Image quality and dose evaluation of filtered back projection versus iterative reconstruction algorithm in multislice computed tomography.

Il presente lavoro di tesi è stato svolto presso il servizio di Fisica Sanitaria del Policlinico Sant'Orsola-Malpighi di Bologna. Lo studio si è concentrato sul confronto tra le tecniche di ricostruzione standard (Filtered Back Projection, FBP) e quelle iterative in Tomografia Computerizzata. Il lavoro è stato diviso in due parti: nella prima è stata analizzata la qualità delle immagini acquisite con una CT multislice (iCT 128, sistema Philips) utilizzando sia l'algoritmo FBP sia quello iterativo (nel nostro caso iDose4). Per valutare la qualità delle immagini sono stati analizzati i seguenti parametri: il Noise Power Spectrum (NPS), la Modulation Transfer Function (MTF) e il rapporto contrasto-rumore (CNR). Le prime due grandezze sono state studiate effettuando misure su un fantoccio fornito dalla ditta costruttrice, che simulava la parte body e la parte head, con due cilindri di 32 e 20 cm rispettivamente. Le misure confermano la riduzione del rumore ma in maniera differente per i diversi filtri di convoluzione utilizzati. Lo studio dell'MTF invece ha rivelato che l'utilizzo delle tecniche standard e iterative non cambia la risoluzione spaziale; infatti gli andamenti ottenuti sono perfettamente identici (a parte le differenze intrinseche nei filtri di convoluzione), a differenza di quanto dichiarato dalla ditta. Per l'analisi del CNR sono stati utilizzati due fantocci; il primo, chiamato Catphan 600 è il fantoccio utilizzato per caratterizzare i sistemi CT. Il secondo, chiamato Cirs 061 ha al suo interno degli inserti che simulano la presenza di lesioni con densità tipiche del distretto addominale. Lo studio effettuato ha evidenziato che, per entrambi i fantocci, il rapporto contrasto-rumore aumenta se si utilizza la tecnica di ricostruzione iterativa. La seconda parte del lavoro di tesi è stata quella di effettuare una valutazione della riduzione della dose prendendo in considerazione diversi protocolli utilizzati nella pratica clinica, si sono analizzati un alto numero di esami e si sono calcolati i valori medi di CTDI e DLP su un campione di esame con FBP e con iDose4. I risultati mostrano che i valori ricavati con l'utilizzo dell'algoritmo iterativo sono al di sotto dei valori DLR nazionali di riferimento e di quelli che non usano i sistemi iterativi.

Performance evaluation of detector for digital radiography

Lo scopo di questo lavoro è la caratterizzazione fisica del flat panel PaxScan4030CB Varian, rivelatore di raggi X impiegato in un ampio spettro di applicazioni cliniche, dalla radiografia generale alla radiologia interventistica. Nell’ambito clinico, al fine di una diagnosi accurata, è necessario avere una buona qualità dell’immagine radiologica mantenendo il più basso livello di dose rilasciata al paziente. Elemento fondamentale per ottenere questo risultato è la scelta del rivelatore di radiazione X, che deve garantire prestazioni fisiche (contrasto, risoluzione spaziale e rumore) adeguati alla specifica procedura. Le metriche oggettive che misurano queste caratteristiche sono SNR (Signal-to-Noise Ratio), MTF (Modulation Transfer Function) ed NPS (Noise Power Spectrum), che insieme contribuiscono alla misura della DQE (Detective Quantum Efficiency), il parametro più completo e adatto a stabilire le performance di un sistema di imaging. L’oggettività di queste misure consente anche di mettere a confronto tra loro diversi sistemi di rivelazione. La misura di questi parametri deve essere effettuata seguendo precisi protocolli di fisica medica, che sono stati applicati al rivelatore PaxScan4030CB presente nel laboratorio del Centro di Coordinamento di Fisica Medica, Policlinico S.Orsola. I risultati ottenuti, conformi a quelli dichiarati dal costruttore, sono stati confrontati con successo con alcuni lavori presenti in letteratura e costituiscono la base necessaria per la verifica di procedure di ottimizzazione dell’immagine radiologica attraverso interventi sul processo di emissione dei raggi X e sul trattamento informatico dell’immagine (Digital Subtraction Angiography).

