Monitores para diagnóstico en Imagenología médica Daniel Geido Núcleo de Ingeniería Biomédica

Introducción Etapas: Adquisición. Procesamiento. Visualización.

Adquisición Adquisición de los datos, realizado en el equipo de imagen. Características físicas y técnicas del equipo influirán en la calidad de imagen: Resolución espacial. Resolución de contraste y densidad. Relación señal/ruido. Resolución temporal. MTF (Modulation Transfer Function). Uniformidad. Otros. ESF derivo tengo LSF que es la delta y luego tranformo furier y tengo MTF que es la transf de fourier de la respuesa al impulso de mi sistema Agragar imágenes con distintas resolucions espacial y a de desnsidad y SNR

Adquisición En ciertos equipos (modalidades), como ser:  Tomografía Computada CT.  Resonancia Magnética MR.  Medicina Nuclear NM.  Ecografía US.  Angiografía DSA. Es mucho mas común que posean salida digital (aunque no siempre). Otros como:  RX convencional.  RX portátiles.  Arcos en C  Mamografía.  Fluoroscopía.  Etc. No es común que la tengan y hay que digitalizarlos Tenemos 2 maneras de hacer esto: Forma directa (se verá en la clase de RX Digital). Forma indirecta (uso de escáners).

Flujo de trabajo con radiografia convencional Imagen latente Reveladora Película revelada Diagnóstico y Archivo Médico radiólogo Identificadora + Chasis con película virgen Equipos de RX analógicos

Digitalización con CR CR (Computed Radiography):  Esta en el límite entre ser un método directo o indirecto.  Se sustituye la placa convencional por una placa con capacidad de memoria: Placa de fluorobromo de bario, los Rx hacen que electrones pasen de un estado de baja energia a uno de mas alta. Al volver a su estado de reposo emitirían, pero esto es impedido mediante “trampas” existentes en la placa. Dicha placa se coloca en el CR quien realiza un barrido punto a punto con un laser de He-Ne de 633nm, provocando la liberación de las “trampas” y volviendo a su estado de reposo emitiendo luz azul de aprox 400nm. Dicha luz es captada y convertida en una señal eléctrica. Luego la placa se borra sometiendola a luz intensa quedando lista para un nuevo uso, llegan a durar alrededor de 3000 reusos.

Flujo de trabajo con radiografia computada, CR Equipos de RX analógicos Chasis expuesto Imagen latente Estación de previsuaización e identificación de paciente (ingreso manual o captura de datos) Imagen digital Chasis con película borrada Lector de chasis, CR Se borra la pelicula Consola de diagnóstico Archivo Impresora laser de placas

Digitalización en forma indirecta Digitalizador de placa:  Fotografiar, con una cámara montada en un soporte, la placa sobre un negatoscopio de suficiente intensidad.  Sistema CCD: es un escáner en el cual se ilumina la placa y mediante detectores del tipo Charged Coupled Device se captura la información, es necesario iluminar la placa de ambos lados.  Tecnología láser: se utiliza luz láser para iluminar la placa y mediante fotomultiplicadores se captura la imagen. Solo los dos ultimos son aceptados por la ACR (American College of Radiology) Capturadoras de video (frame grabbers):  Se utilizan tarjetas digitalizadoras para capturar la señal de video proveniente del equipo. Para equipos con salidas de video tipo PAL, NTSC bastan capturadores comunes, pero para otros casos como DSA por ejemplo se requieren tarjetas especiales, dadas las características de la señal.

Flujo de trabajo con digitalizadores indirectos Equipos de RX analógicos Chasis expuesto Imagen latente Imagen digital Consola de diagnóstico Archivo Impresora laser de placas Película revelada Reveladora Escáner de placas Capturadora de video Arco en C Importante!

Procesamiento y visualización Procesamiento y visualización realizado en PCs y Monitores. Características técnicas del software, tarjetas de video y monitores influirán en la calidad de imagen: Software: procesamiento de imágenes, no tratado en esta clase. Hardware: Tarjetas de video y monitores: Curva gama, GSDF según Dicom. Luminancia. Resolución. LUT utilizada. Contraste. Otros

Visualización - Monitores Es muy importante definir imágenes de que modalidad se van a visualizar para elegir el monitor adecuado, no siempre mas resolución es mejor y menos de lo necesario no es admisible. Una de las clasificaciones más usadas es la establecida por la norma IEC (“Evaluation and routine testing in medical imaging departments - Part 3-6 Acceptance Tests - Image Display Devices”):  US (ultrasonido) y NM (medicina nuclear).  CT (tomografía computada) y MR (resonancia magnética).  Radiografía y fluoroscopía.  Mamografía.

