Caratterizzazione di un sistema innovativo di ricostruzione di immagini TC (Tomografia Computerizzata): valutazione delle proprieta' di imaging e considerazioni dosimetriche

Le diverse tecniche di imaging radiologico sono diventate nel corso degli anni uno strumento indispensabile nella diagnosi di un numero sempre maggiore di patologie umane, grazie alla loro grande evoluzione tecnologica. L'uso di radiazioni ionizzanti in diagnostica medica ha avuto, per questo motivo, un notevole incremento negli ultimi decenni. In particolare, la tomografia computerizzata (TC) a raggi X è stata oggetto di rilevante sviluppo, che ha consentito un miglioramento della qualità delle immagini tomografiche ed introdotto nuove applicazioni cliniche. Parallelamente, nei paesi industrializzati, la TC è diventata la maggiore fonte di esposizione della popolazione alle radiazioni ionizzanti, il cui impiego comporta rischi per i pazienti che non possono essere sottovalutati. La crescente attenzione a proposito dei rischi legati all'impiego di radiazioni ionizzanti, le prospettive di utilizzo della TC a bassa dose come metodica di screening per il cancro del colon e del polmone, ed i recenti progressi nell'ambito dei metodi di ricostruzione delle immagini TC, sono le motivazioni principali che hanno portato allo sviluppo di questo lavoro, che ha l'obiettivo di valutare le potenzialità ed i limiti di un particolare algoritmo di ricostruzione iterativa (ASIR, da Adaptive Statistical Iterative Reconstruction, software commerciale della General Electric) a proposito dell'ottimizzazione del compromesso dose-qualità delle immagini. In questo lavoro di tesi è stata effettuata una caratterizzazione accurata e sistematica delle immagini ricostruite interamente mediante tale algoritmo ASIR ed un confronto con immagini, realizzate nelle stesse condizioni sperimentali, ricostruite mediante algoritmi tradizionali (FBP, da Filtered Back-Projection) e mediante diverse combinazioni ASIR-FBP ("livelli" ASIR). E' stato necessario effettuare questo tipo di analisi (a partire dai "risultati", cioè dalle immagini) in quanto si tratta di algoritmi commerciali di cui non sono noti i dettagli tecnici; a causa di queste difficoltà, infatti, in letteratura non esistono studi rigorosi e sistematici su ASIR. In particolare, inizialmente sono stati approfonditi gli aspetti relativi alla TC come metodica di imaging, riservando particolare attenzione ai metodi di ricostruzione e al problema dosimetrico; è stato dato ampio spazio all'analisi sperimentale ed alla descrizione dei principali parametri di qualità delle immagini, come il rumore e la risoluzione spaziale. Sono stati infatti introdotti i fenomeni fondamentali di interazione radiazione-materia, necessari alla comprensione della TC, e le principali grandezze dosimetriche, che permettono di discutere accuratamente i metodi di riduzione della dose e le possibili applicazioni della TC nell'ambito dei programmi di screening. Sono stati esposti i fondamenti teorici delle due tipologie principali di algoritmi di ricostruzione delle immagini (FBP ed algoritmi iterativi), essenziali per presentare l'analisi sperimentale. Nella pratica, sono state acquisite immagini tomografiche di fantocci standard adoperati normalmente nei controlli di qualità delle macchine TC, seguendo i protocolli di scansione tipici della pratica clinica. La successiva analisi delle immagini ha riguardato uno studio del rumore (inteso come deviazione standard dei livelli di grigio su una regione d'interesse dell'immagine (ROI da Region Of