Otimização da imagem em tomografia computorizada no exame de tórax

Mestrado em Radiações Aplicadas às Tecnologias da Saúde. Área de especialização: Imagem Digital.

Validação do uso de cone-beam computed tomography de kilovoltagem de um LINAC para a realização de estudos dosimétricos

Mestrado em Radioterapia

Radioterapia adaptativa: utilização do cone-beam computed tomography para o cálculo de dose em radioterapia

Mestrado em Radiações Aplicadas às Tecnologias da Saúde - Ramo de especialização: Terapia com Radiações

Contributo para o estabelecimento de níveis de referência de diagnóstico locais em tomografia computorizada nos exames de crânio e tórax em adultos

Atualmente a Tomografia Computorizada (TC) é o método de imagem que mais contribui para a dose coletiva resultante de exposições médicas. Este estudo pretende determinar os valores de Índice de Dose de TC (CTDI) e produto dose-comprimento (DLP) para os exames de crânio e tórax em adultos num equipamento de TC multidetetores; e efetuar uma análise objetiva e subjetiva da qualidade da imagem. Determinaram-se os valores de CTDI e DLP utilizando uma câmara de ionização e fantomas de crânio e tórax. Efetuou-se ainda uma análise objetiva e subjetiva da qualidade da imagem com o fantoma Catphan® 500 e observadores, respetivamente. Os resultados obtidos foram superiores relativamente às Guidelines europeias no protocolo de crânio (CTDIvol = 80,13 mGy e DLP = 1209,22 mGy.cm) e inferiores no protocolo de tórax (CTDIvol = 8,37 mGy e DLP = 274,71 mGy.cm). Na análise objetiva da qualidade da imagem, à exceção da resolução de baixo contraste no protocolo de crânio, todos os outros critérios analisados estavam em conformidade com a legislação. Na análise subjetiva da qualidade da imagem existiu uma diferença estatisticamente significativa entre as classificações atribuídas pelos observadores às imagens nos parâmetros avaliados (p = 0,000-0,005).

Optimização de análise de imagens para controlo de qualidade em imagem médica

Dissertação apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Iterative reconstruction methods in two different MDCT scanners: Physical metrics and 4-alternative forced-choice detectability experiments - A phantom approach.

This paper characterizes and evaluates the potential of three commercial CT iterative reconstruction methods (ASIR?, VEO? and iDose(4 ()?())) for dose reduction and image quality improvement. We measured CT number accuracy, standard deviation (SD), noise power spectrum (NPS) and modulation transfer function (MTF) metrics on Catphan phantom images while five human observers performed four-alternative forced-choice (4AFC) experiments to assess the detectability of low- and high-contrast objects embedded in two pediatric phantoms. Results show that 40% and 100% ASIR as well as iDose(4) levels 3 and 6 do not affect CT number and strongly decrease image noise with relative SD constant in a large range of dose. However, while ASIR produces a shift of the NPS curve apex, less change is observed with iDose(4) with respect to FBP methods. With second-generation iterative reconstruction VEO, physical metrics are even further improved: SD decreased to 70.4% at 0.5 mGy and spatial resolution improved to 37% (MTF(50%)). 4AFC experiments show that few improvements in detection task performance are obtained with ASIR and iDose(4), whereas VEO makes excellent detections possible even at an ultra-low-dose (0.3 mGy), leading to a potential dose reduction of a factor 3 to 7 (67%-86%). In spite of its longer reconstruction time and the fact that clinical studies are still required to complete these results, VEO clearly confirms the tremendous potential of iterative reconstructions for dose reduction in CT and appears to be an important tool for patient follow-up, especially for pediatric patients where cumulative lifetime dose still remains high.

Paediatric cardiac CT examinations: impact of the iterative reconstruction method ASIR on image quality--preliminary findings.

