TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA: DESCRIZIONE E MISURA DEI PARAMETRI CARATTERISTICI

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1 TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA: DESCRIZIONE E MISURA DEI PARAMETRI CARATTERISTICI Traduzione, revisione e integrazione del documento: Measurement of the Performance Characteristics of Diagnostic X-ray Systems used in Medicine Report N.32 IPEM - Part III: Computed Tomography X-ray Scanners - (II edition ) Gruppo di lavoro TC MULTISTRATO N.4 (2007)

2 Curatore Paola Colombo Autori Paola Colombo Daniela Origgi Luca Moro Lorella Mascaro Sara Re Sabrina Vigorito Nicoletta Paruccini Felicita Luraschi Azienda Ospedaliera Niguarda Ca Granda, Milano Azienda Ospedaliera Niguarda Ca Granda, Milano Istituto Europeo di Oncologia, Milano Fondaz. Salvatore Maugeri, Istituto Scientifico, Pavia Spedali Civili, Brescia Casa di Cura S. Maria, Castellanza Istituto Europeo di Oncologia, Milano Azienda Ospedaliera S. Gerardo, Monza Istituti Ospedalieri, Cremona Hanno collaborato Caterina Ghetti Sabina Strocchi Azienda Ospedaliera, Parma Ospedale di Circolo e Fondazione Macchi, Varese e tutti i componenti del Gruppo di Lavoro AIFM TC Multistrato Si ringraziano Giampiero Tosi Guido Pedroli Luisa Pierotti per il prezioso lavoro di revisione

3 TC: DESCRIZIONE E MISURA DEI PARAMETRI CARATTERISTICI III

4 TC: DESCRIZIONE E MISURA DEI PARAMETRI CARATTERISTICI 1 INDICE 1 INTRODUZIONE pag Sistemi di rivelazione Metodi di ricostruzione lungo z Cone Beam Metodi di riduzione della dose Modulazione lungo l asse z Modulazione angolare FANTOCCI PER LA VALUTAZIONE DELLE IMMAGINI TCMS Fantocci specifici per la qualità immagine Fantocci per la valutazione di uniformità del n. TC, n. TC dell acqua e rumore Fantocci per la valutazione dello spessore dello strato Fantocci per la valutazione dello Slice Sensitivity Profile (SSP) Fantocci per la valutazione della risoluzione spaziale Fantocci per la valutazione della linearità dei numeri TC Fantocci per la valutazione della relazione fra densità elettronica e n. TC Fantocci per la valutazione del basso contrasto Artefatti (Cone Beam) Misure dosimetriche: strumentazione e fantocci PARAMETRI DI QUALITÀ DELL IMMAGINE Rumore Definizione e introduzione Metodo di misura Tecnica spirale Tecnologia multistrato Condizioni operative Dispositivo di prova Risoluzione spaziale Definizione e discussione

5 2 REPORT AIFM N. 4 (2007) Metodi pag Tecnica spirale Tecnica multistrato Condizioni operative Prova di accettazione e Controlli periodici Dispositivo di prova Risoluzione lungo l asse z n. TC e linearità Definizione e discussione Metodi di misura Condizioni operative Dispositivo di prova Uniformità dei numeri TC Definizione e discussione Metodo di misura Tecnica spirale Condizioni operative Commenti Dispositivo di prova Risoluzione a basso contrasto Definizione e discussione Metodi di misura Condizioni operative Dispositivo di prova Artefatti Definizione e discussione Processi di interpolazione lungo l asse z Geometria del fascio radiante Elaborazioni tridimensionali Inclinazione del gantry Diversa risposta dei singoli canali di acquisizione Metodi di misura

6 TC: DESCRIZIONE E MISURA DEI PARAMETRI CARATTERISTICI 3 4 CARATTERISTICHE DELLO STRATO pag Spessore irradiato Metodi di misura Considerazioni per tomografi multistrato Condizioni operative Spessore dello strato Metodi di misura: modalità assiale Metodi di misura: modalità spirale Metodi di misura: tomografi multistrato Efficienza geometrica Efficienza geometrica lungo l asse z Efficienza geometrica del sistema di rivelazione INDICI DI DOSE Indice di Dose per Tomografia Computerizzata (CTDI) Definizioni Metodi di misura CTDI pesato (CTDI w ) CTDI vol (CTDI W mediato lungo asse z) MSAD (Multiple scan average dose) Definizione e discussione Relazione tra CTDI e MSAD Modalità spirale TC multistrato Condizioni operative Commenti Strumentazione utilizzata Prodotto dose lunghezza (DLP) Nuove definizioni ICRU DOSIMETRIA DEL PAZIENTE Confronti dosimetrici Confronto tra tomografi Confronto tra protocolli

7 4 REPORT AIFM N. 4 (2007) Confronto tra rischi pag Dose superficiale e agli organi Dose Efficace IL PARAMETRO Q VERIFICHE DI ACCURATEZZA MECCANICA Introduzione Tomografi computerizzati per impiego diagnostico Tomografi computerizzati per impiego in ambito radioterapico 89 9 RICOSTRUZIONI MULTIPLANARI E 3-DIMENSIONALI Appendice I RIFERIMENTI RELATIVI AI FANTOCCI, CAMERE A IONIZZAZIONE E SOFTWARE Fantocci per QA Fantocci per Densità elettronica Camere a ionizzazione tipo pencil Fantocci per la misura del CTDI in PMMA (perspex) Dati e software sulla dose Indirizzi dei costruttori e dei fornitori Schema dei principali fantocci per QA Appendice II TC-PET Introduzione Registrazione di immagini TC/PET Accuratezza di registrazione Correzione per l attenuazione Dipendenza dall energia delle mappe di attenuazione Dose Appendice III PROTOCOLLO PROVA DI ACCETTAZIONE Introduzione Esame a vista e prove di funzionamento Alta Tensione e Filtrazione totale (opzionali) Qualità dell immagine

