En oppsummering med enkelte highlights, men solformørkelse på badet. Jacob Nøtthellen 2010

Transkript

1 En oppsummering med enkelte highlights, men solformørkelse på badet. Jacob Nøtthellen 2010

2 Presentasjon av NTH-studenten Jacob Hatet ioniserende stråling Elsket biokjemi Drømte om jobb ved samlebåndet Var innom metabolic modelling Lagde et plystrende EKG-apparat

3 En oppsummering av det jeg har lært og det jeg har gjort innen faget røntgenfysikk

4 Gy 8 Huddose s.f.a. KAP 514 pasienter på lab 5 gamle RH mars 97 - april y = 1,4E-04x cgycm²

5 Fordeling av maksimal huddose for 514 pasienter på lab 5 70 % 60 % 50 % 40 % P(D H /Gy>x) = e -x 30 % 20 % 10 % 0 % Maksimal huddose / Gy

6 Andreas Abildgaard, Jacob Nøtthellen: Increasing contrast when viewing radiographic images. Lyskasse Røntgenbilde Radiolog

7

8

9 MODELL

10 MODELL

11 MODELL

12 MODELL

13 MODELL

14 MODELL

15 PHYS. MED. BIOL., 1979, Vol. 24, No. 3: Computation of Bremsstrahlung X-ray Spectra and Comparison with Spectra Measured with a Ge(Li) Detector (R. BIRCH and M. MARSHALL). Spektrene er på formen I N A T T 0 1 T m c 0 2 Q dt dx 1 exp C T 2 0 T 2 cot dt og derfor upraktiske i bruk.

16 BIRCH & MARSHALL-spektrum I N N D A T A kv : 80 mas : 2 Kalibreringsfaktor : 1,000 Anodevinkel er 10 cm : 150 Filtrering : mm Be mm C mm Al mm Cu mm Pb cm PMMA cm vann cm luft cm muskel cm ben 0,0 0,0 3,50 0,10 0,000 0,0 0, ,0 U T D A T A Luftkerma : 0, mgy ( 2,45 mr ) Fotoner/mm² : 5,172E+05 4,344E-04 mj/cm² Fotoner/mm²mGy : 2,420E+07 20,32 mj/gycm² Middelenergi : 49,5 kev HVL : 4,919 mm Al HVL : 0,198 mm Cu

17 Måling handler om å fremskaffe mer korrekte data enn før måling. I N N D A T A kv : 80 mas : 2 Kalibreringsfaktor : 1,000 Anodevinkel er 10 cm : 150 Filtrering : mm Be mm C mm Al mm Cu mm Pb cm PMMA cm vann cm luft cm muskel cm ben 0,0 0,0 3,50 0,10 0,000 0,0 0, ,0 U T D A T A Luftkerma : 0, mgy ( 2,45 mr ) Fotoner/mm² : 5,172E+05 4,344E-04 mj/cm² Fotoner/mm²mGy : 2,420E+07 20,32 mj/gycm² Middelenergi : 49,5 kev HVL : 4,919 mm Al HVL : 0,198 mm Cu Beregning handler om å fremskaffe mer korrekte data enn før beregning.

18 Barracuda gir noen ganger mer korrekte data enn regnearket SPEKTRUM. SPEKTRUM gir noen ganger mer korrekte data enn Barracuda. Måling + beregning er alltid best.

19 Det er nyttig å bruke matematiske modeller og beregninger når man skal gjøre målinger. På samme måte som det er nyttig å bruke kart og kompass når man skal løpe orientering. Det er mulig å løpe fortere uten kart og kompass, men da vet man ikke alltid hvor man er og hvor man skal.

