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Qualità del servizio in una u.o.
 di Bioimmagini digitalizzata




         TSRM Walter Antonucci
X-ray
Lo sviluppo di nuove
tecnologie per i rivelatori,
l’introduzione              di
   piattaforme                           Paziente

IT potenti e di monitor
   digitali
ad      alta     brillanza   e
                                        Rivelatore
   risoluzione
hanno soppiantato le tre
funzioni delle pellicole e                Image
                                 Film
                                        processing
favorito il progresso della
Radiologia digitale (DR).
                                         Display
Vantaggi della radiologia digitale
 Maggior latitudine dei rivelatori: esami ripetuti quasi
  esclusivamente per errato posizionamento

 Benefici in termini di “Capacità diagnostica/dose” per
  maggiore DQE

 Incremento della produttività di un dipartimento
  radiologico

 Qualità immagine più costante

 Immagine digitale

 Riduzione costi pellicole e chimici

 Archiviazione digitale e trasmissione remota

 CAD
Tecnologie per Radiografia Digitale
                                  L’immagine latente prodotta
                    Indirect       su un supporto analogico            CR Imaging
                     Digital       viene convertita in formato           Plates
                                  digitale nella fase di lettura.


                                                                            CCD
Digital
                                      Indirect X-Ray
 Image
                                        Conversion                  a-Si : Silicio Amorfo
Capture
                                 I raggi X sono convertiti in
                                 luce che viene poi letta dal
                                          rivelatore
                     Direct
                     Digital                                        a-Se : Selenio Amorfo

           L’immagine è                                               Photon Counting
              prodotta
          direttamente in              Direct X-Ray
           forma digitale              Conversion                   High-gain conversion
                               I fotoni X sono convertiti           materials: HgI2, PbI2,
                                direttamente in segnale                   CdZnTe.
                                        elettrico
Proprietà dei rivelatori/Efficienza
  Efficienza quantica: probabilità di
    assorbimento di un fotone di energia E incidente
    su un rivelatore di spessore attivo T e coefficiente
    di attenuazione lineare µ
                                                 − µ ( E ) ⋅T
                                  η = 1− e
 η può crescere aumentando lo spessore del rivelatore
  oppure utilizzando dei materiali con coefficiente di
  attenuazione più elevato per un certo intervallo di
  energie.
 η in generale è maggiore alle basse energie e decresce
  all’aumentare dell’energia della radiazione incidente.

 In ambito diagnostico, il principale processo di interazione
  nel materiale attivo è l’effetto fotoelettrico a causa del
  relativamente alto numero atomico dei materiali di cui
  sono costituiti i rivelatori.
Proprietà dei rivelatori/Range
                   Dinamico

Il range dinamico viene definito come:


  DR=Xmax/Xmin

  dove Xmax è la fluenza che dà origine al massimo valore di
  segnale che il rivelatore può generare mentre Xmin è la
  fluenza necessaria a generare un segnale equivalente alla
  somma in quadratura del rumore elettronico del rivelatore e
  del rumore quantico (Noise Quantum Limit).
Proprietà dei rivelatori/Uniformità

 E’ importante che un rivelatore risponda in modo
  uniforme su tutta l’area dell’immagine, ovvero che
  abbia la stessa sensibilità su tutta l’area di
  interesse.

 Nei sistemi digitali l’uniformità è relativamente
  semplice da ottenere perché su un intervallo
  considerevole, le differenze !! Non e’ eseguibile per
                                di risposta dei diversi   i CR
  elementi del rivelatore possono essere corrette
  mediante calibrazione (matrice di correzione).

 Importante valutare e seguire nel tempo la quantità
  dei “bad pixels”.
Caratterizzazione della qualità di un sistema
                           per imaging

Prestazioni del sistema       Qualità delle immagini

                    Valutazione della qualità
Qualità percepita: basato su un osservatore esperto (curve dettaglio
contrasto = valutazione complessiva delle caratteristiche di
contrasto/rumore/risoluzione del sistema)

Qualità misurata: basato sulla misura di grandezze             indice
indipendentemente dal sistema che ha prodotto le immagini

Misura preliminare:       Curva     di   risposta      caratteristica
Grandezze indice:

MTF    (Modulation Transfer Function)
       NPS (Noise Power Spectrum)
              NEQ (Noise Equivalent Quanta)
                     DQE (Detective Quantum Efficiency)
Interrelazione fra gli attributi di qualità e le
                   grandezze indice

                     Contrasto




        MTF                            NEQ

                        CCD



Risoluzione                                  Rumore
                         NPS
Formazione dell’immagine: teoria dei sistemi
                    lineari

                  y
                                  Imaging detector
                                        z
                      e

fascio
incidente

                              X
                          x
         f(x,y)
                                         g(x,y)

                                                     y
                          y
                                     x
     x

             +∞
g ( x, y )= ∫∫ f ( x, y ) PSF ( X − x,Y − y )dxdy
             −∞
Convoluzione nello spazio delle frequenze:
    spettro della funzione immagine




G (u , v) = OTF (u , v) ⋅ F (u , v)
G = FT { g ( x, y )}
F = FT { f ( x, y )}
OTF = FT { PSF ( x' , y ' )}
Teoria dei sistemi lineari (1)
    Le proprietà di un sistema lineare spazialmente invariante ideale
    possono essere descritte con formalismo matematico:

     Linearità      dati f(x,y) e f’(x,y) input del sistema e g(x,y) e g’(x,y)
                     output del sistema allora l’immagine della combinazione
                     lineare c f(x,y) + d f’(x,y) deve essere c g(x,y) + d g’(x,y)


     Invarianza per traslazione

                 se g(x,y) è l’immagine di f(x,y) attraverso il sistema, allora
                 l’immagine di f(x-x’,y-y’) deve essere g(x-x’,y-y’)


Nei sistemi non lineari Invertendo la curva di risposta fra ingresso ed uscita
è possibile riportarsi alla dose equivalente in ingresso ed utilizzare così il
formalismo dei sistemi lineari.
Teoria dei sistemi lineari (2)

                              Modulation Transfer Function:
      Mout                    Informazioni sulla risoluzione
 MTF=                         spaziale del sistema in assenza
      Min                     del rumore.




                                  Noise Power Spectrum (Wiener):
                                  Informazioni sul livello di
                              2
NPS (u,v)= FT [ I ( x, y )]       rumore alle diverse frequenze
                                  spaziali.
Teoria dei sistemi lineari (3)


      MTF 2               Noise Equivalent Quanta:
NEQ =                     informazioni sul rapporto S/N
                          (risoluzione   e/o   soglia   di
      NPS norm            contrasto)




                                     Detective Quantum
          2
      SNRout     MTF 2       NEQ     Efficiency:
DQE =       2
              =            =         indicazioni sulle
       SNRin    NPS norm q    q      prestazioni della
                                     “tecnologia” usata
                                     (quanto ci si avvicina
                                     al rivelatore ideale)
Curva di risposta


Corrispondenza fra i valori digitali del pixel e
l’esposizione in ingresso al rivelatore:


•Curva di trasferimento lineare
•Curva di trasferimento non lineare (logaritmica, radice
quadrata ecc.)


E’ utile per riportare i valori digitali in uscita a
esposizione in ingresso.
Set-up per la misura della curva di risposta




                   Filtrazione aggiuntiva




180cm
                   Camera a ionizzazione




                          Piombo
Esempi di misure: curva di risposta

                            Funzione di trasferimento Dose-PV
                                           lineare

                                               Transfer Function

              1600,00



              1400,00



              1200,00



              1000,00
Pixel value




               800,00



               600,00



               400,00



               200,00



                 0,00
                     0,00   10,00   20,00   30,00       40,00      50,00   60,00   70,00   80,00
                                                         mR
Esempi di misure: curva di risposta (2)

 Funzione di trasferimento Dose-PV
      non lineare (logaritmica)
Campionamento spaziale del segnale
             b
                         a: pitch
                         b : pixel size


                         frequenza di campionamento:

                         fs = 1/a




                         fill factor = (b/a)2
     a
OTF/MTF
   Optical Transfer Function è definita come la
    trasformata di Fourier (2D) della risposta del
    sistema ad una funzione delta in ingresso. Nel
    caso 1-D può essere utilizzata la Line Spread
    Function:
                                  +∞

                    OTF ( f )= ∫ LSF ( s )⋅e −i⋅2π ⋅ f ⋅s ds
                                  −∞


   La Modulation Transfer Function è definita come il modulo della
   OTF:
                       MTF (u ,v)= OTF (u ,v)

Per i sistemi analogici la definizione operativa non è ambigua, per i
sistemi digitali vi sono problemi legati al campionamento.
MTF di precampionamento
 MTF di conversione (interazione nel materiale
  attivo: conversione X-luce, conversione X-cariche):
  MTFconv
 MTF dell’apertura del pixel di campionamento (pixel
  circolare gaussiano nei sistemi a scansione laser,
  oppure quasi quadrato): MTFA




            MTFPRE = MTFconv × MTFA
Tecnologia del rivelatore: Line Spread Function
MTF di apertura del pixel
                                    1

 MTF di apertura                  0,9
                                   0,8
  geometrie:                       0,7
                                   0,6
    circolare (gaussiana - CR)    0,5
                                   0,4
                                   0,3
                                   0,2
                                   0,1
                                    0      fs


                                    1
                                   0,9
    quasi quadrata                0,8
                                   0,7
                                   0,6
                                   0,5
                                   0,4
                                   0,3
                                   0,2
                                   0,1
                                    0           fs
MTF digitale
MTF digitale diventa una replica periodica dell’MTF
analogica con ripetizione pari a fS=1/a :


                      k =+∞
          MTFd ( f )= ∑MTFPRE ( f −k⋅ f s )
                      k =−∞
Misura della MTF digitale: dipendenza
              dalla fase
Misura della MTF digitale: dipendenza
       dalla fase (simulazione)
Teorema del campionamento
 Sistema a banda limitata fB : per evitare l’aliasing il
  teorema del campionamento stabilisce che la
  frequenza di campionamento fs = 1/p deve essere
  sufficientemente grande:

  fs ≥ 2 ⋅ fB   (frequenza di Nyquist fN = ½ fS)

 In presenza di aliasing lo spettro del segnale è
  distorto in quanto le frequenze superiori alla
  frequenza di Nyquist si ritrovano shiftate a
  frequenza più bassa.
Misura della MTF digitale: Aliasing (1)
Aliasing (2)
Aliasing (3)
Set-up per la misura della LSF


                                    Esposizione della slit-
                                    camera (apertura 10µm,
                                    lunghezza 6-7mm)




      FT
LSF        MTF
Set-up per la misura della LSF


                                      esposizione dell’edge
                                      (lamina di tungsteno)




      d/dx         FT
ESF          LSF        MTF
Elaborazione della LSF
 MTF di precampionamento: quale LSF utilizzare ?




 La LSF è diversa da zero in pochi pixel !!!
Supercampionamento della LSF
             Fujita et al. (IEEE Transaction on Medical Imaging 1992)




Pitch effettivo = p·tgα
Supercampionamento della ESF
Samei et al. Med. Phys. (1998)
Supercampionamento della ESF
Samei et al. Med. Phys. (1998)
Esempi misure: MTF Transfer Function
                                 Pre-sampling Modulation
                                                         precampionamento
                               Siemens Aristos FX (Trixell Pixium 4600, pitch 143µm)
             1.00


             0.90


             0.80


             0.70


             0.60
Modulation




             0.50

                                                                          slit   edge
             0.40


             0.30


             0.20
                                                               fN
             0.10


             0.00
                    0   1             2              3               4                  5   6   7
                                                                    -1
                                                     Frequency [mm ]
Esempi misure: MTF precampionamento




       Mammografo digitale DR
Esempi misure: MTF precampionamento




                                      imaging
                                      plate
Noise Power Spectrum
Definizione operativa:



                           <| FT ( flatfield ( x, y )) |2 >
             NPS (u , v) =                                  ∆ x∆ y
                                      NxNy

 L’integrale del NPS è legato alla varianza del
 segnale:

                   σ =∫∫NPS (u ,v)dudv
                      2




    Il segnale deve essere trasformato come esposizione in
    ingresso (curva caratteristica).
Noise Power Spectrum (2)
Cause del rumore
 La più importante componente di rumore è data dalla
  radiazione assorbita (rumore quantico poissoniano);
 in generale vi sono altre componenti (rumore elettronico,
  rumore strutturato, sorgente laser (CR), ecc…)
Tutte le componenti di rumore sono additive.
In un flat-panel:




         NPS ( f , D) = α ⋅ D ⋅ MTF 2 + β ⋅ D 2 + γ

  (α rumore quantico, β rumore moltiplicativo, γ rumore additivo
NPS sottocampioanto
 Nel caso di MTFpre troppo alta alla frequanza di
  Nyquist




  imaging detector è sottocampionato: lo spettro di
  rumore è quasi piatto (“white noise”). Per quanto
  riguarda il rumore non è sempre ottimale avere la
  migliore MTF: si perde in soglia di contrasto.
  Conviene che il pitch si adatti alla MTF.
Noise aliasing: simulazione



      •Oggetto test sintetico con aree di diversa
      dimensione e contrasto in un fondo
      uniforme
      •Rumore quantico aggiunto
      •Trasformata di Fourier 2D
      •Moltiplicazione per due funzioni MTF
      (aliased e non)
      •Trasformata di Fourier 2D inversa
Noise aliasing (2)
MTF aliased                    MTF non aliased
Noise aliasing (3)
   filtro “sharp”
NPS 2-D:elaborazione dei dati
              1) ROI di dimensioni 64x64 o
              128x128 o 256x256 shiftate di una
              semi-larghezza sia in orizzontale che
              in verticale
                 2) Per ogni ROI: calcolo del modulo
                 quadro della trasformata di Fourier
                 2-D delle fluttuazioni del segnale,
                 riportato come esposizione in
                 ingresso, rispetto alla media.
                 3) Media d’insieme su tutte le ROI

                 Suggerimenti:
                 •Media di alcune centinaia di ROI
                 (errore relativo ≈ 1    )
                                     M

                 •Minimizzazione della deriva del
                 segnale per effetto anodico
Esempi di misure: NPS 2-D
spettro rumore 2-D: effetto della griglia
NPS a 70kVp 2.5µGy            NPS a 70kVp 2.5µGy
   senza griglia                   con griglia
spettro rumore 1-D
NPS normalizzato 1-D ottenuto come funzione della frequenza
radiale f, mediando NPS 2-D su corone circolari (step di 0.1
lp/mm) con esclusione degli assi principali oppure su strisce
parallele ai due assi sempre escludendo i due assi principali
Esempi di misure: NPS 1-D
                                            NPS (f)
                                                                Spettro “aliased”
            1,0E-02




            1,0E-03


                                                                                    0.5mR


            1,0E-04                                                                 1mR
NPS [mm2]




                                                                                    5mR

                                                                                    10mR
            1,0E-05
                                                                                    30mR

                                                                                    50mR


            1,0E-06




            1,0E-07
                      0   1     2             3             4         5        6
                                    Frequency (cycles/mm)
Esempi di misure: NPS 1-D
                                                    NPS (f)

            1,0E-04




                                                                                        1,27 mR
            1,0E-05

                                                                                        2,91 mR
NPS [mm ]
2




                                                                                        4,26 mR


                                                                                        9,17 mR
            1,0E-06




            1,0E-07
                      0   1   2   3   4        5        6         7   8   9   10   11

                                          frequency (cycles/mm)
Esempi di misure: NPS a diverse esposizioni



                                                varianza relativa
               1,00E-02




               1,00E-03




               1,00E-04
NPS(0) (mm )
2




               1,00E-05




               1,00E-06




               1,00E-07
                          0,0    10,0    20,0   30,0         40,0   50,0   60,0   70,0
                                                       mR
rumore integrale: varianza relativa
                                  rumore: varianza vs. KERMA
                                  70kV filtrazione: rame 0.6mm

       1.00E-02




       1.00E-03
A.U.