BACKGROUND: Radiation dose exposure is of particular concern in children due to the possible harmful effects of ionizing radiation. The adaptive statistical iterative reconstruction (ASIR) method is a promising new technique that reduces image noise and produces better overall image quality compared with routine-dose contrast-enhanced methods. OBJECTIVE: To assess the benefits of ASIR on the diagnostic image quality in paediatric cardiac CT examinations. MATERIALS AND METHODS: Four paediatric radiologists based at two major hospitals evaluated ten low-dose paediatric cardiac examinations (80 kVp, CTDI(vol) 4.8-7.9 mGy, DLP 37.1-178.9 mGy·cm). The average age of the cohort studied was 2.6 years (range 1 day to 7 years). Acquisitions were performed on a 64-MDCT scanner. All images were reconstructed at various ASIR percentages (0-100%). For each examination, radiologists scored 19 anatomical structures using the relative visual grading analysis method. To estimate the potential for dose reduction, acquisitions were also performed on a Catphan phantom and a paediatric phantom. RESULTS: The best image quality for all clinical images was obtained with 20% and 40% ASIR (p < 0.001) whereas with ASIR above 50%, image quality significantly decreased (p < 0.001). With 100% ASIR, a strong noise-free appearance of the structures reduced image conspicuity. A potential for dose reduction of about 36% is predicted for a 2- to 3-year-old child when using 40% ASIR rather than the standard filtered back-projection method. CONCLUSION: Reconstruction including 20% to 40% ASIR slightly improved the conspicuity of various paediatric cardiac structures in newborns and children with respect to conventional reconstruction (filtered back-projection) alone.

Comparison of organ doses and image quality between CT and flat panel XperCT scans in wrist and inner ear examinations.

The aim of this study was to evaluate and compare organ doses delivered to patients in wrist and petrous bone examinations using a multislice spiral computed tomography (CT) and a C-arm cone-beam CT equipped with a flat-panel detector (XperCT). For this purpose, doses to the target organ, i.e. wrist or petrous bone, together with those to the most radiosensitive nearby organs, i.e. thyroid and eye lens, were measured and compared. Furthermore, image quality was compared for both imaging systems and different acquisition modes using a Catphan phantom. Results show that both systems guarantee adequate accuracy for diagnostic purposes for wrist and petrous bone examinations. Compared with the CT scanner, the XperCT system slightly reduces the dose to target organs and shortens the overall duration of the wrist examination. In addition, using the XperCT enables a reduction of the dose to the eye lens during head scans (skull base and ear examinations).

Computed tomography commissioning programmes: how to obtain a reliable MTF with an automatic approach?

The purpose of this study was to assess the spatial resolution of a computed tomography (CT) scanner with an automatic approach developed for routine quality controls when varying CT parameters. The methods available to assess the modulation transfer functions (MTF) with the automatic approach were Droege's and the bead point source (BPS) methods. These MTFs were compared with presampled ones obtained using Boone's method. The results show that Droege's method is not accurate in the low-frequency range, whereas the BPS method is highly sensitive to image noise. While both methods are well adapted to routine stability controls, it was shown that they are not able to provide absolute measurements. On the other hand, Boone's method, which is robust with respect to aliasing, more resilient to noise and provides absolute measurements, satisfies the commissioning requirements perfectly. Thus, Boone's method combined with a modified Catphan 600 phantom could be a good solution to assess CT spatial resolution in the different CT planes.

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.

Caratterizzazione dosimetrica e di qualità immagine del tomografo Philips Brilliance ICT 256-slice