8 TC: DESCRIZIONE E MISURA DEI PARAMETRI CARATTERISTICI 5 Rumore pag. 102 Uniformità dei numeri TC N. TC e linearità Risoluzione spaziale Risoluzione a basso contrasto Risoluzione spaziale lungo Z Artefatti Caratteristiche dello strato Spessore dello strato Spessore irradiato Efficienza geometrica Indici di dose CTDI in aria CTDI w in fantoccio CTDI vol in spirale Accuratezza meccanica e controlli geometrici BIBLIOGRAFIA

9 TC: DESCRIZIONE E MISURA DEI PARAMETRI CARATTERISTICI 7 1 INTRODUZIONE I tomografi computerizzati multistrato (TCMS) rappresentano un evoluzione dei tomografi computerizzati spirale introdotti agli inizi degli anni 90. Si basano sull acquisizione simultanea di più strati del paziente. I TCMS possono essere utilizzati sia in modalità assiale che spirale, ed è in questa seconda modalità che trovano un impiego più innovativo. I vantaggi che i TCMS offrono rispetto ai sistemi a singolo strato sono la possibilità di eseguire la stessa acquisizione in tempi più brevi, o analogamente di effettuare scansioni di volumi maggiori nello stesso intervallo di tempo, di ridurre gli artefatti legati al movimento del paziente, di acquisire strati sottili, migliorando la risoluzione spaziale lungo l asse z; ciò determina un netto miglioramento della qualità delle immagini ricostruite, quali le ricostruzioni volumetriche e multiplanari. Di primaria importanza, nei TCMS, è la versatilità nella ricostruzione delle immagini, cioè la possibilità di ricostruire spessori di strato diversi da quelli acquisiti: ad esempio, facendo un acquisizione assiale mm (dove 16 indica il numero di canali di rivelazione e 1.5 mm le dimensioni del rivelatore), combinando i dati provenienti da più rivelatori, si possono ricostruire strati da 1.5, 3, 4.5 e 6 mm etc. Tale versatilità è ancora maggiore in modalità spirale, dove lo spessore dello strato ricostruito, la posizione e l intervallo di ricostruzione possono essere scelti retrospettivamente in modo libero, senza ovviamente andare al di sotto della dimensione minima del canale di rivelazione utilizzato. Il rapido diffondersi di tali sistemi rende necessario l approfondimento dei metodi di acquisizione e delle prestazioni, sia in termini di qualità dell immagine che in termini di dose. Scopo di questo documento è la descrizione dettagliata dei parametri fisici e dosimetrici più significativi per un sistema TC di concezione attuale (multistrato o no) da utilizzarsi durante le prove di accettazione [1] o costanza. Nella prima parte viene analizzato il sistema di acquisizione (geometria del sistema di rivelazione, numero di canali di ricezione, configurazione e filtri di ricostruzione lungo l asse z). Nelle parti successive vengono definiti i metodi di verifica della qualità dell immagine e della dose, che sono generalmente derivati da quelli per tomografi a singolo strato; per le acquisizioni in spirale può essere necessario modificare i metodi di misura o introdurre nuovi parametri di qualità (es.: l analisi degli artefatti).

10 8 REPORT AIFM N. 4 (2007) 1.1 Sistemi di rivelazione Per poter acquisire simultaneamente più strati del paziente sono necessari una matrice bidimensionale di rivelatori e un sistema di canali di rivelazione che preleva il segnale da uno o più rivelatori uniti elettronicamente (figura 1.1). Il fascio di raggi X è collimato vicino alla sorgente di radiazione nella maniera tradizionale e la definizione dell ampiezza dello strato avviene attraverso una combinazione elettronica dei segnali; il numero massimo di strati acquisibili contemporaneamente è determinato del numero di canali di rivelazione utilizzati e dalla collimazione. Figura 1.1: rivelatori a matrice fissa e a matrice adattativa [2]

11 TC: DESCRIZIONE E MISURA DEI PARAMETRI CARATTERISTICI 9 Diverse sono state le soluzioni sviluppate dalle case produttrici di tomografi nella costruzione di matrici di rivelatori per TCMS, che possono essere classificati in tre gruppi [2]: rivelatori a matrice fissa (matrix array detector): tutti gli elementi della matrice hanno le stesse dimensioni; rivelatori a matrice adattativa (matrix adaptative detector): gli elementi della matrice lontani dal centro hanno dimensioni maggiori; rivelatori di tipo ibrido: tutti gli elementi della matrice hanno le stesse dimensioni, ad eccezione di un certo numero di elementi centrali che sono più sottili. In tutti i casi la matrice è costituita da rivelatori allo stato solido. Il tipo di matrice influenza la minima ampiezza dello strato che può essere ricostruito, il numero di strati di ampiezza minima, il range di spessori disponibili, la massima lunghezza che può essere campionata in una sola rotazione e l efficienza geometrica: le matrici di tipo adattative, ad esempio, hanno il vantaggio di minimizzare gli spazi morti tra i rivelatori, in quanto gli elementi di dimensioni maggiori non contengono setti e non causano quindi una diminuzione dell efficienza. Nella figura 1.1 sono riportati esempi delle prime due classi di rivelatori per sistemi a 4 strati. La classificazione sopra riportata risulta in realtà valida solo per sistemi con un numero di strati fino a 4 o 8; per tali sistemi i rivelatori a matrice fissa sono utilizzati nei tomografi GE, quelli a matrice adattativa nei sistemi Philips e Siemens, quelli di tipo ibrido nei sistemi Toshiba. Attualmente tutti i tomografi a 16 strati disponibili in commercio hanno adottato una matrice di tipo ibrido con un numero di elementi sottili al centro (16) e altri (8-24) più larghi in periferia, mentre i sistemi a 64 strati sono a matrice fissa. In tabella 1.1 sono riportate le caratteristiche di alcuni TCMS a 16 strati.