20 Eksempel på måling med Barracuda MPD. Barracuda-målinger Barracuda mm Al mm Cu fokus kv ma ms mas pps kv ms K A /μgy TF HVL T Cu KF μgy (1m) % μgy %kv 0 0 FF 70 10,18 70,265 20, ,1 3,38 2,84 1,00 1, % 0 % 0 0 GF 70 10,18 70,04 20, ,4 3,45 2,87 1,00 1, % 0 % 0 0 GF 70 10,24 70,21 13, ,9 3,30 2,80 1,00 1, % 0 % 0 0,1 GF 60 20,21 59,911 25, ,5 6,97 3,52 0,45 1, % 0 % 0 0,2 FF 90 10,19 89,554 26, ,6 10,84 6,36 0,44 1, % 0 % 0 0 FF ,18 66,157 65, ,7 3,50 2,73 1,00 1, % 0 % 0 0 GF ,2 89,425 21, ,0 3,39 3,67 1,00 1, % -1 % 0 0 GF ,22 80,541 21, ,6 3,34 3,25 1,00 1, % -1 % 0 0,1 FF ,13 79,541 19, ,3 7,20 4,76 0,58 1, % -2 % 0 0,1 FF ,72 72,469 20,676 65,9 6,89 4,24 0,53 1, % -1 % 0 0,1 FF ,72 72,469 20,676 65,9 6,89 4,24 0,53 1, % -1 % 0 0 FF 63 2,97 62,808 6, ,1 3,49 2,60 1,00 1, % 0 % 0 0 FF 60 1,94 59,723 4,059 46,3 3,44 2,46 1,00 1, % 0 % 0 0 FF 58,5 1,39 57,568 3,03 31,2 3,25 2,30 1,00 1, % -2 % Modell

21 Radiologens dose (DAP) Fysikerens dose Serviceingeniørens dose

22 Monte Carlo, vannfantom, sylindrisk geometri

23 K W = 0,6 mgy DI E m All energi avsatt i vannfantomet Vekt av vann ( tykkelse felt) K A = 1 mgy The dose index, DI, is defined as the energy imparted to the water phantom divided by the mass of a water cylinder with height equal to the phantom thickness and a surface area equal to the area of the X-ray beam in the center of the phantom.

24 90 kv 3,0 mmal 0,1 mmcu % 90 % 80 % 70 % EI EI P EI S P out S out % 50 % % % % 10 % / K a (g/cm²) % Thickness of water phantom [cm]

25 60 kv 3,0 mmal 0,0 mmcu % 90 % 80 % 70 % EI EI P EI S P out S out % 50 % % % % 10 % / K a (g/cm²) % Thickness of water phantom [cm]

26 μ G y Eksempel på måling av dose til fantom. Lab 6 BORD Siemens FD mmal GF FF Målinger Luft 70 ESD Vann Dato mm Al mm Cu Fokus kv ma ms mas pps PMMA Dose Felt SPD SID T Cu DF μgy g/cm² mgy cm μgy g/cm² g/cm² P ut Pei Sei 1-P ut E avs P E avs S E avs FF / GF / GF / GF / FF / FF /

27 Dosemåling på røntgenlab. Kristin P: mammografi. Jacob: skjelett, thorax, gjennomlysning, angio/intervensjon. Kristin P Fantom-målinger med eksponeringsparametre som ved pasientundersøkelse. Tykkelse av PMMA-fantom velges for å gi typiske eksponeringsverdier. Eksponering med AEC. Måling av luftkerma og HVL ved de aktuelle kombinasjoner av kv, mas og anode. Konversjonsfaktorer mellom luftkerma og organdose finnes fra tabeller for bryst simulert med PMMA. Organdose beregnes ut fra målt luftkerma og tabulert konversjonsfaktor. Jacob Måling av luftkerma ved utvalgte kombinasjoner av kv, mas og filtrering. Beregning av totalfiltrering (TF) og kalibreringsfaktor (KF) for luftkerma. Luftkerma kan da beregnes for alle kombinasjoner av kv, mas og filtrering Fantom-målinger med eksponeringsparametre som ved pasientundersøkelse. Tykkelse av PMMA-fantom velges for å gi typiske eksponeringsverdier. Eksponering/gjennomlysning med AEC. Beregning av luftkerma ved de aktuelle kombinasjoner av kv, mas og tilleggsfiltrering. Konversjonsfaktorer mellom KAP og energy imparted i vann beregnes fra Monte Carlo-beregninger på vannfantom. Doseindeks i vann beregnes ut fra beregnet luftkerma og beregnet konversjonsfaktor.

