20. Оптимизация защиты в цифровой рентгенографии

Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной
радиологии
Радиационная защита
в диагностике
и интервенционной радиологии
Л 20: Оптимизация защиты в цифровой
радиологии
IAEA
International Atomic Energy Agency
Темы
 Введение
 Основные принципы
 Зависимость между диагностической
информацией и дозой облучения пациента
 Обеспечение качества
IAEA
20: Цифровая радиология
2
Обзор
• Ознакомление с методами цифровой
визуализации в проекционной рентгенографии и флюороскопии, а также с
основами DICOM стандарта и влиянием
цифровых методов на качество
изображения и дозу облучения пациента
IAEA
20: Цифровая радиология
3
Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной
радиологии
Часть 20: Цифровая радиология
Тема1: Введение
IAEA
International Atomic Energy Agency
Переход от обычной радиологии к цифровой
 В развитых странах обычное флюороскопическое и рентгенографическое оборудование в
настоящее время в основном
заменено на цифровое
 Цифровая радиология имеет безусловные преимущества, а также свои
недостатки
 Переход к цифровой радиологии
требует дополнительного обучения
IAEA
20: Цифровая радиология
5
Переход от обычной радиологии к цифровой
 Цифровые изображения могут быть
обработаны цифровыми методами, что
невозможно для обычной радиологии!!.
 Цифровые изображения могут быть также
переданы по компьютерной сети и заархивированы
 Нужно уделять внимание возможности
потенциального повышения дозы из-за:
Производства лишних изображений
Производства изображений более
высокого качества , чем требуется для
клиники
IAEA
20: Цифровая радиология
6
Доза облучения в цифровой рентгенологии
 Ошибки при обычной рентгенографии
видны на снимке: изображения слишком
светлые или слишком тёмные
 При цифровой рентгенографии
изображения всегда хорошие, т.к.
благодаря высокому динамическому
диапазону ошибки экспозиции
компенсируются
IAEA
20: Цифровая радиология
7
Динамический диапазон
Большой динамический диапазон
детектора позволяет получать изображения приемлемого качества
Плоско-панельные детекторы (обсуждаются далее) имеют динамический диапазон 104, в то время как комбинация
экран-плёнка только 101.5
IAEA
20: Цифровая радиология
8
Характеристическая кривая системы
компьютерной рентгенографии (КР)
3,5
3
HR-III
CEA Film-Fuji Mammofine
Плотность
2,5
2
1,5
1
КР
0,5
0
0,001
0,01
0,1
1
Воздушная КЕРМА (мГр)
IAEA
20: Цифровая радиология
9
Цифровые технологии
• Цифровая рентгенография и цифровая
флюороскопия являются новыми технологиями, заменившими изображения на
плёнках
• Появились новые цифровые технологии,
не имеющие аналогов в обычной радиологии (CT, MRI, и т.д.)
IAEA
20: Цифровая радиология
10
Оцифровка обычных плёнок
 Обычные изображения на плёнке могут
быть преобразованы в цифровые с
помощью цифрового преобразователя и зарегистрированы в электронном
виде
 Это преобразование также позволяет
последующую цифровую обработку
 Эти приёмы не могут рассматриваться
как методы цифровой радиологии
IAEA
20: Цифровая радиология
11
Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной
радиологии
Часть 20: Цифровая радиология
Тема 2: Основные принципы
IAEA
International Atomic Energy Agency
Сравнение аналоговых и цифровых
систем
Аналоговые: заданные
параметры могут иметь
непрерывные значения
Цифровые: заданные параметры могут иметь только дискретные значения
20
20
15
10
10
C1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
5
10
0
1
IAEA
2
3
4
20: Цифровая радиология
5
6
7
8
9
10
13
Цифровые рентгеновские изображения
 В обычной радиографии позиции и оптическая плот-




ность точек изображения являются аналоговыми
величинами
В цифровой радиологии для формирования изображений используется матрица
Матрица – это квадратная или прямоугольная область, разделённая на ряды и столбцы. Наименьший элемент матрицы называется пикселом
Каждый пиксел представляет собой определённое
положительное число, соответствующее яркости
элемента изображения
Положение пиксела в матрице задаётся координатами
его ряда и столбца (x,y)
IAEA
20: Цифровая радиология
14
Разное количество пикселов в изображении: в оригинале 3732 x
3062 пикселов x 256 уровней серого (21,8 МБ). Здесь1024 x 840
(1,6 MБ).
