Digitalizzazione e interventistica _ Canevarollo

Digitalizzazione e interventistica
Nuccia Canevarollo
Fisica Sanitaria – A.O. Villa Scassi - Genova
-Cardiologia
-Angiologia
-Oncologia
-Neurologia
-Gastroenterologia
-Urologia
-Ginecologia
-Reumatologia
-Ortopedia
angioplastica
embolizz.ni
19%
tratto biliare
3%
5%
tratto urinario
55%
6%
5%
7%
drenaggi
terapia dolore
biopsia
(Germania 1994)
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Procedure IR per milione nel 1993
-Germania
862 Media Europea 343/milione
-Olanda
759
-Francia
565
-Svezia
423
-Regno Unito
226
-Spagna
201
-Italia
181 (Journal of Interv.Cardiol. 1996)
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Procedura angiografica cardiaca
Incremento in Italia:
delle coronarografie da 0,7/1000 pop nel ’90 a 1,3/1000 nel
’95
delle PTCA da 0,1/1000 pop nel ’90 a 0,25/1000 nel ’95
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Procedura angiografica
Procedura angiografica
DIMOND cardio Survey 2002
6 centri – 30 CD-ROM con Coronaro
¾Fluoroscopia
N.ro medio sequenze/procedura X N.ro medio frames/sequenza
(7,5 – 15,4)
(62,5 – 138,2)
¾Fluorografia:
acquisizioni single shot o in serie veloce
con registrazione digitale su video
direttamente dal rivelatore
¾DSA: acquisizione di mask image (senza mdc);
sequenza di immagini con mdc
¾Tempo di fluoroscopia
¾Frequenza di acquisizione (7,5 - 30 fps)
¾Numero di sequenze (numero totale frame)
¾Training e esperienza dell’operatore
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
= N.ro medio frames / procedura
(574,8 – 1417,4)
Tempo medio scopia
N.ro medio frames
CA
6’
1270
PTCA
16’
1355
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
1
Intensificatore di immagine
Procedura angiografica
Dose alla cute
PTCA
16’ x 30 mGy/min = 480 mGy
1355 x 0,2 mGy/frame = 271 mGy
Tempo medio scopia
N.ro medio frames
TOTALE 0,751 Gy
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Sistema fluoroscopico con II
Intensificatore di immagine
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Sistema fluoroscopico con II
Fluorografia digitale DF
Video camera
Vidicon:
strato fotoconduttivo in antimonio
Plumbicon: “
“
“
in ossido di piombo
CCD: a stato solido con array fotosensibile di fotodiodi letti da fascio elettronico
vidicon
plumbicon
Target
Sb2S3
PbO
CCD
Si
Sensibilità (µA/lumen)
varia
400
700
Risoluzione rel.
0,55
0,65
0,40
Lag rel.
10
1
0,1
Dark current (nA)
20
<1
5
4500
4500
>500k
Durata (hr)
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
•Riduzione dose
•Ampio range dinamico
•Facilità di registrazione immagini
•Imaging istantaneo
•Imaging dinamico (30 fps)
•Riproduzione immagini senza perdita di qualità
•Trasferimento PACS
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
2
Fluorografia digitale DF
Fluorografia digitale DF
Immagine 1024x1024x10 bit = 1 MB
Frame rate 30 fps
= 30 MB/s
Iniezione coronarica 8 s
= 240 Mb
Studio angiografico completo ≥ 1 GB
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Fluorografia digitale DF
Fluorografia digitale DF
Image data processing
Digital Subtraction Angiography DSA
-Windowing
profondità 10 bit 1024 livelli grigio
Immagini di vasi isolate da strutture soprastanti
profondità 12 bit 4096 livelli grigio
Acquisizione di immagini prima e dopo iniezione di m.d.c.,
sottrazione, immagine del m.d.c. e artefatti da movimento
-Spatial filtering
immagine rumorosa per effetti quantici o
elettronici - filtro low pass
smoothing
Memoria RAM tra 30 e 300 MB
high pass filter – enfatizza edge details
-Temporal or recursive filtering
aumento del SNR su successioni immagini
bassa dose, mediando diverse frames
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Fluorografia digitale DF
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Procedure IR
Specifiche sistema cardiologico DSA
Immagine video
CCD o plumbicon
1024 x 1024 x 10
Frame rate
30 – 60 fps
Image memory
320 Mbyte
Disco magnetico
1-2 Gbyte
Image processing
cardiac subtraction
Clinical analysis
ejection fraction
512 x 512 x 8
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
mask
mask-live
live
live-mask
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
3
Fluorografia digitale DF
Fluorografia digitale DF
Limiti sistemi convenzionali con II
Degradazione del segnale X ray
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Fluorografia digitale DF
X_ray
100%
Patient
82%
Digital Matrix
32%
II
Videocamera
Optics
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Fluorografia digitale DF
Requisiti del detettore
Limiti sistemi convenzionali con II
Distorsione geometrica: curvatura fosfori di input per
focalizzare gli e- sul fosforo di output
Non uniformità risoluzione (MTF)
Veiling glare: effetto cumulativo fenomeni di diffusione
e trascinamento entro la catena. Perdita di contrasto.
