Control de calidad de imágenes mamográficas

Transcripción

1 Control de calidad de imágenes mamográficas Camargo María Lourdes, Morales Marianela, Graffigna Juan Pablo, Romo Raúl Facultad de Ingeniería UNSJ, , 5400 Resumen Este trabajo se enmarca dentro del Procesamiento de Imágenes Médicas para la evaluación de calidad. El mismo consiste en desarrollar un fantoma que permita evaluar la calidad de imagen del equipo mamográfico y un software para la medición de parámetros que realice su valoración, siendo estos: la Función de Transferencia de Modulación, la Relación Contraste Ruido y la Uniformidad. El mismo también incluye un protocolo que pretende unificar las condiciones bajo las cuales son adquiridas las imágenes para su posterior evaluación. Una vez obtenidas las placas, son escaneadas para convertirlas a formato digital, y de esta manera poder aplicar el software desarrollado. Éste se realizó aplicando herramientas de procesamiento de imágenes. Con este fin se realizó un estudio de los antecedentes en cuanto a control de calidad de imagen en mamografía en Argentina y otros organismos internacionales. Éstos proponen una placa metálica que simule un borde montado sobre un bloque de acrílico de polimetil metacrilato. Para desarrollar el fantoma que evalúa la calidad a través de los parámetros mencionados se probó con láminas de dos materiales propuestos, Plomo y Aluminio, con espesores de 0.5 y 0.8 mm respectivamente, montados sobre el bloque de acrílico. Las imágenes se adquirieron con diferentes valores de kvp y mas del equipo. Los resultados mostraron que con el fantoma con Plomo no se trabajaba en la zona lineal de la película mamográfica, por lo que los algoritmos no pueden ser aplicados. Sin embargo, con la placa de Aluminio y parámetros de 8 kvp y 40 mas se obtuvieron películas mamográficas en la zona lineal. Con lo que se logró evaluar la calidad de imagen adecuadamente. Palabras clave Calidad de imagen, Fantoma, Protocolo. L I. INTRODUCCIÓN A mamografía es una de las técnicas radiológicas más exigentes, especialmente desde el punto de vista de la calidad de la imagen. Los objetos de interés diagnóstico (distorsiones en la arquitectura de la mama, masas y microcalcificaciones) tienen densidades muy similares a los tejidos mamarios en los que están imbuidos. La necesidad de hacer visibles en la imagen detalles tan sutiles dentro de la compleja arquitectura de la mama obliga a potenciar el contraste y la resolución y a minimizar el ruido. Además ha de obtenerse con una dosis de radiación tan baja como sea posible [4]. Este trabajo se enmarca dentro del Procesamiento de Imágenes Médicas para la evaluación de calidad en equipos mamográficos. El mismo consiste en desarrollar un dispositivo de prueba, sencillo de construir y de bajo costo, para la medición de parámetros de calidad; y un protocolo que pretende unificar las condiciones bajo las cuales son adquiridas las imágenes para su posterior evaluación. Los primeros pasos consistieron en una investigación en cuanto a legislación y protocolos referidos a control de calidad de imagen en mamografía. Se comenzó la búsqueda por las normas existentes en nuestro país. La Ley Nº [6], Equipos de Rayos X - Normas para la instalación y utilización de equipos, es la legislación básica y fundamental para la regulación radiosanitaria del diagnóstico radiológico. La misma es de alcance Nacional y ha sido adoptada en casi todas las provincias. Esta Ley determina que los equipos destinados a la generación de rayos X, cualquiera sea su campo de aplicación, deben ser habilitados y controlados por autoridades de Salud Pública de la Nación o de las Provincias. También existe la Disposición 560/99 [3] sobre Instalaciones para realizar mamografías. Especificaciones técnicas elaborada por la Subsecretaria de Administración de Servicios y Programas de Salud (S.S.A.S. y P.S.). En ésta el artículo º expresa que las mamografías deben realizarse en instalaciones habilitadas a tal fin de acuerdo a lo que establece la ley [6], y deberán cumplir las especificaciones técnicas de los anexos I y II que forman parte de dicha resolución. El artículo número siete de esta norma trata el aspecto de calidad de imagen. Ante la existencia de una ley que obliga la aplicación de un programa de garantía de calidad, el Ministerio de Salud desarrolla el Programa Nacional de Garantía de Calidad de la Atención Médica, y aprueba e incorpora a ésta la Guía de Delineamientos Básicos en el Control de Calidad en Mamografía: