Controlli di qualità e protocolli in radiologia digitale diretta Istituti Ospitalieri di Cremona Protocolli e manuali di qualità in radiologia digitale diretta Osvaldo Rampado S.C.D.O. Fisica Sanitaria 1 A.S.O. "San Giovanni Battista" (Molinette) Torino
CQ in radiologia digitale: valutazioni quantitative L esecuzione dei controlli di qualità in radiologia digitale comporta la realizzazione di una serie di immagini test per la valutazione di indicatori di qualità del rivelatore in oggetto. La disponibilità delle matrici numeriche che costituiscono le immagini ha reso possibile: Valutazioni oggettive e non legate alla soggettività dell osservatore. Automatizzazione delle procedure Possibilità di molteplici analisi differenziate e mirate alla determinazione di specifici problemi tecnici.
Protocolli 2009 APPARECCHI DI RADIOGRAFIA DIGITALE DIRETTA AMFPI LINEE GUIDA PER I CONTROLLI DI QUALITÀ 2005: Report 91 Recommended Standards for the Routine Performance Testing of Diagnostic X-Ray Imaging Systems 2010: Report 32 part VII Measurement of the Performance Characteristics of Diagnostic X-Ray Systems: Digital Imaging Systems 2005: Commissioning and annual QA tests
E inoltre 2003 IEC 62220-1 Characteristics of Digital X-ray Image Devices Part 1: Determination of the Detective Quantum Efficiency
Nuovi criteri di accettabilità
Tipologia di prove - Critical examination - Prove di accettazione o collaudo - Acceptance testing - Commissioning - Prove di mantenimento o costanza - Prove di verifica o di stato - Routine quality control - Performance checks - Fault findings
Classificazione IPEM Level of expertise Level A: Level B: test più frequenti generalmente veloci e semplici (pass/fail tests). Staff radiologia test analitici, meno frequenti e che richiedono risorse e esperienza. Staff fisica sanitaria Priority Priority 1: Minimo standard raccomandato Priority 2: Best practice
Gestione risultati non conformi alle tolleranze previste Valori marginalmente al di fuori Valutare controllo successivo (aumentare frequenza?) Valutare in manutenzione programmata Valori ripetutamente al di fuori Richiedere intervento Valutare limitazioni all utilizzo Remedial levels a reasonable timescale for corrective action to be undertaken any specific restrictions Suspension levels should be removed from clinical use immediately until the performance is corrected Valutare la sostituzione di componenti
Parametri di qualità DR Commissioning and optimization Post processing Controllo automatico esposizione (Performance assessment) Risoluzione spaziale MTF NPS DQE Sensibilità basso contrasto (Fault investigation) Corrente di buio Uniformità e artefatti Componenti rumore Persistenza immagini Rapporto formato Indicatore di esposizione Pixel vs dose and inverse relationship Funzione di conversione
Osservazioni preliminari sulle condizioni di test 1) Condizioni di esposizione Tutte le prove devono essere effettuate nelle stesse condizioni di calibrazione dell apparecchiatura Qualità del fascio Macchia focale In assenza di indicazioni sulla qualità del fascio: fasci RQA norma CEI EN 61267 (AIFM) o 70 kv con 1 mm Cu (IPEM) Distanza Orientamento tubo detettore - Presenza / assenza griglia Temperatura
Osservazioni preliminari sulle condizioni di test 2) Immagini for processing Where possible, no or minimal post-processing should be applied (IPEM report 32 part VII) Alcuni tag DICOM forniscono informazioni utili su questo punto 0008,0068 Presentation intent type 0028,1040 Pixel intensity relationship 0028,1041 Pixel intensity relationship sign For processing For presentation lin log -1 1
Osservazioni preliminari sulle condizioni di test 3) Immagini convertite in dose PV PV PV lin log a bk power ak b K c a ln( K) b K K PV a b exp PV b a PV c a 1/ b PV image dose image