In questo lavoro, svolto presso l'Istituto Scientifico Romagnolo per lo Studio e la Cura dei Tumori (I.R.S.T.) (I.R.C.C.S) di Meldola, si sono studiate le caratteristiche di un tomografo Philips Brilliance iCT 256 strati, con l'obiettivo di individuare le variazioni di qualità delle immagini e di dose in funzione dei parametri di acquisizione dello strumento, al fine di una successiva ottimizzazione dei protocolli degli esami tomografici. Le valutazioni sono state fatte sul tomografo multistrato Philips mediante uso di diversi fantocci e dosimetri, seguendo le linee guida della pubblicazione per il controllo di qualità in tomografia computerizzata dell'International Atomic Energy Agency (IAEA). Si è utilizzato il fantoccio Catphan per la caratterizzazione della qualità dell'immagine, acquisendo immagini sia in modalità assiale che spirale e variando parametri di acquisizione quali spessore di strato, kV, mAs e pitch. Per le varie combinazioni di questi parametri sono state misurate, mediante l'utilizzo dei software ImageJ ed ImageOwl, grandezze oggettive quali risoluzione spaziale, risoluzione a basso contrasto e rumore dell'immagine acquisita. Due fantocci di polimetilmetacrilato (PMMA) head e body sono serviti, insieme ad una camera a ionizzazione di tipo pencil, per la misura di indici di dose per la tomografia computerizzata (CTDI). L'irraggiamento di questi strumenti è stato effettuato a diversi valori di tensione del tubo radiogeno e ha permesso di confrontare i valori CTDI misurati con quelli forniti dal tomografo. Si sono quindi calcolate le dosi efficaci di alcuni protocolli della macchina per poi confrontarle con livelli di riferimento diagnostici (DRL), strumenti utilizzati con l'obiettivo di raggiungere valori di dose adeguati per lo scopo clinico dell'esame. Come ulteriore valutazione dosimetrica, si è utilizzato il fantoccio antropomorfo Rando, in cui sono stati inseriti dei dosimetri a termoluminescenza (TLD) per la misura della dose organo. Dai risultati si osserva un andamento inversamente proporzionale tra tensione del tubo radiogeno e contrasto dell'immagine. Impostando valori alti di kV si ottiene però un'immagine meno rumorosa. Oltre alla tensione del tubo, si è valutato come anche lo spessore di strato e la corrente influiscano sul rumore dell'immagine. I risultati ottenuti dimostrano che i valori dei parametri oggettivi di qualità delle immagini rientrano nei limiti di attendibilità, così come i valori di CTDI visualizzati dal tomografo. Lo studio della dipendenza di questi parametri oggettivi dalle impostazione di scansione permette di ottimizzare l'acquisizione TC, ottenendo un buon compromesso fra dose impartita e qualità dell'immagine.

Reducing CT radiation dose with iterative reconstruction algorithms: the influence of scan and reconstruction parameters on image quality and CTDIvol

OBJECTIVES In this phantom CT study, we investigated whether images reconstructed using filtered back projection (FBP) and iterative reconstruction (IR) with reduced tube voltage and current have equivalent quality. We evaluated the effects of different acquisition and reconstruction parameter settings on image quality and radiation doses. Additionally, patient CT studies were evaluated to confirm our phantom results. METHODS Helical and axial 256 multi-slice computed tomography scans of the phantom (Catphan(®)) were performed with varying tube voltages (80-140kV) and currents (30-200mAs). 198 phantom data sets were reconstructed applying FBP and IR with increasing iterations, and soft and sharp kernels. Further, 25 chest and abdomen CT scans, performed with high and low exposure per patient, were reconstructed with IR and FBP. Two independent observers evaluated image quality and radiation doses of both phantom and patient scans. RESULTS In phantom scans, noise reduction was significantly improved using IR with increasing iterations, independent from tissue, scan-mode, tube-voltage, current, and kernel. IR did not affect high-contrast resolution. Low-contrast resolution was also not negatively affected, but improved in scans with doses <5mGy, although object detectability generally decreased with the lowering of exposure. At comparable image quality levels, CTDIvol was reduced by 26-50% using IR. In patients, applying IR vs. FBP resulted in good to excellent image quality, while tube voltage and current settings could be significantly decreased. CONCLUSIONS Our phantom experiments demonstrate that image quality levels of FBP reconstructions can also be achieved at lower tube voltages and tube currents when applying IR. Our findings could be confirmed in patients revealing the potential of IR to significantly reduce CT radiation doses.