Bildekvalitet i Røntgendiagnostikk. Bjørn Helge Østerås Medisinsk Fysiker Bilde og Intervensjonsklinikken Oslo Universitetssykehus, Ullevål

Transkript

1 Bildekvalitet i Røntgendiagnostikk Bjørn Helge Østerås Medisinsk Fysiker Bilde og Intervensjonsklinikken Oslo Universitetssykehus, Ullevål

2 Innhold Emner Kontrast. Støy. Kontrast/støyforhold. Detaljoppløsning (Blurring). Lavkontrastoppløsning. Høykontrastoppløsning. MTF

3 Diagnostisk bildeinformasjon Bilder i radiologi har som mål å gi oss informasjon om vevet til pasienten. Hva slags informasjon dette er kommer an på modaliteten som bildet tas med. Ved eksponeringslabber eller gjennomlysningslabber er gjengir bildet informasjon om strålingens dempning mellom den aktuelle pikselen og fokus. Her er bildeinformasjonen en pikselintensitet. Ved CT er bildet rekonstruert på en slik måte at bildeinformasjonen er strålens dempning innenfor en liten voksel i pasienten. Detektor signal.

4 Kontrast

5 Kontrast Kontrast er forskjellen mellom bilde intensiteten i objetet man ser etter og intensiteten til bakgrunnen. For CT blir kontrasten: Kontrast CT tall 1 CT tall 2 CT-tall 1 CT-tall 2 For eksponering og gjennomlysning blir kontrasten: Kontrast I 1 I 2 I 1 I 2

6 Detektor Årsaken til kontrast i bildet Stråling treffer vev (atomer) gjennom fotoelektrisk effekt og comptonspredning. Fotoelektrisk effekt: Foton Elektron Sprawls.org Comptonspredning: Foton Elektron Spredt foton

7 Årsaken til kontrast Om og når strålingen treffer et atom er en tilfeldig prosess. Man kan ikke si at det bestemte fotonet skal treffe det bestemte atomet. Men man kan si at det bestemte fotonet har en viss sannsynlighet for å treffe det bestemte atomet.

8 Årsaken til kontrast Hvert atom er en blink: Hva skjer om tettheten til vevet dobbles?

9 Årsaken til kontrast i bildet Detektorsignal Fokus

10 Effekt av atomnummeret Hva skjer når man sprøyter inn kontrastvæske i blodårene. Blod er mye H1, C12 og O16. Jod er I

11 Årsaken til kontrast i bildet Fokus Detektorsignal

12 CT i forhold til eksponering Fokus Detektorsignal CT-tall profil gjennom senter

13 Årsaken til kontrast oppsummering. Oppsummering av årsaken til kontrast: Den kommer av at forkjellig vev har forskjellig sannsynlighet for å vekselvirke med strålingen. Jo høyere tetthet, jo flere atomer kan strålingen treffe, og jo lavere blir detektorsignalet. Jo høyere atomnummer atomene har, jo større blir atomene strålingen kan treffe, og jo lavere blir detektorsignalet. Lavere energi på strålingsspekteret vil gjøre effekten av atomnummeret sterkere.

14 Bildekontrast oppsummering. Forskjellen i detektorsignal går via bilderekonstruksjon og blir til forskjellig CT-tall i bildet. Som er kontrasten i bildet.

15 Innhold

16 Pikselverdier fra et perfekt bilde. Om det ikke fantes bildestøy og opptaksteknikken hadde vært perfekt ville et bilde av vann sett slik ut. Signalet fra objektet gir da CT-tall 0 i alle piksler. Om det var et homogent fantom tatt med en eksponeringslab, ville man fått samme tall i hver piksel

17 Bildesignal som ikke inneholder relevant informasjon til det man skanner. Støy CT-tallet til objektet er ca. 138

18 Støy Trukket fra CT-tallet til objektet

19 Årsaker til støy Det finnes 2 hovedgrunner til støy i bildet. 1. Strålingen interagerer med materiale på vei mellom rør og detektor ved tilfeldige prosesser 2. Elektronikken i utstyret har en viss støy i seg.

20 Spredt stråling Strålingen attenueres (dempes) gjennom vev. Dette skjer hovedsakelig ved: Fotoelektrisk effekt. Foton Elektron Comptonspredning. Foton Elektron Spredt foton

21 Eksempel på to eksponeringer Strålingen dempes på en tilfeldig måte, slik at to eksponeringer aldri vil bli like. Men jo flere fotoner som kommer inn, jo mer vil de tilfeldige forskjellene jevne seg ut. Fantom Detektor

22 Spredt stråling og kvantestøy Foton Elektron Spredt foton Det spredte fotonet kan nå fram, og avsette dose og dermed signal i detektoren (støy). Om man øker antall fotoner (ma) som kommer inn mot pasienten, vil signalet fra støyen øke saktere enn signal fra objekter. Slik at støyen blir mindre ved høyere ma.

