Optimierung Bildqualität Dosis Projektionsradiographie mit digitalen Bildempfängern: Optimierung von Bildqualität und Dosis Optimierung Bildqualität Dosis Dr.in Nadia Oberhofer Betrieblicher Dienst für medizinisch Strahlenphysik Südtiroler Sanitätsbetrieb, Bezirk Bozen, Krankenhaus Tel. 0471-907524 email: nadia.oberhofer@asbz.it Leiter: Dr. E. Moroder

Übersicht Unterschiede Film-Folien-System / digitale Systeme Funktionsweise CR Funktionsweise DR Rx-Röhrenemission / Rx-Detektorabsorption Optimierung bei digitalen Systemen Dosisbegriffe Bildqualität

Vergleich analoge / digitale Systeme Analoges Film-Folien-System: Film muss alle 3 Aufgaben erfüllen  Kompromiss FILM Bildempfänger Bilddarstellung Archivierung Detektor/SF Monitor PACS Digitales System: 3 getrennte Medien  jedes optimiert

Belichtungskennlinien analoge/digitale Systeme Analoges Film-Folien-System (FFS): hat sehr engen optimalen Belichtungsbereich flacht bei niedriger Belichtung ab  Unterbelichtung geht bei hoher Belichtung in Sättigung  Überbelichtung Digitale Bildempfänger: lineare Kennlinie großen dynamischen Bereich (103-104) kaum Über-/Unterbelichtungen

Film-Folien-System (FFS) Digitales System Bild auf Film ändert sich mit Belichtungsmenge Nützlicher Belichtungsbereich begrenzt; 2 Bindungen:  Filmschwärzung  Kontrast Bild am Monitor ändert sich nicht mit Belichtungsmenge Veränderbare Fensterung (WW, WL) ermöglicht automatische Konstrast- und Grauwertanpassung Syllabus 2003, J.A. Seibert ½ E E 2*E ½ E E 2*E Gutes Bild  Exposition korrekt kein feedback Exposition

Wie funktionieren Speicherfolien? Laser Trap Fluoreszenz Digitale Lumineszenzradiografie (Computed Radiography, CR): Speicherfolie besteht aus kristalliner Schicht von Halogenidverbindungen ähnlich wie Verstärkerfolien Ein Teil der absorbierten Röntgenstrahlung wird in metastabilen Energieniveaus (Traps) gespeichert. Das Abtasten mit einem Laser bringt die gefangenen Elektronen punktweise zur Fluoreszenz (Abbildung rechts),wobei die Leuchtintensität proportional zur Zahl der absorbierten Röntgenquanten ist

CR – Technologie Speicherfolie Herkömmliche Speicherfolie Neuartige Speicherfolie Strukturiertes Phosphor CsBr:Eu2+ Wirkung “Lichtführung” Reduzierte Streuung des stimulierenden Lasers  dicker Schicht möglich 600 mm Höhere Phosphordichte  höhere Effizienz  höhere Auflösung Phosphorpulverförmig: Diffusion des Laserlichts Phosphor BaFB:Eu2+ Schichdicke begrenzt 230 mm normal (140 mm für HR)

CR – Technologie Digitizer Tradizionell: flying spot single reading (Agfa CR75, CR85) Richtung Sub-scan: Laser tastet Folie Punkt für Punkt ab Abtastgeschwindigkeit durch “afterglow” begrenzt (43 x 43: 40s) Fixes Faseroptiksystem sammelt Licht Richtung Scan: Folie wird mit konstanter Geschwindigkeit transportiert Abtastfrequenz (= Ortsauflösung) veränderbar (normal 100 µm, HR 50 µm) Nachträgliches „Löschen“ mit starker Lichtquelle („erase“) notwendig um Restinformation auszulöschen Auslesen langsam