Pixel Value Funzione di conversione Tipicamente 6 livelli di dose: 1, 2.5, 5, 10, 20, 30 mgy circa 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 Indagine AIFM 2009 500 0 0 20 40 60 80 Dose [mgy]
Corrente di buio IL VALORE CHE SI MISURA HA GIA SUBITO LA CORREZIONE! Importante stabilire i riferimenti dopo la calibrazione di offset. Tolleranze IPEM : Remedial level baseline +- 50% Suspension level NA
Uniformità e artefatti < 4% < 8%.< 8%.< 20% Visually check the image obtained for obvious artefacts and non-uniformities (?) Remedial: mean ± 5% Suspension: mean ± 10% SNR: baseline +-15% (remedial) or 30% (suspension)
Uniformità e artefatti Valori riscontrati su di un DR prima e dopo la calibrazione. Ai valori fuori tolleranza era associata effettivamente una disuniformità apprezzabile con una visualizzazione con finestra molto stretta. VALORE TOLLER. NUSL 0.7 % < 4 % NUSG 10.3 % < 8 % NUSNRL 12.4 % < 8 % NUSNRG 19.7 % < 20 % VALORE TOLLER. NUSL 0.5 % < 4 % NUSG 2.8 % < 8 % NUSNRL 4.9 % < 8 % NUSNRG 15.0 % < 20 %
Uniformità e artefatti
Analisi di uniformità DR: bad pixels Il risultato atteso è: assenza di bad pixels In presenza di bad pixels: ricalibrazione? E stata dimostrata la dipendenza del DQE dalla presenza di bad pixels Studi in termini di contrasto dettaglio non hanno evidenziato differenze fino ad un 20% di bad pixels. Particolare attenzione ai cluster. La possibilità di lavorare in presenza di bad pixels è una decisione di tipo clinico. Padgett R, Kotre CJ. Assessment of the effects of pixel loss on image quality in direct digital radiography. Phys Med Biol. 2004 Mar 21;49(6):977-86.
Analisi del rumore Non è prevista una tolleranza, ma le variazioni possono essere utilizzate per indagini su eventuali malfunzionamenti
Controlli sull indicatore di esposizione Test parameter Remedial level Suspension level DDI repeatability CoV of DAK DDI > 10% DDI reproducibility Baseline +- 10% CoV of DAK DDI > 20% Baseline +- 20%
Analisi segnale ghost (lag) Immagine irradiata Immagine buio Immagine 1 Immagine 3
Accuratezza geometrica e rapporto formato Tolleranza AIFM 3% Tolleranza IPEM 4% (remedial)
Accuratezza geometrica: algoritmo Acquisizione immagine Lettura dimensione pixel Estrazione degli edge Determinazione posizione edge tramite profili lungo i due assi e calcolo distanza Selezione di ROI per l analisi del jitter Determinazione delle posizioni degli edge e calcolo della differenza dal fit lineare
Parametri di qualità DR Commissioning and optimization Post processing Controllo automatico esposizione (Performance assessment) Risoluzione spaziale MTF NPS DQE Sensibilità basso contrasto (Fault investigation) Corrente di buio Uniformità e artefatti Componenti rumore Persistenza immagini Rapporto formato Indicatore di esposizione Pixel vs dose and inverse relationship Funzione di conversione
Risoluzione spaziale La misura della funzione di trasferimento della modulazione consente di quantificare la risoluzione spaziale del rivelatore in esame. Gli oggetti test utilizzabili per questa misura sono: - una slit camera, costituita da una sottile fenditura in uno strato di metallo - un edge, o bordo lineare di un sottile strato metallico - un bar pattern, costituito da una serie di gruppi di linee alternativamente radioopache e radiotrasparenti con frequenza spaziale crescente
Risoluzione spaziale: misura dell MTF Acquisizione ROI con oggetto linearizzazione determinazione inclinazione q q creazione profilo globale con ricampionamento ridefinizione ampiezza di campionamento normalizzazione ed eventualmente riduzione rumore calcolo della trasformata di Fourier discreta normalizzazione e rappresentazione dell'mtf
MTF 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Esempio risultati MTF Edge Slit Bar pattern 0 1 2 3 4 5 6 Frequency (cycles/mm) Max differenza tra i metodi ad una data frequenza: 0.028 Incertezza risultati: <4%
