Mějme CT obraz s hloubkou 10 bitů, tj. 2^10 = 1024 stupňů šedi. V případě, že budeme mít obraz v původním DICOM formátu, všechny tyto stupně šedi můžeme současně zobrazit na displeji s vhodnými vlastnostmi a s použitím vhodného softwaru. Ale jakmile tento obraz převedeme do formátu BMP nebo JPEG, které podporují pouze 256 stupňů šedi (hloubka 8 bitů), ztrácíme tím onu „hloubku“ obrazu (stupně šedi). Je-li obraz převeden z hloubky 10 bitů na 8 bitů, cesta zpět na 10 bitů není možná. To je důvod, proč se v radiologii vždy preferuje původní formát dat (DICOM) nad všemi jinými.

Mějme tedy onen zmíněný CT obraz s 1024 stupni šedi. Na běžném kancelářském displeji určitě rozeznáme některé druhy tkání, např. kost, játra, mozek. I běžný displej dokáže převést 1024 stupňů šedi na těch 256, které dokáže zobrazit, viz obr. 1 vlevo. Ale nedokáže zobrazit všech 1024 stupňů šedi najednou, jako to dokáže diagnostický displej. Nicméně je možné použít windowing a levelling a mezi těmi 1024 stupni šedi postupně přecházet, viz obr. 1 uprostřed a vpravo.

Obr. 1: Zobrazení s rozsahem 256 stupňů šedi (vlevo) a s rozsahem pro plicní okno (uprostřed) a měkkotkáňové okno (vpravo) [1]

S tím, co jsme si řekli výše, je jasné, že velmi podstatné pro optimální kvalitu zobrazení všech stupňů šedi je to, jaké vlastnosti má displej. Nejdůležitějšími vlastnostmi je luminance a poměr kontrastu.

Jas (anglicky označováno „luminance“), zjednodušeně řečeno, kvantifikuje množství světla, které dokáže vyprodukovat displej. Přesněji, jas je fotometrická veličina, která kvantifikuje intenzitu svítivosti na jednotku plochy v daném směru. Popisuje množství světla, které projde, nebo je emitováno, nebo je difúzně odraženo z určité oblasti v určitém úhlu. Jednotkou jasu je cd/m^2 (kandela na metr čtvereční). Český název je jas, ale budu nadále používat termín luminance.

Na displeji nastavená maximální luminance L_max neboli maximální kalibrovaná luminance je většinou nižší než maximální luminance, kterou displej dovede zobrazit. Některé displeje dokážou zobrazit luminanci až 4000 cd/m^2, což je pro oko naprosto nesnesitelný jas (svítí až příliš), proto se nastavuje kalibrovaná luminance podstatně nižší. Druhý důvod pro nižší luminanci je ten, že při vyšší luminanci se displej dříve vysvítí, takže postupem času se stárnutím displeje luminance snižuje. Tedy nižší hodnota maximální kalibrované luminance vede k delší životnosti displeje. Naopak minimální nastavená luminance neboli minimální kalibrovaná luminance je o něco vyšší, než je minimální luminance, kterou dovede zobrazit displej.

Poměr maximální a minimální luminance, kterou dovede displej zobrazit, dává poměr kontrastu daného displeje. Maximální luminance displeje dosahuje až hodnot 4000 cd/m^2, minimální luminance i hodnot 0,05 cd/m^2 pro LCD displeje, a dokonce 0,00 cd/m^2 pro OLED displeje. Při těchto hodnotách luminance můžeme získat poměr kontrastu i v hodnotách několik tisíc, avšak to není žádoucí.

Obvykle platí, že poměr maximální kalibrované luminance L_max a minimální kalibrované luminance L_min displeje by měl odpovídat vizuálnímu systému člověka. Bude-li poměr 600, nebude rozpoznatelný kontrast v tmavé (černé) oblasti. Vysoký poměr maximální a minimální kalibrované luminance je žádoucí v umělecké digitální tvorbě, avšak nikoliv v radiologii. Na druhé straně, bude-li poměr maximální a minimální luminance nízký, např. 250 a méně, bude se obraz jevit jako nekontrastní, jako by byl vymytý. Dobrý kompromis pro radiodiagnostiku je hodnota mezi 300 a 400, ideálně 350. Budeme-li mít displej s maximální kalibrovanou luminancí 525 a s minimální kalibrovanou luminancí 1,5, bude poměr kontrastu 525/1,5 = 350, což je právě akorát. Avšak hodnoty mohou být klidně posunuty k vyšším nebo nižším hodnotám, např. v závislosti na okolním osvětlení.

Z výše uvedeného lze logicky usoudit, že dostatečná luminance a dostatečně vysoký poměr kontrastu displeje (ale ne zase příliš vysoký) umožňují kvalitnější zobrazení, což znamená kvalitnější interpretaci rtg obrazu z pohledu radiodiagnostiky. Avšak s tím souvisí i správné zobrazení různých stupňů šedi – od černé až po bílou. Pro kvantifikaci byla zavedena tzv. Grayscale Standard Display Function (GSDF). GSDF byla vyvinuta pro objektivní kvantitativní hodnocení zobrazení z hlediska luminance jednotlivých stupňů šedi za cílem zajistit konzistenci zobrazení na různých displejích. Důvodem je to, aby se určitá patologie zobrazila na všech displejích podobně, tj. aby se nestalo, že na některém displeji nebude patologie viditelná, protože se tam stupně šedi zobrazují odlišně. Diagnostické displeje (myšleno displeje určené pro primární diagnostiku) musí být kalibrovány tak, aby se luminance určitých stupňů šedi lišila od očekávané luminance (neboli od GSDF křivky) maximálně v rámci povolené tolerance. Liší-li se více, je potřeba displej překalibrovat.

Člověk by očekával, že GSDF bude lineární, tj. luminance pro daný signál bude lineárně rostoucí s rostoucí hodnotou signálu. Avšak není tomu tak, protože vizuální systém člověka (oko+mozek) nepracuje lineárně. Lidský vizuální systém je mnohem méně citlivý v oblasti černé než v oblasti bílé. To jde vidět na obr. 1 (plnou čarou), kde je znázorněna prahová hodnota kontrastu v závislosti na luminanci.

Obr. 1: Závislost prahové hodnoty kontrastu na luminanci [3]

Z obr. 1 je zřejmé, že pro nižší hodnoty luminance musí být kontrast (rozdíl signálu objektu a pozadí) vyšší, abychom ho okem rozpoznali. Podstatou GSDF křivky je tzv. percepční linearizace neboli přizpůsobení změny luminance našemu vizuálnímu systému.

Zjednodušeně se percepční linearizace dá vysvětlit následovně. Mějme stupně šedi v rozsahu 0-255 (odpovídá hloubce 8 bitů), čím nižší hodnota, tím černější (0 je úplně černá), čím vyšší hodnota, tím bílejší (255 je úplně bílá). Vezmeme-li hodnotu signálu 1, 2, 3 a 4 (stupně černé), kdy je mezi sousedními hodnotami absolutní rozdíl roven 1 (2-1=1, 3-2=1, 4-3=1), tak náš vizuální systém to nebude vnímat podobně jako absolutní rozdíl 1 na úrovni bílé, např. pro hodnoty 252, 253, 254 a 255 (253-252=1, 254-253=1 atd.). Jednoduše proto, protože náš vizuální systém není na odstíny černé tak citlivý. Kalibrace na GSDF křivku ale převádí luminanci na kalibrovaném displeji tak, aby náš vizuální systém vnímal rozdíly v luminanci lineárně. To, jak vnímáme rozdíl mezi sousedními stupni šedi, neboli zobrazený kontrast, samozřejmě závisí také právě na onom displeji.

Více o tom, jak byla stanovena GSDF křivka a jak se provádí kalibrace displeje, si řekneme v následujícím článku.

Použitá literatura
[1] Pianykh OS. Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM). Springer, 2012.
[2] Fetterly KA, Blume HR, Flynn MJ, et al. Introduction to grayscale calibration and related aspects of medical imaging grade liquid crystal displays. Journal of Digital Imaging, 2008; 21(2): 193-207.
[3] http://dicom.nema.org/medical/dicom/current/output/pdf/part14.pdf
[4] https://siim.org/page/displays_chapter3
[5] http://www.otpedia.com/entryDetails.cfm?id=226
[6] http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/535-fotometricke-veliciny
[7] https://en.wikipedia.org/wiki/Luminance
[8] https://www.aapm.org/pubs/reports/RPT_270.pdf
[9] Silosky MS, Marsh RM. Performance characteristics and quality assurance considerations for displays used in interventional radiology and cardiac catheterization facilities. J Appl Clin Med Phys 2018; 19(5): 708-717

V několika předešlých příspěvcích jsme se zabývali tím, jak lze provádět optimalizaci na CT. Dalším použitelným nástrojem je využití softwaru pro sledování dávek, např. Radiation Dose Management (dříve Radimetrics), DoseWatch, DOSE atd. Tento typ softwaru je standardně připojený k archivačnímu systému nemocnice PACS, kam odcházejí všechna data ze zobrazovacích modalit ve formátu DICOM, je tam tedy obsažena jak obrazová informace, tak také informace o expozičních parametrech, geometrii a taktéž nějaké dávkové hodnoty. To může být buď pro jednu konkrétní sadu CT dat (jednu vyšetřovanou fázi) nebo i pro kompletně celé CT vyšetření, tedy pro všechny provedené fáze. V tomto případě musí být archivován celý radiation dose structured report, který obsahuje informace o všech fázích, včetně lokalizačního skenu a monitorování průchodu kontrastní látky.

