valutazione fisica della qualità delle immagini -...
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Valutazione fisica delle immagini digitali 2D e 3D
Barbara LazzariAzienda USL3 Pistoia – U.O. Fisica Sanitaria
Corso per fisici e tecnici di radiologia"Evoluzione in mammografia digitale: la tomosintesi"
• 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.
A quali domande deve rispondere il fisico?
X-ray tube
X0
Xa Xb
QUANTUM IMAGE:distribuzione spaziale di quanti
DETECTOR
ELECTRONIC IMAGE:
distribuzione spaziale di
cariche elettriche
DIGITAL “RAW” IMAGE:matrice di valori digitali
DIGITAL IMAGE: matrice di valori digitali compresi tra 0 e 2N-1 dove N è il numero di
bit utilizzato per la quantizzazione
SAMPLING -QUANTIZATION
GAIN & BAD PIXELS CORRECTION
Quale immagine? In mammografia digitale…
“PROCESSED” IMAGE
GAIN & BAD PIXELS
PROCESSING
Quale immagine? In mammografia digitale…
“RAW” IMAGE
DISPLAY (monitor&printers response function)
DISPLAYED IMAGE:distribuzione spaziale di luminosità
PERCEIVED IMAGE
Quale immagine? In mammografia digitale…
+
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 LUTS & CURVE CARATTERISTICHE DEI SISTEMI DI VISUALIZZAZIONE
CONDIZIONI AMBIENTALI, LUTs & GSDF
PERCEIVED IMAGE CONDIZIONI AMBIENTALI & PSICOFISICA
CONDIZIONI AMBIENTALI & CARATTERISTICHE DELL’OSSERVATORE
DIAGNOSTIC ACCURACY TUTTO QUELLO CONSIDERATO SOPRA E MOLTO ANCORA…
INTERPRETAZIONE DELL’INFORMAZIONE PERCEPITA TRAMITE L’ANALISI DELLE CURVE ROC
LA QUALITA’ DI QUALE IMMAGINE?
DA COSA DIPENDE? COSA SIAMO IN GRADO DIMISURARE/VALUTARE?
Quale immagine? In mammografia digitale…
Quale immagine? QUANTUM IMAGE …
SI “VALUTA” INDIRETTAMENTE MISURANDO ALTRI PARAMETRI
• Geometria di ripresa
• Parametri di esposizione
• compressione, griglia antidiffusione, limitatori di campo, allineamento campo rx, ecc..
• contrasto radiologico;
• Rapporto radiazione diretta/radiazione diffusa
• risoluzione in contrasto • risoluzione spaziale
• Intensità del campo rx trasmesso e della dose alla paziente
Modello di formazione dell’immagine
C = (NB - NL) / (NB + NL) = (1 - e -(μ’ - μ) t ) / (1 + e -(μ’ - μ) t )
QUANTUM IMAGE – Contrasto radiologico
μ=μ(E) Il contrasto radiologico dipende dallo spettro del fascio rX
Spettro del fascio rX
X spectrum (Mo anode - Mo filter)28 kV
0,0E+00
5,0E+06
1,0E+07
1,5E+07
2,0E+07
2,5E+07
3,0E+07
0 5 10 15 20 25 30
energy [keV]
U.A
.
aria1 cm PMMA2 cm PMMA3 cm PMMA4 cm PMMA5 cm PMMA6 cm PMMA7 cm PMMA
Spettro del fascio rX
X spectrum (Mo anode - Mo filter)28 kV
0,0E+00
1,0E+05
2,0E+05
3,0E+05
4,0E+05
5,0E+05
6,0E+05
7,0E+05
8,0E+05
9,0E+05
1,0E+06
0 5 10 15 20 25 30
energy [keV]
U.A
.
aria1 cm PMMA2 cm PMMA3 cm PMMA4 cm PMMA5 cm PMMA6 cm PMMA7 cm PMMA
Spettro del fascio rX
X spectrum (Mo anode - Mo filter)28 kV
0,0E+00
5,0E+04
1,0E+05
1,5E+05
2,0E+05
2,5E+05
3,0E+05
0 5 10 15 20 25 30
energy [keV]
U.A
.