23 Støy Dette fantomet er homogent, så det er ekstremt lite sannsynlig at støy skal føre til lavt CT-tall eller detektorsignal på samme sted to ganger på rad. Men hvis det er et reelt objekt der så vil CT-tallet konsekvent lavere fra gang til gang. Hvis man vil halvere støyen i bildet må man øke ma med 4 ganger.

24 Støy fra elektronikk Er uavhengig av hvor mye stråling som treffer detektoren. Støysignalet fra elektronikken vil drukne i signalet fra strålingen om man ikke kjører med svært lav ma. Kun relevant ved ekstremt lavdose protokoller.

25 CT-tall (intensitets) målinger CT-tall målinger må gjøres over ett gjennomsnitt av mange piksler for å få en brukbar verdi. Da brukes en ROI (Region of Interest) 136,7

26 Støymålinger Støy måles ved å se på variasjonen av CT-tallene i pikslene. Variasjonen beskrives av standardavviket av pikselverdien.

27 Standardavvik Wikipedia Gjennomsnittet av pikselverdien (μ), ligger i midten. Standardavviket er slik at av 68,2 % av pikslene ligger innenfor ett standardavvik fra gjennomsnittet. 95,4 % ligger innenfor 2 standardavvik, osv.

28 Standardavvik, CT eksempel Dette er et vannfantom. Med midlere CT-tall lik 0. CT-tallene til de forskjellige pikslene passer til normalfordelingskurven. (den som standardavviket går ut fra).

29 Støy og standard avvik Jo mer støy i bildet jo høyere standardavvik, fordi CT-tallene blir mer spredt.

30 Støymålinger CT-tall og støy måles ofte samtidig vha et verktøy i bildevisningsprogrammet. CT-tall og standardavvik i lungen i et lungefantom:

31 Støy i noen deler av bilde. Her blir det såpass mye vev mellom rør og detektor i lateral retning av støyen blir mer dominerende i den retningen Courtesy of Toshiba

32 Oppsummering støy. Støy kommer hovedsakelig fra spredt stråling (comptonspredte fotoner) fra pasienten som når detektoren. Støy lager lokale variasjoner i CT-tall eller bildeintensiteter. Måles ved å se på standard avviket i CT-tallene eller bildeintensitene. For å redusere støyen til halvparten må ma firedobbles.

33 Kontrast/støyforhold (CNR) Synligheten til et objekt i et digitalt bilde bestemmes av objektets forhold mellom kontrast i bildet og støyen i bildet. Fordi vi selv bestemmer hvordan vi vil presentere et digitalt bilde vha. window width og window level.

34 Effekt av kontrast og støy Contrast +100% Noise 0% Courtesy of Toshiba

35 Effekt av kontrast og støy Contrast +90 % Noise 10 % Courtesy of Toshiba

36 Effekt av kontrast og støy Contrast +80 % Noise 20 % Courtesy of Toshiba

37 Effekt av kontrast og støy Contrast +70 % Noise 30 % Courtesy of Toshiba

38 Effekt av kontrast og støy Contrast +60 % Noise 40 % Courtesy of Toshiba

39 Effekt av kontrast og støy Contrast +50 % Noise 50 % Courtesy of Toshiba

40 Effekt av kontrast og støy Contrast +40 % Noise 60 % Courtesy of Toshiba

41 Effekt av kontrast og støy Contrast +30 % Noise 70 % Courtesy of Toshiba

42 Effekt av kontrast og støy Contrast +20 % Noise 80 % Courtesy of Toshiba

43 Effekt av kontrast og støy Contrast +10 % Noise 90 % Courtesy of Toshiba

44 Window Width og Window Level Window Level er CT-tallet eller intensiteten vi bestemmer at den midterste gråtonen skal ligge på. Window Width rekkevidden av CT-tall eller bildeintensiteter som skal gå fra helt hvitt til helt svart. Alt over blir også hvitt, og alt under blir helt svart. wl -400, ww 1200

45 Window Width og Window Level Smalt vindu gir mye støy i bildet, men man kan skille ting med liten kontrast. wl -900, ww 300 wl 100, ww 300

46 Window Width og Window Level Et bredere vindu gir mindre visuell støy i bildet, men ødelegger den visuelle kontrasten. wl -200, ww 1600 Velger man et bredt vindu så ser bilde mindre støyfullt ut, men subtile detaljer blir borte.