Interest)) e della risoluzione spaziale assiale, che sono i principali parametri di qualità di un'immagine TC. Più in dettaglio, per quanto riguarda l'analisi del rumore, sono state acquisite immagini di due fantocci omogenei di diverse dimensioni (fantoccio GE utilizzato per controlli di qualità e Catphan 504) ed è stato valutato il livello di rumore per diversi protocolli in funzione dei principali parametri di scansione (corrente del tubo, voltaggio, spessore dello strato ricostruito e pitch). I risultati sono stati interpretati tenendo conto anche degli andamenti attesi dalla teoria. Poichè il livello di rumore nelle immagini è legato strettamente alla dose erogata durante l'esame TC, per tutte le variazioni dei protocolli è stato eseguito un confronto ASIR-FBP (per diversi livelli ASIR) e sono state esaminate le potenzialità di ASIR a proposito della riduzione della dose. In aggiunta, è stata valutata la dipendenza del rumore dalla dimensione della ROI considerata e dalla sua posizione nell'immagine, evidenziando la correlazione con le dimensioni dei due fantocci. Infine, è stato analizzato il rumore nel dominio delle frequenze spaziali tramite un'analisi spettrale, attraverso il calcolo del Noise Power Spectrum (NPS) in 3D, 2D e 1D. Anche in questo caso è stato fatto un confronto ASIR-FBP per immagini ricostruite con diversi livelli ASIR, mettendo in luce le differenze tra i NPS per i due algoritmi. Da questa analisi è emerso principalmente che l'algoritmo ASIR ha ridotto il rumore nelle immagini rispetto alla FBP, spostando il picco del NPS verso le basse frequenze spaziali. Per quanto riguarda la risoluzione spaziale assiale, sono state acquisite immagini di una regione del fantoccio Catphan 504, contenente degli inserti di diversi materiali in un ampio range di contrasto. La risoluzione spaziale è stata valutata nel dominio delle frequenze spaziali, tramite il calcolo della Modulation Transfer Function (MTF), calcolata attraverso il metodo della Edge Spread Function, in funzione del contrasto e della corrente anodica. Per verificare questo metodo, è stato eseguito anche un calcolo della MTF tramite il metodo "standard" adoperato nei controlli di qualità in TC, ossia tramite il metodo della Point Spread Function. Anche in questo caso l'analisi è stata effettuata al variare dei livelli di ASIR ed è stato eseguito un confronto con la FBP per tutti i valori della corrente e per i vari contrasti. A differenza di quanto emerso nel caso di ricostruzione con FBP, per ASIR si è osservata una dipendenza della MTF dal contrasto e dalla corrente in situazioni di basso contrasto e bassi valori dei mA. Questa dipendenza è maggiormente accentuata per alte percentuali dei livelli ASIR ed in questi casi ASIR ha peggiorato la risoluzione spaziale rispetto alla FBP. Nelle altre situazioni esaminate, ASIR non ha degradato la risoluzione spaziale e dunque, considerando i risultati dell'analisi di rumore, si propone come validissima alternativa alla FBP. Grazie ai dati derivanti dall'analisi di rumore e a quelli ottenuti dall'analisi della risoluzione spaziale assiale, è stato possibile fare una valutazione oggettiva delle potenzialità di ASIR per quanto riguarda la riduzione della dose e dei suoi limiti in termini di degrado della risoluzione spaziale assiale. L'analisi del rumore e della MTF, eseguita per diversi protocolli vicini alla pratica clinica, in funzione di differenti livelli di ASIR, rende questo lavoro un importante punto di riferimento per l'ottimizzazione del compromesso dose-qualità delle immagini

