Qualitätssicherung digitaler Röntgeneinrichtungen

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1 Normenausschuss Radiologie NAR im DIN Deutsches Institut für Normung e. V. in Arbeitsgemeinschaft mit der Deutschen Röntgengesellschaft Qualitätssicherung digitaler Röntgeneinrichtungen Automatische Auswertung von physikalischen Kenngrößen in der Radiographie Oktober 2011 Bericht der Arbeitsgruppe aus dem NA AA Bildgebende Systeme (Blendl, Fiebich, Geiger, Greiner, Herrmann, Kamm, Schaetzing, Schopphoven) 1

2 Qualitätssicherung digitaler Röntgeneinrichtungen Automatisierte Ermittlung von physikalischen Kenngrößen in projektionsradiographischen Prüfkörperaufnahmen 1 Einleitung 2 Bezug zu Qualitätssicherung aus medizinischer Sicht 3 Notwendigkeit eines Strategiewechsels 4 Prüfung des Gesamtsystems 4.1 Technisch-funktionale Struktur zur Bilderzeugung 4.2 Automatisierte Auswertung herkömmlicher Prüfkörperaufnahmen 4.3 Verfahren zur Ermittlung physikalischer Kenngrößen des Bilderzeugenden Systems 4.4 Weitere Prüfgrößen 4.5 Prüfverfahren für das Bildverarbeitungssystem 4.6 Diagnostische Verfahren 4.7 Prüfverfahren für das Bildwiedergabesystem 4.8. Radioskopie 5 Empfehlungen 6 Literatur 7 Normen, die von diesen Empfehlungen betroffen sind 2

3 1 Einleitung (Kamm) Basierend auf den EURATOM-Richtlinien 80/836 und 84/467 und deren Umsetzung in Deutschland mit der Röntgenverordnung wurden ab Mitte der 80er Jahre des letzten Jahrhunderts eine Familie von Normen zur Sicherung der Bildqualität in röntgendiagnostischen Betrieben erarbeitet. Der Inhalt der Normen beruhte auf den spezifischen Belangen der Radiologie in der Bundesrepublik Deutschland, deren Organisation und rechtliche Regelung sich teilweise von denen anderer Staaten unterscheidet. Grundlage für die Normen waren technische und physikalische Erkenntnisse und Erfahrungen, die in der Bundesrepublik gewonnen worden waren. Die Autoren dieser Normen sind sich darüber im Klaren, dass der Begriff Qualitätssicherung mehr bedeutet als die technische Qualitätssicherung und zusätzlich die medizinische Fachkunde bei Untersuchung und Diagnose umfasst. Die für die spezielle medizinische Fragestellung geforderte Bildqualität ist im Einzelfall mit möglichst geringer Dosis zu erreichen (ALARA-Prinzip). Eine Grundlage für die Durchführung der Qualitätssicherung sind technische Normen. Die Normenreihe DIN 6868 beschränkt sich auf denjenigen Bereich der Sicherung der Bildqualität, für den Kenngrößen messtechnisch, ohne mechanische oder elektrische Eingriffe in eine Einrichtung ermittelt werden können. Seit ca erfolgte zunächst langsam, dann immer schneller der Übergang von der Film-basierten zur digitalen Bildgebung. Wesentliche Vorteile der digitalen Bildgebung gegenüber der Film-basierten sind: größerer Belichtungsspielraum kompakte, standardisierte Speicherung verbesserte Darstellungsmöglichkeit fragestellungsabhängiger Bilddetails durch Bildverarbeitung schnellere und flexible Bildübertragung unmittelbare Bildbetrachtung durch MTRA Diagnose schneller möglich Die Arbeitsweise mit digitalen Systemen führt aber auch zu neuen Anforderungen an die Qualitätssicherung. Durch die digitale Bildverarbeitung ist der Zusammenhang zwischen Dosis und Bildhelligkeit aufgehoben. Daraus resultierende Probleme können sein: Über- und Unterbelichtung schwer erkennbar veränderter Rauscheindruck veränderter Schärfeeindruck spezielle Artefakte digitaler Bilder Erst mussten genügend Erfahrungen mit den neuen Techniken gewonnen werden, um die Normen an die neuen Anforderungen für die digitalen Systeme anzupassen. Die Film-basierte Arbeitsweise muss noch in den Normen berücksichtigt werden, um den Übergang zu den digitalen Verfahren zu erleichtern. Daher wurden zunächst die Prüfmethoden für die Film-Folien-Radiographie auf die digitale Bildgebung übertragen. Weiterhin sollte erreicht werden, dass möglichst die vorhandenen Prüfmittel weiterverwendet werden können. Es blieb bei der manuellen Durchführung der Qualitätsprüfungen und der meist visuellen Beurteilung der aufgenommenen 3

4 Testbilder. Dies führt oft zu Unterschieden bei der subjektiven Interpretation der Bildergebnisse. Erschwerend kommt hinzu, dass die verwendeten Prüfkörper nicht für die digitalen Verfahren optimiert und für quantitative Auswertungen nur bedingt geeignet sind. Die Möglichkeiten der quantitativen Auswertung zur Qualitätssicherung wurden bisher nicht genutzt. Die Vorteile liegen in der automatisierbaren Durchführung, der Objektivierung der Ergebnisse und der leichteren Verlaufsdarstellung. Wichtig für die Akzeptanz durch den Anwender werden eine einfache Durchführung und eine Verständlichkeit der Ergebnisse sein. Der vorliegende Beitrag gibt einen Überblick über den derzeitigen Stand (2011) und richtungsweisende Empfehlungen für die Weiterentwicklung automatisierter Auswertemethoden. Er soll auch Grundlage für die Erarbeitung von neuen Normen sein. 4

