Assicurazione di qualità in mammografia digitale: Computed Radiography a Doppia Lettura Corso Teorico Pratico Linee Guida EUREF per il Commissioning di un sistema CR per mammografia a doppia lettura Servizio di Fisica Sanitaria Ausl Modena Dott.ssa Paola Golinelli Ottobre 2010 Sommario Aspetti fisici di un Lettore CR a doppia lettura Test di Accettazione di un sistema CR mammografico: Controllo funzionamento Lettore CR Controllo qualità Cassette+Imaging Plates Taratura mammografi con Lettori CR: Verifica Accoppiamento con sistema AEC del mammografo e verifica qualità immagine 1
Aspetti fisici di un Lettore CR a doppia lettura: Imaging Plate (IP) e Formazione dell immagine latente Gli elettroni (e) possono rimanere intrappolati per secondi / ore; il numero di siti occupati dagli e è proporzionale all energia assorbita in quel punto dallo schermo Fotoluminescenza stimolabile Aspetti fisici di un Lettore CR a doppia lettura: Lettura IP Laser di lettura luce rossa Il PMT (Fotomoltiplicatore) amplifica il segnale, ad esso viene applicato un guadagno logaritmico per digitallizzare tutta l informazione acquisita. La dimensione della macchia focale del pennello laser concorre a determinare la risoluzione limite dell immagine CR. Emissione segnale-luce blu (non interferisce con la luce rossa del laser, è proporzianale all energia dei Raggi X assorbiti dal fosforo 2
Aspetti fisici di un Lettore CR a doppia lettura: Imaging Plate (IP) e Formazione dell immagine latente E IMPORTANTE CHE LA LUCE BLU EMESSA DAL FOSFORO SIA RACCOLTA CON EFFICIENZA (OVVERO CHE NON SIA PRESENTE POLVERE SULLA GUIDA DI LUCE E CHE IL PMT NON SI DETERIORI NEL TEMPO) PER MANTENERE UN ADEGUATO Rapporto Segnale-Rumore (SNR), altrimenti si formeranno sorgenti aggiuntive di Rumore oltre Il rumore quantico intrinseco dei raggi X. QUINDI E IMPORTANTE ESEGUIRE LA MANUTENZIONE ORDINARIA E I CONTROLLI DI QUALITA Aspetti fisici di un Lettore CR a doppia lettura: Tecnologia a doppia lettura ( per aumentare la sensibilità e migliorare il SNR) From FUJIfilm s Digital mammography Systems Dimensione laser Fuji: 50um 3
Aspetti fisici di un Lettore CR a doppia lettura: Image-Processing In radiologia prima dell anno 2004 Il film analogico Aspetti fisici di un Lettore CR a doppia lettura: Image-Processing In radiologia dopo l anno 2004 Digitalizzazione dei mammografi analogici con Sistemi CR-Fuji Profect CS 4
Aspetti fisici di un Lettore CR a doppia lettura: Screen-Processing AUTO - EDR (Exposure Data Recognizer): Modalità AUTOMATICA Il SW processa i dati grezzi letti dal lettore in base ai parametri che vengono scelti dall'operatore che dipendono dalla parte anatomica: Il SW realizza un istrogramma dei dati grezzi del plate campionati sul quale ( Latitudine ) valuta S (Indice di sensibilità) e L S è un parametro che è inversamente proporzionale alla dose che raggiunge il plate: nella modalità AUTOMATICA SENO i valori di S consigliati in fase di accettazione variano tra 70 e 120 L è collegato al range dinamico dell'immagine, nella modalità AUTOMATICA SENO i valori di L sono prossimi a 2. S ed L sono due parametri che non dovrebbero essere cambiati nella pratica clinica, essi dipendono da: Efficienza del Lettore CR (Calibrazione del valore di Sensibilità) Settaggio del sistema AEC Parametri