Report delle misure su BREAST-CT
luglio 2007
REPORT SULLE MISURE DI BREAST-CT
In questo documento vengono riportate le misure effettuate nell’ambito del progetto BREAST-CT
finanziato dal gruppo V dell’INFN per il biennio 2007-2008. Le misure descritte di seguito sono
state eseguite nel laboratorio di Fisica Medica della Sezione di Napoli nel primo semestre 2007.
INDICE
1. Descrizione del set up sperimentale
1.1 I fantocci utilizzati
1.2 Fascio a raggi X, filtri e collimatore
1.3 Rivelatore
1.4 Set up meccanico
1.5 Software di acquisizione
1.6 Software di ricostruzione
2. Misure effettuate
2.1 Ricostruzioni delle immagini
2.2 Valutazioni del COV
2.3 Calcolo del coefficiente di attenuazione lineare dell'acqua
2.4 Valutazioni del CT Number
2.5 Confronto aria-acqua
2.6 Beam Hardening (Cupping artifacts)
2.7 Misure di dose con i TLD
2.8 Misure di Kerma in aria
2.9 Acquisizione degli spettri
2.10 Misure di HVL
1
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1. DESCRIZINE DEL SET UP SPERIMENTALE
1.1 I fantocci utilizzati
Di seguito vengono descritti i fantocci di polimetilmetacrilato (PMMA, ρ=1.19 g/cm3),
appositamente realizzati di diverse forme e dimensioni, utilizzati poi per le misure.
Fantoccio 1
Il fantoccio 1, mostrato nella figura 1a, è costituito da un ellissoide di rotazione di PMMA che
simula la forma di una mammella standard. Nella figura 1b sono schematizzate le sue dimensioni,
espresse in cm. E’ costituito da una base cilindrica di altezza 4.5 cm e di raggio 7 cm, e da una parte
ellissoidale il cui semiasse maggiore è lungo 10.5 cm ed il semiasseminore coincide con il raggio
della base cilindrica.
a)
b)
Figura 1. a) Fotografia del fantoccio 1. La cavità che si intravede all’interno del fantoccio, nella
parte cilindrica, serve per avvitare il fantoccio al supporto. b) Schema del fantoccio, le misure sono
in cm.
Fantoccio 2
Il fantoccio 2, mostrato nella figura 2, è costituito da un ellissoide di rotazione di PMMA della
forma di una mammella standard contenente degli inserti per misure di risoluzione spaziale
posizionati ortogonalmente al semiasse maggiore, e delle piccole cavità per il posizionamento di
dosimetri a termoluminescenza (TLD). Le misure del fantoccio sono 7×7×10.5 cm
2
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Alloggi per i TLD
Fori per la
misura di
risoluzione
spaziale
a)
b)
Figura 2. a) Fotografia del fantoccio 2 chiuso. b) Fotografia del fantoccio 2 aperto: si distinguono
al centro e lungo il bordo i 6 alloggi per i TLD, e le due serie di fori per la misura di risoluzione
spaziale.
Fantoccio 3
Il fantoccio 3, mostrato nella figura 3, è costituito da un ellissoide di rotazione di PMMA della
forma di una mammella standard contenente degli inserti per misure di risoluzione spaziale
posizionati parallelamente al semiasse maggiore. Le misure del fantoccio sono 7×7×10.5 cm.
a)
b)
Figura 3. a) Sezione longitudinale del fantoccio n.3; in blu sono indicati i dettagli di forma
cilindrica riempiti con acqua; i diametri sono 8, 4, 2, 1 mm. (non ho messo la sezione orizzontale
3
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poiché i disegni che ho io non corrispondono al fantoccio che effettivamente ci è stato consegnato;
noi abbiamo un fantoccio con 2 file di fori, mentre il disegno è ancora a 3 file). b) Fotografia del
fantoccio 3 con gli inserti in esso contenuti.
Fantoccio 4 (Antifantoccio)
Il fantoccio 4, mostrato nella figura 4, è costituito da una forma di PMMA complementare
dell’ellissoide di rotazione rispetto al cilindro. Le misure del fantoccio sono 7×7×10.5 cm. Questo
fantoccio viene usato, vuoto o pieno di acqua, per le misure di calibrazione dei numeri CT.
Figura 4. Fotografia del fantoccio 4 (antifantoccio).
Cilindro pieno
Il fantoccio cilindrico è un cilindro di PMMA “pieno”, la base ha un raggio di 7 cm e l’altezza
misura 15 cm (vedi figura 5).
4
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a)
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b)
Figura 5. a) Schema del cilindro di PMMA “pieno” . b) Fotografia del fantoccio cilindrico pieno.
Cilindro vuoto
Il fantoccio cilindrico vuoto è un cilindro di PMMA cavo. Il raggio della parete interna del cilindro
è 6.95 cm, mentre il raggio della parete esterna è 7.5 cm. L’altezza del cilindro è 14 cm. L’asse
interno del cilindro la base ha un raggio di 7 cm e l’altezza misura 15 cm (vedi figura 5). Quest
fantoccio viene usato riempito di acqua per effettuare misure di calibrazione.
a)
b)
Figura 6. a) Schema del cilindro di PMMA “vuoto” . b) Fotografia del fantoccio cilindrico riempito
di acqua.
5
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1.2 Fascio di raggi X
Il tubo a raggi X utilizzato è della Source-Ray, Inc., mod. SB-80-250, NY, USA. Tale tubo ha un
anodo in tungsteno con uno spot focale di 40 µm; la tensione di alimentazione può essere fissata da
35 kVp a 80 kVp, mentre la corrente anodica può essere fissata da 10 a 250 µA. Il tubo ha una
filtrazione inerente equivalente ad 1.8 mm di alluminio a cui è stata aggiunta una filtrazione esterna
di 50 µm di rame.