5 2 Bezug zu Qualitätssicherung aus medizinischer Sicht (W. H. Pethke u. R. Schätzing) Im Bereich der Projektionsradiographie stellt die radiologische Diagnostik eine Erfahrungswissenschaft dar, die auf der Wiedererkennung charakteristischer Bildmuster oder krankheitstypischer Veränderungen beruht. Die Bildqualität digitaler Röntgensysteme orientiert sich deswegen zwangsläufig an der Radiographie mit Film-Folien-Systemen: eine digitale Bildempfänger-Aufnahme muss in der Qualität bei vergleichbarer Dosis mindestens das erreichen, was ein Röntgenfilm abbilden kann. Während das konventionelle Bildempfängersystem durch die zwei Hauptkomponenten Film-Folien-Kombination und Filmverarbeitung bestimmt wird, wird das digitale System in der Regel durch die Komponenten Bildempfänger, Bildverarbeitungssystem und Bildwiedergabesystem beschrieben. Zusätzlich sind in der Prozesskette zum Endprodukt Röntgenbild die Funktionen Bildspeicherung und die Bildverteilung enthalten. Bei analogen Systemen übernimmt der Röntgenfilm die Hauptrolle: Er dient nicht nur als Detektionsmedium, Speichermedium und Bildwiedergabemedium, sondern auch als Bildverteilungsmedium und ist zudem entscheidender Bestandteil des (physikalisch-chemischen) Bildverarbeitungssystem. In digitalen Systemen hingegen sind die fünf Funktionen in der Regel komplex über mehrere Hardware- und Software-Komponenten verteilt. Der große Dynamikumfang eines digitalen Detektors und die Möglichkeit, Bilder in der digitalen Nachverarbeitung zu optimieren, ermöglicht eine wesentlich höhere Leistungsfähigkeit in der Wiedergabe des Strahlenbildes. Wegen der höheren Komplexität von digitalen Systemen sind diese allerdings insgesamt vielen Störgrößen unterworfen und erfordern eine höhere Sachkenntnis zum Erkennen von Mängeln dies zeigen die Erfahrungen der ärztlichen Stellen in der externen Qualitätsüberprüfung. Zur korrekten Beurteilung und adäquaten Befundung einer Röntgenaufnahme muss der radiologisch tätige Arzt die zur Diagnostik erforderlichen Konturen, Strukturen und mögliche Texturveränderungen des abzubildenden Organs in ihrer typischerweise erscheinenden Röntgentransparenz erkennen können. Sie müssen so dargestellt sein, dass sie möglichst gut wahrgenommen werden können. Dies geschieht dadurch, dass die vorgefundenen Bildelemente mit charakteristischen Bildmustern von gesunden und kranken Organen verglichen werden erlernt und abgespeichert im Gedächtnis des Arztes, der den Befund erstellt [1] Zur Darstellung der diagnostisch wichtigen Bildinformationen gehört nach der Leitlinie der Bundesärztekammer zur Qualitätssicherung in der Röntgendiagnostik die ausreichend gute Abbildung der charakteristischen Bildelemente, der wichtigen Bilddetails und der kritischen Strukturen [2] Kleine Bildelemente müssen als Einzelstrukturen oder typische Muster wahrnehmbar sein. Die Erkennung der wichtigen Bilddetails erfordert die Abgrenzbarkeit von kleinen diagnoserelevanten Einzelstrukturen, die zum Beispiel für die Diagnostik einer Thoraxaufnahme mit Größen von 0,7 1 mm für rundliche Elemente und 0,3 mm Breite für streifige Elemente angegeben werden. Für die Detektion der kritischen Strukturen wird gefordert, dass sich beispielsweise Gefäßstrukturen auch in der Lungenperipherie gut abgrenzen lassen oder dass die retrokardial projizierte Lunge und flächige Niedrigkontrastveränderungen ausreichend gut dargestellt werden. Das bedeutet, dass auch kleine oder sehr kontrastarme Strukturen sichtbar sein müssen. 5

6 Dies weist auf eines der Hauptprobleme bei der Vergleichbarkeit der technischen Qualität von Prüfkörperaufnahmen mit der Qualität der Darstellung von komplexen Bildelementen in der angewandten Radiographie des Menschen hin. Die Erkennbarkeit von kleinen, bzw. kontrastarmen Bilddetails ist bei homogenem Hintergrund (Prüfkörperaufnahme) meist gut reproduzierbar. Diese Erkennbarkeit unterscheidet sich bei sonst identischen Abbildungseigenschaften aber ganz erheblich von der Erkennbarkeit dieser Details bei inhomogenem Hintergrund [3]. Als Beispiel sei hier die bereits genannte konventionelle Aufnahme der Lunge genannt: Die absolute Darstellbarkeit kleinster Strukturen mag für sich genommen zwar gegeben sein, diese Erkennbarkeit kann aber wegen der Überlagerung der Lungenstrukturen durch Gefäße, Rippen, Weichteile und Luft in der Aufnahme eines Menschen de facto deutlich schlechter sein. Die auch in der Röntgenverordnung erwähnte erforderliche Bildqualität, die mit einer möglichst geringen Strahlenexposition erreicht werden soll (nach RöV 3 (3), Absatz 2 a), BGBl III : 3 (3), Absatz 2 a)], kann mit den Merkmalen Auflösungsvermögen, Detail- und Niedrigkontrast-Erkennbarkeit, Bildumfang und Rauschen beschrieben werden. Die Optimierung der Orts- sowie der Niedrigkontrastauflösung und des Rauschens führt in der Praxis für sich genommen nicht automatisch zu einer guten Darstellung diagnosewichtiger Bildstrukturen. Eine optimale Erfassung diagnostischer Informationen ist häufig die Folge einer optimierten Darstellungsweise der ihr eigenen spezifischen Bildeigenschaften, die dann eine Wiedererkennung des pathologischen Musters möglich machen. Als Beispiel sei die radiographisch schwierige Darstellung der gesamten Brustwirbelsäule in der seitlichen Projektion genannt: Optimal ist die medizinische Beurteilbarkeit dann, wenn alle 12 Brustwirbelkörper und deren knöcherne Fortsätze trotz der großen Transparenzunterschiede des Gesamtobjekts in angemessenem Graustufenumfang mit hoher Detailerkennbarkeit von Compacta und Spongiosa abgebildet werden. Durch ungeeignete Bildverarbeitung kann der darzustellende Objektumfang eingeschränkt werden. Bei der Darstellung auf dem Bildwiedergabegerät kann durch fehlerhafte Bildnachverarbeitung der Objektumfang ebenfalls eingeschränkt sein. Um eine angemessene Bilddarstellung auf unterschiedlichen Bildwiedergabegeräten zu gewährleisten, sollte die DICOM Grayscale Standard Display Function (GSDF) [4] benutzt werden. Diese stellt sicher, dass z.b. alle gemäß DICOM kalibrierten Monitore den gleichen visuellen Eindruck erzeugen, relativ unabhängig von Unterschieden in ihrer maximalen Leuchtdichte. So ist gewährleistet, dass medizinisch notwendige Bildelemente auf fast jedem Wiedergabegerät gut dargestellt werden können unter der Voraussetzung, dass die Bildverarbeitung die diagnostisch erforderliche Bildqualität erzeugt hat. Diagnosewichtige Bildelemente sollten möglichst augenfällig in der fertigen Röntgenaufnahme dargestellt werden. Dies erfordert in der Regel die technische Feinabstimmung des Gesamtsystems bei Inbetriebnahme der Röntgeneinrichtung für die unterschiedlichen Untersuchungsregionen. Genau diese initial vom Radiologen als optimal festgelegten Expositions- und Bildverarbeitungsparameter sollten in einem geeigneten Verfahren geprüft werden können. Gerade dieser Punkt wird sich für ein automatisches Auswerteverfahren als anspruchsvoll erweisen, da die Definitionen von optimal unter Radiologen wahrscheinlich nicht durchgängig identisch sein werden. Berücksichtigt werden muss auch, dass für viele bildgebende Systeme nach deren Inbetriebnahme im Verlauf oft verbesserte oder veränderte Bildverarbeitungs- Softwareversionen zur Verfügung gestellt werden, die dem Benutzer zugängliche und auch interne Parameter der Prozessierungssoftware verändern können. 6