12 10 REPORT AIFM N. 4 (2007) GE Siemens Philips Toshiba Lightspeed 16 Sensation 16 Brilliance CT 16 Aquilion 16 Gantry Generazione III III III III Apertura (cm) FOV massimo (cm) Spessore dello strato 0.625, 1.25, 0.6, 0.75, 0.75, 1.5, 0.5, 1, 2, 3, nominale per scansioni 2.5, 3.75, 1, 1.5, 2 3, 6, 12 4, 6, 8 assiali (mm). 5, 7.5, 10 3, 4.5, 5, 6, 9, 10 Sistema di rivelazione Tipo di rivelatori Stato solido Stato solido Stato solido Stato solido Numero di rivelatori per fila Numero di elementi lungo l asse z Lunghezza effettiva di ogni elemento , , , , all isocentro (mm) Lunghezza effettiva totale dell array di rive latori all isocentro (mm) Tabella 1.1: TCMS a 16 strati [3] Ad oggi la tecnologia ha portato allo sviluppo di sistemi con un numero di strati maggiore di 16: un sistema a 40 e 64 strati (Philips) un sistema a 64 canali di ricezione (2x32 con macchia focale dinamica) della Siemens, un sistema a 64 strati della GE e della Toshiba. La ricerca di tomografi con un numero maggiore di canali di rivelazione e con un apertura del fascio sempre più ampia ha portato allo studio di sistemi TC che sfruttino le tecnologie della radiologia digitale, ed in particolare i Flat Panel Detectors (FPD); al momento i FPD forniscono ottime prestazioni nell imaging di strutture ad alto contrasto con un alta risoluzione spaziale, ma la risoluzione a basso contrasto, la risoluzione temporale e l efficienza in termini di dose non raggiungono i livelli di rivelatori dedicati per TC.

13 TC: DESCRIZIONE E MISURA DEI PARAMETRI CARATTERISTICI Metodi di ricostruzione lungo z Prima di analizzare i metodi di ricostruzione lungo l asse z nei TCMS è opportuno richiamare i principi di base delle tecniche di ricostruzione dei tomografi computerizzati a spirale. In tali sistemi si compie una scansione continua nello spazio e nel tempo; il lettino avanza con continuità, mentre il sistema tubo-rivelatori ruota. Si definisce pitch dosimetrico o pitch (p ) il rapporto tra l avanzamento del lettino (t) per una rotazione di 360 e la collimazione totale dello strato x (x = N T, dove N è il numero di strati e T lo spessore nominale dello strato): t (1.1) p x x Tale definizione è valida sia per tomografi a singolo strato (N = 1) che per i TCMS [4]. Per i TCMS si può avere anche un altra definizione di pitch (p d ) che non considera la collimazione totale ma l ampiezza del singolo rivelatore d: t (1.2) p d d Il pitch d si ottiene quindi moltiplicando il pitch x per il numero di strati. La definizione 1.2 è tuttavia poco usata e induce a una confusione di termini; in generale con il termine generico pitch ci si riferisce alla 1.1. Solitamente si utilizzano valori di pitch inferiori a 2. Il valore di p x è generalmente maggiore o uguale a 1 per riuscire a coprire un determinato volume nel minor tempo possibile e ridurre in questo modo la dose rispetto alla TC assiale; per i tomografi a singolo strato il pitch non deve superare il valore 2 per escludere gap nel campionamento lungo l asse z. La ricostruzione delle immagini nella TC spirale è simile a quella che si ha nei sistemi assiali: si utilizzano gli stessi algoritmi e kernel di convoluzione. Tuttavia nei sistemi spirale è richiesto un altro passaggio, la cosiddetta interpolazione z, il cui scopo è quello di generare un set di dati planari per una posizione arbitraria dell immagine z R : infatti, nelle acquisizioni spirale solo una proiezione è acquisita esattamente nel piano delle immagini, le altre sono ottenute interpolando i dati spirale. Una volta ottenuto il set di proiezioni assiali, la ricostruzione planare avviene secondo le usuali procedure, solitamente basate sulla convoluzione delle proiezioni e delle tecniche di backprojection.

14 12 REPORT AIFM N. 4 (2007) Nella tabella 1.2 è riportato uno schema delle fasi della formazione dell immagine nella TC convenzionale e nella TC spirale. Tabella 1.2: formazione dell immagine nella TC convenzionale e spirale [2] Il metodo più semplice di interpolazione z consiste nell interpolare linearmente i dati misurati (in corrispondenza di una determinata posizione angolare) appena prima e dopo la posizione z R del lettino; tali posizioni distano d lungo l asse z e 360 lungo la traiettoria spirale (figura 1.2). Tale algoritmo è indicato come 360 LI.

15 TC: DESCRIZIONE E MISURA DEI PARAMETRI CARATTERISTICI 13 Figura 1.2: algoritmo di interpolazione 360 LI [2] Un altro metodo di interpolazione tiene conto della ridondanza dei dati in una scansione di 360 : in ogni rotazione completa del tubo a raggi X ogni valore di una proiezione è misurato due volte da due raggi opposti. Utilizzando delle procedure di rebinning (riordinamento) dei dati, questa ridondanza fornisce la possibilità di determinare la proiezione in una posizione angolare arbitraria a partire dalle proiezioni misurate in direzioni opposte che distano 180 (algoritmo 180 LI, figura 1.3). Figura 1.3: algoritmo di interpolazione 180 LI [2] Passando a sistemi multistrato le spirali di dati disponibili sono molte e pertanto è possibile interpolare dati da spirali vicine piuttosto che dalla stessa spirale di dati. Il principio dell interpolazione z è indipendente dal numero M di strati acquisiti contemporaneamente, come si può osservare confrontando la figura 1.3 con la figura 1.4. In entrambi i casi, per ogni posizione angolare si selezionano per l interpolazione z i valori misurati che sono più prossimi alla posizione z R desiderata. In questo caso si parla di algoritmo 180 MLI, perché