Dovuto agli scattering X nel fosforo di input, degli enell’II, della luce nelle lenti.
Brightness non uniformity: perdita di luminosità dal
centro ai bordi immagine, dovuta alla curvatura fosforo
di input (II large FOV 30%)
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Fluorografia digitale DF
Fluoroscopia: segnale ordini di grandezza più basso che in
radiografia
Detettore con rapporto contrasto-rumore che rimane elevato
anche a bassa intensità di segnale
Radiografia: saturazione del segnale molto più elevata che in
fluoroscopia
Massimizzazione contrasto/rumore per gli spettri
X, i livelli di segnale, le frequenze spaziali usate in
applicazioni cliniche
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Requisiti del detettore
•
basso rumore (fluoroscopia)
•
alta sensibilità (fluoroscopia)
•
elevata capacità di segnale (radiografia)
•
rapido switch tra fluoroscopia e radiografia
•
possibilità di imaging dinamico (in tempo reale)
•
ritenzione dell’immagine (lag) frame dopo frame
trascurabile
•
disponibilità di algoritmi di correzione di difetti intrinseci al
materiale di rivelazione (non uniformità spaziale gain e
offset, pixel difettosi, ritenzione segnale)
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Pannelli di grandi dimensioni con rivelatori stato solido integrati
Active Matrix Flat Panel Imager AMFPI , dotati di tecnologia di
lettura tramite strato Thin Film Transistor TFT
AMFPI a conversione diretta in segnale elettrico tramite
fotoconduttore
AMFPI a conversione indiretta e sovrapposizione alla matrice
di TFT strato di fotodiodi al silicio amorfo e scintillatore
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
4
Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Sistemi AMFPI diretti
Carica elettrica prodotta da conversione
diretta o indiretta
temporaneamente immagazzinata e rivelata mediante read
out elettronico.
Conversione analogico - digitale
a-Se
500 µm
ottima fotoconducibilità X-ray
coppia elettrone-lacuna E = 42eV (22 eV CsI; 3 eV Ge)
Applicazione c.e. 5000 V che separa le cariche elettriche
prodotte e convogliate verso elettrodi posti a contatto con
matrice TFT(Hologic)
a-Se
Z = 34
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Sistemi angiografici con rivelatori digitali
ρ = 4,2 g/cm3
applicazioni in
mammografia
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Sistemi AMFPI indiretti
Piano di fotodiodi di a-Si + scintillatore
Gli eventi di scintillazione sui fotodiodi vengono convertiti in
carica elettrica letta dalla matrice TFT.
Scintillatore non strutturato: grani all’interno dei quali la luce
può diffondere (AMFPI Canon)
Scintillatore strutturato: cristalli di CsI:Tl fatti crescere
direttamente sul rivelatore (aghi paralleli diametro 5-8 µm) –
guide di luce che convogliano luce ai fotodiodi- buona
efficienza di rivelazione (elevato DQE, ridotta risoluzione
spaziale rispetto ai non strutturati)
(GE, trixell Philips, Siemens,Thomson)
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Sistemi angiografici con rivelatori digitali
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Flat panel
Trasferimento digitale dei dati
Trasferimento segnale al TFT, che attivato da segnale di
sincronismo trasferisce la carica come segnale elettrico
all’elaboratore di segnali ad alta velocità
Elaboratore segnali alta velocità: genera segnali di sincronismo
per attivare il trasferimento dai TFT all’A/D converter
Dati digitali trasferiti a host computer
Tecnica fluoroscopica 30 fps
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
trasmission rate 1 Gigabit/s
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
5
Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Caratteristiche specifiche
Alcune considerazioni dosimetriche
Ampio Range dinamico: range di esposizione sul quale il
rivelatore cattura informazioni utili anche 10 volte quello dei
sistemi convenzionali con II
I rivelatori digitali comportano valori di EAK più bassi in
valore assoluto, ma variando alcune condizioni possono
aversi incrementi di dose più elevati rispetto ai sistemi
convenzionali
Linearità di risposta su tutto il range dalle basse alle alte
intensità di segnale
Miglioramento di immagini sulla colonna e sul mediastino con
minima saturazione in campo polmonare, migliore visualizzazione di piccole arterie, stent, calcificazioni arteriose
Indagini più veloci – riduzione dose paziente
•Magnificazione elettronica (per mantenere costante la low
contrast detectability)
•Spessore paziente (l’AEC o ABC lavora in modo da fornire
incrementi di KV più elevati)
•Riduzione della SID con riduzione dei kV e dei mA non
comporta la riduzione della dose cute.