7 Aus medizinischer Sicht sollte eine automatisierte Auswertung physikalischer Kenngrößen zur Prüfung der Qualität digitaler Röntgenbilder idealerweise in der Lage sein, alle Teilkomponenten eines abgestimmten Gesamtsystems unter repräsentativen unterschiedlichen Objektbedingungen zu prüfen. Für den Arzt ist das Endergebnis der Qualitätssicherung von entscheidender Bedeutung, d. h. er muss Röntgenaufnahmen verschiedener Körperregionen in einer für die Diagnosestellung ausreichend guten Qualität auf dem Bildwiedergabegerät begutachten können. Genügt die Qualität des Gesamtsystems nicht den initial abgestimmten und den vorgegebenen bzw. objektivierbaren Kriterien, sollte in einer systematischen Fehleranalyse das für den festgestellten Mangel verantwortliche Teilsystem erkannt werden können. In diesem Zusammenhang wäre aus Sicht des Anwenders außerdem eine obligatorisch bereit zu stellende Software-Funktion wünschenswert, die die im laufenden Betrieb möglicherweise ungünstig veränderten Nachverarbeitungsparameter in die zuletzt optimierten Einstellungen oder auch als zusätzliche Option in den Ausgangszustand zurückversetzen kann. Automatisierte Auswerteverfahren von physikalisch messbaren Kenngrößen wären in diesem Sinne eine große Hilfe in der Objektivierung einerseits und der Abgrenzbarkeit guter gegenüber schlechter radiographischer Bildqualität andererseits jenseits der bisher etablierten visuellen Verfahren. 7

8 3 Notwendigkeit eines Strategiewechsels (Fiebich) Ausgangssituation und Konsequenzen Im Rahmen der Qualitätssicherung nach 16 der RöV wird eine regelmäßige (monatliche) Konstanzprüfung der Röntgeneinrichtungen gefordert. In dieser Konstanzprüfung wird kontrolliert, ob Veränderungen der Bildqualität und Dosis gegenüber der optimalen Einstellung nach Abnahme- und Sachverständigenprüfungen auftreten. Dazu werden unter konstanten Randbedingungen und Einstellungen der Röntgeneinrichtung Aufnahmen eines Prüfkörpers bei gleichzeitiger Dosismessung erstellt. Diese Prüfkörperaufnahmen werden visuell und messtechnisch (z. B. durch Messung der optischen Dichte) ausgewertet. Die Abweichungen der einzelnen Messgrößen dürfen die jeweiligen in den DIN-Normen angegeben Toleranzen nicht überschreiten, sonst ist unverzüglich die Ursache der Abweichung zu ermitteln und zu beseitigen. Der Wechsel von Film-Folien-Systemen zu digitalen bildgebenden Systemen hat zu neuen, zusätzlichen Anforderungen an Prüfkörper und Testmethoden geführt und ist entsprechend in DIN-Normen etabliert. Ein neuer Sachverhalt bei den digitalen Verfahren ist, das keine direkte Beziehung zwischen der am Ausdruck (Film) oder Monitor erkennbaren optischen Dichte/Leuchtdichte und der Bildempfängerdosis existiert. Weiterhin haben digitale Detektoren einen erweiterten Dynamikumfang; dies wurde in der Qualitätssicherung berücksichtigt. Durch die Möglichkeiten der Bildverarbeitung, Mustererkennung und quantitativer Auswertung sind neue Testverfahren vorgestellt worden, die 1. automatisiert die bekannten Prüfgrößen ermitteln oder 2. automatisiert neue Messgrößen im Bild ermitteln: NEQ, MTF und DQE ähnlich (physikalische Verfahren) oder 3. automatisiert die Erkennbarkeit von Strukturen, die diagnostischen Objekten ähneln, ermitteln (diagnostische Verfahren). Ein Vorteil dieser Verfahren ist, dass auf eine visuelle und damit subjektive Auswertung verzichtet wird und die Auswertungen schnell, zuverlässig und reproduzierbar durch den Computer verrichtet werden. Gleichzeitig kann der Algorithmus prüfen, ob die Werte innerhalb einer vorgegebenen Toleranz liegen und automatisch die gesetzlich vorgeschriebene Dokumentation (z. B. ein Eintrag in einer relationalen Datenbank) erledigen. Aufgrund dieser Vorteile ist eine automatisierte Auswertung erstrebenswert. Erste Verfahren werden zurzeit von mehreren Arbeitsgruppen entwickelt und evaluiert: zum Teil sind diese Prüfverfahren schon an die Prüfmittelhersteller weitergegeben worden. Die entwickelten Algorithmen müssen dabei nicht identisch sein, erzielen bei diagnostischen Verfahren unterschiedliche Ergebnisse, bei physikalischen sollten sie identische Ergebnisse erzielen und sind nicht für alle digitale Detektoren und Prüfkörper geeignet. In dieser Situation entwickeln sich unterschiedliche Methoden und Toleranzgrenzen. Dies ist problematisch, da nicht alle Verfahren in Normen berücksichtigt werden können. Insbesondere können die in der Software verwendeten Algorithmen nicht vorgeschrieben werden, obgleich eine Beschreibung der verwendeten Verfahren obligatorisch ist. Bisher existieren keine Standards für diese Algorithmen zur nichtinvasiven Abnahme- oder Konstanzprüfung. Die Normen der Reihe [8] beschreiben die Bestimmung von NEQ, MTF und DQE, an denen man sich soweit möglich orientieren sollte. Eine Entwicklung von eigenen Verfahren, bzw. Prüfgrößen scheint nicht 8