       1.00E-04




       1.00E-05
                  0         10        20                  30     40   50

                                           KERMA [µGy]
Struttura del rumore in termini di varianza
Le componenti di rumore:
 rumore quantico
 rumore elettronico
 rumore strutturato (moltiplicativo)



                        1
                                 (
            varN ( D) = 2 α ⋅ D + β ⋅ D 2 + γ              )
                       D
(α rumore quantico, β rumore moltiplicativo, γ rumore elettrico

                       α -> 3.11e-04
                       β -> 7.8e-06

                       γ   -> 8.8e-05
Noise Equivalent Quanta: esempi di misure
                                     Noise Equivalent Quanta vs. frequency


            1,E+07




            1,E+06




                                                                                             0.5mR
            1,E+05                                                                           1mR
NEQ [mm ]
-2




                                                                                             5mR
                                                                                             30mR
                                                                                             50mR

            1,E+04




            1,E+03




            1,E+02
                     0,09     1,01       1,93          2,85             3,77   4,69   5,61
                                                frequency (cycles/mm)
Noise Equivalent Quanta: esempi di misure

                                  NEQ vs. esposizione
        1,6E+06



        1,4E+06



        1,2E+06



        1,0E+06
[mm ]
-2




        8,1E+05



        6,1E+05



        4,1E+05



        2,1E+05



        1,0E+04
                  0       25            50              75   100
                                   Exposure [mR]
Rapporto Segnale Rumore vs. dose
SNR ≈ 55 a 1.25µGy ingresso
SNR ≈ 82 a 2.5µGy (in un CR si ottiene a ≥ 5µGy)
SNR ≈ 118 a 5µGy
       300
       280
       260
       240
       220
       200
       180
       160
 SNR




       140
       120
       100
       80
       60
       40
       20
        0
             0   5   10   15     20       25        30   35   40   45   50
                                      KERMA [µGy]
Detective Quantum Efficiency
                                     NEQ( E , f )
                     DQE ( E , f ) =
                                        Q




                                                                         photons
                                                                     q[          ]
                                                                        mm ⋅ µGy
                                                                           2




J.M.Boone et al., “Molybdenum, rhodium and tungsten anode spectral models using interpolation
polynomials with application to mammography”, Med. Phys. 24(12), December 1997, 1863-1874
Spettro:curve di trasmissione in Al
1° HVL
Esempi di misure: DQE
                                    Detective Quantum Efficiency vs. frequency


      0,8



      0,7



      0,6



      0,5
                                                                                                             0.5mR
                                                                                                             1mR
DQE




      0,4                                                                                                    5mR
                                                                                                             30mR
                                                                                                             50mR
      0,3



      0,2



      0,1



       0
            0,09   0,55   1,01   1,47    1,93   2,39   2,85    3,31     3,77     4,23   4,69   5,15   5,61
                                                frequency (cycles/mm)
Esempi di misure: DQE
DQE vs. frequenza spaziale
                                             Detective Quantum Efficiency vs. frequency

             0.8


             0.7
                                                                                                                  0.48
                                                                                                                  0.60
             0.6
                                                                                                                  0.82
                                                                                                                  1.01
             0.5                                                                                                  1.45
                                                                                                                  1.92
                                                                                                                  2.66
       DQE




             0.4                                                                                                  3.79
                                                                                                                  4.70
                                                                                                                  6.66
             0.3                                                                                                  9.36
                                                                                                                  13.07
                                                                                                                  20.17
             0.2                                                                                                  34.58
                                                                                                                  48.18

             0.1


              0
                   0.0    0.5        1.0        1.5        2.0        2.5        3.0     3.5    4.0   4.5   5.0
                                                           frequency (cycles/mm)           fN
La fluenza fotonica è ricavata dalla curva di trasmissione in alluminio (fino a 3 HVL)
DQE medio vs. dose ingresso
                                   ADQE=IDQE/(fmax-fmin)
                                            ADQE vs. KERMA
                                        70kV filtrazione: rame 0.6mm
        0.5
        800 560 400 280 200


        0.4




        0.3
<DQE>




        0.2




        0.1




         0
              0       5       10   15       20         25         30   35   40   45   50
                                                   KERMA [µGy]
Flowchart procedura misura parametri
                                 Curva di risposta rivelatore



Spettro                    LSF


                         MTF


                         EMTF                 NPS
numero
fotoni per
unità di sup
e unità di dose                    NEQ



                     DQE
Analisi contrasto dettaglio
 Valutazione globale della qualità delle immagini: qualità
 percepita (osservatore)

CDRAD, TO12, TO16                       CDC (contrast-detail curve)


• CDC = curve che rappresentano i più piccoli oggetti visibili in
funzione del loro contrasto relativo
 HTA = 1/(CT A ½) indice di rivelabilità
 IQF = Σ i Ci · Di,min (dove Di,min è il diametro del più piccolo particolare
  con contrasto Ci visibile sull’immagine). IQF diminuisce
  all’aumentare della qualità.
 COR= (Numero totale di osservazioni corrette / Numero totale
  di particolari nel fantoccio)*100
Curva Dettaglio-Contrasto

                                 Contrast Detail Curve
                                      contrasto relativo
            0,00%   5,00%          10,00%             15,00%   20,00%               25,00%
            0




           0,5




            1

                                                                    digitale
diametro




           1,5                                                      convenzionale




            2




           2,5




            3
Esempi di misure NPS (CR): artefatti di
digitalizzazione




                scanner laser
Flat Panel (DR)

rumore strutturato a bassa
frequenza (stripes)
DR - influenza del gain correction sul rumore
rumore complessivo     rumore strutturato (gain correction)
Artefatti da disomogeneità
Artefatti da persistenza




1) Esporre ad alta dose oggetto
con forte contrasto
2) Riesporre a basso dosaggio
3) Contrastare con window & level
l’immagine
Immagine ghost da persistenza




Flat Panel (DR selenio)        CR (ciclo di cancellazione)
Persistenza immagini latenti: ghost


esposizione alto carico    esposizione basso carico




                    ghost assente (DR
                    CsI/a-Si)
Artefatti da bad pixel/line




Il costruttore dovrebbe dichiarare quanti bad pixels sono
accettati al massimo nel digital panel.
Un nuova versione del protocollo per i
                               CQ
                        sui sistemi CR
I punti salienti del protocollo:
       normativa e documenti tecnici di riferimento
                        (la nuova release AAPM Task Group 10
  (Ottobre 2006)
                           i report KCARE….)
       i parametri da controllare (per tutti i plate?, per ogni dimensione? per
                                   ogni sensibilita’ dei fosfori?)

       la periodicita’ dei controlli

       le procedure operative per la valutazione e/o misurazione di ogni
       parametro                 INDICI DI ESPOSIZIONE vs DOSE

    i valori di riferimento e le relative tolleranze
                                    Definizione quantitativa dei limiti di accettabilita’

 La validazione del protocollo sul sistema CR-AGFA in
  fase di installazione presso l’Azienda Ospedaliero-
  Universitaria Careggi
Componenti oggetto del CQ
 Lampada e         Piastra ai fosfori        Laser e
 sistema di                                 sistema di
 cancellazione                              scansione


Segnale           Sensibilita’ e            Risoluzione        Produttivita’
di buio           indice di esposizione     Spaziale limite       oraria
                                                              dello scanner
Permanenza        Uniformita’ di risposta   Funzionalita’
                                            scansione laser     Software
 di artefatti                                                 per misurare
                  Curva di risposta
                                                               le distanze
                  Uniformita’ di campo

                  SNR

                  Scala di contrasto
La catena di formazione del
               segnale
                                                    Scrittura
PMT                                                 su file
                        Filtro
                      Analogico          ADC
      Amplificatore                  Conversione
       analogico                      10 – 15 bit
                      (Logaritmico
                           o
                        Potenza)
Quale segnale digitale?
                        PV
           Agfa                           Konica
           (SAL)                          (S-Value)
                                                               Fuji
Kodak                                                    (Sensitivity Value)
 (E.I.)


                 Relazione sensitometrica che
           lega l’indice di esposizione direttamente
            al Kerma in aria in ingresso al rivelatore

                   PV = f( E(uGy) )
Indici di Esposizione - AGFA

                         S
          SAL(S) = α 0 •    • Esposizione(uGy )
                         S0
 con S0 = 200

 e α 0 = 410 per PLATE MD10




Indice di esposizione proprietario lgM
lgM = logaritmo del valore dell’esposizione mediana
  dell’istogramma raw
       Fornisce indicazioni all’operatore riguardo al livello
  di esposizione verificatosi nell’esame
       lgM = log ( SAL) − 3,9477
                       2
Qualità del servizio in una uo di bioimmagini digitale
Setup per la misura di esposizione al
                                        plate
    Necessita’ di conoscere l’esposizione in ingresso al plate per valutazione di:
    •relazione sensitometrica
    •validita’ degli indici di esposizione
    •conoscenza del punto di lavoro


                                                                Fuoco del tubo radiogeno


                                                              Filtro aggiuntivo
                           SID               SDD
                           (>150cm)          (100-120cm)
                                                                  Camera ionizzazione




                                                                    Piano di appoggio del plate
                                      >30 cm




!!!l Ridurre la radiazione diffusa
Rendimento dell’apparecchio RX
                                                         35,00
                                                                      Dose(uGy) = 0,501uGy/mAs * mAs - 0,57 uGy
 Tensione     75 kVp                                                                   2
                                                                                     R = 0,9997
     tubo                                                30,00




                       Dose in ingresso al plate (uGy)
Filtrazione   1,5 mm
aggiuntiva    Cu
                                                         25,00
      SDD     110,5
              cm
                                                         20,00
       SID    140,3
              cm
   Tempo      100 ms                                     15,00
esposizion
         e                                               10,00


                                                          5,00


                                                          0,00
                                                                 0   20            40             60              80
                                                                            mAs registrati
Componenti oggetto del CQ
 Lampada e         Piastra ai fosfori        Laser e
 sistema di                                 sistema di
 cancellazione                              scansione


Segnale           Sensibilita’ e            Risoluzione        Produttivita’
di buio           indice di esposizione     Spaziale limite       oraria
                                                              dello scanner
Permanenza        Uniformita’ di risposta   Funzionalita’
                                            scansione laser     Software
 di artefatti                                                 per misurare
                  Curva di risposta
                                                               le distanze
                  Uniformita’ di campo

                  SNR

                  Scala di contrasto
Setup per esposizione uniforme del
                         plate


                                Fuoco del tubo radiogeno


SDD > 150 cm
                                Filtro 1.5 mm Cu




                                    Cassetta CR
Rimozione della disomogenita’ del
                   campo X
Metodo della doppia esposizione

Misura del campo X




                                  Punti di misura del campo X
       ~7 cm
                                  in termini di dose in ingresso al plate
Rimozione della disomogenita’ del
           campo X
Flat Field
 Esposizione Uniforme con classe
  esposizione S=200

 Modalita’ di lettura
    • System Diagnosis
    • Flat Field


 Diversi valori di esposizione
Curva di Risposta
Dalla relazione fra SAL e Dose si ricava il coefficiente α :
                                                   SAL = 415 * Dose 0.5
                                                      R2 = 0,9997
                              3000

                              2500

                              2000

  α =(415 +/- 6)
                        SAL



                              1500

                              1000

                               500

                                 0
                                 0,000   5,000   10,000   15,000   20,000   25,000   30,000   35,000
                                                            Dose (uGy)


     SAL(S) = α       Esposizione(uGy )                            S0=200
Uniformita’ di risposta
                                  8,0
Scarto percentuale dalla media



                                  6,0
                                  4,0
                                  2,0
                                  0,0
                                 -2,0 1   3 5    7   9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43

                                 -4,0
                                 -6,0
                                 -8,0
                                                                  Numero cassette



                                 (SAL-SALrif) / SALrif
Cassetta 18x24

                                                          0,90

                                               Uniformita’ di campo
                                                          0,80
                                                          0,70
Circa 20 uGy in ingresso al plate                         0,60
                                                          0,50




                                                     CV
                                                          0,40
                                                          0,30
                                                          0,20
 CV = SD(SAL5ROI) / Media(SAL5ROI)                        0,10
                                                          0,00
                                                                 cod28     A
                                                                         cod34      cod35       cod37 B   cod38
                                                                                 Codice Plate

                               2
  Coefficiente variazione CV




                                                                                        C


        1,5
    Scarti massimi relativi in direzione
    orizzontale e verticale                                                D                         E

                               1

 Scarti massimi relativi in direzione
      0,5
 orizzontale e verticale

                               0
                                   1   4   7   10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43
                                                            Numero Plate
180,0
                   160,0
                   140,0                                    SNR
SNR ROI centrale


                   120,0
     Misura del SNR su 4 ROI periferiche e 1 centrale
       100,0
                    80,0
                    60,0
                    40,0
                    20,0
                     0,0
                           1 3   5 7   9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43
Rapporto segnale rumore a grande cassetta
                           Numero scala


SNR = Media(SAL)/ SD(SAL)



      Uniformita’ di campo del SNR


      NUi = [ SNRROIi – MEDIA5ROI(SNR) ] / MEDIA5ROI(SNR)
Scala di contrasto


                                                                     ?
Procedura da implementare per un sistema CR generico.

Nel caso AGFA si utilizza un cuneo a gradini come oggetto di test.