di image-processing per SENO Aspetti fisici di un Lettore CR: Screen-Processing SEMI-EDR (Exposure Data Recognizer): Modalità NON AUTOMATICA Il SW realizza un istrogramma dei dati grezzi del plate campionati sul quale valuta S (Indice di sensibilità) mentre L (Latitudine) è fissata dall'operatore; FIXED-EDR (Exposure Data Recognizer): Modalità NON AUTOMATICA Il SW realizza un istrogramma dei dati grezzi del plate campionati con S (Indice di sensibilità) ed L (Latitudine) fissati dall'operatore; ( Pixel Log (Valore dei FIXED-EDR SEMI-EDR e AUTO-EDR ( plate log(dose in ingresso al 5
Aspetti fisici di un Lettore CR: Parametri di Image-Processing GT GA GC GS Aspetti fisici di un Lettore CR: Parametri di Image-Processing GT_ Tipo di Curva GA_ Angolo di Inclinazione GC_ Centro di Rotazione della curva GS_ Shift della curva in Densità 6
Commissioning di un Lettore CR Verifica della Calibrazione dell Indice di Sensibilità S del Lettore Verifica di una Curva di Risposta al variare della dose in ingresso al plate, dipendente dal software di screen-processing selezionato; Verifica del Rumore del sistema CR al variare della dose; Verifica della Risoluzione del sistema; Verifica entità immagine ghost ; Verifica uniformità; Verifica del rumore di buio ; Verifica della funzionalità del laser: distorsione geometrica e artefatti. Per verificare che il Lettore CR sia calibrato ovvero che il processo di lettura e l elaborazione dell immagine da parte del software avvengano correttamente, secondo le specifiche del costruttore: la Ditta Fuji suggerisce di irraggiare un plate in modo uniforme a 25kVp (Mo/Mo), senza filtrazione aggiuntiva, con una dose incidente al plate di 174uGy. Processare il plate con Screen-Processing SEMI (L=1) e Image- Processing Lineare (GA=1.0, GT=A, RE=0.0). In queste condizioni S viene calcolato all interno di un quadrato di lato 10cm centrato nell immagine, esso dipende dalla dose incidente al plate E secondo la seguente relazione: Occorre cassetta+plate di riferimento! Verifica Calibrazione del Lettore CR ( E(uGy S = A / Il valore atteso di S =120 +/- 20% NOTA: Questo parametro deve essere verificato semestralmente e spesso è richiesta una ricalibrazione! 7
Applicazione ai lettori: La Calibrazione del Lettore è stata verificata in condizioni cliniche utilizzando il mammografo a 28 kvp (Mo/Mo), con filtrazione 45mmPMMA con Distanza Fuoco Plate (D.F.P.) = 60cm, registrando i mas erogati (Intervallo di carico erogato= 1- ( EUREF 250mAs).(Indicazioni Il plate è stato processato con Screen-Processing SEMI-EDR (L=1) e Image- Processing Lineare (GA=1.0, GT=A, RE=0.0). In queste condizioni S viene calcolato all interno di un quadrato di lato 10cm centrato nell immagine, esso dipende dalla dose incidente secondo la seguente relazione (indicazione di Fuji): Il valore atteso di B è -1. Verifica Curva di Risposta S = A / mas ovvero log(s) = A + B * log(mas) Il valore atteso del Coefficiente di Correlazione è R>0.99 Il valore atteso di A non viene fornito da Fuji per queste condizioni di misura. Verifica Curva di Risposta Sistemi FUJI: si verifica che la dipendenza dell Indice di Esposizione (S) calcolato dal sistema sia quella dichiarata dal costruttore screen-processing QC Sensitivity/Semi-Edr S = A / ESAK(mGy) dove A (costante che dipende dalla combinazione Anodo/Filtro, kvp e spessore PMMA(mm)) 4000 3500 3000 2500 Cortesy of G. Gennaro, INFN Padova Linear System CR 1 CR 2 Mo/Mo - 28 kv 10000.00 1000.00 S-Fuji 2000 100.00 1500 1000 500 0 0 5 10 15 20 25 ESAK (mgy) 10.00 1.00 1.0 10.0 100.0 1000.0 mas 8