Bases para un Programa de Garantía de Calidad [7]. Esta guía, elaborada en el seno de la Comisión Nacional Asesora del Subprograma Nacional de Prevención Secundaria de Cáncer de Mama, está contenida en la Resolución Ministerial Nº Dado que no se encontraron en nuestro país protocolos detallados de control de calidad de imagen en mamografía, la búsqueda se inclinó hacia otros organismos internacionales que desarrollan protocolos o recomendaciones sobre pruebas para el control de calidad. Este trabajo se basó fundamentalmente en el protocolo propuesto por ARCAL/OIEA [] (Acuerdo Regional de Cooperación para la Promoción de la Ciencia y Tecnología Nucleares en América Latina/Organismo Internacional de Energía Atómica) y las recomendaciones del ACPSEM [] (Australian College of Physical Scientists & Engineers in Medicine). II. MATERIALES Y MÉTODOS A. Evaluación de Calidad de Imagen El concepto de calidad de imagen se define dentro del entorno del diagnóstico médico y consiste en medir (objetiva o subjetivamente) el funcionamiento de un sistema generador de imágenes usado para un determinado tipo de

2 examen. Es decir, técnicamente es posible cuantificar o valorar las características de la imagen a partir de parámetros tales como resolución espacial, contraste, ruido, entre otros. Sin embargo, también es posible evaluar la calidad a partir de estimaciones subjetivas del funcionamiento global del equipo. Este método de evaluación, dependiente del factor humano, presenta cierta variabilidad. Por ello es importante la definición de un parámetro que caracterice de forma objetiva la calidad de la imagen. Los índices de calidad utilizados en este trabajo se mencionan a continuación. Ancho a la Mitad del Máximo (FWHM, Full Width at Half Maximum) El FWHM es un indicador de la resolución espacial del sistema. Se calcula a partir de la imagen de un borde, generado con un objeto opaco a los rayos X (ver Fig. a), del cual se extrae su perfil en dirección perpendicular a la zona de transición, conocido como Función de Dispersión de Borde, ESF (Edge Spread Function) (ver Fig. b). A continuación ésta se deriva, obteniendo así la Función de Dispersión de Línea (LSF, Line Spread Function). Finalmente el FWHM se calcula a la mitad del alto de la LSF normalizada (ver Fig. c). - MTF ( u) = (F[LSF(x)] ) = ( [LSF(X).e - πj.x.u ] dx) En () se observa que la MTF mide la modulación de amplitud (o nivel de gris) del patrón de líneas en la imagen. El tamaño de la modulación determina la calidad del sistema. Para una frecuencia dada u, si la MTF(v)=0 para v>u, entonces el sistema no podrá resolver frecuencias espaciales mayores a u. La MTF es una función unidimensional, es decir, que mide la resolución espacial solamente en una dirección determinada. Por tal motivo, se debe aclarar cuando se utiliza la MTF para describir la resolución espacial, la dirección en la cual fue definida. Este indicador se representa gráficamente mediante curvas (ver Fig. ). En cuanto a la medida de la resolución espacial del sistema de imagen, se suele cuantificar el parámetro f 50, que se define como la resolución en pares de líneas por milímetro al 50% de la MTF normalizada, y proporciona un valor numérico para la resolución espacial del sistema. En la práctica, se puede tomar el 0% de la MTF como el mínimo poder de resolución del sistema. () Fig. : Calculo de la MTF. Relación Contraste/Ruido (RCR) Fig. : Calculo del FWHM. Un valor bajo de FWHM implica una buena resolución espacial, mientras que uno elevado significa una mala resolución [5]. Función de Transferencia de Modulación (MTF, Modulation Transfer Function) La MTF es una medida matemática de cómo un sistema de imagen transfiere los detalles de contraste del objeto examinado hasta la imagen. Es una medida por lo tanto de la capacidad para reproducir una imagen que refleje con fidelidad el objeto explorado, siendo o el 00% el valor máximo [5]. La MTF es reconocida como la mejor indicadora de la resolución espacial del sistema. Se puede medir utilizando la transformada de Fourier de la LSF []. Matemáticamente se puede calcular como: La RCR es la diferencia entre la señal entre dos tejidos en una imagen, dividida por el ruido en la imagen. Permite evaluar la capacidad de generar imágenes con contraste útiles clínicamente. La RCR se evalúa con imágenes de una lámina de aluminio colocada sobre un maniquí estándar de polimetil metacrilato (PMMA). La lámina es colocada sobre el PMMA (ver Fig. 3). Se miden sobre las imágenes crudas o preprocesadas el valor medio del pixel (VMP) y la desviación estándar del pixel (DEP) de las dos Regiones de Interés (ROI, Region of Interest) estándar en las posiciones y indicadas en la figura. La RCR se calcula de acuerdo con () []. RCR = VMP DEP VMP () + DEP

