Otimização de radiografias pediátricas com a eficiência quântica de detecção (DQE)

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1 Otimização de radiografias pediátricas com a eficiência quântica de detecção (DQE) Allan F. F. Alves 1 ; Ana L. M. Pavan 1 ; Fernando A. Bacchim Neto 1 ; Diana R. Pina 2 ; Sergio R. Marrone 2 ; José R. A. Miranda 1 1 Departamento de Física e Biofísica, IBB-UNESP, Botucatu, Brasil 2 Departamento de Doenças Tropicais e Diagnóstico por Imagem, FMB-UNESP, Botucatu,Brasil Resumo. Neste trabalho buscou-se a otimização de imagens de radiografia computadorizada de tórax e crânio para pacientes pediátricos entre 1 e 5 anos de idade. Foram utilizados fantomas homogêneos pediátricos para determinação de técnicas-teste com índices de exposição (lgm) de 1,96 ± 0,03, para o sistema Agfa CR 85-X. As técnicas-teste foram utilizadas na determinação do parâmetro físico de qualidade de imagem denominado eficiência quântica de detecção (DQE, do inglês, detective quantum efficiency). Esse parâmetro foi então comparado com estudos prévios de otimização de pacientes adultos. A escolha das técnicas otimizadas, ou técnicas Gold Standard (GS), baseou-se no princípio ALARA (do inglês, As low As Reasonably Achievable), no qual associa-se uma qualidade de imagem suficiente para o diagnóstico seguro com os menores níveis de dose de radiação. Palavras-chave: Radiografia Computadorizada, ALARA, DQE, otimização. Optimization of pediatric radiography with the detective quantum efficiency (DQE) Abstract. In this study we optimized computed radiography images of chest and skull for pediatric patients between 1 and 5 years old. Homogeneous pediatric phantoms were used to obtain test-techniques with exposure index (IgM) of 1.96 ± 0.03 for the Agfa CR 85-X system. The test-techniques were used to determine the physical parameter of image quality such as the detective quantum efficiency (DQE). This parameter was then compared with previous optimization studies of adult patients. The choice of optimal or Gold Standard (GS) techniques was based on the ALARA principle (As Low As Reasonably Achievable), which associates image quality sufficient for safe diagnostic with the lowest levels of radiation dose. Keywords: Computed Radiography, ALARA, DQE, optimization. 1. Introdução O paciente pediátrico apresenta maior radiossensibilidade e maior expectativa de vida com isso um risco maior para o desenvolvimento de alterações genéticas, que podem resultar em câncer na sua vida adulta 1,2. Radiografias de tórax e crânio são as mais realizados na faixa etária de 1 a 5 anos devido a pneumonias e traumas crânio encefálicos 3,4. A otimização de técnicas radiográficas é, portanto, uma etapa essencial na radiologia pediátrica. De acordo com o princípio ALARA (do inglês, As Low As Reasonably Achievable) as doses de radiação devem ser tão baixas quanto razoavelmente exequíveis e devem estar associadas a um diagnóstico médico seguro. Neste trabalho foram utilizados fantomas homogêneos pediátricos de crânio e tórax no processo de otimização de imagens em sistemas de radiografia computadorizada (CR, do inglês, computed radiography). Foram determinadas técnicas-teste, com combinações diferentes de kvp e mas, e para cada técnica teste foi avaliado o parâmetro físico de qualidade de imagem denominado eficiência quântica de detecção (DQE, do inglês, detective quantum efficiency) 5. Esse parâmetro foi associado às imagens ótimas de tórax e crânio de pacientes adultos obtidas em estudos prévios 6. O objetivo deste trabalho foi a determinação de técnicas otimizadas, ou Gold Standard (GS), para crânio e tórax na faixa etária de 1 a 5 anos. A escolha destas técnicas foi baseada na eficiência quântica de detecção (DQE) e nos menores níveis de dose. 2. Material e métodos 2.1. Equipamentos utilizados Todas as imagens foram realizadas em um equipamento de raios X convencional Siemens, de alta frequência, com filtração inerente de 2,5 mm de alumínio e camada semi-redutora (CSR) de 2,8 mm de alumínio. Foi utilizado o sistema de radiografia computadorizada composto pelo leitor Agfa Health Care 85-X e placas de imagem Agfa MD 4.0 (18 x 24 cm², com um pixel pitch efetivo de 0.1 mm). Uma única placa de imagem foi utilizada durante todo o estudo. As imagens foram processadas de acordo com as técnicas padrão utilizadas na rotina: no tórax, Sub exam: Chest PA, Speed class: 400; e no crânio, Sub exam: Skull AP, Speed class: 400. Para ambas as técnicas selecionou-se os parâmetros MUSICA (multiscale image contrast amplification): MUSI contrast: 3.0; 2010 Associação Brasileira de Física Médica

