Optimering av röntgenundersökningar med hjälp av datorsimulering av det bildgivande systemet

Transkript

1 Optimering av röntgenundersökningar med hjälp av datorsimulering av det bildgivande systemet David Dance, Gudrun Alm Carlsson, Jan Persliden, Graham McVey, Roger Hunt, Gustaf Ullman, Alexandr Malusek, Markku Tapiovaara, Martin Yaffe, Anders Tingberg, Magnus Båth, Lars-Gunnar Månsson, Sören Mattsson, Ebba Helmrot, Patrik Sund, Markus Håkansson, Elly Castellano, Anne Thilander Klang, Jan-Ove Christoffersson, Sonia Lester, Claire Skinner, Joakim Medin, Francis Verdun, Finn Pedersen, Maria Magnusson- Seger, Anja Almen, Susanne Kheddache, Jack Besjakov, Birgitta Lanhede,Torsten Almen, Peter Hammersberg, Måns Mångård, Olle Eckerdal, Keith Wise, Walter Huda, Werner Panzer, Maria Zankl, Clemens Herrman, Andrew Maidment, Marc Pachoud Innehållsförteckning Beskrivning av datorsimulering av röntgenundersökningen dvs. s.k. Monte Carlo simuleringar Med tillämpning inom Radiografi Lungor Bäcken Fluoroskopi Barn 1

2 Varför simulering? Kan variera exponeringsdata hur man vill Kostar ingen dos att simulera bilder Kan testa framtida system Datorer är billiga Det är Kul! Andra tillämpningar av simulering Dosberäkningar vid strålbehandling Krocktester av bilar SMHIs Väderprognoser Datorsimulering av bildkedjan Röntgenrör Bländare Patient Bordskiva Raster Bilddetektor 2

3 Hur går datorsimuleringarna till? Röntgenfokus Patient Välj energi och riktning Röntgenfokus Patient 3

4 Låt den växelverka i patienten Röntgenfokus Patient eller passera rakt igenom Röntgenfokus Patient 4

5 Vissa fotoner sprids i patienten Röntgenfokus Patient En eller flera gånger Röntgenfokus Patient 5

6 För att till sist fastna i rastret Röntgenfokus Patient Raster Andra fotoner bidrar till bilden Röntgenfokus Patient Raster 6

7 Upprepa 100-tusentals gånger Röntgenfokus Patient Raster Alexandr Malusek Radiofysik IMV Linköping spridningar vid CT Beräkna dos- och bildkvalitetsmått t.ex. signal-tillbrus-förhållande, SNR och jämför Identifiera dossnåla inställningar på röntgenapparaten t.ex. kv & filtrering Alexandr Malusek Radiofysik IMV Linköping 7

8 Antropomorft lungfantom Placera fantomet i CTn 0.7 x 0.7 x 0.7 mm 3 voxlar Fantom och röntgenbild från Magnus Båth Göteborg Alexandr Malusek Radiofysik IMV Linköping Simulerad bild och riktig bild Simulerad röntgenbild Ingen spridd strålning Riktig röntgenbild Vanligt raster Alexandr Malusek Radiofysik IMV Linköping 8

9 Simulerad bild och riktig bild Simulerad röntgenbild Inget raster Riktig röntgenbild Vanligt raster Alexandr Malusek Radiofysik IMV Linköping Inzommad detalj Simulerad bild Riktig bild Kontrasten återges korrekt men skärpan är begränsad i simulerade data pga. 0.7x0.7x0.75 mm voxlar i CTn. Alexandr Malusek Radiofysik IMV Linköping 9

10 Hur simuleras röntgenbilder Primära + Spridda = Totalt Strålar strålar inkl brus Lungfantom PBU-X2-1 Simulerad bild Riktig bild Kontrasten återges korrekt men skärpan är begränsad i simulerade data pga x0.75 mm Gustaf Ullman Radiofysik IMV Linköping 10

11 Zoomade bilder Kontrasten återges korrekt men skärpan är begränsad i simulerade data pga x0.75 mm Gustaf Ullman Radiofysik IMV Linköping Anatomiskt bakgrund Kontrasten återges korrekt men skärpan är begränsad i simulerade data pga. 0.7x0.7x0.75 mm. Hetrogen bakgrund Homogen bakgrund Detektionseffektiviteten är avsevärt lägre i en hetrogen bakgrund än i en homogen bakgrund 11

12 6 stycken Lungregioner A-F 100 x 100 A1 F A2 E1 E2 Kontrasten återges korrekt men skärpan är begränsad B2 B1 D i simulerade data pga x0.75 mm C SNR I & SNR Hot s.k. modellobservatörer Gustaf Ullman Radiofysik IMV Linköping SNR I ( ideala observatören) E E D En ideala observatören störs inte av bakgrunden! C SNR I I 500 känslighet 200 känslighet Dos till detektorn (µgy) Gustaf Ullman Radiofysik IMV Linköping 12

13 SNR Hotelling (Modell-observatör) E E D Hotellingobservatören störs av bakgrunden! C SNR Hot 500 känslighet 200 känslighet Dos till detektorn (µgy) Gustaf Ullman Radiofysik IMV Linköping A Vilken rörspänning (samma dos) A F Preliminära resultat E E B D C B SNR I Endast s.k. kvantbrus el. systembrus Rörspänning (kv) E B F C D Gustaf Ullman Radiofysik IMV Linköping 13