16 14 REPORT AIFM N. 4 (2007) si considerano M strati per effettuare un interpolazione z con algoritmo 180 LI. Figura 1.4: algoritmo di interpolazione 180 MLI [2] Benché questa possa essere considerata l interpolazione base, in realtà nei TCMS, disponendo di molti dati, si utilizzano metodi di z-filtering più elaborati: i dati provenienti dalle spirali vicine alla sezione da ricostruire vengono opportunamente pesati e utilizzati per ricostruire al meglio lo strato desiderato. Con questo algoritmo di ricostruzione il profilo dello strato, il rumore e gli artefatti nell immagine sono quindi determinati non solo dai parametri di scansione (pitch, collimazione del fascio, ma, tempo) ma anche dai parametri utilizzati durante lo z-filtering [5]. Figura 1.5: z-filtering [2]

17 TC: DESCRIZIONE E MISURA DEI PARAMETRI CARATTERISTICI Cone Beam Il passaggio dalla scansione di uno o pochi strati all acquisizione volumetrica (TCMS > 4 strati) implica il passaggio da una geometria tipo fan beam ad una di tipo cone beam; in realtà non esiste in letteratura una definizione esatta che indichi quando un fascio passi da fan a cone. Tuttavia si assume che se l angolo sotteso dai rivelatori esterni è minore di 1 allora i raggi opposti per un rivelatore esterno avranno un offset inferiore allo spessore dello strato, quindi il fascio è di tipo fan e la geometria può essere considerata planare. Al contrario, se l angolo sotteso dai rivelatori esterni è maggiore di 1 allora i raggi opposti per un rivelatore esterno, avranno un offset superiore allo spessore dello strato, quindi il fascio è di tipo cone e devono essere considerati degli appropriati algoritmi di ricostruzione di tipo Cone Beam (CB). La prima condizione è verificata per sistemi con un numero di strati inferiore o pari a 4, per i quali può essere trascurata la divergenza del fascio [6]. L effetto CB è illustrato in figura 1.6: man mano che il sistema tubo-rivelatori ruota attorno al paziente, dettagli dell oggetto appartenenti a uno stesso piano vengono visti da due diversi rivelatori. Questo porta alla formazione di artefatti, che sono più evidenti per le file di rivelatori più esterne che per quelle interne: i dettagli presenti nell oggetto che si trovano in posizione lontana dall asse sono proiettati su diverse file di rivelatori per differenti angolazioni del tubo; gli artefatti derivanti da questa errata registrazione dei dati saranno tanto più evidenti quanto maggiore è l angolo del cono e quanto più sottile è lo strato (e maggiore è il numero di strati acquisiti simultaneamente). Figura 1.6: l effetto cone beam [15]

18 16 REPORT AIFM N. 4 (2007) Per risolvere tali problemi, le case produttrici di TCMS impiegano, per tomografi a 8 e 16 strati, algoritmi di ricostruzione CB invece dell interpolazione lungo l asse z. Tali algoritmi di ricostruzione possono essere divisi in due classi: algoritmi esatti algoritmi approssimati Gli algoritmi esatti tendono a convertire i dati proiettivi misurati (integrali di linea) nello spazio dei Radon-data. Le formule di conversione non contengono approssimazioni, da cui il nome di algoritmi esatti. Lo svantaggio di questi algoritmi consiste soprattutto nei tempi di ricostruzione delle immagini che male si adattano alla pratica clinica; questi algoritmi non sono implementati sui tomografi attualmente in commercio. Gli algoritmi approssimati introducono invece delle approssimazioni più o meno severe per invertire i dati cone beam. Tali algoritmi sono divisi a loro volta in due classi, quelli di Slice Rebinning e quelli basati sulla teoria di Feldkamp. Tra gli algoritmi di Slice Rebinning occorre menzionare l ASSR (Advanced Single Slice Rebinning), che utilizza un intervallo parziale della scansione (240 ) per la ricostruzione delle immagini. I piani delle immagini non sono più perpendicolari all asse del paziente ma sono inclinati per meglio adattarsi alla traiettoria a spirale della macchia focale. Le immagini assiali sono ottenute facendo un interpolazione tra i piani dell immagine inclinati (figura 1.7). Figura 1.7: algoritmi di Slice rebinning: ASSR [15]

19 TC: DESCRIZIONE E MISURA DEI PARAMETRI CARATTERISTICI 17 I metodi di ricostruzione basati sulla teoria di Feldkamp trattano ogni voxel individualmente, piuttosto che come parte di uno strato assiale, e fanno uso della divergenza del fascio lungo l asse z. Per un determinato angolo di proiezione, un voxel può utilizzare un raggio proveniente da una rotazione, mentre un altro voxel nello stesso piano assiale utilizza un raggio proveniente da un altra rotazione. In questo modo si produce un array tridimensionale di voxel a partire dal quale si possono ricostruire immagini in ogni piano. Nella tabella 1.3 sono riportati gli algoritmi di Cone Beam utilizzati dalle diverse Ditte produttrici di tomografi multistrato (8, 16 e 64 strati). Ditta GE Siemens Toshiba Philips Algoritmo CB Cross Beam e Hyperplane reconstruction (Slice rebinning) AMPR (Slice rebinning, basato su ASSR) Coneview (Feldkamp) COBRA (Feldkamp) Tabella 1.3: algoritmi CB Si tenga conto tuttavia della continua evoluzione e ricerca da parte delle ditte costruttrici di questi metodi e algoritmi, al fine di ridurre in modo sempre più efficace gli artefatti con il minor tempo di ricostruzione.

