Ramapdo_Protocolli e Manuali di qualità - Aifm

Controlli di qualità e protocolli in radiologia digitale diretta
Istituti Ospitalieri di Cremona
Protocolli e manuali di qualità
in radiologia digitale diretta
Osvaldo Rampado
S.C.D.O. Fisica Sanitaria 1
A.S.O. "San Giovanni Battista" (Molinette) Torino

CQ in radiologia digitale: valutazioni quantitative
L’esecuzione dei controlli di qualità in radiologia
digitale comporta la realizzazione di una serie di
immagini test per la valutazione di indicatori di qualità
del rivelatore in oggetto.
La disponibilità delle matrici numeriche che costituiscono le immagini ha reso
possibile:
Valutazioni oggettive e non legate alla soggettività dell’osservatore.
Automatizzazione delle procedure
Possibilità di molteplici analisi differenziate e mirate alla
determinazione di specifici problemi tecnici.

Protocolli
2009
APPARECCHI DI RADIOGRAFIA DIGITALE DIRETTA
AMFPI LINEE GUIDA PER I CONTROLLI DI QUALITÀ
2005: Report 91 Recommended Standards for the Routine
Performance Testing of Diagnostic X-Ray Imaging Systems
2010: Report 32 part VII Measurement of the Performance
Characteristics of Diagnostic X-Ray Systems: Digital
Imaging Systems
2005:
Commissioning and annual QA tests

E inoltre …
2003
IEC 62220-1 Characteristics of Digital X-ray Image Devices – Part 1:
Determination of the Detective Quantum Efficiency

Nuovi criteri di accettabilità

Tipologia di prove
- Critical examination
- Prove di accettazione o collaudo
- Acceptance testing
- Commissioning
- Prove di mantenimento o costanza
- Prove di verifica o di stato
- Routine quality control
- Performance checks
- Fault findings

Classificazione IPEM
“Level of expertise”
‣ Level A:
‣ Level B:
test più frequenti generalmente veloci e semplici (pass/fail
tests). Staff radiologia
test analitici, meno frequenti e che richiedono risorse e
esperienza. Staff fisica sanitaria
“Priority”
‣ Priority 1: Minimo standard raccomandato
‣ Priority 2: Best practice

Gestione risultati non conformi alle tolleranze previste
Valori marginalmente al di fuori
Valutare controllo successivo
(aumentare frequenza?)
Valutare in manutenzione
programmata
Valori ripetutamente al di fuori
Richiedere intervento
Valutare limitazioni all’utilizzo
Remedial levels
a reasonable timescale for
corrective action to be undertaken
any specific restrictions
Suspension levels
should be removed from clinical
use immediately until the
performance is corrected
Valutare la sostituzione di
componenti

Parametri di qualità DR
Commissioning and
optimization
Post
processing
Controllo automatico
esposizione
(Performance
assessment)
Risoluzione
spaziale
MTF
NPS
DQE
Sensibilità
basso contrasto
(Fault
investigation)
Corrente
di buio
Uniformità
e artefatti
Componenti
rumore
Persistenza
immagini
Rapporto
formato
Indicatore di
esposizione
Pixel vs dose and
inverse relationship
Funzione di
conversione

Osservazioni preliminari sulle condizioni di test
1) Condizioni di esposizione
Tutte le prove devono essere effettuate nelle stesse condizioni di
calibrazione dell’apparecchiatura
Qualità del fascio
Macchia
focale
In assenza di indicazioni sulla
qualità del fascio: fasci RQA norma
CEI EN 61267 (AIFM) o 70 kV con
1 mm Cu (IPEM)
Distanza
Orientamento tubo detettore
- Presenza / assenza griglia
Temperatura

Osservazioni preliminari sulle condizioni di test
2) Immagini for processing
“Where possible, no or
minimal post-processing
should be applied” (IPEM
report 32 part VII)
Alcuni tag DICOM forniscono
informazioni utili su questo
punto
0008,0068 Presentation intent type
0028,1040 Pixel intensity relationship
0028,1041 Pixel intensity relationship sign
For processing
For presentation
lin
log
-1
1

Osservazioni preliminari sulle condizioni di test
3) Immagini convertite in dose
PV
PV
PV
lin
log
a bK
power
aK
b
K
c
a ln( K)
b K
K
PV a
b
exp
PV b
a
PV c
a
1/ b
PV image
dose image

