• No results found

Quantifying image quality in  diagnostic radiology using  simulation of the imaging  system and model observers

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Quantifying image quality in  diagnostic radiology using  simulation of the imaging  system and model observers"

Copied!
85
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

 

Quantifying image quality in 

diagnostic radiology using 

simulation of the imaging 

system and model observers 

    Gustaf Ullman                        Radiation Physics, Department of Medicine and Health  Faculty of Health Sciences  Linköping University, Sweden      Linköping 2008         

(2)

                                                  ©Gustaf Ullman, 2008    

Cover  picture/illustration:  An  oil  painting  by  Gustaf  Ullman  representing  a  chest radiograph      Published articles and figures have been reprinted with the permission of the  copyright holder.    Printed in Sweden by LiU‐Tryck, Linköping, Sweden, 2008       ISBN 978‐91‐7393‐952‐2  ISSN 0345‐0082   

(3)

    Don’t worry about saving these songs!  And if one of our instruments breaks,  it doesn’t matter    We have fallen into the place  where everything is Music.    The strumming and the flute notes  rise into the atmosphere,  and even if the whole world’s harp  should burn up, there would still be  hidden instruments playing.    So the candle flickers and goes out.  We have a piece of flint and a spark.    This singing art is sea foam.  The graceful movements come from a pearl  somewhere on the ocean floor.    Poems reach up like spindrift and the edge  of driftwood along the beach, wanting!    They derive  from a slow and powerful root  that we can’t see    Stop the words now.  Open the window in the center of your chest,  and let the spirits fly in and out.    Jalal al‐Din Rumi         

(4)

                                                   

(5)

1. INTRODUCTION ... 1 1.1. Radiation protection in diagnostic radiology ... 1 1.2. Optimisation of diagnostic radiology ... 2 1.3. Optimisation using a Monte Carlo based computational model ... 2 2. OBJECTIVE ... 5 3. MONTE CARLO BASED COMPUTATIONAL MODEL OF THE  IMAGING SYSTEM... 7 3.1. Introduction... 7 3.2. Computational model of the x‐ray imaging systems ... 9 3.2.1. Model of the imaging system ... 9 3.2.2. Monte Carlo simulation of photon transport... 14 3.2.3. Scoring quantities... 18 3.2.4. Calculated quantities ... 19 3.3. Calculation of images from the high‐resolution phantom ... 20 3.4. Uncertainties... 22 3.4.1. Stochastic uncertainties ... 22 3.4.2. Systematic uncertainties... 22 4. ASSESSMENT OF IMAGE QUALITY ... 25 4.1. Introduction... 25 4.2. Image quality assessment as developed in this work... 26 4.2.1. The task... 26 4.2.2. Model of the imaging system and patient... 27 4.2.3. Observers... 29 4.2.4. Figures of merit ... 30 5. RESULTS AND DISCUSSION ... 41 5.1. Ideal observer with a simplified patient‐model ... 41

(6)

5.2. Low resolution voxel phantom ... 43 5.3. High resolution voxel phantom... 44 5.4. Ideal observer with simple anatomical background... 46 5.5. Correlation to human observers ... 49 5.6. Model observers with complex anatomical background ... 52 6. SUMMARY AND CONCLUSIONS... 59 7. FUTURE WORK ... 61 8. ACKNOWLEDGEMENTS ... 63 9. REFERENCES... 65                                        

(7)

ABSTRACT 

Accurate measures of both clinical image quality and patient radiation risk are  needed for successful optimisation of medical imaging with ionising radiation.  Optimisation  in  diagnostic  radiology  means  finding  the  image  acquisition  technique  that  maximises  the  perceived  information  content  and  minimises  the  radiation  risk  or  keeps  it  at  a  reasonably  low  level.  The  assessment  of  image quality depends on the diagnostic task and may in addition to system  and quantum noise also be hampered by overlying projected anatomy. 

 

The  main  objective  of  this  thesis  is  to  develop  methods  for  assessment  of  image  quality  in  simulations  of  projection  radiography.  In  this  thesis,  image  quality is quantified by modelling the whole x‐ray imaging system including  the  x‐ray  tube,  patient,  anti‐scatter  device,  image  detector  and  the  observer.  This  is  accomplished  by  using  Monte  Carlo  (MC)  simulation  methods  that  allow simultaneous estimates of measures of image quality and patient dose.  Measures of image quality include the signal‐to‐noise‐ratio, SNR, of pathologic  lesions  and  radiation  risk  is  estimated  by  using  organ  doses  to  calculate  the  effective  dose.  Based  on  high‐resolution  anthropomorphic  phantoms,  synthetic  radiographs  were  calculated  and  used  for  assessing  image  quality  with  model‐observers  (Laguerre‐Gauss  (LG)  Hotelling  observer)  that  mimic  real, human observers. Breast and particularly chest imaging were selected as  study cases as these are particularly challenging for the radiologists. 

 

In  chest  imaging  the  optimal  tube  voltage  in  detecting  lung  lesions  was  investigated in terms of their SNR and the contrast of the lesions relative to the  ribs. It was found that the choice of tube voltage depends on whether SNR of  the lesion or the interfering projected anatomy (i.e. the ribs) is most important  for detection. The Laguerre‐Gauss (LG) Hotelling observer is influenced by the  projected  anatomical  background  and  includes  this  into  its  figure‐of‐merit,  SNRhot,LG.  The  LG‐observer  was  found  to  be  a  better  model  of  the  radiologist  than  the  ideal  observer  that  only  includes  the  quantum  noise  in  its  analysis.  The measures of image quality derived from our model are found to correlate  relatively  well  with  the  radiologist’s  assessment  of  image  quality.  Therefore  MC simulations can be a valuable and an efficient tool in the search for dose‐ efficient imaging systems and image acquisition schemes. 

(8)
(9)

LIST OF PAPERS 

This thesis is based on the following papers 

   

I.  Gustaf  Ullman,  Michael  Sandborg,  David  R  Dance,  Martin  Yaffe,  Gudrun  Alm  Carlsson.  A  search  for  optimal  x‐ray  spectra  in  iodine  contrast media mammography. Phys. Med. Biol. 50, 3143–3152 (2005)*   II.  Gustaf  Ullman,  Michael  Sandborg,  David  R  Dance,  Roger  Hunt,  and 

Gudrun  Alm  Carlsson.  Distributions  of  scatter  to  primary  ratios  and  signal  to  noise  ratios  per  pixel  in  digital  chest  imaging.  Radiat  Prot  Dosim, 114, no 1‐3, 355‐358 (2005)*  

III.  Gustaf Ullman, Michael Sandborg, David R Dance, Roger A Hunt and  Gudrun  Alm  Carlsson.  Towards  optimization  in  digital  chest  radiography  using  Monte  Carlo  modelling.  Phys  Med  Biol  51,  2729‐ 2743 (2006)*  

IV.  Michael  Sandborg,  Anders  Tingberg,  Gustaf  Ullman,  David  R  Dance  and  Gudrun  Alm  Carlsson.  Comparison  of  clinical  and  physical  measures of image quality in chest and pelvis computed radiography at  different tube voltages. Med. Phys. 33(11) 4169‐4175 (2006)*  

V.  Gustaf Ullman, Alexandr Malusek, Michael Sandborg, David R. Dance  and  Gudrun  Alm  Carlsson.  Calculation  of  images  from  an  anthropomorphic  chest  phantom  using  Monte  Carlo  methods.  Proc  of  SPIE 6142, (2006)*  