MTF Risoluzione: tolleranze previste 1.2 1 0.8 0.6 Edge Slit Bar pattern 0.4 0.2 0 0 1 2 3 4 5 6 Frequency (cycles/mm) Tolleranze IPEM : per l MTF al 50%: Remedial level baseline +- 0.2 lp/mm Suspension level +- 0.4 lp/mm
Risoluzione di basso contrasto
Risoluzione di basso contrasto: analisi automatizzata Accesso all immagine Estrazione edges Determinazione centro e raggio Localizzazione dettagli Realizzazione ROI q 0
Definizione ROI e calcolo contrast to noise ratio Il CNR per ogni dettaglio è così definito: CNR PV ROIin 2 ROIin PV 2 ROIout ROIout E facile dimostrare che questa quantità è indipendente dal windowing utilizzato, a differenza della visibilità apparente dei dettagli. L applicazione di una variazione lineare lascia infatti invariato il rapporto tra i valori medi e le deviazioni standard. Tolleranza AIFM: variazioni entro il 20% dai valori di accettazione
CNR Risultati ottenuti nel calcolo del CNR 6.0 5.6 5.2 4.8 4.4 4.0 3.6 3.2 0.1 mr 1 mr 10 mr I valori di CNR ai tre livelli di esposizione per il dettaglio di contrasto maggiore sono: 1.07, 3.55 e 5.61. 2.8 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 Valore soglia. 0.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Detail number
NPS CEI EN 62220-1 Tolleranze IPEM : per l NPS a 0.5 e 2 mm-1: Remedial level +-15% Suspension level +-30%
DQE CEI EN 62220-1
CQ su CAE Griglia Camere CAE Rivelatore digitale kv, ma, ms controllo Misura dose CONSOLE
CQ su CAE: documenti di riferimento DOCUMENTI DI RIFERIMENTO CRITERI DI CONFORMITA E QUANTITA D INTERESSE 187/00 Norma tecnica CEI EN 60601-2-7:1999-05 Parte 2: Norme particolari per la sicurezza di generatori di alta tensione dei generatori radiologici per diagnostica. Variazioni DO IPEM 91 (con riferimento esplicito a CR e DR) E IPEM REPORT 32 PART VII Dose al recettore d immagine (DAK), mas, Indice di esposizione
CQ su CAE: quantità d interesse Detector Air Kerma La misura non dipende dalla calibrazione del rivelatore Non mi da alcuna informazioni sulla qualità d immagine Difficilmente è misurabile nella posizione corretta per rivelatori DR Detector Dose Indicator o Pixel Value Utilizzabile in maniera analoga alla D.O. E stato dimostrato che a parità di DDI si ha noise costante Valutazione semplice Correlazione non scontata con qualità immagine mas Utili per rapidi controlli di costanza e riproducibilità SNR Di fatto evidenziate scarse differenze rispetto al DDI SdNR Utilizzato in ambito mammografico e maggiormente correlato all effettiva visibilità di dettagli d interesse
CQ con misure dose su CAE: geometrie possibili Fantoccio tessuto equivalente Punto di misura La geometria ideale per valutare la calibrazione e la costanza del CAE prevede la misura all ingresso del rivelatore, ma questo non sempre è possibile, quasi mai per rivelatori DR. Osservazioni utili si possono trovare in: 1) Doyle, Martin, Calibrating automatic exposure control devices for digital radiography, Phys Med Biol 51 (2006): 5475-5485 2) Doyle, Gentle, Martin, Optimising automatic exposure control in computed radiography and the impact on patient dose, Rad Prot Dos 114 (2005): 236-239 3) Mazzocchi et al., AEC SET-UP OPTIMISATION WITH COMPUTED RADIOGRAPHY IMAGING, Rad Prot Dos 117 (2006): 169-173
CQ con misure dose su CAE: geometrie possibili La situazione (1) riproduce la geometria effettiva di esposizione, ma la misura che viene effettuata differisce dalla dose al rivelatore per i contributi di scatter e l attenuazione della griglia. I mas utilizzati e l EI sono quelli effettivi. Nella (2) la misura è affetta dalla diversa sensibilità allo scatter del dosimetro utilizzato e delle camere del CAE. Il fantoccio andrebbe posizionato vicino alla sorgente (3). La misura effettuata in queste condizioni comporta una sovrastima del 10 20% rispetto alla dose incidente al rivelatore. Ai fini pratici 20 mm di Al risultano equivalenti a 200 mm di acqua per spettro e attenuazione (4).