28 % LF SF fl mf % Angio 6 Siemens mmal mmal LF LF SF SF fl fl mf mf 6 % 1 % Barracuda MPD Model Barracuda -2 % -2 % Focal μgy (1m) Date SDD /cm mm Al mm Cu fl % -1 % fl % -1 % fl % -1 % fl % -1 % fl % 1 % fl % 1 % fl % 1 % fl % 1 % fl % 1 % LF % -2 % LF % -2 % SF % -1 % SF % -2 % LF % -1 % LF % -2 % Measured 0 LF Tube 125 voltage 596 is too 10 high for 74.5 the selected 12.5 range Click "adjust meter" - and select - another 1.00range % Tube voltage 0 cannot 0 be LFmeasured, 125 the 596 exposure 10 rate 74.5 is too 12.5 high. Click the "Adjust meter" button - and change "Tube 0.92 voltage 6325 sensitivity" % LF % 0 % SF % -1 % SF % -1 % LF % -1 % SF % -1 % SF % -1 % SF % -1 % Table Quality Control in a conventional X-ray laboratory routine application of theoretical spectra Jacob Nötthellen, Ellinor Bilet Section of diagnostic Physics, Clinic of Oncology and Radiation Therapy, Oslo University Hospital, Norway I N P U T S kv : 90 mas : 12 Calibration factor : Anode angel 10 cm : 115 Filtration : mm Be mm C mm Al mm Cu mm Pb cm PMMA cm water cm air cm muscle cm bone mm I O U T P U T S Air kerma : mgy ( mr ) Photons/mm² : 7.819E E-03 mj/cm² Photons/mm²mGy : 2.531E mj/gycm² Mean energy : 53.1 kev HVL : mm Al HVL : mm Cu A. The theoretical spectra of Birch and Marshall (1), supplemented with data for characteristic radiation from the tungsten target, have been implemented in an Excel-worksheet. With the use of attenuation data for Al, Cu, water and some other materials this worksheet provides mean energy, air kerma, energy fluency, photon fluency and half value layer spot kv ma ms mas pps kv ms K A/μGy TF HVL TCu CF % μgy %kv B. A parameterized representation of the air kerma is provided by an Excel-worksheet. An x-ray multimeter measures the X-ray kilovoltage and the radiation yield. By calibrating the air kerma measurements against the corresponding calculated values it is possible to estimate the total filtration and a calibration factor for the radiation yield. Poster i Malmö INPUTS 90 kv 3.50 mmal 0.1 mmcu 80 cgycm² 25 cm H2O OUTPUTS cm H2O mj g/cm² g/cm² % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % P out S out EI P EI S EI Phantom thickness / cm water C. The energy imparted to a homogeneous phantom is calculated by combining the nominal kv, mas and filtration with the theoretical spectra and results of a set of Monte Carlo-simulations. Selected results Modality II 1999 II 1999 FD 2007 FD 2007 Modality II 1993 FD 2008 Modality CR 1993 CR 1999 FD 2008 Examination Card fluoro Card DCM Card fluoro Card DCM Examination ERCP fluoro ERCP fluoro Examination Chest front Chest front Chest front kv kv kv Cu mm Cu mm Cu mm PMMA cm PMMA cm PMMA cm ESD/s mgy/s ESD/s mgy/s ESD mgy EI/KAP [g/cm²] EI/KAP [g/cm²] EI/KAP [g/cm²] EI/m²s [mj/cm²s] EI/m²s [mj/cm²s] EI/m² [mj/cm²] Angio 6 Siemens Set-ups and readings mm Al mm Cu Measurements with Barracuda MPD TF: Total filtration Date Angio 6 LF: Calibration factor SF: Calibration factor fl: Calibration factor SDD 89.4 mmal LF SF fl μgy og m² relate to the exit surface of the phantom. Date mm Al mm Cu Focus kv ma ms mas pps PMMA Dose FOV SPD SID T Cu CF μgy μgy g/cm² mgy H2O mj/m² g/cm² g/cm² P out P ei S ei 1-P out EI P EI S EI fl F SF DCM 8s fl F LF DCM 8s fl F LF DCM 8s fl F LF DCM 8s fl F LF DCM 8s Barracuda MPD Model Barracuda Focal spot kv pma ms ma pps kv ms μgy/s TF HVL pps μgy/p TCu CF μgy/mas (1m) % μgy %kv Comments 0 0 GF % -3 % 0 0 GF % -3 % 0 0 GF % -4 % 0 0 GF % -2 % FF % -2 % FF % -2 % GF % -2 % 0 0 GF % -1 % 0 0 GF % 0 % fl % 1 % fl % 2 % fl % -2 % Air 1.3 This is a complete set of measurements 60 ESD Water Ellinor har langt på vei utviklet dette videre til en artikkel. D. As a result the energy imparted can be compared between different laboratories, procedures and techniques. E. A spin-off product of this method is an Excel-worksheet where the measured and calculated air kerma can be compared immediately after the exposure. Reference List (1) R.Birch, M.Marshall. Computation of Bremsstrahlung X-ray Spectra and Comparison with Spectra Measured with a Ge(Li) Detector. Phys Med Biol 1979;24(3):