VI.  Gustaf  Ullman,  Magnus  Båth,  Gudrun  Alm  Carlsson,  David  R  Dance,  Markku  Tapiovaara,  and  Michael  Sandborg.  Development  of  a  Monte  Carlo  based  model  for  optimization  using  the  Laguerre‐Gauss  Hotelling observer. (To be submitted to Med Phys) 

 

(10)

 

Other peer reviewed papers by the author not included in the thesis 

 

1.  Gustaf  Ullman,  Michael  Sandborg,  David  R  Dance,  Roger  Hunt,  and  Gudrun Alm Carlsson. The influence of patient thickness, tube voltage  and  image  detector  on  patient  dose  and  detail  signal  to  noise  ratio  in  digital chest imaging. Radiat Prot Dosim, 114, no 1‐3, 294‐297, 2005   2.  Markus Håkansson, Magnus Båth, Sara Börjesson, Susanne Kheddache, 

Gustaf Ullman, Lars Gunnar Månsson. Nodule detection in digital chest  radiography:  effect  of  nodule  location.  Radiat  Prot  Dosim  114,  no  1‐3,  92‐96, 2005  

3.  R  A  Hunt,  D  R  Dance,  P  R  Bakic,  A  D  A  Maidment,  M  Sandborg,  G  Ullman  and  G  Alm  Carlsson.  Calculation  of  the  properties  of  digital  mammograms using a computer simulation. Radiat Prot Dosim 114, no  1‐3, 395‐398, 2005  

4.  D  R  Dance,  R  A  Hunt,  P  R  Bakic,  A  D  A  Maidment,  M  Sandborg,  G  Ullman  and  G  Alm  Carlsson. Breast dosimetry using a high‐resolution  voxel phantom. Radiat Prot Dosim 114, no 1‐3, 359‐363, 2005 

5.  Roger  A  Hunt,  David  R  Dance,  Marc  Pachoud,  Gudrun  Alm  Carlsson,  Michael  Sandborg,  Gustaf  Ullman  and  Francis  R  Verdun.  Monte  Carlo  simulation  of  a  mammographic  test  phantom.  Radiat  Prot  Dosim,  114,  no 1‐3, 432‐435, 2005. 

 

Conference presentations 

 

1.  Ullman  G,  Sandborg  M,  Dance  D  R, Skarpathiotakis M, Yaffe MJ, Alm  Carlsson  G.  (2002)  A  search  for  optimal  x‐ray  energy  spectra  in  digital  iodine subtraction mammography using Monte Carlo simulation of the  imaging chain. Digital Mammography IWDM 2002: Proceedings of the  Workshop,  Bremen,  Germany,  June  2002.  Ed.  Peitgen  H‐O  (Springer‐ Verlag, Berlin) pp152‐154, 2002  

2.  M.  Båth,  M.  Håkansson,  S.  Börjesson,  S.  Kheddache,  C.  Hoeschen,  O.  Tischenko,  F.  O.  Bochud,  F.  R.  Verdun,  G.  Ullman,  L.  G.  Månsson.  Investigation  of  components  affecting  the  detection  of  lung  nodules  in  digital  chest  radiography.  Accepted  for  presentation  at  Medical  Imaging, 12‐17 February 2005, San Diego, USA. Proc. SPIE 5749, 231‐242,  2005. 

(11)

  Internal reports (not reviewed)    1.  Gustaf Ullman, Michael Sandborg, Roger Hunt and David R Dance.  Implementation of simulation of pathologies in chest and breast  imaging Report no 94, ISRN ULI‐RAD‐R‐‐94—SE, 2003 

2.  Gustaf  Ullman,  Michael  Sandborg  and  Gudrun  Alm  Carlsson.  Validation  of  a  voxel‐phantom  based  Monte  Carlo  model  and  calibration of digital systems. Report no 95, ISRN ULI‐RAD‐R‐‐95—SE,  2003 

3.  Gustaf  Ullman,  M  Sandborg,  D  R  Dance,  R  Hunt  and  G  Alm  Carlsson  Optimisation  of  chest  radiology  by  computer  modelling  of  image  quality  measures  and  patient  effective  dose  Report  no  97,  ISRN  ULI‐ RAD‐R‐‐97—SE, 2004 

4.  Gustaf Ullman, M Sandborg, Anders Tingberg, D R Dance, Roger Hunt  and  G  Alm  Carlsson  Comparison  of  clinical  and  physical  measures  of  image quality in chest PA and pelvis AP views at varying tube voltages  Report no 98, ISRN ULI‐RAD‐R‐‐98—SE, 2004  

5.  Gustaf  Ullman,  M  Sandborg,  D  R  Dance,  M  Båth,  M  Håkansson,  S  Börjesson, R Hunt and G Alm Carlsson On the extent of quantum noise  limitation in digital chest radiography Report no 99, ISRN ULI‐RAD‐R‐‐ 99—SE, 2004 

6.  Gustaf  Ullman,  Michael  Sandborg,  David  R  Dance,  Roger  Hunt  and  Gudrun Alm Carlsson Distributions of scatter‐to‐primary and signal‐to‐ noise ratios per pixel in digital chest imaging Report no 100, ISRN ULI‐ RAD‐R‐‐100—SE, 2004 

   

(12)
(13)

ABBREVIATIONS 

  AGD  Average glandular dose  ALARA  As low as reasonable achievable  APR  Apical pulmonary region  AUC   Area under the ROC curve  BKE  Background known exactly  BV    Background varying  C    Contrast  CC   Cranio‐caudal  C/CB  Nodule‐to‐bone contrast  Crel   Relative contrast  DQE  Detective quantum efficiency  E    Effective dose  FN    False negative  FOM  Figure of merit  FP    False positive  Ht    Equivalent dose  HIL  Hilar region  Kc, air  Collision air kerma  LG    Laguerre‐Gauss  LAT  Lateral pulmonary region  LME  Lower mediastinal region  LNT  Linear non‐threshold hypothesis  MC   Monte Carlo  MTF  Modulation transfer function  NPS  Noise power spectrum  PA    Posterior Anterior  RET  Retrocardial region  ROC  Receiver operating characteristics  SKE  Signal known exactly  SNR   Signal‐to‐noise ratio  SNRhot, LG  Laguerre‐Gauss Hotelling observer signal‐to‐noise ratio  SNRI  Ideal observer signal‐to‐noise ratio  SNRp  Signal‐to‐noise ratio per pixel  TN   True negative 

(14)

TP    True positive  UME  Upper mediastinal region  VGA  Visual grading analysis  VGAS  VGA score        Energy imparted per unit area from primary photons  p A ε s A ε p     Energy imparted per unit area from scattered photons      Mean energy imparted per primary photon  λ     Mean squared energy imparted per primary photon  2 p λ s    Mean energy imparted per scattered photon  λ     Mean squared energy imparted per scattered photon  2 s λ

(15)

1. INTRODUCTION

1.1.  Radiation protection in diagnostic radiology 

Diagnostic  x‐ray  examinations  can  support  the  radiologist  with  valuable  information  that  can  be  utilised  to  give  a  patient  an  accurate  diagnosis,  and  subsequently  a  successful  treatment.  However,  imaging  with  ionising  radiation  is  also  associated  with  a  small  risk  for  cancer  induction  or  genetic  detriment. When x‐ray photons are scattered or absorbed inside the cells of the  human  body,  ionisations  occur  that  can  alter  molecular  structures  and  thus  make harm to the cell. The most important damage to the cell is damage in the  DNA  since  this  may  induce  mutations.  Ultimately,  the  damage  may  lead  to  that the cell is killed, and if enough cells are killed, the function of the tissue or  organ  will  be  deteriorated.  This  type  of  acute  harm  due  to  large  radiation  exposures is referred to as a deterministic effect. However, at the relatively low  radiation  exposures  in  diagnostic  radiology,  the  damages  caused  by  ionising  radiation  are  often  rather  easily  repaired.  Yet,  sometimes  the  damage  on  the  DNA is more complex. This can cause mutations or chromosome aberrations,  which  in  turn  may  lead  to  a  modified  cell  but  with  retained  reproduction  capacity. In some cases, such modified cells can result in a cancer. In the case  where the harmful effects of ionising radiation are only known statistically, it  is  referred  to  as  a  stochastic  effect.  The  risk  related  to  stochastic  effects  to  a  human  from  exposure  from  ionising  radiation  is  often  quantified  with  the  effective dose, E (ICRP 1991, ICRP 2007).  