3 3 Fig.3: Posicionamiento de los elementos de prueba para el cálculo de RCR. Uniformidad La uniformidad puede estimarse como la máxima desviación, en valor absoluto, entre los valores individuales (y i ) y el valor medio (y medio ). Se puede expresar en términos relativos como se muestra en (3) []. yi ymedio max 00 (3) ymedio En todos los casos se obtiene la imagen de un bloque de prueba estándar de PMMA que cubra la totalidad del receptor de imagen. La evaluación se realiza sobre tres ROIs colocadas en una línea paralela a la pared torácica, calculando en cada una el VMP y la Relación Señal/Ruido (SNR). Una buena uniformidad implica que los VMP de las ROIs laterales no deben diferir en más de un ± 0% respecto del la ROI central. Y la SNR (VMP/DEP) de las ROIs laterales no deben diferir en más de un ± 5% respecto del la ROI central. Para excluir un fallo debido a la no uniformidad del bloque de PMMA debe hacerse una segunda imagen girando el bloque 80 entre las exposiciones []. B. Descripción del fantoma En general, tanto el método como los parámetros utilizados para evaluar la calidad de la imagen dependen del maniquí que se utilice. En los controles rutinarios conviene evaluar la calidad de la imagen en las condiciones de referencia ya que esto facilita la comparación de los resultados obtenidos en los distintos controles. El fantoma propuesto en este trabajo está formado por distintos bloques separados que se agrupan según el parámetro a estudiar. Uno de ellos es un bloque de PMMA de 40 mm de espesor y dimensiones de 80 mm x 40 mm, de tal forma que simula una mama estándar de 45 mm de espesor; este se utiliza para la prueba de uniformidad (ver Fig. 4a). Para el armado del fantoma que permite el cálculo de FWHM, MTF y RCR se agrega al bloque anterior dos placas de un material radio-opaco de manera que cubran la mitad del PMMA. Este simula dos bordes, uno paralelo y otro perpendicular al eje ánodo-cátodo. Y una hoja de sierra de un metal radio-opaco que sirva como escala para el cálculo de los parámetros (ver Fig. 4b y 4c). Fig.4: Disposición de los elementos del fantoma; a) bloque de PMMA; b) fantoma de borde paralelo eje ánodo-cátodo; y c) fantoma de borde perpendicular al eje ánodo-cátodo. El PMMA ha sido el material seleccionado debido a la similitud de su coeficiente de atenuación con el del tejido mamario, la dispersión de la radiación incidente, su bajo costo, y la facilidad de mecanizarlo []. Además, se debe evaluar la calidad de imagen de todo el sistema en las peores condiciones, por lo que los parámetros deben ser evaluados al nivel de la entrada normal de la mama (es decir, sobre el acrílico); de otro modo con el fantoma colocado directamente sobre el receptor de imagen se evalúa únicamente su comportamiento. El fantoma fue evolucionando a lo largo del trabajo. En una primera instancia el bloque de PMMA estaba constituido por dos bloques pegados de 0 mm de espesor cada uno; luego se utilizó un bloque macizo del mismo material de 40 mm de espesor. En cuanto al fantoma de borde, se probó con dos materiales, Plomo y Aluminio, y con distintos parámetros del equipo mamográfico (kvp y mas) para evaluar su comportamiento. Para la prueba de la MTF, se utilizó un elemento de escala debido a la necesidad de expresar la resolución de la imagen en una medida de longitud (milímetros). El elemento de medida fue una hoja de sierra de 8 dientes por pulgada que cumple con las siguientes condiciones: es opaca a los rayos X, tiene una escala conocida y su medida está avalada por el fabricante. Para lograr el análisis de las placas convencionales, éstas se digitalizaron con un escáner específico para placas radiográficas. En este se eligió una resolución máxima del escáner (400 dpi) para no comprometer el cálculo de la resolución espacial de las placas. C. Definición del protocolo. El protocolo elaborado tiene como objetivo analizar la calidad de imágenes de los equipos de mamografía, a través de los parámetros FWHM, MTF, RCR y Uniformidad del receptor. Y tiene como referencia los trabajos realizado por ARCAL/OIEA y ACPSEM. La instrumentación está compuesta por: fantoma (descripto en este proyecto), mamográfo (GE Senographe 600T Senix HF), placas mamográficas (Kodak MIN-R S Film) y reveladora automáticas de placas (Kodak XP 000), escáner para placa radiográfica (UMAX Mirage IIse) y software para evaluación de los parámetros. Las pruebas deben ser realizadas bajo las siguientes condiciones de referencia: 8kVp, 40mAs, combinación ánodo/filtro Mo/Mo, foco grueso, rejilla conectada, CAE desconectado, con compresión. La metodología es la siguiente: I. Prueba para el cálculo de FWHM, MTF y RCR. a) Cargar el chasis con una película de la caja que esté en uso para los pacientes. Esperar el tiempo recomendado para tener buen contacto pantalla-película (5 minutos aproximadamente). Anotar el código y los datos de la película en la planilla de datos. b) Colocar el chasis cargado en el porta-chasis. c) Colocar la placa de Aluminio sobre 40 mm de PMMA. d) Realizar dos exposiciones para dos posiciones distintas del fantoma, uno con el borde del fantoma orientado en la dirección perpendicular al eje ánodo-cátodo (ver Fig. 5a), y el otro orientado en dirección paralela (ver Fig. 5b).

4 4 Realizar las exposiciones con las condiciones de referencia mencionadas anteriormente para 40 mm de PMMA. e) Revelar las placas. f) Digitalizar las imágenes de las placas reveladas con el uso de un escáner de placas radiográficas. Parámetros del escáner: resolución 400 dpi en la dirección del eje x del equipo, fuente de escaneo en modo transparencia, modo de escaneo en escala de gris, sin filtro ni destramado. g) Aplicar el procesado a cada imagen digital para evaluar la calidad de la misma. Los parámetros a evaluar serán: FWHM, MTF y RCR. h) Verificar si los parámetros medidos se encuentran dentro del rango de aceptación definidos para el presente estudio. Si los resultados se encuentran muy alejados de los valores de referencias, verificar si el procedimiento se realizó correctamente. Si éste último no fue el correcto, repetir la prueba; de lo contrario los valores fuera de rango se deben al mal funcionamiento del equipo. i) Anotar los resultados en la planilla de índices de calidad. Fig.5: Posición del fantoma de Aluminio a) perpendicular al eje ánodocátodo; b) paralela al eje ánodo-cátodo. II. Prueba para el cálculo de Uniformidad. a) Repetir los pasos a y b de la prueba anterior. b) Colocar el bloque de PMMA sobre la bandeja del equipo por encima del receptor de imagen. c) Realizar las exposiciones con las condiciones de referencia mencionadas anteriormente para 40 mm de PMMA. d) Revelar las placas. e) Digitalizar la imagen con un escáner bajo las mismas condiciones de la prueba anterior. f) Aplicar el software para el cálculo de la uniformidad. g) Verificar si los parámetros medidos se encuentran dentro del rango de aceptación definidos para el presente estudio. Si los resultados se encuentran muy alejados de los valores de referencias, verificar si el procedimiento se realizó correctamente. Si éste último no fue el correcto, repetir la prueba; de lo contrario los valores fuera de rango se deben al mal funcionamiento del equipo. h) Anotar los resultados en la planilla de índices de calidad. i) Repetir la prueba (desde el punto a hasta el h) con el bloque de PMMA girado 80º. III. RESULTADOS Los resultados obtenidos con los diferentes parámetros del equipo y para ambos materiales se muestran en las siguientes tablas. TABLA I RESULTADOS DE LOS PARÁMETROS FWHM, MTF Y RCR PARA EL Placas Material FANTOMA DE BORDE. FHWM [mm] MTF 50% [pl/mm] RCR 3 kvp- Aluminio mAs Plomo kvp- Aluminio mas Plomo kvp- Aluminio mas Plomo kvp- Aluminio mas Plomo kvp- Aluminio mas Plomo TABLA II RESULTADOS DEL PARÁMETRO UNIFORMIDAD PARA EL FANTOMA DE Placas Material PMMA. Uniformidad VMP - VMP 3- RSN - RSN 3-3 kvp- Aluminio mAs Plomo kvp- Aluminio mas Plomo kvp- Aluminio mas Plomo kvp- Aluminio mas Plomo kvp- Aluminio mas Plomo Los casilleros vacios de las tablas se deben a que no se pudieron realizar los cálculos. En la tabla I, para los últimos tres parámetros del equipo, no se generó una diferencia de densidad suficiente entre los materiales (PMMA y Aluminio). Esto impidió que el programa efectúe los cálculos correspondientes. Además, para la prueba de uniformidad (Tabla II) con estos últimos parámetros, los resultados indicaron que las imágenes se encontraban saturadas. A continuación se muestran las gráficas de las LSFs para las tomas de 8 kvp y 40 mas (ver Fig. 6 y 7). LSF normalizada LSF normailzada. Borde Aluminio 8 kvp - 40 mas Zona no saturada Pixel Fig. 6: LSF del fantoma de borde de Aluminio con parámetros de 8 kvp y 40 mas.