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Sistemi angiografici con rivelatori digitali
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Caratteristiche specifiche
(Paul R.Granfors- Applied science laboratory –
GE Medical Systems- Milwaukee)
Lag – risposta temporale del detettore
Esposizione del detettore a due differenti intensità pulsate.
Lag n =
Sn − S f
S0 − S f
Sn segnale n-esimo frame dopo la variazione di intensità
Sf segnale finale di equilibrio
S0 segnale originale
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Sistemi angiografici con rivelatori digitali
(Paul R.Granfors- Applied science laboratory –
GE Medical Systems- Milwaukee)
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Caratteristiche specifiche
(Paul R.Granfors- Applied science laboratory – GE Medical Systems- Milwaukee)
DQE ( f ) =
( S ⋅ MTF ( f )) 2
NPS ( f ) ⋅ X ⋅ C
zS
segnale medio
calcolato con metodo edge
zNPS calcolato dalla media dei moduli MTF in ROI centrale
zX X-ray exposure misurata con c.i.
zC fluenza per esposizione calcolata con sftw modellizzazione per
qualità 7 mmAl HVL ( 70-80 kV + 20 mm Al
280 ph/mm2/µR)
zMTF
Lag in funzione del tempo Innova 2000
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
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Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Caratteristiche specifiche
Caratteristiche specifiche
DQE flat panel con 160 mg/cm2 CsI fluoroscopia
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
DQE flat panel con 210 mg/cm2 CsI fluoroscopia
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Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Caratteristiche specifiche
Caratteristiche specifiche
Confronto DQE flat panel / II fluoroscopia
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Confronto DQE flat panel 160 mg/cm2 CsI fluoroscopia/radiografia
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Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Caratteristiche specifiche
Caratteristiche specifiche
Confronto DQE flat panel 160 mg/cm2 CsI e altre tecnologie
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Confronto DQE diverse tecnologie digitali ( Kodak Direct View DR)
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Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Sistemi angiografici con rivelatori digitali
Caratteristiche specifiche
DQE in DSA, imaging dinamico cardiaco, fluoroscopia
DQE medio±1 d.s. ( 28 detettori Innova 2000)
Rivelatore
GE Innova2004
Philps Allura
Xper FD
Siemens Axiom
Artis dFc
Tipo
Indiretto (CsI)
Indiretto (CsI)
Indiretto (CsI)
Costituzione
Monolitico
Trixell
Trixell
Dimensioni
20x20 cm
30x38 (30,22,16) 252, 202,162 cm
Numero riv.
1024x1024
2480 x 1920
1024 x 1024
Dimensioni pixel
200 µm
154 µm
184 µm
Spessore
500 µm
550 µm
Profondità img
14 bit
14 bit
14 bit
Sistema digitale
68000 img
25000 img
50000 img
DQE
70%
>65%
75%
Frame rate
30 fps
30 fps
30 fps
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Qualità immagine digitale
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Qualità immagine digitale
DETECTIVE QUANTUM EFFICIENCY
Risoluzione
Parametro fondamentale di performance dei rivelatori digitali.