Experimental evaluation of the z-resolution in different clinical Digital Breast Tomosynthesis systems using commercial phantoms

Digital Breast Tomosynthesis (DBT) is an advanced mammography technique based on the reconstruction of a pseudo-volumetric image. To date, image quality represents the most deficient section of DBT quality control protocols. In fact, related tests are not yet characterized by either action levels or typical values. This thesis work focuses on the evaluation of one aspect of image quality: the z-resolution. The latter is studied in terms of Artifact Spread Function (ASF), a function that describes the signal spread of a detail along the reconstructed focal planes. To quantify the ASF numerically, its Full Width at Half Maximum (FWHM) is calculated and used as a representative index of z-resolution. Experimental measurements were acquired in 24 DBT systems, of 7 different models, currently in use in 20 hospital facilities in Italy. The analysis, performed on the clinical reconstructed images, of 5 different commercial phantoms, lead to the identification of characteristic FWHM values for each type of DBT system. The ASF clearly showed a dependence on the size of the detail, providing higher FWHM values for larger objects. The z-resolution was found to be positively influenced by the acquisition angle: Fujifilm sistematically showed wider ASF profiles in ST mode (15°) than in HR mode (40°). However, no clear relationship was found between angular range and ASF, among different DBT systems, due to the influence of the peculiarities of each reconstruction algorithm. The experimental approach shown in this thesis work can be proposed as a z-resolution quality control test procedure. Contextually, the values found could be used as a starting point for identifying typical values to be included in the test, in a DBT protocol. Clearly, a statistically significant number of images is needed to do this. The equipment involved in this work is located in hospitals and is not available for research purposes, so only a limited amount of data was acquired and processed.

Characterization of a prototype for cone beam breast computed tomography

The project aims to experiment the Cone Beam Breast Computed Tomography technique using a standard digital mammography system. The work is focused on the definition of a protocol of quality measurements for the pre-clinical evaluation of the machine. The paper is developed in two parts. The first is specifically concerned with the methods used to define the image quality and dosimetry aspects specific for digital mammography devices. A complete characterization of the system has been performed according to the applicable IEC standards to assure the performances of the equipment and define the quality levels. Due to the lack of a quality control protocol dedicated to CBBCT mammography scanner, a new equivalent test procedure has been proposed. The second part of the paper is focused on the evaluation, through quantitative and visual analyzes, of the CBCT exam feasibility in the hardware and software conditions currently proposed by IMS Giotto. The prototype was in fact developed differing from the technical choices of competing companies and developed for a different intended use. The main difference with respect to the existing breast CT scanners is the possibility of performing on the same system the CBBCT scanning but also all the mammographic techniques. In this thesis, we aim to assess whether, in the current setup, considering a dosimetric range very close to that used in the clinic, the tests produce results that can be considered acceptable or at least indicative of the feasibility of the entire project from a commercial point of view. For this purpose, the final reconstruction images, obtained by two previously developed software, are analyzed.

Airport Security: Passenger's Perception and Design Issues

The main goal of this thesis is to report patterns of perceived safety in the context of airport infrastructure, taking the airport of Bologna as reference. Many personal and environmental attributes are investigated to paint the profile of the sensitive passenger and to understand why precise factors of the transit environment are so impactful on the individual. The main analyses are based on a 2014-2015 passengers’ survey, involving almost six thousand of incoming and outgoing passengers. Other reports are used to implement and support the resource. The analysis is carried out by using a combination of Chi-square tests and binary logistic regressions. Findings shows that passengers result to be particularly affected by the perception of airport’s environment (e.g., state and maintenance of facilities, clarity and efficacy of information system, functionality of elevators and escalators), but also by the way how the passenger reaches the airport and the quality of security checks. In relation to such results, several suggestions are provided for the improvement of passenger satisfaction with safety. The attention is then focused on security checkpoints and related operations, described on a theoretical and technical ground. We present an example of how to realize a proper model of the security checks area of Bologna’s airport, with the aim to assess present performances of the system and consequences of potential variations. After a brief introduction to Arena, a widespread simulation software, the existing model is described, pointing out flaws and limitations. Such model is finally updated and changed in order to make it more reliable and more representative of the reality. Different scenarios are tested and results are compared using graphs and tables.