Mechanization of vineyard trained by double courtain and free cordon

La ricerca svolta ha voluto approfondire le possibilità offerte dai sistemi di allevamento dei vigneti a Doppia Cortina (GDC) e a Cordone Libero nei riguardi della meccanizzazione. La ricerca ha considerato gli interventi di potatura invernale, di gestione della chioma (spollonatura, cimatura, defogliazione e pettinatura della doppia cortina) e di vendemmia. Un’operazione particolarmente seguita è stata la potatura invernale realizzando differenti livelli di meccanizzazione. Tutti gli interventi sono stati eseguiti sia manualmente che meccanicamente, confrontando i tempi d’impiego, la qualità del lavoro svolto e gli impegni di manodopera. I risultati sono stati sintetizzati in una valutazione economica, ipotizzando differenti livelli di costo della manodopera impiegata, per ottenere giudizi di convenienza per i singoli interventi e per costruire una valutazione completa e più organica della linea di lavoro proposta. Nelle due forme d’allevamento la meccanizzazione della potatura invernale e della gestione della chioma hanno rispettato pienamente gli obbiettivi tecnici prefissati, dimostrando di essere un valido mezzo per ridurre tempi e costi di gestione. Per questi interventi l’acquisto delle macchine risulta conveniente anche per vigneti di piccola dimensione. Ancor più evidenti in queste due forme d’allevamento sono i vantaggi economici offerti dalla vendemmia meccanica, realizzata con pochi maltrattamenti e perdite di prodotto. La tendenza a meccanizzare integralmente gli interventi di gestione del ciclo colturale della vite, può essere nei prossimi anni un motivo di interesse e di scelta nella realizzazione di nuovi impianti con queste due forme di allevamento, che hanno dimostrato di essere un’espressione completa di sinergia tra macchina e pianta.The research carried out has wanted to go into the possibility offered by the system of growing of double curtain vineyards (GDC) and in a free cordon referring to mechanization. The research has examined the operations of winter pruning, canopy management (removal of suckers, trimming, defoliation, and shoots positioning) and grape harvesting. The winter pruning was especially monitored through two different levels of mechanization. All the operations have been carried out, both manually and mechanically, comparing the times of working, the quality of the work effected and the engagement of manpower employed. The results have been synthesized under an economic valuation, supposing different levels of the cost of the employed manpower, in order to obtain to judge the suitability on the single interventions and to build a complete and more organic valuation of the proposed kind of work. In the two forms of growing, the mechanization of both the winter pruning and canopy management have respected completely the prefixed technical aims, showing to be a valid way in order both to reduce times and cost of management. For these interventions the purchase of machineries turns out to be suitable also for vineyards of small dimension. Even more evident in both these forms of growing are the economic advantages offered by the mechanized grape harvesting effected by few ill-treatments and wastes of product. The tendency to mechanize completely the interventions of management of the growing cycle of vineyards, can be in the next years both a reason of interest and of a choice in carrying out new installations with both these forms of growing that shown to be a complete expression of synergy between machinery and plant

Tecnologie diagnostiche con raggi X: avvento, sfide attuali e nuove frontiere

L'uso dei raggi X per acquisire immagini della struttura interna del corpo umano si è diffuso rapidamente in tutto il mondo subito dopo la prima radiografia a raggi X che fu acquisita da Wilhelm Conrad Röntgen nel 1895. Da allora nel campo delle tecnologie diagnostiche che utilizzano raggi X sono stati fatti enormi progressi sia per quanto riguarda la strumentazione di base (generatori e rivelatori di raggi X) per i sistemi di imaging bidimensionale, sia per quanto riguarda l'architettura dei sistemi di acquisizione, fino ad arrivare alla realizzazione di immagini tomografiche tridimensionali, con un un utilizzo sempre crescente anche dei sempre più sofisticati strumenti informatici e mezzi di calcolo, arrivando a coprire le più svariate esigenze cliniche

Average Absorbed Breast Dose (2ABD) to Mean Glandular Dose (MGD) Conversion Function for Digital Breast Tomosynthesis: A New Approach

Background: In this work a new method for the Mean Glandular Dose evaluation in digital breast tomosynthesis (DBT) is presented. Methods: Starting from the experimental-based dosimetric index, 2ABD, which represents the average absorbed breast dose, the mean glandular dose MGD2ABD was calculated using a conversion function of glandularity f(G), obtained through the use of Monte Carlo simulations.Results: f(G) was computed for a 4.5 cm thick breast: from its value MGD2ABD for different compressed breast thicknesses and glandularities was obtained. The comparison between MGD2ABD estimates and the dosimetric index provided in the current dosimetry protocols, following the Dance's approach, MGDDance, showed a good agreement (<10%) for all the analyzed breast thicknesses and glandularities. Conclusion: The strength of the proposed method can be considered an accurate mean glandular dose assessment starting from few and accessible parameters, reported in the header DICOM of each DBT exam