Monitores CRT Se utiliza un tubo de rayos catódicos. El fósforo es iluminado al incidir sobre él electrones provenientes del haz que emite el cátodo y es acelerado con alta tensión hacia el ánodo. Las bobinas de deflexión son utilizadas para barrer toda la pantalla de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo. En el caso de monitores color hay 3 haces que activan fósforo de 3 colores R, G y B en la pantalla.

Monitores LCD o LED Tubo fluorescente o LEDs emiten luz. El cristal líquido (LC) es capaz de cambiarle su polarización de acuerdo al campo magnético aplicado por el TFT. La combinación LC y los cristales polarizados horiz y vertical hacen que cada pixel esté más o menos apagado. Los filtros de color solo dejan pasar la componente de luz correspondiente R, G o B. En el caso de monitores ByN los filtros de color son eliminados

LCD vs CRT CaracterísticaLCDCRT Brillo Producen imágenes mas brillantes debido a su alta intensidad. Son muy apropiados para usar en entornos iluminados externamente. Menos brillantes que los LCD y reflejan mucho la luz exterior, no son buenos para usar en entornos con mucha luz EmisionesProducen campos electromagnéticos mucho menores que los CRT.Emiten radiación electromagnética, rayos X.. Distorsión geométricaNo tienen distorsión en su resolución nativa, algo en otra resoluciónAlta distorsión, hay controles para mejorarla. Consumo de energía Muy eficientes, consumen 1/3 menos de enrgía que los CRT, no producen casi calor. Consumen mas y disipan mucho mas. TamañoSon mucho mas finos, tamaño hasta un 40% menor que CRTMas grandes y mucho mas pesados. Forma de la pantallaSon completamente planos Los antiguos tenían una pantalla curva, los mas nuevos ya eran planos pero voluminosos.. NitidezMuy nítidos en su resolución nativo, no tanto en otras Si comparamos con los LCD en su resolución nativa, Los CRT son menos nítidos aunque es ajustable. Píxeles malos En los LCD domésticos puede haber varios muertos o fallando, en los grado médico esto no sucede. Es muy raro, a los sumo 1 o 2 que problemas de fósforo. Nivel de negrosSon malos para lograr negros, siempre tienen un deje grisáceo. Producen muy buenos negros por su principio de funcionamiento Contraste El producir malos negros hace que el contraste no sea tan bueno pero hoy en día llegan a grandes valores. Producen buen contraste dados sus buenos negros. CostoMas caros que los CRT pero con una vida mucho mas larga.Baratos pero con menos vida util. Niveles de grises Niveles de grises discretos al ser digital, usualmente 256 o mas en monitores grado médico. Escala continua de ajuste de grises. Artefactos de movimiento En principio tenían tiempo de respuesta bajos, hoy en dia han mejorado. No muy importante en aplicaciones médicas. Buen tiempo de respuesta. EnvejecimientoEnvejecimiento del backlight, independiente de la imagen mostrada. Envejecimiento del fósforo, dependiente de la imagen mostrada. ResoluciónMuy buenos en su resolución nativa, no tanto en otras.No es necesario ajuste si se sale de su resolución nativa. Angulo de visión Ángulos de visualización bastante acotados, mucha variación de contraste y color al mirarlo no perpendicular. Esto esta muy mejorado en los grado médico. Buena visibilidad de diversos angulos.

Parámetros importantes de un monitor Existe una serie de parámetros que van a definir las prestaciones de un monitor. Varios de ellos son fundamentales a la hora de distinguir un monitor grado médico a uno estándar doméstico. Importantes:  Resolución.  Luminancia.  LUT, GSDF.  Contraste.  Etc.

Tamaño Medida de la longitud de la diagonal del monitor. Se mide en pulgadas. El tamaño máximo para uso en diagnóstico es 21”. 18”, 19”, 20” o 21” son los usados. Tamaños mayores no se usan, no confortables para visualización a una distancia típica de 18”, produce fatiga muscular en cuello y cansancio. Considerar tamaño del marco, 0,5” a 2” en LCD y hasta 3” en CRT. Importante en uso de múltiples monitores.

Resolución Es el número de píxeles que posee el monitor. Pixel: pix = picture, el = element. Es la únidad básica de la imagen mostrada por un monitor. La resolución es el número total de píxeles con que cuenta el monitor, cuantos píxeles horizontales y verticales.