U CT je nejpotřebnějšími dávkovými hodnotami pro odhad dávek pacientů volumetrický kermový index výpočetní tomografie CTDI_vol a součin kermy a délky DLP (P_KL). Samotná hodnota CTDI_vol nenese informaci o velikosti pacienta, proto se za vhodnější považuje veličina SSDE (Size Specific Dose Estimate), kterou již mají některé softwary zavedenu.

Softwary pro sledování dávek umožňují analyzovat data napříč všemi připojenými CT skenery a taktéž napříč všemi vyšetřovacími protokoly napříč jedné nebo více nemocnic, nebo dokonce napříč několika státy (Dose Index Registry, American College of Radiology). Proto může software pro sledování a analýzu dávek obsahovat i statisíce vyšetření, pro která by manuální extrakce dat byla nesmírně časově náročná.

CT vyšetření je možné v rámci jedné nemocnice rozřadit např. podle již výše zmíněných vyšetřovacích protokolů, aby se zjistilo, který CT skener aplikuje na základě určité indikace jakou dávku. Vyšetřovací protokoly proto musí být tzv. indication-based a musí si odpovídat v rámci nemocnice, tj. CT protokol pro vyšetření přítomnosti ledvinových kamenů musí být vytvořen na daném CT skeneru a používán pouze tehdy, hledají-li se ledvinové kameny.

Pro porovnání CT skenerů mezi sebou se nejeví jako vhodné porovnání pouze na základě anatomické oblasti, kdy např. protokol pro vyšetření břicha může být v některých případech standardně používán jako 3-fázový, jinde jako 4-fázový, nebo může být používán pro vyšetření nízkokontrastních jaterních lézí (je vyžadována vysoká kvalita obrazu, aby bylo možné identifikovat nízkokontrastní léze) a jinde pro vyšetření ledvinových kamenů (postačuje nízká kvalita obrazu, protože kameny jsou samy o sobě kontrastní vzhledem k okolní tkáni).

Při porovnání hodnoty je potřeba také zjistit, zda se v datech vyskytují nějaké odlehlé hodnoty, které se často definují jako hodnoty, které se liší od nějaké průměrné hodnoty o více než pět standardních odchylek. V případě, že analyzujeme hodnoty CTDI_vol (při absenci hodnot SSDE), se může stát, že mezi odlehlé hodnoty budou patřit morbidně obézní pacienti, u kterých mohou být hodnoty CTDI_vol velmi vysoké. Další častou chybou může být nesprávná volba vyšetřovacího protokolu, typicky již zmíněná záměna vyšetřovacího protokolu pro vyšetření jater a ledvinových kamenů nebo např. použití protokolu na vyšetření hrudníku při vyšetření břicha, čímž bude hodnota CTDI_vol extrémně vysoká ve srovnání s hodnotami CTDI_vol pro vyšetření hrudníku. Další rozdíl může vzniknout v hodnotě DLP tehdy, je-li u některých pacientů vyšetřována pouze horní část břicha, zatímco u jiných břicho včetně pánve. Tento rozdíl pak samozřejmě nebude zjistitelný při analýze CTDI_vol, ale až při analýze hodnot DLP.

Další rozdíl v dávkách a odlehlost některých hodnot může být způsobena odlišnou velikostí referenčního fantomu, ke kterému je hodnota CTDI_vol vztažena (malý fantom o průměru 16 cm nebo velký o průměru 32 cm). Vyšetřovací protokol na jednom CT skeneru je vztažen k malému fantomu, na jiném skeneru k velkému fantomu. Typicky se to stává u pediatrických protokolů a u protokolů na vyšetření krku. Výsledkem takového porovnání pak může být to, že některý vyšetřovací protokol, případně CT skener, používá podstatně vyšší hodnoty CTDI_vol než jiný CT skener, ačkoliv to v reálu nemusí být pravda.

Dalším důvodem, proč se mohou vyskytovat odlehlé hodnoty i v rámci jednoho vyšetřovacího protokolu na jednom CT skeneru i po korekci na velikost pacienta, tj. při použití hodnot SSDE, je špatná centrace pacienta. Takže i toto je jeden z faktorů, který ovlivňuje výslednou dávku pacientovi, jak jsme si řekli už v předešlém příspěvku.

Software pro sledování dávek je velmi užitečným nástrojem pro optimalizaci, ale vyžaduje relativně hodně práce při přípravě vyšetřovacích protokolů, aby analýza dat skutečně byla užitečná, tj. abychom nesrovnávali dávkové hodnoty pro naprosto odlišné indikace.

V případě postupně probíhající optimalizace na základě kvality obrazu nám může takový software ukázat, jak probíhá postupné snížení dávek pro jednotlivé vyšetřovací protokoly, jak je uvedeno na obr. 1.

Obr. 1: Porovnání DLP hodnot v čase pro různé vyšetřovací protokoly

Použitá literatura
Parakh A, Kortesniemi M, Schindera T. CT radiation dose management: A comprehensive optimization proces for improving patient safety. Radiology 2016; 280(3): 663-673.

V tomto pokračování příspěvků o optimalizaci na CT se podíváme blíže na CT vyšetření u pediatrických pacientů. Jak je již známo, děti a mladiství jsou citlivější na ozáření a také mají delší očekávanou dobu života před sebou, tedy i delší dobu, po kterou se mohou projevit účinky ozáření. U pediatrické populace je navíc velkým úskalím i stavba těla z hlediska zastoupení tuku, svalů a kostí, a navíc je stavba těla různá v závislosti na věku dítěte. Takže dítě není jen malý dospělí, ale liší se i stavbou těla. Proto jsou v některých centrech vyšetřovací CT protokoly nastaveny v závislosti na věku a velikosti dítěte. Nicméně nastavení různých protokolů může být pro některá centra velmi obtížné, protože neexistuje žádná standardizace. Jak ukázala studie [1], do které se zapojilo 40 zemí, tak více než polovina pracovišť spoléhá na protokoly přednastavené výrobcem. Standardně se jedná o protokoly nastavené v závislosti na věku, avšak nezohledňují konkrétní velikost dítěte.

Již se začaly objevovat studie, které provádějí optimalizaci vyšetřovacích CT protokolů nejen v závislosti na věku, ale i na velikosti dítěte, v některých případech dokonce i na stavu dítěte. Díky tomuto přístupu je pak možné získat CT obrazy dostatečné kvality za nízkých dávek záření. Optimalizace pediatrických vyšetřovacích CT protokolů by měla probíhat ve spolupráci radiologů, radiologických asistentů a taktéž radiologických fyziků. [2]

Prvním pravidlem umožňujícím na CT snížení dávek u dětí je použití nižší hodnoty napětí. Tím dojde k významnému zlepšení kontrastu, sice za cenu vyššího šumu, avšak kvalita obrazu vyjádřená poměrem kontrastu a šumu odpovídá požadované hodnotě. V případě, že je v CT obraze příliš mnoho šumu, doporučuje se zvednout hodnotu anodového proudu, resp. požadovanou kvalitu obrazu odpovídajícím parametrem (ref. mAs, index šumu atd.). U nativních CT vyšetření, např. u CT vyšetření plic nebo kostí, je možné použít napětí i 60 kV, avšak u vyšetření s použitím kontrastní látky nemusí být tak nízké napětí vhodné, protože dochází k velkému tvrdnutí rtg svazku a v obraze mohou vznikat četné artefakty. Nižší hodnota napětí by měla být volena primárně použitím nástroje pro automatickou volbu napětí a současně by měla využívat automatickou modulaci proudu (ATCM) [2]. Studie [3] ukázala, že automatická volba napětí umožnila snížení dávek u CT vyšetření hrudníku a břicha pediatrické populace o 27 %, přičemž ke snížení vedlo použití nižší hodnoty napětí u 94 % vyšetřovaných dětí. Použití nižšího napětí však nemusí být vhodné u CT vyšetření mozku, protože lebka může vytvářet artefakty.

Dalším pravidlem u CT vyšetření dětí by mělo být použití iterativní rekonstrukce, která vede ke snížení dávky, protože pro stejnou kvalitu CT obrazu jako s použitím filtrované zpětné projekce je s použitím iterativní rekonstrukce požadovaná nižší dávka, v některých případech je pokles dávky i 50 %.

V některých případech by mohly k optimalizaci vyšetřovacích CT protokolů v pediatrii pomoct diagnostické referenční úrovně (DRÚ), i když nejsou obecně vhodným nástrojem zaručujícím optimalizaci, avšak většinou jsou DRÚ stanoveny ve veličině CTDI_vol a DLP pro určitá věková rozmezí bez ohledu na velikost pacienta a klinickou indikaci. Pak konkrétně hodnota CTDI_vol nedává příliš smysl.

U pediatrických CT protokolů by měl být pro tělo standardně používán malý bow-tie filtr a současně je vhodné, stejně jako u dospělých pacientů, správně centrovat děti v gantry CT skeneru.