Verifica Curva di Risposta Sistemi FUJI 10000 PMMA 45mm, Mo/Mo, 28 kvp Fuji, Busto Arsizio (VA) Fuji, Cagliari Fuji, Carpi Fuji, Castelfranco Emilia Fuji, Modena C. Screening#2 Fuji, Pavullo (MO) ( ESAK(mGy S = A / ( log(esak Log(S) = A + B * Il valore aspettato di B è 1 Limite Addendum III e IV Edizione: R 2 > 0.99 1000 sensitivity (S) 100 Site Fuji#1 Fuji#2 A 3.48 3.01 B -0.99-1.02 R 2 0.9999 0.9999 Fuji#3 3.03-0.99 0.9999 1 10 ESAK (mgy) Fuji#4 Fuji#5 3.10 3.10-1.01-1.01 1.000 1.000 Fuji#6 3.28-1.01 0.9999 Fuji#7 3.12-1.01 0.9999 NOTA: Occorre identificare in queste condizioni un valore di riferimento per A. NOTA: Questo parametro rimane quasi invariato nel tempo! Rumore del lettore CR Addendum III e IV Edizione: Il Rumore Noise (N) del sistema si rappresenta come la Deviazione Standard (SD) del Segnale (PV) all interno di una ROI, SD PV. Ma per i sistemi a risposta logaritmica come i sistemi CR, PV log(e) da cui supponendo il rumore quantico l unica sorgente (si veda Med. Phys., 27(12) December 2000- Phototimer setup for CR imaging): (SD PV ) 2 ( E)-1 Nel caso siano presenti altre sorgenti di rumore la curva che r appresenta (SD PV ) 2 vs E -1 non è lineare, ovvero comporta un Coefficiente d Correlazione al quadrato (R 2 ) <0.99 ed è presente un offset. All accettazione deve essere eseguita una curva di riferimento, la c ui variazione deve essere monitorata con i successivi Controlli sem estrali. 9
Rumore del lettore CR Screen-Processing QC Sensitivity/Semi-Edr Sistemi FUJI PMMA 45mm, Mo/Mo, 28 kvp SD 2 = A + B * (ESAK) -1 Fit lineare Limite Addendum III e IV Edizione: R 2 > 0.99 sd 2 600 500 400 300 Fuji, Busto Arsizio (VA) Fuji, Cagliari 200 Fuji, Carpi Fuji, Castelfranco Emilia Fuji, Modena C. Screening Fuji,Padova U.O. Senologia 100 Fuji, Pavullo (MO) 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 1/ESAK Site Fuji#1 Fuji#2 Fuji#3 Fuji#4 Fuji#5 Fuji#6 Fuji#7 A 46.54 6.98 2.81 46.35 21.68 31.2 18.85 B 256.79 208.01 454.5 446.45 439.1 336.97 516.65 R 2 0.988 1.000 0.999 0.997 0.999 0.999 0.999 NOTA: Il rumore aumenta con l usura dei PMT, e occorre aumenatre la dose! Risoluzione del lettore CR Occorre valutare la risoluzione limite: è la massima risoluzione che si può ottenere da un sistema, valutabile con una mira a frequenze spaziali variabili, La risoluzione limite corrisponde alla coppia di lp/mm oltre la quale MTF <5% Essa dipende nel caso di un sistema CR da: inherent unsharpness of the x-ray converter material Rateo di scansionamento del plate e dimensione dello spot del laser: per 20 pixel/mm e 50um si ottiene una risoluzione limite di 8.5 lp/mm 10
Risoluzione del lettore CR Ghost Immagine Come si misura il fattore di Ghost? Al a Image 1 senza Con Image 2 ghost ghost Su immagine b : Ghost factor = ( value(roi2 mean pixel value(roi3)- mean pixel <0.3 ( value(roi2 mean pixel value(roi1)- mean pixel b 11