DQE ( f ) =
MTF(f)
NPS(f)
DQE(f)
G 2 ⋅ MTF ( f ) 2 ⋅ Φ
NPS ( f )
G detector gain
Φ x-ray quanta per area at input detector
Contrasto
Rumore,dose,spettro
IEC 62220- 1
SNR(f)
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Qualità immagine digitale
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Qualità immagine digitale
IEC 62220
IEC 62220 –1 (2003-10) Medical Electrical Equipment
Characteristics of digital X Ray imaging devices – Part 1determination of the detective quantum efficiency
Capacità del sistema di preservare il SNR dal campo di
radiazione all’immagine finale
Rumore – dose
Capacità del sistema di descrivere l’efficienza della dose
(IEC 61262-5 DQE for X-Ray Image Intensifier)
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Qualità immagine digitale
Qualità immagine digitale
DETECTIVE QUANTUM EFFICIENCY
DETECTIVE QUANTUM EFFICIENCY
La misura richiede:
IEC 62220
•Spettro standard
Non è applicabile a
•Geometria standard
•Sistemi digitali mammografici o dentali
•Misure di kerma in aria sulla superficie del detettore
•Determinazione dei quanti per area dal kerma in aria
•CT
•Sistemi a scansione X-ray
•Misura della funzione conversione del detettore
•Dispositivi per imaging dinamico (fluoroscopia o imaging
cardiaco)
•Misura dell’MTF
•Misura dell’NPS
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Qualità immagine digitale
Qualità immagine digitale
DETECTIVE QUANTUM EFFICIENCY
DETECTIVE QUANTUM EFFICIENCY
IEC specifica 4 spettri
Geometria di misura
Stessa geometria per:
Spettro
Filtrazione
aggiuntiva
HVL
RQA3
10 mmAl
4,0 mmAl
RQA5
21 mmAl
RQA7
30 mmAl
RQA9
40 mmAl
Air Kerma sul detettore
Funzione di conversione
MTF
NPS
7,1 mmAl
Minimizzazione effetti di scatter
9,1 mmAl
SID almeno 1,5 m
Campo sul detettore 16 cm x 16 cm
11,5 mmAl
Filtrazione aggiuntiva più vicina possibile alla sorgente
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Qualità immagine digitale
DETECTIVE QUANTUM EFFICIENCY
Qualità immagine digitale
Misura della MTF
Misura del Air Kerma sul detettore
Metodo dell’edge
Conversione Air Kerma a Quanta per area
Plate di tungsteno con edge di precisione circondato da piombo
Quanta per Area
per Air Kerma
(ph/mm2nGy)
Filtrazione
aggiuntiva
HVL
RQA3
10 mmAl
4,0 mmAl
21,76
RQA5
21 mmAl
7,1 mmAl
30,17
9,1 mmAl
32,36
Spettro
RQA7
30 mmAl
RQA9
40 mmAl
Plate posto sul detettore ruotato di 1,5-3° sull’asse del detettore per misurare
MTF perpendicolare all’asse
Immagine acquisita con spettro e geometria standard, linearizzata usando
l’inverso della funzione conversione
Edge spread function determinata dai dati entro la ROI
Differenziazione per ottenere la LSF
Calcolo MTF come modulo della trasformata di Fourier della LSF
MTF alla frequenza f ottenuta mediando su f ±0,01/pitch
11,5 mmAl
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31,08
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Qualità immagine digitale
Qualità immagine digitale
Misura dell’NPS
Acquisizione immagini con spettro e geometria standard,
no edge, n.ro di immagini da avere 4 milioni di pixels
Conversione delle immagini a unità quanta per area applicando l’inversa della
funzione di conversione
Protocolli per sistemi convenzionali
•
Range dinamico (Leeds TO.GS2)
ROI 125 x 125 mm
•
Risoluzione ad alto contrasto (mira di Funk)
Trend removal con sottrazione di polinomiale del secondo ordine dalla ROI di
ogni immagine analizzata
•
Risoluzione a basso contrasto (Leeds TO.N3)
Calcolo del quadrato del modulo della trasformata di Fourier 2D di ogni regione
•
Distorsione geometrica (Leeds TO.M1)
Media delle trasformate 2D per avere 2D NPS
•
Uniformità di segnale (Leeds TO.MS3)
•
Verifica della dose
NPS a f ±7 punti su ogni lato degli assi, escludendo gli assi
F ±0,01/pitch lungo gli assi
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Qualità immagine digitale
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Qualità immagine digitale
Fantocci
Protocolli per sistemi convenzionali digitali sottrattivi
(IEC 1223-3-3 Acceptance Test- imaging performance of X-ray equipment for
digital subtraction angiography DSA)
TO.GS2
TO.MS3
TO.M1
TO.N3
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•
Range dinamico
•
Air kerma per immagine
•
Soglia contrasto DSA
•
Risoluzione spaziale visiva DSA
•
Artefatti
•
Compensazione per la non linearità dell’attenuazione
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Qualità immagine digitale
Qualità immagine digitale
Protocolli per sistemi convenzionali digitali sottrattivi
Image quality test tool
(IEC 1223-3-3 Acceptance Test- Imaging performance of X-ray
equipment for digital subtraction angiography DSA)
Fantocci DSA con
•
step wedge
•
vascular simulation pattern con contrasto da 5 mg a
10 mg di iodio per cm2
•
compensazione dell’attenuazione
Fantoccio e software di misura automatizzati su
immagini non post-processed
Fantoccio: Step wedge Cu, Step wedge Al, resolution
pattern, lead circle, perforated steel, lead boundary
lines, plastic laminates
Immagini non accessibili, memorizzazione dei soli
risultati
Difficoltà ad integrarli con protocolli indipendenti
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10
Qualità immagine digitale
Qualità immagine digitale
(Dimond III Research Project)
DQE e test di osservazione
Review standard esistenti
DQE capacità del sistema di preservare il SNR lungo la
catena, dipende dalla dose.