1.3 Rivelatore
Il rivelatore per raggi X utilizzato è un CMOS Flat Panel Sensor C7942CA-02 (Hamamatsu) che
presenta un’area attiva di 12×2 cm2, ed una dimensione del pixel di 50 µm. Lo strato di scintillatore
è costituito da CsI-Tl, con una ricopertura in alluminio. In tabella 1 sono riportate alcune
caratteristiche del rivelatore utilizzato
Parametri
Valore
Frame speed (binning 4×4)
9 frame/s
Risoluzione spaziale
8 lpm
Numero di elementi
2400 pixel ×2400 pixel
Elementi effettivi
2240 pixel ×2344 pixel
Tabella 1. Caratteristiche del CMOS Flat Panel Sensor C7942CA-02 (Hamamatsu).
1.4 Set up meccanico
L’apparato CT sperimentale assemblato in laboratorio è mostrato nella figura 7. Esso è costituito
dal Tubo a Raggi X (1), il rivelatore CMOS Flat Panel (2), uno stadio traslatore motorizzato (3) che
consente di variare la distanza oggetto-sorgente, uno stadio di traslazione verticale e di regolazione
dell’inclinazione del piano oggetto (4), uno stadio motorizzato di rotazione dell’oggetto (5), il
fantoccio (6).
6
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Figura 7. Fotografia dell’apparato sperimentale utilizzato. I principali componenti sono: (1) il tubo
a raggi X, (2) il rivelatore CMOS Flat Panel, (3) lo stadio traslatore orizzontale, (4) lo stadio di
traslatore verticale, (5) lo stadio di rotazione, (6) il fantoccio.
1.5 Software di ricostruzione
Le immagini tomografiche sono state ottenute a partire da 360 proiezioni planari dei fantocci
(con passo di 1°) con un software di ricostruzione offline sviluppato all’Università & INFN Pisa
composto da due processi distinti: uno per la creazione dei file di ingresso per il secondo processo
partendo dalle proiezioni planari (es. senogrammi)ed un secondo processo che da questi file realizza
la ricostruzione tomografica in base alla geometria impostata.
La visualizzazione 2D delle fette o quella 3D dell'intero fantoccio avviene attraverso l'utilizzo
del software di visualizzazione ImageJ.
Anche se il software di ricostruzione permette di impostare come geometria di ricostruzione
quella "cone beam", che corrisponde alla geometria di acquisizione, nelle ricostruzioni riportate in
seguito si è preferito impostare la geometria di ricostruzione "fan beam". Questo scelta è dovuta allo
scarso testing della prima geometria, cosa che invece sarà fatta nel prosieguo del progetto, e ad un
veloce confronto tra i risultati forniti in ricostruzione dalle due geometria per uno stesso fantoccio
che risultavano coincidere.
Quindi, impostata la geometria fan beam e realizzati i senogrammi per ogni fantoccio
utilizzando il primo processo di ricostruzione, si è proceduto alla ricostruzione. Il programma per
una impostazione corretta richiede:
7
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1) la distanza isocentro-fuoco del tubo e isocentro-paino del rivelatore, in base alle quali
calcola anche il fattore di ingrandimento. Per tutte le nostre ricostruzioni questi valori erano
rispettivamente 522 mm, 104 mm e 1.19.
2) Il numero di bins orizzontali e verticali e le loro rispettive dimensioni fisiche per il calcolo
delle dimensioni del voxel di ricostruzione. Queste dipendono dall'acquisizione e dalle
impostazioni con cui sono stati creati i senogrammi. Le dimensioni del voxel nelle nostre
acquisizioni è di 0.2x0.2x4 mm3.
3) Il numero di proiezioni e l'intervallo di acquisizione in gradi. Tipicamente 360 proiezioni
per un intervallo di 360°.
4) l'algoritmo di retroproiezione filtrata. In tutte le nostre ricostruzione abbiamo scelto il filtro
Ram-Lak
5) L'unità di misura in cui riportare i valori dei voxel. Nelle nostre ricostruzioni si è impostato
mm-1.
8
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2. MISURE EFFETTUATE
2.1 Ricostruzioni delle immagini
In tutte le misure effettuate è stato utilizzato il set up sperimentale descritto nel paragrafo 1.4 e
mostrato in figura 7. Di seguito sono indicati i parametri comuni a tutte le misure:
•
Distanza fuoco tubo a raggi X – isocentro:
522 mm
•
Distanza isocentro-rivelatore:
104 mm
•
Ingrandimento:
1.19
•
Corrente anodica:
0.25 mA
•
Numero Proiezioni:
360
•
Rotazione totale e passo:
360°; 1°
Nella tabella 2 è riportato un quadro riassuntivo di tutte le acquisizioni e le ricostruzioni fin ora
effettuate.
Fantoccio
Fantoccio 1
Fantoccio 2
Fantoccio 2
Fantoccio 2
Fantoccio 2
Fantoccio 2
Fantoccio 3
Fantoccio 3
Fantoccio 3
Fantoccio 3
Fantoccio 3
Fantoccio 3 con acqua
Antifantoccio1 con acqua
Cilindro con acqua
Cilindro con acqua
Cilindro con acqua
Cilindro con acqua
Cilindro plexiglass
Cilindro plexiglass
Cilindro plexiglass
Cilindro plexiglass
Tensione Tubo
(kVp)
80
40
50
60
70
80
40
50
60
70
80
80
80
50
60
70
80
50
60
70
80
Acquisizione
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Ricostruzione
effettuata
Si
No
Si
Si
Si
Si
No
No
No
No
Si
Si
Si
No
No
No
Si
Si
Si
Si
Si
Tabella 2. Schema delle acquisizioni e delle ricostruzioni effettuate.