 

According  to  the  linear  non‐threshold  (LNT)  hypothesis,  there  is  a  linear  relation between the effective dose and risk for cancer induction (ICRP 2005)  and means that the collective dose can be used as a measure of the harm to the  population. The collective dose from medical radiography is according to the  Swedish radiation protection authority (Andersson et al 2007) 8000 manSv per  year or 0.9 mSv on average per capita, and contributes the largest fraction of  the total dose to the population from man‐made sources.     Diagnostic radiology is invaluable for the health care but due to the radiation  risks,  radiation  protection  of  the  patient  becomes  an  important  issue.  Three  different  principles  are  used  for  radiation  protection  (ICRP  2007).  The  first  principle  is  justification.  Ionising  radiation  should  only  be  used  in  those  situations  where  it  brings  more  good  than  harm.  The  second  principle  is 

(16)

optimisation. It means that, in those cases where the use of ionising radiation is 

justified,  doses  should  be  kept  as  low  as  reasonable  achievable.  This  is  often  referred to as the ALARA (As Low As Reasonably Achievable) principle. The  third principle is dose limits to the individual. However, this principle is more  applicable for personnel rather than for patients in diagnostic radiology.    1.2.  Optimisation of diagnostic radiology  Optimisation means to balance the diagnostic information (image quality) and  patient  dose  so  as  to  maximize  the  ratio  between  the  two;  either  to  keep  the  information  constant  and  minimize  the  dose  or  to  increase  information  at  constant dose. The dose to the patient undergoing an x‐ray examination has, in  digital  systems,  a  close  relation  to  the  quantum  noise  in  the  image.  The  quantum  noise  depends  on  the  number  of  photons  incident  on  the  image  detector  and  is  approximately  described  with  a  compound  poisson  distribution, which takes the energy absorption properties of the detector into  account. If we use too few photons, the image will be noisy and it will make it  difficult  or  even  impossible  for  the  radiologist  to  give  a  correct  diagnosis.  It  may also take longer time for the radiologist to give a diagnosis using a noisy  image.  Yet,  above  a  certain  dose  level,  the  quantum  noise  may  become  negligible  in  comparison  to  the  noise  naturally  present  in  the  projected  anatomy  (Hoeschen  et  al  2005).  There  will  therefore  be  limited  benefit  to  increase the dose above this level.  

 

How  to  make  the  trade  off  between  the  dose  to  the  patient  and  the  image  quality  is  a  complex  subject.  A  key  aspect  for  the  optimisation  of  diagnostic  radiology is to understand the relative importance of the quantum noise in the  image  and  the  structures  in  the  projected  anatomy  that  act  as  noise.  Several  authors  including  Kundel  et  al  (1985),  Samei  et  al  (1999),  Burgess  et  al  (2001)  and Håkansson et al (2005b) have acknowledged the importance of projected  anatomy  in  relation  to  quantum  noise.  The  consensus  from  these  studies  is  that at normal exposures, the projected anatomy is the most important factor  in  hampering  the  detection  of  subtle  nodules  in  chest  radiographs  and  mammograms. 

 

1.3.  Optimisation using a Monte Carlo based computational model  

One  method  that  has  been  utilised  to  search  in  a  systematic  way  for  the  optimal  imaging  parameters  in  diagnostic  radiology  is  to  use  a  model  of  the  imaging  system,  including  the  patient  and  observer,  and  to  simulate  the  photon transport through the imaging system using the Monte Carlo method. 

(17)

With  this  method  it  is  possible  to  simultaneously  calculate  the  dose  to  the  patient and measures of image quality.  

 

However,  the  physical  measures  of  image  quality  derived  from  simulations  must  in some sense give us information on the usefulness of the image for a  radiologist  to  solve  a  specific  clinical  task.  Our  physical  measures  of  image  quality  must  therefore  correlate  to  clinical  measures  of  image  quality.  Two  methods  for  assessment  of  clinical  image  quality  are  given  attention  in  this  work, receiver operating characteristics (ROC) (Metz 1986) and visual grading  analysis (VGA) (Tingberg 2000). A challenge in this work has been to develop  a  model,  which  includes  realistic  measures  of  image  quality  that  takes  the  projected anatomy into account.             

(18)
(19)

2. OBJECTIVE

While  patient  doses  are  relatively  straightforward to calculate, image quality  assessment  is  a  more  complex  task  and  crucial  for  the  optimisation  process.  The  main  objective  of  this  thesis  is  therefore  to  further  develop  methods  for  assessment  of  image  quality  in  x‐ray  projection  radiography.  The  main  method  is  Monte  Carlo  photon  transport  simulation    (Monte  Carlo  model)  through  the  whole  x‐ray  imaging  system  including  a  model  of  the  image  observer.  As  study  cases,  chest  posterior‐anterior  (PA)  and  mammography  cranio‐caudal  (CC)  projections  are  used  as  these  are  particularly  challenging  for the radiologist.    The specific objectives are:    • To study how physical measures influencing image quality are  distributed over the image plane (paper II)    • To develop methods for calculating physical image quality measures  from simulated radiographs and search for correlations between these  measures and measures of clinical image quality (papers III and IV)    • To develop patient models of higher realism and finer anatomical  structures for calculation of synthetic x‐ray images to be used for image  quality analysis (papers V and VI)   

• To  complete  our  model  of  the  imaging  system  by  including  a  more  realistic  model  observer  that  can  be  used  to  directly  make  any  task‐ related  clinical  image  quality  assessment  from  synthetic  images  calculated by the model (papers V and VI)    • To use our model of the imaging system towards optimisation of image  quality and patient dose (paper I and III)     

(20)
(21)

3. MONTE CARLO BASED

COMPUTATIONAL MODEL OF THE

IMAGING SYSTEM

3.1.  Introduction 

The  Monte  Carlo  method  relies  on  taking  random  samples  from  known  distributions  and  is  particularly  useful  for  studying  complex  problems  with  many degrees of freedom. One of the first applications of the method was in  Los  Alamos,  USA,  during  the  Second  World  War  where  it  was  used  to  simulate  neutron  diffusion.  Today,  Monte  Carlo  methods  are  employed  in  widely  diverse  fields,  from  the  evaluation  of  shares  on  the  stock  market  (Glasserman  2003)  to  the  calculation  of  energy  levels  of  molecules  with  quantum Monte Carlo (Ceperley and Alder 1986).  