NEMA XR11-1993 Test standard for the determination of
limiting resolution of X-ray II Systems
Parametro fisico, relazione con la performance
decisionale dell’osservatore non nota.
Threshold Contrast Detail Detectability TCDD
parametro soggettivo, legato al quadrato
di SNR. Leeds TO.20
H t ( A) =
1
1
Ct ( A ) × A 2
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Qualità immagine digitale
(Dimond III Research Project)
IEC 61223-3-3 (1996-11) Evaluation and routine testing in
medical imaging departments – Part 3 - acceptance tests imaging performance of X ray equipment for DSA
DIN 6868-58 (2001) Image Quality Assurance in diagnostic XRay Dept - Part 58: Acceptance Testing of projection
radiogrphy systems with digital receptors
DIN 6868-13 (2001) Image Quality Assurance in diagnostic XRay Dept - Part 13: Constancy Testing of projection
radiography systems with digital receptors
Acceptance testing and quality control of photo stimulable
phosphor imaging systems; report Task group #10, AAPM
October 1997
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
IEC 61262 – 7 (1995-09) Medical Electrical EquipmentCharacteristics of digital imaging devices- Part 7 Determination of MTF
IEC 60601 1-5- (2001) (Draft) Image Quality
and Dose for X-Ray equipment
NEMA Standard XR201-2000 Characteristics of and test
procedures for a Phantom to benchmark fluoroscopic and
photographic equipment
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Qualità immagine digitale
(Dimond III Research Project)
Raccomandazioni di valutare
•Omogeneità
•Range dinamico
•Risoluzione Spaziale Limite
•Risoluzione a basso contrasto
•Artefatti
•Distorsione
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Standard DICOM
Standard DICOM
Esami cardiologici devono gestire immagini in
Sostituzione pellicola 35 mm con nastri DD2,
movimento, generando mole enorme di dati
dischi magnetoottici, CD-R
Definizione di uno standard : compromesso tra potenzialità
hardware e software ed esigenze diagnostiche
Necessità di standard di formato immagini derivato del DICOM
utilizzato in radiologia
ACC/ACR/NEMA 1992
1995 Standard DICOM 3.0
Matrice 1024 x 1024 x 12 pixel (4096 livelli di grigio)
Operazioni di gestione immagini SOP service/object pair:
acquisizione, stampa, archivio ecc.
Apparecchiatura conforme agli standard DICOM deve gestire le
DICOM SOP
Torino 10 dicembre 2004 - Corso teoricoteorico-pratico
“Controllo di qualità in radiologia digitale”
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Standard DICOM
Standard DICOM
Registrazione e scambio esami angiografici
•
Capacità
•
Facile reperibilità
Registrazione e scambio esami angiografici
•
Basso costo
•
Rispondenza standard internazionali sicurezza
DVD
•
Compatibilità PC
capacità 6 Gb
elevata velocità di lettura
1994: CD-R lettori CD velocità 6X (0,9 Mb/s) 512 x 512 x 8 a
stesso formato del CD
7,5 fps
Oggi: CD-R lettori CD velocità 52X, stessa velocità di
acquisizione 30 fps
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“Controllo di qualità in radiologia digitale”
Standard DICOM
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Standard DICOM
Tecniche di compressione delle immagini
Tecniche di compressione delle immagini
Esame da 2400 immagini 1024 x 1024 x 8 , v = 30 fps
Data rate 30 MB/s
Data capacity 2400 MB = 4 CD-R e lettore 200X
Predictive encoding
Statistical encoding Lossless
Necessità di compressione
Lossless-Reversible
Standard DICOM consente compressione lossless 2:1 con
standard JPEG
Lossy – Irreversible
Fattori di compressione da 2 a 4
Archivi e Network
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