aria1 cm PMMA2 cm PMMA3 cm PMMA4 cm PMMA5 cm PMMA6 cm PMMA7 cm PMMA
Effetto di un allineamento scorretto (B) rispetto a quello corretto (A) tra fuoco, compressore e rivelatore
QUANTUM IMAGE – Geometria di ripresa
Tubo radiogeno: macchie focali
QUANTUM IMAGE – Geometria di ripresa
Effetto della compressione sulla radiazione diffusa
QUANTUM IMAGE – Geometria di ripresa
QUANTUM IMAGE – Griglia antidiffusione
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 LUTS & CURVE CARATTERISTICHE DEI SISTEMI DI VISUALIZZAZIONE
CONDIZIONI AMBIENTALI, LUTs & GSDF
PERCEIVED IMAGE CONDIZIONI AMBIENTALI & PSICOFISICA
CONDIZIONI AMBIENTALI & CARATTERISTICHE DELL’OSSERVATORE
DIAGNOSTIC ACCURACY TUTTO QUELLO CONSIDERATO SOPRA E MOLTO ANCORA…
INTERPRETAZIONE DELL’INFORMAZIONE PERCEPITA TRAMITE L’ANALISI DELLE CURVE ROC
LA QUALITA’ DI QUALE IMMAGINE?
DA COSA DIPENDE? COSA SIAMO IN GRADO DIMISURARE/VALUTARE?
Quale immagine? In mammografia digitale…
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 LUTS & CURVE CARATTERISTICHE DEI SISTEMI DI VISUALIZZAZIONE
CONDIZIONI AMBIENTALI, LUTs & GSDF
PERCEIVED IMAGE CONDIZIONI AMBIENTALI & PSICOFISICA
CONDIZIONI AMBIENTALI & CARATTERISTICHE DELL’OSSERVATORE
DIAGNOSTIC ACCURACY TUTTO QUELLO CONSIDERATO SOPRA E MOLTO ANCORA…
INTERPRETAZIONE DELL’INFORMAZIONE PERCEPITA TRAMITE L’ANALISI DELLE CURVE ROC
LA QUALITA’ DI QUALE IMMAGINE?
DA COSA DIPENDE? COSA SIAMO IN GRADO DIMISURARE/VALUTARE?
Quale immagine? In mammografia digitale…
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 LUTS & CURVE CARATTERISTICHE DEI SISTEMI DI VISUALIZZAZIONE
CONDIZIONI AMBIENTALI, LUTs & GSDF
PERCEIVED IMAGE CONDIZIONI AMBIENTALI & PSICOFISICA
CONDIZIONI AMBIENTALI & CARATTERISTICHE DELL’OSSERVATORE
DIAGNOSTIC ACCURACY TUTTO QUELLO CONSIDERATO SOPRA E MOLTO ANCORA…
INTERPRETAZIONE DELL’INFORMAZIONE PERCEPITA TRAMITE L’ANALISI DELLE CURVE ROC
LA QUALITA’ DI QUALE IMMAGINE?
DA COSA DIPENDE? COSA SIAMO IN GRADO DIMISURARE/VALUTARE?
Quale immagine? In mammografia digitale…
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 LUTS & CURVE CARATTERISTICHE DEI SISTEMI DI VISUALIZZAZIONE
CONDIZIONI AMBIENTALI, LUTs & GSDF
PERCEIVED IMAGE CONDIZIONI AMBIENTALI & PSICOFISICA
CONDIZIONI AMBIENTALI & CARATTERISTICHE DELL’OSSERVATORE
DIAGNOSTIC ACCURACY TUTTO QUELLO CONSIDERATO SOPRA E MOLTO ANCORA…
INTERPRETAZIONE DELL’INFORMAZIONE PERCEPITA TRAMITE L’ANALISI DELLE CURVE ROC
LA QUALITA’ DI QUALE IMMAGINE?
DA COSA DIPENDE? COSA SIAMO IN GRADO DIMISURARE/VALUTARE?