 

In  radiation  physics,  the  Monte  Carlo  method  is  employed  for  simulating  radiation  transport,  mathematically  described  by  the  Bolzmann  equation.   There  are  several  general‐purpose  computer  codes  available  for  the  study  of  radiation  transport,  for  example,  MCNP  (Monte  Carlo  N‐Particle  transport)  (Briesmeister  2000)  developed  in  Los  Alamos  and  designed  to  transport  neutrons,  electrons  and  photons;  EGSnrc  (Electron  Gamma  Shower)  (Kawrakow  and  Rogers  2003,  Nelson  et  al  1985),  initially  developed  in  Stanford,  which  transports  photons  and  electrons;  PENELOPE  (PENetration  and  Energy  Loss  Of  Positrons  and  Electrons)  (Baro  et  al  1995)  developed  at  University  of  Barcelona,  and  used  to  transports  electrons,  positrons  and  photons. 

 

In  diagnostic  radiology,  one  of  the  most  common  applications  of  the  Monte  Carlo method is in patient dosimetry. There are several Monte Carlo computer  codes that are used to estimate the effective dose. Jones and Wall (1985) used  the  Monte  Carlo  method  to  compute  organ  doses  using  a  mathematical  representation (Cristy 1980) of a human anatomy. Zankl and Wittman (2001)  have developed a family of more realistic, segmented anthropomorphic voxel  phantoms for organ dosimetry for external photon beams. Zankl and Petoussi‐ Henss (2002) calculated conversion factors based on the VIP man (Spitzer and  Whitlock  1998)  anthropomorphic  model.  The  user‐friendly  Monte  Carlo  computer  program  PCXMC  by  Servomaa  and  Tapiovaara  (1998)  calculates 

(22)

organ and effective doses based on either measured air kerma‐area product or  entrance air kerma values.  

 

There  are  also  Monte  Carlo  codes  developed  for  optimisation  in  diagnostic  radiology. Such codes rely on the fact that they are able to estimate both organ  or effective doses and measures of image quality. The main application of the  Monte Carlo method is for estimating the negative effect of scattered photons  reaching  the  image  detector.  Chan  and  Doi  (1985)  used  the  Monte  Carlo  method to characterise scattered radiation in x‐ray imaging. Chan et al (1985)  also investigated the performance of anti‐scatter grids in screen‐film imaging  whereas  Sandborg  et  al  (1994a)  did  task‐dependent,  anti‐scatter  grid  optimisation  for  digital  imaging.  More  recently  McVey  et  al  (2003)  did  an  optimisation  study  of  lumbar  spine  radiography  and  Lazos  et  al  (2003)  have  developed  a  software  package  for  mammography.  The  Lazos  model  also  includes a realistic model of the breast (Bliznakova et al 2003). Son et al (2006)  have  developed  software  that  calculates  images  from  the  visual  human  (VIP  man)(Xu et al 2000). They have used the EGSnrc code as a basis of the model,  used model observers and calculated effective dose. 

 

In this work we have used an in‐house Monte Carlo code VOXMAN adapted  for conditions usually encountered in diagnostic radiology. It originates from  Dance  and  Day  (1984)  and  Persliden  (1986)  who  independently  developed  computer  programs  to  estimate  scattered  radiation  in  the  image  plane  in  mammography and conventional radiography, respectively. A few years later,  Dance et al (1992) and Sandborg et al (1994b) merged the codes and did further  validation of the computer programs. McVey et al (2003) replaced the simple  homogeneous  water  or  tissue  phantoms,  used  in  the  earlier  versions  of  the  code, by a voxelised anthropomorphic male phantom developed by Zubal et al  (1994). This step enabled more realistic organ dosimetry and made it possible  to  describe  how  measures  of  physical  image  quality  vary  in  the  image  plane  behind the patient.  

 

The  main  focus  of  this  thesis  is  on  chest  imaging.  Therefore  we  have  mainly  used the VOXMAN model, adapted to simulate chest radiography. In paper I  we  used  the  version  of  the  computer  program  dedicated for mammography.  This  computer  program  was  further  developed  by  Hunt  et  al  (2005)  to  incorporate an anthropomorphic model of the breast developed by Bakic et al  (2002). A brief description of the VOXMAN model is presented below. 

(23)

3.2.  Computational model of the x‐ray imaging systems 

The Monte Carlo based computational method used in this thesis models the  x‐ray imaging system and simulates photon transport from the source through  patient,  anti‐scatter  grid  and  into  the  image  detector.  The  computational  method consists of the following components: 

 

A  model  of  the  imaging  system.  This  comprises  different  sources  of  input  data  and  the  imaging  geometry.  Input  data  includes  x‐ray  spectrum, patient‐based voxel phantom, anti‐scatter grid, table or chest  support couch and image detector. 

 

Monte  Carlo  simulation  of  photon  transport  through  the  imaging  system. The model uses different variance reduction techniques, briefly  described below, to increase the efficiency of the model. 

 

Scoring  variables  such  as  organ  and  effective  doses  and  calculation  of  different measures of image quality such as contrast and signal‐to‐noise  ratio  of  nodule  lesions  or  anatomical  structures  within  the  patient  model. 

 

3.2.1.  Model of the imaging system  

The  input  data  files  are  described  below  including  geometry,  x‐ray  spectra,  voxel phantom, anti‐scatter grid and image detector. 

 

3.2.1.1  Imaging geometry  

The imaging geometries for the chest and mammography models are shown in  figures  3.1 and 3.2, respectively. Examples of specific imaging configurations  are  listed  in  table  3.1.  Substantial  variations  of  the  imaging  system  configuration were employed particularly in papers I, III and IV and to some  extent also in papers II, V and VI.  

     

(24)

  Figure  3.1.  The  simulated  imaging  geometry  used  in  chest  PA  radiography  including  an  x‐ray  source,  voxel  phantom,  anti‐scatter  grid  and  image  detector. 

   

   

Figure  3.2.  The  simulated  imaging  geometry  used  in  Cranio‐caudal  (CC)  mammography.  Notations  are  a)  focus‐detector  distance;  thickness  of  b)  breast,  c)  compression  plate,  d)  adipose  layer,  e)  contrasting  detail,  f)  breast  support, g) anti‐scatter grid and h) image detector.                 

(25)

Table 3.1. Examples of imaging system configurations for chest and breast 

 imaging system component  Chest PA  Breast CC  imaging used in this work.     Typical values  Focus‐detector distance (cm)  180   65  Tube voltage (kV)  90‐150    )   Cu   Cu   Patient PA or breast thickness (cm)  0‐28  es 10‐25  ocalcifications  Compression plate  ‐  exiglas  erial  arbon fibre / Al  / grid ratio     (mg/cm2 20‐55 Total filtration (mm 0.1‐0.5 mm   0.3 mm 25μm Rh  2 2‐8  Typical diagnostic tasks and size of  details  Nodul mm  Micr and soft tissue  masses  3 mm pl Grid interspace mat C Carbon fibre  Lamella frequency (cm‐1 40 / 12  60 / 5 

Image detector material  BaFCl, CsI CsI 

Image detector thickness 100  100 

 

.2.1.2  X‐ray spectra 

was  calculated  with  a  computer  program  based  on  a 

  t

 

  the  VOXMAN  model,  the  relative  fractions  of  Bremsstrahlung  and 

 

3

The  x‐ray  spectrum 

spectral  model  by  Birch  and  Marshall  (1979).  The  program  calculates  Bremsstrahlung  and characteristic  x‐rays  from  a  tungs en  or  molybdenum  anode  target  and  allows  the  user  to  select  appropriate  thicknesses  of  added  filtration  of  aluminum,  copper  or  molybdenum.  In  paper  I,  tungsten,  molybdenum and rhodium anode target spectra were instead calculated with  MCNP4C  Monte  Carlo  code  since  the  Birch  and  Marshall  program  did  not  include a rhodium target or a rhodium filter. 