9
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Nei prossimi paragrafi sono indicati i parametri utilizzati per le ricostruzioni tomografiche dei vari
fantocci. Inoltre sono mostrate le visualizzazioni tridimensionali 3D per alcuni fantocci.
Fantoccio 1
Per questo fantoccio sono state acquisite solo proiezioni a 80 kVp e ricostruite con un voxel di
dimensioni (0.2×0.2×4) mm3.
Binning acquisizione
(pixel; mm2)
Risoluz. proiezione
(∆x, ∆y)
(pixel)
N°
proiezioni ×
grado
4×4;
0.2×0.2 mm2
980×586
360×1°
Risoluzione
ricostruzione
(∆x, ∆y, ∆z) (pixel;
mm3)
980×980×29;
0.2×0.2×4 mm3
kVp
80
Figura 8. Rappresentazione planare delle 29 slices di ricostruzione del fantoccio (spessore slice =
4mm).
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Figura 9. Visualizzazione 3D del fantoccio 1.
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Fantoccio 2
Per questo fantoccio sono state acquisite proiezioni a diverse tensioni (da 50 a 80 kVp) e le
ricostruzioni sono state effettuate con un voxel di dimensioni (0.2×0.2×4) mm3.
Binning acquisizione
(pixel; mm2)
Risoluz. proiezione
(∆x, ∆y)
(pixel)
N°
proiezioni ×
grado
4×4;
0.2×0.2 mm2
4×4;
0.2×0.2 mm2
4×4;
0.2×0.2 mm2
4×4;
0.2×0.2 mm2
921×584
360×1°
920×586
360×1°
920×586
360×1°
920×586
360×1°
a)
Risoluzione
ricostruzione
(∆x, ∆y, ∆z) (pixel;
mm3)
921×921×29;
0.2×0.2×4 mm3
920×920×29;
0.2×0.2×4 mm3
920×920×29;
0.2×0.2×4 mm3
920×920×29;
0.2×0.2×4 mm3
kVp
50
60
70
80
b)
Figura 10. Acquisizione a 50 kVp: a) Rappresentazione planare delle 29 slices di ricostruzione del
fantoccio (spessore slice = 4 mm). b) Visualizzazione 3D del fantoccio 2.
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a)
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b)
Figura 11. Acquisizione a 60 kVp: a) Rappresentazione planare delle 29 slices di ricostruzione del
fantoccio (spessore slice = 4 mm). b) Visualizzazione 3D del fantoccio 2.
a)
b)
Figura 12. Acquisizione a 70 kVp: a) Rappresentazione planare delle 29 slices di ricostruzione del
fantoccio (spessore slice = 4 mm). b) Visualizzazione 3D del fantoccio 2.
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a)
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b)
Figura 13. Acquisizione a 80 kVp: a) Rappresentazione planare delle 29 slices di ricostruzione del
fantoccio (spessore slice = 4 mm). b) Visualizzazione 3D del fantoccio 2.
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Fantoccio 3
Per questo fantoccio sono state acquisite proiezioni a 80 kVp e le ricostruzioni sono state effettuate
con un voxel di dimensioni (0.2×0.2×4) mm3. Successivamente i dettagli di questo fantoccio sono
stati riempiti con acqua; la ricostruzione di questa acquisizione viene mostrata di seguito nella
valutazione del COV e dell’SNR.
Binning acquisizione
(pixel; mm2)
Risoluz. proiezione
(∆x, ∆y)
(pixel)
N°
proiezioni ×
grado
4×4;
0.2×0.2 mm2
920×586
360×1°
a)
Risoluzione
ricostruzione
(∆x, ∆y, ∆z) (pixel;
mm3)
920×920×29;
0.2×0.2×4 mm3
kVp
80
b)
Figura 14. Acquisizione a 80 kVp: a) Rappresentazione planare delle 29 slices di ricostruzione del
fantoccio (spessore slice = 4 mm). b) Visualizzazione 3D del fantoccio 3.
Cilindro vuoto riempito con acqua
Per questo fantoccio sono state acquisite proiezioni a diverse tensioni (da 50 a 80 kVp) e le
ricostruzioni sono state effettuate con un voxel di dimensioni (0.2×0.2×4) mm3.
Binning acquisizione
(pixel; mm2)
Risoluz. proiezione
(∆x, ∆y)
(pixel)
N°
proiezioni ×
grado
4×4;
0.2×0.2 mm2
956×586
360×1°
Risoluzione
ricostruzione
(∆x, ∆y, ∆z) (pixel;
mm3)
956×956×29;
0.2×0.2×4 mm3
kVp
50
15
Report delle misure su BREAST-CT
4×4;
0.2×0.2 mm2
4×4;
0.2×0.2 mm2
4×4;
0.2×0.2 mm2
a)
luglio 2007
956×586
360×1°
956×586
360×1°
956×586
360×1°
956×956×29;
0.2×0.2×4 mm3
956×956×29;
0.2×0.2×4 mm3
956×956×29;
0.2×0.2×4 mm3
60
70
80
b)
Figura 17. Acquisizione a 80 kVp del cilindro vuoto riempito con acqua. a) Rappresentazione
planare delle 29 slices di ricostruzione del fantoccio (spessore slice = 4 mm). b) Visualizzazione
3D.
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Cilindro di PMMA
Per questo fantoccio sono state acquisite proiezioni a diverse tensioni (da 50 a 80 kVp) e le
ricostruzioni sono state effettuate con un voxel di dimensioni (0.2×0.2×4) mm3.