Quale immagine? In mammografia digitale…
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 LUTS & CURVE CARATTERISTICHE DEI SISTEMI DI VISUALIZZAZIONE
CONDIZIONI AMBIENTALI, LUTs & GSDF
PERCEIVED IMAGE CONDIZIONI AMBIENTALI & PSICOFISICA
CONDIZIONI AMBIENTALI & CARATTERISTICHE DELL’OSSERVATORE
DIAGNOSTIC ACCURACY TUTTO QUELLO CONSIDERATO SOPRA E MOLTO ANCORA…
INTERPRETAZIONE DELL’INFORMAZIONE PERCEPITA TRAMITE L’ANALISI DELLE CURVE ROC
LA QUALITA’ DI QUALE IMMAGINE?
DA COSA DIPENDE? COSA SIAMO IN GRADO DIMISURARE/VALUTARE?
Quale immagine? In mammografia digitale…
• Misure quantitative ed oggettive di grandezze fisiche relative alla capacità del sistema per immagini di trasferire nell’immagine digitale l’informazione contenuta nell’oggetto.
Come
Grandezze indice:
MTF (Modulation Transfer Function)NPS (Noise Power Spectrum)
NEQ (Noise Equivalent Quanta)DQE (Detective Quantum Efficiency)
Misura preliminare: Curva di risposta caratteristica
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)
X-ray tube
N0
NB
DETECTOR
S,σ
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.
Curva di risposta caratteristica
Caratteristiche di trasferimento globali – Shift invarianti
Serve a determinare l’intervallo di utilizzo del sistema, in termini di esposizione in ingresso, più appropriato in
relazione alle sue caratteristiche
Curva caratteristicaS = F(NB) = Resp(X)
Dove X = esposizione in ingresso al rivelatore
!! La curva di risposta non tiene conto del rumore
Esempi di curva di risposta caratteristica - CR
y = 111,94Ln(x) + 220,21R2 = 0,9999
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Esposizione [mR]
Pix
el v
alue
Esempi di curva di risposta caratteristica - FFDM
y = 103,66xR2 = 0,9999
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00
Esposizione [mR]
Pix
el v
alue
X-ray tube
N0
NB
DETECTOR
N’B
Se il rivelatore fosse un “contatore di fotoni” ideale:
NN
NSSNR ===σ
NSNR =2
SSig
nal
x
Rapporto Segnale/Rumore – Large Area SNRCaratteristiche di trasferimento globali – Shift invarianti
X-ray tube
N0
NB NA
DETECTOR
N’B N’A
ΔS
S
Sign
alx
Rapporto Segnale/Rumore – Large Area SNRdiffCaratteristiche di trasferimento globali – Shift invarianti
NCNNCSCSSNRdiff ⋅=⋅
=⋅
=Δ
=σσ
SSC Δ
=def
ACSNR
N diffA ⋅= 2
2
'ANCSNR Adiff ⋅⋅=
Large Area NEQ e DQECaratteristiche 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
detmeas NSNR <2
Noise equivalent quanta: rappresenta il numero di fotoni realmente utilizzati dal rivelatore
DQESNRSNR
NNEQ
inc
out
inc
== 2
2
NEQNSNR real == '2 def
Detective Quantum Efficiency: rappresenta l’efficienza con cui il sistema utilizza la radiazione incidente
Large Area NEQ Caratteristiche di trasferimento globali – Shift invarianti
large area SNR2 vs. exposure
1,00E+01
1,00E+02
1,00E+03
1,00E+04
1,00E+05
1,00 10,00 100,00
exposure [mR]
A.U
.
Noise Quantum Limited Detector
Measured data
Large Area DQECaratteristiche di trasferimento globali – Shift invarianti
large area DQE vs. exposure
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
0,700
0,800
0,900
1,000
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00
exposure [mR]
A.U
.
Measured data
Risoluzione Spaziale e Modulation Tranfer Function
Caratteristiche di trasferimento spatially correlated
[ ]),(),( yxIRFFvuMTF =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
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
Modulation Tranfer Function (MTF)
Caratteristiche di trasferimento spatially correlated
Pre-sampling Modulation Transfer Function
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
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]
MTF
fN
f [lp/mm]
x[mm]
0,5 1
1 0,5
2 0,25
4 0,125
5 0,1
6 0,0833
xf
⋅=
21
Noise Power Spectrum (NPS)
Caratteristiche di trasferimento spatially correlated
Noise Power Spectrum (Wiener):Informazioni sul livello di rumore alle diverse frequenze spaziali.