20 18 REPORT AIFM N. 4 (2007) 1.4 Metodi di riduzione della dose Modulazione della corrente nel tubo Un parametro chiave che influisce sulla dose al paziente è il prodotto tra la corrente nel tubo e il tempo di esposizione (mas). A parità di tutti gli altri parametri di scansione, una riduzione della corrente al tubo comporta una riduzione della dose al paziente e un aumento del rumore nelle immagini. È possibile impostare manualmente la corrente nel tubo sulla base del peso e delle dimensioni del paziente per cercare di ottenere un compromesso tra rumore e dose al paziente. Questo approccio però non consente di avere una qualità dell immagine costante lungo tutta la sezione esaminata. Le tecniche di modulazione automatica della corrente nel tubo (Automatic Tube Current Modulation - ATCM) permettono di mantenere una qualità dell immagine costante per una determinata selezione di parametri di esposizione impostati in quanto rispondono in maniera rapida alle variazioni di attenuazione del fascio. Le tecniche di modulazione di dose possono essere paragonate a quelle di controllo automatico dell esposizione (AEC) in radiologia convenzionale [8, 9, 10]. Il principio su cui si basa la modulazione della corrente è che il rumore del pixel nella scansione TC è legato al rumore quantico delle proiezioni. Modulando la corrente nel tubo in relazione alle variazione dell anatomia del paziente il rumore quantico della proiezioni può essere mantenuto a un livello scelto dall utilizzatore. Attualmente sono disponibili due tecniche per di ATCM: - modulazione lungo l asse z (figura 1.8) - modulazione angolare (x-y) (figura 1.9) Modulazione lungo l asse z La corrente nel tubo viene modulata rotazione per rotazione tenendo conto della variazioni nell attenuazione lungo l asse z del paziente. In questo modo il livello medio di rumore in uno strato si mantiene approssimativamente costante per diverse posizioni lungo l asse z

21 TC: DESCRIZIONE E MISURA DEI PARAMETRI CARATTERISTICI 19 Figura 1.8: modulazione lungo l asse z [37] Modulazione angolare La modulazione avviene durante ogni singola rotazione, in modo tale da compensare grosse deviazioni dalla simmetria circolare del paziente: ad esempio in corrispondenza delle spalle i fasci provenienti anteriormente sono molto meno attenuati rispetto a quelli laterali e quindi l intensità del fascio anteriore può essere ridotta senza compromettere in modo importante la qualità immagine. Sono riportate riduzioni della dose da 10% a 60% con valore medio di 22 28% [11]. Figura 1.9: modulazione angolare [9]

22 20 REPORT AIFM N. 4 (2007) Nella tabella 1.4 sono riportati i sistemi di ATCM attualmente disponibili su tomografi a 16 strati. Ditta Nome Livello di controllo Prescrizione Calcolo produttrice automatico dei ma dei ma dell attenuazione GE SmartmA - dimensioni del Indice di - Scout view paziente rumore - modulazione - asse z specificato angolare: - modulazione dall utente sinusoidale angolare Philips DoseRight - dimensioni del Immagine - Scout view ACS e DOM paziente (ACS) di riferimento - modulazione - piano x-y (DOM) con livello di angolare: rumore online, desiderato basata sui specificato 180 dall utente precedenti Siemens CAREDose 4D - dimensioni mas eff per un - Scout view del paziente paziente - modulazione - asse z standard angolare: - modulazione specificato online, angolare dall utente basata sui 180 preced. Toshiba SURE Exposure - dimensioni del Indice di dose - Scout view paziente specificato - asse z dall utente Tabella 1.4 : tecniche di modulazione della corrente nel tubo per tomografi a 16 strati [8] Il tomografo ideale dovrebbe disporre di entrambi i sistemi per garantire il massimo dell efficacia. La modulazione automatica della corrente nel tubo richiede una conoscenza delle caratteristiche di attenuazione del paziente che si possono ricavare a partire da una scout del paziente. Per quanto riguarda la modulazione nel piano x-y, è possibile ottenere le informazioni necessarie per variare i ma in due modi: o si utilizzano i dati della scout view per calcolare le dimensioni antero-posteriori e latero-laterali del paziente in ogni rotazione e i ma vengono modificati sinusoidalmente in modo da adattarsi a tali parametri, oppure si sfruttano online i dati dai 180 precedenti nella rotazione per modulare i ma. Quando si utilizzano le tecniche di ATCM bisogna adottare dei metodi per selezionare il livello di qualità dell immagine desiderato; a tale scopo sono

23 TC: DESCRIZIONE E MISURA DEI PARAMETRI CARATTERISTICI 21 possibili diversi approcci. Su alcuni sistemi vengono dati come input i ma che verrebbero utilizzati senza modulazione, e questo valore costituisce la linea di base per calcolare i ma necessari per ottenere lo stesso livello di rumore per diverse dimensioni del paziente. Altri sistemi richiedono come input un indice di qualità dell immagine, che è solitamente legato ad un valore di rumore; i ma vengono regolati in modo da mantenere questo livello di rumore per tutte le sezioni del paziente. Infine, un terzo approccio consiste nel selezionare una immagine di riferimento che abbia le caratteristiche di qualità richieste per un determinato esame; questa immagine è poi utilizzata per adattare i ma in modo che venga raggiunto lo stesso livello di qualità per ogni paziente. In alcuni casi è possibile impostare i limiti superiore e inferiore di ma che possono essere utilizzati dal sistema di ATCM. La modulazione della corrente nel tubo, oltre che ad essere un metodo efficace di riduzione della dose, può essere di beneficio per la qualità dell immagine, perché permette di ottenere una qualità delle immagini consistente da paziente a paziente, da strato a strato e infine all interno dello stesso strato. La modulazione nel piano x-y contribuisce inoltre a ridurre gli artefatti a strisce causati da un basso flusso di fotoni nelle proiezioni laterali di regioni anatomiche come le spalle e la pelvi. Infine tali tecniche permettono di diminuire il carico al tubo radiogeno allungandone il tempo di vita media [8]

