Ποιότητα Ακτινοδιαγνωστικής Εικόνας

Transcript

1 Ποιότητα Ακτινοδιαγνωστικής Εικόνας Γ. Παναγιωτάκης Ε. Κωσταρίδου Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής Τµήµα Ιατρικής, Πανεπιστήµιο Πατρών

2 Περιεχόµενα µαθήµατος Φυσικό υπόβαθρο της ιατρικής απεικόνισης µε ακτίνες X Συνιστώσες απεικονιστικού συστήµατος µε ακτίνες X Υπολογιστική τοµογραφία Ποιότητα ιατρικής εικόνας Στοιχεία δοσιµετρίας και ακτινοπροστασίας 2

3 Ποιότητα ιατρικής εικόνας Αντίθεση Ασάφεια Χωρική διακριτική ικανότητα Θόρυβος 3

4 Αντίθεση Αντίθεσηθέµατος Αντίθεσηανιχνευτήεικόνας * Αντίθεσηεικόνας * Φιλµ στην περίπτωση αναλογικού απεικονιστικού συστήµατος 4

5 Αντίθεση θέµατος ιαφοροποίηση της εξασθένησης της οµοιόµορφης δέσµης ακτίνων Χ κατά την αλληλεπίδραση της µε το προς εξέταση αντικείµενο, που οφείλεται σε : ιαφορετικόατοµικόαριθµό Z (διαφορετικοίιστοί, σκιαγραφικέςουσίες) Καθορίζειτηπιθανότητατουφωτοηλεκτρικούφαινοµένου Ηπιθανότητααυτήαυξάνειγιαχαµηλότερεςενέργειεςφωτονίων X (kev) (π.χ.µαστογραφία) ιαφορέςπυκνότητας Καθορίζειτηνπιθανότητα τηςσκέδασης Compton Ηπιθανότητααυτήαυξάνειγιαυψηλότερεςενέργειεςφωτονίων X ιαφορέςπάχουςαντικειµένου: «υπέρθεση»αντίθεσηςθέµατος Ποιότητα φάσµατος (kev, filtration) για Ε φωτοηλεκτρικού και αντίστοιχη σκέδασης Compton πιθανότητας 5

6 Αντίθεση θέµατος Σκεδαζόµενη Ακτινοβολία Ενισχυτική πινακίδα-φιλµ X Οστό Μαλακός ιστός «Αόρατη» Εικόνα ιαµόρφωση πεδίου Αέρας Αντιδιαχυτικό ιάφραγµα Ενταση έσµης 6

7 Αντίθεση ανιχνευτή εικόνας (φιλµ, ψηφιακοί ανιχνευτές) Το φιλµ µετατρέπει την αντίθεση θέµατοςσετιµέςαµαύρωσης ( O.D values). Οι διαφοροποιήσεις OD εξαρτώνται από την κλίση του φιλµ (γ). Συµβιβασµός (Trade-off) αντίθεσης και εύρους χρήσιµων εκθέσεων. Οι ψηφιακοί ανιχνευτές µετατρέπουν την αντίθεση θέµατος σε τόνους του γκρι (grey levels). Οι διαφοροποιήσεις g.l. εξαρτώνται από το βάθος εικονοστοιχείου του ανιχνευτή (πχ 2 8, 2 12 διαθέσιµα g.l.). 7

8 Απεικόνισηµεφιλµδιαφορετικήςαντίθεσης (γ 1 <γ 2 <γ 3 ) γ 1 γ 2 γ 3 8

9 Αντίθεση Εικόνας Η αντίθεση εικόνας είναι το αποτέλεσµα του συνδυασµού της αντίθεσης θέµατος και της αντίθεσης ανιχνευτή εικόνας. Η πηγή της αντίθεσης εικόνας είναι η αντίθεση θέµατος. Μειωµένη αντίθεση εικόνας Αυξηµένη αντίθεση εικόνας 9

10 Επίπεδα ή τόνοι του γκρι ψηφιακής εικόνας (L) = 2 n επίπεδακβάντισης [2 0, 2 n -1] (π.χ. Για n=8, 256 [0,, 255]) 10