CQ su CAE: controlli di costanza Parameter Remedial Suspension Guard timer duration > manufacturer mas e DDI ± 30 % AEC reproducibility (different kv) > 20 % of baseline DAK or DAK ddi > 40 % of baseline DAK ddi AEC repeatability Mean +-20% Mean +-40% Chamber reproducibility Attenuator reproducibility Generator density control > 20 % of baseline DAK or DAK ddi > 20 % of baseline DAK or DAK ddi > +-20 % of manufacturer specification > 40 % of baseline DAK or DAK ddi > 40 % of baseline DAK or DAK ddi > +-40 % of manufacturer specification
CQ su CAE: es. risultato? Dopo la sostituzione della camera si è osservata una riduzione della dose del 50% circa!
0,0 1,5 3,0 4,5 6,0 7,5 9,0 10,5 12,0 13,5 15,0 0,0 1,5 3,0 4,5 6,0 7,5 9,0 10,5 12,0 13,5 15,0 0 0,1 0,3 0,4 0,6 0,7 0,9 1,0 1,2 1,3 1,5 0,0 0,5 0,9 1,4 1,8 2,3 2,7 3,2 3,6 4,1 4,5 5,0 Valutazioni dosi da Header Dicom Un altra possibilità di monitoraggio del CAE e delle dosi al paziente per un apparecchio digitale è fornita dalla memorizzazione dei parametri di esposizione e in alcuni casi anche di una grandezza dosimetrica nell header DICOM delle immagini. 80 70 60 50 40 30 20 10 0 cranio pa Per un apparecchio Philips per il quale erano disponibili i dati di kv, ma, ms, DFR, Filtraz, dimensioni campo, DAP, è stata realizzato un software per l estrazione seriale dall archivio digitale di questi dati, con la possibilità di effettuare statistiche su campioni di migliaia di esami. I dati rappresentati mostrano valori medi di ESD (ricavati a partire dai dati memorizzati) pari a circa 1/5 dei LDR per addome e colonna lombare AP, 1/2 per il torace PA e 1/10 per il cranio PA. 300 250 200 150 100 50 0 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 90 80 70 ESD (mgy) torace pa ESD (mgy) addome ESD (mgy) colonna lomb ap 60 O. Rampado, E. Garelli, R. Zatteri, U. Escoffier, R. De Lucchi, R. Ropolo Patient dose evaluation by means of DICOM images for a direct radiography system La Radiologia Medica, accepted for pubblication 50 40 30 20 10 0 ESD (mgy)
Il flusso digitale DPI MONITOR DPI STAMPANTE
E il post processing? La qualità dell immagine finale è pesantemente influenzata dagli algoritmi di elaborazione impiegati E possibile valutarli? Come? Elaborazione immagini radiologiche tramite filtri che agiscono suddividendo l immagine nelle sue componenti delle diverse bande di frequenza, che vengono poi opportunamente amplificate o ridotte per ottenere un immagine con più contrasto sulle strutture desiderate.
Nuovi criteri di accettabilità
Nuovi criteri di accettabilità
CONCLUSIONI L esperienza e gli strumenti acquisiti negli ultimi anni consentono di effettuare valutazioni quantitative molto accurate sia in sede di accettazione che di costanza per tutti i rivelatori digitali Una serie di parametri hanno mostrato criticità (uniformità, indice di esposizione, ecc.) Il controllo dei CAE e della loro calibrazione risulta essenziale per l ottimizzazione della dose al paziente Gli archivi digitali forniscono informazioni utili per il monitoraggio dei parametri di esposizione e della dose al paziente reale Una comprensione più approfondita degli algoritmi di post processing è essenziale per completare l ottimizzazione della qualità.
Grazie per l attenzione