Selezione di una qualita’ del fascio standard:
    FDD = 100 cm
    Tensione (70 +/-1) kVp
    Fuoco grande
    Corrente costante 200 mA
    Dose (47 +/-1) uGy




Parametri di lettura:
S=400 con protocollo proprietario AGFA
Scala di contrasto
             4
           3,5
             3
           2,5
log(SAL)




             2
           1,5
             1
           0,5
             0
                 0     2         4           6   8   10
                                     Steps


Riproducibilita’ nel tempo del
valore del gradino
Componenti oggetto del CQ
 Lampada e         Piastra ai fosfori        Laser e
 sistema di                                 sistema di
 cancellazione                              scansione


Segnale           Sensibilita’ e            Risoluzione        Produttivita’
di buio           indice di esposizione     Spaziale limite       oraria
                                                              dello scanner
Permanenza        Uniformita’ di risposta   Funzionalita’
                                            scansione laser     Software
 di artefatti                                                 per misurare
                  Curva di risposta
                                                               le distanze
                  Uniformita’ di campo

                  SNR

                  Scala di contrasto
Immagine di buio
 Cassetta non esposta
             Ciclo di cancellazione completo


Parametri di lettura e analisi
 S=800
 ROI>80% immagine

Limiti di accettabilità
 Assenza di artefatti visibili con
  WW e WL clinici
 SAL<=100
Immagine di buio
Il SAL dipende dal ciclo di cancellazione (diverse modalita’ di cancellazione)
                           Segnale di buio

        140
        120
        100
        80
  SAL




        60
        40
        20
         0
                 24x30        21x43          18x24      35x43
                               Formato Cassetta


 Nota:        Il report AAPM richiede SAL <130
              Problema noto per plate MD4.0; secondo AGFA il SAL dovrebbe scendere
              dopo 2-3 settimane di utilizzo clinico
Ciclo di cancellazione
Procedura:
Selezionare campo (10*10) cm2
Posizionare oggetto (5*5) cm2 ad alta attenuazione al
centro del plate (DFF=150 cm)
Parametri del fascio 80 kVp, 25 mAs, no filtro

Scansione del plate con algoritmo clinico standard di
ricostruzione immagine


Selezionare campo (9*9) cm2
Esporre senza oggetto e filtrazione a 80 kVp, 0.5-0.7 mAs


Scansione del plate in modalita’
                          System Diagnosis – Flat field
Ciclo di cancellazione
    Calcolare il fattore di “ghost” GF

    GF= (SALROI2 – SALROI1 )/ SALROI1
                                                                      ROI2




                                Fattore di "ghost"                       ROI1


              1,0%
              0,9%
              0,8%
Fattore di "ghost"




              0,7%
           Tolleranza:
              0,6%
           Non devono essere visibili immagini “ghost” dopo
              0,5%
           aver impostato una finestra molto stretta e
              0,4%
           aggiustato il livello della scala dei grigi.
              0,3%
              0,2%
           Il fattore di “ghost” deve essere inferiore a 1%
              0,1%
              0,0%
                      35x43        18x24             24x30    21x43
                                    Dimensioni cassetta
Componenti oggetto del CQ
 Lampada e         Piastra ai fosfori        Laser e
 sistema di                                 sistema di
 cancellazione                              scansione


Segnale           Sensibilita’ e            Risoluzione        Produttivita’
di buio           indice di esposizione     Spaziale limite       oraria
                                                              dello scanner
Permanenza        Uniformita’ di risposta   Funzionalita’
                                            scansione laser     Software
 di artefatti                                                 per misurare
                  Curva di risposta
                                                               le distanze
                  Uniformita’ di campo

                  SNR

                  Scala di contrasto
Risoluzione Spaziale

 Parametri di esposizione:
         DFF = 150 cm
         50 kVp +/- 5 kVp
         10 uGy in ingresso al plate

 Oggetto test a 45°




Criterio di accettabilita’:
Il limite di risoluzione visivo deve essere maggiore o uguale al 90% della frequenza
di Nyquist fNy (1.41 * fNy se le barre sono a 45°)
Risoluzione Spaziale
  + metodo di valutazione quantitativo della modulazione

                                      ?




Esperienza con plate AGFA MD4.0 e lettori CR85-x e CR35-X:

La risoluzione spaziale massima e’ leggermente inferiore ai limiti di tolleranza
adottate (varia fra 80% e 90% della fNy)

(Test di Huttner, gruppo di fenditure a 6.3 lp/mm)
Funzionalita’ raggio laser
Visualizzare l’immagine con finestra di
contrasto molto stretta


Verificare che il profilo sia a gradino
Per tutta la lunghezza del plate
Varie…
 Software per misurare le distanze




 Artefatti di Moire’
    (accoppiata griglia – pixel size)




 Produttivita’ oraria dello scanner
Esempio: Griglia con 7lp/mm utilizzata
       con sistema CR a risoluzione
       standard (6lp/mm)
Esempio: Griglia con 7lp/mm utilizzata
                   con sistema CR a risoluzione
                   standard (6lp/mm)
Il protocollo di CQ per un sistema
                 DR


Apparecchiature basate su
sistemi Digitali Diretti (DR)
 Active Matrix Flat Panel
     Imagers (AMFPI)
Apparecchio DR con FP statico per
                                           grafia
FPI Trixell Pixium 4600 CsI-aSi (4-tiled) (Axiom Aristos FX, Siemens):
•   campo 43cmx43cm, matrice 3000x3000
•   pitch di campionamento di 143mm
•   ADC 14bit, immagine ricostruita a 12bit (gain ricostruzione a scelta),
    AEC con “speed ISO”: 200,280,400,560,800
Apparecchio DR con FP dinamico per
                             angiografia
FPI (GE – Innova 3100) con scintillatore CsI-aSi mono-piastra
•   campo 31cmx31cm, matrice 1024x1024
•   pitch di campionamento di 200mm




                                                       Fantoccio per
                                                       Quality
                                                       Assurance
                                                       Program - QAP
Valutazione prestazioni mediante indici di
                          qualità
R.F., Uniformità spaziale, MTF, RNS, SNR, bad pixel,
  ghost, basso contrasto, conviene anche NPS, NEQ,
    DQE, IDQE

per diverse dosi in ingresso al rivelatore, consigliato intervallo da 0.5µGy a
    40µGy

modalità “service” su immagini “raw data” o Dicom “DX for processing”. Con
   immagini “DX for presentation” occorre linearizzare la risposta PV vs.
   ESAK.

Riferimenti:
• Linee guida AIFM
• IEC 62220-1 (IEC 62220-1 2 e 3 per angio e mammo sono work in
    progress)
• Handbook of Medical Imaging vol. 1. SPIE Press (2000)
• Letteratura di Medical Physics
Parametri da controllare
Misure preliminari
 Scelta di una qualita’ del fascio X
  secondo protocollo clinico

 Calibrazione apparecchio (ESAK vs
  mAs)
Set-up di misura ed esposizione
                     flat-fieldrendimento
                     •Misura del
                 fuoco
                 collimatore
                 filtro
                               •Esposizione “flat-field”
                               •Per indici qualità: fascio
                               IEC-61267: RQA5 - RQA7 - RQA9
                               •Per uniformità e costanza qualità
                               fascio costruttore
                    griglia    •distanza fuoco-detettore >140cm
                 detettore

                               •Esposizione con e senza griglia


Tutte le valutazioni devono essere condotte su immagini
convertite in dose
Correzione flat field and dark field
Flat Panel DR: e’ un RIVELATORE unico


Procedura di omogeneizzazione per ogni pixel riguardo
a:

offset                       (meno stabile nel tempo)
guadagno (sensibilita’)      (piu’ stabile nel tempo)




Correzione dei “bad pixel”
Calibrazione rivelatore
esposizione a diversi valori di dose per fissare offset e guadagno di
ciascun pixel della matrice e correggere l’immagine ricostruita



immagine
non corretta
Procedura di flat field
  Calibrazione
          • Attenzione alla presenza di griglia antidiffusione


  Controllare presenza di bad pixels o
   bad lines



!! In tutte le misure utlizzare una modalita’ di esportazione delle immagini
in cui i pixel values siano legati alla dose da una relazione analitica nota,
e riportare tutte le misure in termini di dose
Immagine di buio
esposizione a 40kVp 0.6mAs,
Schermo Pb 2mm e rivelatore se possibile fuori campo
              PV        SD        limite    temperatura


dark field   13.31     0.47      10% rif.       42.5°C
Curva di risposta
     2500
                                                   R2 > 0.97
                         y = 44.848x + 13.3
     2000                        2
                               R =1

     1500
PV




     1000



      500



        0
            0   5   10    15    20    25      30   35    40    45   50

                                 KERMA [µGy]
Non uniformità di risposta
Dosi in ingresso di circa 2,5 uGy
ROI 3cm x 3cm sovrapposte di 1.5 cm nelle due direzioni
Segnale, rumore e rapporto segnale-rumore
Non uniformita’ di risposta

Qualche problema …
Su quale frazione del campo ?
Le grandezze devono essere definite
con precisione !
•NU locale
•NU globale
•NU assoluta o integrale
Limiti ragionevoli ? Da validare !!
Non uniformità: istogramma ROI
Non uniformità di risposta

Esposizione “flat-field” su tutto il campo 43cmx43cm

 %                              Risposta   Rumore   SNR    limiti    Firenze
 non uniformità                   0.86      28.6    22.8   2 15 15   23µGy
 differenziale
                                                                     esposizione
 non uniformità globale           6.93      38.9    39.2   7 25 25
                                                                     43cm x 43cm

 non uniformità integrale         3.66      33.4    26.5   5 20 20   analisi
                                                                     39cm x 39cm

 %                              Risposta   Rumore   SNR     limiti

 non uniformità                   1.1       16.6    17.0   2 15 15
 differenziale
                                                                      Modena
 non uniformità globale           2.7       25.6    27.7   7 25 25    25µGy

 non uniformità integrale         1.9       16.2    17.9   5 20 20
Non uniformità: dipendenza dal campo

                                 NU glob
    40

    35

    30

    25                                                Signal
                                                      Noise
    20                                                SNR
%




    15

    10

     5

     0
         0.7            0.8                    0.9             1
                              frazione campo
rumore (integrale) vs. dose
                              rumore: varianza vs. KERMA
                              70kV filtrazione: rame 0.6mm

       1.00E-02




       1.00E-03
A.U.




       1.00E-04




       1.00E-05
                  0     10        20                  30     40   50

                                       KERMA [µGy]
Struttura del rumore

Le componenti di rumore:
 rumore quantico
 rumore strutturato (moltiplicativo)
 rumore elettronico (additivo)


                                   2
                      σ tot   α     γ
               RSD =         = +β + 2
                     2

                      D       D    D
α rumore quantico, β rumore moltiplicativo, γ rumore elettronico

                         α -> 3.11e-04
                         β -> 7.8e-06
                                              variazioni < 10% dal
                         γ -> 8.8e-05         valore di riferimento
rumore nei FPD dinamici
  modalità fluoro impulsata, grafia (DSA)

rebinning 2x2                   risoluzione intera


 SD = 13.19                      SD = 19.7
Sensibilita’ a basso contrasto
Misura della LSF/ESF
 LSF e ESF            slit camera e edge (norma IEC)
 supercampionati      esposizione slit e edge inclinati rispetto a
                      griglia pixel:
MTF = FT{[LSF]}       angolo inclinazione <5° ottenuto come best
                      fit dei baricentri delle singole LSF

MTF = FT{d/dx[ESF]}
Calcolo MTF
                            Presampling Modulation Transfer Function
                        Siemens Aristos FX (Trixell Pixium 4600, pitch 143µm)
      1.00


      0.90


      0.80


      0.70


      0.60
MTF




      0.50


      0.40


      0.30


      0.20
                                                          fN
      0.10


      0.00
             0      1               2                 3                 4       5   6
                                                               -1
                                              Frequency [mm ]


                 variazione <10% rispetto al costruttore ???
Artefatti: bad pixel
Taratura del sistema: analisi eseguita su immagini non
corrette  bad pixel sono sostituiti (via software) dal
valore dei pixel vicini.
Criterio analisi: analizzare i pixel dell’immagineper cui il
segnale > 7 volte la SD del valore medio nella regione.



                                                   frazione
                                                   bad pixel
                                                   =1.88 10-4
                                                   (180)
Persistenza immagini latenti: ghost
                                        basso carico
                                        (lag additivo)

esposizione alto carico   esposizione
                                         alto carico
                                         (lag moltiplicativo)




                 ROI 2
   ROI 1




               ghost assente <0.5%
DQE medio vs. dose ingresso

                  Ottimizzazione uso apparecchio: punto di lavoro
                                             ADQE vs. KERMA
                                         70kV filtrazione: rame 0.6mm
        0.5
        800 560 400 280 200


        0.4




        0.3
<DQE>




        0.2


                                   ADQE=IDQE/(fmax-fmin)
        0.1




         0
              0       5       10    15       20         25         30   35   40   45   50
                                                    KERMA [µGy]
Rapporto Segnale Rumore vs. dose
                               ingresso
                      SNR ≈ 55 a 1.25µGy
                         SNR ≈ 82 a 2.5µGy (in un CR si ottiene a ≥ 5µGy)
      800 560 400 280    SNR ≈ 118 a 5µGy
      200
      300
      280
      260
      240
      220
      200
      180
      160
SNR




      140
      120
      100
      80
      60
      40
      20
       0
            0     5     10    15    20       25        30   35   40   45    50
                                         KERMA [µGy]
Monitor: stato dell’arte




   CRT (cathode ray tube):
monitor con tubo a raggi catodici    LCD (liquid crystal display):
                                    monitor con matrice a cristalli
                                                 liquidi
LCD vs. CRT
                  LCD                                          CRT
•Geometria perfetta                          •Geometria da correggere
•Effetto Pixelatura (linee nere tra pixel)   •Immagine continua
•MTF quasi perfetta (MTF ≈1)                 •Modulation Transfer Function (MTF <1)
•Sharpness uniforme                          •Sharpness meno uniforme
•600:1 rapporto contrasto (stanza al buio)   •1000:1 rapporto contrasto (stanza al buio)
•Rapporto di contrasto dipendente da         •Rapporto di contrasto indipendente da
angolo di vista                              angolo di vista
•Bianco “tipo LCD”                           •Nero “tipo CRT”
•Nero più chiaro                             •Nero molto scuro
•Bassa riflessione luce ambientale           •Alta riflessione luce ambientale
•Minore stabilità                            •Buona stabilità
•Velocità di risposta minore                 •Velocità di risposta “istantanea”
•Persistenza immagine                        •Bassa persistenta immagine
•Invecchiamento della backlight              •Invecchiamento del fosforo
•Invecchiamento indipendente dalla           •Invecchiamento dipendente dal contenuto
luminosità                                   dell’immagine
•Nuova Tecnologia                            •Tecnologia matura
•Basso consumo di energia                    •Alto consumo di energia
•Assenza di flickering                       •Flickering dell’immagine
Dimensioni
 Singolo o doppio monitor da 18” a 21”

 Dimensione tipica del pixel del monitor: 150 µm a 300 µm

 Risoluzione o dimensione tipica della matrice del quadro e
  numero totale di pixel (MegaPixel):

      1.3MP : 1024 x 1280    (rapporto di formato 5/4)
      2MP : 1280 x 1600      (rapporto di formato 4/3)
      3MP : 1536 x 2048      (rapporto di formato 4/3)
      5MP : 2048 x 2560      (rapporto di formato 4/3)
Intervallo di luminosità
 La luminanza massima dipende dal tipo di
  display:
    2000 - 4000 cd/m2 per un negativoscopio per film
    200 - 400 cd/m2 per un monitor diagnostico a CRT
    500 - 700 cd/m2 per un monitor diagnostico a LCD

 La luminanza minima (nero) dipende da:
    tipo di display (riflessioni e diffusioni di luce all’interno dello
     schermo)
    condizioni di luce ambientale
    con un CRT si ottiene una luminanza minima più bassa.

 Rapporto di contrasto (Lmax/Lmin) almeno
  240:1 (ottimale 600:1)
Alcune grandezze fotometriche
Grandezza fotometrica   Equivalente dimensionale o definizione

 Lumen [lm]               [W]=[J/s]               (in cui l’energia e’ pesata con
                           una funzione psicofisica di equivalenza in visibilita’)




 Energia luminosa         [J]
  [lm*s]
                           Intensita’ luminosa

 Intensita’ luminosa      energia della luce visibile emessa in
                           un secondo da una superficie
                           unitaria in un anglo solido unitario
 Luminanza [lm/
  (sr*m2)]=[cd/m2]=[       Descrive la potenza luminosa che
                           colpisce una superficie
  nit]


 Illuminanza
Catena visualizzazione immagine
            Standard DICOM




Ottimizzazione durante Image Processing   Standardizzazione
                                          sistemi di visualizzazione
..un po’ di nomenclatura…
 Pixel Value
 Grayscale values

 p-values        presentation values
 DDL
 Monitor characteristic function
Catena visualizzazione immagine
Valori numerici digitali in uscita dal rivelatore ->ADC



Correzioni di Flat field, guadagno, rebinning…



Immagine “raw” in uscita dalla modalita’                      1001010100011111..



