Caratterizzazione fisica del sistema mammografico - INFN-LNS
Transcript
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.