Binning acquisizione
(pixel; mm2)
Risoluz. proiezione
(∆x, ∆y)
(pixel)
N°
proiezioni ×
grado
4×4;
0.2×0.2 mm2
4×4;
0.2×0.2 mm2
4×4;
0.2×0.2 mm2
4×4;
0.2×0.2 mm2
996×586
360×1°
996×586
360×1°
996×586
360×1°
996×586
360×1°
a)
Risoluzione
ricostruzione
(∆x, ∆y, ∆z)
(pixel; mm3)
996×996×29;
0.2×0.2×4 mm3
996×996×29;
0.2×0.2×4 mm3
996×996×29;
0.2×0.2×4 mm3
996×996×29;
0.2×0.2×4 mm3
kVp
50
60
70
80
b)
Figura 18. Acquisizione del cilindro in PMMA a 50 kVp: a) Rappresentazione planare delle 29
slices di ricostruzione del fantoccio (spessore slice = 4 mm). b) Visualizzazione 3D.
17
Report delle misure su BREAST-CT
luglio 2007
a)
b)
Figura 19. Acquisizione del cilindro in PMMA a 60 kVp: a) Rappresentazione planare delle 29
slices di ricostruzione del fantoccio (spessore slice = 4 mm). b) Visualizzazione 3D.
a)
b)
Figura 20. Acquisizione del cilindro in PMMA a 70 kVp: a) Rappresentazione planare delle 29
slices di ricostruzione del fantoccio (spessore slice = 4 mm). b) Visualizzazione 3D.
18
Report delle misure su BREAST-CT
a)
luglio 2007
b)
Figura 21. Acquisizione del cilindro in PMMA a 80 kVp: a) Rappresentazione planare delle 29
slices di ricostruzione del fantoccio (spessore slice = 4 mm). b) Visualizzazione 3D.
19
Report delle misure su BREAST-CT
luglio 2007
2.2 Valutazioni del COV
Le fluttuazioni nei valori del coefficiente di attenuazione lineare µ ricostruiti possono essere
valutate quantitativamente tramite il loro coefficiente di variazione (COV). Tale coefficiente è
definito come il rapporto tra la deviazione standard ed il valor medio dei coefficienti di
attenuazione, misurati su un oggetto uniforme:
COV =
σµ
µ
Il COV fornisce informazioni sulla risoluzione in contrasto dell’immagine, ovvero sulla capacità di
distinguere tessuti con coefficienti di attenuazione simili.
Il COV è stato valutato su delle ROI circolari di 50 pixel di diametro ( corrispondenti a circa 10 mm
di diametro sull’immagine). Per ogni immagine sono state considerate due ROI: al centro e al bordo
dell’immagine. Inoltre, per ogni sequenza di immagini, sono state considerate 3 fette: la prima, a
metà e alla fine, secondo lo schema riportato nella figura 22.
Figura 22. Fette considerate per il calcolo del COV. Su ogni fetta vengono considerate due ROI:
una al centro e una sul bordo del fantoccio. A, B, C indicano rispettivamente le fette su cui sono
stati calcolati µ e σ.
Nella tabella 3 sono riportati i valori di COV ottenuti nei fantocci acquisiti ad 80 kVp.
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FANTOCCIO
luglio 2007
N° fetta
C
F1
B
A
C
F2
B
A
C
F3
B
A
C
AF con acqua
B
A
AF
C
B
A
0.024
Standard
Deviation
0.001
COV
(σ/µ)
4.2%
centro
0.025
0.002
8.0%
bordo
0.023
0.002
8.7%
centro
0.017
0.003
17.6%
bordo
0.023
0.002
8.7%
centro
0.015
0.004
26.7%
bordo
0.024
0.001
4.2%
centro
0.023
0.002
8.7%
bordo
0.023
0.002
8.7%
centro
0.013
0.005
38.5%
bordo
0.023
0.002
8.7%
centro
0.014
0.005
35.7%
bordo
0.014
0.004
28.6%
centro
0.024
0.002
8.3%
bordo
0.023
0.002
8.7%
centro
0.017
0.003
17.6%
bordo
0.024
0.002
8.3%
centro
0.016
0.003
18.7%
bordo
0.023
0.002
8.7%
centro
0.015
0.004
26.7 %
bordo
0.019
0.002
10.5%
centro
0.014
0.004
28.6%
bordo
0.022
0.002
9.1%
centro
0.015
0.004
26.7%
bordo
0.006
0.003
50%
centro
0.003
0.003
100%
bordo
9.4×10-4
0.001
--
centro
5.8×10-4
0.002
--
bordo
-3.8×10-
4
0.001
--
centro
-2.1×10-4
9.7×10-4
--
Posizione
ROI
bordo
Mean
21
Report delle misure su BREAST-CT
luglio 2007
FANTOCCIO
N° fetta
Cilindro pieno
C
B
A
Cilindro con acqua
C
B
A
0.014
Standard
Deviation
0.005
COV
(σ/µ)
35.7%
centro
0.023
0.003
13.0%
bordo
0.012
0.004
33.3%
centro
0.022
0.002
9.1%
bordo
0.022
0.002
9.1%
centro
0.013
0.005
38.5%
bordo
0.021
0.003
14.3%
centro
0.015
0.005
33.3%
bordo
0.020
0.002
10.0%
centro
0.013
0.005
38.5%
bordo
0.021
0.002
9.5%
centro
0.014
0.005
35.7%
Posizione
ROI
bordo
Mean
Tabella 3. Valori del COV. I valori medi e le deviazioni standard delle ROI relativi a fantocci
contenenti acqua sono stati calcolati in aree contenenti acqua.
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Report delle misure su BREAST-CT
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2.3 Calcolo del coefficiente di attenuazione lineare dell'acqua
Utilizzando le ricostruzioni del cilindro pieno d'acqua è stato ottenuto il valore del coefficiente di
attenuazione lineare dell'acqua alle diverse tensioni di acquisizione. Tale valutazione è necessaria
per esprimere le ricostruzioni in CT number. Nella figura 44444 è mostrato l’andamento del valore
medio del coefficiente di attenuazione lineare lungo l’asse verticale del fantoccio; la valutazione del
valor medio è stata eseguita su una ROI circolare con diametro di 50 pixel in una zona vicino al
bordo del fantoccio. Il valore medio valutato è di 0.021 ± 0.002 mm-1.