Salvattaggio su disco come matrice numerica di pixel o voxel
(pixel values o grayscale values, tipicamente 12 o 16 bit per pixel



Image processing addizionale
(windowing, filtri di vario tipo, inversione,…)



Presentation Values (p-values) inviati al sistema di visualizzazione
..entra in gioco il sistema di
                       visualizzazione…
   Presentation Values (p-values) inviati al sistema di visualizzazione

L.U.T
   Valori digitali per comandare l’hardware (DDL)

Characteristic Function (da DDL a luminanza)

   Immagine presentata al display (in termini di luminanza)


                L.U.T


                                          C.F.
..entra in gioco il sistema di
                        visualizzazione…
                 L.U.T

                                           C.F.




                               Curva caratteristica (mappa DDL in luminanza)
                               Non tiene conto della luce ambientale

                              Display Function (mappa DDL in luminanza)
                              Tiene conto degli effetti della luce ambientale

Lo standard DICOM introduce una funzione che mappa i p-values in DDL in modo
che uguali variazioni di luminosita’ siano dovute ad uguali variazioni in p-values
Linearizzazione della percezione
La GSDF
   Introduzione del concetto di
Grayscale Standard Display Function

      L.U.T

                          C.F.
                                          Sistema di
                                        visualizzazione
                                        standardizzato



                 GSDF
 da   p-values   a      log luminance
Valutazione delle prestazioni
 AAPM Task Group 18
 Assessment of Display
 Performance for Medical
 Imaging System                         AAPM


 Altri riferimenti:
 •Recommended Pratice SMPTE
 •DICOM 3 (parte 14)
 •AIFM: Report (2002)
 •Norma CEI EN 31223-2-5

Immagini test “TG18-xxxx”
prodotte dal gruppo di lavoro
Tipologie di controlli
1. Controlli qualitativi con immagini test di uso
   generale
2. Controlli quantitativi con immagini test dedicate per
   la valutazione separata e per la quantificazione
   numerica di alcuni fattori di qualità,
   es: risoluzione, scala di contrasto, uniformità etc..
3. Controlli avanzati: strumentazione dedicata
   impiegata per lo più dal costruttore per la misura di
   caratteristiche particolari,
   es: risposta angolare, riflettività dello schermo ..
Principali parametri da verificare
La calibrazione della scala dei grigi e il suo controllo nel tempo
è il primo passo per la messa a punto di un sistema di
refertazione a monitor (soft-copy)
Alcuni altri parametri di qualità dei monitor:
   scala dei grigi
   luminanza del bianco e del nero e rapporto di contrasto
   uniformità
   risoluzione orizzontale e verticale
   rumore
   glare
   riflessione luce ambientale
Calibrazione secondo lo standard
                   DICOM (PS 3.14)




La curva Dicom oltre a risolvere l’inconsistenza nella visualizzazione delle
immagini fra monitor diversi linearizza anche la risposta percettiva del
sistema occhio-cervello nella visione di dettagli a basso contrasto su tutta
la scala luminosa.
Linearizzazione della percezione



Nonostante
differenti variazioni
della luminanza
assoluta




                 Stesso numero di Just Noticeable Difference
                                     =
                         Stesso contrasto percepito
Linearizzazione della percezione
Il numero di differenze di grigio che possono
essere percepiti in una immagine radiografica
dipendono dai valori Lmax e Lmin

           L m in         L m ax   J u s t n o t ic e a b le
                  2              2
        (c d /m )     ( c d /m ) d iffe r e n c e s ( J N D )
           0 ,5        120                   450
             1         240                   530
             2         480                   600
             5         1200                  680
            10         2400                  730
Da DDL a P-values




                           CC
LUT


                          GSDF
Curva caratteristica e calibrazione
Il computer a cui è connesso il monitor, e dotato della scheda grafica
opportuna (con look-up table programmabile), deve essere corredato di un
programma di calibrazione della curva di risposta luminosa.
Si possono presentare due casi:
Monitor dotato di sensore interno: deve essere lanciato il programma di
calibrazione il quale genera una serie di immagini uniformi a luminosità
crescente e il sensore interno ne misura la luminanza.
L’operatore deve solo scegliere il tipo di curva di calibrazione (Dicom, lineare,
gamma etc.) e i valori massimi (bianco) e minimi (nero) di luminosità a cui
fare lavorare il monitor. Dopo aver misurato la curva caratteristica il
programma calcola la tabella di look-up necessaria per ottenere la curva di
risposta effettiva voluta, e la memorizza permanentemente nella scheda
grafica o in una memoria del monitor.
Curva caratteristica e calibrazione
Monitor dotato di sensore esterno: il sensore esterno deve essere collegato
alla porta seriale del computer o a una porta dedicata sullo stesso monitor.
Relativamente al programma di calibrazione valgono le considerazioni del
caso precedente. In questo caso però il misuratore deve essere appoggiato
al centro dello schermo dove viene visualizzato un quadrato a luminosità
crescente.

                           Verifica della calibrazione: deve essere misurata
                           di nuovo la curva di risposta e confrontata con la
                           curva impostata (es: Dicom). Se il programma
                           genera una “funzione d’errore” (scarti) e lo
                           scarto massimo di calibrazione il valore deve
                           essere confrontato con la specifica del
                           costruttore ed eventualmente, se fuori
                           tolleranza, ripetere la calibrazione.
…calibrazione e verifica
Se il sistema non fornisce automaticamente le immagini per la calibrazione,
vi sono 18 immagini del TG18 (TG18-LNxx).




Le stesse immagini
possono       essere
usate     per     la
verifica     (Dicom
compliance) della
calibrazione




Deve          inoltre
essere verificata la
costanza del livello
di bianco e di nero.
Esempio: calibrazione con curva Dicom
                                                    Monitor CRT 5MP

                    1000.00



                     100.00
Luminance (cd/m2)




                      10.00
                                                                                  Dicom



                       1.00
                                                                                  GDF


                       0.10
                              0   0.1   0.2   0.3   0.4   0.5   0.6   0.7   0.8      0.9   1
                                                          DDL



DDL (digital driving level) normalizzati
Curve GSDF per un monitor LCD
                                                  Monitor LCD 3MP

                  1000



                   100
)
2
Luminance (cd/m




                                                                                Curva
                    10                                                          Caratt.


                                                                                GSDF
                     1



                   0.1
                         0    0.1   0.2   0.3   0.4   0.5   0.6     0.7   0.8      0.9    1
                                                      DDL
LUT di correzione per taratura Dicom
                                    (Monitor CRT)


               768
Output Index




               512

                                                                LUT-Dicom

                                                                LUT-Lin


               256




                0
                     0          256          512       768
                                         Input Index
… verifica calibrazione
1. Si misura di nuovo la curva di risposta (L vs. DDL)

2. Si confrontano i valori di L ottenuti con quelli teorici della
   GSDF e si calcola una funzione d’errore:

   a) RMSE delle differenze dei JND rispetto al valore medio
      o come scarto della L rispetto a quella teorica (<1 molto
      buono, fra 1 e 2 accettabile, >2 non accettabile) .

   b) FIT con curve di diverso grado: più alto è il grado
      peggiore è il conformance.

Si confrontano i valori con le specifiche del costruttore o con
    valori di base stabiliti al collaudo
Es: verifica di conformità della
                                                         calibrazione
                                              Luminance deviation relative to Dicom GSDF
                              0.80

                              0.60
Luminance Deviation (cd/m2)
2




                              0.40

                              0.20

                              0.00

                              -0.20

                              -0.40

                              -0.60

                              -0.80

                              -1.00
                                      0        200         400          600        800     1000
                                                                  DDL

                                          DDL di solito sono 256 o 1024 valori
Instabilita’ emissione luminosa
Costanza del livello di “bianco”
Costanza del livello di “bianco”
Uniformità di visualizzazione
                                 luminosa
Immagine test a 5 quadranti per la misura della non uniformità di luminosità del
monitor: TG18-UNl10 e TG18-UNL80 che corrispondono ad una luminosità che
è rispettivamente il 10% e l’80% di quella massima.
Uniformità di visualizzazione
                        luminosa
La non uniformità di luminanza è definita come il massimo scarto rispetto
alla media del valore minimo e massimo misurato nelle cinque aree:

        NU = 2 * (Lmax- Lmin)/(Lmax+ Lmin) * 100

 Deve essere usato un sensore di luminanza e appoggiato nei 5 diversi
 quadranti per misurarne la luminosità. Questa operazione non è
 vincolata alla presenza di un programma presente nel software di
 qualità del monitor, anche se molti programmi prevedono comunque
 tale semplice test.
 Oltre all’indice sintetico di non uniformità percentuale NU è utile, per
 avere una visione diretta della variabilità di risposta luminosa, riportare i
 valori della misura come scarto relativo al centro dello schermo, come
 nell’immagine seguente …
… uniformità
92               89.5




          100           NU = 11.1 %

                        scarto max
                        assoluto
                        rispetto al
97.6             92.4   centro = 10.5%
… uniformità
                               NU = 16.7 %
 165            165
(15%)          (15%)
                               scarto max
                               assoluto
                               rispetto al
                               centro = 15 %

        195
                       valori di luminanza
        (0%)
                       differenza (%) rispetto al
                       centro

 174           177
(11%)          (9%)
Immagini test
          per valutazione complessiva della
                             qualità
Per poter verificare visivamente che i dispositivi usati per la
visualizzazione dell’immagine abbiano qualità idonea a
massimizzare le informazioni per l’osservatore sono in uso in
molti sistemi immagini test di tipo “general purpose”.
Il più diffuso è quello SMPTE (Society of Motion Picture and
Television Engineers), mentre il più recente test dell’AAPM il
TG18-QC, sta rapidamente diffondendosi per una valutazione
un po’ più approfondita della qualità di visualizzazione di un
monitor.
Tali immagini permettono di valutare la corretta
rappresentazione della scala dei grigi, della risoluzione
orizzontale e verticale ad alto contrasto, della risoluzione a
basso contrasto, della distorsione geometrica, di eventuali
artefatti nella transizione fra zone chiare e scure etc…
AAPM TG18 Test Patterns
Immagine test TG18-QC
Diversi aspetti possono essere
valutati visivamente:

• Risoluzione alto e basso
contrasto

•Distorsione

•Scala dei grigi e trasferimento
di contrasto

•Uniformità
Immagine test SMPTE
    2           1    2
                         6
                    6

4
            2
    5


                    6

    2   3
                     2
Analisi immagine SMPTE
Si verifica la corretta visualizzazione di un Fantoccio SMPTE le
cui caratteristiche sono:
1. Lo sfondo del fantoccio SMPTE è un grigio uniforme al 50%
del livello massimo. Questo permette di rivelare ogni problema
di uniformità e artefatti delle immagini.

                     2             1         2
                                            6
                 4
                               2
                     5

                                            6
                     2    3                  2
Analisi immagine SMPTE
2. Le sezioni risoluzione ad alto e basso contrasto sono incluse nel fantoccio
SMPTE al centro e ai 4 angoli. I test a basso contrasto sono della stessa
frequenza, ma variano in contrasto dal 1% al 5%. Le sezioni ad alto
contrasto presentano una modulazione in intensità del 100% ma variano in
frequenza fino al limite massimo corrispondente ad una variazione pari alla
dimensione del pixel (ad esempio un pixel bianco seguito da uno nero:
frequenza di Nyquist).

                          2            1            2
                                                   6
                      4
                                     2
                          5

                                                   6
                          2     3                   2
Analisi immagine SMPTE
3. Lo sfondo del fantoccio SMPTE è quadrettato (linee al 75% del livello
massimo): questo evidenzia la presenza/assenza di distorsioni spaziali.
4. Un bordo (linea al 75% del livello massimo) circonda l'intero fantoccio e
permettere di verificare se il fantoccio SMPTE è visualizzato o stampato
nella sua interezza.

                         2            1            2

                                                  6

                     4
                                    2
                         5

                                                  6
                         2     3                   2
Analisi immagine SMPTE
5. Una scala di grigi è posizionata all'intorno del centro dell'immagine al fine di
valutare, nel limite del possibile, variazioni non uniformi della scala di luminosità.
Il range dinamico dell'immagine viene rappresentato in undici gradini dallo 0% al
100% (con incrementi del 10%). Completano la scala dei grigi, degli inserti
quadrati sovrapposti, con incrementi del 5%, su fondo nero e su fondo bianco (5%
su 0% e 95% su 100%). Questi ultimi due step sono più difficili da vedere perché
sono agli estremi della scala di luminosità. Sempre questi due inserti forniscono un
riferimento utile per l'aggiustamento del contrasto e della luminosità del monitor
che devono essere regolati in modo da permettere di evidenziarli entrambi.
6. Una coppia di finestre con estese zone di biancoSMPTE
                      Analisi immagine su nero e nero su bianco
permette di verificare il comportamento del sistema a prove di "stress" alle
basse frequenze. Un sistema che funzioni correttamente deve essere in grado di
riprodurre il gradino tra inserto nero e bianco in modo netto, senza
ombreggiature, sconfinamenti, tremolii o macchie.
Metodo              Analisi immagine SMPTE
1- Analisi dell’immagine SMPTE sui monitor usati.
2- Valutazione se visibile il dettaglio 5% su 0% e 95% su 100%.
3- Valutazione delle barre di risoluzione al centro e ai bordi
dell’immagine sia in alto che in basso contrasto..
4- Osservare eventuale presenza di distorsione geometrica
5- Verificare il bordo fra nero e bianco e bianco e nero
Tolleranza
I gradini della scala dei grigi tutti risolvibili e simili per ogni
monitor calibrato. I dettagli 5% su 0% e 95% su 100% devono
essere chiaramente visibili. Le risoluzioni orizzontali e verticali
non devono differire più del 20%. Non vi devono essere aloni
intorno alle zone ad alto contrasto (rettangolo nero su sfondo
bianco e viceversa). La griglia deve essere riprodotta senza
distorsione o asimmetria.
Illuminazione della sala di
       refertazione
                La riflessione della luce
                ambientale dovrebbe
                essere inferiore al 20%
                della luminanza minima
Riflessione luce ambientale
Trasferimento del contrasto a diversi livelli di grigio




  Immagine (TG18-BR) (test di Briggs)


  Valutazione del trasferimento del contrasto a
  diversi livelli di luminosità e per dettagli di diversa
  dimensione. Un buon test di “qualità globale”
•4 quadranti con 8 pannelli ciascuno;
•ciascun pannello contiene un pattern di 16 “checkerboard”
•il contrasto all’interno dei checkerboard, in termini di
differenza di pixel-value nei 4 quadranti, è di 1, 3 , 7 e 15.
Score di Briggs




Per ogni pannello indagato è assegnato uno score in base
al più piccolo checkerboard risolto da scala (da 4 a 90)
Trasferimento del contrasto (CRT)
                                   Test di Briggs -
                             5MP CRT Barco MD521 MKII
        90

        80

        70

        60
                                                                                           contr 1
SCORE




        50
                                                                                           contr 3
        40                                                                                 contr 7
                                                                                           contr 15
        30

        20

        10

        0
             0-7   35-42   71-78   106-113         142-149   177-188   213-220   248-255
             T-2    T-6     T-7      T-3             T-4       T-8       T-5       T-1

                                             DDL
Trasferimento del contrasto (LCD)


                                        Test di Briggs
                                     5MP LCD Barco Coronis
        90

        80

        70

        60
                                                                                                contr 1
SCORE




        50
                                                                                                contr 3
        40                                                                                      contr 7
                                                                                                contr 15
        30

        20

        10

         0
               0-7   35-42   71-78      106-113         142-149   177-188   213-220   248-255
               T-2    T-6     T-7         T-3             T-4       T-8       T-5       T-1

                                                  DDL
Confronto CRT/LCD

Abbiamo introdotto un indice sintetico IQS per confrontare
velocemente i risultati fra sistemi diversi, oppure relativamente allo
stesso monitor ma in condizioni diverse, ad esempio in presenza o
meno della calibrazione con GSDF oppure ripetendo il test per
verificare l’effetto della disomogeneità di luminanza.