2 Revista Brasileira de Física Médica Noise reduction: 3.0; Edge enhancement: 0.0; Latitude reduction: Fantomas e simuladores Os fantomas homogêneos de crânio e tórax utilizados neste trabalho foram construídos após a quantificação de tecidos biológicos e equivalência em materiais simuladores proposta por Pina et al. (2012) 2. Estes fantomas foram compostos por placas de PMMA (polimetilmetacrilato) e de alumínio em configuração semelhante à do PEP (do inglês, patient equivalent phantom) 7,8 conforme Report AAPM No.31 (1990) 9. O fantoma homogêneo de tórax foi construído com quatro placas de PMMA de 1,83 cm e duas placas de alumínio de 1,3 mm e 1,0 mm cada. O fantoma homogêneo de crânio foi construído com cinco placas de PMMA de 2,33 cm de espessura e outras duas placas de alumínio de 1,35 mm. Todas as placas possuem áreas de 15.0 x 15.0 cm². Figura 1 - Ilustração dos fantomas homogêneos pediátricos montados conforme o PEP na visão normal e com as placas separadas. A) Fantoma de tórax. B) Fantoma de crânio Aquisição de imagens e dose na entrada da pele Para aquisição das imagens, o fantoma de tórax foi posicionado em contato com o bucky vertical da estativa a uma distância foco-detector (DFD) de 180 cm, enquanto o fantoma de crânio foi colocado sobre a mesa de exame a uma DFD de 100 cm. Buscou-se imagens em torno de 1,96 de lgm (indicador de exposição do sistema Agfa) pois segundo trabalhos anteriores 6,10, este valor traz a melhor resposta do sistema detector. Em todas as imagens a grade anti-espalhamento foi utilizada, e o campo de radiação foi colimado para que irradiasse toda a superfície dos fantomas. Foram realizadas duas etapas de aquisição de imagens para avaliação dos parâmetros físicos: - O espectro de potência do ruído normalizado (NNPS, do inglês, normalized noise power spectrum) foi avaliado nas imagens homogêneas dos fantomas pediátricos; - A Função Transferência de Modulação (do inglês, modulation transer function) foi avaliada nas imagens geradas com uma placa de cobre (0,5x10,0x10,0 cm³) posicionada no centro dos fantomas com inclinação de 1 grau; Para determinação da dose na entrada da pele (DEP) com retroespalhamento, uma câmara de ionização de 6 cm³ devidamente calibrada (Radcal Corp., Monrovia, CA) foi posicionada sobre os fantomas Determinação de parâmetros físicos de qualidade de imagem Para a avaliação dos parâmetros físicos de qualidade de imagem foram criados algoritmos em ambiente Matlab. Os valores de pixel de todas as imagens geradas foram linearizados para que estes tivessem uma relação direta com a exposição 11. A seguir estão descritas as metodologias para avaliação destes parâmetros físicos, todas de acordo com a IEC (2003) Função Transferência de Modulação (MTF) A MTF foi avaliada através das imagens com a placa de cobre sobre os fantomas 5. Primeiro obtém-se a MTF pré-amostrada na direção perpendicular da borda do cobre. Em seguida realizou-se a determinação do ângulo da borda e estes dados em duas dimensões foram projetados em uma estimativa unidimensional da função de espalhamento de borda, ESF (do inglês, edge spread function). Depois a ESF foi derivada obtendo-se a função de espalhamento de linha, LSF (do inglês, line spread function). E finalmente a MTF foi obtida através da transformada de Fourier aplicada a LSF Espectro de Potência de Ruído Normalizado (NNPS) Para avaliação do NNPS 5 a porção homogênea da imagem foi dividida em áreas quadradas de 256 x 256 pixels, chamadas regiões de interesse (ROI, do inglês, regions of interest). As medidas subsequentes foram feitas movendo-se as ROIs tanto na direção vertical quanto na horizontal. Formando-se assim uma série de bandas horizontais de varredura. Na sequência, a transformada de Fourier em duas dimensões foi calculada para todas as ROIs Eficiência Quântica de Detecção (DQE) A DQE foi medida de acordo com a metodologia proposta pela IEC (2003) 5, porém adaptada para a geometria de aquisição de imagens da rotina clínica. A DQE relaciona-se com os parâmetros físicos, MTF e NNPS, de acordo com a equação. 