Il profilo del fascio riportato in figura 23 mostra una asimmetria del valor medio del coefficiente di
attenuazione lungo l’asse verticale del fantoccio. In futuro si indagherà se questa asimmetria può
essere legata ad una valutazione dell’effetto di scattering.
Figura 23. Andamento del valore medio del coefficiente di attenuazione lineare lungo l’asse
verticale del fantoccio. Il grafico è relativo alla ricostruzione ottenuta con una tensione di 80 kVp.
23
Report delle misure su BREAST-CT
luglio 2007
2.4 Valutazioni del CT Number
Utilizzando il µ (0.021 mm-1) dell’acqua ottenuto dalla misura precedente si riportano di seguito
tutte le ricostruzioni effettuare in CT number secondo la seguente relazione:
CT number = 1000* (µ-µacqua) / µacqua
Dove µ e µacqua sono, rispettivamente, i coefficienti di attenuazione lineare dell’oggetto considerato,
e dell’acqua. In figura 24 sono riportati, per i diversi fantocci, i profili del CT number al variare
dello spessore della fetta. Si osserva che l'effetto del beam hardening diminuisce al diminuire dello
spessore della fetta.
400
400
0
CT numbers
CT Number
200
-200
-400
high thickness
-600
200
-800
-1000
0
100
200
300
pixel
400
0
500
0
a) Fantoccio 1; 80 kVp.
200
pixel
300
400
500
b) Fantoccio 2; 50 kVp.
300
Ct number
500
CT number
100
0
0
-300
-600
-500
-900
-1000
0
100
200
300
pixel
400
0
500
c) Fantoccio 2; 60 kVp.
100
200
300
Pixel
400
500
d) Fantoccio 2; 70 kVp.
0
0
Ct numbers
CT number
400
-400
-800
-400
-800
0
100
200
300
Pixel
400
500
0
100
200
300
Pixel
400
500
e) Fantoccio 2; 80 kVp.
f) Fantoccio 3; 80 kVp.
Figura 24. Profili, espressi in CT number, al variare dello spessore della fetta. In ogni figura è
indicato il fantoccio e la tensione di alimentazione del tubo utilizzata per l’acquisizione
dell’immagine.
24
Report delle misure su BREAST-CT
luglio 2007
2.5 Confronto aria-acqua
Per ottenere delle indicazioni circa le performance in contrasto abbiamo riempito con acqua i
dettagli del fantoccio 3. Un confronto tra le fette con i dettagli, con e senza acqua, è riportato di
seguito. Dalle immagini e dai relativi profili è possibili notare che il contrasto diminuisce
bruscamente nel fantoccio con l'acqua.
L’SNR sperimentale, considerando aria e PMMA, è definito dalla seguente formula:
SNR =
µ PMMA − µ aria
2
2
σ PMMA
− σ aria
dove µPMMA e µaria sono i coefficienti di attenuazione lineari medi ricostruiti e σPMMA e σaria
sono le loro rispettive deviazioni standard. La formula analoga viene considerata per calcolare
l’SNR tra PMMA ed acqua. Nelle figure 25 e 26 sono riportate le immagini ricostruite (una
singola fetta) e il profilo di intensità del CT number eseguito sull’area indicata.
Considerando il particolare con diametro 8 mm, si riportano nella tabella 4 i valori ottenuti per
l’SNR.
PMMA
Aria
PMMA
Acqua
µ
0.016
0.007
0.016
0.012
σ
0.003
0.003
0.002
0.003
SNR
2.12
1.11
Tabella 4. Valori ottenuti dell’SNRPMMA/aria e dell’SNRPMMA/acqua.
a)
b)
Figura 25. a) Ricostruzione CT di una fetta del fantoccio 3 in cui sono visibili i particolari pieni di
aria. b) Profilo del CT number eseguito sull’area indicata in a).
25
Report delle misure su BREAST-CT
luglio 2007
a)
b)
Figura 26. a) Ricostruzione CT di una fetta del fantoccio 3 in cui sono visibili i particolari pieni di
acqua. b) Profilo del CT number eseguito sull’area indicata in a).
26
Report delle misure su BREAST-CT
luglio 2007
2.6 Beam Hardening (Cupping artifacts)
Dai profili del CT number mostrati nella precedente sezione (paragrafo 2.4) si osserva un forte
contributo del beam hardening. Tale effetto può essere quantificato tramite il fattore di cupping
artifact definito secondo la seguente formula:
(µbordo - µcentro) / µbordo.
Per compensare tale effetto si applica un algoritmo di correzione che consente di rendere flat il
profilo del CT number. Nelle figure 27 e 28 è mostrato come varia sia la ricostruzione CT sia il
profilo del CT number applicando la correzione.
a)
b)
Figura 27. a) Ricostruzione CT di una fetta del fantoccio 3. b) Profilo del CT number eseguito
sull’area indicata in a). Si osserva l’effetto di cupping.
27
Report delle misure su BREAST-CT
a)
luglio 2007
b)
Figura 28. Ricostruzione CT (a) e profilo del CT number (b) di una fetta del fantoccio 3 dopo aver
applicato l’algoritmo per la correzione dell’effetto cupping.
Da osservare che occorre modificare questo algoritmo poiché corregge l’effetto ma non conserva il
valore del CT number.
28
Report delle misure su BREAST-CT
luglio 2007
2.7 Misure di dose con i TLD
Procedura adottata
Per valutare la dose assorbita è stato usato un fantoccio mammografico di plexiglass appositamente
realizzato. Lo schema del fantoccio è mostrato in figura 29.
