Kontrola kvality

Kontrola kvality je nedílnou součástí péče o zobrazovací přístroje. Testování zobrazovacích přístrojů je založeno především na požadavcích výrobců, nicméně je vhodné doplnit chybějící testy použitím např. mezinárodních doporučení nebo českého doporučení SÚJB Systém zabezpečení jakosti na pracovištích nukleární medicíny – přístrojová technika (Praha, 1999). Pro lepší pochopení problematiky se nadále budeme zabývat pouze SPECT systémy. Jak již bylo uvedeno v části věnované akvizici dat, je prvním krokem vždy pořízení planárních projekcí. Proto je možné rozdělit kontrolu kvality SPECT systémů na dvě části – kontrolu planárního režimu a kontrolu tomografického režimu.

V rámci rutinních kontrol planárního režimu jsou prováděny kontroly planární integrální homogenity, prostorové rozlišovací schopnosti, citlivosti detektoru s kolimátorem a energetické rozlišovací schopnosti. Další možné testy jsou většinou prováděny pouze v rámci přejímacích zkoušek systému.

Po důkladné kontrola planárního režimu musí být překontrolován i tomografický režim systému. Bezchybně fungující planární režim je pouze předpokladem pro kvalitní tomografické zobrazení. V tomografickém režimu je nutné rutinně kontrolovat především střed rotace systému a tomografickou prostorovou rozlišovací schopnost. Další testy lze považovat za doplňkové.

Kontrola planární integrální homogenity

Tento test může probíhat několika způsoby a použití toho kterého závisí především na cíli kontroly.

Základní a nejjednodušší test probíhá s nasazeným kolimátorem a plošným zdrojem (např. ⁵⁷Co nebo ^99mTc plnitelný plošný zdroj). Tato kontrola má za cíl rychle ověřit neporušenost kolimátoru a detekčního systému. Je prováděna denně, impulzy jsou střádány do matice 128x128 pixelů a celkový počet sebraných impulzů může být poměrně nízký (kolem 4 miliónů impulzů). Tímto testem lze odhalit velmi hrubé a závažné chyby systému jako jsou výpadky funkce fotonásobičů (projeví se velmi nápadným úplným zčernáním obrazu v místě výpadku), výrazné narušení energetické kalibrace (projeví se výrazně zhoršeným výsledkem výpočtu integrální homogenity oproti normálu) nebo hrubé mechanické poškození kolimátoru.

Výše uvedené chyby se výraznou měrou podílí na zhoršení kvality planárního zobrazení a přes rekonstrukční proces se následně přenáší i do tomografického režimu, kde mohou způsobit vznik závažných artefaktů. Ty mohou být zdrojem problémů při hodnocení pacientských studií a v extrémních případech (artefakty se neprojeví natolik, aby byly jasně identifikovatelné) mohou vést k zavádějícím nebo mylným výsledkům vyšetření.

Další varianta testu planární integrální homogenity již je prováděna bez přítomnosti kolimátorů. Tímto testem se kontroluje „vnitřní“ homogenita systému (zpravidla jednou týdně). Bývá prováděn s bodovým zdrojem ^99mTc, který musí být umístěn v dostatečné vzdálenosti, aby se dalo ozáření detektoru považovat za homogenní. Tato vzdálenost by měla být nejméně čtyřnásobkem většího z rozměrů detektoru. Během testu mohou být odhaleny i méně výrazné nehomogenity než v předchozím případě, protože je prováděn s výrazně větším množstvím nastřádaných impulzů (zpravidla více než 16 miliónů impulzů). Současně s touto kontrolou bývá často prováděno i hodnocení a správné funkce a naladění fotonásobičů. Tento proces (někdy nazývaný jako „tuning“) je důležitý z hlediska zachování přibližně stejné odezvy fotonásobičů v celé jeho ploše a udržení dobré energetické kalibrace (o jejím významu bude ještě pojednáno).