IAEA
20: Цифровая радиология
15
Разное количество пикселов в изображении: в оригинале 3732 x
3062 пикселов x 256 уровней серого (21,8 МБ). Здесь 128 x 105
(26,2 кБ).
IAEA
20: Цифровая радиология
16
Разное количество пикселов в изображении: в оригинале 3732 x
3062 пикселов x 256 уровней серого (21,8 МБ). Здесь 64 x 53 (6,6
кБ
IAEA
20: Цифровая радиология
17
Отдел цифровой радиологии
 Кроме рентгеновских кабинетов и
диагностических аппаратов отдел
цифровой радиологии имеет ещё два
компонента:
 Систему управления радиологической информацией (RIS) как часть
информационной системы медицинского центра (HIS)
 Систему передачи и архивирования
изображений (PACS)
IAEA
20: Цифровая радиология
18
DICOM
• DICOM (Digital Imaging and Communications in
Medicine) – это стандарт для передачи рентгеновских изображений и другой медицинской
информации между разными системами
• Все недавно разработанные медицинские изделия должны быть совместимыми с DICOM
• Однако, из-за быстрого развития новых технологий и методов совместимость медицинских
систем разных разработчиков часто вызывает
проблемы
IAEA
20: Цифровая радиология
19
Изображения в формате DICOM :
 Рентгеновские изображения в DICOM
содержат помимо изображения
заголовок с набором важных данных,
относящихся к:
 рентгеновским системам, используемым
для получения изображений
 идентификации пациента
 радиографическим методам, дозиметрическим деталям и т.д.
IAEA
20: Цифровая радиология
20
Процесс цифровой радиологии
 Получение изображений
 Обработка изображений
 Воспроизведение изображений
 Важность условий просмотра
 Архивация изображений (PACS)
 Восстановление изображений из архива
 Время восстановления изображений
IAEA
20: Цифровая радиология
21
Основные компоненты системы PACS
Radiotherapy
Department
IAEA
20: Цифровая радиология
22
Получение изображений (I):
 Пластины с фотостимулируемым
люминофором (ПФЛ).
• Компьютерная рентгенография (СР)
• Могут использоваться обычные системы
для радиографии
 Прямая цифровая запись изображений на
детектор (плоско-панельные детекторы)
• Прямое преобразование (селен)
• непрямое преобразование (вспышки)
IAEA
20: Цифровая радиология
23
Компьютерная рентгенография (КР)
• КР использует принципы фотостимулируе-
мой люминесценции
• Пластина с подходящим люминофором
облучается также как обычная комбинация
экран-плёнка
• Однако, в отличие от обычного экрана,
светящегося под действием рентгеновского
излучения, КР пластина удерживает
поглощённую энергию в энергетических
ловушках, формируя скрытое изображение
IAEA
20: Цифровая радиология
24
Компьютерная радиография (КР)
 Испускание запасённой энергии в виде
люминесценции производится под действием сканирующего луча лазера
 Испускаемый свет, прямо пропорциональный интенсивности падающего рентгеновского излучения, детектируется
фотоумножителем и преоб-разуется с
помощью АЦП в цифровое изображение
 Полученное изображение содержит 2,370 x
1,770 пикселов (для маммографии) с 1,024
уровнями яркости (10 бит) и соответствует
размеру поля 24 x 18 cм
IAEA
20: Цифровая радиология
25
Принцип работы ПФЛ
ФЭУ
АЦП
Ловушка
Возбуждение
IAEA
Запись
20: Цифровая радиология
Эмиссия
26
Кассета и ПФЛ
ПФЛ цифровой преобразователь
Изображения предоставлены
Фирмой AFGA
IAEA
Рабочая станция
20: Цифровая радиология
27
Digital detector
(Изображения предоставлены
GE Medical Systems)
IAEA
20: Цифровая радиология
28
Получение изображений (II)
 Другие методы:
 Цилиндрический селеновый детектор
(применяется для рентгенографии грудной
клетки с вертикально смонтированным
вращающимся цилиндром, покрытым селеном)
 Приборы с зарядовой связью (ПЗС)
 Изображение с люминесцентного экрана
регистрируется ПЗС камерой и преобразуется в
цифровое изображение
IAEA
20: Цифровая радиология
29
Цифровая флюороскопия
• Цифровые флюороскопические системы в основном
базируются на использовании усилителей
рентгеновского изображения (УРИ)
• В обычных системах изображение с выходного
экрана УРИ проецируется на плёнку. В цифровых
системах оно проецируется на видео или ПЗС
камеру
• Выходной сигнал камеры преобразуется в матрицу
цифрового изображения (1024 x 1024 пикселов для
большинства систем).