9 zielführend, da dies zu inkonsistenten Ergebnissen der einzelnen entwickelten Methoden führen kann; dies ist unter Berücksichtigung eines standardisierten und vergleichbaren Prüfverfahrens nicht optimal. Erstrebenswert ist eine Entwicklung gemäß genormter Verfahren, die so weit wie möglich auf bestehende Normen aufsetzen (z. B. IEC ) 9

10 4 Prüfung des Gesamtsystems Die digitale Bildkette umfasst folgende Komponenten: das strahlenerzeugende System, das Aufzeichnungssystem mit dem Bildempfänger, die Bildvorverarbeitung, die Bildverarbeitung und das Bildwiedergabesystem. Gegebenenfalls sind dem Bildwiedergabesystem ein Bildarchiv und/oder ein Netzwerk vorgeschaltet, über das die Bilder zum Bildwiedergabesystem weitergeleitet werden. 4.1 Technisch-funktionale Struktur zur Bilderzeugung (Dipl. Ing. Greiner) Digitale Bildverarbeitung erlaubt heute eine Vielzahl von Möglichkeiten zur nachträglichen Einflussnahme auf die Bilddarstellung, so dass eine Bewertung der Bilddarstellung nicht mehr direkt den Schluss auf die Erfüllung grundlegender Bildqualitätsanforderungen einzelner Komponenten zulässt. Deshalb ist es notwendig, die einzelnen Einflussgrößen zu kennen und technischen Realisierungsformen zuzuordnen. Die folgende Darstellung zeigt die einzelnen Verarbeitungsschritte bis zum medizinisch befundbaren Bild. Zur besseren Orientierung wird der Verarbeitungsprozess eines Film-Folien-Systems mit in die Darstellung einbezogen. Abb. 1: Bilderzeugung technisch-funktionale Struktur Die Begriffe zur Bildcharakterisierung sind den Definitionen in DIN EN entnommen: 10

11 Abb. 2: Schematische Darstellung der Prozessierung von Bilddaten und Bezeichnung der unterschiedlichen Bildtypen Beschreibung: Bildempfänger: In digitalen Röntgenbildgeräten wird die auftreffende Röntgenstrahlung absorbiert, erst in ein Detektorsignal und schließlich in ein digitales Rohbild umgewandelt. Die Rohdaten sind die aus dem digitalen Röntgenbildgerät ausgelesenen Pixelwerte direkt nach der Analog-Digital-Wandlung ohne Softwarekorrekturen. Im Film-Folien-System wird die auftreffende Röntgenstrahlung absorbiert und in ein befundbares Bild (Röntgenaufnahme) umgewandelt. Bildaufbereitung (image pre-processing): Die Bildaufbereitung wandelt das Rohdatenbild zu einem Originaldatenbild um und ist die Voraussetzung zur eigentlichen Bildverarbeitung. Die erlaubten Korrekturen zur Erzeugung der Originaldaten sind: Ersetzen der Rohdaten von schlechten oder defekten Pixeln durch geeignete Daten Homogenisierungskorrektur, bestehend aus o Korrektur der Inhomogenität des Nutzstrahlenbündels, o Korrektur des Offsets der einzelnen Pixel und o Verstärkungskorrektur der individuellen Pixel Korrektur der geometrischen Verzeichnung Für eine Qualitätsprüfung sind je nach Prüfaufgabe Rohdatenbilder und/oder Originaldatenbilder erforderlich. 11

12 Bildverarbeitung: Umwandlung des Originaldatenbildes zu einem Bild DICOM For Presentation. Diese Bildverarbeitung ist z. B. eine Filteroperation zur verbesserten Darstellung der befundrelevanten Strukturen. Die Filmverarbeitung wandelt das latente Bild auf dem Film in ein sichtbares um. Bildwiedergabe: Die Bildnachverarbeitung wandelt das prozessierte Bild ( DICOM For Presentation ) zur Darstellung auf einem Display um. Dieses Bild wird auf dem Bildwiedergabegerät dargestellt. Die Röntgenaufnahme wird am Filmbetrachtungsgerät begutachtet. Zurzeit werden u. a. die Parameter Helligkeit, Kontrast, Auflösungsvermögen, Rauschen und Artefaktfreiheit zur Beurteilung der Bildqualität verwendet. Die bei der Digitaltechnik verwendeten Übertragungswege werden hier nicht diskutiert. Prüfung im Gesamtsystem Die Bildqualität in der digitalen Bildkette unterliegt neben der direkten Beeinflussung durch technische Fehleinstellungen zusätzlich den Möglichkeiten der Eingriffe durch die Bildverarbeitung. Sind einzelnen Komponenten in der Bildkette nicht aufeinander abgestimmt, sondern ungeprüfte Zusammenstellungen beim Betreiber, kann dies zu deutlichen Qualitätsverlusten führen. Mit den zurzeit etablierten Prüfverfahren ist bei der Prüfung der Bildqualität üblicherweise keine Bewertung der einzelnen Komponenten möglich. Um den Einfluss einzelner Komponenten auf die Bildqualität zu ermitteln, sind Prüfverfahren für Komponenten und Subsystemen anzuwenden. 12