Existen 2 grandes categorías a considerar. Radiografía y todo lo demás. Aquellas modalidades cuyas imágenes originalmente eran o son obtenidas mediante exposición directa del film requieren mas alta resolución. Esto es:  Radiografía convencional (tórax-abdominal, huesos, etc) ya sea digitalizada mediante CR o DR. También quedaría incluida mamografía (técnica de mayor resolución debido a la visualización de micro calcificaciones)  Todo lo demás: CT, MR, US, NM, Fluoroscopia, Angiografía, etc. Usar mas resolución de la necesaria no es mejor. Resolución por modalidad

Parámetros según modalidad ModalidadB&W o ColorOrientaciónResoluciónNro. de monitores US/NMColorLandscape1.2MP1 CT/MRColorLandscape1.2MP (1280x102 4) 2MP 2 Angio/DSAB&WLandscape2MP (1600x120 0) 2 FluoroscopiaB&WPortrait/ Landscape 2MP1 Radiología Tórax B&WPortrait3MP (2048x153 6) 2 Radiología esqueleto B&WPortrait/ Landscape 3MP2 MamografíaB&WPortrait/ Landscape 5MP2

Luminancia Intensidad luminosa:  Cantidad de flujo luminoso (lúmenes) que emite una fuente por unidad de ángulo sólido.  Unidad: candela (cd)  1cd = 1lm/sr. Luminancia:  Densidad superficial de intensidad luminosa que emerge de una superficie siguiendo una dirección determinada.  Unidad: cd/m2 = nit.

Luminancia Monitores convencionales 280 a 300 cd/m2. Monitores grado médico 800 a 1000 cd/m2. No usan esos valores, tipico 400 a 500 cd/m2. Sistema de realimentación para compensar envejecimiento del tubo de luz (backlight).

JNDs Just Noticiable Difference. Definido en la norma Dicom. Es la diferencia de luminancia mas pequeña que el ojo humano promedio puede percibir en ciertas condiciones y niveles de iluminación. Mayoría de los displays tienen 256 niveles de gris. Se busca que el médico que va a realizar el informe visualice correctamente todos los niveles. Para esto necesito al menos 200cd/m2 de luminancia del monitor utilizado. CRTs max. aprox. 400cd/m2, LCD max. aprox. 1000cd/m2 (aunque no se usa todo). Mas luminancia es mejor?, mayor luminancia = mayor JNDs/nivel de gris, pero…….

Curva Dicom GSDF Proceso de representación de una imagen en un monitor. Pasos:  Volcado de la matriz de imagen digital en la memoria de la tarjeta de video.  Corrección de los valores digitales, a niveles digitales DDLs mediante uso de la LUT ("Lookup Table") preestablecida (curva gama). Obs: la LUT puede estar en el propio monitor también.  Conversión D/A mediante un DAC, teniendo así niveles de tensión analógica a ser aplicado al monitor.  Transducción de valores de voltaje en valores de luminancia en la pantalla del monitor En CRT, tensión aplicada sobre los electrones que incidirán sobre el fosforo del minotor variando así la luminancia de cada pixel. En LCD será la tensión aplicada a cada pixel de la matriz TFT.

Curva Dicom GSDF Es tal vez uno de los parámetros que mas distingue a un monitor grado médico. Cada monitor tiene su curva gama y por lo tanto una misma imagen se ve diferente según el monitor que en el que se la mire. Esto es inadmisible para imágenes médicas. El estándar Dicom, define cual debe ser esa curva gama para un monitor grado médico, monitor que será utilizado en el diagnóstico de imágenes médicas. Dicha curva recibe el nombre de GSDF (Grayscale Standard Display Function).

Curva Dicom GSDF J1 J2 L1 ~3 cd / m 2 L2 ~ 150 cd/ m 2 Niveles de percepción J1 = J2 Incremento en luminancia L1 << L2 El ojo humano no tiene un comportamiento lineal en cuanto a lo que ve de una escala de grises. Curva de Barten.

Curva Dicom GSDF El ojo humano es mas sensible en los negros que en los blancos, es capaz de diferenciar más niveles de gris con menos luminancia.

Curva Dicom GSDF Lo que busca dicha curva de corrección es una relación lineal en la percepción de los tonos de gris. Se debe utilizar una LUT adecuada para realizar esa corrección. LUT (Look-Up Table): espacio de memoria entre la tarjeta de video y el monitor que mapea los niveles de entrada digitales (DDLs) en valores de luminancia que son mostrados en el monitor. Dicha LUT pude estar en la propia tarjeta de video y “compensar” la curva gama del monitor o puede estar en el propio monitor grado médico. Se dice que la LUT tiene x bits de entrada e y bits de salida, por ejemplo 8-10 o Además z bits de ancho que depende del niveles de grises que es capaz de mostrar el monitor.

