firenze_120 Modena_120 Bologna_120 Brescia_ D i a me t e r ( mm)

20 Criticità nella valutazione della curva C-D Problematiche fantoccio CDMAM v.3.4 e SW CDMAM Analyser : interconfronto di #5 fantocci CDMAM su Sistema DR IMS Alle soglie dei dettagli di diametro<0.2mm sono associate le maggiori deviazioni standard, rispetto a tutti gli altri dettagli. Gli stessi autori delle Linee Guida Europee indicano che il dettaglio di 0.1mm sia il meno riproducibile in quanto nel fantoccio CDMAM v3.4 non ci sono sufficienti dettagli con spessore > 2um per eseguire correttamente il fit dei dati. Deviazioni-Standard 100.0% 10.0% 1.0% 0.1% Diametri oggetti (mm) Deviazioni standard delle soglie di contrasto valutate con SW CDMAM Analyser

21 Conclusioni e Discussione La determinazione di una curva contrasto-dettaglio per un sistema di imaging è attualmente un work in progress (dibattito aperto tra utilizzo di osservatore umano o automatico) Il fantoccio CDMAM v.3.4 è attualmente l unico ad avere un SW di lettura automatico, che attualmente manca ancora di una validazione scientifica: dall interconfronto effettuato su 5 fantocci CDMAM risulta che l intervallo di diametri in cui sia il fantoccio che il funzionamento del SW appaiono maggiormente riproducibili sembra essere compreso tra 0.2mm e 2mm In considerazione dell attuale letteratura esistente è in discussione la possibilità di utilizzare la curva contrasto-dettaglio come parametro assoluto per la definizione della qualità dell immagine di un sistema mammografico digitale.

22 Bibliografia [1] European Guidelines for Quality Assurance in Breast Cancer Screening and Diagnosis, 4th ed." PartB: Digital Mammography (2006) (scaricabile da [2] EUREF Type testing v.1.0 (June 2008) (scaricabile da [3] Proc. of SPIE Vol Evaluation of software reading images of the CDMAM test object to assess digital mammography systems, K. Young et al. [4] IWDM2006, LCNS 4046 Automated and Human Determination of Threshold Contrast for Digital Mammography Systems, K.Young et al. [5] Medical Imaging 2007: Image Perception Observer performance and Technology Assessment Vol6515 Comparison of human observers anf CDCOM software reading for CDMAM images, N. Lanconelli et al.