IQS = somma degli score di Briggs pesati di un fattore 1, 1/2 , 1/4, 1/8

                             IQS        n. el. alta
                                       risoluzione
                CRT         33.2             0
                LCD         42.1             9
Glare
La luce diffusa proveniente dall’interno dello schermo crea una luminosità
diffusa e una velatura che riducono il contrasto.

Rapporto di glare GR = (LB-LN)/(L-LN)       basso glare  alto GR (>400)




         LB                          L                          LN
Controlli periodici
I controlli sui monitor per refertazione devono essere eseguiti dai fisici
sanitari (FS) e dai tecnici T.S.R.M. (TR) con le seguenti frequenze e
tolleranze:
(le frequenze indicate per i controlli di costanza sono quelle consigliate, ma possono essere modificate in
funzione delle singole realtà operative e dell’uso intensivo dei sistemi di osservazione. In particolare i
controlli qualitativi con frequenza più alta possono anche essere effettuati direttamente dall’utilizzatore e
non sono necessariamente oggetto di registrazione).

                                  DISPOSITIVI DI VISUALIZZAZIONE

             Parametri             Accett.     Stato     Costanza        Frequenza        Tolleranza

      Luminosità                      X           X           X        trimestrale
      bianco/nero                   FS,TR        TR          TR                              +5%

                                                                       trimestrale
      Calibrazione                    X           X           X
                                    FS,TR        TR          TR                             SD<1
      scala dei grigi
                                                                                            cd/m2
      Non uniformità di                           X           X        semestrale
                                      X          TR          TR                              15%
      campo                         FS,TR

      Valutazione                                 X           X        settimanale          test di
                                      X          TR          TR
      immagine                      FS,TR                                                 accettazio
      SMPTE,TG18-QC                                                                           ne
      Riflessione luce                X           X           X          annuale            <20%
                                    FS,TR        TR          TR
      esterna                                                                                nero
Refertando qua e là…
American Association of Physicists in Medicine (AAPM),
                     Task Group 18
          Assessment of Display Performance for
               Medical Imaging Systems
        Public Draft (version 7.1), October 17, 2001

 “According to the AAPM professional guidelines (AAPM 1994), the
                 performance assessment of electronic
display devices falls within the professional responsibilities of medical
                 physicists in healthcare institutions. “

   “The intent of this document is to provide standard
  guidelines to practicing medical physicists [……] for the
 performance evaluation of electronic display devices intended
                       for medical use”
Immagini capovolte
Immagini capovolte
Riconoscimento immagini




C’è un cane sotto un albero in giardino
Riconoscimento immagini




Cavalli con montagna innevata sullo sfondo
Riconoscimento immagini




Allontanati dal monitor e vedrai la scritta Jesus.
Riconoscimento immagini




Allontanati dal monitor e vedrai la scritta Lift.
Predisposizione
Guarda l'immagine qui sotto e rispondi
velocemente:
chi è l'uomo dietro a Clinton?




Al Gore? No, è sempre Clinton con i capelli e la giacca più scuri
Predisposizione
Leggi velocemente la scritta qui sotto




Coca Cola? No, Coca Coca
Predisposizione




 Una B o un 13?
Disturbi visivi
Disturbi visivi




I cerchi poggiano tutti su una stessa linea retta
Disturbi visivi




Il cerchio sembra irregolare, invece è perfettamente rotondo
Disturbi visivi




Le linee rosse sono rette e perfettamente parallele
Continuità




Classico esempio di figura che produce un effetto fastidioso.
Fissa per un po' l'immagine e poi sposta lo sguardo su un muro
bianco. Vedrai un effetto interessante...
TSRM Walter Antonucci

