Caratterizzazione fisica del sistema mammografico - INFN-LNS

Confronto quali - quantitativo delle prestazioni di sistemi schermo – pellicola
e digitali impiegati nello studio radiologico della mammella
Dott. Stefano Rivetti(1), Dott. Claudio Danielli(1), Dott. Nico Lanconelli(2), Prof. Renato Campanini(2)
Prof. Renato Romagnoli(3), Barbara Canossi (3), Dott. Giovanni Borasi(4)
(1) Struttura complessa di Fisica Sanitaria – Azienda Policlinico di Modena
(2) Dipartimento di Fisica, Università di Bologna
(3) Istituto di Radiologia – Azienda Policlinico di Modena
(4) ASMN – Reggio Emilia
[email protected]
Abstract. In ambito clinico è sempre più diffuso l’utilizzo di sistemi radiologici che fanno uso di detettori
digitali in sostituzione dei tradizionali complessi schermo-pellicola. La necessità di qualificare un sistema
rispetto all’altro, ha portato allo sviluppo di procedure che permettano un confronto quali/quantitativo delle
prestazioni delle due tecnologie. In questo lavoro viene descritta la procedura utilizzata per la valutazione
dei parametri immagine di un sistema schermo-pellicola utilizzando, per la digitalizzazione delle immagini,
uno scanner ad alta risoluzione. Nell’analisi delle prestazioni del complesso schermo-pellicola, la qualità
del sistema di scansione e l’applicazione dei metodi di analisi dei sistemi di acquisizione in cascata hanno
permesso di ottenere risultati coerenti con quelli della letteratura. Questo lavoro di messa a punto della
procedura consente di applicare le medesime metodologie di analisi sia per i sistemi digitali che per quelli
convenzionali utilizzando gli stessi pattern, gli stessi software di elaborazione ed quindi le stesse
approssimazioni di calcolo. Per testare la procedura è stata valutata l’MTF di una pellicola mammografica
(minR2000) e ne sono stati confrontati i risultati con quelli pubblicati in letteratura. Il risultati preliminari
sullo spettro del rumore sono ugualmente in linea con i dati della letteratura e nei prossimi sviluppi di
questo lavoro verrà messa a punto la procedura di calcolo del DQE.
Introduzione. La caratterizzazione di un sistema radiologico schermo-pellicola è correttamente
descritta dall'analisi della risposta sensitometrica (curva H&D) che ne determina il contrasto,
dall'MTF che ne definisce la risoluzione spaziale e dallo spettro di Wiener (NPS) che ne descrive il
rumore complessivo: a partire da queste grandezze è possibile calcolare "l'efficienza quantica di
rivelazione" (DQE) di un sistema radiologico. Convenzionalmente l'MTF e l'NPS di sistemi
schermo-pellicola vengono valutati a partire da immagini di pattern dedicati scansionati con un
micro-densitometro: tale procedura è molto costosa e delicata dal punto di vista sperimentale e per
cui raramente effettuata. Tuttavia, essendo lo sviluppo e l'utilizzo di sistemi radiologici digitali in
forte crescita ed essendo il parametro di valutazione più significativo di questi sistemi proprio il
DQE (o eventualmente l'NEQ), risulta attualmente molto importante sviluppare delle procedure
facilmente applicabili per il confronto dei suddetti sistemi al fine di ottimizzarne le prestazioni e
valutarne le scelte di utilizzo(1).
Nel presente lavoro viene proposta una procedura di valutazione di tali parametri per i sistemi
convenzionali a partire dalla digitalizzazione delle immagini dei pattern sulle quali implementare i
calcoli tramite uno scanner commerciale ad alta definizione e una conversione precedente
all'elaborazione numerica, dei valori digitali delle immagini scansionate in valori proporzionali
all'esposizione impartita localmente al complesso schermo-pellicola.
La procedura è stata sviluppata utilizzando il sistema radiologico schermo-pellicola mammografico
Kodak minR 2000. I risultati relativi all'MTF ed al rumore sono stati confrontati con il sistema
mammografico FCR 5000Ma effettuando le misure nelle stesse condizioni di acquisizione di
immagini (stesso tubo radiogeno e stesse condizioni di esposizione).
Materiali e Metodi. Il calcolo dell'MTF e dello spettro del rumore sono stati effettuati con un
software dedicato che utilizza gli algoritmi convenzionalmente utilizzati per l'analisi dei parametri
di immagine di sistemi radiologici digitali: l'MTF è stata valutata usando la tecnica della "slitcamera"(2) e lo spettro di Wiener (NPS) tramite l'analisi delle immagini di un diffusore (PMMA: 39
mm) uniformemente esposte(3). Le immagini su pellicola ottenute dall'esposizione dei pattern
dedicati per le suddette analisi ("slit camera" e "diffusore uniforme in PMMA") sono stati
scansionati mediante uno scanner ad alta risoluzione (EPSON 1680 Expression Pro; risoluzione
ottica massima: 1600 DPI) dotato di un sistema dedicato per digitalizzazione di trasparenze.
Le immagini ottenute definite pixel per pixel da un valore di livello di grigio (GL: 16 bit) è stato
convertito in un valore proporzionale all'esposizione mediante la seguente procedura. Innanzitutto è
stata analizzata la risposta dello scanner in funzione della densità ottica (DO): per tale procedura
sono state utilizzate delle gelatine tarate nel range di DO da 0,2 (corrispondente al fondo della
pellicola utilizzata) a 1,6. Di seguito è stata valutata la risposta sensitometrica di una pellicola
mammografica utilizzando diversi valori di esposizione che producessero valori di DO nel range
sovracitato. Le curve di risposta sono state interpolate, usando la tecnica dei minimi quadrati,
rispettivamente con una funzione esponenziale ed una sigmoide. A partire dalle funzioni inverse
delle suddette curve con un software dedicato sono state convertite le immagini generate con lo
scanner da GL ad un valore proporzionale all'esposizione (µGy).