U lokalizačního skenu je vhodné použít geometrii s rentgenkou pod stolem, čímž dojde ke snížení dávky na oční čočku a prsní tkáň. Současně délka lokalizačního skenu by měla být nejkratší možná, ale současně dostatečně dlouhá, aby byla zachycena celá anatomická oblast, která se bude vyšetřovat. A taktéž délka vyšetřované oblasti by měla být co nejkratší, ale současně dostatečně dlouhá, aby CT vyšetření poskytlo potřebnou informaci.

Doba trvání skenu by měla být co nejkratší, abychom zabránily pohybovým artefaktům, avšak u CT vyšetření s použitím kontrastní látky je potřeba dbát na to, aby sken nepředběhl kontrastní látku, tedy aby sken neproběhl před tím, než se nasytí potřebné cévy a orgány kontrastní látkou.

V neposlední řadě je potřeba klást důraz na počet provedených fází, čím méně, tím je dávka samozřejmě nižší.

V dřívějších dobách nepříznivě ovlivňoval dávku pacientů i overranging, avšak použitím adaptivní kolimace, případně pre-kolimace, je efekt minimalizován.

Použitá literatura
[1] Vassileva J, Rehani MM, Applegate K, et al. IAEA survey of paediatric computed tomography practice in 40 countries in Asia, Europe, Latin America and Africa: procedures and protocols. Eur Radiol 2013; 23(3): 623-631.
[2] Al Mahrooqi KMS, Ng CKC, Sun Z. Pediatric computed tomography dose optimization strategies: A literature review. Journal of Medical Imaging and Radiation Sciences 2015: 46: 241-249.
[3] Siegel MJ, Hildebolt C, Bradley D. Effects of automated kilovoltage selection technology on contrast-enhanced pediatric CT and CT angiography. Radiology 2013; 289(2): 538-547.

Mezi další součásti zobrazovacího řetězce na CT, které by měly být optimalizovány, patří bezesporu rekonstrukce výsledného obrazu. Konvenční filtry na redukci šumu sice redukují šum, ale současně redukují prostorové rozlišení a kontrast obrazu. Se zavedením iterativní rekonstrukce je možné redukovat šum a současně zachovat kontrast obrazu i prostorové rozlišení. To v praxi umožňuje zlepšit kvalitu obrazu, aniž by došlo ke zvýšení dávky, nebo zachovat kvalitu obrazu při nižší dávce.

Iterativní rekonstrukce se dělí na statistické iterativní rekonstrukce a „úplné“ iterativní rekonstrukce. Mezi statistické iterativní rekonstrukce patří např. ASIR (GE), SAFIRE (Siemens) a iDose (Philips), mezi „úplné“ iterativní rekonstrukce patří např. MBIR (GE) a FIRST (Canon). U této rekonstrukce je ve srovnání se statistickými iterativními rekonstrukcemi navíc modelována optika CT systému. Více si o iterativních rekonstrukcích řekneme v jiném článku.

Výsledná kvalita CT obrazu samozřejmě závisí na konkrétní použité iterativní rekonstrukci a také na „síle“ nebo intenzitě iterativní rekonstrukce. Většinou se síla volí v krocích, např. síla 1 až 5 u SAFIRE nebo 1 až 7 u iDose, nebo v procentech u ASIR. Ukázka iterativní rekonstrukce ASIR s různou sílou je uvedena na obr. 1, pro porovnání je zde uveden také obraz rekonstruovaný filtrovanou zpětnou projekcí (samozřejmostí je stejná dávka pro všechny čtyři obrazy, protože všechny rekonstrukce jsou provedeny na stejných hrubých (raw) datech).

Obr. 1: CT obrazy rekonstruované filtrovanou zpětnou projekcí (nahoře vlevo) a ASIR rekonstrukcí se sílou 30 % (nahoře vpravo), 70 % (dole vlevo) a 100 % (dole vpravo) [1]

Použití iterativní rekonstrukce umožňuje snížení dávek o 30-40 % ve srovnání s filtrovanou zpětnou projekcí. Pro porovnání kvality je na obr. 2 vlevo CT obraz s použitím filtrované zpětné projekce, vpravo je obraz s použitím iterativní rekonstrukce ASIR, ale obrazy se od sebe významně liší dávkou, zde vyjádřenou pomocí CTDI_vol.

Obr. 2: Ukázka CT obrazu s použitím filtrované zpětné projekce (vlevo, CTDI_vol 21,3 mGy) a s použitím iterativní rekonstrukce ASIR (vpravo, CTDI_vol 12,3 mGy) [1]

Z obr. 2 je tedy zřejmé, že iterativní rekonstrukce skutečně umožňuje získat obraz srovnatelné kvality s podstatně nižšími dávkami. Další ukázka různých typů rekonstrukcí je uvedena na obr. 3. Zde je porovnání filtrované zpětné projekce, statistické iterativní rekonstrukce a „plné“ iterativní rekonstrukce. Vhodné je zaměřit se na viditelnost lézí ve slezině znázorněnýcn na obr. 3 dole vpravo bílými šipkami.

Obr. 3: CT obraz rekonstruovaný filtrovanou zpětnou projekcí (nahoře vlevo), ASIR rekonstrukcí se sílou 50 % (nahoře vpravo), ASIR rekonstrukcí se sílou 100 % (dole vlevo) a MBIR rekonstrukcí (dole vpravo) [1]

Jednoznačně se dá z obr. 3 říct, že vzhled CT obrazů rekonstruovaných iterativní rekonstrukcí je jiný, což byla zpočátku používání iterativní rekonstrukce i slova většiny radiologů. Iterativní rekonstrukce mění spektrum šumu obrazů, proto je máme i „jiný“ dojem z obrazu.

Nakonec ještě jedno porovnání na obr. 4 a to obrazy od stejného pacienta, ale získané s různými dávkami a rekonstruované různými rekonstrukcemi. Popis obrazů je v popisu obr. 4. Zde je dobré se soustředit na viditelnost ledvinového kamene, kdy s vyšší dávkou (obrazy nahoře) je při použití ASIR i MBIR rekonstrukce kámen dobře viditelný, zatímco při nižší dávce (obrazy dole) už není s ASIR rekonstrukcí (dole vlevo) kámen jednoznačně viditelný. Zde je tedy vidět, že i samotná dávka ovlivňuje diagnostickou výtěžnost.

Obr. 4: CT obrazy pořízené s CTDI_vol = 3,57 mGy a zrekonstruované ASIR rekonstrukcí (nahoře vlevo) a MBIR rekonstrukcí (nahoře vpravo) a obrazy pořízené s dávkou CTDI_vol = 0,9 mGy zrekonstruované ASIR rekonstrukcí (dole vlevo) a MBIR rekonstrukcí (dole vpravo) [1]

V dnešní době již mají všechny nové CT skenery možnosti iterativní rekonstrukce, ale samozřejmě platí, že čím novější CT skener, tím kvalitnější jsou i výsledné obrazy. U nejmodernějších CT skenerů je iterativní rekonstrukce již pevnou součástí zobrazovacího řetězce, navíc se k tomu v dnešní době přidává i rekonstrukce s použitím umělé inteligence.

Při optimalizaci je potřeba zvolit po dohodě s radiology takovou iterativní rekonstrukci a její sílu, aby byly CT obrazy pro radiology stále dostatečně „důvěryhodné“, takže to není část, která by se dala optimalizovat jednoduše např. při měření na fantomech, ale vyžaduje více času a hlavně spolupráci radiologů.

Použitá literatura
[1] Kaza RK, Platt JF, Goodsitt MM, et al. Emerging techniques for dose optimization in abdominal CT. RadioGraphics 2014; 34: 4-17.

V tomto článku budeme pokračovat v tom, jak souvisí kvalita CT obrazu i s habitem pacienta.

I když máme přednastavenou kvalitu obrazu pomocí indexu šumu, případně referenční kvality obrazu (více v článku „Optimalizace na CT (3)„), tedy získáváme obrazy stejné kvality, není tato kvalita obrazu vnímána u všech pacientů stejně. Příklad je uvedený na obr. 1.

Obr. 1: Axiální CT řezy o stejné tloušťce a stejném indexu šumu 30 pro menšího (vlevo) a většího (vpravo) pacienta [1]

Dva axiální CT řezy na obr. 1 mají stejnou tloušťku řezu, stejný index šumu 30 (tomu odpovídá směrodatná odchylka 16,5 HU v obou obrazech), ale obraz vpravo je vnímán jako kvalitnější. Je to díky přítomnosti intraabdominálnímu tuku. Tuk přítomný u objemnějších pacientů okolo vnitřních orgánů zvyšuje inherentní kontrast, a tím je pro nás i horší kvalita akceptovatelná, na rozdíl od menších pacientů. Z toho vyplývá, že subjektivní kvalita obrazu roste s rostoucím rozměrem pacienta. Avšak platí to pouze do určité míry, jakmile je pacient příliš obézní, kvalita obrazu je opět špatná. Proto i když máme nastavenou určitou kvalitu obrazu, např. pomocí indexu šumu pro pacienty všech velikostí, a akvizice dat probíhá samozřejmě s použitím ATCM, nemusí být všechny získané obrazy ideální kvality. Jako řešení se doporučuje zvýšit kvalitu obrazu (zvýšením ref. mAs nebo snížením indexu šumu) u malých pacientů, tedy mít např. připravené dva až tři vyšetřovací protokoly – pro malé, střední a velké nebo obézní pacienty. Dalším řešením je omezit minimální množství mA, aby hodnota ani u malých pacientů neklesla pod určitou hodnotu. A u velkých nebo obézních pacientů se doporučuje kvalitu obrazu o něco snížit změnou ref. mAs nebo indexu šumu.

