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L’obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di studiare alcune tecniche di riduzione del rumore in TC a basse dosi di radiazione.
Negli ultimi anni gli esami diagnostici che fanno uso di radiazioni ionizzanti hanno subito una forte crescita, in quanto permettono di effettuare diagnosi accurate, senza però essere invasivi. Questo ovviamente ha anche portato ad un incremento della prescrizione di tali esami e quindi dell’esposizione collettiva a radiazioni ionizzanti da parte della popolazione.
La Tomografia Computerizzata è ad oggi una tecnica diagnostica assodata e molto utilizzata, è quindi importante ridurre quanto più possibile la dose di radiazione, mantenendo la qualità dell’immagine ad un livello accettabile per poter effettuare la diagnosi.
Il filtraggio delle immagini è uno tra gli strumenti che permettono di ottenere immagini di buona qualità a dosi di radiazioni inferiori. Questi operano sia nello spazio dei sinogrammi, sia nello spazio delle immagini.
In questo lavoro di tesi viene sviluppato e studiato un nuovo filtro: il filtro multi scala, che appartiene alla tipologia dei filtri di smoothing edge preserving, ovvero filtri in grado di ridurre l’effetto del rumore preservando gli edge, cioè i dettagli
dell’immagine.
Il filtro multiscala è un filtro ibrido, che opera sia nello spazio del sinogramma che nello spazio dell’immagine ed è basato su un approccio iterativo, in quanto a partire da un sinogramma sottocampionato , viene ricostruita un’ immagine a bassa risoluzione, dalla quale vengono estratte delle informazioni per ricostruire l’immagine ad alta risoluzione. L’immagine finale è composta da una combinazione lineare dei pixel ricostruiti ad alta risoluzione, contenente i dettagli, e dei pixel provenienti dall’immagine a bassa risoluzione, meno rumorosa.
In questo lavoro di tesi, oltre all’implementazione del filtro, ne vengono studiate le proprietà e viene effettuato un confronto con il noto filtro bilaterale.
Questi vengono applicati su immagini simulate di un fantoccio computazionale Catphan TM, a diverse dosi di radiazione. Il filtro multiscala è stato implementato in ambiente MatLab per studiare le sue caratteristiche in termini di miglioramento dell’immagine e in seguito verrà sviluppato in un linguaggio C++ per poter verificare le sue performance in termini di velocità di ricostruzione.
L’algoritmo di simulazione dei sinogrammi TC è stato sviluppato nell’ambiente MatLab e le immagini vengono ricostruite utilizzando il software CTRecon sviluppato nel gruppo di ricerca.
Le caratteristiche di questi filtri sono state valutate utilizzando le metriche tradizionali nell’analisi della qualità dell’immagine: Contrast to Noise Ratio
(CNR), Edge Spread Function (ESF) e Point Spread Function (PSF) al variare della dose.
Il filtro bilaterale,è stato implementato per questo lavoro di tesi in ambiente MatLab, con una σ spaziale a cui sono stati assegnati i valori 1, 1.5 e 2 e una σ HU a cui sono stati assegnati i valori 0.001 e 0.009 rispettivamente per un mezzo della dose e una quarto della dose.
Dallo studio dei valori di CNR e della larghezza della PSF calcolati sugli inserti a basse frequenze spaziali, di diverso contrasto, per l’immagine a dose piena e per le immagini filtrate a un mezzo della dose e un quarto della dose, emerge
quanto segue.
Per quanto riguarda le immagini ad un mezzo della dose filtrate con il filtro multiscala, queste incrementano il valore del CNR, rispetto all’immagine a dose piena, di circa il 45% e decrementano di circa il 6% il valore della larghezza della PSF. Dal filtro bilaterale si ottiene invece un incremento del valore del CNR del 51%, 68%, 71%, per i valori di spaziale sopra riportati, a discapito di un aumento del valore della larghezza della PSF rispettivamente del 3%, 31%, 39%.
Per le immagini simulate a un quarto della dose filtrate con il filtro multiscala, il valore del CNR è inferiore del 8% rispetto all’immagine a dose piena, e il valore della larghezza della PSF è incrementato del 20%. Utilizzando il filtro bilaterale
si ottiene un incremento del valore del CNR del 1%, 30%, 42% e un incremento
del valore della larghezza della PSF del 37%, 40%, 46%, rispettivamente per i
valori di spaziale sopra.
Da quanto emerge dai dati, il filtro multiscala, migliora la qualità dell’immagine similmente al filtro bilaterale con spaziale σ = 1.
Un altro aspetto fondamentale del filtro multi scala, che è stato indagato in questo lavoro di tesi, è la riduzione del tempo di ricostruzione dell’immagine.
Nel caso analizzato,per un rebinnaggio 2x2, il rapporto teorico tra il numero di operazioni necessarie per la ricostruzione di una singola slice con l’algoritmo che prevede il filtro multi scala e l’algoritmo standard di retroproiezione è di
0.204. Questo significa che il tempo di ricostruzione previsto viene ridotto di circa 80%.
Gli stessi filtri vengono anche applicati, al solo fine dimostrativo, ad immagini reali fornite da Mayo Clinic (USA) nell’ambito del AAPM Low Dose CT Grand Challenge, anche queste acquisite a dose piena e ad un quarto della dose.