• Типичными функциями являются “сохранение
последнего изображения”, “эффективная
коллимация”, и т.д.
• Некоторые системы используют плоско-панельные
IAEA
детекторы
вместо УРИ
20: Цифровая радиология
30
Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной
радиологии
Часть 20: Цифровая радиология
Тема 3: Зависимость между диагностической
информацией и дозой облучения пациента
IAEA
International Atomic Energy Agency
Качество изображения и доза
• При тех же дозовых параметрах
облучения пациентов в цифровом
изображении обычно содержится больше
диагностической информации, чем в
аналоговом
• Большой динамический диапазон
цифровых детекторов и возможности
последующей обработки изображений
позволяют получить больше информации, содержащейся в изображении
IAEA
20: Цифровая радиология
32
Тенденция к повышению дозы
 В цифровой радиологии некоторые парамет-
ры, характеризующие качество изображения,
находятся в определённом соотношении с
дозой
 Для детекторов чем выше доза, тем
меньше шума и лучше качество
изображения
 При повышении дозы отношение сигнал/шум
повышается
 Таким образом, существует тенденция к
повышению дозы, особенно в случаях когда
АРЭ не применяется
IAEA
20: Цифровая радиология
33
Сравнение компьютерной рентгенографии
и комбинации экран-плёнка
• В компьютерной рентгенографии (КР) плотность
изображения автоматически регулируется
независимо от дозы
• Это одно из преимуществ КР, которое помогает
существенно снизить повторные исследования, но в то
же время может скрыть недо- или переоблучение
• Недооблучение легко корректируется рентгенолаборантом (изображение слишком зашумлено).
• Переоблучение не может быть обнаружено, если
не измерять дозу облучения пациента
IAEA
20: Цифровая радиология
34
 При недооблучении изображение зашумлено
 При переоблучении качество изображения
хорошее, но страдает пациент
 При неправильно выбранном динамическом
диапазоне часть информации теряется
Уровень экспозиции 2,98
IAEA
Уровень экспоз. 2,36
20: Цифровая радиология
35
При малой дозе изображение слишком
зашумлено
Уровень экспозиции 1,15
IAEA
Уровень экспоз. 1,87
20: Цифровая радиология
36
Уровень экспозиции
Некоторые цифровые системы имеют
указатель уровня экспозиции, который
регистрирует дозу, полученную детектором
Зависимость между дозой и уровнем
экспозиции - логарифмическая: если дозу
облучения детектора увеличить вдвое, то
“уровень экспозиции” увеличится на 0,3 =
log(2).
IAEA
20: Цифровая радиология
37
Риск увеличения дозы:
 Большой динамический диапазон
детекторов позволяет получить
хорошие изображения при высоких
дозах на входе детектора и пациента
 Для обычных систем с комбинацией
экран-плёнка это невозможно, т.к. при
высоких дозах снимок получается
слишком тёмным
IAEA
20: Цифровая радиология
38
Цифровая флюороскопия:
В цифровой флюороскопии диагностичес-
кая информация (число и качество изображений) и доза облучения пациента
взаимосвязаны
Цифровая флюороскопия даёт возможность легко получить много изображений (т.к. не требуется заменять кассеты с плёнками)
Вследствие этого: доза облучения пациента может быть повышена без всякой
пользы
IAEA
20: Цифровая радиология
39
Трудно проследить число полученных
изображений за процедуру
• Стирание бесполезных изображений
перед посылкой их в PACS также
осуществляется очень легко
• Из-за этого трудно проследить дозу облучения пациента
• То же самое наблюдается в проекционной
рентгенографии при дополнительных
исследованиях из-за бракованных снимков
IAEA
20: Цифровая радиология
40
Оптимизация качества изображений и снижение дозы в цифровой радиологии (1)
• При уменьшении шума в изображении из-
бегайте насыщения детектора в некоторых
местах, например, в изображении лёгких
• Избегайте плохих условий просмотра
(например, недостаточной яркости, контраста и т.д.)
• Правильно используйте возможности
настройки оборудования (уровня окна,
увеличения изображения и т.д.)
IAEA
20: Цифровая радиология
41
Оптимизация качества изображений и снижение дозы в цифровой рентгенографии (2)
• Устраните проблемы с цифровым преобразователем, жёстким диском, источником энергии, компьютерной сетью и т.д.