Posledním způsobem jak kontrolu provést je použít opět bodový zdroj a detektor bez kolimátoru, ale nastavit celkový počet sebraných impulzů na hodnotu převyšující 200 miliónů impulzů. Takto získaný obraz již neslouží k hodnocení planární integrální homogenity, ale ke korekci rozdílné citlivosti detektoru v celé ploše detektoru. Vysoký celkový počet impulzů má za úkol potlačit vliv statistického charakteru radioaktivní přeměny (zde). Získaná data tak vypovídají o vlastnostech a nastavení detekční aparatury.

Vzhledem ke konstrukci detektorů běžných scintilačních kamer (zde) se lze setkat se dvěma způsoby hodnocení planární integrální homogenity – homogenita v užitečném zorném poli (celá plocha detektoru) a v centrálním zorném poli (75 % plochy detektoru směrem od středu). Centrální homogenita vychází vždy lépe, protože okrajové pixely nejsou dobře pokryty maticí fotonásobičů.

Kromě integrální homogenity (hodnocené pomocí vztahu ; udává se v procentech) se lze setkat i s hodnocením diferenciální homogenity. Ta je založena na rozdílech v intenzitách sousedních pixelů a pro běžnou kontrolu kvality není tak důležitá. Ze vztahu pro planární integrální homogenitu vyplývá, že bude-li obraz zcela homogenní (tedy ve všech pixelech bude shodná hodnota počtu impulzů), potom bude homogenita rovna 0 %. Reálně měřené hodnoty homogenity jsou tedy odchylkou od ideální situace.

Ze základních vlastností zobrazování pomocí scintilačních kamer vyplývá, že při stejném celkovém nastřádaném počtu impulzů musí se změnami akviziční matice docházet i ke změnám hodnot homogenity. Čím bude mít matice menší počet pixelů, tím bude homogenita vycházet lépe (sníží se vliv statistických fluktuací počtu impulzů v jednom pixelu). Dále je závislá také na volbě šířky energetické okna amplitudového analyzátoru (zde). Širší okno propustí větší množství impulzů (včetně těch, které pocházejí od Comptonovsky rozptýlených fotonů) což vede k lepšímu výsledku určení homogenity. Proto je z hlediska rutinních kontrol, jejichž cílem je odhalit nestandardní chování systému důležité dodržovat stále stejné nastavení protokolu kontroly. Stejně tak při porovnávání vlastností různých scintilačních kamer je nutné dodržet naprosto shodné akviziční podmínky.

Následující simulace umožňuje provést simulaci ozáření detektoru scintilační kamery bez kolimátoru pomocí bodového zdroje. Je zde možné měnit velikost akviziční matice a při zachování dalšího nastavení sledovat změny v naměřených údajích. Rovněž je možné měnit nastavení podmínek akvizice. Změnou energetického okna lze dosáhnout rozdílných výsledků, stejně tak změnou četnosti impulzů při zachování celkové doby akvizice. V běžné praxi se jako podmínka pro ukončení sběru dat nenastavuje čas, ale celkový počet impulzů (vzhledem k měnící se aktivitě testovacích zdrojů je to jednodušší a přesnější pro dodržení konstantních snímacích podmínek). Výsledky simulace jsou rozděleny na dvě části. Na levém obrázku se zobrazují hrubá simulovaná data. Hodnoty integrální homogenity jsou v tomto případě daleko za hranicí, která je považována za maximální (6 %). Zde je nutné upozornit na skutečnost, že surová data se pro hodnocení používají málokdy. Protokol hodnocení je takový, že se získaná matice dat nejprve zmenší tak, aby měl pixel dostatečnou velikost, poté se obraz vyhladí pomocí konvoluce se specifickým filtrem a teprve potom se hodnotí homogenita (obrázek vpravo).

Simulaci změn homogenity lze zobrazit i v samostatném panelu (zde).