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  • 1. Qualità del servizio in una u.o. di Bioimmagini digitalizzata TSRM Walter Antonucci
  • 2. X-ray Lo sviluppo di nuove tecnologie per i rivelatori, l’introduzione di piattaforme Paziente IT potenti e di monitor digitali ad alta brillanza e Rivelatore risoluzione hanno soppiantato le tre funzioni delle pellicole e Image Film processing favorito il progresso della Radiologia digitale (DR). Display
  • 3. Vantaggi della radiologia digitale  Maggior latitudine dei rivelatori: esami ripetuti quasi esclusivamente per errato posizionamento  Benefici in termini di “Capacità diagnostica/dose” per maggiore DQE  Incremento della produttività di un dipartimento radiologico  Qualità immagine più costante  Immagine digitale  Riduzione costi pellicole e chimici  Archiviazione digitale e trasmissione remota  CAD
  • 4. Tecnologie per Radiografia Digitale L’immagine latente prodotta Indirect su un supporto analogico CR Imaging Digital viene convertita in formato Plates digitale nella fase di lettura. CCD Digital Indirect X-Ray Image Conversion a-Si : Silicio Amorfo Capture I raggi X sono convertiti in luce che viene poi letta dal rivelatore Direct Digital a-Se : Selenio Amorfo L’immagine è Photon Counting prodotta direttamente in Direct X-Ray forma digitale Conversion High-gain conversion I fotoni X sono convertiti materials: HgI2, PbI2, direttamente in segnale CdZnTe. elettrico
  • 5. Proprietà dei rivelatori/Efficienza  Efficienza quantica: probabilità di assorbimento di un fotone di energia E incidente su un rivelatore di spessore attivo T e coefficiente di attenuazione lineare µ − µ ( E ) ⋅T η = 1− e  η può crescere aumentando lo spessore del rivelatore oppure utilizzando dei materiali con coefficiente di attenuazione più elevato per un certo intervallo di energie.  η in generale è maggiore alle basse energie e decresce all’aumentare dell’energia della radiazione incidente.  In ambito diagnostico, il principale processo di interazione nel materiale attivo è l’effetto fotoelettrico a causa del relativamente alto numero atomico dei materiali di cui sono costituiti i rivelatori.
  • 6. Proprietà dei rivelatori/Range Dinamico Il range dinamico viene definito come: DR=Xmax/Xmin dove Xmax è la fluenza che dà origine al massimo valore di segnale che il rivelatore può generare mentre Xmin è la fluenza necessaria a generare un segnale equivalente alla somma in quadratura del rumore elettronico del rivelatore e del rumore quantico (Noise Quantum Limit).
  • 7. Proprietà dei rivelatori/Uniformità  E’ importante che un rivelatore risponda in modo uniforme su tutta l’area dell’immagine, ovvero che abbia la stessa sensibilità su tutta l’area di interesse.  Nei sistemi digitali l’uniformità è relativamente semplice da ottenere perché su un intervallo considerevole, le differenze !! Non e’ eseguibile per di risposta dei diversi i CR elementi del rivelatore possono essere corrette mediante calibrazione (matrice di correzione).  Importante valutare e seguire nel tempo la quantità dei “bad pixels”.
  • 8. Caratterizzazione della qualità di un sistema per imaging Prestazioni del sistema Qualità delle immagini Valutazione della qualità Qualità percepita: basato su un osservatore esperto (curve dettaglio contrasto = valutazione complessiva delle caratteristiche di contrasto/rumore/risoluzione del sistema) Qualità misurata: basato sulla misura di grandezze indice indipendentemente dal sistema che ha prodotto le immagini Misura preliminare: Curva di risposta caratteristica Grandezze indice: MTF (Modulation Transfer Function) NPS (Noise Power Spectrum) NEQ (Noise Equivalent Quanta) DQE (Detective Quantum Efficiency)
  • 9. Interrelazione fra gli attributi di qualità e le grandezze indice Contrasto MTF NEQ CCD Risoluzione Rumore NPS
  • 10. Formazione dell’immagine: teoria dei sistemi lineari y Imaging detector z e fascio incidente X x f(x,y) g(x,y) y y x x +∞ g ( x, y )= ∫∫ f ( x, y ) PSF ( X − x,Y − y )dxdy −∞
  • 11. Convoluzione nello spazio delle frequenze: spettro della funzione immagine G (u , v) = OTF (u , v) ⋅ F (u , v) G = FT { g ( x, y )} F = FT { f ( x, y )} OTF = FT { PSF ( x' , y ' )}
  • 12. Teoria dei sistemi lineari (1) Le proprietà di un sistema lineare spazialmente invariante ideale possono essere descritte con formalismo matematico: Linearità dati f(x,y) e f’(x,y) input del sistema e g(x,y) e g’(x,y) output del sistema allora l’immagine della combinazione lineare c f(x,y) + d f’(x,y) deve essere c g(x,y) + d g’(x,y) Invarianza per traslazione se g(x,y) è l’immagine di f(x,y) attraverso il sistema, allora l’immagine di f(x-x’,y-y’) deve essere g(x-x’,y-y’) Nei sistemi non lineari Invertendo la curva di risposta fra ingresso ed uscita è possibile riportarsi alla dose equivalente in ingresso ed utilizzare così il formalismo dei sistemi lineari.
  • 13. Teoria dei sistemi lineari (2) Modulation Transfer Function: Mout Informazioni sulla risoluzione MTF= spaziale del sistema in assenza Min del rumore. Noise Power Spectrum (Wiener): Informazioni sul livello di 2 NPS (u,v)= FT [ I ( x, y )] rumore alle diverse frequenze spaziali.
  • 14. Teoria dei sistemi lineari (3) MTF 2 Noise Equivalent Quanta: NEQ = informazioni sul rapporto S/N (risoluzione e/o soglia di NPS norm contrasto) Detective Quantum 2 SNRout MTF 2 NEQ Efficiency: DQE = 2 = = indicazioni sulle SNRin NPS norm q q prestazioni della “tecnologia” usata (quanto ci si avvicina al rivelatore ideale)
  • 15. Curva di risposta Corrispondenza fra i valori digitali del pixel e l’esposizione in ingresso al rivelatore: •Curva di trasferimento lineare •Curva di trasferimento non lineare (logaritmica, radice quadrata ecc.) E’ utile per riportare i valori digitali in uscita a esposizione in ingresso.
  • 16. Set-up per la misura della curva di risposta Filtrazione aggiuntiva 180cm Camera a ionizzazione Piombo
  • 17. Esempi di misure: curva di risposta Funzione di trasferimento Dose-PV lineare Transfer Function 1600,00 1400,00 1200,00 1000,00 Pixel value 800,00 600,00 400,00 200,00 0,00 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 mR
  • 18. Esempi di misure: curva di risposta (2) Funzione di trasferimento Dose-PV non lineare (logaritmica)
  • 19. Campionamento spaziale del segnale b a: pitch b : pixel size frequenza di campionamento: fs = 1/a fill factor = (b/a)2 a
  • 20. OTF/MTF  Optical Transfer Function è definita come la trasformata di Fourier (2D) della risposta del sistema ad una funzione delta in ingresso. Nel caso 1-D può essere utilizzata la Line Spread Function: +∞ OTF ( f )= ∫ LSF ( s )⋅e −i⋅2π ⋅ f ⋅s ds −∞ La Modulation Transfer Function è definita come il modulo della OTF: MTF (u ,v)= OTF (u ,v) Per i sistemi analogici la definizione operativa non è ambigua, per i sistemi digitali vi sono problemi legati al campionamento.
  • 21. MTF di precampionamento  MTF di conversione (interazione nel materiale attivo: conversione X-luce, conversione X-cariche): MTFconv  MTF dell’apertura del pixel di campionamento (pixel circolare gaussiano nei sistemi a scansione laser, oppure quasi quadrato): MTFA MTFPRE = MTFconv × MTFA
  • 22. Tecnologia del rivelatore: Line Spread Function
  • 23. MTF di apertura del pixel 1  MTF di apertura 0,9 0,8 geometrie: 0,7 0,6  circolare (gaussiana - CR) 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 fs 1 0,9  quasi quadrata 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 fs
  • 24. MTF digitale MTF digitale diventa una replica periodica dell’MTF analogica con ripetizione pari a fS=1/a : k =+∞ MTFd ( f )= ∑MTFPRE ( f −k⋅ f s ) k =−∞
  • 25. Misura della MTF digitale: dipendenza dalla fase
  • 26. Misura della MTF digitale: dipendenza dalla fase (simulazione)
  • 27. Teorema del campionamento  Sistema a banda limitata fB : per evitare l’aliasing il teorema del campionamento stabilisce che la frequenza di campionamento fs = 1/p deve essere sufficientemente grande: fs ≥ 2 ⋅ fB (frequenza di Nyquist fN = ½ fS)  In presenza di aliasing lo spettro del segnale è distorto in quanto le frequenze superiori alla frequenza di Nyquist si ritrovano shiftate a frequenza più bassa.
  • 28. Misura della MTF digitale: Aliasing (1)
  • 31. Set-up per la misura della LSF Esposizione della slit- camera (apertura 10µm, lunghezza 6-7mm) FT LSF MTF
  • 32. Set-up per la misura della LSF esposizione dell’edge (lamina di tungsteno) d/dx FT ESF LSF MTF
  • 33. Elaborazione della LSF  MTF di precampionamento: quale LSF utilizzare ?  La LSF è diversa da zero in pochi pixel !!!
  • 34. Supercampionamento della LSF Fujita et al. (IEEE Transaction on Medical Imaging 1992) Pitch effettivo = p·tgα
  • 35. Supercampionamento della ESF Samei et al. Med. Phys. (1998)
  • 36. Supercampionamento della ESF Samei et al. Med. Phys. (1998)
  • 37. Esempi misure: MTF Transfer Function Pre-sampling Modulation precampionamento Siemens Aristos FX (Trixell Pixium 4600, pitch 143µm) 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 Modulation 0.50 slit edge 0.40 0.30 0.20 fN 0.10 0.00 0 1 2 3 4 5 6 7 -1 Frequency [mm ]
  • 38. Esempi misure: MTF precampionamento Mammografo digitale DR
  • 39. Esempi misure: MTF precampionamento imaging plate
  • 40. Noise Power Spectrum Definizione operativa: <| FT ( flatfield ( x, y )) |2 > NPS (u , v) = ∆ x∆ y NxNy L’integrale del NPS è legato alla varianza del segnale: σ =∫∫NPS (u ,v)dudv 2 Il segnale deve essere trasformato come esposizione in ingresso (curva caratteristica).
  • 41. Noise Power Spectrum (2) Cause del rumore  La più importante componente di rumore è data dalla radiazione assorbita (rumore quantico poissoniano);  in generale vi sono altre componenti (rumore elettronico, rumore strutturato, sorgente laser (CR), ecc…) Tutte le componenti di rumore sono additive. In un flat-panel: NPS ( f , D) = α ⋅ D ⋅ MTF 2 + β ⋅ D 2 + γ (α rumore quantico, β rumore moltiplicativo, γ rumore additivo
  • 42. NPS sottocampioanto  Nel caso di MTFpre troppo alta alla frequanza di Nyquist imaging detector è sottocampionato: lo spettro di rumore è quasi piatto (“white noise”). Per quanto riguarda il rumore non è sempre ottimale avere la migliore MTF: si perde in soglia di contrasto. Conviene che il pitch si adatti alla MTF.
  • 43. Noise aliasing: simulazione •Oggetto test sintetico con aree di diversa dimensione e contrasto in un fondo uniforme •Rumore quantico aggiunto •Trasformata di Fourier 2D •Moltiplicazione per due funzioni MTF (aliased e non) •Trasformata di Fourier 2D inversa
  • 44. Noise aliasing (2) MTF aliased MTF non aliased
  • 45. Noise aliasing (3) filtro “sharp”
  • 46. NPS 2-D:elaborazione dei dati 1) ROI di dimensioni 64x64 o 128x128 o 256x256 shiftate di una semi-larghezza sia in orizzontale che in verticale 2) Per ogni ROI: calcolo del modulo quadro della trasformata di Fourier 2-D delle fluttuazioni del segnale, riportato come esposizione in ingresso, rispetto alla media. 3) Media d’insieme su tutte le ROI Suggerimenti: •Media di alcune centinaia di ROI (errore relativo ≈ 1 ) M •Minimizzazione della deriva del segnale per effetto anodico
  • 47. Esempi di misure: NPS 2-D
  • 48. spettro rumore 2-D: effetto della griglia NPS a 70kVp 2.5µGy NPS a 70kVp 2.5µGy senza griglia con griglia
  • 49. spettro rumore 1-D NPS normalizzato 1-D ottenuto come funzione della frequenza radiale f, mediando NPS 2-D su corone circolari (step di 0.1 lp/mm) con esclusione degli assi principali oppure su strisce parallele ai due assi sempre escludendo i due assi principali
  • 50. Esempi di misure: NPS 1-D NPS (f) Spettro “aliased” 1,0E-02 1,0E-03 0.5mR 1,0E-04 1mR NPS [mm2] 5mR 10mR 1,0E-05 30mR 50mR 1,0E-06 1,0E-07 0 1 2 3 4 5 6 Frequency (cycles/mm)
  • 51. Esempi di misure: NPS 1-D NPS (f) 1,0E-04 1,27 mR 1,0E-05 2,91 mR NPS [mm ] 2 4,26 mR 9,17 mR 1,0E-06 1,0E-07 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 frequency (cycles/mm)
  • 52. Esempi di misure: NPS a diverse esposizioni varianza relativa 1,00E-02 1,00E-03 1,00E-04 NPS(0) (mm ) 2 1,00E-05 1,00E-06 1,00E-07 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 mR
  • 53. rumore integrale: varianza relativa rumore: varianza vs. KERMA 70kV filtrazione: rame 0.6mm 1.00E-02 1.00E-03 A.U. 1.00E-04 1.00E-05 0 10 20 30 40 50 KERMA [µGy]
  • 54. Struttura del rumore in termini di varianza Le componenti di rumore:  rumore quantico  rumore elettronico  rumore strutturato (moltiplicativo) 1 ( varN ( D) = 2 α ⋅ D + β ⋅ D 2 + γ ) D (α rumore quantico, β rumore moltiplicativo, γ rumore elettrico α -> 3.11e-04 β -> 7.8e-06 γ -> 8.8e-05
  • 55. Noise Equivalent Quanta: esempi di misure Noise Equivalent Quanta vs. frequency 1,E+07 1,E+06 0.5mR 1,E+05 1mR NEQ [mm ] -2 5mR 30mR 50mR 1,E+04 1,E+03 1,E+02 0,09 1,01 1,93 2,85 3,77 4,69 5,61 frequency (cycles/mm)
  • 56. Noise Equivalent Quanta: esempi di misure NEQ vs. esposizione 1,6E+06 1,4E+06 1,2E+06 1,0E+06 [mm ] -2 8,1E+05 6,1E+05 4,1E+05 2,1E+05 1,0E+04 0 25 50 75 100 Exposure [mR]
  • 57. Rapporto Segnale Rumore vs. dose SNR ≈ 55 a 1.25µGy ingresso SNR ≈ 82 a 2.5µGy (in un CR si ottiene a ≥ 5µGy) SNR ≈ 118 a 5µGy 300 280 260 240 220 200 180 160 SNR 140 120 100 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 KERMA [µGy]
  • 58. Detective Quantum Efficiency NEQ( E , f ) DQE ( E , f ) = Q photons q[ ] mm ⋅ µGy 2 J.M.Boone et al., “Molybdenum, rhodium and tungsten anode spectral models using interpolation polynomials with application to mammography”, Med. Phys. 24(12), December 1997, 1863-1874
  • 60. Esempi di misure: DQE Detective Quantum Efficiency vs. frequency 0,8 0,7 0,6 0,5 0.5mR 1mR DQE 0,4 5mR 30mR 50mR 0,3 0,2 0,1 0 0,09 0,55 1,01 1,47 1,93 2,39 2,85 3,31 3,77 4,23 4,69 5,15 5,61 frequency (cycles/mm)
  • 62. DQE vs. frequenza spaziale Detective Quantum Efficiency vs. frequency 0.8 0.7 0.48 0.60 0.6 0.82 1.01 0.5 1.45 1.92 2.66 DQE 0.4 3.79 4.70 6.66 0.3 9.36 13.07 20.17 0.2 34.58 48.18 0.1 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 frequency (cycles/mm) fN La fluenza fotonica è ricavata dalla curva di trasmissione in alluminio (fino a 3 HVL)
  • 63. DQE medio vs. dose ingresso ADQE=IDQE/(fmax-fmin) ADQE vs. KERMA 70kV filtrazione: rame 0.6mm 0.5 800 560 400 280 200 0.4 0.3 <DQE> 0.2 0.1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 KERMA [µGy]
  • 64. Flowchart procedura misura parametri Curva di risposta rivelatore Spettro LSF MTF EMTF NPS numero fotoni per unità di sup e unità di dose NEQ DQE
  • 65. Analisi contrasto dettaglio Valutazione globale della qualità delle immagini: qualità percepita (osservatore) CDRAD, TO12, TO16 CDC (contrast-detail curve) • CDC = curve che rappresentano i più piccoli oggetti visibili in funzione del loro contrasto relativo  HTA = 1/(CT A ½) indice di rivelabilità  IQF = Σ i Ci · Di,min (dove Di,min è il diametro del più piccolo particolare con contrasto Ci visibile sull’immagine). IQF diminuisce all’aumentare della qualità.  COR= (Numero totale di osservazioni corrette / Numero totale di particolari nel fantoccio)*100
  • 66. Curva Dettaglio-Contrasto Contrast Detail Curve contrasto relativo 0,00% 5,00% 10,00% 15,00% 20,00% 25,00% 0 0,5 1 digitale diametro 1,5 convenzionale 2 2,5 3
  • 67. Esempi di misure NPS (CR): artefatti di digitalizzazione scanner laser
  • 68. Flat Panel (DR) rumore strutturato a bassa frequenza (stripes)
  • 69. DR - influenza del gain correction sul rumore rumore complessivo rumore strutturato (gain correction)
  • 71. Artefatti da persistenza 1) Esporre ad alta dose oggetto con forte contrasto 2) Riesporre a basso dosaggio 3) Contrastare con window & level l’immagine
  • 72. Immagine ghost da persistenza Flat Panel (DR selenio) CR (ciclo di cancellazione)
  • 73. Persistenza immagini latenti: ghost esposizione alto carico esposizione basso carico ghost assente (DR CsI/a-Si)
  • 74. Artefatti da bad pixel/line Il costruttore dovrebbe dichiarare quanti bad pixels sono accettati al massimo nel digital panel.
  • 75. Un nuova versione del protocollo per i CQ sui sistemi CR I punti salienti del protocollo:  normativa e documenti tecnici di riferimento (la nuova release AAPM Task Group 10 (Ottobre 2006) i report KCARE….)  i parametri da controllare (per tutti i plate?, per ogni dimensione? per ogni sensibilita’ dei fosfori?)  la periodicita’ dei controlli  le procedure operative per la valutazione e/o misurazione di ogni parametro INDICI DI ESPOSIZIONE vs DOSE  i valori di riferimento e le relative tolleranze Definizione quantitativa dei limiti di accettabilita’  La validazione del protocollo sul sistema CR-AGFA in fase di installazione presso l’Azienda Ospedaliero- Universitaria Careggi