2 MTF DQE NNPS. q. E Onde q é o número de fótons incidente por unidade de área (estimados pela medida da camada sem-redutora) 12, e E é a exposição

3 Médica medida dentro do bucky no local ocupado pela placa de imagem Técnicas Otimizadas (Gold Standard) Em trabalhos prévios 6, realizados no mesmo equipamento de raios X e sistema CR, foram determinadas imagens ótimas de tórax e crânio para o homem adulto. Essas imagens ótimas foram obtidas através do fantoma antropomórfico (Alderson Rando Phantom) 13 com a análise VGA (Visual Grading Analysis) 14 de um médico radiologista. Associou-se a cada técnica radiográfica ótima, o parâmetro físico de qualidade de imagem, DQE. Criou-se assim uma faixa de confiança de valores da área sob a curva da DQE que serviram para comparação com as técnicasteste obtidas no presente estudo. Esse procedimento contribuiu para a determinação de técnicas Gold Standard em exames pediátricos. XIV Congresso Brasileiro de Física todas as técnicas teste. Essa figura traz o intervalo de confiança, determinado previamente para técnicas ótimas de tórax de um paciente adulto 6. Esse intervalo é representado pelas linhas tracejadas ao longo do eixo x. Figura 2 - DQE em função da frequência espacial para as técnicas testes de tórax. 3. Resultados As tabelas 1 e 2 apresentam as técnicas-teste avaliadas com os valores de kvp, mas, indicador de exposição no sistema (lgm) e valores de dose na entrada da pele (DEP). A tabela 1 representa as técnicas-teste obtidas utilizando o fantoma homogêneo de tórax e a tabela 2 as técnicas-teste de crânio. Tabela 1 - Seleção das técnicas teste no fantoma de tórax. kvp mas lgm DEP (µgy) 50 28,0 1,94 251, ,0 1,98 191, ,0 1,96 154,1 65 8,0 1,96 129,8 70 5,6 1,94 109,9 75 4,0 1, ,6 1,98 90,6 85 2,8 1,96 83,3 Figura 3 - Área sob a curva da DQE em função do kvp para as técnicas testes de tórax com as faixas de confiança obtidas para o paciente adulto padrão. A figura 4 apresenta as curvas da DQE em função das suas frequências espaciais enquanto a figura 5 apresenta a área sob a curva da DQE, compreendida entre as frequências espaciais de 0,5 a 3,0 mm -1, versus o kvp para cada técnica teste de crânio. Tabela 2 - Seleção das técnicas teste no simulador de crânio. DEP kvp mas lgm (µgy) 50 18,0 1, ,0 1,98 834,0 60 7,1 1,97 664,0 66 5,0 1,94 577,3 70 3,6 1,93 472,4 75 2,8 1,94 423,9 79 2,5 1,98 427,5 85 1,6 1,96 324,8 Figura 4 - DQE em função da frequência espacial para as técnicas testes de crânio. A figura 2 apresenta as curvas da DQE em função das suas frequências espaciais para tórax. Algumas técnicas radiográficas não foram inseridas no gráfico para evitar sobreposição de curvas. A figura 3 apresenta a área sob a curva da DQE, compreendida entre as frequências espaciais de 0,5 a 3,0 mm -1, versus o kvp para

4 Revista Brasileira de Física Médica Os autores agradecem a CAPES pelo apoio financeiro, ao Laboratório de Física Aplicada ao Radiodiagnóstico (LAFAR) e ao Setor de Diagnóstico por Imagem da Faculdade de Medicina de Botucatu. Referências Figura 5 Área sob a curva da DQE em função do kvp para as técnicas de crânio com as suas respectivas faixas de confiança. As técnicas Gold Standard para exames de tórax e crânio são apresentadas na Tabela 3, e correspondem as técnicas-teste cujos valores de área sob a curva da DQE recaíram dentro dos intervalos de confiança associados aos menores valores de DEP. Tabela 3 - Seleção da técnica Gold Standard para tórax e crânio. Exame Tórax Crânio Técnica Gold Standard Gold Standard (kvp;mas) (85; 2,8) (85;1,6) lgm 1,96 1,96 