TLD
a)
b)
Figura 29. a) Schema del fantoccio mammografico n° 2. Il raggio del fantoccio è 7 cm, l’altezza 13
cm. All’interno del fantoccio, sul piano assiale, sono stati realizzati 6 fori circolari (r = 0.6cm, h =
1 mm) per posizionare i TLD. Tre fori (indicati in figura a) con 1, 2 e 3)) sono disposti lungo l’asse
di rotazione; e altri 3 fori (4, 5 e 6) sono posizionati lungo il bordo, a circa 1 cm dalla parete esterna
del fantoccio. b) Fotografia della metà del fantoccio contenente i TLD alloggiati negli appositi fori.
I TLD (dalle dimensioni di 3 mm × 3 mm × 0.9 mm ) vengono posizionati all’interno di ogni cavità
e fissati con lo scotch a doppia faccia. Una volta fissati i TLD, il fantoccio viene richiuso e
posizionato come mostrato nella figura 29. Il fantoccio viene esposto al fascio emesso dal tubo a
raggi X che ha una filtrazione interna di 1.8 mm di Al, più una filtrazione aggiuntiva di 50 µm di
Cu.
29
Report delle misure su BREAST-CT
luglio 2007
Rivelatore
Flat Panel
Tubo a
Raggi X
Fantoccio
mammografico con
alloggi per i TLD
500 mm
isocentro
Figura 30. Il fantoccio viene fissato ad una base rotante in modo che ruoti intorno al proprio asse.
L’asse di rotazione del fantoccio dista 50 cm dal fuoco del tubo.
Misure eseguite
Sono state eseguite misure della dose assorbita all’interno del fantoccio al variare della tensione di
alimentazione del tubo nelle diverse posizioni all’interno del fantoccio.
Il fantoccio è stato esposto al fascio di raggi X emessi dal tubo e fatto ruotare di 360° intorno al
proprio asse. Il tempo totale impiegato per la rotazione del fantoccio è di 4 minuti e 55 secondi. Pari
a 295 secondi).
La tensione di alimentazione del tubo viene fatta variare da 80 kVp a 40 kVp, con variazione di 10
kVp. La corrente è fissata a 0.250 mA, e poiché il tempo di esposizione è fisso, i mAs sono pari a
73.75.
Una volta esposti, i TLD vengono letti con l’apposita strumentazione. Il valore ottenuto (in
Coulomb), viene moltiplicato per il fattore di calibrazione (3.9 mGy/nC).
Di seguito sono riportate in tabella 5 i valori di dose ottenuto nelle varie posizioni ed alle diverse
tensioni di alimentazione.
30
Report delle misure su BREAST-CT
Tens. di aliment.
del tubo
(kVp)
Posizione
del TLD
1
80
70
60
50
40
luglio 2007
Carica accumulata
nel TLD
(nC)
76.70
Dose nel
fantoccio
(mGy)
19.67
2
Persa
--
3
64.68
16.58
4
85.71
21.98
5
91.20
23.38
6
89.68
22.99
1
55.40
14.21
2
51.30
13.15
3
46.28
11.87
4
64.80
16.62
5
57.96
14.86
6
66.83
17.14
1
39.95
10.24
2
33.04
8.47
3
28.75
7.37
4
32.90
8.44
5
42.48
10.89
6
47.50
12.18
1
21.97
5.63
2
17.71
4.54
3
13.39
3.43
4
24.46
6.27
5
24.63
6.32
6
22.30
5.72
1
7.87
2.02
2
6.30
1.62
3
5.59
1.43
4
10.37
2.66
5
Persa
--
6
10.59
2.72
Dose in aria
(mGy)
Tabella 5. Valori di dose ottenuti dalla lettura dei TLD posti all’interno del fantoccio.
31
Report delle misure su BREAST-CT
luglio 2007
2.8 Misura di kerma in aria
Per le misure di kerma è stata utilizzata una camera a ionizzazione (modello 37-725 Ion Chamber
Electrometer, Nuclear Associates, Victoreen) con la parte sensibile di grafite a forma di ditale,
ricoperto da un cappuccio di plexiglass dello spessore di circa 2 mm. Il rivelatore viene posizionato
a 10 cm dal tubo a raggi X. Il fascio di raggi X viene filtrato internamente al tubo da uno spessore di
1.8 mm di Al, ed esternamente al tubo da uno spessore di 50 µm di Cu. In figura 31 è mostrata la
geometria adottata per la misura.
Camera a Ionizzazione
10 cm
Figura 31. Fotografia dell’allestimento adottato per la misura del kerma in aria. La camera a
ionizazione dista 10 cm dal tubo a raggi X.
Sono stati effettuati 5 set di misure di dose fissando, per ogni set di misura la tensione, e facendo
variare la corrente anodica. La tensione di alimentazione del tubo è inizialmente posta a 80 kVp,
quindi viene diminuita di 10 kVp alla volta fino ad arrivare a 40 kVp. Ad ogni fissato valore di
tensione, viene fatta variare la corrente anodica da 250 µA fino a 50 µA, a passi di 50 µA. Il tempo
di esposizione è pari al tempo necessario per la rotazione del fantoccio di 360°, e cioè 4 minuti e 55
secondi (pari a 295 secondi). I valori ottenuti di dose, in funzione dei mAs, sono riportati nella
tabella 6 e nel grafico 32. Dal grafico 32a è stata ricavata la pendenza delle curve dose vs. mAs, e
tali valori sono riportati, in funzione dei kVp, nella figura 32b.
32
Report delle misure su BREAST-CT
luglio 2007
A partire dai valori di dose misurati a 10 cm dal tubo, è possibile ricavare la dose all’isocentro del
fascio (a 50 cm dal tubo), tenendo conto che la dose varia con l’inverso del quadrato della distanza.