24 22 REPORT AIFM N. 4 (2007) 2 FANTOCCI PER LA VALUTAZIONE DELLE IMMAGINI TCMS Questo capitolo contiene una descrizione degli oggetti test necessari per effettuare le valutazioni sulle apparecchiature tomografiche. Lo scopo prefissato è quello di mettere in luce i limiti degli oggetti test oggi disponibili per gli apparecchi di ultima generazione e di offrire una guida all acquisto del materiale necessario per la caratterizzazione di un sistema TCMS. 2.1 Fantocci specifici per la qualità immagine Gli oggetti test da utilizzarsi per la qualità immagine sono cilindri in materiale plastico che contengono acqua; in alternativa possono essere costituiti da acqua solida (in genere PMMA) che ha caratteristiche di attenuazione simili all acqua (numero TC = 0 ± 5 HU) ma si presenta più stabile e non crea problemi legati allo riempimento e alla fuoriuscita del fluido. Il diametro del cilindro è compreso tra 15 a 25 cm, a seconda che simuli solo la testa, solo il corpo o una via intermedia. Spesso si presentano come oggetti multistrato dove ogni strato contiene gli inserti necessari per le specifiche valutazioni Fantocci per la valutazione di uniformità del n. TC, n. TC dell acqua e rumore Si tratta di uno strato senza inserti riempito di acqua o materiale uniforme. Il rumore dell immagine dipende dalle dimensioni del fantoccio e dalla sua composizione. Di solito, i fantocci impiegati per la misura del rumore hanno forma cilindrica e sono riempiti d acqua, oppure sono costituiti di un materiale omogeneo equivalente all acqua. Il fantoccio deve essere centrato rispetto al campo di vista (FOV). Un fantoccio di grandi dimensioni può essere impiegato per FOV grandi (protocolli body), mentre un fantoccio piccolo, dotato di un anello esterno per simulare la presenza dell osso corticale, è indicato per valutare i protocolli specifici per l encefalo. Fantocci ellittici possono essere impiegati per valutare gli effetti sul rumore prodotti da parte dei sistemi di riduzione della dose che modulano la corrente nel tubo in funzione dell attenuazione prodotta dall oggetto in esame. Spesso i tomografi hanno in dotazione un fantoccio per i controlli di qualità e, talvolta, è disponibile una serie di fantocci che viene utilizzata dai tecnici incaricati della manutenzione per la calibrazione dei diversi campi di

25 TC: DESCRIZIONE E MISURA DEI PARAMETRI CARATTERISTICI 23 vista. Impiegando il fantoccio con il diametro maggiore, si analizza il campo di vista massimo e, allo stesso tempo, si controllano tutti gli elementi rivelatori verificando la presenza di artefatti ad anello Fantocci per la valutazione dello spessore dello strato L inserto utilizzato è un foglio o un filo ad alta densità (ad esempio alluminio) inclinato lungo z con un angolo compreso comunemente tra 23 e 45. Per valutazioni di strati di spessore inferiore a 2 mm, lo spessore dell inserto e l angolo di inclinazione possono diventare critici; in questi casi occorre scegliere gli oggetti con rampa più sottile e con inclinazioni minori. Lo spessore minimo che può essere misurato dipende dallo spessore T della rampa d alluminio e dall angolo θ d inclinazione: (2.1) s min = T / cos(θ) Nel caso di spessori molto sottili, ad esempio 0.5 mm, è necessario utilizzare una rampa con un inclinazione di circa 5 che permette un amplificazione del profilo di circa un fattore 10 (amplificazione = (tangθ) 1 ); contemporaneamente la rampa non può superare 0.5 mm: in queste condizioni è possibile campionare correttamente lo spessore dello strato. A tutt oggi esistono pochi fantocci con queste ultime caratteristiche, ma è possibile facilmente costruirne con semplici mezzi [12]. Un fantoccio in commercio che sembra superare queste difficoltà è il modulo 591 CTP del CatPhan che dispone di 4 rampe inclinate di 26 che coprono 38 mm di lunghezza per gli spessori più ampi dei tomografi multistrato e 2 rampe inclinate di 7 che coprono 6 mm per gli spessori molto sottili; le rampe sono costituite da piccole sfere di tungsteno di 280 µm di diametro nel primo caso e 180 µm nel secondo. Il gruppo Impact, inoltre, ha sviluppato un fantoccio con una rampa in titanio di spessore 50 µm e inclinato di 5 rispetto al piano di scansione. Figura 2.1: schema modulo 591 CatPhan 600 per misura spessori di strato MTF e SSP[35]

26 24 REPORT AIFM N. 4 (2007) Un altro aspetto estremamente critico per le TCMS è la lunghezza dell inserto lungo l asse z che deve coprire la massima estensione del fascio per consentire l acquisizione simultanea di tutti gli strati possibili nella configurazione più ampia. Nel caso delle TCMS si è riscontrata una criticità nella posizione delle rampe all interno del fantoccio : nel caso di posizioni periferiche la valutazione risente di artefatti da conebeam reconstruction rendendo impossibile una corretta misura Fantocci per la valutazione dello Slice Sensitivity Profile (SSP) Come noto, nei tomografi spirale la misura dello spessore dello strato ricostruito non può essere effettuata utilizzando il metodo della rampa inclinata, ma, utilizzando un fantoccio dedicato. Questo può essere costituito da una sferetta o, in alternativa, da un disco sottile (< 0.1 mm) di materiale ad alta densità (PTFE politetrafluoroetilene, oro, tungsteno) sostenuto da un mezzo di densità più bassa (spugna o Perspex) Nella seguente tabella 2.1 sono riportate le caratteristiche di tre fantocci per la misura dell SSP disponibili in commercio. Marca materiale Fondo dimensioni (µm) QRM foglio d oro plastica equivalente 25 CatPhan CTP 528 sfera tungsteno mezzo solido 280 ( 90 n.tc) AAPM sfera acciaio spugna 250 Tabella 2.1 Caratteristiche dei fantocci in commercio per la misura della SSP Fantocci per la valutazione della risoluzione spaziale: Quasi tutti i fantocci dedicati ai controlli di qualità delle apparecchiature tomografiche, dispongono di pattern ad alta densità (differenza di almeno 100 n. TC) con frequenza variabile. Le frequenze utili vanno da 1-4 cpl/cm fino a cpl/cm, consentendo di caratterizzare adeguatamente la curva MTF con il metodo di Droege [13] anche se non permettono di visualizzare le frequenze spaziali limite dei nuovi sistemi tomografici che possono raggiungere con filtri dedicati le cpl/cm.