Dále je potřeba optimalizovat vyšetřovací protokoly i podle indikace. Existují indikace, u kterých je potřeba vysoká kvalita obrazu, typicky se jedá o hodnocení měkkých tkání, např. při vyšetření jater při podezření na hepatocelulární karcinom, kdy se jedná o hledání nízkokontrastních lézí. Proto je potřeba mít nízký šum, což vyžaduje vyšší dávku záření. Na druhou stranu jsou i indikace, u kterých je postačující horší kvalita obrazu, např. hledání ledvinových kamenů, které jsou obecně vysokokontrastní, lze je tedy najít i v obraze s vyšším šumem. Vyšší šum je akceptovatelný také u CT angiografie, při které se zobrazuje cévní řečiště s použitím kontrastní látky. Opět se tedy jedná o vysokokontrastní zobrazení, nižší kvalita obrazu je akceptovatelná.

V neposlední řadě je u CT optimalizace potřeba zmínit správnou centraci pacienta. O tomto tématu jsem již psala, např. v příspěvku „Vliv centrace pacienta na dávku při CT zobrazení„. Samozřejmě nejde pouze o vliv na dávku, ale i o vliv na kvalitu obrazu.

Kvalitu obrazu lze ovlivnit také volbou napětí. Pro zobrazení měkkých tkání se ideálně volí napětí 120 kV, ale při vysokokontrastních zobrazeních, např. právě CT angiografii, se doporučuje použít klidně nižší hodnotu napětí, např. 80 nebo 100 kV, čímž významně vzroste kontrast obrazu. Je to díky tomu, že při nižší hodnotě napětí se rtg spektrum posune ke K-hraně jódu, a tím vzroste kontrast obrazu. S nižší hodnotou napětí je spojen vyšší šum, avšak ten se stává s lepším kontrastem akceptovatelnější. Ukázka CT obrazů pořízených s nižším a vyšším napětím je na obr. 2. Všimněte si, jak se liší viditelnost stěny střeva (vyznačeno šipkami), při nižším napětí je stěna střeva lépe diferencovatelná.

Obr. 2: Axiální CT řezy pořízené při 80 kV (vlevo) a při 120 kV (vpravo) u pacienta s Crohnovou nemocí  [1]

Nižší hodnotu napětí je vhodné volit u středních a malých pacientů, nikoliv u větších a obéznějších pacientů. U nich vede použití nižšího napětí k horší kvalitě obrazu, rtg svazek neprojde pacientem v dostatečné míře (penetrace rtg svazku je malá), obraz pak má hodně šumu a nemusí být u všech pacientů použitelný pro diagnostické účely. Nápomocná v těchto případech může být iterativní rekonstrukce. Pro těžce obézní pacienty se dokonce doporučuje zvýšit napětí ze 120 kV na 140 kV, případně až 150 kV.

Použitá literatura
[1] Kaza RK, Platt JF, Goodsitt MM, et al. Emerging techniques for dose optimization in abdominal CT. RadioGraphics 2014; 34: 4-17.

Jak bylo uvedeno již v předešlých příspěvcích (Optimalizace na CT (1) a Optimalizace na CT (2)), optimalizace na CT zahrnuje několik faktorů a není to pouze o překročení či nepřekročení diagnostických referenčních úrovních. V dnešním příspěvku si řekneme více o referenční kvalitě obrazu. O té už bylo ve zkratce také něco řečeno v příspěvku Kvalita obrazu na CT.

Moderní CT skenery využívají při skenování automatickou modulaci proudu (Automatic Tube Current Modulation, ATCM) a některé také automatickou volbu napětí. ATCM moduluje dávkový příkon v dlouhé ose pacienta (podélná ATCM) a v axiální rovině pacienta (úhlová ATCM). Avšak základem pro získání dostatečné kvality obrazu na CT je přednastavení požadované kvality obrazu, např. pomocí ref. mAs nebo parametru index šumu. Toto přednastavení probíhá u CT různých výrobců odlišně.

Nejprve si zaveďme onu požadovanou kvalitu obrazu na CT, říkejme tomu „referenční kvalita obrazu“. Referenční kvalita obrazu definuje požadovanou kvalitu obrazu u referenčního pacienta, kterým je dospělý člověk o hmotnosti 80 kg, v pediatrii dítě o hmotnosti 20 kg. CT skener se pak snaží u každého pacienta, i když je odlišný od referenčního pacienta, volit takové expoziční parametry (především hodnotu proudu rentgenky (mA)), aby výsledná kvalita obrazu pro každého pacienta byla stejná nebo co nejvíce podobná oné požadované referenční kvalitě obrazu (definované pro referenčního pacienta). A to bez ohledu na to, jestli jde o pacienta o hmotnosti 50 kg nebo 150 kg. Volba expozičních parametrů probíhá na základě velikosti pacienta a profilu zeslabení, tedy na základě jeho velikosti, tvaru a denzity, které jsou získány primárně z lokalizačního skenu.

Referenční kvalita obrazu by samozřejmě mohla být definována nějakým jiným způsobem, avšak kvantifikace kvality obrazu na skutečných pacientech je odlišná od definice pro různé testovací fantomy. Na těch by samozřejmě bylo možné pomocí různých objektů říct, jaké nízkokontrastní a vysokokontrastní rozlišení je požadováno, avšak u pacientů to možné není.

U CT skenerů značky Siemens se používá pro kvantifikaci kvality obrazu hodnota referenční mAs, zkrácene Ref. mAs. Referenční kvalita obrazu je definována na základě poměru kontrastu a šumu v referenčním pacientovi. Pro referenčního pacienta si CT skener stanoví, jaké parametry skenování musí zvolit pro získání obrazů různých kvalit, např. kvality 30 mAs, 60 mAs, 120 mAs. Tyto hodnoty však neodpovídají reálně použitým hodnotám mAs! Jedná se pouze o definici kvality obrazu. Je-li pak pro konkrétní vyšetřovací protokol požadována kvalita obrazu ref. 60 mAs, pak ať je vyšetřován jakýkoliv pacient, CT skener se vždy snaží v tomto protokolu získat takový obraz, aby odpovídal kvalitě 60 mAs. Čím vyšší je požadovaná referenční kvalita obrazu, tím vyšší je dávka pacientovi. Ale i tak je anodový proud stále modulován pomocí ATCM.

Uveďme si příklad: Mějme požadovanou kvalitu obrazu 60 mAs (definovanou pro referenčního pacienta o hmotnosti 80 kg, jak bylo uvedeno výše). Pro malého pacienta, např. o hmotnosti 50 kg, to znamená, že při samotném CT skenování bude použita průměrná hodnota nižší, např. 35 mAs, pro velkého pacienta, např. o hmotnosti 150 kg, bude při skenování použita průměrná hodnota např. 380 mAs. Ale v obou těchto případech bude kvalita získaného obrazu 60 mAs neboli na ovládací konzoli je nastaveno ref. 60 mAs. Takže zde vidíme, že ref. mAs neodpovídá reálně použité hodnotě mAs, ale skutečně tím definujeme onu požadovanou kvalitu obrazu.

Referenční kvalita obrazu definovaná pomocí ref. mAs je jedním ze způsobů definice kvality obrazu. Druhým způsobem je použití indexu šumu, kterou využívá např. výrobce Philips (konkrétně Noise Index) a Canon (Standard Deviation). Index šumu definuje, jak velký šum v obraze je akceptovatelný. CT skenery s definicí kvality obrazu pomocí indexu šumu se pak snaží modulovat anodový proud na základě lokalizačního skenu tak, aby výsledný obraz měl takovou míru šumu, jakou jsme definovaly pomocí indexu šumu. Čím vyšší je index šumu, tím více šumu je přítomno v obraze, a tím menší dávka je použita. Ukázka dvou CT obrazů s různým indexem šumu je na obr. 1 (soustřeďte se na kontrast a šum v obrazech).

Obr. 1: CT obraz s indexem šumu 35 vlevo (CTDIvol 1,88 mGy) a s indexem šumu 22 vpravo (CTDIvol 4,67 mGy) [1]

Pro výpočet dávky a šumu může být použit následující vzorec, kde Dose_1 a Dose_2 jsou dávky potřebné pro obraz definovaný indexem šumu NI_1 a NI_2:

Z výše uvedeného vztahu vyplývá, že zdvojnásobením indexu šumu, tj. akceptací dvakrát vyšší hodnoty šumu, se sníží dávka pacientovi čtyřikrát. To platí za předpokladu, že nebude skenování omezeno maximální možnou hodnotou anodového proudu (mA).