29 Birch & Marshall SPEKTRUM10 PARAMETRISERING av spektrum. Monte Carlo PARAMETRISERING av primær K A. PARAMETRISERING av sekundær K A. PARAMETRISERING av primær og sekundær K W. EXCEL-ark for tilbakespredt stråling. EXCEL-ark for Barracuda EXCEL-ark for avsatt energi i vannfantom. Barracuda PMMA-fantom

30 Monte Carlo, vannfantom, sylindrisk geometri

31 Beregning av luftkerma for tilbakespredt stråling 110 kv [40-150] 3 mm Al totalfiltrering uten Cu [2-6] 0.2 mm Cu tilleggsfiltrering [0-0,5] 30 cm tykt vannfantom 100 cm avstand fra feltsenter på fantom 30 fra rett tilbake [20-90] 11.3 m² 280 mgy cm² (KAP) Gy BLÅ tall er input. RØDE tall er svar.

32 Beregning av luftkerma for tilbakespredt stråling 70 kv [40-150] 3 mm Al totalfiltrering uten Cu [2-6] 0 mm Cu tilleggsfiltrering [0-0,5] 20 cm tykt vannfantom 100 cm avstand fra feltsenter på fantom 60 fra rett tilbake [20-90] 25.1 m² 280 mgy cm² (KAP) Gy BLÅ tall er input. RØDE tall er svar.

33 Optimalisering av thoraxfotografering av barn. Optimalisering av barnethorax. Effektiv dose etter optimalisering. 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % 0-2 år 2-9 år 9-16 år

34 Contrast Output Signal Optimalisering av thoraxfotografering av barn. LUT 2-15 Optimalisering av barnethorax. Effektiv dose etter optimalisering % % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % 0-2 år 2-9 år 9-16 år LUT ,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0, Intput Signal (log) 0,00 0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3,0 ST-G ST-L ST-G ST-L 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, Input Signal (log)

35 ICRU REPORT 54 MEDICAL IMAGING THE ASSESSMENT OF IMAGE QUALITY 88 sider. Alle som skal måle bildekvalitet bør lese denne. Men det er tungt stoff. Ble forståelig takket være forelesningene til James T Dobbins III i Malmö Fikk også hjelp av Andreas Abildgaard og senere av Bente Konst.

36 The Ideal Bayesian Observer observert i høstmørket 1999 av Jacob Nøtthellen. 20 sider kommentarer til 2 sider i ICRU 54. Den store dagen min var da jeg skjønte PWMF. Et lite regneeksempel i to deler.

37 ICRU REPORT 54 MEDICAL IMAGING THE ASSESSMENT OF Definisjon på bildekvalitet. IMAGE QUALITY.. the effectiveness with which the image can be used for its intended task. ICRU REPORT 54 p. 1

38 Et astronomisk eksempel: Karlsvogna

39 Et astronomisk eksempel: Karlsvogna

40 Et astronomisk eksempel: Karlsvogna

41 RELEVANS/VIKTIGHET Slik øker vi bildekvaliteten. SYNBARHET/SYNLIGHET

42 To typer bildekvalitet 1. Alle interessante strukturer skal være synlige i bildet samtidig. 2. Man kan godta at visse interessante strukturer kun blir synlige etter optimal bruk av windowing og zoom.

43 Jacob Nøtthellen DQE MTF NEQ NPS PSF ROC SNR VI 15 sider. Et simulert eksempel som demonstrerer hvorfor det er mer effektivt å telle fotoner (NEQ) i et homogent bilde enn det er å telle synlige strukturer i bilder av et fantom. TELLER Metoden som er beskrevet her kan brukes i praksis. FOTONER En innføring i måling av bildekvalitet hvorfor og hvordan røntgenfotoner telles Versjon