27 TC: DESCRIZIONE E MISURA DEI PARAMETRI CARATTERISTICI 25 Figura 2.2 Esempio di oggetto test con dettagli a frequenza spaziale variabile [20] In alcuni casi il pattern viene collocato radialmente per ridurre gli artefatti a striscia. In altri casi al pattern a onda quadra si preferisce il pattern costituito da cilindri cavi, utile solo per valutazioni visive. In aggiunta a quelli già descritti, alcuni fantocci contengono inserti come gradini inclinati (edge), fili sottili e sferette metalliche inseriti in un substrato omogeneo per permettere il calcolo della MTF con i metodi della edge spread function (ESF), della line spread function (LSF) o della point spread funcion (PSF) rispettivamente. A fianco dei fantocci che consentono la misura della risoluzione spaziale nel piano ricostruito, può essere utile la misura della risoluzione spaziale lungo l asse z, parametro che caratterizza la qualità delle ricostruzioni multiplanari e volumetriche. Il valore limite per questo parametro è attualmente pari a 14 cpl/cm. Un fantoccio in commercio ideato per questo scopo è il QRM 3D Spatial Resolution Test Phantom: è costituito da due spessori in plastica con pattern a fori di diametro da 4 mm a 0.4 mm corrispondenti alle frequenze spaziali comprese tra 1.25 cpl/cm e 12.5 cpl/cm. I due spessori sono ortogonali e opportunamente posizionati permettono la valutazione (visiva) della risoluzione massima nel piano assiale e lungo z (piano sagittale e coronale). Figura 2.3 QRM 3D Spatial Resolution Test Phantom [33]

28 26 REPORT AIFM N. 4 (2007) Fantocci per la valutazione della linearità dei numeri TC La scelta dei materiali utili per caratterizzare l attenuazione e quindi la scala dei n. TC, è varia: polietilene, acrilico (plexiglass), polistirene, nylon, policarbonato, teflon. I fantocci contengono generalmente alcuni di questi inserti: l intervallo dei n. TC abbinati deve però essere indicato dalla Ditta costruttrice del tomografo perché dipende dalla qualità della radiazione cioè dalla tensione, dallo spettro energetico e dalla filtrazione del fascio radiante. Nella tabella 2.2 sono riportati per i principali materiali presenti nei fantocci, dati di densità, di densità elettronica, oltre che il fattore F per diversi valori di energia efficace della radiazione, dove F è il rapporto tra i coefficienti di attenuazione massici del materiale in questione rispetto a quello dell acqua. Questi valori possono essere utili nel caso di utilizzo delle immagini per la preparazione di piani di trattamento radioterapico, qualora mancassero dati certificati relativi al fantoccio utilizzato. In particolare il numero TC dell alluminio o del magnesio si prestano a determinare il valore di energia efficace della radiazione perché più sensibili all energia del fascio a causa del valore di Z più alto rispetto ai materiali tessuto equivalente. Tabella 2.2: Valori di densità, densità elettronica e F per vari materiali ed energie efficaci [46].

29 TC: DESCRIZIONE E MISURA DEI PARAMETRI CARATTERISTICI Fantocci per la valutazione della relazione fra densità elettronica e n. TC Qualora le immagini TC debbano essere inviate ad un sistema di Treatment Plannig per la pianificazione di un trattamento radioterapico, è necessario conoscere la corrispondenza esatta tra n. TC e densità elettronica per permettere al sistema TP la accurata correzione per le disomogeneità. Per questa valutazione sono disponibili in commercio oggetti test specifici (Electron Density CT Phantom) che dispongono di numerosi dettagli. Tra i fantocci più noti e diffusi c è il Modello 467 Gammex-RMI e il Modello 62 CIRS rappresentati nella figura 2.4. La relazione tra n. TC e densità elettronica è approssimativamente lineare, anche se in corrispondenza dei valori TC alti presenta una deviazione a causa al contributo elevato dell effetto fotoelettrico all attenuazione rispetto all effetto Compton. (a) (b) Figura 2.4 Electron Density Phantom (a) (c) [42], (b) [36] (c)

30 28 REPORT AIFM N. 4 (2007) Fantocci per la valutazione del basso contrasto La risoluzione a basso contrasto viene caratterizzata utilizzando oggetti a basso contrasto rispetto al materiale in cui sono immersi; i contrasti utili vanno da 0.3 %, 0.5 %, 1 %, 2% (corrispondenti a differenze in n.tc di 3, 5, 10, 20) e le dimensioni utili dei diametri degli inserti vanno da 2 a mm. Per le apparecchiature TCMS si tenga conto che la dimensione lineare dell inserto dovrebbe coprire la massima ampiezza dei rivelatori (almeno 4 cm). L oggetto che in commercio più corrisponde a queste esigenze è il modulo 515 del CatPhan. Esistono tuttavia altri oggetti con queste caratteristiche (Diagnostic Imaging Model (CIRS), Gammex 464, Elimpex ). Altri oggetti richiedono invece di essere riempiti con soluzioni idonee, comportando per questo problemi pratici, come l inserto ATS del fantoccio AAPM. Altri ancora sono costruiti con un sottile foglio di polietilene contenenti fori: è chiaro che questi ultimi oggetti non sono idonei alla misura in acquisizione spirale, e presentano problemi di allineamento anche per le apparecchiature multistrato. Si ricorda infine, che nella letteratura sono anche proposti in via sperimentale oggetti test per la valutazione del basso contrasto in 3 dimensioni [2, 14]. (a) (b) (c) Figura 2.5 Esempio di alcuni fantocci per la valutazione del basso contrasto : a) CatPhan 500 [15] b) Gammex 464 [15], c) Diagnostic Imaging Model (CIRS) [36]

31 TC: DESCRIZIONE E MISURA DEI PARAMETRI CARATTERISTICI Artefatti (Cone Beam) Non esistono oggetti standard per la valutazione degli artefatti da Cone Beam. Per natura, gli artefatti si presentano in corrispondenza di oggetti situati in posizione periferica rispetto all asse di rotazione e su oggetti di forma o dimensioni non costanti lungo l asse z. Tra le proposte commerciali che possiamo menzionare c è il Clock Phantom prodotto su ordinazione dalla Ditta QRM, in cui sfere di PTFE di diametro pari a 3 o 1.5 cm sono posizionate all interno di un cilindro nella posizione delle ore di un quadrante di orologio. Figura 2.6 Schema del Clock Phantom [33] In alternativa con metodi artigianali è possibile realizzare in loco fantocci utili alla valutazione degli artefatti di cui sopra [15], oppure è possibile utilizzare fantocci non dedicati (modulo 401 CTP). Figura 2.7 Esempio di fantoccio casalingo [15] o di utilizzo del CatPhan