Kvalita obrazu definovaná indexem šumu souvisí i s rekonstruovanou tloušťkou řezu. Je-li index šumu definovaný pro tloušťku řezu 5 mm, pak pro stejnou hodnotu šumu v řezu o tloušťce 2 mm bude dávka vyšší, pro stejnou hodnotu šumu v řezu o tloušťce 10 mm bude dávka nižší. Takže i samotná přednastavená tloušťka řezu ovlivňuje výslednou dávku pacientovi (tloušťka řezu nastavená prospektivně). Vztah mezi indexem šumu a rekonstruovanou tloušťkou řezu je následující:

kde t_1 a t_2 jsou dvě různé tloušťky rekonstruovaného řezu a NI_1 a NI_2 jsou obrazy s dvěma různými hodnotami šumu. Tedy pro již získaná data (retrospektivně provedené rekonstrukce) znamená větší rekonstruovaná tloušťka řezu menší index šumu. Ukázka dvou CT obrazů s různými rekonstruovanými tloušťkami řezu je na obr. 2.

Obr. 2: CT obrazy s indexem šumu 30 s rekonstruovanou tloušťkou 0,625 mm vlevo a s rekonstruovanou tloušťkou řezu 5 mm vpravo [1]

Použitá literatura
[1] Kaza RK, Platt JF, Goodsitt MM, et al. Emerging techniques for dose optimization in abdominal CT. RadioGraphics 2014; 34: 4-17.

Optimalizace na CT zahrnuje mnoho faktorů a parametrů, které ovlivňují výslednou kvalitu, a tedy získanou diagnostickou informaci, i dávku pacientovi. Když začneme od začátku, tak je to lokalizační sken, jinak nazývaný topogram, scout, surview nebo scanogram. Věnujme se v tomto článku lokalizačnímu skenu.

Lokalizační sken může být pořízen jeden (v předozadní (AP) nebo zadopřední (PA) projekci nebo boční (LAT) projekci) nebo dva (AP nebo PA a LAT). V případě, že jsou pořízeny dva na sebe kolmé lokalizační skeny, je pak jednodušší pacienta správně vycentrovat, ale současně je pak vyšetření o něco delší a dávkově o něco více zatěžující. Lokalizační sken by měl správně zahrnovat celou oblast, která může být potenciálně skenována. Nejlépe by měl sahat o několik cm nad i pod skenovanou oblast. Avšak současně by měl být co nejkratší, abychom zbytečně nezatěžovali pacienta zářením. Nemělo by se stávat, že lokalizační sken bude kratší nebo umístěný mimo skenovanou oblast, tj. že pak plánování samotného CT skenu je provedeno naslepo, resp. automatická modulace proudu (ATCM) pak nemusí fungovat správně a taktéž nemusí být na provedeném CT skenu celá požadovaná oblast, např. může dojít k uříznutí plicních hrotů. Ukázka situace, kdy je pořízený lokalizační sken přiměřeně dlouhý i příliš krátký, je uvedena na obr. 1.

Obr. 1: Ukázka správného (vlevo) a špatného (vpravo) rozsahu lokalizačního skenu

U lokalizačního skenu je možné volit z několika projekcí, jak jsme si řekli výše. Je-li lokalizační sken u CT vyšetření v oblasti hrudníku proveden v PA projekci místo AP projekce, je tím šetřena dávka na prsní tkáň (až o 70 % [2]). Je-li lokalizační sken u CT vyšetření mozku proveden v PA projekci, je tím šetřena dávka na oční čočku. Avšak ne všechny CT skenery umožňují libovolné nastavení parametrů lokalizačního skenu.

Pro šetření dávky je možné provést lokalizační sken s použitím nižšího napětí (kV), případně s použitím nižší hodnoty proudu (mA). I když je pak lokalizační sken horší kvality, často je naprosto postačující pro naplánovaní rozsahu CT vyšetření [1], [2], [3], viz obr. 2.

Obr. 2: Lokalizační sken na fantomu při expozičních parametrech 120 kV, 35 mA (vlevo nahoře) a při 80 kV a 20 mA (vpravo nahoře) a ukázka ROI z obou lokalizačních skenů (dole) pro posouzení kvality lokalizačního skenu [3]

Další způsob, jak optimalizovat kvalitu lokalizačního skenu a také následného CT skenu, je správná centrace. O tom jsem již psala a stále je to potřeba opakovat, pacienti musí být správně vycentrovaní, jejich přibližný střed by měl ležet v izocentru CT skeneru. To znamená ani moc daleko od rentgenky (klesá dávka, ale zhoršuje se kvalita obrazu), ani moc blízko (dávka významně narůstá).

Dávky z lokalizačního skenu v závislosti na lokalizaci se pohybují v rozmezí 0,04-0,42 mSv a představují přibližně 4-5 % z celkové dávky pro klasická CT vyšetření, jak uvádí studie [1], avšak někdy je to pouze 0,25 %, jak uvádí studie [2]. Jedná-li se o nízkodávkové CT vyšetření, pak může lokalizační sken představovat i více než 30 % z celkové dávky, avšak v průměru je to 20 % [1], [2]. Závislost efektivní dávky z lokalizačního skenu na použité hodnotě proudu (mA), na použité hodnotě napětí (kV, na obr. označeno jako kVp) a na pohlaví (am = muži, af = ženy) je pro různé projekce lokalizačního skenu znázorněna na obr. 3 pro hrudník.

Obr. 3: Závislost efektivní dávky z lokalizačního skenu hrudníku na orientaci a napětí [3]

Z hodnot na obr. 3 je zřejmé, že čím nižší napětí při lokalizačním skenu, tím menší efektivní dávka. Proto se doporučuje, pokud to umožňuje daný CT skener, používat při lokalizačním skenu nižší napětí než standardně přednastavených 120 kV a taktéž nižší proud. V případě na obr. 2 došlo při použití nižšího napětí a nižších hodnot proudu k poklesu dávky o 70 %.

Použitá literatura
[1] Schmidt B, Saltybaeva N, Kolditz D, Kalender WA. Assessment of patient dose from CT localizer radiographs. Med Phys 2013; 40(8): 084301.
[2] Hoye J, Sharma S, Zhang Y, et al. Organ doses from CT localizer radiographs: Development, validation, and application of a Monte Carlo estimation technique. Med Phys 2019; 46(11): 5262-5272.
[3] Bohrer E, Schäfer S, Mäder U, et al. Optimizing radiation exposure for CT localizer radiographs. Med Phys 2017; 27(2): 145-158.

V minulém článku jsme si řekli o tom, že samotné DRÚ, ať národní nebo místní, nejsou dostatečným nástrojem, jak zaručit optimalizaci různých vyšetření a to včetně CT vyšetření. Důvodů je několik a to zejména s ohledem na tom, jak jsou národní DRÚ stanoveny. Některé DRÚ jsou převzaty z jiných států (nemluvím nutně o našich českých národních DRÚ), jiné DRÚ jsou stanoveny pro určitou anatomickou oblast bez ohledu na indikaci (to už se týká našich českých národních DRÚ), často není ani uvedeno, pro kolik fází (nativní, arteriální, venózí…) jsou DRÚ stanoveny. Dále zde hraje roli také to, že národní DRÚ jsou stanoveny napříč různými technikami – staré vs. nové CT, protokol s a bez automatické modulace proudu, protokol s a bez použití iterativní rekonstrukce atd. Je jasné, že už z hlediska tolika různých použitých technik nemůže platit, že jakmile je naše místní DRÚ pod hodnotou národní DRÚ, tak jsou výkony optimalizované.

Optimalizace je systematické prozkoumání (posouzení) a případné upravení CT vyšetřovacích protokolů tak, aby výsledný obraz, ať už z hlediska kvality, radiační zátěže nebo provedených fází, poskytoval dostatečnou diagnostickou informaci pro danou indikaci za rozumně dosažitelných dávek záření, kontrastní látky (z důvodu možné kontrastem indukované nefropatie) a aby to nestálo příliš mnoho času, tedy aby bylo zajištěno určité workflow na pracovišti. Optimalizace není proces, který lze zvládnout za pár dnů, ale většinou to vyžaduje delší časový úsek, aby se dostalo na všechny protokoly. U některých protokolů může být provedena pouze mírná úprava, u jiných protokolů může jít o kompletní změnu.

Optimalizace by měla být provedena ve spolupráci radiologa, radiologického asistenta a radiologického fyzika. Radiolog je klinický expert na to, co by měl obraz obsahovat. Radiologický asistent na doporučení radiologického fyzika pak upraví technické parametry tak, aby daný CT skener byl schopný poskytnou požadovanou informaci.

A nyní přejděme přímo k optimalizaci. Jak začít s optimalizací? Prvním krokem by měla být konzultace s celým týmem radiologů a radiologických asistentů, zda si jsou vědomi toho, že by se u některých typů vyšetření často vyskytovaly problémy. Např. příliš mnoho pohybových artefaktů (že by bylo některé vyšetření tak dlouhé, že pacient nedokáže po celou dobu zadržet dech) nebo artefaktů způsobených tvrdnutím rtg svazku  (lze nějak předejít metal artefaktům při vyšetření pacientů s velkými kovovými objekty v těle nebo tyto artefakty lépe potlačit?), nebo soustavné upravování akvizičních (často hlavně expozičních) parametrů kvůli tomu, že rentgenka není schopná provést vyšetření s těmi přednastavenými parametry (týká se např. vyšetření obézních pacientů, kdy je doba rotace rentgenky příliš krátká a rentgenka nedokáže v každé projekci v tak krátkém čase vyprodukovat dostatek rtg fotonů), nebo jsou-li všechny rekonstruované obrazy dostatečné (různá tloušťka řezů, různé rekonstrukční kernely, různé okno zobrazení – WW, WL, atd.).