Pixel Value
Funzione di conversione
Tipicamente 6 livelli di dose: 1, 2.5, 5, 10, 20, 30 mGy circa
5000
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
Indagine AIFM
2009
500
0
0 20 40 60 80
Dose [mGy]

Corrente di buio
IL VALORE CHE SI MISURA HA GIA’ SUBITO LA CORREZIONE!
Importante stabilire i riferimenti dopo la calibrazione di offset.
Tolleranze IPEM :
Remedial level baseline +- 50%
Suspension level NA

Uniformità e artefatti
< 4%
< 8%
……………………….< 8%
……………………….< 20%
Visually check the image obtained for obvious
artefacts and non-uniformities ………(?)
Remedial: mean ± 5%
Suspension: mean ± 10%
SNR: baseline +-15% (remedial) or 30% (suspension)

Uniformità e artefatti
Valori riscontrati su di un DR prima e dopo la calibrazione.
Ai valori fuori tolleranza era associata effettivamente una disuniformità apprezzabile con
una visualizzazione con finestra molto stretta.
VALORE TOLLER.
NUSL 0.7 % < 4 %
NUSG 10.3 % < 8 %
NUSNRL 12.4 % < 8 %
NUSNRG 19.7 % < 20 %
VALORE TOLLER.
NUSL 0.5 % < 4 %
NUSG 2.8 % < 8 %
NUSNRL 4.9 % < 8 %
NUSNRG 15.0 % < 20 %

Uniformità e artefatti

Analisi di uniformità DR: bad pixels
Il risultato atteso è: assenza di bad pixels
In presenza di bad pixels: ricalibrazione?
E’ stata dimostrata la dipendenza del DQE dalla presenza di bad pixels
Studi in termini di contrasto dettaglio non hanno evidenziato differenze fino ad un
20% di bad pixels.
Particolare attenzione ai cluster.
La possibilità di lavorare in presenza di bad pixels è una decisione di tipo clinico.
Padgett R, Kotre CJ.
Assessment of the effects of pixel loss on image quality in direct digital radiography.
Phys Med Biol. 2004 Mar 21;49(6):977-86.

Analisi del rumore
Non è prevista una tolleranza, ma le variazioni possono essere
utilizzate per indagini su eventuali malfunzionamenti

Controlli sull’indicatore di esposizione
Test parameter
Remedial level
Suspension level
DDI repeatability CoV of DAK DDI > 10%
DDI reproducibility Baseline +- 10%
CoV of DAK DDI > 20%
Baseline +- 20%

Analisi segnale ghost (lag)
Immagine
irradiata
Immagine
buio
Immagine 1 Immagine 3

Accuratezza geometrica e rapporto formato
Tolleranza AIFM
3%
Tolleranza IPEM
4% (remedial)

Accuratezza geometrica: algoritmo
Acquisizione immagine
Lettura dimensione pixel
Estrazione degli edge
Determinazione posizione edge tramite
profili lungo i due assi e calcolo distanza
Selezione di ROI per l’analisi del jitter
Determinazione delle posizioni degli edge e
calcolo della differenza dal fit lineare

Parametri di qualità DR
Commissioning and
optimization
Post
processing
Controllo automatico
esposizione
(Performance
assessment)
Risoluzione
spaziale
MTF
NPS
DQE
Sensibilità
basso contrasto
(Fault
investigation)
Corrente
di buio
Uniformità
e artefatti
Componenti
rumore
Persistenza
immagini
Rapporto
formato
Indicatore di
esposizione
Pixel vs dose and
inverse relationship
Funzione di
conversione

Risoluzione spaziale
La misura della funzione di trasferimento della modulazione consente di
quantificare la risoluzione spaziale del rivelatore in esame.
Gli oggetti test utilizzabili per questa misura sono:
- una slit camera, costituita da una sottile fenditura in uno strato di metallo
- un edge, o bordo lineare di un sottile strato metallico
- un bar pattern, costituito da una serie di gruppi di linee alternativamente
radioopache e radiotrasparenti con frequenza spaziale crescente

Risoluzione spaziale: misura dell’MTF
Acquisizione ROI con oggetto
linearizzazione
determinazione inclinazione q
q
creazione profilo globale con ricampionamento
ridefinizione ampiezza di campionamento
normalizzazione ed eventualmente riduzione rumore
calcolo della trasformata di Fourier discreta
normalizzazione e rappresentazione dell'MTF

MTF
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
Esempio risultati MTF
Edge
Slit
Bar pattern
0 1 2 3 4 5 6
Frequency (cycles/mm)
Max differenza tra i metodi ad una data frequenza: 0.028
Incertezza risultati:

MTF
Risoluzione: tolleranze previste
1.2
1
0.8
0.6
Edge
Slit
Bar pattern
0.4
0.2
0
0 1 2 3 4 5 6
Frequency (cycles/mm)
Tolleranze IPEM : per l’MTF al 50%:
Remedial level baseline +- 0.2 lp/mm
Suspension level +- 0.4 lp/mm

Risoluzione di basso contrasto

Risoluzione di basso contrasto: analisi automatizzata
Accesso
all’immagine
Estrazione
edges
Determinazione
centro e raggio
Localizzazione
dettagli
Realizzazione
ROI
q
0

Definizione ROI e calcolo contrast to noise ratio
Il CNR per ogni dettaglio è così
definito:
CNR
PV
ROIin
2
ROIin
PV
2
ROIout
ROIout
E’ facile dimostrare che questa
quantità è indipendente dal windowing
utilizzato, a differenza della visibilità
apparente dei dettagli. L’applicazione
di una variazione lineare lascia infatti
invariato il rapporto tra i valori medi e
le deviazioni standard.
Tolleranza AIFM: variazioni entro il
20% dai valori di accettazione

CNR
Risultati ottenuti nel calcolo del CNR
6.0
5.6
5.2
4.8
4.4
4.0
3.6
3.2
0.1 mR
1 mR
10 mR
I valori di CNR ai tre livelli di
esposizione per il dettaglio di
contrasto maggiore sono: 1.07,
3.55 e 5.61.
2.8
2.4
2.0
1.6
1.2
0.8
0.4
Valore soglia.
0.0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Detail number

NPS
CEI EN 62220-1
Tolleranze IPEM : per l’NPS a 0.5 e 2 mm-1:
Remedial level +-15%
Suspension level +-30%

DQE
CEI EN 62220-1

CQ su CAE
Griglia
Camere CAE
Rivelatore digitale
kV, mA, ms
controllo
Misura dose
CONSOLE

CQ su CAE: documenti di riferimento
DOCUMENTI DI RIFERIMENTO
CRITERI DI CONFORMITA’ E
QUANTITA’ D’INTERESSE
187/00
Norma tecnica CEI EN 60601-2-7:1999-05
Parte 2: Norme particolari per la sicurezza di
generatori di alta tensione dei generatori
radiologici per diagnostica.
Variazioni DO
IPEM 91 (con riferimento esplicito a CR e DR) E
IPEM REPORT 32 PART VII
Dose al recettore d’immagine (DAK),
mAs, Indice di esposizione

CQ su CAE: quantità d’interesse
Detector Air Kerma
La misura non dipende dalla calibrazione del rivelatore
Non mi da alcuna informazioni sulla qualità d’immagine
Difficilmente è misurabile nella posizione corretta per rivelatori DR
Detector Dose Indicator
o Pixel Value
Utilizzabile in maniera analoga alla D.O.
E’ stato dimostrato che a parità di DDI si ha noise costante
Valutazione semplice
Correlazione non scontata con qualità immagine
mAs
Utili per rapidi controlli di costanza e riproducibilità
SNR
Di fatto evidenziate scarse differenze rispetto al DDI
SdNR
Utilizzato in ambito mammografico e maggiormente correlato
all’effettiva visibilità di dettagli d’interesse

CQ con misure dose su CAE: geometrie possibili
Fantoccio tessuto
equivalente
Punto di misura
La geometria ideale per valutare la calibrazione e
la costanza del CAE prevede la misura
all’ingresso del rivelatore, ma questo non sempre
è possibile, quasi mai per rivelatori DR.
Osservazioni utili si possono trovare in:
1) Doyle, Martin, “Calibrating automatic exposure control devices for digital radiography”, Phys
Med Biol 51 (2006): 5475-5485
2) Doyle, Gentle, Martin, “Optimising automatic exposure control in computed radiography and
the impact on patient dose”, Rad Prot Dos 114 (2005): 236-239
3) Mazzocchi et al., “AEC SET-UP OPTIMISATION WITH COMPUTED RADIOGRAPHY
IMAGING”, Rad Prot Dos 117 (2006): 169-173

CQ con misure dose su CAE: geometrie possibili
La situazione (1) riproduce la geometria effettiva di esposizione, ma la misura
che viene effettuata differisce dalla dose al rivelatore per i contributi di scatter e
l’attenuazione della griglia. I mAs utilizzati e l’EI sono quelli effettivi.
Nella (2) la misura è affetta dalla diversa sensibilità allo scatter del dosimetro
utilizzato e delle camere del CAE.
Il fantoccio andrebbe posizionato vicino alla sorgente (3). La misura effettuata
in queste condizioni comporta una sovrastima del 10 – 20% rispetto alla dose
incidente al rivelatore.
Ai fini pratici 20 mm di Al risultano equivalenti a 200 mm di acqua per spettro e
attenuazione (4).