13 4.2 Automatische Auswertung herkömmlicher Prüfkörperaufnahmen (Fiebich) Zur Sicherstellung der Qualität der Projektionsradiographie mit digitalen Bildempfängersystemen, muss eine Konstanzprüfung entsprechend der jeweiligen Norm durchgeführt werden. Dabei werden in der Regel Aufnahmen eines Prüfkörpers mit definierten Strukturen erstellt. Eine Auswertung der Abbildung dieser Prüfstrukturen erfolgt zum großen Teil visuell und ein Teil der Parameter wird messtechnisch ermittelt. Speziell die visuelle Auswertung unterliegt subjektiven Einflüssen [9, 10]. Um die Auswertung zu objektivieren und schneller durchzuführen, bieten sich Programme zur automatischen Auswertung der Prüfkörperstrukturen an. Ein entsprechendes Programm führt eine Mustererkennung der Objekte des digitalen Bildes durch. Da die Prüfkörperstrukturen (Lage und Form) vorgegeben sind, ist eine Erkennung der Objekte leicht durchführbar. Es existieren mehrere Programme zur automatischen Auswertung, von denen das Programm Optimage in Luxemburg regelmäßig zur Analyse von Prüfkörperaufnahmen eingesetzt wird. [11] Exemplarisch wird hier für ein Programm zur Prüfung nach DIN die Vorgehensweise beschrieben: Einlesen des DICOM-Bildes Ermitteln der Lage des Prüfkörpers im Bild, ggfs. Rotation und/oder Spiegelung Detektion der Strukturen o Dynamiktreppe, o Rahmen, z. B. 18 x 24 cm, o Niedrigkontrastobjekte o Bleistrichraster o Einblendungsrand o Bereich für Signalnormierung Berechnung des Vergrößerungsfaktors Bestimmung der Prüfgrößen Durch Auslesen der Informationen im DICOM-Header können zusätzliche Parameter wie z. B. Dosisindikator, Röntgenröhrenspannung U [kv], Abstand, Detektortemperatur etc. ermittelt werden. Die Abbildungen 3 und 4 zeigen für unterschiedliche Prüfverfahren die Erkennung der Bildlage, korrekte Anpassung und einige Ergebnisse der Objekterkennung. Die Algorithmen liefern neben den grafischen auch numerische Ergebnisse, z. B. die mittlere Signalintensität, Auflösungsvermögen, Strahlenfeldgeometrie und Kontrastverhalten. [12-14] Weiterhin ist es möglich dass noch zusätzliche Analyseschritte hinzukommen (z. B. Ermittlung von Artefakten), die im Laufe der weiteren Entwicklung als notwendig oder nützlich erscheinen. 13

14 Abb. 3: Ergebnis des Programms Optimage Abb. 4: Prüfkörper Digi-13, Normallage, Strukturen markiert Eine automatische Auswertung der Prüfkörperstrukturen ermöglicht eine reproduzierbare und objektive Auswertung der Aufnahmen der Konstanzprüfung. Voraussetzung für eine normengerechte Anwendung ist allerdings eine Festlegung der Zielwerte und Toleranzen auf einer neuen Skala für die unterschiedlichen Detektoren aller Hersteller. Dazu muss entweder für diese Systeme die Signalnormierung (characteristic curve) bekannt sein oder die Toleranzen werden durch Variation, z. B. der Dosis, im Bild systemspezifisch ermittelt. Weiterhin ist es notwendig, die Algorithmen an die unterschiedlichen Prüfkörper (IBA- Wellhöfer, PTW, Pehamed u. a.) anzupassen. Zusätzlich ist eine Anpassung bzgl. der Niedrigkontrastauflösung und der Hochkontrastauflösung notwendig, das Programm ist sensitiver als das menschliche Auge. 14

15 4.3 Verfahren zur Ermittlung physikalischer Kenngrößen des Bilderzeugenden Systems (Blendl) Einleitung In Abnahmeprüfungen von digitalen Einrichtungen müssen Prüfungen z. T. nach Normen durchgeführt werden. In diesen Prüfungen werden durch visuelle Auswertungen Prüfkörperaufnahmen analysiert. Dabei wird versucht Strukturen unterschiedlichen Durchmessers und Dicke zu erkennen (größenabhängiges Kontrast-Rausch-Verhältnis) und so die Bildqualität zu bestimmen. Diese Verfahren wurden vor ca. 50 Jahren entwickelt, da der Zugang zu physikalischen Messwerten schwierig war und automatische Auswerteverfahren noch nicht realisierbar waren. Es ist sinnvoll, Verfahren der Bildverarbeitung einzusetzen, die eine automatische Analyse ermöglichen und Toleranzen und Grenzwerte festzulegen, die durch Messungen ermittelt werden können. Methoden Die Norm IEC wurde entwickelt, um Detektoreigenschaften messen zu können. Die Methoden und Verfahren, die zur Anwendung gebracht werden können, um Systemeigenschaften zu messen und zu beschreiben, sollten sich methodisch an die IEC [8] anlehnen. Abweichungen von der IEC bestehen z. B. darin, dass die Kante zur Bestimmung der MTF bei einigen Prüfkörpern nicht detektornah liegen kann, sondern einen endlichen Abstand zum Detektor aufweist und z. B. auf dem Grundkörper des Prüfkörpers aufliegt und damit nicht die MTF des Detektors bestimmt wird, sondern auch die Brennfleckgröße und der Vergrößerungsfaktor mit in das Ergebnis der Messung einfließt. Bei der Bestimmung des Noise Power Spectrum (NPS, synonym: Wienerspektrum) wird ebenfalls der Einfluss der Patientenlagerungshilfe (Bucky-Tisch) und von Rasterartefakten mit bestimmt. Der Quantenfluss kann nur selten in der Bildauffangebene bestimmt werden, da dieser Ort häufig durch die Detektoreinhausung nicht zugänglich ist und muss deshalb durch eine Abschätzung ermittelt werden (s.u.). Gleiches gilt für die Bestimmung der Aluminium Halbwertsschichtdicke (AlHWD), die zusammen mit der Röntgenröhrenspannung U [kv] eine Messung zur Bestimmung der mittleren Energie der Röntgenstrahlung, bzw. zur spektralen Verteilung ermöglicht und damit eine Berechnung des Quantenflusses am Detektoreingang. Da die Größe Quantenfluss in der Bildauffangebene nicht direkt zugänglich ist, müssen einfacher zu erfassende Kenngrößen ermittelt werden, wie z. B. die Einfalldosis KE [mgy], bzw. müssen Abschätzungen des Quantenflusses vorgenommen werden. Die Dosismessungen müssen mit einem geeichten Dosimeter durchgeführt werden. Die AlHWD hinter dem Prüfkörpers kann einfach gemessen werden. Der Einfluss der weiteren Strahlenqualitätsänderung durch Patientenlagerungshilfe und Raster kann vernachlässigt werden. Mit der eingestellten Röhrenspannung U [kv], der gemessenen ALHWD [mm Al] und der abgeschätzten Dosis K B [Gy] kann der Quantenfluss in der Bildauffangebene [Φ in ] abgeschätzt werden. Mit den angesprochenen Messungen lassen sich Kenngrößen bestimmen, mit denen die Bildgebungseigenschaften von Röntgensystemen beschrieben werden können. Diese Größen können mit denselben mathematischen Verfahren bestimmt werden wie dieselben Kenngrößen in der IEC , weisen aber messtechnische Abweichungen von der IEC auf und sollten deshalb zur Unterscheidung der nach IEC ermittelten Werte mit einem Index, z. B. DQE QC (QC wie Quality Control) versehen werden. Neben diesen zentralen Größen, NEQ, DQE, MTF und NPS sind eine Reihe weiterer Messungen durchzuführen (siehe Kapitel 4.4.). Die Anwendung der in der IEC beschriebenen Messverfahren setzt linearisierte Daten voraus: 15