Dose (µgy) 83,3 324,8 4. Discussão e conclusões Os valores de amplitude máxima da DQE estão entre 0,08-0,15 (8-15%) muito distantes do ideal 1,0 (100%). Isso ocorre pois fatores como: o espalhamento da radiação pelos fantomas, a magnificação das estruturas, a grade antiespalhamento e também a modificação da geometria de aquisição das imagens propostos pela IEC (2003) 5 podem degradar muito a razão sinal-ruído e por consequência a eficiência de detecção. Estes efeitos são mais bem compreendidos no trabalho de Samei et. al. (2009) no qual é avaliada a DQE efetiva (edqe) para sistemas digitais levando-se em consideração condições clínicas na realização dos testes 15. A escolha das técnicas-teste baseou-se primeiramente na combinação de kvp e mas que mais se aproximasse de 1,96 lgm, pois nesta faixa de exposição o detector apresenta a melhor resposta 10. Pode-se observar que para as técnicas-teste de tórax e crânio, todos os parâmetros de área sob a curva da DQE estão contidos dentro do intervalo de confiança. Isso implica que todas estas técnicas-teste apresentam a mesma qualidade de imagem que as técnicas ótimas obtidas para o paciente adulto. Dessa forma, segundo o princípio ALARA, as técnicas Gold Standard estão associadas aos menores níveis de dose na entrada da pele, sem contudo comprometer a qualidade da imagem. Garante-se assim um diagnóstico médico seguro de exames de tórax e crânio para pacientes pediátricos entre 1 e 5 anos de vida. Agradecimentos 1. Hall EJ, Giaccia AJ. Radiobiology for the Radiologist [Internet]. Lippincott Williams & Wilkins; 2006 [cited 2014 Mar 4]. Available from: s=1 2. Pina DR, Souza RTF, Duarte SB, Alvarez M, Miranda JR a. Analysis of biological tissues in infant chest for the development of an equivalent radiographic phantom. Med Phys [Internet] Mar [cited 2013 Sep 2];39(3): Available from: 3. S.D. Guerra, M.A. Jannuzzi ADM. Traumatismo cranioencefálico em pediatria. J Pediatr (Rio J). 1999;75: IBIAPINA CDAC, ALVIM CG, ROCHA FG, COSTA GA, SILVA PCA. Pneumonias comunitárias na infância: etiologia, diagnóstico e tratamento. Rev Med Minas Gerais. 2004;14(1): [IEC] IEC [IEC]. Medical electrical equipment Characteristics of digital X-ray imaging devices Part 1: determination of the detective quantum efficiency. Geneva; 2003 p Velo AF. Otimização de Imagem de Tórax para Radiologia. Univ. Estadual Paulista; p ANSI. American National Standard Institute (PH2/43). Method For The Sensitometry of Medical X-ray Screenfilm-Processing Systems. [Internet]. New York; Available from: tid= Whiting JS. Quality Control in Diagnostic Imaging by J. E. Gray, N. T. Winkler, J. Stears, and E. D. Frank. Med Phys [Internet] [cited 2014 Feb 3];10(6):920. Available from: 9. AAPM Report NO.31. Standardized Methods for Measuring Diagnostic X-Ray Exposures Lança L, Silva a. Evaluation of exposure index (IgM) in orthopaedic radiography. Radiat Prot Dosimetry [Internet] Jan;129(1-3): Available from: Mackenzie a. Validation of correction methods for the non-linear response of digital radiography systems. Br J Radiol [Internet] Apr [cited 2014 Mar 6];81(964): Available from: Beutel J, Kundel H. Handbook of medical imaging. Handbook of Medical Imaging [Internet] p Available from: AeOBkC&oi=fnd&pg=PR11&dq=Handbook+of+medica

5 Médica l+imaging&ots=gaqy31iiq&sig=oeobvn6vmc6phjq66zemskunmu0 XIV Congresso Brasileiro de Física 13. Shrimpton PC, Wall BF, Fisher ES. The tissueequivalence of the Alderson Rando anthropomorphic phantom for x-rays of diagnostic qualities. Phys Med Biol [Internet] Jan;26(1): Available from: CEC. EUROPEAN GUIDELINES ON QUALITY CRITERIA FOR DIAGNOSTIC RADIOGRAPHIC IMAGES ON QUALITY CRITERIA FOR p Samei E, Ranger NT, MacKenzie A, Honey ID, Dobbins JT, Ravin CE. Effective DQE (edqe) and speed of digital radiographic systems: An experimental methodology. Med Phys [Internet] [cited 2014 Mar 8];36(8):3806. Available from: 6/8/ / Contato: Allan Felipe Fattori Alves Instituto de Biociências de Botucatu UNESP - Campus de Botucatu Distrito de Rubião Júnior, S/N CEP: Botucatu/SP/Brasil allan@ibb.unesp.br