CR – Technologie Digitizer flying spot double reading (Fuji) Transparente Trägerschicht Doppeltes System zum beidseitigen Auffangen des Lichts Höhere Effizienz + 60% ermöglicht dünnere Phosphorschichten (170 µm)  > Ortsauflösung, in Mammographie bei gleicher Dicke (340 µm)  < Dosis, in Pädiatrie

CR – Technologie Digitizer Neu: line scanning (Agfa DX-S) Richtung Sub-scan: Abtasten einer ganzen Zeile (Stimulation mit Laserzeile) Licht eingesammelt durch CCD Richtung Scan: Speicherfolie fix, Scanning Head bewegt sich schneller einfachere Mechanik, kompakt kann in Röntgengeräte eingebaut werden

CR – esempi apparecchi innovativi Agfa CR 30-X tradizionale table top, 100 µm Fuji Profect Lettura dual side Flying point, 50 µm Fuji Clear View Lettura dual side Line scanning, 50 µm Fuji FCR Velocity Lettura single/dual side Line scanning, 100 µm Agfa DX-S Fosfori strutturati Line scanning, 50 µm

DR - Flachdetektoren Signalumwandlung in 2 Schritten: Umwandlung Rx in elektrisches Signal direkte oder indirekte Konversion Auslesen elektrisches Signal

DR – Flachdetektoren – Schritt 2: Auslesen Auslesen elektrisches Signal Pixelmatrix aus amorphem Silizium (a-Si:H), (ev. Photodioden) und Schalttransistoren (Thin Film Transistor,TFT) in Dünnfilmtechnik Amorphes Silizium wird als dünne Schicht (5-9 µm) aus einer Silan (SiH4)-Gas-Atmosphäre auf eine Glasplatte abgeschieden, dann (ev. Photodioden und) TFT lithographisch aufgebracht. Pixelgröße festgelegt, heute meist ca. 150 µm bei Photodioden; ohne Photodiode auch kleiner

DR – Schritt 1: Indirekte Konversion Vorgeschaltete Fluoreszenzschicht Braucht hohe Lichtausbeute, meist mit Thallium dotiertes Cäsiumjodid (CsI:Tl) Durch Aufdampfen entstehen kristalline Nadeln auf einem röntgendurchlässigen Träger. Diese werden (mit dem Träger nach oben) auf die a-Si-Matrix gelegt Die Nadelstruktur leitet das Fluoreszenzlicht wie parallele Lichtleiter zur a-Si-Photodiode. Dadurch bleibt die Ortsinformation weitgehend erhalten. Sehr effizient (Z = 33, 35) schnelles Auslesen, dynamische Anwendungen

DR - Schritt 1: Direkte Konversion a-Si-Matrix aus TFT-Schaltern mit einem Photohalbleiter aus amorphem Selen (a-Se) beschichtet. bei Bestrahlung entsteht direkt Ladung (Elektron-Loch-Paare) Starkes elektrisches Feld sehr hohe Ortsauflösung Z = 14, über 60 keV weniger effizient langsam (Löschzyklus), keine dynamischen Anwendungen sehr Temperatur empfindlich Da Kalender 2007

Vergleich Eigenschaften FFS/digitale Systeme Parameter FFS CR DR indirekt (CsI) direkt (a-Se) Ortsauflösung +++ - + ++ Zeitaufwand Dosiseffizienz +(++)

DR – „wireless“ Bildempfänger Derzeit aus Gd2O2S, Substrat nicht steif ca. 3-4 Kg Kann wie eine Kassette für besondere Untersuchungen verwendet werden (z.B. unter Belastung) Kombiniert mit Standgeräten oder mobilen Geräten Siemens Ysio wi-D GE Brivo™ DR-F Philips Carestream

DR- Durchleuchtung Derzeit nur indirekt mit CsI

CR/DR – nuove problematiche pratiche Absorptionseigenschaften digitale Detektoren CR/DR – nuove problematiche pratiche Digitale Bildempfänger haben eine andere Energieantwortkurve im Vergleich zu FFS: FFS CR DR (Gd2O2S) (BaFBr) CsI a-Se Kantenabsorption (Photoeffekt) 50 keV 40 keV 37 keV 14 keV Gd2O2S (FS) BaFBr (SP) Rx-Emissionsspektrum muss angepasst werden