FLASH radiotherapy with electrons: issues related to the production, monitoring, and dosimetric characterization of the beam

Various in vivo experimental works carried out on different animals and organs have shown that it is possible to reduce the damage caused to healthy tissue still preserving the therapeutic efficacy on the tumor tissue, by drastically reducing the total time of dose delivery (&lt;200 ms). This effect, called the FLASH effect, immediately attracted considerable attention within the radiotherapy community, due to the possibility of widening the therapeutic window and treating effectively tumors which appear radioresistant to conventional techniques. Despite the experimental evidence, the radiobiological mechanisms underlying the FLASH effect and the beam parameters contributing to its optimization are not yet known in details. In order to fully understand the FLASH effect, it might be worthy to investigate some alternatives which can further improve the tools adopted so far, in terms of both linac technology and dosimetric systems. This work investigates the problems and solutions concerning the realization of an electron accelerator dedicated to FLASH therapy and optimized for in vivo experiments. Moreover, the work discusses the saturation problems of the most common radiotherapy dosimeters when used in the very high dose-per-pulse FLASH conditions and provides some preliminary experimental data on their behavior

Dosimetric and image quality aspects in mammography and breast tomosynthesis

This thesis work is part of the RADIOMA project (RADiazioni IOnizzanti in MAmmografia - ionising radiations in mammography) which is founded by Fondazione Pisa - Technological and Scientific Research Sector. The main objective of the RADIOMA project was to develop a simple method to estimate the average absorbed dose of patients undergoing mammographic examinations. In order to achieve this aim, a phantom model was proposed for digital mammography (DM) and digital breast tomosynthesis (DBT). A dosimetric index, the “Average Absorbed Breast Dose” (2ABD), was suggested as a simple estimate of the average absorbed dose in a homogeneous water-equivalent phantom that simulate the breast. Monte Carlo simulations were also employed to support the proposed approach and investigate new perspectives. In this thesis work, the equations developed in our approach are introduced and the model employed to derive the 2ABD formula is explained in detail. Additionaly, a systematic image quality analysis of synthesised mammograms reconstructed from DBT acquisitions in comparison to DM was carried out. Several image quality parameters related to noise, contrast and spatial resolution properties of the images were evaluated and compared. This thesis describes the physical approach as well as the main results obtained from the abovementioned analysis

Tecnologie diagnostiche con raggi X: avvento, sfide attuali e nuove frontiere

L’uso dei raggi X per acquisire immagini della struttura interna del corpo umano si è diffuso rapidamente in tutto il mondo subito dopo la prima radiografia a raggi X che fu acquisita da Wilhelm Conrad Röntgen nel 1895. Da allora nel campo delle tecnologie diagnostiche che utilizzano raggi X sono stati fatti enormi progressi sia per quanto riguarda la strumentazione di base (generatori e rivelatori di raggi X) per i sistemi di imaging bidimensionale, sia per quanto riguarda l’architettura dei sistemi di acquisizione, fino ad arrivare alla realizzazione di immagini tomografiche tridimensionali, con un un utilizzo sempre crescente anche dei sempre più sofisticati strumenti informatici e mezzi di calcolo, arrivando a coprire le più svariate esigenze cliniche