44 Hvordan man teller fotoner ut fra pixelverdier i røntgenbilder. NEQ 2 2 Simulert Ekte

45 Jacob Nøtthellen DQE MTF NEQ NPS PSF ROC SNR DQE (0) NEQ(0) VI TELLER FOTONER En innføring i måling av bildekvalitet hvorfor og hvordan røntgenfotoner telles I N N D A T A Versjon kv : 90 mas : 25 Kalibreringsfaktor : Anodevinkel er 10 cm : 100 Filtrering : mm Be mm C mm Al mm Cu mm Pb cm PMMA cm vann cm luft cm muskel cm ben mm U T D A T A Luftkerma : mgy ( 0.55 mr ) Fotoner/mm² : 1.471E E-04 mj/cm² Fotoner/mm²mGy : 3.085E mj/gycm² Middelenergi : 61.4 kev HVL : mm Al HVL : mm Cu

46 DQE (0) Detektor i bord 16 mas. 75 % 74 % 73 % 72 % 71 % 70 % 69 % 68 % 67 % 66 % 65 %

47 NEQ. Fotoner pr. mm² Dekorrelasjonskurve sammenlignet med Siemens (lab 7 WS). MTF 1.0E E+05 GE Siemens GE Siemens GE MTF E Pixelpar pr. mm lp/mm MTF lab Lp/mm " MTF"( ) (" NEQ"(0) /" NEQ"( )) (0,072 0,665 0,5 )

48 Fantom og scatter. I N N D A T A kv : 90 mas : 25 Kalibreringsfaktor : Anodevinkel er 10 cm : 100 Filtrering : mm Be mm C mm Al mm Cu mm Pb cm PMMA cm vann cm luft cm muskel cm ben mm I U T D A T A Luftkerma : mgy ( 0.55 mr ) Fotoner/mm² : 1.471E E-04 mj/cm² Fotoner/mm²mGy : 3.085E mj/gycm² Middelenergi : 61.4 kev HVL : mm Al HVL : mm Cu SNR 2 C 2 P 2 C 2 P 1 P S 1 SPR

49 Bilde uten raster

50 Bilde uten raster Beam stops

51

52

53

54 Bilde uten raster Beam stops S

55 P Bilde uten raster Beam stops S

56 P Hull Bilde uten raster Beam stops S SNR 2 C 2 P 2 P S 25

57 P Hull Hull Bilde uten raster Beam stops S

58 How to make a decision on using grid or not? Jacob Nøtthellen, Bente Konst, Arne Skretting, Andreas Abildgaard SNR if ² can now be expressed by the formula SNR 2 if T P 1 1 SPR SPR without grid with grid. Since SNR is not an explicit part of this formula it is not necessary to know SNR with grid and SNR without grid to calculate SNR if ². Alternatively, SNR if ² can be expressed with the equivalent equation SNR 2 if T 2 P B.

59 How to make a decision on using grid or not? Jacob Nøtthellen, Bente Konst, Arne Skretting, Andreas Abildgaard In these maps the white areas represent SNRif² 1. They are regions where the grid causes a reduction in the SNR. Black areas, if present, represent SNRif² 2. SNRif² = 1 corresponds to unchanged SNR. SNRif² = 2 corresponds to the same increase in the SNR as will doubling the dose. In each SNRif²-map there is a scale for SNRif², 1.00 (white) (black).

60 Rekursiv filtrering. K-faktor.

61 Rekursiv filtrering Input Add A /(1+K) Memory Output M K

62 Standardavvik/standardavvik(1s) Gjennomlysning 2-3 mm Cu 2 Philips Allura 12 pps 1.5 GE Innova 15 pps Siemens AXIOM Artis 10 pps K=Auto Bilde av 4 mm Cu med Xres Sekunder gjennomlysning

63 Philips Allura. Gjennomlysning med og uten Xres. Tilsvarer ekvivalent dosefaktor 40.

64 Jacobs TID-i-meter

65 Mach-bånd

66 Mach-bånd

67 Skarphet og romlig oppløsning 1.6 MTF Gauss Meksikansk hatt Gauss 0.8 Meksikansk hatt

68 Skarphet og romlig oppløsning

69 Skarphet og romlig oppløsning

70 Skarphet og romlig oppløsning Objekt Gauss Meksikansk hatt

71 Hva er dette?

72 To nålehullmatriser BLY PAPP

73

74

75

76 Fokusstørrelsen måles bedre med pin-hole-camera enn med en konvolusjon. Men en solformørkelse kan med fordel oppleves som en konvolusjon.

77