11 είκτες Αντίθεσης Εικόνας ιαθέσιµοδυναµικόεύρος:καθορίζεταιαπόταεπίπεδακβάντισηςτων τιµώντουγκρι L=2 n, όπου nτοβάθοςτουεικονοστοιχείου. (Τυπικέςτιµές: 2 8 (256), 2 12 (4096) και 2 16 (65536) g. l.) Ενεργόδυναµικόεύρος:καθορίζεταιαπότοεκάστοτεµέγιστοκαι ελάχιστο τιµών του γκρι εικόνας που ποικίλει από εικόνα σε εικόνα: [ f ( m, n) ] Arg min[ f ( m, n) ] Arg max 11

12 είκτες Αντίθεσης Εικόνας Τοπικήαντίθεση:ηδιαφοράτουµέσουτόνουτουγκριµεταξύπεριοχήςεικόνας που αντιστοιχεί σε συγκεκριµένο αντικείµενο (σήµα, f), και µέσου τόνου του γκρι περιοχής που αντιστοιχεί στο υπόβαθρό του (b). C 1 1 = gl( m, n) gl( m, n) = N N f ( m, n) f b ( m, n) b f b f b και σε κανονικοποιηµένη µορφή C 1 = f f b + b C 2 = f b b 12

13 Ασάφεια Εικόνας Ηασάφειαεικόναςείναιηέλλειψηικανότηταςτουσυστήµατοςνααποτυπώνει καθαρά (µε σαφήνεια) τις ακµές της εικόνας, δηλαδή διαφοροποιήσεις αµαύρωσηςήg. l. γειτονικώναντικειµένων. Αποτελείσυνέπειατηςαλληλεξάρτησης τηςχωρικήςδιακριτικήςικανότητας καιτηςµεταφοράςαντίθεσηςτουαπεικονιστικούσυστήµατος. 13

14 Ασάφεια ακµής έσµη ακτίνων Χ Αντικείµενο Υποδοχέας εικόνας Ακτινογραφική εικόνα Οπτική πυκνότητα ή g. l. Εύρος ακµής Απόσταση Αντίθεση 14

15 2w 15

16 Ψηφιακή εικόνα Το εικονοστοιχείο καθορίζεται από το στοιχείο του ανιχνευτή Εικονοστοιχείο Γραµµική διάταξη στοιχείων ανιχνευτή Εικόνα: f(x,y); 2-d πίνακαςεικονοστοιχείων 2-d διάταξη µήτρας στοιχείων ανιχνευτή 16

17 Χωρική διακριτική ικανότητα ψηφιακής εικόνας: Μέγεθος εικονοστοιχείου 17

18 Χωρική διακριτική ικανότητα εικόνας: Μέγεθος εικόνας 18

19 είκτες Ασάφειας FWHM της LSF έσµη ακτίνων Χ Φύλλο Μολύβδου Ένταση Οπή Σχισµή Ακµή αέρα-µολύβδου Εικόνα (Οπτική πυκνότητα ή g. l. Συναρτήσεις διασποράς σηµειακήςπηγής (Point Spread Function-PSF), γραµµικήςπηγής (Line Spread Function-LSF) ακµής (Edge Spread Function-ESF) Θέση Εύρος Συνάρτησης ιασποράς Γραµµικής Πηγής στο ήµισυ του µεγίστου της έντασης (FWHM) 19

20 είκτεςασάφειας MTF (προαιρετικά) FWHM Κανονικοποιηµένη Μεταφορά Αντίθεσης 1 0 Χωρική ιακριτικήικανότητα = συχνότητα αποκοπής που αντιστοιχεί στο 10% Χωρική ιακριτική Ικανότητα * : µετασχηµατισµός Fourier 20