[ ] 2),(),( yxIFvuNPS =Normalized Noise Power Spectrum vs. Frequency
1,0E-08
1,0E-07
1,0E-06
1,0E-05
1,0E-04
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Frequency [mm-1]
NPS
[mm
2 ]
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
Large Area NEQ e DQECaratteristiche 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
norminc
out
fNPSqfMTF
qfNEQ
fSNRfSNRfDQE
)()()(
)()()(
2
2
2
⋅===
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”
normfNPSfMTFfNEQ)(
)()(2
=
Noise Equivalent Quanta – NEQ(f)Caratteristiche di trasferimento spatially correlated
Noise Equivalent Quanta vs. Frequency
1,0E+03
1,0E+04
1,0E+05
1,0E+06
1,0E+07
0 1 2 3 4 5 6
Frequency [mm-1]
[pho
tons
/mm
2 ]
01mR
02mR
03mR
06mR
08mR
09mR
11mR
12mR
14mR
15mR
18mR
24mR
30mR
42mR
Detective Quantum Efficiency – DQE(f)Caratteristiche di trasferimento spatially correlated
Detective Quantum Efficiency vs. frequency
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 1 2 3 4 5 6
frequency (cycles/mm)
DQ
E
01mR
02mR
03mR
06mR
08mR
09mR
11mR
12mR
14mR
15mR
18mR
24mR
30mR
42mR
Detective Quantum Efficiency – DQE(f)Caratteristiche di trasferimento spatially correlated
DETECTIVE QUANTUM EFFICIENCY vs. entrance exposure
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00
exposure [mR]
DQ
E
0,5 lp/mm
1 lp/mm'
1,5 lp/mm
2 lp/mm
2,5 lp/mm
3 lp/mm
3,5 lp/mm
4 lp/mm
4,5 lp/mm
5 lp/mm
Ottimizzazione del punto di lavoro
Rivelatore idealeSNRout = SNRin ∝ √esposizione
L’unica fonte di rumore è il rumore quantico dovuto alla natura statistica
delle interazioni dei fotoni X con la materia
Rivelatore realeSNRout < SNRin ∝ √esposizione
A causa principalmente del rumore elettronico
0,1
1
10
100
1000
10000
0,1 1 10 100Exposure [mR]
SNR
Noise quantum limited threshold
Theoretical
Measured data
Detective Quantum Efficiency vs. Exposure
00.10.20.30.40.50.60.70.80.9
1
0 10 20 30 40 50Exposure [mR]
DQ
E
0 lp/mm1 lp/mm2 lp/mm3 lp/mm
Noise quantum limited threshold
ALARA
CD MAM-phantom 3.2 CDC (contrast-detail curve)
• IQF = Σi Ci · Di,min (dove Di,min è il diametro del più piccolo particolare con contrasto Ci visibile sull’immagine). IQF diminuisce all’aumentare della qualità.
• COR = (Numero totale di osservazioni corrette / Numero totale di particolari nel fantoccio)*100
Valutazione globale della qualità delle immagini: osservatore
Analisi contrasto dettaglio
• CDC = curve che rappresentano i più piccoli oggetti visibili in funzione del loro contrasto relativo
Analisi Contrasto-Dettaglio
CD MAM - phantom 3.4
175 mAs 125 mAs 80 mAs 50 mAsFPD [mR] 18.0 13.0 8.4 5.3
ESAK [mGy] 17.8 12.8 8.1 5.0
Disks Relative contrast @ 28 kVp (constant within a column):
0.52% < Ci < 29.53%
diameter (constant within a row):
0.06 mm < Di < 2.00 mm
row column
row column
F FTT
Contrast detail curve
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18% 20% 22% 24% 26% 28% 30%
disks relative contrast
disk
s di
amet
er [m
m]
CR Hard Copy
CR Soft Copy
Conventional
Curva Dettaglio-Contrasto
Curva Dettaglio-Contrasto
Contrast-Detail Analysis
1) Image quality figure (IQF)
IQF = Σi Ci · Di,min
Di,min è il più piccolo particolare visibile con contrasto relativoCi
IQF decresce al’aumentare della qualtià delle immagini
2) Correct Observation Ratio (COR)
total # of correct findings COR= ---------------------------------- ·100
total # of disks
COR cresce all’aumentare della qualità delle immagini
18.0 mR 13.0 mR 8.4 mR 5.3 mR IQF 22.1 25.2 27.9 41.0COR 43.0 % 38.7 % 37.5 % 24.6 %
Contrast-Detail Analysis
1) Image quality figure (IQF)
IQF = Σi Ci · Di,min
Di,min è il più piccolo particolare visibile con contrasto relativoCi
IQF decresce al’aumentare della qualtià delle immagini
2) Correct Observation Ratio (COR)
total # of correct findings COR= ---------------------------------- ·100
total # of disks
COR cresce all’aumentare della qualità delle immagini
18.0 mR 13.0 mR 8.4 mR 5.3 mR IQF 22.1 25.2 27.9 41.0COR 43.0 % 38.7 % 37.5 % 24.6 %
Interrelazione fra gli attributi di qualità e le grandezze indice
CCD
Risoluzione Rumore
Contrasto
NPS
NEQMTF
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.