  • 76. Componenti oggetto del CQ Lampada e Piastra ai fosfori Laser e sistema di sistema di cancellazione scansione Segnale Sensibilita’ e Risoluzione Produttivita’ di buio indice di esposizione Spaziale limite oraria dello scanner Permanenza Uniformita’ di risposta Funzionalita’ scansione laser Software di artefatti per misurare Curva di risposta le distanze Uniformita’ di campo SNR Scala di contrasto
  • 77. La catena di formazione del segnale Scrittura PMT su file Filtro Analogico ADC Amplificatore Conversione analogico 10 – 15 bit (Logaritmico o Potenza)
  • 78. Quale segnale digitale? PV Agfa Konica (SAL) (S-Value) Fuji Kodak (Sensitivity Value) (E.I.) Relazione sensitometrica che lega l’indice di esposizione direttamente al Kerma in aria in ingresso al rivelatore PV = f( E(uGy) )
  • 79. Indici di Esposizione - AGFA S SAL(S) = α 0 • • Esposizione(uGy ) S0 con S0 = 200 e α 0 = 410 per PLATE MD10 Indice di esposizione proprietario lgM lgM = logaritmo del valore dell’esposizione mediana dell’istogramma raw Fornisce indicazioni all’operatore riguardo al livello di esposizione verificatosi nell’esame lgM = log ( SAL) − 3,9477 2
  • 81. Setup per la misura di esposizione al plate Necessita’ di conoscere l’esposizione in ingresso al plate per valutazione di: •relazione sensitometrica •validita’ degli indici di esposizione •conoscenza del punto di lavoro Fuoco del tubo radiogeno Filtro aggiuntivo SID SDD (>150cm) (100-120cm) Camera ionizzazione Piano di appoggio del plate >30 cm !!!l Ridurre la radiazione diffusa
  • 82. Rendimento dell’apparecchio RX 35,00 Dose(uGy) = 0,501uGy/mAs * mAs - 0,57 uGy Tensione 75 kVp 2 R = 0,9997 tubo 30,00 Dose in ingresso al plate (uGy) Filtrazione 1,5 mm aggiuntiva Cu 25,00 SDD 110,5 cm 20,00 SID 140,3 cm Tempo 100 ms 15,00 esposizion e 10,00 5,00 0,00 0 20 40 60 80 mAs registrati
  • 83. Componenti oggetto del CQ Lampada e Piastra ai fosfori Laser e sistema di sistema di cancellazione scansione Segnale Sensibilita’ e Risoluzione Produttivita’ di buio indice di esposizione Spaziale limite oraria dello scanner Permanenza Uniformita’ di risposta Funzionalita’ scansione laser Software di artefatti per misurare Curva di risposta le distanze Uniformita’ di campo SNR Scala di contrasto
  • 84. Setup per esposizione uniforme del plate Fuoco del tubo radiogeno SDD > 150 cm Filtro 1.5 mm Cu Cassetta CR
  • 85. Rimozione della disomogenita’ del campo X Metodo della doppia esposizione Misura del campo X Punti di misura del campo X ~7 cm in termini di dose in ingresso al plate
  • 87. Flat Field  Esposizione Uniforme con classe esposizione S=200  Modalita’ di lettura • System Diagnosis • Flat Field  Diversi valori di esposizione
  • 88. Curva di Risposta Dalla relazione fra SAL e Dose si ricava il coefficiente α : SAL = 415 * Dose 0.5 R2 = 0,9997 3000 2500 2000 α =(415 +/- 6) SAL 1500 1000 500 0 0,000 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000 Dose (uGy) SAL(S) = α Esposizione(uGy ) S0=200
  • 89. Uniformita’ di risposta 8,0 Scarto percentuale dalla media 6,0 4,0 2,0 0,0 -2,0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 -4,0 -6,0 -8,0 Numero cassette (SAL-SALrif) / SALrif
  • 90. Cassetta 18x24 0,90 Uniformita’ di campo 0,80 0,70 Circa 20 uGy in ingresso al plate 0,60 0,50 CV 0,40 0,30 0,20 CV = SD(SAL5ROI) / Media(SAL5ROI) 0,10 0,00 cod28 A cod34 cod35 cod37 B cod38 Codice Plate 2 Coefficiente variazione CV C 1,5 Scarti massimi relativi in direzione orizzontale e verticale D E 1 Scarti massimi relativi in direzione 0,5 orizzontale e verticale 0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 Numero Plate
  • 91. 180,0 160,0 140,0 SNR SNR ROI centrale 120,0 Misura del SNR su 4 ROI periferiche e 1 centrale 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 Rapporto segnale rumore a grande cassetta Numero scala SNR = Media(SAL)/ SD(SAL) Uniformita’ di campo del SNR NUi = [ SNRROIi – MEDIA5ROI(SNR) ] / MEDIA5ROI(SNR)
  • 92. Scala di contrasto ? Procedura da implementare per un sistema CR generico. Nel caso AGFA si utilizza un cuneo a gradini come oggetto di test. Selezione di una qualita’ del fascio standard: FDD = 100 cm Tensione (70 +/-1) kVp Fuoco grande Corrente costante 200 mA Dose (47 +/-1) uGy Parametri di lettura: S=400 con protocollo proprietario AGFA
  • 93. Scala di contrasto 4 3,5 3 2,5 log(SAL) 2 1,5 1 0,5 0 0 2 4 6 8 10 Steps Riproducibilita’ nel tempo del valore del gradino
  • 94. Componenti oggetto del CQ Lampada e Piastra ai fosfori Laser e sistema di sistema di cancellazione scansione Segnale Sensibilita’ e Risoluzione Produttivita’ di buio indice di esposizione Spaziale limite oraria dello scanner Permanenza Uniformita’ di risposta Funzionalita’ scansione laser Software di artefatti per misurare Curva di risposta le distanze Uniformita’ di campo SNR Scala di contrasto
  • 95. Immagine di buio Cassetta non esposta Ciclo di cancellazione completo Parametri di lettura e analisi  S=800  ROI>80% immagine Limiti di accettabilità  Assenza di artefatti visibili con WW e WL clinici  SAL<=100
  • 96. Immagine di buio Il SAL dipende dal ciclo di cancellazione (diverse modalita’ di cancellazione) Segnale di buio 140 120 100 80 SAL 60 40 20 0 24x30 21x43 18x24 35x43 Formato Cassetta Nota: Il report AAPM richiede SAL <130 Problema noto per plate MD4.0; secondo AGFA il SAL dovrebbe scendere dopo 2-3 settimane di utilizzo clinico
  • 97. Ciclo di cancellazione Procedura: Selezionare campo (10*10) cm2 Posizionare oggetto (5*5) cm2 ad alta attenuazione al centro del plate (DFF=150 cm) Parametri del fascio 80 kVp, 25 mAs, no filtro Scansione del plate con algoritmo clinico standard di ricostruzione immagine Selezionare campo (9*9) cm2 Esporre senza oggetto e filtrazione a 80 kVp, 0.5-0.7 mAs Scansione del plate in modalita’ System Diagnosis – Flat field
  • 98. Ciclo di cancellazione Calcolare il fattore di “ghost” GF GF= (SALROI2 – SALROI1 )/ SALROI1 ROI2 Fattore di "ghost" ROI1 1,0% 0,9% 0,8% Fattore di "ghost" 0,7% Tolleranza: 0,6% Non devono essere visibili immagini “ghost” dopo 0,5% aver impostato una finestra molto stretta e 0,4% aggiustato il livello della scala dei grigi. 0,3% 0,2% Il fattore di “ghost” deve essere inferiore a 1% 0,1% 0,0% 35x43 18x24 24x30 21x43 Dimensioni cassetta
  • 99. Componenti oggetto del CQ Lampada e Piastra ai fosfori Laser e sistema di sistema di cancellazione scansione Segnale Sensibilita’ e Risoluzione Produttivita’ di buio indice di esposizione Spaziale limite oraria dello scanner Permanenza Uniformita’ di risposta Funzionalita’ scansione laser Software di artefatti per misurare Curva di risposta le distanze Uniformita’ di campo SNR Scala di contrasto
  • 100. Risoluzione Spaziale Parametri di esposizione: DFF = 150 cm 50 kVp +/- 5 kVp 10 uGy in ingresso al plate Oggetto test a 45° Criterio di accettabilita’: Il limite di risoluzione visivo deve essere maggiore o uguale al 90% della frequenza di Nyquist fNy (1.41 * fNy se le barre sono a 45°)
  • 101. Risoluzione Spaziale + metodo di valutazione quantitativo della modulazione ? Esperienza con plate AGFA MD4.0 e lettori CR85-x e CR35-X: La risoluzione spaziale massima e’ leggermente inferiore ai limiti di tolleranza adottate (varia fra 80% e 90% della fNy) (Test di Huttner, gruppo di fenditure a 6.3 lp/mm)
  • 102. Funzionalita’ raggio laser Visualizzare l’immagine con finestra di contrasto molto stretta Verificare che il profilo sia a gradino Per tutta la lunghezza del plate
  • 103. Varie…  Software per misurare le distanze  Artefatti di Moire’ (accoppiata griglia – pixel size)  Produttivita’ oraria dello scanner
  • 104. Esempio: Griglia con 7lp/mm utilizzata con sistema CR a risoluzione standard (6lp/mm)
  • 105. Esempio: Griglia con 7lp/mm utilizzata con sistema CR a risoluzione standard (6lp/mm)
  • 106. Il protocollo di CQ per un sistema DR Apparecchiature basate su sistemi Digitali Diretti (DR) Active Matrix Flat Panel Imagers (AMFPI)
  • 107. Apparecchio DR con FP statico per grafia FPI Trixell Pixium 4600 CsI-aSi (4-tiled) (Axiom Aristos FX, Siemens): • campo 43cmx43cm, matrice 3000x3000 • pitch di campionamento di 143mm • ADC 14bit, immagine ricostruita a 12bit (gain ricostruzione a scelta), AEC con “speed ISO”: 200,280,400,560,800
  • 108. Apparecchio DR con FP dinamico per angiografia FPI (GE – Innova 3100) con scintillatore CsI-aSi mono-piastra • campo 31cmx31cm, matrice 1024x1024 • pitch di campionamento di 200mm Fantoccio per Quality Assurance Program - QAP
  • 109. Valutazione prestazioni mediante indici di qualità R.F., Uniformità spaziale, MTF, RNS, SNR, bad pixel, ghost, basso contrasto, conviene anche NPS, NEQ, DQE, IDQE per diverse dosi in ingresso al rivelatore, consigliato intervallo da 0.5µGy a 40µGy modalità “service” su immagini “raw data” o Dicom “DX for processing”. Con immagini “DX for presentation” occorre linearizzare la risposta PV vs. ESAK. Riferimenti: • Linee guida AIFM • IEC 62220-1 (IEC 62220-1 2 e 3 per angio e mammo sono work in progress) • Handbook of Medical Imaging vol. 1. SPIE Press (2000) • Letteratura di Medical Physics
  • 111. Misure preliminari  Scelta di una qualita’ del fascio X secondo protocollo clinico  Calibrazione apparecchio (ESAK vs mAs)
  • 112. Set-up di misura ed esposizione flat-fieldrendimento •Misura del fuoco collimatore filtro •Esposizione “flat-field” •Per indici qualità: fascio IEC-61267: RQA5 - RQA7 - RQA9 •Per uniformità e costanza qualità fascio costruttore griglia •distanza fuoco-detettore >140cm detettore •Esposizione con e senza griglia Tutte le valutazioni devono essere condotte su immagini convertite in dose
  • 113. Correzione flat field and dark field Flat Panel DR: e’ un RIVELATORE unico Procedura di omogeneizzazione per ogni pixel riguardo a: offset (meno stabile nel tempo) guadagno (sensibilita’) (piu’ stabile nel tempo) Correzione dei “bad pixel”
  • 114. Calibrazione rivelatore esposizione a diversi valori di dose per fissare offset e guadagno di ciascun pixel della matrice e correggere l’immagine ricostruita immagine non corretta
  • 115. Procedura di flat field  Calibrazione • Attenzione alla presenza di griglia antidiffusione  Controllare presenza di bad pixels o bad lines !! In tutte le misure utlizzare una modalita’ di esportazione delle immagini in cui i pixel values siano legati alla dose da una relazione analitica nota, e riportare tutte le misure in termini di dose
  • 116. Immagine di buio esposizione a 40kVp 0.6mAs, Schermo Pb 2mm e rivelatore se possibile fuori campo PV SD limite temperatura dark field 13.31 0.47 10% rif. 42.5°C
  • 117. Curva di risposta 2500 R2 > 0.97 y = 44.848x + 13.3 2000 2 R =1 1500 PV 1000 500 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 KERMA [µGy]
  • 118. Non uniformità di risposta Dosi in ingresso di circa 2,5 uGy ROI 3cm x 3cm sovrapposte di 1.5 cm nelle due direzioni Segnale, rumore e rapporto segnale-rumore
  • 119. Non uniformita’ di risposta Qualche problema … Su quale frazione del campo ? Le grandezze devono essere definite con precisione ! •NU locale •NU globale •NU assoluta o integrale Limiti ragionevoli ? Da validare !!
  • 121. Non uniformità di risposta Esposizione “flat-field” su tutto il campo 43cmx43cm % Risposta Rumore SNR limiti Firenze non uniformità 0.86 28.6 22.8 2 15 15 23µGy differenziale esposizione non uniformità globale 6.93 38.9 39.2 7 25 25 43cm x 43cm non uniformità integrale 3.66 33.4 26.5 5 20 20 analisi 39cm x 39cm % Risposta Rumore SNR limiti non uniformità 1.1 16.6 17.0 2 15 15 differenziale Modena non uniformità globale 2.7 25.6 27.7 7 25 25 25µGy non uniformità integrale 1.9 16.2 17.9 5 20 20
  • 122. Non uniformità: dipendenza dal campo NU glob 40 35 30 25 Signal Noise 20 SNR % 15 10 5 0 0.7 0.8 0.9 1 frazione campo
  • 123. rumore (integrale) vs. dose rumore: varianza vs. KERMA 70kV filtrazione: rame 0.6mm 1.00E-02 1.00E-03 A.U. 1.00E-04 1.00E-05 0 10 20 30 40 50 KERMA [µGy]
  • 124. Struttura del rumore Le componenti di rumore:  rumore quantico  rumore strutturato (moltiplicativo)  rumore elettronico (additivo) 2  σ tot  α γ RSD =   = +β + 2 2  D  D D α rumore quantico, β rumore moltiplicativo, γ rumore elettronico α -> 3.11e-04 β -> 7.8e-06 variazioni < 10% dal γ -> 8.8e-05 valore di riferimento
  • 125. rumore nei FPD dinamici modalità fluoro impulsata, grafia (DSA) rebinning 2x2 risoluzione intera SD = 13.19 SD = 19.7
  • 127. Misura della LSF/ESF LSF e ESF slit camera e edge (norma IEC) supercampionati esposizione slit e edge inclinati rispetto a griglia pixel: MTF = FT{[LSF]} angolo inclinazione <5° ottenuto come best fit dei baricentri delle singole LSF MTF = FT{d/dx[ESF]}
  • 128. Calcolo MTF Presampling Modulation Transfer Function Siemens Aristos FX (Trixell Pixium 4600, pitch 143µm) 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 MTF 0.50 0.40 0.30 0.20 fN 0.10 0.00 0 1 2 3 4 5 6 -1 Frequency [mm ] variazione <10% rispetto al costruttore ???
  • 129. Artefatti: bad pixel Taratura del sistema: analisi eseguita su immagini non corrette  bad pixel sono sostituiti (via software) dal valore dei pixel vicini. Criterio analisi: analizzare i pixel dell’immagineper cui il segnale > 7 volte la SD del valore medio nella regione. frazione bad pixel =1.88 10-4 (180)
  • 130. Persistenza immagini latenti: ghost basso carico (lag additivo) esposizione alto carico esposizione alto carico (lag moltiplicativo) ROI 2 ROI 1 ghost assente <0.5%
  • 131. DQE medio vs. dose ingresso Ottimizzazione uso apparecchio: punto di lavoro ADQE vs. KERMA 70kV filtrazione: rame 0.6mm 0.5 800 560 400 280 200 0.4 0.3 <DQE> 0.2 ADQE=IDQE/(fmax-fmin) 0.1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 KERMA [µGy]
  • 132. Rapporto Segnale Rumore vs. dose ingresso SNR ≈ 55 a 1.25µGy SNR ≈ 82 a 2.5µGy (in un CR si ottiene a ≥ 5µGy) 800 560 400 280 SNR ≈ 118 a 5µGy 200 300 280 260 240 220 200 180 160 SNR 140 120 100 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 KERMA [µGy]
  • 133. Monitor: stato dell’arte CRT (cathode ray tube): monitor con tubo a raggi catodici LCD (liquid crystal display): monitor con matrice a cristalli liquidi
  • 134. LCD vs. CRT LCD CRT •Geometria perfetta •Geometria da correggere •Effetto Pixelatura (linee nere tra pixel) •Immagine continua •MTF quasi perfetta (MTF ≈1) •Modulation Transfer Function (MTF <1) •Sharpness uniforme •Sharpness meno uniforme •600:1 rapporto contrasto (stanza al buio) •1000:1 rapporto contrasto (stanza al buio) •Rapporto di contrasto dipendente da •Rapporto di contrasto indipendente da angolo di vista angolo di vista •Bianco “tipo LCD” •Nero “tipo CRT” •Nero più chiaro •Nero molto scuro •Bassa riflessione luce ambientale •Alta riflessione luce ambientale •Minore stabilità •Buona stabilità •Velocità di risposta minore •Velocità di risposta “istantanea” •Persistenza immagine •Bassa persistenta immagine •Invecchiamento della backlight •Invecchiamento del fosforo •Invecchiamento indipendente dalla •Invecchiamento dipendente dal contenuto luminosità dell’immagine •Nuova Tecnologia •Tecnologia matura •Basso consumo di energia •Alto consumo di energia •Assenza di flickering •Flickering dell’immagine
  • 135. Dimensioni  Singolo o doppio monitor da 18” a 21”  Dimensione tipica del pixel del monitor: 150 µm a 300 µm  Risoluzione o dimensione tipica della matrice del quadro e numero totale di pixel (MegaPixel):  1.3MP : 1024 x 1280 (rapporto di formato 5/4)  2MP : 1280 x 1600 (rapporto di formato 4/3)  3MP : 1536 x 2048 (rapporto di formato 4/3)  5MP : 2048 x 2560 (rapporto di formato 4/3)
  • 136. Intervallo di luminosità  La luminanza massima dipende dal tipo di display:  2000 - 4000 cd/m2 per un negativoscopio per film  200 - 400 cd/m2 per un monitor diagnostico a CRT  500 - 700 cd/m2 per un monitor diagnostico a LCD  La luminanza minima (nero) dipende da:  tipo di display (riflessioni e diffusioni di luce all’interno dello schermo)  condizioni di luce ambientale  con un CRT si ottiene una luminanza minima più bassa.  Rapporto di contrasto (Lmax/Lmin) almeno 240:1 (ottimale 600:1)
  • 137. Alcune grandezze fotometriche Grandezza fotometrica Equivalente dimensionale o definizione  Lumen [lm] [W]=[J/s] (in cui l’energia e’ pesata con una funzione psicofisica di equivalenza in visibilita’)  Energia luminosa [J] [lm*s] Intensita’ luminosa  Intensita’ luminosa energia della luce visibile emessa in un secondo da una superficie unitaria in un anglo solido unitario  Luminanza [lm/ (sr*m2)]=[cd/m2]=[ Descrive la potenza luminosa che colpisce una superficie nit]  Illuminanza
  • 138. Catena visualizzazione immagine Standard DICOM Ottimizzazione durante Image Processing Standardizzazione sistemi di visualizzazione
  • 139. ..un po’ di nomenclatura…  Pixel Value  Grayscale values  p-values presentation values  DDL  Monitor characteristic function
