Post on 16-Feb-2019
Qualita’ dell’immagineQualita’ dell’immagine La qualita’ dell’immagine influenza in modo
decisivo la capacita’ del radiologo di rivelare patologie (altri fattori sono le condizioni di visualizzazione e l’esperienza del radiologo)
Gli aspetti piu’ importanti della qualita’ dell’immagine sono:– il contrasto – il rumore (e quindi il rapporto segnale/rumore)– la risoluzione spaziale (sharpness)
Infine non va dimenticato che la dose di radiazione impartita al paziente per ottenere l’immagine va mantenuta a un livello accettabile (dose diagnostica << dose terapeutica)
Contrasto (1)Contrasto (1) Il contrasto radiografico tra due aree A (segnale) e B
(fondo) di una immagine puo’ essere definito ad es. in base alla differenza di densita’ ottica:
C = DADB Il contrasto radiografico dipende sia dal contrasto del
soggetto sia dal metodo di rivelazione (filmschermo, rivelatore digitale, etc.)
Il contrasto del soggetto dipende dalla interazione tra radiazione e soggetto, nel caso dei raggi X dipende dal coefficiente di attenuazione lineare μ e dallo spessore x delle regioni A e B
Nei sistemi con registrazione elettronica il contrasto puo’ essere ridotto o aumentato a posteriori
Contrasto (2)Contrasto (2)Trasmissione di fotoni monocromaticidi diverse energie in funzionedello spessore di tessuto molle : T = exp[μx]
Contrasto del soggetto Cs:Cs = (I1I2)/I1 =ΔI/I1
dove I0 rappresenta l’energia incidente e I1, I2 rappresentano l’energia assorbita per unita’ di area del fotoricettore:
I0 = NEI1,2 = N E ε exp[∫μdz] (1+R)
con N = numero di fotoni primari per unita’ di area, ε = efficienza di rivelazione, R = rapporto radiazione secondaria/primaria
I0 I0
I1 I2
t xμ1
μ2
Contrasto (3)Contrasto (3)Contrasto del soggetto Cs:
Cs = ΔI/I1= {1exp[(μ2μ1)x]}/(1+R) dipende dallo spessore x del dettaglio in esame (ma non
dallo spessore t del tessuto) dipende dalla differenza dei coefficienti di attenuazione
lineare μ1 e μ2
diminuisce all’aumentare della radiazione diffusa (effetto Compton) incidente sul rivelatore: questo inconveniente puo’ essere ridotto con griglie antidiffusione oppure sfruttando la minore energia dei fotoni X diffusi
Il segnale riferito a una certa area di interesse A puo’ essere definito come ΔI∙A, e va confrontato con le fluttuazioni del livello di fondo I1∙A (riferito alla stessa area)
Rumore e rapporto Rumore e rapporto segnale/rumoresegnale/rumore
Le fluttuazioni sono dovute sia al rumore quantistico (fluttuazioni del numero di fotoni convertiti) sia alle proprieta’ del fotoricettore e del sistema di rivelazione
Il rumore quantistico nel caso in esame e’ dato dalla statistica di Poisson:
rumore = E(I1A/E)1/2 = E[NεAexp(μ1t)(1+R)]1/2
Facendo il rapporto tra il segnale: ΔI∙A = I1CA = CANεEexp(μ1t)(1+R)
e il rumore si ottiene il rapporto segnale/rumore:SNR = {1exp[(μ2μ1)x]}[NεAexp(μ1t)/(1+R)]1/2
Fissato un valore minimo di SNR e’ possibile calcolare il numero N di fotoni incidenti per unita’ di area necessari per rivelare un dettaglio di spessore x e di area trasversa A
Risoluzione spaziale (1)Risoluzione spaziale (1) Ogni sistema di imaging ha dei limiti intrinseci di
risoluzione che definiscono il piu’ piccolo dettaglio osservabile
Per esempio, nel caso dei sistemi filmschermo, varie cause contribuiscono a definire la risoluzione spaziale:
– la dimensione finita della macchia focale e il valore dell’ingrandimento
– l’eventuale movimento del paziente (respirazione, battito cardiaco) durante l’esposizione
– una perdita di definizione nel fotoricettore, causata ad es. dalla diffusione della luce negli schermi/intensificatori di immagine
Sono stati sviluppati diversi oggetti di test per misurare i limiti della risoluzione spaziale dei sistemi di imaging
Risoluzione spaziale (2)Risoluzione spaziale (2)Immagine radiografica di un oggetto di test con una matrice di 3 x 7 gruppi difenditure con diverse frequenze spaziali
Profili di densita’ ottica delle prime 3 righeper 4 colonne dell’oggetto di prova.Il limite di risoluzione (*) corrisponde a una frequenza spaziale di 1.5 cicli/mm