CQ su CAE: controlli di costanza
Parameter
Remedial
Suspension
Guard timer duration
> manufacturer
mAs e DDI ± 30 %
AEC reproducibility (different kV)
> 20 % of baseline
DAK or DAK ddi
> 40 % of baseline
DAK ddi
AEC repeatability
Mean +-20%
Mean +-40%
Chamber reproducibility
Attenuator reproducibility
Generator density control
> 20 % of baseline
DAK or DAK ddi
> 20 % of baseline
DAK or DAK ddi
> +-20 % of
manufacturer
specification
> 40 % of baseline
DAK or DAK ddi
> 40 % of baseline
DAK or DAK ddi
> +-40 % of
manufacturer
specification

CQ su CAE: es. risultato
?
Dopo la sostituzione della camera si è osservata una riduzione della dose del 50% circa!

0,0
0,0
0,0
0
1,5
1,5
0,5
0,1
0,9
3,0
3,0
0,3
1,4
4,5
4,5
0,4
1,8
6,0
6,0
0,6
2,3
7,5
7,5
0,7
2,7
9,0
9,0
0,9
3,2
10,5
1,0
10,5
3,6
1,2
12,0
4,1
12,0
1,3
4,5
13,5
13,5
5,0
1,5
15,0
15,0
Valutazioni dosi da Header Dicom
Un’altra possibilità di monitoraggio del CAE e delle dosi al paziente
per un apparecchio digitale è fornita dalla memorizzazione dei
parametri di esposizione e in alcuni casi anche di una grandezza
dosimetrica nell’header DICOM delle immagini.
80
70
60
50
40
30
20
10
0
cranio pa
Per un apparecchio Philips per il quale erano disponibili i dati di
kV, mA, ms, DFR, Filtraz,
dimensioni campo, DAP, è
stata realizzato un software
per l’estrazione seriale
dall’archivio digitale di questi
dati, con la possibilità di
effettuare statistiche su
campioni di migliaia di esami.
I dati rappresentati mostrano valori medi di ESD (ricavati a partire
dai dati memorizzati) pari a circa 1/5 dei LDR per addome e
colonna lombare AP, 1/2 per il torace PA e 1/10 per il cranio PA.
300
250
200
150
100
50
0
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
90
80
70
ESD (mGy)
torace pa
ESD (mGy)
addome
ESD (mGy)
colonna lomb ap
60
O. Rampado, E. Garelli, R. Zatteri, U. Escoffier, R. De Lucchi, R. Ropolo
“Patient dose evaluation by means of DICOM images for a direct
radiography system” La Radiologia Medica, accepted for pubblication
50
40
30
20
10
0
ESD (mGy)

Il “flusso” digitale
DPI
MONITOR
DPI
STAMPANTE

E il post processing?
La qualità dell’immagine finale è pesantemente influenzata dagli algoritmi di
elaborazione impiegati ……
E’ possibile valutarli ? Come ?
Elaborazione immagini radiologiche tramite filtri che agiscono suddividendo
l’immagine nelle sue componenti delle diverse bande di frequenza, che vengono poi
opportunamente amplificate o ridotte per ottenere un’immagine con più contrasto
sulle strutture desiderate.

Nuovi criteri di accettabilità

Nuovi criteri di accettabilità

CONCLUSIONI
L’esperienza e gli strumenti acquisiti negli ultimi anni consentono di
effettuare valutazioni quantitative molto accurate sia in sede di accettazione che
di costanza per tutti i rivelatori digitali
Una serie di parametri hanno mostrato criticità (uniformità, indice di
esposizione, ecc.)
Il controllo dei CAE e della loro calibrazione risulta essenziale per
l’ottimizzazione della dose al paziente
Gli archivi digitali forniscono informazioni utili per il monitoraggio dei
parametri di esposizione e della dose al paziente “reale”
Una comprensione più approfondita degli algoritmi di post processing è
essenziale per completare l’ottimizzazione della qualità.

Grazie per l’attenzione