I valori di dose così ottenuti sono riportati in tabella 6. Anche in questo caso è stato riportato
(grafico 33b) l’andamento dei mGy/mAs vs. la tensione di alimentazione del tubo.
mAs
D@80 kV
D@70 kV
D@60 kV
D@50 kV
D@40 kV
(mGy)
(mGy)
(mGy)
(mGy)
(mGy)
73.75
334.4
264
193.6
123.2
70.4
59
281.6
211.2
158.4
105.6
61.6
10 cm
44.25
211.2
158.4
114.4
79.2
52.8
29.5
149.6
114.4
88
52.8
35.2
14.75
79.2
61.6
44
35.2
26.4
73.75
13.376
10.56
7.744
4.928
2.816
59
11.264
8.448
6.336
4.224
2.464
50 cm
44.25
8.448
6.336
4.576
3.168
2.112
29.5
5.984
4.576
3.52
2.112
1.408
14.75
3.168
2.464
1.76
1.408
1.056
Tabella 6. Valori di dose ottenuti al variare della tensione di alimentazione del tubo (da 80 a 40
kVp) e della correnta anodica (da 0.250 a 0.050 mA). I tempo di esposizione è fissato pari a 295 s.
Dose (mGy) @ 10 cm
Linear fit: Y = A + B * X
80 kV, A= 18.5±5.6, B=4.3±0.1, R 0.99
70 kV, A= 11.4±2.9, B=3.4±0.1, R 0.99
60 kV, A= 8.8±4.8, B=2.5±0.1, R 0.99
50 kV, A= 10.6±3.4, B=1.5±0.1, R 0.99
40 kV, A= 14.9±2.9, B=0.8±0.1, R 0.99
300
80 kVp
70 kVp
60 kVp
200
50 kVp
100
mGy/mAs @ 10 cm
d
5
4
Linear fit: Y = A+B*X
A = -2.8±0.1
B= 0.089±0.002
R=0.999
3
2
Filtrazione interna: 1.8 mm Al
Filtrazione aggiuntiva: 50 micron Cu
1
40 kVp
0
0
20
40
60
mAs
80
40
50
60
kVp
70
80
a)
b)
Figura 32. Andamento della dose in funzione dei mAs (a) e del rapporto mGy/mAs in funzione
della tensione ad una distanza di 10 cm dal tubo.
A partire dai valori di dose misurati a 10 cm dal tubo, è possibile ricavare la dose all’isocentro del
fascio (a 50 cm dal tubo), tenendo conto che la dose varia con l’inverso del quadrato della distanza.
I valori di dose così ottenuti sono riportati in tabella 6e nel grafico 33a. Anche in questo caso è stato
riportato l’andamento dei mGy/mAs vs. la tensione di alimentazione del tubo (grafico 33b).
33
luglio 2007
Linear fit: Y = A + B * X
80 kV, A= 0.7±0.2, B=0.174±0.004, R=0.99
70 kV, A= 0.5±0.1, B=0.136±0.002, R=0.99
60 kV, A= 0.3±0.2, B=0.100±0.004, R=0.99
50 kV, A= 0.4±0.1, B=0.062±0.002, R=0.99
40 kV, A= 0.6±0.1, B=0.031±0.002, R=0.99
0.20
80 kVp
14
12
70 kVp
10
8
60 kVp
6
50 kVp
4
40 kVp
mGy/mAs @ 50 cm
Dose (mGy) @ isocenter (50 cm)
Report delle misure su BREAST-CT
0.16
Linear fit: Y = A+B*X
A = -0.113±0.005
B= 0.0035±0.00008
R=0.999
0.12
0.08
0.04
2
0
10
20
30
40 50
mAs
60
70
80
40
50
60
kVp
70
80
a)
b)
Figura 33. Andamento della dose in funzione dei mAs (a) e del rapporto mGy/mAs in funzione
della tensione ad una distanza di 50 cm dal tubo (isocentro).
2.9 Acquisizione degli spettri
Sono state acquisite due serie di spettri di un fascio X da tubo radiogeno al variare della tensione
nell’intervallo [40, 80] kV, la prima senza alcun filtro esterno, la seconda con un filtro di 50 µm di
rame, ottenuto mediante la sovrapposizione di due fogli da 25 µ m ciascuno.
Set-up utilizzato
La sorgente utilizzata è un tubo radiogeno con anodo in tungsteno, modello SB-80-250 SRI. La
massima tensione di alimentazione del tubo è di 80 kVp, la corrente anodica massima è di 0.25 mA
e la filtrazione inerente è di 1.8 mm di alluminio. Il rivelatore utilizzato è un Amptek al Telloruro di
Cadmio XR-100T-CdTe, spesso 1 mm e di diametro pari a 3 mm.
Il beccuccio del rivelatore è stato inserito all'interno di un collimatore telescopico con foro circolare
da 1 mm e lunghezza pari a 23 cm. Il collimatore, a sua volta, era allineato al fascio uscente dal
tubo mediante un portacollimatore a cravatta solidale al tubo stesso. Un'immagine del set-up
sperimentale è riportata in figura 34.
La distanza tra la posizione del microfocus all'interno del tubo e l'area sensibile del rivelatore è di
24.5 cm.
Il software di acquisizione usato è Silena MCA Plus MB9580.
34
Report delle misure su BREAST-CT
luglio 2007
Figura 34. Fotografia del set-up sperimentale: sono indicati il tubo a raggi X (disposto
verticalmente), il collimatore telescopico inserito in un portacollimatore a cravatta solidale al tubo,
ed il rivelatore Amptek a CdTe (spessore 1 mm), centrato nel collimatore.