  In

characteristic  x‐rays  were  computed  and  a  random  number  selected  from  which  of  the  distributions  the  photon  emerged.  If  a  Bremsstrahlung  photon  was  selected,  the  photon  energy  was  chosen  using  rejection  sampling  (Sandborg et al 1994b). 

       

(26)

3.2.1.3 

 was 

  Low‐resolution chest phantom 

  anthropomorphic  voxel  phantoms  were  Voxel phantoms 

tom A  Mammography phan

In the mammography model,  simple representation of the female breast used  (Ullman  et  al  2005).  The  breast  was  assumed  to  be  a  cylinder  with  semicircular  cross‐section  and  made  of  a  homogeneous  mixture  of  glandular  and adipose tissue in the central region surrounded by an adipose layer. The  tissue compositions were taken from Hammerstein et al (1979). The density of  glandular  tissue  was  1.04  g  cm−3  and  for  adipose  tissue  0.93  g  cm−3.  The 

glandularity of the central part of the breast model was for the main part set to  50%,  but  was  allowed  to  vary  between  10‐90%  to  represent  both  dense  and  fatty breasts. 

B

In  the  chest  model,  three  different

used as a model of the patient. The main phantom was the one developed by  Zubal  et  al  (1994)  and  used  in  papers  II,  III  and  IV.  The  Zubal  phantom  (displayed in figure 3.3) was segmented into organs such as lungs, heart and  bone marrow. It therefore allows for calculation of organ and effective doses.  The female‐specific organs: breast, ovaries and uterus were added manually to  the  male  body  to  enable  effective  dose  to  be  calculated  (McVey  et  al  2003).  However,  the  phantom  has  relatively  large  voxels  (3x3x4  mm3)  and  is 

therefore not suitable for calculating realistic images (see figure 3.4 below). In  addition,  the  lungs  are  comparably  small  since  the  phantom  was  based  on  a  CT scan where the male patient was imaged with non‐inflated lungs and in a  non‐upright position, contrary to the typical chest PA imaging situation.            igure 3.3. Volume‐rendered representation of the Zubal phantom (left) and  F the Kyoto Kaguku (PBU‐X‐21) phantom (right). An outline of the lungs,  trachea, heart and breast are shown in the left image.   

(27)

C  High‐resolution chest phantoms 

s  (voxel  size

Two  high‐resolution  voxel  phantom   0.97x0.97x0.6  mm)  were 

he manufacturer of the Kyoto Kagaku phantom claims that it is composed of  created from CT scans of two different anthropomorphic thorax phantoms: the  Alderson phantom and the Kyoto Kagaku PBU‐X‐21 phantom. The Alderson  phantom was used in paper V and did not include smaller vessels. The more  recent  Kyoto  Kagaku  phantom  was  more  realistic  since  it  contained  a  more  human‐like  distribution  of  small  and  medium‐sized  vessels.  Simulated  x‐ray  images  of  the  Zubal,  Alderson  and  Kyoto  Kagaku  phantoms  are  shown  in  figure 3.4 demonstrating an increasing realism from left to right. 

  T

materials  with  linear  attenuation  coefficients  (μ values)  resembling  those  of  human tissues. However, they failed to provide us with details of the atomic  compositions  of  the  tissue  substitute  materials,  which  complicate  a  more  rigorous comparison with real x‐ray images of their chest phantom (see paper  VI).  A  more  detailed  description  of  the  segmentation  of  the  Kyoto  Kagaku  phantom  is  given  in  Malusek  (2008).  The  Alderson  and  Kyoto  Kagaku  phantoms  are  used  mainly  for  simulation  of  synthetic  images  with  high  resolution  but  are  not  yet  segmented  into  organs  and  tissue  types  and  can  therefore not be used for direct calculation of effective dose.            Figure 3.4. Projection images of the three chest voxel‐phantoms used in this    .2.1.4  Anti‐scatter grid 

as  simulated  by  specifying  the  lamella  thickness,  thesis. To the left the low‐resolution Zubal phantom, central the Alderson 

phantom and to the right the Kyoto Kagaku phantom. 

3

The  anti‐scatter  grid  w

interspace  material  and  thickness  as  well  as  cover  thickness  and  grid  ratio.  Typical  grids  are  listed  in  table  3.1.  In  the  Monte  Carlo  program the focused  grid was simulated by an analytical transmission formula developed by Day 

(28)

and Dance (1983). Scattered photons generated in the grid itself was simulated  by a separate Monte Carlo simulation in a parallel grid (Sandborg et al 1994b).    3.2.1.5  Image detector  ge detector was simulated in a separate Monte Carlo  he image detector thickness was specified in terms of a surface density in mg .2.2.  Monte Carlo simulation of photon transport  tion is described by 

(

n n n n

)

n = r ,E , ,w The response of the ima

model  of  a  semi‐infinite  layer  of  the  image  detector  material.  This  model  is  included  as  a  sub‐routine  to  the  main  VOXMAN  program.  Energy  imparted  per  unit  area  was  assumed  proportional  to  the  image  detector  signal.  The  image detector model does not include the transport of secondary electrons as  the  kerma  approximation  was  assumed.  The  transport  of  light  photons  was  also  neglected.  In  papers  V  and  VI,  the  detector  response  was  calculated  separately  with  MCNP4C  and  was  used  for  the  calculation  of  primary  projections (Malusek 2008). 

  T cm-2

 (see table 3.1). In paper I, the detector material was needle crystals of CsI;  in  paper  II,  III  and  IV  an  unstructured  mixture  of  BaFCl  grains  simulating  a  computed  radiography  (CR)  fluorescent  screen  and  finally  in  paper  VI,  a  Gd2O2S indirect flat panel (DR) fluorescent screen was employed.     3 The physical state of the photon after the n:th interac   α       (3.1)   

here  rn  is  the  position,  En  is  the  energy,  Ωn  is  the  solid  angle  and  wn  is  the 

.2.2.1  Photon interaction, cross‐sections and material compositions  w

statistical weight of the photon. Photon interaction types in the energy range  of  diagnostic  radiology  (10‐150  keV)  are:  coherent  scattering,  incoherent  scattering  and  photoelectric  effect.  The  photon  interactions  are  described  by  the differential cross sections for these events based on the atomic composition  of  the  materials  and  tissue  types  in  the  geometry.    A  flow  chart  of  the  main  steps in the Monte Carlo program is given in figure 3.6. A central part of the  Monte Carlo method is the utilisation of a random number generator. In this  work  we  have  used  the  random  number  generators  embedded  in  UNIX  or  LINUX operating systems. 

  3

(29)

) , ( ) cos 1 ( 2 2 2 2 Z x F r d dσcoh = e + θ Ω         (3.2)   

where re is the classical electron radius, x is defined by  sin(θ/2)

hc E x=  where h  is Planck’s constant and c the speed of light. F is the atomic form factor, θ  the  scattering angle and Z the atomic number.   