Einfluss Rx-Spektrum Rx-Spektrum besteht aus 2 Komponenten: Charakteristische Strahlung Bremsstrahlung Das Rx-Spektrum wird beeinflusst durch: Hochspannung (kV) Anode Zusatzfilterung

Rx-Spektrum: Einfluss kV 140 80 Bremsstrahlung und charakteristische Strahlung für eine Röntgenröhre mit Wolfram-Anode bei 80, 100, 120, and 140 kVp Röhrenspannung und gleichem Anodenstrom. kV verändern Spektrum Intensität nimmt mit kV zu

Rx-Spektrum: Einfluss Anode/Filter Anode verändert Spektrum bestimmt charakteristische Strahlung Filter verändern Spektrum Kupfer „monochromatisiert“

Wirkung Zusatzfilterung absorbiert niederenergetische Photonen  mittl. Energie > reduziert Intensität charakteristische Strahlung unverändert (anoden-spezifisch) mit Al-Filter mit Al-Filter ohne Al-Filter

Übersicht Unterschiede Film-Folien-System / digitale Systeme Funktionsweise CR Funktionsweise DR Rx-Röhrenemission / Rx-Detektorabsorption Optimierung bei digitalen Systemen Dosisbegriffe Bildqualität

Absorbierte Dosis D - [Gy] = 1J/g(Gray) Dosis – welche? Dosis: „Indikator“ für Energiemenge, die durch ionisierende Strahlung abgelagert wird. Es gibt verschiedene Definitionen. E1 E2 E3 Bildempfänderdosis 1 g Absorbierte Dosis D - [Gy] = 1J/g(Gray) Abgelagerte Energie/Masseneinheit. Beispiel: E1 – E2 + E3 Hauteintrittsdosis - [Gy] = 1J/g(Gray) Abgelagerte Energie in 1 g äußerer Hautschicht, inkl. Rückstrahlung

Äquivalenzdosis H = D *Faktor Strahlenqualität Dosis – welche? Äquivalenzdosis H = D *Faktor Strahlenqualität Für Rx: FSQ = 1  H = D [Sv] = 1J/g (Sievert) Biologische Wirkung Im Strahlenschutz zum Erfassen des gesundheitlichen Risikos Definiert „mittleres“ Risiko auf den ganzen Körper bezogen: berücksichtigt:  Strahlenart (X o Radiaktivität)  Strahlenempfindlichkeit einzelner Organe Berücksichtigt nicht: individuelle Faktoren (Alter,Geschlecht, Gesundheit) Ermöglicht den Vergleich der Strahlenexposition zwischen verschiedenen Untersuchungsmodalitäten (Projektion, CT). Effektivdosis E = H * Faktor Organ [Sv]

Dosisangabe in digitalen Systemen Software stellt alle digitalen Aufnahmen mit gleichem Grauwert und gleichem Kontrast dar, fast unabhängig von der Exposition.  kein unmittelbares, visuelles Feed-Back Software liefert Dosisindex. SAL, lgm, EI (Exposure Index) Je nach Firma verschieden. Achtung: kein absolutes Maß für die Dosis, wird von Aufnahmetechnik beeinflusst. Syllabus 2003, J.A. Seibert ½ E E 2*E

Dosisindex Numerischer Wert, kennzeichnet Bildempfängerdosis Steht im Zusammenhang mit einfallender Strahlenmenge Jede Firma hat eigene Rechenmethode Bemühungen zur Vereinheitlichungen im Gange 800 400 200 100 FFS EK Filme lgM ist logarithmisch +0,3 lgM = doppelte Dosis EXI-Wert ist linear 2*EXI = doppete Dosis