Unifomità del Lettore CR Nei sistemi CR disuniformità possono nascere da variazioni spaziali nella sensibilità del materiale fluorescente (convertitore dei Raggi X in fotoni luminosi) e nell elettronica di lettura. In questi sistemi non è prevista una procedura di flatfielding come per i sistemi DR, quindi ci si deve aspettare la stessa disuniformità dovuta al campo radiogeno che si riscontra nel sistemi screen-film. Unifomità del Lettore CR SISTEMI DR Per i sistemi DR è una verifica della correttezza della maschera Flat- Field che corregge la presenza di bad-pixel, bad-roi, differenze di guadagno di segnale degli elementi detettori, disomogeneità del campo RX; le ditte implementano software proprietari di analisi dell immagine Flat-Field. SISTEMI CR Per i sistemi CR questo parametro risente dell effetto della disomogeneità del campo RX, anche esponendo ruotando il plate di 180. Per questo non è stato considerato nel Trial. Cortesy of G. Gennaro, INFN Padova 12
Altri controlli Lettore CR Verifica del rumore di buio ; Verifica della funzionalità del laser: distorsione geometrica e artefatti. Cassette +Plates Verifica della differenza di sensibilità tra le cassette+plates: Si valuta verificando l assorbimento delle cassette come per lo screenfilm, misurando l SNR nella ROI di riferimento. Esso non deve differire di più del 10% all interno di un gruppo di imaging-plate dedicati ad un mammografo. Verifica del tessuto mancante-lato torace: L immagine mancante dal lato torace non deve essere superiore a 5mm. 13
Problematiche di taratura dei mammografi con Lettori CR La Ditta suggerisce che in condizioni cliniche, utilizzando quindi uno Screen-Processing AUTO, e un Image Processing dedicato per la mammella, il valore di Sensitivity dell immagine deve rientrare nel range 80-120. Questa condizione clinica è stata raggiunta, su indicazioni della Ditta, ricalibrando i sistemi AEC presenti sugli apparecchi mantenendo gli stessi spettri (kvp, Anodo-Filtro) utilizzati per lo schermo-film (Kodak MinR-2000), e diminuendo leggermente i mas. NOTA: con l aumentare dell usura dei fotomoltiplicatori, per mantenere lo stesso livello di rumore sulle immagini, si è dovuto riaumentare di nuovo la dose, per cui il range di sensibilità delle immagini risultano inferiore a 80 per quasi tutti i sistemi. Problematiche di taratura dei mammografi con Lettori CR La validazione delle calibrazioni dei sistemi AEC con i Plate Fuji è stata effettuata sulla base di due parametri oggettivi secondo le indicazioni del gruppo EUREF: ( ADG ) Dose Ghiandolare Media Rapporto Contrasto Rumore (CNR) Relativo Inoltre è stata effettuata una valutazione soggettiva sulla base della valutazione visiva su Workstation di fantocci con dettagli a basso contrasto: Fantoccio ACR Fantoccio CDMAM 14
Accoppiamento con Tubo RX e sistema AEC del mammografo Verifica sicurezza del sistema AEC; Verifica Dose Ghiandolare al variare degli spessori (20-70mm), differenza tra valori accettabili Addendum III Edizione e Linee Guida IV Edizione; Verifica Visibilità Soglia di Contrasto per spessore di plexiglas 50mm; Verifica Compensazione al variare degli spessori: andamento CNR 20-70mm /CNR 50mm differenza tra valori provvisori Addendum III Edizione e valori provvisori Linee Guida IV Edizione; (dall Addendum III Edizione alle Linee Guida IV Edizione è stato ( spessori eliminata la compensazione in termini di SNR al variare degli Dose Ghiandolare media Risultati TRIAL sistemi CR ADG(mGy) 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Fuji, Busto Arsizio (VA) Fuji, Cagliari Fuji, Modena-DMR Fuji, Castelfranco Emilia Fuji, Livorno Fuji, Modena-800T Fuji,Padova U.O. Senologia Fuji, Pavullo (MO) Acceptable Limit-III Edition Accettable Limit-IV Edition 20 30 40 50 60 70 PMMA (mm) NOTA: I Sistemi FUJI partecipanti al trial sono tutti accoppiati con mammografi della ditta G.E. modelli DMR, DMR+ e 800T. 15