16 Detectiv Quantum Efficiency (DQE): DQE(Φ,f) = SNR 2 out /SNR 2 in = MTF 2 d 2 /(NPS Φ) = G x2 MTF 2 K B /(NPS(f) ΦX) [I] mit Φ in Quantenfluenz, d Pixel Wert (Mittelwert über ROI), K B Kerma Luft am Detektoreingang ΦK B = Φ/K B, (tabuliert; siehe Anhang) G = d/φ, GK B = d/k B (G=Gain) Noise Equivalent Quanta (NEQ): NEQ(f,D) = DQE(f,D) Φ = MTF(f) 2 d 2 /NPS(f, D) = G KB2 MTF(f) 2 K B /NPS(f,D) [II] bzw. 2 2 NEQ (f, D) = SNR out (f, D) = DQE (f,d)* SNR in (D)= DQE (f,d)*n (D) mit SNRout = Signal to Noise Ratio im Ausgang als farbiges Rauschen, SNRin = SNR im Eingang als weißes Rauschen als n und n=eingangsfluenz am Detektor. Die Wurzel der NEQ, der NEQ-Index ist äquivalent einem SNR im Ausgang, da das SNR proportional dem Verhältnis von Signal zu Wurzel aus dem Signal ist und damit proportional der Wurzel aus dem Signal: SNR (f, D) = S/Nout(f, D) = S/ S (f, D) = S(f, D) Für Messungen an der Detektoroberfläche besteht in der Regel bei DR- Systemen kein Zugang. Deshalb muss zur näherungsweisen Bestimmung der Bildempfängerdosis K B eine Messung auf der Patientenlagerungshilfe (Buckytisch) durchgeführt werden und die Schwächung von Tisch und Raster berücksichtigt werden durch einen vom Hersteller anzugebenden Faktor k, bzw. bei fehlender Angabe durch den Faktor k=2 im Falle der Mammographie, bzw. durch den Faktor T t für die Gesamtstrahlendurchlässigkeit, bzw. dem Bucky-Faktor (1/T t ) (siehe Herstellerangaben zum Raster) in der Radiographie, bzw. in der Radioskopie: K B = K gem. /2 (Faktoren nach Herstellerangabe). Der Messfehler durch die Vernachlässigung des Abstandsquadratgesetzes kann im Rahmen allgemeiner Messunsicherheiten hingenommen werden, bzw. kann rechnerisch berücksichtigt werden (ca. 2-3% linearer Abbildungsfehler, 5% der Luftkerma). Zusammenfassung in einer Zahl: Durch die Integralbildung der Fläche unterhalb der Kurve der MTF, bzw. des NPS kann eine Kennzahl ermittelt werden, die eine einfachere Kommunikation ermöglicht: DQE QC -Index, MTF QC -Index, bzw. NPS QC -Index, bzw. NEQ QC -Index. Bei der Definition der Indexgrößen ist zu klären, d.h. welches Frequenzintervall am besten den visuellen Eindruck, bzw. die diagnostische Qualität der Aufnahmen berücksichtigt. Zusätzlich ist eine Prüfung des NPS auf frequenzabhängige Störungen durchzuführen. Es können für einzelne Frequenzen Veränderungen im NPS auftreten (z. B. verursacht durch Störungen des Folientransports im Speicherfoliensystem), die im NPS-Index nicht erkennbar sind, aber zu erheblichen Beeinträchtigungen der Bildqualität führen. Es ist möglich, Kennwerte für die Bildqualität zu ermitteln, die dem Stand der Technik entsprechen, z. B. die Größen NEQ QC -Index (K), DQE QC (f, D), bzw. DQE QC -Index, 16