Tecnologie diagnostiche con raggi X: avvento, sfide attuali e nuove frontiere

L'uso dei raggi X per acquisire immagini della struttura interna del corpo umano si è diffuso rapidamente in tutto il mondo subito dopo la prima radiografia a raggi X che fu acquisita da Wilhelm Conrad Röntgen nel 1895. Da allora nel campo delle tecnologie diagnostiche che utilizzano raggi X sono stati fatti enormi progressi sia per quanto riguarda la strumentazione di base (generatori e rivelatori di raggi X) per i sistemi di imaging bidimensionale, sia per quanto riguarda l'architettura dei sistemi di acquisizione, fino ad arrivare alla realizzazione di immagini tomografiche tridimensionali, con un un utilizzo sempre crescente anche dei sempre più sofisticati strumenti informatici e mezzi di calcolo, arrivando a coprire le più svariate esigenze cliniche

Evaluation of the Adaptive Statistical Iterative Reconstruction Algorithm in Chest CT (Computed Tomography) - A Preliminary Study toward Its Employment in Low Dose Applications, Also in Conjunction with CAD (Computer Aided Detection)

Lung cancer is one of the leading cause of cancer death worldwide. Computed Tomography (CT) is the best imaging modality for the detection of small pulmonary nodules and for this reason its employment as a screening tool has been widely studied. However, radiation dose delivered in a chest CT examination must be considered, especially when potentially healthy people are examined in screening programs. In this context, iterative reconstruction (IR) algorithms have shown the potential to reduce image noise and radiation dose and computer aided detection (CAD) systems can be employed for supporting radiologists. Thus, the combined use of IR algorithms and CAD systems can be of practical interest. In this preliminary work we studied the potential improvements in the quality of phantom and clinical chest images reconstructed trough the Adaptive Statistical Iterative Reconstruction (ASIR, GE Healthcare, Waukesha, WI, USA) algorithm, in order to evaluate a possible employment of this algori thm in low dose chest CT imaging with CAD analysis. We analysed both clinical and phantom CT images. Noise, noise power spectrum (NPS) and modulation transfer function (MTF) were estimated for different inserts in the phantom images. Image contrast and contrast-to-noise ratio (CNR) of different nodules contained in clinical chest images were evaluated. Noise decreases non-linearly when increasing the ASIR blending level of reconstruction. ASIR modified the NPS. The MTF for ASIR-reconstructed images depended on tube load, contrast and blending level. Both image contrast and CNR increased with the ASIR blending level

Evaluation of the Imaging Properties of a CT Scanner with the Adaptive Statistical Iterative Reconstruction Algorithm - Noise, Contrast and Spatial Resolution Properties of CT Images Reconstructed at Different Blending Levels

X-ray Computed Tomography (CT) is an essential imaging technique for different diagnostic and therapeutic tasks. However, ionizing radiation from CT scanners represents the largest source of medical exposure for the population of industrialized countries. In order to reduce CT dose during patient examination, iterative reconstruction algorithms have been developed to help existing dose reduction methods. In this paper, we studied the image quality performance of a 64-slice CT scanner (Optima CT660, GE Healthcare, Waukesha, WI, USA) that implements both the conventional filtered back-projection (FBP) and the Adaptive Statistical Iterative Reconstruction (ASIR, GE Healthcare, Waukesha, WI, USA) algorithm. In order to compare the performance of these two reconstruction technologies, CT images of the Catphan®504 phantom were reconstructed using both conventional FBP and ASIR with different percentages of reconstruction from 20% to 100%. Noise level, noise power spectrum (NPS), contrast-to -noise ratio (CNR) and modulation transfer function (MTF) were estimated for different values of the main radiation exposure parameters (i.e. mAs, kVp, pitch and slice thickness) and contrast objects. We found that, as compared to conventional FBP, noise/CNR decreases/increases non-linearly up to 50%/100% when increasing the ASIR blending level of reconstruction. Furthermore, ASIR modifies the NPS curve shape (i.e. the noise texture). The MTF for ASIR-reconstructed images depended on both tube load and contrast level, whereas MTF of FBP-reconstructed images did not. For lower tube load and contrast level, ASIR offered lower performance as compared to conventional FBP in terms of reduced spatial resolution and MTF decreased with increasing ASIR blending level of reconstruction