Visibilità Soglia di Contrasto CDMAM 2mm detail diam 2 µm Au (contrast).03 µm Au 0.06mm Visibilità Soglia di Contrasto CDMAM + 2cm PMMA sopra+sotto Parametri di esposizione & dose usate clinicamente for 60mm seno ( PMMA compresso (circa 50mm Applicare compressione standard ed eseguire almeno 6 esposizioni ( clinica Utilizzare screen-processing: FIXED-EDR (S e L impiegati in Visualizzare le immagini non processate Ottimizzare display hard/soft Minimo 3 osservatori e 2 immagini i.e. 6 letture Fare la media delle soglie ottenute 16
Visibilità Soglia di Contrasto Table 3.1: Acceptable and achievable levels of detail detection Threshold gold thickness (µm) Diameter of detail [mm] Acceptable value Achievable value 2 0.069 0.038 1 0.091 0.056 0.5 0.150 0.103 0.25 0.352 0.244 0.1 1.68 1.10 Compensazione spessori: SNR e CNR 20-70mm /CNR 50mm SNR 1 10 1 00 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Fuji, Busto Arsizio (VA) F uji, C agliari F uji, C arpi Fuji, Castelfra nco Emilia Fuji, Mode na C. Screening#1 Fuji,Padova U.O. Senologia Fuji, Pavullo (MO) Fuji, Mode na C. Screening#2 20 30 40 50 60 7 0 PMMA thickness (mm) NOTA: I Sistemi FUJI partecipanti al trial sono tutti accoppiati con mammografi della ditta G.E. modelli DMR, DMR+ e 800T. Il goal per ottimizzare un sistema AEC per sistemi CR secondo l addendum alle linee guida III edizione era SNR pressochè costante al variare degli spessori 17
Compensazione spessori: SNR e CNR 20-70mm /CNR 50mm CNR/CNR 50mm % 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 20 30 40 50 60 70 PMMA (mm) Fuji, Busto Arsizio (VA) Fuji, Cagliari Fuji, Castelfranco Emilia Fuji, Livorno Fuji, Modena C. Screening-800T Fuji,Padova U.O. Senologia Fuji, Pavullo (MO) Fuji, Modena Screening-DMR Limit NOTA: I Sistemi FUJI partecipanti al trial sono tutti accoppiati con mammografi della ditta G.E. modelli DMR, DMR+ e 800T. Il goal per ottimizzare un sistema AEC per sistemi CR secondo l addendum alle linee guida III edizione era SNR pressochè costante e CNR relativo in diminuzione al variare degli spessori. Compensazione spessori: SNR e CNR 20-70mm /CNR 50mm Variazioni introdotte dalle Linee Guida Europee IV Edizione Il Sistema AEC deve essere ottimizzato in funzione della Dose Ghiandolare e in funzione del rapporto CNR 20-70mm /CNR 50mm che deve essere mantenuto quasi costante al variare degli spessori (limiti provvisori) : non occorre più che SNR sia costante (entro un 15%) al variare degli spessori PROBLEMA: I sistemi AEC dei mammografi analogici sono stati costruiti per mantenere costante la Densità ottica della pellicola ovvero per stabilizzare il segnale al rivelatore (pellicola)!! Attualmente le indicazioni delle Linee Guida Europee IV Ed. sono in fase di revisione, siamo in attesa di una nuova versione in cui vengano definiti i limiti provvisori 18