14 A E Vilken rörspänning (samma dos) A F E Preliminära resultat F B D Kvantbrus + anatomisk bakgrund C B SNR Hot Rörspänning (kv) C E D B Gustaf Ullman Radiofysik IMV Linköping Optimeringsprincip 1. Hitta exponeringsvärden som är de mest dos-effektiva, t.ex. högst SNR 2 /dos 2. Låt radiologen avgöra hur hög dos/dosrat som behövs för frågeställningen 14

15 Jämförelse radiologer och modell Verkligheten Bäckenfantom exponerades Bäcken kV mas justerades till samma dos (E) för alla kv Bilderna bedömdes m.a.p. kliniska bildkriterier VGAS Modellen Bäckenfantomet simulerades Bäcken kV SNR och dosen (E) beräknades för exponeringsdata SNR beräknades för samma dos (E) i patienten Verkligheten (VGAS) och Modellen (SNR) jämfördes Anders Tingberg Radiofysikavdelningen Malmö Bildkriterier och VGAS Visual Grading Analysis score, VGAS Två bilder visas där den högra bilden är: Mycket sämre -2 Sämre -1 Lika bra 0 Bättre +1 Mycket bättre +2 Anders Tingberg Radiofysikavdelningen Malmö 15

16 Bäckenröntgen Samma effektiva dos till patienten VGAS Radiologer Pelvis AP 2 1,5 1 0,5 0-0,5-1 -1, Tube voltage (kv) FOM Modellberäkning Pelvis AP Tube Voltage (kv) Samvariation Radiologer - Modell Bäcken Pelvis AP kV VGAS kV FOM 16

17 SNR 2 /D (µgy -1 ) Argument för och emot lägre kv Vid lägre kv 1. Ökar bilddetektorns absorption av rtgstrålar (högre DQE) 2. Minskar E/DAP dvs. lägre organdos per dos-areaprodukt. Vid högre kv 1. Minskar mas:en och exptiden dvs. minskad risk för rörelseoskärpa 2. Minskar fokusblomningen och därmed risken för geometrisk oskärpa Vilken kv är bäst med jodkontrast? Kolfiber-raster, 0.25mm Cu Kolfiber-raster, Inget Cu-filter Mätningar (datapunkter) : mätning _ : simulering Monte Carlo simuleringar (kurvor) Röntgenbildförstärkare 20 cm Plexiglas och 3mg/cm 2 jod-detalj Med och utan raster Med och utan Cu Inget raster, Inget Cu-filter Rörspänning (kv) Låga rörspänningar optimala vid jodkontrastmedel 17

18 Luftgap eller raster? Nyfödd Luftgap något bättre än CF-raster och betydligt bättre än Al-raster A Luftgap, SNR=27 B CF-raster, SNR=25 Samma dos i bild A och B SNR 2 /D (µgy -1 ) Luftgap Al-raster 0y CF-raster Rörspänning (kv) Luftgap eller raster? 15 åring CF-raster betydligt bättre än Luftgap SNR 2 /D (µgy -1 ) 50 15y 40 CF-raster 30 A CF-raster, SNR=15 20 B Luftgap, SNR=11 10 Luftgap Samma dos i bild A och B Rörspäning (kv) 18

19 kv lägre än 70kV med Jodkontrast? Markku J Tapiovaara, Michael Sandborg and David R Dance A search for improved technique factors in paediatric fluoroscopy Phys. Med. Biol. 44 (1999) The most dose-efficient x-ray spectra found here can be obtained using 0.25 mm Cu filtration together with 50 kv when iodine details are imaged. H. J. WILTZ, U. PETERSEN & B. AXELSSON Reduction of Absorbed Dose in Storage Phosphor Urography by Significant Lowering of Tube Voltage and Adjustment of Image Display Parameters Acta Radiologica 2005 (4) It might be possible to lower the tube voltage (53 kv) in digital examinations involving contrast media as a means of lowering patient dose. Sara Zachrisson, Magnus Båth, Åke Cederblad, Jonny Hansson Optimering av urografiundersökningar (Examensarbete Radiofysik Göteborg 2007) Vid konventionell urografi, där endast högattenuerande strukturer är av kliniskt intresse, kan låga strålkvaliteter (55 kv) medföra en högre bildkvalitet vid bibehållen effektiv dos eller möjliggöra en sänkning av dosen med bibehållen bildkvalitet Slutsatser Noggrannhetenen ( riktighet ) begränsas av kunskap om ingångsdata 10% Precisionen (stokastiken) begränsas av datorkapaciteten (och programmeraren) 3% Tillämpbarheten begränsas av i vilken utsträckning klinisk bildkvalitet låter sig beskrivas av fysikaliska bildkvalitetsstorheter som t.ex. SNR I och SNR Hot. 19

20 Publikationer Lungröntgen Gustaf Ullman, Michael Sandborg, David R Dance, Roger A Hunt and Gudrun Alm Carlsson. Towards optimisation in digital chest radiography using Monte Carlo modelling. Phys Med Biol 51, (2006) Skelettröntgen Michael Sandborg, Anders Tingberg, Gustaf Ullman, David R Dance and Gudrun Alm Carlsson. Comparison of clinical and physical measures of image quality in chest and pelvis computed radiography at different tube voltages. Med. Phys. 33(11) (2006) Fluoroskopi Markku Tapiovaara, Michael Sandborg and David R Dance. A search for improved technique factors in paediatric fluoroscopy Phys. Med. Biol., 44, (1999) 20