  • 140. Catena visualizzazione immagine Valori numerici digitali in uscita dal rivelatore ->ADC Correzioni di Flat field, guadagno, rebinning… Immagine “raw” in uscita dalla modalita’ 1001010100011111.. Salvattaggio su disco come matrice numerica di pixel o voxel (pixel values o grayscale values, tipicamente 12 o 16 bit per pixel Image processing addizionale (windowing, filtri di vario tipo, inversione,…) Presentation Values (p-values) inviati al sistema di visualizzazione
  • 141. ..entra in gioco il sistema di visualizzazione… Presentation Values (p-values) inviati al sistema di visualizzazione L.U.T Valori digitali per comandare l’hardware (DDL) Characteristic Function (da DDL a luminanza) Immagine presentata al display (in termini di luminanza) L.U.T C.F.
  • 142. ..entra in gioco il sistema di visualizzazione… L.U.T C.F. Curva caratteristica (mappa DDL in luminanza) Non tiene conto della luce ambientale Display Function (mappa DDL in luminanza) Tiene conto degli effetti della luce ambientale Lo standard DICOM introduce una funzione che mappa i p-values in DDL in modo che uguali variazioni di luminosita’ siano dovute ad uguali variazioni in p-values
  • 144. La GSDF Introduzione del concetto di Grayscale Standard Display Function L.U.T C.F. Sistema di visualizzazione standardizzato GSDF da p-values a log luminance
  • 145. Valutazione delle prestazioni AAPM Task Group 18 Assessment of Display Performance for Medical Imaging System AAPM Altri riferimenti: •Recommended Pratice SMPTE •DICOM 3 (parte 14) •AIFM: Report (2002) •Norma CEI EN 31223-2-5 Immagini test “TG18-xxxx” prodotte dal gruppo di lavoro
  • 146. Tipologie di controlli 1. Controlli qualitativi con immagini test di uso generale 2. Controlli quantitativi con immagini test dedicate per la valutazione separata e per la quantificazione numerica di alcuni fattori di qualità, es: risoluzione, scala di contrasto, uniformità etc.. 3. Controlli avanzati: strumentazione dedicata impiegata per lo più dal costruttore per la misura di caratteristiche particolari, es: risposta angolare, riflettività dello schermo ..
  • 147. Principali parametri da verificare La calibrazione della scala dei grigi e il suo controllo nel tempo è il primo passo per la messa a punto di un sistema di refertazione a monitor (soft-copy) Alcuni altri parametri di qualità dei monitor: scala dei grigi luminanza del bianco e del nero e rapporto di contrasto uniformità risoluzione orizzontale e verticale rumore glare riflessione luce ambientale
  • 148. Calibrazione secondo lo standard DICOM (PS 3.14) La curva Dicom oltre a risolvere l’inconsistenza nella visualizzazione delle immagini fra monitor diversi linearizza anche la risposta percettiva del sistema occhio-cervello nella visione di dettagli a basso contrasto su tutta la scala luminosa.
  • 149. Linearizzazione della percezione Nonostante differenti variazioni della luminanza assoluta Stesso numero di Just Noticeable Difference = Stesso contrasto percepito
  • 150. Linearizzazione della percezione Il numero di differenze di grigio che possono essere percepiti in una immagine radiografica dipendono dai valori Lmax e Lmin L m in L m ax J u s t n o t ic e a b le 2 2 (c d /m ) ( c d /m ) d iffe r e n c e s ( J N D ) 0 ,5 120 450 1 240 530 2 480 600 5 1200 680 10 2400 730
  • 151. Da DDL a P-values CC LUT GSDF
  • 152. Curva caratteristica e calibrazione Il computer a cui è connesso il monitor, e dotato della scheda grafica opportuna (con look-up table programmabile), deve essere corredato di un programma di calibrazione della curva di risposta luminosa. Si possono presentare due casi: Monitor dotato di sensore interno: deve essere lanciato il programma di calibrazione il quale genera una serie di immagini uniformi a luminosità crescente e il sensore interno ne misura la luminanza. L’operatore deve solo scegliere il tipo di curva di calibrazione (Dicom, lineare, gamma etc.) e i valori massimi (bianco) e minimi (nero) di luminosità a cui fare lavorare il monitor. Dopo aver misurato la curva caratteristica il programma calcola la tabella di look-up necessaria per ottenere la curva di risposta effettiva voluta, e la memorizza permanentemente nella scheda grafica o in una memoria del monitor.
  • 153. Curva caratteristica e calibrazione Monitor dotato di sensore esterno: il sensore esterno deve essere collegato alla porta seriale del computer o a una porta dedicata sullo stesso monitor. Relativamente al programma di calibrazione valgono le considerazioni del caso precedente. In questo caso però il misuratore deve essere appoggiato al centro dello schermo dove viene visualizzato un quadrato a luminosità crescente. Verifica della calibrazione: deve essere misurata di nuovo la curva di risposta e confrontata con la curva impostata (es: Dicom). Se il programma genera una “funzione d’errore” (scarti) e lo scarto massimo di calibrazione il valore deve essere confrontato con la specifica del costruttore ed eventualmente, se fuori tolleranza, ripetere la calibrazione.
  • 154. …calibrazione e verifica Se il sistema non fornisce automaticamente le immagini per la calibrazione, vi sono 18 immagini del TG18 (TG18-LNxx). Le stesse immagini possono essere usate per la verifica (Dicom compliance) della calibrazione Deve inoltre essere verificata la costanza del livello di bianco e di nero.
  • 155. Esempio: calibrazione con curva Dicom Monitor CRT 5MP 1000.00 100.00 Luminance (cd/m2) 10.00 Dicom 1.00 GDF 0.10 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 DDL DDL (digital driving level) normalizzati
  • 156. Curve GSDF per un monitor LCD Monitor LCD 3MP 1000 100 ) 2 Luminance (cd/m Curva 10 Caratt. GSDF 1 0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 DDL
  • 157. LUT di correzione per taratura Dicom (Monitor CRT) 768 Output Index 512 LUT-Dicom LUT-Lin 256 0 0 256 512 768 Input Index
  • 158. … verifica calibrazione 1. Si misura di nuovo la curva di risposta (L vs. DDL) 2. Si confrontano i valori di L ottenuti con quelli teorici della GSDF e si calcola una funzione d’errore: a) RMSE delle differenze dei JND rispetto al valore medio o come scarto della L rispetto a quella teorica (<1 molto buono, fra 1 e 2 accettabile, >2 non accettabile) . b) FIT con curve di diverso grado: più alto è il grado peggiore è il conformance. Si confrontano i valori con le specifiche del costruttore o con valori di base stabiliti al collaudo
  • 159. Es: verifica di conformità della calibrazione Luminance deviation relative to Dicom GSDF 0.80 0.60 Luminance Deviation (cd/m2) 2 0.40 0.20 0.00 -0.20 -0.40 -0.60 -0.80 -1.00 0 200 400 600 800 1000 DDL DDL di solito sono 256 o 1024 valori
  • 161. Costanza del livello di “bianco”
  • 162. Costanza del livello di “bianco”
  • 163. Uniformità di visualizzazione luminosa Immagine test a 5 quadranti per la misura della non uniformità di luminosità del monitor: TG18-UNl10 e TG18-UNL80 che corrispondono ad una luminosità che è rispettivamente il 10% e l’80% di quella massima.
  • 164. Uniformità di visualizzazione luminosa La non uniformità di luminanza è definita come il massimo scarto rispetto alla media del valore minimo e massimo misurato nelle cinque aree: NU = 2 * (Lmax- Lmin)/(Lmax+ Lmin) * 100 Deve essere usato un sensore di luminanza e appoggiato nei 5 diversi quadranti per misurarne la luminosità. Questa operazione non è vincolata alla presenza di un programma presente nel software di qualità del monitor, anche se molti programmi prevedono comunque tale semplice test. Oltre all’indice sintetico di non uniformità percentuale NU è utile, per avere una visione diretta della variabilità di risposta luminosa, riportare i valori della misura come scarto relativo al centro dello schermo, come nell’immagine seguente …
  • 165. … uniformità 92 89.5 100 NU = 11.1 % scarto max assoluto rispetto al 97.6 92.4 centro = 10.5%
  • 166. … uniformità NU = 16.7 % 165 165 (15%) (15%) scarto max assoluto rispetto al centro = 15 % 195 valori di luminanza (0%) differenza (%) rispetto al centro 174 177 (11%) (9%)
  • 167. Immagini test per valutazione complessiva della qualità Per poter verificare visivamente che i dispositivi usati per la visualizzazione dell’immagine abbiano qualità idonea a massimizzare le informazioni per l’osservatore sono in uso in molti sistemi immagini test di tipo “general purpose”. Il più diffuso è quello SMPTE (Society of Motion Picture and Television Engineers), mentre il più recente test dell’AAPM il TG18-QC, sta rapidamente diffondendosi per una valutazione un po’ più approfondita della qualità di visualizzazione di un monitor. Tali immagini permettono di valutare la corretta rappresentazione della scala dei grigi, della risoluzione orizzontale e verticale ad alto contrasto, della risoluzione a basso contrasto, della distorsione geometrica, di eventuali artefatti nella transizione fra zone chiare e scure etc…
  • 168. AAPM TG18 Test Patterns
  • 169. Immagine test TG18-QC Diversi aspetti possono essere valutati visivamente: • Risoluzione alto e basso contrasto •Distorsione •Scala dei grigi e trasferimento di contrasto •Uniformità
  • 170. Immagine test SMPTE 2 1 2 6 6 4 2 5 6 2 3 2
  • 171. Analisi immagine SMPTE Si verifica la corretta visualizzazione di un Fantoccio SMPTE le cui caratteristiche sono: 1. Lo sfondo del fantoccio SMPTE è un grigio uniforme al 50% del livello massimo. Questo permette di rivelare ogni problema di uniformità e artefatti delle immagini. 2 1 2 6 4 2 5 6 2 3 2
  • 172. Analisi immagine SMPTE 2. Le sezioni risoluzione ad alto e basso contrasto sono incluse nel fantoccio SMPTE al centro e ai 4 angoli. I test a basso contrasto sono della stessa frequenza, ma variano in contrasto dal 1% al 5%. Le sezioni ad alto contrasto presentano una modulazione in intensità del 100% ma variano in frequenza fino al limite massimo corrispondente ad una variazione pari alla dimensione del pixel (ad esempio un pixel bianco seguito da uno nero: frequenza di Nyquist). 2 1 2 6 4 2 5 6 2 3 2
  • 173. Analisi immagine SMPTE 3. Lo sfondo del fantoccio SMPTE è quadrettato (linee al 75% del livello massimo): questo evidenzia la presenza/assenza di distorsioni spaziali. 4. Un bordo (linea al 75% del livello massimo) circonda l'intero fantoccio e permettere di verificare se il fantoccio SMPTE è visualizzato o stampato nella sua interezza. 2 1 2 6 4 2 5 6 2 3 2
  • 174. Analisi immagine SMPTE 5. Una scala di grigi è posizionata all'intorno del centro dell'immagine al fine di valutare, nel limite del possibile, variazioni non uniformi della scala di luminosità. Il range dinamico dell'immagine viene rappresentato in undici gradini dallo 0% al 100% (con incrementi del 10%). Completano la scala dei grigi, degli inserti quadrati sovrapposti, con incrementi del 5%, su fondo nero e su fondo bianco (5% su 0% e 95% su 100%). Questi ultimi due step sono più difficili da vedere perché sono agli estremi della scala di luminosità. Sempre questi due inserti forniscono un riferimento utile per l'aggiustamento del contrasto e della luminosità del monitor che devono essere regolati in modo da permettere di evidenziarli entrambi.
  • 175. 6. Una coppia di finestre con estese zone di biancoSMPTE Analisi immagine su nero e nero su bianco permette di verificare il comportamento del sistema a prove di "stress" alle basse frequenze. Un sistema che funzioni correttamente deve essere in grado di riprodurre il gradino tra inserto nero e bianco in modo netto, senza ombreggiature, sconfinamenti, tremolii o macchie.
  • 176. Metodo Analisi immagine SMPTE 1- Analisi dell’immagine SMPTE sui monitor usati. 2- Valutazione se visibile il dettaglio 5% su 0% e 95% su 100%. 3- Valutazione delle barre di risoluzione al centro e ai bordi dell’immagine sia in alto che in basso contrasto.. 4- Osservare eventuale presenza di distorsione geometrica 5- Verificare il bordo fra nero e bianco e bianco e nero Tolleranza I gradini della scala dei grigi tutti risolvibili e simili per ogni monitor calibrato. I dettagli 5% su 0% e 95% su 100% devono essere chiaramente visibili. Le risoluzioni orizzontali e verticali non devono differire più del 20%. Non vi devono essere aloni intorno alle zone ad alto contrasto (rettangolo nero su sfondo bianco e viceversa). La griglia deve essere riprodotta senza distorsione o asimmetria.
  • 177. Illuminazione della sala di refertazione La riflessione della luce ambientale dovrebbe essere inferiore al 20% della luminanza minima
  • 179. Trasferimento del contrasto a diversi livelli di grigio Immagine (TG18-BR) (test di Briggs) Valutazione del trasferimento del contrasto a diversi livelli di luminosità e per dettagli di diversa dimensione. Un buon test di “qualità globale”
  • 180. •4 quadranti con 8 pannelli ciascuno; •ciascun pannello contiene un pattern di 16 “checkerboard” •il contrasto all’interno dei checkerboard, in termini di differenza di pixel-value nei 4 quadranti, è di 1, 3 , 7 e 15.
  • 181. Score di Briggs Per ogni pannello indagato è assegnato uno score in base al più piccolo checkerboard risolto da scala (da 4 a 90)
  • 182. Trasferimento del contrasto (CRT) Test di Briggs - 5MP CRT Barco MD521 MKII 90 80 70 60 contr 1 SCORE 50 contr 3 40 contr 7 contr 15 30 20 10 0 0-7 35-42 71-78 106-113 142-149 177-188 213-220 248-255 T-2 T-6 T-7 T-3 T-4 T-8 T-5 T-1 DDL
  • 183. Trasferimento del contrasto (LCD) Test di Briggs 5MP LCD Barco Coronis 90 80 70 60 contr 1 SCORE 50 contr 3 40 contr 7 contr 15 30 20 10 0 0-7 35-42 71-78 106-113 142-149 177-188 213-220 248-255 T-2 T-6 T-7 T-3 T-4 T-8 T-5 T-1 DDL
  • 184. Confronto CRT/LCD Abbiamo introdotto un indice sintetico IQS per confrontare velocemente i risultati fra sistemi diversi, oppure relativamente allo stesso monitor ma in condizioni diverse, ad esempio in presenza o meno della calibrazione con GSDF oppure ripetendo il test per verificare l’effetto della disomogeneità di luminanza. IQS = somma degli score di Briggs pesati di un fattore 1, 1/2 , 1/4, 1/8 IQS n. el. alta risoluzione CRT 33.2 0 LCD 42.1 9
  • 185. Glare La luce diffusa proveniente dall’interno dello schermo crea una luminosità diffusa e una velatura che riducono il contrasto. Rapporto di glare GR = (LB-LN)/(L-LN) basso glare  alto GR (>400) LB L LN
  • 186. Controlli periodici I controlli sui monitor per refertazione devono essere eseguiti dai fisici sanitari (FS) e dai tecnici T.S.R.M. (TR) con le seguenti frequenze e tolleranze: (le frequenze indicate per i controlli di costanza sono quelle consigliate, ma possono essere modificate in funzione delle singole realtà operative e dell’uso intensivo dei sistemi di osservazione. In particolare i controlli qualitativi con frequenza più alta possono anche essere effettuati direttamente dall’utilizzatore e non sono necessariamente oggetto di registrazione). DISPOSITIVI DI VISUALIZZAZIONE Parametri Accett. Stato Costanza Frequenza Tolleranza Luminosità X X X trimestrale bianco/nero FS,TR TR TR +5% trimestrale Calibrazione X X X FS,TR TR TR SD<1 scala dei grigi cd/m2 Non uniformità di X X semestrale X TR TR 15% campo FS,TR Valutazione X X settimanale test di X TR TR immagine FS,TR accettazio SMPTE,TG18-QC ne Riflessione luce X X X annuale <20% FS,TR TR TR esterna nero
  • 187. Refertando qua e là…
  • 188. American Association of Physicists in Medicine (AAPM), Task Group 18 Assessment of Display Performance for Medical Imaging Systems Public Draft (version 7.1), October 17, 2001 “According to the AAPM professional guidelines (AAPM 1994), the performance assessment of electronic display devices falls within the professional responsibilities of medical physicists in healthcare institutions. “ “The intent of this document is to provide standard guidelines to practicing medical physicists [……] for the performance evaluation of electronic display devices intended for medical use”
  • 191. Riconoscimento immagini C’è un cane sotto un albero in giardino
  • 192. Riconoscimento immagini Cavalli con montagna innevata sullo sfondo
  • 193. Riconoscimento immagini Allontanati dal monitor e vedrai la scritta Jesus.
  • 194. Riconoscimento immagini Allontanati dal monitor e vedrai la scritta Lift.
  • 195. Predisposizione Guarda l'immagine qui sotto e rispondi velocemente: chi è l'uomo dietro a Clinton? Al Gore? No, è sempre Clinton con i capelli e la giacca più scuri
  • 196. Predisposizione Leggi velocemente la scritta qui sotto Coca Cola? No, Coca Coca
  • 199. Disturbi visivi I cerchi poggiano tutti su una stessa linea retta
  • 200. Disturbi visivi Il cerchio sembra irregolare, invece è perfettamente rotondo
  • 201. Disturbi visivi Le linee rosse sono rette e perfettamente parallele
  • 202. Continuità Classico esempio di figura che produce un effetto fastidioso. Fissa per un po' l'immagine e poi sposta lo sguardo su un muro bianco. Vedrai un effetto interessante...