Jakmile je nějaký protokol upravený, je potřeba nejprve zkontrolovat několik prvních pacientů, u kterých byl nově optimalizovaný protokol použitý, jestli nejsou ve vyšetření nějaké základní nedostatky. V případě, že ne, pak je potřeba dát tomu delší dobu, aby se z nově provedených vyšetření dalo posoudit, jestli byla úprava protokolu celkově úspěšná. Někdy je možné upravit jeden protokol a použít ho pro více indikací, např. upravit protokol pro vyšetření koronárních tepen a aplikovat ho také při vyšetření pacientů s bypassem. V některých případech může být pro test kvality obrazu použit fantom, avšak z hlediska nepodobnosti většiny PMMA fantomů pacientům je použití relevantní pouze do určité míry.

Je-li kvalita obrazu dostatečná z pohledu radiologů, pak by se měla přenést pozornost na radiační zátěž pacientů. U dnešních CT, u kterých se využívá automatická modulace proudu (Automatic Tube Current Modulation, ATCM) již není potřeba definovat konkrétní hodnotu mAs, která by měla být použita, ale definuje se pouze požadovaná kvalita obrazu.

V příštím článku si řekneme více o konkrétních parametrech, které by měly být při optimalizaci zohledněny.

Použitá literatura
[1] ICRP. Annals of the ICRP. ICRP Publication 135. Diagnostic reference levels in medical imaging. 2017; 46 (1).
[2] Kofler JM, Cody DD, Morin RL. CT protocol review and optimization. J Am Coll Radiol 2014; 11: 267-270.

Jedním ze dvou základních pilířů radiační ochrany je princip optimalizace. Ten říká, že vyšetření s použitím ionizujícího záření má být provedeno tak, aby byla získána požadovaná diagnostická informace za co nejnižší dávky, která je rozumně dosažitelná. Není nutné získávat excelentní obrázky s použitím vysoké dávky, když neplyne z obrazu další přídavná informace ve srovnání se snímkem nižší, ale dostatečné kvality, při nižší použité dávce záření. Není vhodné tento princip měnit, ale často se tak děje, když je na některých marketingových prospektech uvedeno, že je snahou výrobců za každou cenu snižovat dávky pacientům.

Na lékařské ozáření, teda potenciálně na pacienty, se nevztahují limity, na rozdíl od pracovníků se zářením, pro které jsou limity zavedeny, stejně tak pro obyvatelstvo a učně. Kdyby byly pro pacienty zavedeny limity, mohlo by se v praxi stát, že lékař odmítne indikovat vyšetření právě z toho důvodu, aby nebyl u pacienta překročen limit. Takový postup může vést k poškození pacienta.

I když nejsou pro lékařské ozáření zavedeny limity, jsou lékařské expozice usměrňovány (samozřejmě, že nikdo nechce zbytečně moc ozařovat pacienty), a to pomocí tzv. diagnostických referenčních úrovní (DRÚ). DRÚ jsou úrovně dávek pro běžně prováděné typy vyšetření skupiny standardních pacientů pro obecně používané rtg systémy. DRÚ se nikdy nepoužívají pro jednotlivce, ale vždy pouze pro skupinu pacientů.

DRÚ existují na dvou úrovních – národní a místní. Národní DRÚ jsou stanoveny ve vyhlášce č. 422/2016. Místní DRÚ musí mít stanoveny každé zdravotnické zařízení provádějící lékařské ozáření pro každé běžně prováděné vyšetření nebo výkon v radiodiagnostice a intervenční radiologii.

Z porovnání dávek pro skupinu standardních pacientů se stanovenými místními DRÚ je potřeba odlišit ta vyšetření, u kterých dávka převyšuje stanovenou hodnotu, ale také ta vyšetření, u kterých je dávka extrémně nízká a dá se tedy předpokládat, že obraz nebude dostatečné kvality, čímž může být ohrožena dostatečná výtěžnost vyšetření. Převyšuje-li zjištěná hodnota dávek místní DRÚ, pak toto vyšetření velmi pravděpodobně není optimalizované, ale současně neznamená, že není-li DRÚ překročena, že vyšetření nutně je optimalizované.

DRÚ může být do jisté míry nástrojem pro optimalizaci, avšak samotné stanovení a dodržování DRÚ není jako optimalizace vyšetření dostatečné. Jak bylo zmíněno výše, optimalizace představuje získání dostatečné kvality obrazu při použití co nejnižší dávky, která je ještě rozumně dosažitelná. U některých vyšetření se může stát, že se v rámci optimalizace zjistí, že kvalita obrazu není dostatečná a musí tedy být zvýšena dávka, aby se zlepšila kvalita.

Vraťme se ještě k tvrzení v jednom z předešlých odstavců, že nepřekročení DRÚ neznamená, že je technika nutně optimalizovaná. V dokumentu ICRP Report 135 je doporučeno, aby tehdy, je-li místní DRÚ nižší než národní DRÚ, byl pro správnou optimalizaci vzat medián (50. percentil) národní distribuce hodnot, který bude porovnán s místní DRÚ. Je-li místní DRÚ nižší než medián národní distribuce, pak by se pracoviště v rámci optimalizace mělo zaměřit primárně na kvalitu obrazu než na dávky. Filozofie zde je taková, že jestliže dosáhlo pracoviště dostatečně nízkých dávek, pak hlavním cílem optimalizace není dávky dále snižovat, ale zajistit, že je kvalita obrazu dostatečná.

V příštím článku si řekneme ještě něco více o tom, jak dělat optimalizaci.

Použitá literatura
[1] IAEA Safety Standards. Radiation protection and safety of radiation sources: International Basic Safety Standards. General safety requirements Part 3. No. GSR Part 3. International Atomic Energy Agency 2014; Vienna.
[2] Sbírka zákonů České republiky č. 263/2016 – atomový zákon.
[3] Sbírka zákonů České republiky č. 422/2016 – vyhláška o radiační ochraně a zabezpečení radionuklidového zdroje.
[4] ICRP. Annals of the ICRP. ICRP Publication 135. Diagnostic reference levels in medical imaging. 2017; 46 (1).

V tomto článku si zopakujeme něco z teorie o tom, jak se mění dávka pacientovi a kvalita obrazu s měnícími se expozičními.

Mezi základní expoziční parametry patří napětí (kV), anodový proud (mA), expoziční čas (ms), elektrické množství (součin proudu a času, mAs), přídavná filtrace (mm Cu) a velikost ohniska. Předpokládejme, že máme skiagrafický systém bez expoziční automatiky (správně nazývané Automatic Exposure Control, AEC) a budeme měnit různé parametry.

Zvýšení napětí z hodnoty kV(1) na kV(2)
S vyšší hodnotou napětí roste produkce fotonů na anodě, tj. v rtg svazku máme více fotonů, které poté reagují v pacientovi. Závislost je kvadratická, tj. množství vznikajících fotonů narůstá s druhou mocninou napětí. Máme-li při napětí kV(1) = 60 kV relativní počet fotonů 1, pak při napětí kV(2) = 70 kV je relativní množství 70^2/60^2 = 1,36; tedy vzroste mi produkce fotonů o 36 %. Proto se s vyšším napětím doporučuje snížit hodnotu mAs.

Se změnou napětí se nemění pouze množství vznikajících rtg fotonů, které interagují s pacientem, ale také prostupnost rtg svazku pacientem, tedy množství rtg fotonů dopadajících na receptor obrazu. Zde je závislost s pátou mocninou neboli zvýšení napětí o 15 % nám zvýší dávku na detektoru dvojnásobně. Konkrétně pro kV(1) = 60 kV, kV(2) = kV(1)*1,15 = 69 kV. 69^5/60^5 = 2. Zvláště pak u obézních pacientů je spousta rtg fotonů nízkých energií pohlcena v pacientovi, tedy vůbec nepřispívají k tvorbě obrazu. Proto se u obézních pacientů doporučuje použít vyšší hodnotu napětí.

U dříve používaných receptorů film-fólie platilo, že s vyšším napětím se zhoršuje kontrast obrazu. Vyšší napětí znamená menší zastoupení fotoefektu (zlepšuje kontrast obrazu), vyšší zastoupení Comptonova rozptylu (zhoršuje kontrast obrazu), avšak v dnešní době digitálních technologií nemusí být tato změna viditelná díky dobrému postprocessingu.

Zvýšení anodového proudu z mA(1) na mA(2)
Závislost dávky pacienta na hodnotě anodového proudu je lineární, tj. zdvojnásobím-li anodový proud, zvýší se také dávka pacientovi dvakrát.

Co se týká kvality obrazu, tak s dvojnásobnou hodnotou mA neboli s dvojnásobnou dávkou se mi sníží relativní šum (ale opatrně, absolutní šum vzroste, stanoví se jako druhá odmocnina z počtu interagujících fotonů). Relativní šum lze vyjádřit veličinou signal-to-noise ratio (SNR), pro který platí: SNR = počet fotonů/√(počet fotonů) = √(počet fotonů). Mám-li počet dvojnásobný, pak se SNR zlepší o 41 %.