Jestliže vychází kontrola homogenity mimo toleranci nebo výrazně odlišně od běžných hodnot, je nutné zjistit příčinu tohoto stavu a zjednat nápravu. Pokud není jednoznačně viditelný výpadek některého z fotonásobičů, potom je nejčastější příčinou nevyhovující energetická kalibrace systému. Pík totální absorpce daného radionuklidu se nenachází na příslušné pozici na energetické ose amplitudového analyzátoru. To má za následek snížení počtu impulzů sebraných v daném čase a zahrnutí rozptýleného záření (většinou dochází k posuvům směrem k počátku energetické osy, tedy k nižším energiím).  

Prostorová rozlišovací schopnost je velmi důležitým parametrem zobrazovacích systémů, scintilační kamery nevyjímaje. Podrobný popis tohoto parametru, způsobu jeho měření a to jeho závislostí např. na vzdálenosti je zde. S prostorovou rozlišovací schopností úzce souvisí také efekt částečného objemu, který zásadním způsobem ovlivňuje detekovatelnost objektů v nukleární medicíně (zde).

V případě nejčastěji používaného typu kolimátoru s paralelními otvory závisí prostorová rozlišovací schopnost zásadním způsobem na vzdálenosti zobrazovaného objektu od čela kolimátoru (zde). Proto je při všech vyšetřeních snaha maximálně zkrátit vzdálenost mezi čelem kolimátoru a povrchem pacienta. Tím by mělo být dosaženo nejlepší prostorové rozlišovací schopnosti ve všech projekcích okolo pacienta. Ke zjednodušení tohoto úkolu jsou detektory vybaveny systémy detekujícími povrch pacienta a přiblížení na minimální vzdálenost od povrchu provádí kamera automaticky v každé projekci.

K objasnění této závislosti lze použít simulaci uvedenou níže. Simulace s pomocí vzorců pro výpočty geometrických vlastností kolimátorů (v závislosti na jejich tloušťce, tloušťce sept mezi jednotlivými otvory, velikosti otvorů a energii zářiče) vypočítává obraz bodového zdroje. Z profilu bodového zdroje lze potom určit prostorovou rozlišovací schopnost. Ta je dána šířkou profilu v polovině jeho výšky (FWHM – full width at half maximum). Simulace nepočítá se statistických charakterem radioaktivní přeměny, který v reálné praxi situace mírně komplikuje tím, že profily bodových zdrojů nejsou úplně hladké. Rovněž se zanedbává zeslabení. Kromě jednotlivých kolimátorů je možné zvolit i detektor bez kolimátoru a pozorovat vliv vzdálenosti bodového zdroje od čela detektoru (umístění do vhodné vzdálenosti je důležité pro měření homogenity viz. výše). Pokud se měří prostorová rozlišovací schopnost bez kolimátoru, jedná se o měření vnitřní prostorové rozlišovací schopnosti.  

Simulaci změn prostorové rozlišovací schopnosti lze zobrazit i v samostatném panelu (zde).

Ve výše uvedeném textu byla několikrát zmíněna možnost poruchy systému v důsledku výpadku nebo naopak výrazného nárůstu signálu fotonásobiče. Tato porucha se projeví lokálním snížením či zvýšením citlivosti detektoru v blízkosti tohoto fotonásobiče. V planárním obraze (projekci) lze tuto poruchu nasimulovat jako výpadek nebo zvýšenou funkci jednoho nebo spíše skupiny jednotlivých malých čtvercových detektorů na které lze detektor scintilační kamery pomyslně rozdělit. Ve skutečnosti toto dělení provádí až polohové obvody na základě zadané velikosti akviziční matice (viz. konstrukce scintilační kamery).

Po rekonstrukci se výpadek detektoru (resp. porucha funkce fotonásobiče) v rekonstruovaném obraze projeví typickým kruhovým artefaktem. Výpadek více detektorů vytváří soustředné kruhy. Podle toho jestli se jedná o úplný výpadek nebo jen pokles citlivosti daného místa je artefakt více či méně viditelný.