For  incoherent  scattering  the  differential  cross‐section  is  given  by  the  Klein‐ Nishina relation times the incoherent scattering function S(x,Z):    ) , ( sin 2 2 2 2 Z x S E E E E E E r d d incoh e ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ′ + ′ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ′ = Ω θ σ       (3.3)   

Here,  E  is  the  incident  photon  energy  and  E´  is  the  scattered  photon  energy  given by the Compton relation    ) cos 1 ( 1+κ − θ = ′ E E 2 /m c E e = κ       (3.4)    where  , me is the electron rest mass.    For the photoelectric effect, it is assumed that the photon is locally absorbed in  interactions  with  atoms  of  low  atomic  number  (such  as  carbon  and  oxygen).  Elements  with  high  atomic  numbers  such  as  those  in  the  grid  (lead)  and  detector  materials  (e.g.  barium,  gadolinium,  cesium,  iodine)  may  emit  (high‐ energy) characteristic x‐rays if vacancies are created in the K‐ or L‐shells.    

To  describe  these  photon  interactions  we  have  used  tabulated  cross‐sections  from  the  XCOM  library  by  Berger  and  Hubbell  (1987).  Cross‐sections  for  compounds  were  computed  based  on  the  relative  weight  of  individual  elements.   The atomic form factors, F(x,Z), were given by Hubbell and Överbö  (1979) and the incoherent scattering functions, S(x,Z), were given by Hubbell et 

al (1975).  

 

In the voxel phantom model of the patient, each organ is identified with one of  four  tissue  types,  with  different  densities:  average  soft  tissue  (1.03  g  cm−3), 

healthy lung (0.26 g cm−3), cortical bone (1.49 g cm−3) and bone spongiosa (1.18 

g cm−3). The tissue densities and compositions were taken from ICRU 46 (1992) 

(30)

3.2.2.2  Primary photons  Primary transmission was calculated by first sampling the initial energy from  the pre‐calculated energy spectrum, and use Siddon’s algorithm (Siddon 1985)  to calculate the radiological path‐length from the focus to the detector    n N n n d L

= = 1 μ       (3.5)   

The  radiological  path‐length  can  be  used  to  calculate  the  contribution  to  the  energy imparted per unit area from primary photons as    dE E f e E r E s E L p A ( , ) ) ( 2 , ξ ξ ε Ω −

= E sΩ, ( , )         (3.6)   

where   is the source intensity,f E ξ  is the detector absorption efficiency  function  depending  on  the  photon  energy  E  and  cosine  of  incidence  angle, 

θ cos = ) , ( , at the detector surface; r is the focus detector distance.   ξ   Equation 3.6 is calculated by two separate methods. In the original version of  the  VOXMAN  program,  this  calculation  was  embedded  inside  the  Monte  Carlo  code.  It  is  then  calculated  by  first sampling the photon energy E, from  the x‐ray spectrum, subsequently the optical path L from the source to a point  in the detector is calculated. Finally the photon is transported in a semi‐infinite  layer  corresponding  to  the  detector  thickness  in  order  to  calculate  f E ξ

) , (

.  However,  this  did  not  allow  for  the  calculation  of  high‐resolution  images,  since we were forced to run the Monte Carlo simulation for all these points. In  papers  I,  III  and  IV,  the  energy  imparted  to  the  image  detector  per  unit  area  from  primary  photons  was  therefore  calculated  to  a  very  limited  number  of  points  (1‐15)  in  the  detector  plane  corresponding  to  those  points  where  the  projection of the contrasting detail or lesion was located.  In paper II, V and VI  the  Monte  Carlo  simulations  where  performed  for  40  x  40  points  in  the  detector.  This  is  rather  time‐consuming  and  is  only  feasible  to  perform  with  high precision with a fast, modern computer. 

 

In papers V and VI, a different method was implemented for the calculation of  primary  projections.  The  detector  absorption  efficiency  function  f Eξ   was  calculated separately with MCNP4C (Malusek 2008) and the projections were  calculated analytically averaged over the energy spectrum. This allowed for a  separate calculation of primary projections with high resolution. 

(31)

3.2.2.3  Scattered photons and variance reduction techniques 

The  simulation  of  scattered  photons  is  time  consuming.  Therefore,  different  variance reduction techniques, described briefly below, were used to increase  the efficiency. Monte Carlo methods that do not employ any variance reducing  techniques  are  often  referred  to  as  analogue  Monte  Carlo  methods.  An  algorithm for sampling the free path of the scattered photon, referred to as the  Coleman’s algorithm is also briefly described below. 

 

A  Coleman’s algorithm  

The free path of the scattered photon is sampled using an algorithm described  by  Coleman  (1968).  The  sampling  of  the  free  path  consists  of  several  steps.   First, the distance to the first interaction point is sampled for a homogeneous  medium  with  the  linear  attenuation  coefficient, μmax,  corresponding  to  the 

material  with  highest  attenuation  (e.g.  bone).  The  sampling  is  performed  by  testing whether a sampled random number from a uniform distribution in the  interval  [0,1]  is  less  than  the  quotient  μ/μmax,  where μ  is  the  attenuation 

coefficient of the material at the interaction point. If yes then the new point is  accepted and the algorithm ends. If no then the sampling of the distance to the  first  interaction  in  the  homogenous  medium  is  repeated  until  the  sampled  random number is less than μ/μmax. 

 

B  Collision density estimator 

Analogue Monte Carlo methods are inefficient in estimating scattered photons  in the image plane due to the low probability that a scattered photon will pass  a  given  small  target  area  in  the  image  detector.  Therefore  in  the  VOXMAN  code,  the  collision  density  estimator  (Persliden  and  Alm  Carlsson  1986)  is  used. The contribution to the energy imparted per unit area at a given point of  interest  in  the  image  detector  is  obtained  from  each  interaction  point  in  the  phantom. The contribution εs∗ is derived through  s n N n n n s w T , 1 ) (α λ ε

= ∗=         (3.7)   

where  λn,s  is  the  contribution  from  the  n:th  interaction  and  T(α)  is  the 

probability for the photon of state αn to be scattered to the point of interest; wn 

is  the  photon  weight.  In  the  collision  density  estimator,  incoherent  and  coherent  scattering  are  treated  separately.  The  radiological  path‐length  from  the interaction point to the point of interest in the detector is calculated with  Siddon’s algorithm as in the case of primary photons. 

(32)

C  Analytical averaging of survival and Russian roulette  The main purpose of the Monte Carlo model is to achieve an accurate estimate  of scattered photons generated in the patient and emerging towards the image  detector. If photons are absorbed in the patient they will not contribute to this  estimate. Therefore, a technique known as analytical averaging of survival is  used which does not allow photons to interact by the photoelectric effect. All  interactions in the phantom are therefore constrained to be either coherent or  incoherent scatterings. The new statistical weight, wn+1, for the photon after the  n:th interaction is calculated from the  cross‐sections for photoelectric, τ(E) and 

scattering  processes, σ(E)  to  correct  for  the  bias  which  this  method  would  otherwise introduce.   