Risoluzione spaziale (3)Risoluzione spaziale (3) Una misura piu’ oggettiva della risoluzione spaziale e’ data
dalla MTF (Modulation Transfer Function) che quantifica il rapporto tra il contrasto in uscita e il contrasto in ingresso, in funzione della frequenza spaziale
La MTF puo’ essere misurata per esempio facendo una immagine di un oggetto di piombo con una serie di fenditure a una data frequenza spaziale (lp/mm, coppie di linee per mm)
La MTF e’ il modulo della trasformata di Fourier dellaLSF (line spread function),
v. Del Guerra par. 2.5
Risoluzione spaziale (4)Risoluzione spaziale (4) La Detective Quantum Efficiency (DQE) tiene conto del rumore aggiunto
dal sistema di imaging considerando il SNR in ingresso e in uscita:
Paragone tra le DQE(f) di quattro diversiricettori di immagine:
• Filmschermo di velocita’ 400• Computed Radiography• Radiografia digitale indiretta (CsI + aSi)• Radiografia digitale diretta (aSe)
SNR2out
DQE = SNR2
in
Imaging digitale a doppia energiaImaging digitale a doppia energia Rivelatore a microstrip di silicio
– Maggiore efficienza di riv. Rispetto a filmschermo– Serve scansione per costruire immagini 2D
Conteggio singolo fotone Immagine digitale– Flessibilita’ nell’analisi dell’immagine– Facilita’ nel trasferimento dei dati
Tecniche a doppia energia – Miglioramento del contrasto
Basate su diversa dipendenza dall’energia di μ in materiali diversi
Aumenta la visibilita’ dei
dettagli (SNR)
Diminuisce la dose al paziente
Diminuisce la concentrazione del mezzo di contrasto
Esempio: mammografia a doppia energiaEsempio: mammografia a doppia energia
E ≈ 1520 keV:Segnale dal tessuto canceroso deteriorato dal contrasto tra tessuto fibroso e adiposo
E ≈ 3040 keVTessuto canceroso non visibile, l’immagine fornisce la mappa dei tessuti fibrosi e adiposi
Altro esempio: angiografia al Kedge Altro esempio: angiografia al Kedge dello iodiodello iodio
Iodio iniettato nei vasi del paziente funge da mezzo di contrasto radioopaco
Forte variazione del μ all’energia del Kedge (≈ 33 keV)
Sottrazione di immagine(2 immagini prese sotto e sopra l’energia del Kedge)
Perche’ fasci monocromatici ?Perche’ fasci monocromatici ?
110kV RX Spectrum of W Anode
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0
Energy (keV)
Cou
nts/
chan
nel
Tube filtration (3.7 mm Al eq)
+ 2 mm Al
+ 4 mm Al
+ 6 mm Al
W: Kα 59.3 keV Kβ 67.2 keV
0xI I e µ−=
1 Scelta tra contrasto e dose1 Scelta tra contrasto e dose
2.5 %1.1 %0.21 %0.001 %18 cm muscolo + 2 cm osso3.3 %1.7 %0.57 %0.08 %18 cm muscolo + 2 cm muscolo3.4 %1.8 %0.63 %0.10 %18 cm muscolo + 2 cm grasso4.2 %2.3 %0.83 %0.13 %18 cm muscolo + 2 cm polmone4.7 %2.6 %0.95 %0.17 %18 cm muscolo + 2 cm aria100604030
Energie dei fotoni (keV)Tessuto
Trasmissione di raggi X in
tessuti biologici
Dose al paziente
ContrastoImmagine
( ) ( )
( )
3.4
3.1
, , , , , ,pe e cs e
epe
cs e
Z n E Z n E
n ZE
n f E
µ µ ρ µ ρ
ρµ
µ ρ
−
= +
∝
∝
10015.069014.018012.737011.15609.24506.97455.76404.52353.34302.27281.90261.54241.25220.98200.75180.55160.39140.26
Ee (keV)HVL (mm di Al)
Ma le code dello spettro alle alte e basse energie influenzano la dose e il contrasto immagine in modo incontrollato.
110kV RX Spectrum of W Anode
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0
Energy (keV)
Coun
ts/c
hann
elTube filtration (3.7 mm Al eq)
+ 2 mm Al
+ 4 mm Al
+ 6 mm Al
Ee (energia efficace) per un fascio policromatico e’ l’energia di un ipotetico fascio monocromatico che produrrebbe la stessa attenuazione in un dato materiale. Ee e’ definita per un materiale di riferimento (ad es. alluminio) di spessore fissato. Si assume che sia costante per altri materiali.
2 Migliore risoluzione spaziale2 Migliore risoluzione spaziale
Lo scattering Compton dovuto ai fotoni di ogni energia dello spettro di raggi X peggiora la risoluzione spaziale.
3 Esaltazione delle diverse attenuazioni di 3 Esaltazione delle diverse attenuazioni di tessuti cancerositessuti cancerosi
Se il coefficiente di attenuazione lineare per una specifica patologia si differenzia da quello dei tessuti circostanti in uno specifico intervallo di energia, un fascio monocromatico e’ la scelta migliore!