• Dose totale all’organo accettabile (~ dose per MX doppia proiezione).
• Qualità dell’immagine ricostruita adeguata• Tempo di scansione contenuto (artefatti da
movimento).
Vincoli
Breast Tomosynthesis (BT)
FFDM detector
Scanning system
Breast Tomosynthesis (BT)
rDNcomplete ⋅= π
D = diametro dell’oggetto
r = risoluzione spaziale
D = 10 cm
r = 5 lp/mm (100 μm)3000≅completeN
completeproj NN <
stscan 10≤
DMtomo DD ≤
Si accetta una risoluzione inferiore lungo Z rispetto a quella nel piano XY.
Dimageproj DNprojD 2)/2(/ ≤
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
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
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.
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
Images from Sectra prototype Work in progress
3D photon counting
“PROCESSED” IMAGE
PROCESSING
Quale immagine in mammo 3D?
“RAW” IMAGE
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
Response
• Uniform PMMA block 7 cm thick• W/Al target/filter combination 35 kV• Images at different dose levels (100 – 540
mAs)• Region-of-interest 5 x 5 mm
Centred on the middle slice
Courtesy of Ruben Van Engen – LRCB Nijmegen
Response functionprototype
Response
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
0 5 10 15 20 25 30 35
Tube load (mAs)
Ave
rage
PV
• Pixel value kept constant• SNR2 against dose approximately linear
Response
y = -2597.5x + 95591R2 = 0.9187
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
0 5 10 15 20 25 30 35
Tube load (mAs)SD
2
Courtesy of Ruben Van Engen – LRCB Nijmegen
Noise analysis prototype
Noise analysis Sectra Tomo (July 2008)
1 10 1000.001
0.01
0.1
Quantum NoiseStructured Noise (out side axis)Electronic Noise
Data points
5228.01148.0 −⋅= Dp
SD
dose (mAs)
Rel
ativ
e no
ise
Quantum noise dominant
Courtesy of Ruben Van Engen – LRCB Nijmegen
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
Evaluation of artifacts
• PMMA block 7 cm thick• Aluminium spheres 0.2 – 2 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
Evaluation of artifactsPre-prototype
• Slice with objects:
• Ten and twenty slices from slice with objects:
Courtesy of Ruben Van Engen – LRCB Nijmegen
Evaluation of artifactsPrototype
2 mm balls
1 mm balls
0.5 mm balls
Courtesy of Ruben Van Engen – LRCB Nijmegen
Evaluation of artifactsPrototypeArtefact spread function
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Slice number
ASF
2.0 mm diameter 0.5 mm diameter
Courtesy of Ruben Van Engen – LRCB Nijmegen
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
Detection of spherical objectsPre-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 with100% glandular tissue equivalent material(10 and 20 mm diameter)
Courtesy of Ruben Van Engen – LRCB Nijmegen
Detail detection on structured background
L 30 Prototype tomo
Courtesy of Ruben Van Engen – LRCB Nijmegen
Detail detection on structured background
L 30 Prototype tomo
Courtesy of Ruben Van Engen – LRCB Nijmegen