( )

( ) ( )

E E E w wn n σ τ σ       (3.8)  + = +1   For high photon energies, E, the ratio wn+1/wn is less than, but close to 1 and the  statistical weight is only slightly reduced at each interaction. However, as the  photon  energy  is  reduced  the  relative  importance  of  photoelectric  cross‐ sections  increases,  and  the  number  of  interactions  before  a  scattered  photon  escapes  from  the  phantom  geometry  may  be  large.  Hence,  the  statistical  weight  of  the  photon  may  eventually  be  low  and  so  its  contribution  to  the  estimated  image  detector  signal.  Therefore,  an  unbiased  procedure  called  Russian roulette (Salvat et al 2003) is used. Once the weight is less than 0.05 a  random  number  is  selected  and  in  95%  of  the  cases  the  photon  history  is  terminated;  in  the  other  5%  of  the  cases  the  photon  history  continues  with  a  twenty times higher (100%/5%) statistical weight wn+1 compared to the original  weight. Photon histories are also terminated once the photon is scattered out  of the boundaries of the phantom.    3.2.3.  Scoring quantities  3.2.3.1  Energy imparted to the image detector 

Estimates  of  the  mean  energy  imparted  per  unit  surface  area  of  the  image  detector from scattered photons, 

ε

Asand primary photons 

p

A

ε

are computed.  The  total  energy  imparted  is  calculated  as  the  sum  of  primary  and  scatter  contributions  Ap As

t

A ε ε

ε = +

p

.  In  order  to  estimate  the  signal‐to‐noise  ratio  and  variance in the image detector signal, the first and second moments of energy  imparted  per  incident  primary  (

λ

and 

λ

2p)  and  scattered  (

λ

sand  )  photon  at  the  image  detector  was  calculated  (Dick  and  Motz  1981,  Sandborg  and Alm Carlsson 1992).  

2

s

λ

(33)

3.2.4.  Calculated quantities  3.2.4.1. Contrast 

A contrasting detail (e.g. corresponding to a lesion) is added to the model with  a  thickness  and  location  specified  by  the  user.  The  contrasting  detail  is  not  added directly into the voxel phantom but in an artificial way in a subroutine  inside the VOXMAN model. The contrast of this detail is calculated as  1 1 2 1 1 1 p s p p p C ε ε ε ε ε + ⋅ − = (3.9)  

where εp1  is  the  mean  energy  imparted  to  the  detector  per  unit  area  from 

primary  photons  with  the  nodule  present, εp2  the  mean  energy  imparted  per 

unit  area  from  primary  photons  with  the  nodule  absent  and εs  is  the  mean 

energy imparted per unit area from scattered photons.     3.2.4.2. Signal‐to‐noise ratios  The program calculates two types of signal‐to‐noise ratios. The signal‐to‐noise  ratio per pixel, SNRp is calculated as  2 2 s s p p p A p N N SNR λ λ ε ⋅ + ⋅ =                 (3.10)   

where  N  is  the  number  of  photons  incident  on  a  pixel.  The  indices  p  and  s  stands for contributions from primary and scattered photons, respectively. The  quantities λ and λ2 are mean and mean squared values of the energy imparted 

to a specified pixel per incident photon.    

Given  the  location  and  thickness  of  a  specified  lesion  (detail),  the  computer  program  calculates  the  signal‐to‐noise  ratio  for  this  detail  with  a  projection  area corresponding to one pixel. It is here called the SNRMC and is given by  2 2 1 1 2 2 1 1 s s p p p p p p MC N N N N SNR λ λ λ λ ⋅ + ⋅ ⋅ − ⋅ = (3.11)   where the index n=1 refers to a pixel in the image behind the nodule, and n=2  refers to the same pixel with the nodule absent.   

(34)

3.2.4.1  Air collision kerma 

The air collision kerma, Kc,air is given by 

 

( )

(

( )

)

⋅ ⋅ = E Φ E μ E dE Kc,air E en air air en/ ) ( , (3.12) 

where  μ ρ  is the mass energy absorption coefficient for air and  is  the differential photon fluence with respect to energy.  ) ( E E Φ t tH w E=

  3.2.4.2  Effective dose 

The  effective  dose  is  the  tissue‐weighted  sum  of  the  equivalent  doses  in  all  specified tissues or organs of the body calculated according to ICRP 60 (ICRP  1991). 

 

       (3.13) 

 

where wt is the tissue or organ weighting factor and Ht the equivalent dose for 

that  tissue  or  organ.  It  is  recognized  that  a  new  ICRP  publication  103  (ICRP  2007) has recently been adopted and uses slightly different values of the tissue  weighting factors in the calculation of effective dose. A detailed analysis of the  effect  on  the  figures  of  merit  due  to  this  change,  for  example  signal‐to‐noise  ratio  per  effective  dose,  SNR2/E,  has  not  been  performed  here.  The  absolute  values  of  SNR2/E  may  change,  but  the  main  conclusions  on  for  example  the  appropriate tube voltage for chest PA radiography is unlikely to be affected by  the change of weighting factors, particularly since the weighting factors for the  lungs are the same in ICRP 60 as in ICRP 103. 

 

3.3.  Calculation of images from the high‐resolution phantom 

The  scatter  projection,  SNRp  and  other  quantities  calculated  with  the  MC  method are rescaled (i.e. from 40 x 40 points) to fit the number of pixels in the  primary  image.  In  paper  V  this  number  is  1760  x  1760,  and  in  paper  VI  the  number  of  pixels  is  2688  x  2688.  The  rescaling  is  performed  using  a  bilinear  interpolation  function  in  MATLAB.  The  interpolated  scatter  projections  are  added to the primary image to give the estimate of the mean energy imparted  per  unit  area  of  the  detector  for  the  i:th  pixel,  s,

p , t ,i Ai Ai A ε ε ε = + .  Noise  is  subsequently added to the image. In paper V, white gaussian noise is added  with the standard deviation 

(35)

i p, p , SNR i A i ε σ = .

The  white  noise  is  generated  by  adding  sampled  random  numbers  for  each  pixel i from the appropriate distribution to the calculated image. In paper VI,  correlated noise is added with a method similar to the one used in Båth et al  (2005c).  In  order  to  add  correlated  noise,  knowledge  of  the  noise  power  spectrum (NPS) for the clinical system is needed. The NPS is then normalized  to correspond to unit variance. A random phase is added to the square root of  the normalized NPS with the constraint that the random phase image φ( vu, )  should  have  the  symmetry φ(u,v)= −φ(− −u, v).  By  taking  an  inverse  Fourier  transform of this spectrum a real and correlated noise image   is created. The  vector δ  is a multivariate random variable with mean corresponding to a null  vector and covariance matrix corresponding to the measured NPS. The noise  fluctuation  for  each  pixel  is  rescaled  with  the  relation 

εˆ δ εˆ i A i i A, σ ˆ , δε = ⋅δε .  It  is  assumed that the NPS was invariant under a logarithmic transformation. The  total energy imparted to the detector per unit area including noise fluctuations  becomes Ai t i A i A , , t , ε δε ε = + t ,i A ε c b a gi = ln( Ai)+ t , ε . The pixel value in the i:th pixel is calculated by taking  a logarithmic transformation of   using the relation           (3.14)    

where  the  parameters  a,  b  and  c  are  calculated  with  non‐linear  regression  to  make  the  best  fit  to  the  real  phantom  images.  The  method  to  add  primary,  scattered and noise images is illustrated in figure 3.5.  

 

+

=

+

 

Figure  3.5.  The  method  for  calculating  images  illustrated  in  a  cutout  in  the  retrocardial region (see further figure 4.1.). From the left: primary projection,  scatter projection, noise image and total image (to the right).  

(36)

3.4.  Uncertainties 

3.4.1.  Stochastic uncertainties 

The choice of the number of photon histories used in the simulation is a trade  off between computer time and statistical precision. If the statistical precision  of the simulation is doubled, the computer time is increased by a factor of 4.  For  instance,  the  computer  time  for  a  typical  simulation  (for  calculating  the  scatter  contribution  to  a  synthetic  image)  on  the  computer  Alpha  (AMD  Opteron processor 250, 2.4 GHz; 6.26 GB RAM) in 40 x 40 points of interest, at  the tube voltage 141 kV, with a precision of 1% (one standard deviation) takes  approximately  17  hours.  The  statistical  uncertainty  has  to  be  kept  low  when  we  are  calculating  images,  since  if  the  statistical  uncertainty  is  too  high,  the  scatter  projection  often  contains  artifacts  when  it  is  interpolated  to  a  higher  resolution. 