5 5 LSF normalizada LSF normailzada. Borde Plomo 8 kvp - 40 mas zona saturada realizar mamografías. Especificaciones técnicas. 6/03/99; Boletín Oficial 5/04/99. [4] Documentos técnicos de Salud Pública, serie C Nº 8: Control de Calidad de Mamografía, Guía Práctica 000. Xunta de Galicia [5] Juan Pablo Graffigna - Raúl Romo. Fundamento de Imágenes Médicas. Ver.0-6/003. [6] LEY Poder Ejecutivo Nacional (PEN). Equipos de Rayos X - Normas para la instalación y utilización de equipos. Sanción: 7//967; Promulgación: 7//967; Boletín Oficial 05//967. [7] Programa Nacional de Garantía de Calidad de la Atención Médica. Resolución Ministerial Nº Delineamientos Básicos en el Control de Calidad en Mamografía: Bases Para un Programa de Garantía de Calidad. Expediente Nº / pixel Fig. 7: LSF del fantoma de borde de Plomo con parámetros de 8 kvp y 40 mas. Las figuras 6 y 7 muestran que bajo los parámetros 8 kvp y 40 mas, la placa de Plomo satura la imagen mientras que la de Aluminio no presenta este inconveniente. La saturación de la imagen implica que los resultados de MTF RCR y uniformidad (que aparentemente son mejores que los de la placa de Aluminio) no tienen validez. IV. CONCLUSIONES Según los resultados expuestos, se concluyó que el material más adecuado para la construcción del fantoma fue la placa de Aluminio y el bloque de PMMA. Esto permitió cumplir con las recomendaciones de organismos internacionales en cuanto a parámetros del equipo (8 kvp- 40 mas). Por otro lado se pudo comprobar que el control de calidad con este dispositivo y protocolo tienen varias ventajas: los resultados son verdaderos indicadores de la calidad de imagen, el fantoma fue de fácil construcción y bajo costo y el tiempo necesario para realizar las pruebas es breve, no implicando un perjuicio en el funcionamiento del mamógrafo. Para darle más validez al presente estudio sería interesante realizar una comparación de los parámetros obtenidos en distintos equipos mamográficos. Esto permitiría verificar que los parámetros sean reproducibles y además, comparar calidad de imagen en distintos mamógrafos. AGRADECIMIENTOS A nuestros directores de tesis Ingenieros J. P. Graffigna y R. Romo por su asesoramiento y dedicación. Y a quienes colaboraron con nosotros desde la FUESMEN, Mendoza, por el tiempo dedicado. REFERENCIAS [] ACPSEM (Australian College of Physical Scientists & Engineers in Medicine). Recomendaciones provisionales para un programa de garantía de calidad de mamografía digital. Versión.0. ID McLean; JCP Heggie; J Herley; FJ Thomson y RK Grewal. Australia. Mayo 009. [] ARCAL/OIEA (Acuerdo Regional de Cooperación para la Promoción de la Ciencia y Tecnología Nucleares en América Latina/ Organismo Internacional de Energía Atómica). Control de Calidad en Mamografía. Protocolo elaborado en el marco de dos proyectos regionales. Viena. Octubre de 006. [3] Disposición 560/99, Subsecretaria de Administración de Servicios y Programas de Salud (S.S.A.S. y P.S.). Instalaciones para