17 NPS QC (f), bzw. NPS QC -Index, MTF QC (f), bzw. MTF QC -Index und die Einfalldosis D KE bzw. D KB. Sie beschreiben die Bildqualität eindeutig. Viele bisher in Abnahme- oder Konstanzprüfungen verwendete Kenngrößen sind durch Kombinationen aus diesen Größen abgeleitet und werden im Ortsraum bestimmt. Durch die eindeutige Verknüpfung der gewählten Größen kann eine Fehlerrechnung entsprechend den ISO Empfehlungen im Guide for Uncertainties and Measurements (GUM) [15] durchgeführt werden. Voraussetzung für die Anwendung dieser Verfahren ist, dass die Operationen mit linearisierten Pixelwerten durchgeführt werden. Nur dann können allgemein verbindliche Grenzwerte für bestimmte Kenngrößen angegeben werden Ermittlung der Toleranzgrenzen von Kenngrößen für die Konstanzprüfung: Für linearisierte Daten können die aus der analogen Radiographie mit Film-Folien- Systemen bestehenden Toleranzüberlegungen angewendet werden. Bezogen auf einen in der Abnahmeprüfung festgestellten Dosiswert für eine bestimmte durchstrahlte Materialdicke darf die Schwankung der Dosis z.b. nicht mehr als 25 % betragen. Der Wert von 25 % entspricht der zulässigen Schwankungsbreite der Einfalldosis bei freier Belichtung nach DIN Dieselbe Größe von 25% wird auch bei Toleranzüberlegungen für die zulässige Schwankung des Dosisindikators verwendet. Analog lässt sich in einem ersten Ansatz argumentieren, dass die Schwankungen des Wertes für die Bildqualität, z. B. für die NEQ QC nicht größer sein dürfen als sie durch eine Änderung der Dosis von 25 % verursacht würden. Bei der Betrachtung der Einzeltoleranzen von Komponenten, bzw. Kenngrößen kann dieser Wert als vorläufiger Grenzwert verwendet werden, die in der nachfolgend durchgeführten Fehlerrechnung miteinander verknüpft werden. Diese Größen müssen die zulässige, bzw. festgelegte Bandbreite untereinander aufteilen. Mit den obigen Gleichungen sieht die Berechnung der Toleranzgrenzen für NEQ QC = E; D KB = A; MTF QC -Index = B; NPS QC -Index = C und c = α folgendermaßen aus: NEQ(f,D) = MTF(f) 2 d 2 /NPS(f, D) = G KB2 MTF(f) 2 K B /NPS(f,D) E=αA 2 B 2 /C E/E= 2 A/A+ 2 B/B* 2 C/C und mit der Gleichverteilung der Einflussgrößen gilt: A/A= B/B= C/C=a E/ E=2a+2a+ a=5a Da D KE = D KE *10 0,1 einem NEQ = NEQ *10 0,2 entspricht, gilt, dass eine Bildqualitätsänderung äquivalent einer Dosisänderung von ca. 25% zugelassen wird. E/ E = NEQ-Index/ NEQ-Index Durch den linearen Bezug der Wurzel der NEQ zur Dosis DKE ergibt sich eine zulässige Größe für den Wert von a = 10 0,05, d.h. eine maximal zulässige Schwankung von 12 % für die Dosis, den MTF-Index und den NPS-Index. Die mit der Bildverarbeitung erzielbare Wiederholgenauigkeit für die Bestimmung des NEQ sollte in der Größenordnung von 1-2 % liegen. Dies ist erforderlich, damit die automatischen Auswerteverfahren die Genauigkeitsanforderungen an Messverfahren erfüllen, wenn Änderungen von 12 % als Toleranzgrenzen detektiert werden müssen. Nachdem aus Gründen des Zeitaufwandes in einer Konstanzprüfung die Kennlinie aus 10 Messwerten (Strom-Zeit-Produkt [mas]-reihe) nicht ermittelt werden kann, sollte zusätzlich zur Bestimmung der DQE/NEQ mit einer Spannungs-/Röhrenstrom- /Zeit-Kombination hilfsweise die Abbildung der Al-Treppe automatisch ausgewertet 17

18 werden. So können Änderungen der Röntgenröhrenspannung von etwas mehr als einem kv oder Dynamikänderungen sicher erfasst werden, da sich die strahlenqualitätsabhängigen Absorptionseigenschaften in einer geänderten Steigung der Al-Treppe nachweisen lassen. Dosimetrie: Die Unsicherheit bei der Bestimmung der Dosis ist deutlich größer als die Bestimmung der Kenngrößen NPS-Index und MTF-Index, da allein die Unsicherheit bei der Dosismessung mit derselben Strahlungsqualität wie sie bei der Eichung verwendet wurde in der Größenordnung von ca. 5 % liegt wenn zwischen unterschiedlichen Dosimetertypen verglichen wird. Damit wird die Unsicherheit bei der Bestimmung der Beziehung von Bildqualität und Dosis weit überwiegend durch die Unsicherheit bei der Bestimmung der D KE dominiert. Daraus folgt zwingend, dass in der Abnahmeprüfung Dosimeter zu verwenden sind, die geeicht wurden. In der Konstanzprüfung ist eine maximal zulässige Schwankung von 12 % für die Dosis festzulegen (s. o.); dies erfordert Dosimeter, die eine Wiederholgenauigkeit von 2-3 % besitzen. Bildqualität: Es müssen Toleranzgrenzen für die Kenngrößen festgelegt werden, welche die Bildqualität beschreiben. Die Kenngrößen müssen an Röntgeneinrichtungen ermittelt werden, welche mittels Beurteilung von Röntgenbildern durch radiologische Experten in Ärztlichen Stellen oder im Falle der Mammographie in Referenzzentren als geeignet für die Diagnostik betrachtet werden. Es ist zu erwarten, dass die dann ermittelten Kenngrößen statistisches Verhalten aufweisen, d. h. Streuungen zeigen. Als erreichbar wird üblicherweise die Größe des Merkmalswertes festgelegt, welche die 3. Quantile beschreibt. Als Grenzwert für derartige Kenngrößen kann z. B. der Vertrauensbereich von 95% Einrichtungen festgelegt werden. 4.5 Prüfverfahren für das Bildverarbeitungssystem (Geiger) Einführung Die (digitale) Bildverarbeitung nutzt die Mittel der Signalverarbeitung zur Aufbereitung (Homogenisierung, detektorspezifische Korrekturen), zur Optimierung der Bilddarstellung (Filterverfahren), zur Speicherung und zur Darstellung von 2Dbzw. 3D-Informationen aus digitalisierten Daten verschiedenster Art. In der Digitalen Radiographie ist Bildverarbeitung notwendig, um den wesentlich größeren Belichtungsspielraum digitaler Detektorsysteme (Dynamikumfang) als den von herkömmlichen Film-Folien-Systemen auszunutzen. Der Informationsgehalt digital akquirierter Bilder übersteigt häufig den der Darstellungsmöglichkeiten z. B. bei der Befundung am Bildschirm. Deshalb wird für die Befundung mit Hilfe der Bildverarbeitung die diagnostisch relevante Information ausreichend groß und kontrastreich extrahiert. Aus formaler Sicht werden durch die Funktionen des Bildverarbeitungssytems Eingangsdaten verarbeitet und diese Daten dabei zu Ausgangsdaten verändert. Diese Veränderung der Daten ist deterministisch und kann mit Hilfe mathematischer Modelle mit einer Abbildung der Eingangs- auf die Ausgangsdaten exakt beschrieben werden. Dieser Prozess ist zeitlich stabil, unterliegt keiner Alterung und ist daher kein Gegenstand für eine Konstanzprüfung. Aus dem Blickwinkel der Abnahmeprüfung stellt sich hingegen die Frage, ob die Verarbeitung der Bilddaten in einer Weise vorgenommen wird, dass die Mindestanforderungen an die Bildqualität erfüllt sind. Zur Bewertung und Auswahl geeigneter Prüfverfahren wird im Folgenden versucht, die mittlerweile recht komplexen Bildverarbeitungsmethoden moderner Röntgen- Einrichtungen zu strukturieren und die Wechselwirkung mit konventionellen Prüfkörpern zu beschreiben. 18