32 30 REPORT AIFM N. 4 (2007) 2.2 Misure dosimetriche: strumentazione e fantocci Per la misura degli indici di dose quali il CTDI e il DLP è necessario dotarsi di una camera a ionizzazione di tipo pencil (stilo), ovvero con una camera a forma cilindrica di lunghezza sensibile di 10 cm e di diametro circa 1 cm con un volume sensibile di circa 3 cm 3. È fondamentale che questi strumenti abbiano una risposta uniforme su tutta la lunghezza. In generale sono calibrati in kerma in aria mediante esposizione a un campo RX uniforme. Nella scelta della qualità del fascio da utilizzare per la calibrazione è consigliabile scegliere un fascio di HVL 1 tra 7 e 10 mm di Al [49]. Si tratta di strumenti che si adattano a diversi tipi di elettrometri; in alcuni casi si trovano in commercio camere con lunghezza sensibile superiore (es: 14 cm). Dal momento che la grandezza dosimetrica oggi di riferimento è il CTDI 100, per semplificare la valutazione è più opportuno acquistare direttamente uno strumento che effetti l integrazione su 10 cm. Nell utilizzare la lettura dell elettrometro occorre verificare (dalla documentazione o sperimentalmente) se la lettura dell elettrometro è in integrale (Gy cm) o se è già divisa per la lunghezza della camera. E possibile eseguire misure di CTDI e DLP anche con dosimetri a termoluminescenza; i TLD devono essere opportunamente calibrati con un fascio radiante con caratteristiche simili a quelle del tomografo e deve essere riprodotta la geometria di irradiazione più idonea alla misura da eseguire. Per effettuare le misure in fantoccio si utilizzano il fantoccio HEAD o quello BODY. Il fantoccio HEAD è costituito da un cilindro di PMMA di 16 cm di diametro e di 15 cm di lunghezza con un foro centrale e 4 fori nelle posizioni corrispondenti a ore 12, 3, 6, 9 utilizzabili come alloggiamenti per la camera a ionizzazione; i quattro alloggiamenti non utilizzati dalla camera, devono essere sempre riempiti con cilindri rimuovibili di PMMA. Il fantoccio BODY ha le stesse caratteristiche del fantoccio HEAD, ma diametro di 32 cm. Esistono in commercio fantocci per misure in campo pediatrico: le caratteristiche sono simili a quelle dei fantocci utilizzati per il paziente adulto ma il diametro del Figura 2.8 Esempio di fantoccio HEAD fantoc-

33 TC: DESCRIZIONE E MISURA DEI PARAMETRI CARATTERISTICI 31 cio HEAD PEDIATRICO misura 10 cm e il fantoccio BODY PEDIATICO ha un diametro di 16 cm. Un nuovo tipo di rivelatore (CT-SD16) è proposto dalla ditta RTI Electronics AB : si tratta di una sonda cilindrica in cui sono presenti due rivelatori semiconduttori molto piccoli (250 µm). I due rivelatori, posizionati in aria libera o in fantoccio, registrano il profilo di dose durante un acquisizione con movimento continuo del lettino (acquisizione spirale). Il CTDI 100 si può misurare così integrando il profilo di dose così ottenuto. Da questo tipo di misura possono essere ricavate altre informazioni relative al movimento del lettino, al profilo di dose, e all attenuazione del supporto del paziente. Figura 2.9 Sonda CT-SD16 RTI Electronics [43]

34 32 REPORT AIFM N. 4 (2007) 3 PARAMETRI DI QUALITÀ DELL IMMAGINE Le seguenti sezioni sono dedicate alla valutazione della qualità di un immagine transassiale. In generale, si considera che l immagine sia stata acquisita in modalità sequenziale. In ciascuna sezione, un paragrafo descrive i diversi criteri e metodi richiesti per le immagini assiali acquisite in modalità spirale. In un altro paragrafo sono invece discussi i procedimenti specifici per la tecnologia multistrato, in modalità di acquisizione sia assiale che spirale. 3.1 Rumore Definizione e introduzione Anche le immagini TC, come quelle prodotte da altre modalità di imaging, sono affette da rumore. Il rumore d immagine si manifesta come oscillazioni dei numeri TC di un oggetto omogeneo intorno a un valore medio. Oltre a ciò, possono essere presenti altre variazioni, chiamate rumore strutturale o artefatti. A rigore, il rumore dovrebbe essere misurato a partire da una serie di scansioni di un determinato oggetto, sempre nelle medesime condizioni. Tuttavia, un approccio più pratico consiste nell esprimere il rumore in termini di deviazione standard normalizzata relativa a un insieme di numeri TC misurati al centro di un immagine di un oggetto omogeneo. Questa misura della varianza del campione include il contributo da altri fattori in aggiunta al rumore casuale o quantico, quali il rumore elettronico o il rumore strutturale. Per eseguire un confronto diretto tra apparecchiature TC con diverse scale di contrasto, è indispensabile calcolare la deviazione standard normalizzata (S): (3.1) S = σacqua x 100% TC scala dove: σ acqua è la deviazione standard dei valori dei pixel compresi nella ROI selezionata sull immagine di un oggetto omogeneo TC scala = TC acqua TC aria TC acqua e TC aria sono i valori del numero TC rispettivamente dell acqua e dell aria. Se espressi in unità Hounsfield, il numero TC dell acqua e quello dell aria sono uguali, per definizione, rispettivamente a zero e a Alcune case costruttrici, tuttavia, dimezzano l intervallo dei numeri TC per particolari modalità ad alta risoluzione, e questo può arrecare confusione qualora non venga data indicazione all utilizzatore.