• Избегайте потери изображений в
компьютерной сети или PACS из-за их
плохой идентификации
• Устраните артефакты, возникшие из-за
неправильной обработки изображений
(ложные повреждения или патологии)
IAEA
20: Цифровая радиология
42
Оптимизация качества изображений и снижение дозы в цифровой радиологии (3)
• Обеспечьте лёгкий доступ к PACS для просмотра предыдущих изображений, чтобы избежать
повторений
• Используйте доступ к радиологической сети
для просмотра предыдущих изображений
• Установите индикатор дозы на консоли рентгеновской системы
• Используйте программы обработки изображений в дополнение к твёрдым копиям для избежания повторения снимков
IAEA
20: Цифровая радиология
43
Влияние различной степени сжатия
изображений
 Сжатие изображений может:
• Влиять на качество изображений, сохраняемых
в PACS
• Изменить время доступа к изображениям
(время передачи по сети)
 Слишком высокий уровень сжатия изо-
бражений может ухудшить их качество и
привести к повторному обследованию
пациентов, т.е. их дополнительному облучению
IAEA
20: Цифровая радиология
44
Цифровая радиография: проблемы (1)
• Отсутствие обучения
• Несоответствие оптической плотности
изображения на мониторе уровню дозы (и как
следствие - переоблучение).
• Отсутствие знаний о возможностях и навыков
обработки изображений
• Значительные изменения в технологии
получения изображений без должного
внимания к дозам облучения пациента
(качество изображений после соответствующей
обработки обычно не вызывает нареканий)
IAEA
20: Цифровая радиология
45
Цифровая радиография: проблемы (2)
• Советы радиолога, оценивающего качество
снимков, должны быть приняты во внимание
перед распечаткой изображений
• Неправильная настройка монитора, выполненная радиологом, может привести к потере диагностической информации (неправильно выбранный контраст, уровень окна и т.д.)
• В телерадиологии качество посылаемого изображения должно быть заранее определено, в
особенности, при невозможности последующей
обработки
IAEA
20: Цифровая радиология
46
Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной
радиологии
Часть 20: Цифровая радиология
Тема 4: Обеспечение качества
IAEA
International Atomic Energy Agency
Важные аспекты программы гарантии
качества в цифровой радиологии (1)
• Наличие требований для разных цифровых
•
•
•
•
систем (КР, цифровая флюороскопия, и т.д.)
Наличие процедур, предотвращающих потерю
изображений из-за проблем в сети или с подачей электрической энергии
Конфиденциальность информации
Компромисс между качеством изображения и
уровнем его сжатия
Рекомендуемое минимальное время для
архивации изображений
IAEA
20: Цифровая радиология
48
Важные аспекты программы обеспечения
качества в цифровой радиологии (2)
• Измерение дозиметрических параметров
и сохранение информации
• Специальные контрольные уровни
• Избежание ошибочного удаления
изображений или их серий
• Надзор за дозой облучения пациентов
IAEA
20: Цифровая радиология
49
Индикация параметров, связанных
с дозой (1)
• Медицинские специалисты должны следить за
дозами облучения пациентов по индикаторам
на контрольной панели или внутри рентгеновского кабинета (для интервенционных процедур)
• Некоторые цифровые системы имеют цветовой
код или указатель (полосу) на мониторе. Этот
код или бар показывает оператору соответствует ли полученная детектором доза ожидаемой (зелёный или синий цвет) или она слишком высокая (красный цвет)
IAEA
20: Цифровая радиология
50
• Пример полосы
на изображении,
показывающей
уровень дозы,
полученной цифровым детектором
IAEA
20: Цифровая радиология
51
Индикация параметров, связанных
с дозой (2)
• Использование дозиметрических данных,
содержащихся в заголовке DICOM может также
применяться для надзора за дозами облучения
пациентов
• Если рентгенографические (кВ, мA, время,
расстояния, фильтры, размер поля и т.д.) и
дозиметрические данные (входная доза,
произведение дозы на площадь и т.д.)