47 Effekt av støy Her forsvinner subtile detaljer i leveren pga. for mye støy i bildet.

48 Oppsummering CNR Kontrast støyforholdet et forholdet mellom CTtall eller bildeintensitet mellom objektet og bakgrunnen, og støyen i bildet. Kontrast støyforholdet avgjør synligheten av et objekt om window width og window level er stilt inn optimalt. Ved for dårlig kontrast støyforhold drukner objektet man ser etter i støyen.

49 Bildekvalitet i røntgendiagnostikk Del II

50 Emner Detaljoppløsning ( Blurring ) Høykontrastoppløsning MTF Strukuren på støyen. Bildet Matrise og Display Field of View Avanserte teknikker Innhold

51 Detaljoppløsning ( Blurring ) Mengden utsmørning eller detaljoppløsningen sier noe om hvor mye objekter blir smurt ut i bildet.

52 Blurring som følge av fokusstørrelsen Bildet av et punkt vil ikke være et punkt på detektoren fordi fokuset har en utstrekning. Fokus

53 Blur som følge av avstand fra detektor På CT er lesjonen midt mellom rør og detektor, dette gir mye blurring. Mye mer enn på flatrøntgen. Om pasienten plasseres et stykke unna detektoren blir blurring mer synlig på flatrøntgen.

54 Detaljoppløsning ( Blurring ) Slik ser blurring ut på bildet. Detaljer blir borte.

55 Blurring fra rekonstruksjon på CT Signalet fra en projeksjon smøres utover hele bildet. Om man ikke filtrerer tilbakeprojeksjonen så vil kantene av objektet smøres ut veldig. Denne utsmøringen kompenseres for i forskjellige filtere. (eks. A, B, std. smooth, lung, etc.)

56 Forskjellige rekonstruksjoner. Std. Filter HR CT, Detail Filter

57 Forskjellige bildefiltere på flatrøntgen Med kantforsterkning Uten kantforsterkning

58 Blurring fra pasientbevegelse Når pasienten beveger seg så vil ikke alle projeksjonene tatt opp ved en omdreining rundt pasienten beskrive pasienten i samme posisjon. Resultatbilde blir et bilde der pasienten blir utsmørt der pasienten har beveget seg.

59 Effekter av blur Store objekter Blur vil redusere kontrasten i kantene til store objekter og smøre dem ut. Sentrum midten av objektene vil ikke se annerledes ut. Små objekter Blur vil redusere kontrasten over hele objektet og kunne gjøre de svært vanskelige å se.

60 Synlighet av kontrast, støy og blur

61 Høykontrast objekter Er objekter med stor forskjell i CT-tall fra bakgrunnen. Disse objektene tåler derfor mye støy ettersom kontrast støyforholdet blir stort selv om støyen er stor. Høykontrast lesjon

62 Linjepar pr. cm Målet på høykontrast er lp/cm. En linje og ett mellomrom er ett linjepar. Høykontrasten blir da, hvor mange linjepar kan man se på en cm, før de går inn i hverandre.

63 Måling av høykontrast Den vanligste måten å måle høykontrast på et å telle linjer med et linjeraster i et fantom.

64 Høykontrast og detektorstørrelse Jo mindre detektor man har, jo skarpere lokalisering på signalet får man. Ulempen med små detektorer er at man får lite signal i hvert detektorelement, noe som gir mer støy i bildet.

65 Høykontrast og MTF Det er slik at ikke all den reelle kontrasten som objektet har overføres til bildet. Og jo tettere objektene ligger, jo mindre av kontrasten overføres.

66 Høykontrast og MTF En mer presis og avansert måte å beskrive høykontrasten på er å si at man kan se x antall lp/cm ved en viss MTF. F.eks 4 lp/cm ved 10 % MTF. Dette betyr at når man har et objekt som er ca. 4 lp/cm stort. f.eks en sprekk på 1,2 mm, så overføres 10 % av kontrasten den lesjonen egentlig har til bildet.

67 Eksempel Et brudd der beinbitene ligger 1,2 mm fra hverandre og vi har 10 % MTF ved 4 lp/cm. Vanligvis er CT-tall til bein er ca. 400 og CT-tallet til blod er ca. 35. Kontrasten er % av kontrasten overføres Dvs. ca. 37. Beinkantens CT-tall blir nærmere 237. Blodets CT-tall blir nærmere 200.

68 Støy struktur, eksempel fra CT CT bildet går igjennom en rekonstruksjonsprosess mellom opptak av signal og bilde. Dette gjør at støyen i CT ikke blir helt som støy i andre bilder. Denne støyen har en struktur, slik at støyen klumper seg.

69 Støy struktur Dette gjør at små støyklumper kan se ut som små lavkontrast lesjoner. Dette gjør også test av lavkontrastoppløsning på CT utfordrende.

70 Spørsmål?

71 Lunch!