Prima serie di Spettri (I = 15 µA, nessun filtro esterno)
Lo spettro è stato acquisito con un filtro di 1.8 mm di Al interno al tubo radiogeno e senza alcun
filtro esterno. Nel set-up del software Silena MCA plus è stato impostato il numero totale di
conteggi a cui la acquisizione avrebbe dovuto terminare di 100000.
L'elenco degli spettri acquisiti e i relativi tempi di acquisizione sono riportati in tabella 7.
File
Tensione (kV)
Live Time (s)
Real Time (s)
Dan40
40
896.91
902.35
Dan50
50
664.49
691.70
Dan60
60
355.95
368.59
Dan70
70
212.60
220.50
Dan80
80
129.14
132.91
Tabella 7. Elenco degli spettri acquisiti e relativi tempi di acquisizione.
I conteggi acquisiti sono stati divisi per il tempo vivo (Live Time) di acquisizione, per la corrente di
misura I e per la larghezza in energia del canale (0.3376 keV).
I dati sono stati, quindi, binnati 3×3 e i conteggi sono stati divisi per l'efficienza del CdTe alle
relative energie. Lo spettro è mostrato in figura 35.
35
Report delle misure su BREAST-CT
luglio 2007
Filtro 1.8 Al (interno tubo W)
Attenuazione (22 + 2.54) cm Aria
Correzione per efficienza 1 mm CdTe
3500
cps/microA*keV
3000
40
50
60
70
80
2500
2000
keV
keV
keV
keV
keV
1500
1000
500
0
0
10
20
30 40 50
E (keV)
60
70
80
Figura 35. Spettro del fascio X da tubo radiogeno con anodo in tungsteno con filtro di 1.8 mm di
Al, acquisito con rivelatore a CdTe spesso 1 mm.
Seconda serie di Spettri (I = 40 µA, filtro esterno pari a 50 µm)
Lo spettro è stato acquisito con un filtro di 1.8 mm di Al interno al tubo radiogeno e con un filtro
esterno di rame di spessore pari a 50 µm, realizzato sovrapponendo due filtri da 25 µm ciascuno.
Nel set-up del software Emca plus è stato impostato il numero totale di conteggi a cui la
acquisizione avrebbe dovuto terminare pari a 100000.
L'elenco degli spettri acquisiti e i relativi tempi di acquisizione sono riportati in tabella 8.
File
Tensione (kV)
Live Time (s)
Dan40_50
40
507.28
Dan50_50
50
344.60
Dan60_50
60
183.11
Dan70_50
70
103.11
Dan80_50
80
100.96
Tabella 8. Elenco degli spettri acquisiti e relativi tempi di acquisizione.
Real Time (s)
516.60
350.40
187.28
105.72
102.71
I conteggi acquisiti sono stati divisi per il tempo vivo (Live Time) di acquisizione, per la corrente di
misura e per la larghezza in energia del canale (0.3376 keV).
I dati sono stati, quindi, binnati 3×3 e i conteggi sono stati divisi per l'efficienza del CdTe alle
relative energie. Lo spettro è mostrato in figura 36.
36
Report delle misure su BREAST-CT
luglio 2007
Filtro 50 micron Cu
Filtro 1.8 Al (interno tubo W)
Attenuazione (22 + 2.54) cm Aria
Correzione per efficienza 1 mm CdTe
cps/microA*keV
1500
1200
40 keV
50 keV
60 keV
70 keV
80 keV
900
600
300
0
0
10
20
30 40 50
E (keV)
60
70
80
Figura 16. Spettro del fascio X da tubo radiogeno con anodo in tungsteno con filtro di 50 µm di Cu
e 1.8 mm di Al, acquisito con rivelatore a CdTe spesso 1 mm.
Retta di Calibrazione
I dati in uscita degli spettri acquisiti sono espressi in conteggi per canale; per conoscere la
corrispondenza canale-energia è stata effettuata una calibrazione ad energie note. La retta di
calibrazione Canale-Energia è stata calcolata considerando i picchi corrispondenti alle Kα1, Kα2,
Kβ1, Kβ1 del tungsteno e gli end-point delle energie di 60 keV, 70 keV e 80 keV, riportati in tabella
3.
La retta di taratura risulta:
E = A + B Ch
con E: energia; Ch: canale; A = 0.02247 keV; B = 0.3376 keV (larghezza del canale).
Energia (keV) Canale
Start Point
Kα1
Kα2
End Point
Kβ1
Kβ2
End Point
End Point
0
57.973
59.31
60
67.233
69.09
70
80
0
172.63
175.82
177.1
199.69
203.42
205.98
238.06
37
Report delle misure su BREAST-CT
luglio 2007
Tabella 9. Punti sperimentali relativi ai canali in cui cadono energie note; dalla corrispondenza
canale-energia è possibile ricavare la retta di calibrazione E = A + B Ch.
2.10 Misure di HVL
Il fascio a raggi X è stato anche caratterizzato dal punto di vista dell’Half Value Layer (HVL). Le
misure sono state effettuate alimentando il tubo con una tensione di 80 kVp e con una corrente
anodica di 250 µA. Per misurare l’attenuazione del fascio di raggi X è messo all’uscita del tubo un
cuneo di allumino di spessore variabile (wedge).
L’andamento dell’attenuazione dell’intensità del fascio in funzione dello spessore di alluminio è
mostrato in figura 37. Da un fit esponenziale dei dati si ricavano il valore di attenuazione al 50%
del fascio (HVL1 = 6.1 mm), e il valore di attenuazione al 10% (HVL2 = 15.0 mm).
Attenuation I/I0
80 kVp 1.8 mm Al + 0.05 mm Cu
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
HVL1 = 6.1 mm
HVL2 = 15.0 mm
0.4
0.3
0.2
0
2
4
6
8
10 12 14 16
Aluminum thickness (mm)
Figura 37. Andamento dell’attenuazione del fascio misurata con un cuneo di alluminio di spessore
variabile.
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