записаны в заголовке DICOM, то может быть
проведён дозиметрический анализ
IAEA
20: Цифровая радиология
52
Контрольные уровни
• В цифровой радиологии оценка доз облучения
пациента должна проводиться чаще, чем в
обычной
• Легче улучшить качество изображения
• Неизвестна частота использования высоких доз
• Переоценка контрольных уровней рекомендуется при внедрении новых методов, чтобы
продемонстрировать степень оптимизации
системы и установить базовые величины для
оценки облучения пациентов в будущем
IAEA
20: Цифровая радиология
53
Контроль качества после монтажа
оборудования
• Первый экспериментальный подход
может быть следующим:
• Получить снимки тест-обекта при разных
условиях, измеряя соответствующие дозы
• Достичь наилучшего компромисса между
качеством изображения и дозой облучения
пациента
IAEA
20: Цифровая радиология
54
Приёмы оптимизации
TOR(CDR) плюс ANSI
фантомы для
моделирования
исследования грудной
клетки и брюшной
полости и оценки
качества изображения
IAEA
20: Цифровая радиология
55
Приёмы оптимизации при исследовании брюшной полости
Симуляция с TOR(CDR) + ANSI фантомом
12
3
10
2.5
8
2
6
1.5
4
1
2
0.5
1.6 мГр
0
0
20
High cont. (n)
IAEA
lp/mm
number of objects
81 kVp, 100 cм (расстояние фокус-плёнка)
0
40
60
Low cont. (n)
80
mAs
Resol. (lp/mm)
20: Цифровая радиология
56
Приёмы оптимизации при исследовании грудной клетки
14
12
10
8
6
4
2
0
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
0,2510
мГр
High cont. (no.)
IAEA
20
30
40
lp/mm
number of objects
Симуляция с TOR(CDR) + ANSI фантомом
125 kVp, 180 cм (расстояние фокус-плёнка)
* Отсеивающая решётка сфокусирована на 130 cм
50
mAs
Low cont. (no.)
Resol. (lp/mm)
20: Цифровая радиология
57
Сравнение качества изображений
Exam.
Type
Resolution
(lp/mm)
Low contrast
sensitivity
threshold
High contrast
sensitivity
threshold
Conv
2.50
7
9
CR
3.15
9
9
Conv
3.55
8
6
CR
2.24
7
6
Conv
7.10
11
14
CR
2.80
16
16
Abdomen
Chest
TOR(CDR)+
1.5 mm Cu
IAEA
20: Цифровая радиология
58
Программа рутинного контроля качества
• Не изменяются при переходе к КР
• Оценка дозы облучения пациента
• Уставки генератора высокого напряжения
(кроме АРЭ)
• Изменяются при переходе к КР
• Оценка качества изобр. с тест-объектом
• Оценка качества изобр. по клин. критериям
• Приёмник излучения
• Автоматическая проявочная машина
• Обработка изображений
IAEA
20: Цифровая радиология
59
Инструмент для контроля качества
• В наличии
• TOR(CDR) тест
• Фотометр
• Денситометр
• Дозиметры
• Нужен
• Тест-объект для оценки
качества КР изображений
• SMPTE тест
• Фотометр карандашного
типа
IAEA
20: Цифровая радиология
60
Объём работы при КР
Большой
• Тест объект
• Монитор для оценки КР
Маленький
• Анализ брака
• Комбинация экран-плёнка,
тёмные комнаты,...
IAEA
20: Цифровая радиология
61
Резюме
• Для использования преимуществ цифровой
радиологии необходимо обучение
• Качество изображения и диагностическая информация тесно связаны с дозой облучения
пациента
• Передача, архивация и восстановление изображений может также влиять на объём работы
и дозы облучения пациентов
• Программа обеспечения качества особенно
важна для цифровой радиологии из-за риска
переоблучения пациента
IAEA
20: Цифровая радиология
62
Где получить информацию (1)
• Balter S. Interventional fluoroscopy.
Physics, technology and safety. WileyLiss, New York, 2001.
• Radiation Protection Dosimetry. Vol 94
No 1-2 (2001). Dose and image quality
in digital imaging and interventional
radiology (DIMOND) Workshop held in
Dublin, Ireland. June 24-26 1999.
• ICRP draft on Dose Management in
Digital Radiology. Expected for 2003.
IAEA
20: Цифровая радиология
63
Где получить информацию (2)
• Practical Digital Imaging and PACS.
Seibert JA, Filipow LJ, Andriole KP,
Editors. Medical Physics Monograph No.
25. AAPM 1999 Summer School
Proceedings.
• PACS. Basic Principles and Applications.
Huang HK. Wiley – Liss, New York, 1999.
• Vañó E, Fernandez JM, Gracia A,
Guibelalde E, Gonzalez L. Routine Quality
Control in Digital versus Analog Radiology.
Physica Medica 1999; XV(4): 319-321.
IAEA
20: Цифровая радиология
64
Где получить информацию (3)
• http://www.gemedicalsystems.com/rad/
xr/education/dig_xray_intro.html (last
access 22 August 2002).
• http://www.agfa.com/healthcare/ (last
access 22 August 2002).
IAEA
20: Цифровая радиология
65