Curva Dicom GSDF Ejemplo:

Supongamos que queremos representar una línea que va del blanco al negro y consta de 256 pixeles. Quiero que dicha representación se “perciba” lineal. Cuento para ello con un monitor de 10 bits (1024 niveles de grises). LUT

Curva Dicom GSDF Ejemplos:

Relación de contraste Indica que tan negro son los negros y que tan blancos son los blancos. Es la relación que existe en entre el nivel de mínima y el de máxima luminancia. Existen varias formas de medirlo y muchas veces no es comparable de forma simple entre diversos fabricantes. Muy dependiente de las condiciones del ambiente, luz externa reflejada en el monitor. Relación de contraste estático: es la diferencia máxima que se puede lograr de blanco a negro en un mismo momento de tiempo en una misma imagen mostrada en el monitor. Relación de contraste dinámico: igual a la estática pero puede ser en instante de tiempo, en imágenes mostradas, diferentes. Variación del backlight. Estrategia de marketing. Relación de contraste. 300:1, 700:1, 1000:1, etc. Es muy importante el cambio con el ángulo de visualización.

Relación de contraste Métodos de medida:  "full on/off contrast“: se pone la pantalla totalemtne negra y se pone luego totalmente blanca (niveles mínimo y máximo de luminancia) y luego se haya la relación entre dichas luminancias. Médida de contraste dinámico.  "ANSI contrast”: se utilizan patrones preestablecidos de cuadros blancos (8) y negros (8) que van variando y luego se saca el promedio del nivel de blancos y negros y se comparan. Medida de contraste estático. Usualmente “full on/off contrast” da mejores valores que el método de ANSI, pero no son comparables los resultados.

Orientación del monitor El médico radiólogo esta acostumbrado a ver placas, usualmente 14x17in. Monitor de 21”: 12.5x16.6in. Perdida del 20% del tamaño + barras de herramientas. Opción zoom presente en todo los programas de visualización. Variabilidad en formatos de placas, torax, extremidades, etc. Orientación: Portrait o Landscape. Monitores estándar generalmente Landscape. Grado médico generalmente portrait.

Otros parámetros a considerar Angulo de visualización: en grados pero debe especificarse la relación de contraste mantenida. Muy malo en monitores estándar. Además deben especificarse ambas direciones, vertical y horizontal. Rango de escala de grises (salida de la LUT), cantidad de niveles de gris que es capaz de mostrar el monitor. Los monitores estándar son de 8bits (256 niveles de gris), los médicos hay de 10 y de 12 bits. Consistencia en la imagen. No debe haber cambios a lo largo del tiempo. En los monitores estándar por ejemplo la luminancia decae con los años, los grado médico utilizan técnicas de compensación de dicho decaimiento. Variación en el backligth, realimentación detrás o delante de la matriz TFT

Otros parámetros a considerar Uniformidad: Se debe lograr uniformidad en la luminancia de toda la pantalla. En los monitores estándar, las uniformidades entre el centro y las esquinas pueden llegar a se de hasta 25 a 30%. En un grado médico no pude superar el 5 a 10%. Se debe cumplir con las normas de seguridad para equipos médicos. No olvidar que un monitor puede estar en un CTI o en un quirófano por ejemplo. Controles de calidad períodicos. Se debe contar con instrumental para garantizar periódicamente que dichos monitores estén en especificación. Dependiendo el parámetro a controlar, se recomienda hacerlo cada un máximo de 3 meses.

Monitores estándar vs. Monitores grado médico Primero hay que establecer el uso que se le dará al monitor, en que tipo de estación será utilizado.  Monitor que es parte del equipo de adquisición.  Estaciones de diagnóstico.  Estaciones de revisión. A las dos primeras debemos garantizarle una calidad de imagen óptima. A la última no es necesario, generalmente es utilizada junto con el informe escrito que fue hecho por el médico radiólogo en una estación de diagnóstico.

Monitores estándar vs. Monitores grado médico Diferencias en el proceso de fabricación:  Numero de píxeles, resolución.  Pixeles muertos.  Luminancia mayor, filtros de color eliminados logrando así: mayor luminancia. 3 veces mas niveles de gris.

Monitores estándar vs. Monitores grado médico No se dispone de la posibilidad de calibrar el monitor a partir de la curva GSDF. Niveles de luminancia bajos. Monitores color, los grises son obtenidos como suma de los 3 colores R, G y B. Usualmente monitores blanco y negro, algunas aplicaciones de monitores color. fMRI, Medicina Nuclear, Ecografía, etc. No poseen compensación de luminancia por desgaste del backlight

Monitores estandar vs grado médico

Evaluación de calidad Evaluación de resolución espacial. Fantoma de barras.

Evaluación de calidad Evaluación de resolución de densidad. Fantoma Step-Wedge

Patrón de calidad SMPTE

Referencias _reasons_to_use_a_medical_display_system.p df aracteristics_of_CRT_and_LCD_displays.pdf ayscaleResolution.pdf ired_Grayscale_Accuracy_in_Medical_Displays (En)_V10.pdf