19 Funktionen und Algorithmen des Bildverarbeitungssystems In einem ersten Schritt sind die verschiedenen Verarbeitungsstufen der Bilddaten innerhalb einer digitalen Röntgeneinrichtung zu betrachten. Eine mögliche Strukturierung bietet die IEC-Norm für die Bestimmung der Detective Quantum Efficiency (DQE) für digitale Röntgendetektoren für den Anwendungsbereich der Digitalen Radiographie. Die unkorrigierten Rohdaten des Detektors ( raw data ) werden durch Detektor-spezifische Korrekturen (sog. flatfielding ) in physikalisch mit dem aufgezeichneten Strahlungsfeld in Beziehung stehenden Originaldaten ( original data ) umgewandelt. Die Endstufe stellen die für die Darstellung auf dem Bildwiedergabe-System aber auch für den Datentransfer und letztlich die Archivierung bestimmten, prozessierten Daten ( processed data ) dar. Zu erwähnen ist ferner, dass prozessierte Daten sogar verlustbehaftet komprimiert sein können. Insbesondere der Schritt von den Originaldaten zu den Darstellungs-Daten besteht bei genauerer Analyse aus einer Vielzahl von einzelnen Teilschritten, die zu einem hohen Grad für die jeweiligen Aufgabenstellung (z. B. das Organsystem) optimiert und an die bevorzugte Bildcharakteristik der Institution (z. B. radiologische Erfahrungen) angepasst wurden. Nach dieser Verarbeitung ist auch der physikalische Bezug zwischen lokaler Bildhelligkeit und Strahlungsintensität nicht mehr gegeben. Dies hat Konsequenzen für die Interpretation quantitativer Messverfahren, die zu Darstellungszwecken prozessierte Bilddaten-Formate verwenden. Für quantitative Messungen ist ein Bezug zur Strahlungsintensität sinnvoll, daher ist die Verwendung der Originaldaten zu bevorzugen und für die Bestimmung physikalischer Parameter (MTF, NPS, DQE, NEQ) notwendig. Alternativ können auch die Pixelwerte der (teil-)verarbeiteten Daten verwendet werden, sofern noch ein eindeutiger, mathematischer Bezug zur Strahlungsintensität am Eingang des Detektors hergestellt werden kann. Diese Form der Kalibrierung kommt beim Dosisindikator nach DIN V und DIN EN zur Anwendung, allerdings sind hierbei eine Reihe von Randbedingungen (z.b. Strahlungsqualität, Bildinhalt) zu berücksichtigen. Im Rahmen der Qualitätssicherung wird auch eine Prüfung der Bildverarbeitung und damit der Verarbeitungsschritte zwischen Original- und prozessierten Daten intensiv diskutiert. Die Prüfszenarien im Geltungsbereich der RöV sind die Sachverständigendie Abnahme- und die Konstanzprüfung, sowie als wichtige Voraussetzung - eine erfolgte Typprüfung im Rahmen der Konformitätsbewertungsverfahrens nach MPG. Ein Prüfkonzept für die Bildverarbeitung muss zu diesem Schema passen. Die nachfolgende Beschreibung ausgewählter Funktionen ist modellhaft verallgemeinert, auf grundlegende Verfahren beschränkt und wird daher von den tatsächlichen Realisierungen verschiedener Hersteller abweichen. Basis-Algorithmen zur Darstellung (Normierung, Gradation, Skalierung) Die Originaldaten des Detektors werden üblicherweise zuerst global normiert, um die resultierenden Bilddaten unabhängig von der individuellen Detektorempfindlichkeit und der tatsächlich verwendeten Aufnahmedosis auf einen Bezugspegel (den sog. Arbeitspunkt) zu skalieren. Wert und angewendetes Verfahren sind Herstellerspezifisch. Damit verbunden ist meist die Transformation mit einer nicht-linearen Gradations-Kennlinie, z. B. einer Logarithmierung. Zu den Basisfunktionen zählen auch die Kontrast- und Helligkeitsanpassung mittels Fensterung ( Windowing ), die wenn DICOM-konform eine lineare aber neuerdings auch sigmoide Transformation sein kann (siehe Bildbeispiele 5 bis 7). 19

20 Bildbeispiele zur Signalnormierung für zwei Dosis-Stufen x 1 Abb. 5 a: Dosis 100% Abb. 5 b: Dosis 100% nach Normierung x 4 Abb. 5 c: Dosis 25% Abb. 5 d: Dosis 25% nach Normierung Anmerkung: die Bildbeispiele sind aus Darstellungsgründen logarithmiert und invertiert ( Knochen weiß ), um den Unterschied auch im Druck zu deutlich zu erkennen. Bezogen auf die lineare Originaldaten bedeutet die Normierung: Bild Dosis 100% wird in diesem Beispiel mit einen Faktor von 1,0 normiert, Bild Dosis 25% entsprechend mit einem Faktor 4,0 normiert. 20

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