 

3.4.2.  Systematic uncertainties 

There  are  several  sources  of  uncertainty  that  affect the results. These include  uncertainties  in  the  cross  sections,  but  also  uncertainties  in  estimation  of  the  different parameters in the input files. In an internal report, Ullman et al (2003)  studied  the  effects  of  uncertainties  in  x‐ray  spectrum  half  value layer (HVL),  field size, grid lamella thickness and detector thickness. The conclusion from  this  study  is  that  the  systematic  uncertainty  due  to  these  factors  in  the  estimated  εs/εp  behind  the  grid  is  approximately  11%.  Later,  analysis  of  variance  (ANOVA)  and  regression  analysis  was  used  to  analyse  similar  uncertainties  and  the  systematic  uncertainty  in  εs/εp  behind  the  grid  was  estimated  to  be  approximately  9%.  However,  these  relatively  large  uncertainties only apply in those cases where we attempt to mimic a real x‐ray  imaging system and compare measured quantities from that system with our  calculated  quantities.  In  the  cases  where  we  only  use  simulations  to  study  relative  differences  between  alternative  acquisition  schemes  for  an  imaging  system, the stochastic uncertainty is more relevant. 

(37)

                                                                        Figure 3.6. Flow chart describing the most important steps in the Monte Carlo  program  Yes

Set-up geometry, voxel phantom, cross-sections, image detector and grid

Select photon energy Calculate contributions from primary photons analytically to point of interest

(Siddon’s algorithm) Start calculating contributions

from scattered photons Select direction of motion

of incident photon

Calculate free path with Coleman’s algorithm.

Calculate the contribution to collision density estimator from scattered photons.

Select type of interaction and assign weight Store energy imparted to the

phantom

Sample new direction of motion and continue photon history

Terminate by Russian

roulette?

Select new path length (Coleman’s algorithm) Yes Is the next interaction within the phantom? No Was this the

last history? Calculate scoring

(38)
(39)

4. ASSESSMENT OF IMAGE QUALITY

4.1.  Introduction 

Image  quality  assessment  means  quantifying  the  usefulness  of  an  image  to  solve a specific diagnostic task. It is preferred if this image quality assessment  is  objective.  There  are,  according  to  Barrett  (1990),  four  criteria  that  are  essential for objective assessment of image quality. 

 

A. The task 

Image  quality  can  only  be  described  in  relation  to  a  well‐defined  task.  This  often  means  detection  of  an  object  in  a  structured  or  homogeneous  background. A summary of different tasks to be solved in chest radiography is  given in ICRU 70 (ICRU 2003). Among those, the search for malignant nodules  at  different  positions  in  the  lung  is  a  common  case  treated  in  the  literature  (Samei et al 1999). In mammography it is common to search for calcifications  or masses (Burgess et al 2001). Several different types of tasks are discussed in  the literature (Barrett and Myers 2004).    B. Image and object properties   We need to understand the physical and statistical properties of the imaging  system as well as the object being imaged. For example, the radiologist has an  internal model of both the human anatomy as well as a large “data bank” of  common pathologies in order be able to distinguish a malignant nodule from  normal anatomy. The radiologist also needs to understand some of the physics  behind the imaging technology in order to recognize some of the artefacts that  may be present in the image.    C. Observer 

An  observer  that  can  perform  the  task  is  needed.  This  can  be  a  human  or  a  model observer. It is the human observer (radiologist) that is the final decision  maker.  Therefore,  measures  of  image  quality  should  always  take  the  human  observer into account. Yet, clinical trials involving human observers are costly  and time demanding. Model observers may then be used to give insights into  how  image  quality  depends  on  the  physical  and  technical  image  acquisition  parameters.  

   

(40)

D. Figure of merit 

The  figure  of  merit  (FOM)  is  a  number  that  tells  us  how  well  the  observer  performs the task. The FOM depends on the detection task; a commonly used  FOM  is  the  signal  to  noise  ratio  (SNR)  or  AUC,  the  area  under  the  receiver  operating characteristic curve (ROC). In some cases, image quality is described  by physical properties derived from the image rather than by the performance  of an observer on a specific task, for example, the modulation transfer function  (MTF)  or  the  noise  power  spectrum  (NPS).  We  will  refer  to  this  as  physical 

image quality. 

 

4.2.  Image quality assessment as developed in this work 

In  this  work,  different  tasks  and  figures  of  merit  have  been  used,  changing  along with an improved modeling of the imaging system including the patient  and improved model observers. In some cases, figures of merit based on pure  physical measures of image quality were used and correlated to measures of  the  performance  of  human  observers  in  clinical  trials.  A  summary  of  the  development is given below. 

 

4.2.1.  The task 

Two main types of tasks are used in this work. The first task is to search for a  known  signal  (e.g.  a  nodule)  in  a  known  background,  referred  to  as  the  SKE/BKE (signal known exactly/background known exactly) task. The second  task is to search for a known signal (e.g. a nodule) in a varying background,  referred to as the SKE/BV (signal known exactly/background varying) task.   

The  SKE/BKE  task  was  addressed  in  paper  I,  which  was  devoted  to  the  optimization  of  tube  voltage  and  filtration  in  iodine  subtraction  mammography.  The  task  was  to  detect  a  blood  vessel  filled  with  iodine  contrast of thickness 6 mg cm‐2 against a homogeneous background. 

 

In paper IV the task was to compare two images from an x‐ray chest phantom  and  see  in  which  image  the  structures  corresponding  to  the  image  criteria  were most clearly visible (the VGA study). In some sense, the background can  be  considered  as  known  in  this  study  since  the  same  anthropomorphic  phantom (the Alderson chest phantom) is used for all comparisons. Thus, the  observer may be able to remember the background. In addition, the phantom  used  in  this  study  does  not  contain  as  fine  and  complex  structural  details  as  are present in real phantoms (see further figure 5.4). 

References

Related documents

46 Konkreta exempel skulle kunna vara främjandeinsatser för affärsänglar/affärsängelnätverk, skapa arenor där aktörer från utbuds- och efterfrågesidan kan mötas eller

Exakt hur dessa verksamheter har uppstått studeras inte i detalj, men nyetableringar kan exempelvis vara ett resultat av avknoppningar från större företag inklusive

Uppgifter för detta centrum bör vara att (i) sprida kunskap om hur utvinning av metaller och mineral påverkar hållbarhetsmål, (ii) att engagera sig i internationella initiativ som

The increasing availability of data and attention to services has increased the understanding of the contribution of services to innovation and productivity in

Industrial Emissions Directive, supplemented by horizontal legislation (e.g., Framework Directives on Waste and Water, Emissions Trading System, etc) and guidance on operating

The EU exports of waste abroad have negative environmental and public health consequences in the countries of destination, while resources for the circular economy.. domestically

This includes conversion of FluoroQuality to MATLAB, assessment of its applicability on a modern digital unit by means of com- parisons of measured SNR 2 rate with the expected

In addition to the quality scores (QS) the participants were asked to provide a confidence score (CS) on a 5-point scale, as a measure of how difficult is was to judge the quality of