Dosis hängt ab von….kV RADIOGRAFIA - RÖNTGENAUFNAHME   DOSE - DOSIS in µGy / mAs Distanza fuoco - cute Fokus - Haut – Abstand kV 80 cm 100 cm 120 cm 140 cm 160 cm 180 cm 50 29 19 13 10 7 6 60 46 20 15 11 9 70 65 42 21 16 81 87 56 39 28 22 17 90 106 68 47 35 27 100 129 83 57 32 26 109 151 97 67 49 38 30 121 184 117 82 36 133 218 140 71 54 43 bei gleichen mAs steigt die Eintrittsdosis mit zunehmenden kV

Dosis hängt ab von….Röhrenausbeute bei gleichen mAs hängt die Eintrittsdosis von der Röhrenausbeute ab

Dosis hängt ab von….Filterung bei gleichen mAs nimmt die Eintrittsdosis mit zunehmender Filterung ab

Bildqualität hängt ab von ….? Bei radiologischen Bildern: Erkennbarkeit von Details hängt vom Kontrast des Details im Vergleich zum Hintergrund ab. Die Größe ist ein einfacher (relativer) Messparameter für die Bildqualität. Contrast Noise Ratio = Kontrast/Rauschen-Verhältnis

Bewertung Bildqualität: CNR Contrast Noise Ratio = Kontrast/Rauschen-Verhältnis Phantom: 25 cm x 25 cm homogene Plexiglasplatten unterschiedlicher Dicke (13 cm für Thorax, 16 für Abdomen) mit 1.5 cm x 1.5 cm Aluminiumfilter als Kontrastdetail MPV = mittlerer Pixelwert SD = Standardabweichung ROI = Filter, 1.5 mm Al BKG = Hintergrund Kontrast = Differenz der mittleren Pixelwerte Rauschen = Standardabweichung

Die Effektivdosis hängt ab von …. bei gleichbleibender Effektivdosis nimmt mit zunehmenden kV die Bildqualität (CNR) ab

Die Effektivdosis hängt ab von …. bei gleicher Bildqualität nimmt mit zunehmenden kV die notwendige Effektivdosis zu

Digitale Systeme: Vorschlag zur Optimierung In Geräten mit digitalem Bildempfänger könnte bei Thorax- und Abdomenuntersuchungen eine Reduzierung der herkömmlichen Hochspannung eine Dosisersparnis bringen. Achtung: Expositionszeiten Durchdringung muss sein! Sonst Rauschen! Andere Möglichkeit: Zusatzfilterung Protokolle an klinische Fragestellung angepasst: Optimierung in digitaler Radiographie = so wenig Dosis wie zur Abklärung der klinischen Fragestellung notwendig

Dosis und Bildqualität Bildqualität wird bestimmt durch Auflösung Kontrast/Rauschen-Verhältnis Dosis? Dosis? Bildqualität Auflösung Kontrast/Rauschen Dosis?

Dosis – Hoch-Kontrast-Auflösung Dosis hat auf Hoch-Kontrast-Auflösung keinen Einfluss

Dosis – Nieder-Kontrast-Auflösung Dosis hat auf Nieder-Kontrast-Auflösung Einfluss

Danke!

good image  correct expos. Film-Screen (FS) Digital System useful exposure range is limited Image on film changes with dose 2 costraints: get correct film blackening  dose control get correct contrast on image  radiation quality control good image  correct expos. Image on monitor does not change variable window settings (WW, WL) allow automatic gray level and contrast adjustment no immediate feedback on dose „linear“ response over 104 Soft-copy visualization ½ E E 2*E ½ E E 2*E no control on exposure

Bildqualität hängt ab von…kV bei gleicher Effektivdosis nimmt die Bildqualität (CNR) mit zunehmenden kV ab bei gleicher Bildqualität nimmt die notwendige Effetkivdosis mit zunehmenden kV zu cc