La tecnica della slit camera è stata utilizzata per il calcolo dell'MTF sia del sistema schermopellicola digitalizzata che dello scanner e l'MTF del sistema schermo pellicola è stato valutato
facendo il rapporto, frequenza per frequenza, tra le suddette MTF.
Risultati. I primi tre grafici mostrati di seguito contengono rispettivamente la curve di risposta
invertita definita dallo scanner (a 1600 DPI), la curva caratteristica invertita del complesso schermo
pellicola minR 2000 (kodak) e la conversione dell'esposizione dalla scala logaritmica a quella
lineare. Il quarto grafico mostrato contiene le funzioni MTF dello scanner corrispondenti a
differenti valori di passo di campionamento della scansione (in tutte le acquisizioni è stata usata la
direzione di scansione ottica dello scanner come riferimento). Il quinto grafico mostra il calcolo
dell'MTF della pellicola come rapporto tra l'MTF ottenuta dall'immagine della slit camera
scansionata e l'MTF dello scanner. Il risultato ottenuto viene confrontato con i dati presentati dalla
casa produttrice del sistema e della letteratura(4). Nel sesto grafico vengono confrontate MTF e DQE
dei sistemi mammografici schermo-pellicola minR e del sistema a fosfori fotostimolabili
FCR5000Ma.
Le valutazioni dei suddetti parametri sono state effettuate usando la stessa sorgente di raggi X e le
medesime condizioni di esposizione (27 keV, Mo-Mo, 39 mm PMMA) e il DQE del sistema
schermo pellicola è stato ricavato dai dati di letteratura(4), (5).
160
120
risposta scanner (invertita)
Curva caratteristica invertita
log(mR)*100
DO *100
120
80
40
80
40
log(mR)=c/b-(Ln((a/((DO*100)-d))-1)/b)
DO*100= -44.977Ln(GL) + 494.73
0
0
0
10000
20000
GL
30000
40000
Figura 1. Curva di risposta dello scanner invertita
0
40
80
DO *100
120
160
Figura 2. Curva caratteristica invertita del complesso schermopellicola minR 2000.
16000
1
conversione in mGy
0.8
MTF
uGy*100
12000
8000
4000
y = 1000e0.023x
0.6
6400_DPI
3200_DPI
1600_DPI
1400_DPI
1200_DPI
800_DPI
0.4
0.2
0
0
0
40
80
120
0
log(mR)*100
2
4
lp/mm
6
8
Figura 4. MTF dello scanner in direzione di scansione ottica
calcolato per vari valori di risoluzione.
Figura 3. Conversione da log(mR)*100 a µGy*100.
1.0
1.0
MTF minR 2000
MTF
0.8
0.8
MTF FCR5000Ma
DQE minR 2000 100 uGy
0.6
0.6
0.4
0.4
Scanner (1600_DPI)
schermo-pellicola (letteratura)
calcolata
schermo-pellicola scansionata
0.2
0.2
0.0
0
2
4
lp/mm
6
8
Figura 5. Calcolo dell’MTF del complesso schermo-pellicola
kodak minR 2000 (27 keV, 39 mm PMMA) e confronto con
l’MTF pubblicato in letteratura.
0.0
0
2
4
lp/mm
6
8
Figura 6. Confronto dell’MTF e DQE dei sistemi mammografici
schermo-pellicola e Fuji FCR5000Ma.
Conclusioni. La procedura proposta mostra che i parametri di immagine di un sistema schermopellicola possono essere valutati in maniera semplice, economica e ragionevolmente precisa tramite
uno scanner commerciale ad alta risoluzione ed una corretta analisi della risposta sia del sistema
schermo pellicola che dello scanner. L'MTF della pellicola mammografia utilizzata per testare la
procedura viene calcolata in maniera molto accurata con un errore, rispetto ai dati pubblicati in
letteratura inferiore all'5%. L'analisi preliminare dell'NPS mostra dei risultati compatibili ai dati di
letteratura e che inducono a sviluppare ulteriormente la procedura al fine di ottenere valori di DQE
altrettanto precisi a quelli ottenuti per l'MTF.
Lo sviluppo del lavoro prevede un'ottimizzazione della procedura mediante l'analisi di altri sistemi
schermo-pellicola e la valutazione delle curve contrasto dose dettaglio.
Bibliografia
(1) G.Borasi, P.Berardi et al., "Valutazione della qualità di sistemi radiografici schermo-pellicola:
principi fisici e metodi di misura", La Radiologia Medica, 1990.
(2) H. Fujita et al.,"A simple method for determining the Modulation transfer Function in Digital
Radiography", IEEE Transaction on medical imaging, vol. 11, No. 1, march 1992.
(3) E. Samei, M. J. Flynn, "A method for measuring the presampled MTF of digital radiographic
system using an edge test device", Med Phys 25 (1), 102-113, (1998).
(4) H. Khun, W.Knupfer, "Imaging caracteristics of different mammographic screens", MedPhys
19-2,449-457, (1992)
(5) Van Metter and Dickerson, "Objective performance characteristics of a new asymmetric screenfilm system", Med Phys 21:9,1483-90.