21 Παραδείγµατα LSF-MTF (προαιρετικά) Σύστηµα 1 Σύστηµα 2 Σύστηµα 3 21

22 Κυριότερες συνιστώσες ασάφειας προβολικού συστήµατος απεικόνισης ακτίνων X Γεωµετρικήασάφεια (µέγεθοςεστίαςκαιµεγέθυνση) Ασάφειααντικειµένου (σχετίζεταιµετοσχήµατωναιχµώντου αντικειµένου) Ασάφειακίνησης Ασάφειαενισχυτικήςπινακίδας (σκέδασηορατώνφωτονίων ~ πάχος πινακίδας) ή ασάφεια ψηφιακού ανιχνευτή (διαστάσεις ανιχνευτικού στοιχείου) 22

23 Πηγές Ασάφειας Προβολικού Συστήµατος Απεικόνισης Ακτίνων X Γεωµετρική ασάφεια Ασάφεια αντικειµένου Ασάφεια κίνησης Ασάφεια ενισχυτικής πινακίδας 23

24 Θόρυβος Ακτινογραφικόςθόρυβος (στατιστικός) κβαντικός ενισχυτικής πινακίδας κόκκων φιλµ Θόρυβοςδοµής ( παρουσίαανεπιθύµητωνδοµώνεικόναςσεσχέσηµε το κλινικό ερώτηµα) 24

25 Κβαντικός θόρυβος Οκβαντικόςθόρυβοςείναισυνέπειατηςσύστασηςτηςεικόναςαπό κβάντα πληροφορίας (δηλ. Χ-φωτόνια). Συγκεκριµένα οφείλεται στις τυχαίες διακυµάνσεις του αριθµού των φωτονίων που αλληλεπιδρούν µε τον ανιχνευτή εικόνας, και εποµένως επηρεάζουν τη σύσταση (καταγραφή) εικόνας Ησύστασηεικόναςαπόµικρόαριθµόφωτονίωνπεριορίζεταιαπότον κβαντικόθόρυβο (quantum noise limited imaging) 25

26 Επίδραση του αριθµού φωτονίων στη σύσταση εικόνας 26

27 Έκθεση= X Έκθεση= 10X 27

28 Θόρυβος εικόνας Οθόρυβοςεικόναςεκτιµάταισεπεριοχέςεικόναςπου αναµένονται να είναιοµοιογενείς. Χαµηλό, ενδιάµεσο και υψηλό επίπεδο θορύβου Υποθέτουµεότιηµορφήτηςστατιστικήςκατανοµήςτουθορύβουείναι Poisson (µ=σ 2 ). 28

29 είκτες θορύβου εικόνας ΓιαπλήθοςΝµετρήσεωντηςέντασηςστηνοµοιογενήπεριοχή, ορίζονταιοι ακόλουθοι δείκτες: Τυπική απόκλιση ιακύµανση Συντελεστής µεταβλητότητας Λόγος σήµατος προς θόρυβο Επίδρασηστατιστικούθορύβουστο SNR σήµατοςαντίθεσης C: SNR C N = σ = C N N = C N 29

30 Επίδραση στατιστικού θορύβου σε δοµή χαµηλής αντίθεσης 30

31 Βιβλιογραφικές πηγές 1. H., K., Huang, PACS and Imaging Informatics, Part I: Medical Imaging principles; chapter 2: Digital Medical Image Fundamentals, p 31-58, John Wiley & Sons 2010, Hoboken, New Jersey, USA. 2. Beutel J., Kundel H.L., Van Metter R.L. (eds.), Handbook of Medical Imaging, Volume I: Physics and Psychophysics, chapter 2: Applied Linear System Theory, I. A. Cunningham, p79-156, SPIE Press 2000, Bellingham, Washington, USA. 3. Beutel J., Kundel H.L., Van Metter R.L. (eds.), Handbook of Medical Imaging, Volume I: Physics and Psychophysics, chapter 3: Image Quality Metrics for Digital Systems, J. D. Dobbins III, p79-156, SPIE Press 2000, Bellingham, Washington, USA. 4. W. Huda and R. M. Slone, Review of Radiologic Physics, chapter 7, Williams and Wilkins 1995, Media, PA, USA. 31