Následující simulace umožňuje nastavit počet porouchaných detektorů a míru jejich poškození. Jako rekonstrukční metoda byla zvolena OSEM s nastavením 4 iterací a 4 subsetů. Změna úhlového rozsahu skenu mírně mění i podobu artefaktů. Rovněž množství projekcí ovlivňuje výslednou podobu obrazu.

Simulaci výpadku detektoru lze zobrazit i v samostatném panelu (zde).

Kvalita tomografického zobrazení se výraznou měrou odvíjí od kvality planárního zobrazení. Drobné odchylky od správných provozních parametrů, které nemusí být v planárním zobrazování na první pohled zřetelné, se díky velkému množství projekcí použitých v rekonstrukci tomografického obrazu mohou projevit zhoršenou kvalitou obrazu. Výsledek rekonstrukce ale nezávisí pouze na parametrech kamery v planárním režimu. Z tomografických parametrů je zřejmě nejdůležitějším parametrem správná poloha a stabilita centra rotace (COR) systému.

Správná poloha centra rotace resp. souhlas geometrického centra rotace daného konstrukcí kamery a softwarového centra rotace používaného jako centrum otáčení při rekonstrukci obrazů je předmětem pravidelných kontrol SPECT systémů. Posuny COR způsobené např. opotřebováním mechanických částí gantry, nestabilitou uchycení detektorů, špatně provedenou kalibrací atd. vedou k vzniku různě závažných obrazových artefaktů.
Následující simulace umožňuje zkoumat různé typy odchylek COR od jeho správné polohy a jejich vliv na výsledný obraz. Demonstrované typy odchylek jsou pojmenovány podle jejich vlivu na tvar sinogramu a jsou následující:

• sinový posun (posouvá zrekonstruovaný obraz nahoru / dolu);
• kosinový posun (posouvá zrekonstruovaný obraz doleva / doprava);
• lineární nárůst / pokles (vytváří "spirálovitý" artefakt);
• náhodné mechanické nestability (vede k rozostření obrazu);
• posun centra detektoru (vytváří kruhový artefakt).

Sinový a kosinový posun vznikají v situaci, kdy je bodový zdroj použitý při kalibraci umístěn mimo geometrické centrum rotace systému. V důsledku toho poté nesouhlasí geometrický a softwarový střed rotace. Zrekonstruované obrazy jsou bez artefaktů, ale posunuté vůči středu zorného pole. V extrémních případech může dojít k zobrazení oříznutého obrazu.

Lineární nárůst / pokles vzniká, když se s narůstajícím projekčním úhlem zvětšuje odchylka pozice aktuálního středu otáčení od skutečného středu otáčení. Teoreticky může taková situace nastat v důsledku mechanické únavy gantry, kdy tahové působení narůstající hmotnosti detektoru vychyluje rameno s detektorem tím více, čím větší je projekční úhel. V tomto případě je softwarové centrum rotace shodné s geometrickým. Tato porucha centra rotace se projevuje vznikem spirálovitého artefaktu. V simulace se předpokládá setrvalý růst této výchylky v rozsahu od 0 do 360° a spirála se tedy neustále roztahuje. Pokud by v úseku od 180 do 360° docházelo ke snižování výchylky, spirála by se uzavřela ve výchozím bodě.

Náhodné mechanické nestability systému se projevují náhodnými posuny centra rotace systému vůči geometrickému centru rotace. Mohou být následkem rotace o úhel větší / menší než byl nastaven, uvolnění mechanických spojů atd. Jejich projevem je rozostření rekonstruovaného obrazu.

Posledním typ poruchy COR – posun centra detektoru - nastává v případě, kdy celá kalibrace COR proběhla v pořádku, geometrické centrum rotace je shodné se softwarovým, ale detektor je během akvizice dat nakloněn (tedy v pozici 0° není rovnoběžný se zemí). V tomto případě míří kolmice spuštěná ze středu detektoru neustále stejným způsobem mimo centrum rotace, což se projeví vznikem kruhového artefaktu. 

Simulaci poruch COR lze spustit i v samostatném panelu (zde).

Zpět na úvodní stránku s rozcestníkem.