Zvýšení doby expozice z t(1) na t(2)
Závislost dávky pacienta na expozičním času je lineární, tj. zdvojnásobím-li dobu expozice, zvýší se také dávka pacientovi dvakrát. Pro kvalitu obrazu platí totéž, co platilo pro kvalitu obrazu při změně anodového proudu (viz předešlý odstavec).

Zvýšení přídavné filtrace
S vyšší přídavnou filtrací dochází k odfiltrování rtg fotonů ze spektra, nízkoenergetické fotony jsou filtrovány více, nebavíme-li se o mamografii. Použití vyšší přídavné filtrace tedy vede k tvrdnutí rtg svazku, svazek se stává pronikavější, má vyšší střední energii, a proto klesá kontrast v obraze. Současně je však pro dostatečnou dávku na detektoru nutné zvýšit produkci rtg fotonů, což klade větší nároky na generátor a rentgenku.

Přídavnou filtrací je myšlena ta filtrace, která se vkládá do rtg svazku až za základní filtraci (evakuovaná baňka rentgenky, olej….). Vkládat přídavnou filtraci do rtg svazku se doporučuje při rtg vyšetření srdce + plíce, protože je zde dostatečný inherentní kontrast (vlastní kontrast tkání), takže snížením kontrastu obrazu kvůli filtraci stále dostáváme obraz dostatečné kvality.

Zvětšení velikosti ohniska
Použitím většího ohniska je možné i při nižším napětí získat větší počet rtg fotonů, aniž by došlo k poškození rentgenky. Nevýhodou většího ohniska je větší polostín, tedy geometrická neostrost. Avšak u obéznějších pacientů není velikost ohniska tím hlavním parametrem, který zhoršuje kvalitu obrazu.

Použitá literatura
https://radiopaedia.org/articles/kilovoltage-peak

V nedávné době proběhla v odborné obci diskuze na téma, jestli ponechávat obézním (bariatrickým) pacientkám podprsenku u CT vyšetření hrudníku, aby průřez hrudníku byl kompaktnější a způsoboval tak méně artefaktů (ideálně by měl být průřez kruhový).

U obézních pacientek dochází často k tomu, že distribuce tkáně v axiálním řezu hrudníku je velmi nehomogenní, spíše oválného tvaru a některé oblasti jsou mimo akviziční oblast, viz obr. 1 a), b), zelenou čarou je znázorněno akviziční pole. V těchto případech jakýkoliv objekt mimo akviziční pole způsobuje artefakty v obraze a týká se to právě zejména obézních pacientů. V případě, že by se pacientce doporučilo, aby si ponechala podprsenku, stává se tak kompaktnější, axiální řez hrudníkem je homogennější a tvarově se více podobá kruhu, viz obr. 1 c), d). Nepříznivým efektem zde mohou být artefakty způsobené kovovými kosticemi podprsenky, avšak artefakty leží v blízkosti samotných kostic, tedy v oblasti tuku pacientek, viz obr. 2, takže by nedošlo k ovlivnění kvality obrazu v oblasti zájmu.

Obr. 1: Bariatrická pacientka s podprsenkou a bez ní a vliv na kompaktnost prozařovaného objemu

Obr. 2: Lokalizační skeny (a), (b) a artefakty od kostic (c)

Vzhledem k tomu, že se v případě kostice jedná o kovový materiál přítomný v oblasti zájmu, by se mohlo stát, že použitím automatické modulace proudu ATCM dojde ke zvýšení proudu, a tedy ke zvýšení dávky pacientkám. Nicméně zeslabení způsobené kosticemi je tak malé ve srovnání se zeslabením pacientky, že vliv na výslednou dávku je zanedbatelný.

Závěrem lze říct, že u obézních pacientek se u CT skenu hrudníku doporučuje ponechat podprsenku, aby se zkompaktnil prozařovaný objem a předešlo se tak artefaktům způsobeným objekty mimo akviziční oblast. U hubenějších pacientek, které se vejdou do oblasti akvizičního pole, se doporučuje podprsenku před vyšetřením vysvléct.

Obrázky v tomto příspěvku pocházejí od T. Szczykutowicze a jsou z internetové diskuze, proto se omlouvám za sníženou kvalitu.

Poznámka: Jedná se pouze o závěr jedné diskuze odborníků, nikoliv však o nějaké české doporučení. Je to jedna z možností, jak lze zlepšit kvalitu obrazu na CT u obézních pacientek.

V tomto článku se budeme věnovat spíše deviation indexu DI, ale je to index související s expozičním indexem EI, o kterém jsme se bavili v předešlých článcích, proto i název článku, jako by se jednalo o pokračování expozičního indexu.

Ještě jednou zde pro připomenutí uvádím definici deviation indexu DI:

DI = 10*log₁₀(EI/EI_T)

Nyní si nasimulujeme několik situací za předpokladu, že EI_T = 400. Situace jsou uvedeny v tab. 1. U každé hodnoty DI je uvedeno, jaká by byla hodnota EI, jaká tomu odpovídá změna v dávce a odpovídající hodnota elektrického množství (mAs). Nechť je základní hodnota elektrického množství rovna 30 mAs.

Tab. 1: Hodnoty DI a tomu odpovídající změna dávky (mAs)

Nyní ještě stručný přehled toho, v jakých hodnotách by se měly DI pohybovat.

• DI ≥ 5: Velmi významně přeexponované, pravděpodobně došlo k saturaci signálu v obraze a expozici je nutné opakovat.
• DI <+3; +5>: Významně přeexponované, nutné provést znovu, jsou-li některé anatomické oblasti diagnosticky nehodnotitelné.
• DI <+0,5; +3>: Lehce až středně přeexponované.
• DI <-0,5; +0,5>: V požadovaném rozsahu.
• DI <-3; -0,5>: Lehce až středně podexponované.
• DI <-5; -3>: Významně podexponované, nutné provést znovu po konzultaci radiologického asistenta s radiologem.
• DI ≤ -5: Velmi významně podexponované, v obraze významně převažuje šum, opakování expozice po konzultaci radiologického asistenta s radiologem.

Hodnoty DI nefungují správně tehdy, je-li v primárním rtg svazku umístěno ochranné stínění nebo nachází-li se tam kloubní náhrada nebo jiné, většinou kovové, materiály, které se v těchto anatomických oblastech běžně nevyskytují. Je potřeba zohlednit také reálnou nebo virtuální protirozptylovou mřížku.

Nepříjemností při používání indexů může být to, že u některých rtg systémů nemusí být EI_T nastaveny správně, proto je potřeba na začátku procesu zjistit, jaké jsou cílové hodnoty EI_T a jsou-li v rtg systému zadány správně. To by mělo být provedeno pro každý vyšetřovací protokol. V průběhu času by měla být provedena analýza, zda je u všech protokolů kvalita obrazu dostatečná a dávka není příliš vysoká. Lze také provést analýzu protokolů hromadně, např. vyexportováním DI hodnot a jejich analýzou (jaké je zastoupení/frekvence jednotlivých DI hodnot).

Jak bylo zmíněno již dříve, EI_T se liší v závislosti na pacientovi. Např. pro rtg srdce + plíce dospělého pacienta na CR systému se vyžaduje hodnota 700, pro dítě na CR systému 500. CR systém má efektivitu přibližně poloviční než DR, proto pro rtg srdce + plíce dospělého pacienta na DR systému se vyžaduje hodnota 350, pro dítě na DR systému 250. Navíc platí, že stejné hodnoty EI na dvou různých digitálních systémech nemusí představovat stejnou ani podobnou kvalitu obrazu. EI_T pro některé anatomické oblasti nemusí být definováno výrobcem, např. pro končetiny nebo některé protokoly u pediatrických pacientů, tam je pak potřeba, aby si pracoviště samo určilo, jaké jsou preferované hodnoty EI_T.

EI, EI_T a DI jsou efektivním nástrojem při optimalizaci (dobře popisují, zda bylo rtg vyšetření provedeno korektně), nejsou však vhodným nástrojem pro stanovení a odhad dávek pacientům. Nejlepším indikátorem dávky pacientovi stále zůstává součin kermy a plochy.

Použitá literatura
[1] Seibert JA. Implementation of the IEC 62494-1 Exposure Index Standard for Digital Radiography. World Congress on Medical Physics & Biomedical Engineering, 3.-8. června 2018, Praha.
[2] IEC 62494-1:2008 – Medical electrical equipment – Exposure index of digital X-ray imaging systems – Part 1: Definitions and requirements for general radiography. 2008.

V předešlém článku jsme si řekli o tom, jak se objevila potřeba kvantifikace kvality obrazu v závislosti na dávce u radiogramů, kvůli čemuž se zavedl expoziční index EI. Ten odrážel kvalitu obrazu vzhledem k dávce na detektoru, ale původně nebyl standardizovaný, naprosto se odlišoval pro každého výrobce. V roce 2008 došlo k zavedení jednotného expozičního indexu normou IEC 62494-1:2008 Medical electrical equipment – Exposure index of digital X-ray imaging systems – Part 1: Definitions and requirements for general radiography. Tato norma také zavádí tzv. deviation Index DI a požadovaný/cílový expoziční index target exposure index EI_T. Nyní něco blíže ke každému z těchto indexů.

Expoziční index EI se stanovuje ze signálu obrazu, který je úměrný dávce absorbované v detektoru, ale ne přímo kermě ve vzduchu dopadající na detektor. Ta je v definici EI zavedena pouze pro účel kalibrace. EI lze stanovit použitím červeně zvýrazněného vztahu v tab. 1. V praxi se stanoví EI, resp. onen výrobcem uváděný index (přehled indexů pro jednotlivé výrobce je obsahem předešlého článku), provedením standardní kalibrace podle instrukcí výrobce. Poté se nasimuluje kalibrační spektrum podle charakteristiky uvedené v tab. 1. Změří se kerma ve vzduchu na vstupu do detektoru a z ní se poté vypočte hodnota EI.

Expoziční index EI byl zaveden jako indikátor kvality obrazu zohledňující také dávku absorbovanou v detektoru. Zvýší-li se dvakrát hodnota elektrického množství (mAs) při expozici za jinak nezměněných podmínek, pak platí, že se zvýší dvakrát také hodnota EI. EI se liší pro každou anatomickou oblast, projekci a detektor. EI požadovaný pro různé indikace se může lišit v závislosti na preferované kvalitě obrazu a v závislosti na použitém detektoru. Je potřeba být obezřetný v případech, kdy není pořízený radiogram dostatečně kvalitní, např. špatně zvolený vyšetřovací protokol nebo velmi špatně vykolimovaný radiogram, protože pak hodnota EI nemusí odrážet skutečnou kvalitu radiogramu.

Norma IEC 62494-1 zavádí jednotné kalibrační podmínky a definici EI a DI. Tyto podmínky jsou uvedeny v tab. 1.

Tab. 1: Kalibrační podmínky pro definici EI [1, 2]

Rtg svazek, tak jak je definovaný polotloušťkou a filtrací v tab. 1, je blízký standardizovanému rtg svazku RQA-5. Při kalibraci je nutné změřit kermu ve vzduchu dopadající na detektor K_CAL, ze které se pak vypočítá EI.

Deviation index DI je parametr, který se stanoví ze vztahu zvýrazněného modře v tab. 1. DI kvantifikuje odchylku aktuálního EI od cílového (požadovaného) EI_T pro danou anatomickou oblast, projekci a detektor. DI nekoreluje s dávkou absorbovanou na detektoru, jedná se o relativní ukazatel kvality výkonu radiologického asistenta z pohledu kvality (s tím souvisí i dávka), přesněji jak vzdálený je získaný EI od požadovaného EI_T z hlediska poměru signálu a šumu (SNR) radiogramu v oblasti zájmu i vzhledem k dávce.

Aby bylo možné DI stanovit a efektivně používat, musí být v rtg systému k dispozici hodnoty target exposure index EI_T pro všechny anatomické oblasti, projekce a používané detektory. Jedná se o cílové hodnoty EI, které jsou vyžadovány výrobcem, aby byl získaný obraz označen za kvalitní, případně akceptovatelný z hlediska kvality a dávky. Aby DI správně fungoval, musí před expozicí radiologický asistent definovat, o jakou anatomickou oblast a projekci se jedná, aby bylo možné porovnat aktuální EI s požadovaným EI_T a zjistit tak DI.

Pro DI platí, že čím je DI blíže nule, tím lepší kvalita obrazu. Za ideálních podmínek by měl být DI=0. Přeexponovaný radiogram má hodnotu DI vyšší než nula, podexponovaný nižší než nula. DI je ovlivněn také správnou pozicí pacienta a vhodnou kolimací.

Je vhodné, aby byly parametry EI, EI_T a DI uchovávány v DICOM hlavičce radiogramu pro možnost budoucího hodnocení a dalšího zpracování v rámci např. zajištění kvality. Dále platí, že žádný z výše definovaných indexů nelze použít pro odhad dávky pacientovi ani pro zjištění souladu s místními diagnostickými referenčními úrovněmi.

Více o závislosti DI na dávce si řekneme v následujícím článku.

Použitá literatura
[1] Seibert JA. Implementation of the IEC 62494-1 Exposure Index Standard for Digital Radiography. World Congress on Medical Physics & Biomedical Engineering, 3.-8. června 2018, Praha.
[2] IEC 62494-1:2008 – Medical electrical equipment – Exposure index of digital X-ray imaging systems – Part 1: Definitions and requirements for general radiography. 2008.

U dřívějších analogových technologií, tj. u kombinací film-fólie, bylo zřejmé, že existuje vztah mezi dávkou dopadající na film a vzhledem radiogramu (optickým zčernáním, denzitou), viz obr. 1. Čím menší dávka dopadla na danou oblast filmu, tím světlejší místo v obrazu vzniklo, takže histogram byl posunut vlevo k nižším hodnotám. Nicméně tento vztah pozbývá platnosti pro digitální modality.

Obr. 1: Ukázka radiogramů film-fólie s různými histogramy optických hustot [1]

Poznámka: Při porovnání s digitálními technologiemi se dnes používá negativ. Dříve platilo, že když oblast např. za kostí obdržela nižší dávku, byla na filmu světlá. Dnes oblast s nižší dávkou má nižší signál, v obrazu by správně byla tmavší, ale používá se negativ, aby to bylo v souladu s filmy, tj. kost je stále světlá.

Digitální receptory obrazu (CR, DR) mají každý jinou citlivost na ozáření, různý dynamický rozsah a různé vnitřní škálování (konverze signálu na stupeň šedi, viz obr. 2), takže ani ze samotného histogramu není zřejmé, jaká je kvalita původních dat. Pak se může stát, že přeexponované radiogramy projdou nepovšimnuty (vysoké SNR), u významně podexponovaných radiogramů (nízké SNR) se může projevit vyšší šum, ale v mnoha případech radiogram také projde nepovšimnut. Proto bylo potřeba zavést nějaký index, který by popsal kvalitu obrazu z hlediska signálu a šumu. A tím je expoziční index.

Obr. 2: Ukázka digitálních radiogramů s různými histogramy signálů [1]

Mějme radiogram, který je uvedený na obr. 3. Jeho histogram je uvedený na obr. 4. Šedý histogram je pro celý radiogram, černý histogram je pouze pro červeně vymezenou oblast radiogramu, která představuje skutečnou oblast zájmu.

Obr. 3: Radiogram [1]

Obr. 4: Šedý histogram pro celý radiogram z obr. 3, černý histogram pro červeně vymezenou oblast radiogramu obr. 3

Na základě histogramu hodnot v obrazu a v závislosti na dávce a kalibraci se stanovil expoziční index EI (říkejme tomu expoziční index, i když to každý výrobce nazývá jinak). Ten se však lišil v závislosti na zvolené oblasti zájmu (neboli části histogramu), ze které se EI stanovoval. Některý výrobce bere celý radiogram tj. oblast, které odpovídá na obr. 4 šedý histogram, jiný výrobce bere pouze oblast zájmu, tj. oblast, které odpovídá na obr. 4 černý histogram (červeně vymezená oblast na obr. 3). Navíc EI si každý výrobce definoval jinak, takže ani ze dvou totožných histogramů nebude u dvou výrobců shodný EI. Definice EI pro různé výrobce je uvedená v tab. 1 společně s dalšími informacemi o kalibračních podmínkách a jednotkách. Navíc je velmi matoucí, že i závislosti EI na dávce není pro všechny výrobce podobná. Např. pro výrobce Fujifilm je S hodnota nepřímo úměrná dávce, tj. čím větší dávka, tím nižší hodnota EI, zatímco pro většinu výrobců je hodnota EI přímo úměrná dávce, tj. čím větší dávka na detektoru, tím vyšší hodnota EI. Závislost EI na dávce pro několik výrobců je uvedena v tab. 2.

Tab. 1: Expoziční index pro různé výrobce, včetně jednotek, podmínek kalibrace a závislosti na expozici [1]

Tab. 2: Závislost EI na dávce [1]

EI je specifický pro každého výrobce, což znepříjemňuje situaci na pracovištích, kde se využívají rtg systémy více výrobců. Pak i hodnoty EI požadované pro daný typ vyšetření na různých rtg systémech se od sebe liší, což komplikuje situaci radiologickým asistentům, jejichž snahou by mělo být získat radiogram odpovídající kvality za určité dávky neboli radiogram s hodnotou EI v doporučeném rozmezí. Avšak toto rozmezí se liší pro každého výrobce a každou anatomickou oblast.

Přestože v 90. letech minulého století došlo k zavedení EI, který kvantifikuje ozáření digitálního receptoru obrazu vzhledem k získanému signálu, chyběla zde jakákoliv standardizace. Se standardizací přišla norma IEC 62494-1:2008 Medical electrical equipment – Exposure index of digital X-ray imaging systems – Part 1: Definitions and requirements for general radiography, o které si řekneme v příštím článku, včetně toho, jaké indexy zavádí (nejde pouze o EI).

Použitá literatura
[1] Seibert JA. Implementation of the IEC 62494-1 Exposure Index Standard for Digital Radiography. World Congress on Medical Physics & Biomedical Engineering, 3.-8. června 2018, Praha.
[2] IEC 62494-1:2008 – Medical electrical equipment – Exposure index of digital X-ray imaging systems – Part 1: Definitions and requirements for general radiography. 2008.