Kontrolle der Bildqualität klinischer B-Mode-Ultraschallgeräte –

ORIGINALARBEIT

Kontrolle der Bildqualitat klinischer B-Mode-UltraschaUgerate Kenngro8en und Bewertungskriterien C. Kollmann, H. Bergmann Institut fur Biomedizinische Technik und Physik, Allgemeines Krankenhaus Wien

Zusammenfassung Es wird ein fur die kfinische Routine geeigneles Uberprii!ungskonzept vorgestellt, das die Eljassung verschiedener Abbifdungs-Kenngroj3en eilles B-Mode-Ultraschallsystems beinhallel. Die entwickelten Kenngro.fJen erlauben es. die Funktiol1seigenschaften des Systems ohl1e spezielle Mej3einrichtungel1 mit Hille von Ullraschallphantomen ZU iiberpriifen. Die auf die Kenngroj3en angewandten Bewertungskriterien werden erliJ!//€n. In einer zweilen Arbeit soli das entwickelte PriijprotokoLL anhand praktischer Beispiele verdeutlicht werden.

Abstract A concept of quality control suitable for routine operation in hospitals is presented. By measuring various image parameters of an ultrasound B-mode system it is possible to evaLuate the performance of a system without the need for specialized instrumentation. using suitabLe ultrasound phantom.s. Reasonsfor the choice of the rating criteria will be given. Tn a second paper the applied test proto 'of will be explained in the context of some practicaL examples. Key Words: Qualitat kontrolle Ultraschall-B-Mode KenngroBen Bewertungskliterien

Einleitung In del' modernen Medizin finden kompliziene und ko·teninten ive bildgeb nde Diagno egerate ein breite insatzfeld. Auch im Bereich des Ultra chall (US) haben bild·· gebende Diagno egerate durch Einfiihnmg del' Computertechnologie eine bedeutende QuaLitiitsverbes erung erfahren. Zm Sicherung del' optimalen Einsatzbereit chaft del' modernen US-Gerate ist e unabdingbar Qualitiit kontroUmaBnahmen periodisch durchzuftihren, urn etwaige Vel'anderungen del' Abbildungsgtite fe t lellen zu konnen. Ein Programm zul' Qualitatskontrolle des Itraschallbilde enthalt drei w.ichtige Punkte: • periodi ch Mes ung von Kenngro13en del' Bildgtite, • Vergleich mit den Toleranzgrenzen del' KenngroBen, • Instandsetzung, falls erforderlich. 1m weiteren wird auf den letzten Punkt nicht naher ino-egangen da eine In tandsetzung und Warnmg nur dul'ch den Her teller optimal gew1ihrleistet ist.

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1m vorJiegenden Bericht wird ein auf international eingefUhrten Mef3methoden [26,7 10,13,17,19.25] beruhendes, neu entwickeltes MeBpl'otokoll vorgesteHt da eine Vielzahl von KenngroBen des Ultraschallbildes erfaBt. In del' dargesteHlen Oberprtifungsprozedur werden diese KenngroBen fUr vel'schiedene US-Sy teme (System = US-Gerat + Schal1kopt) ermittelt, und anhand von unten erlauterten Kriteri· n und von in del' Literatur vorgeschlagenen Toleranzen [4,9,18,21] wird eine Bewel'tung del' Abbildung gtite vorgenommen. Zeitliche Anderungen in del' Abbildung qualitat werden dadurch erkennbar.

Spezifizierung und Messung dcr Kcnngro6en Zur PrUfung del' Abbildungsgtite klinischer bildgebender US-Gerate und zur Erk nnung mit del' Zeit eventueH eintretender Veranderungen (Alterung, Defekte) an den Systemkompon nten, besonders an den Schallkopfen. ind Me. ,ungen an US-Phantomen [22,23] besonder geeign l. Ftir

Z. Med. Phy.. 5 (1995) 74 - 80

Kontrolle der Bildqualital klinischer B-Mode·Ultraschaligerale

Tabelle I Zusammenstellul1g der GUS der Literalur bekannlen Toleranzwerle.fii.r die betrachteten KenngriJjJen Kenngr6Be

Toleranz

Visuelie Inspektion

Literalur

keine

Slrahlprofil - Scan-Ebene - Elevationsebene Kalibrierung - Tiefen-MeB-

[9]

-

[2,4,9,21 ]

±1-2 % ±1-2 %

Skala-CaliperUbereinstimmung Aufl6sung -axiale -Iaterale - funktionelle

±1-2 %

[4,9]

0,5-1 mm 1-3 mm -

[4,9] [4,9]

Definition

-

Fill-in

-

Sehwinkel

-

Dynami kbereich - US-System (min. Auf16sung) - Bildschirm - Hardcopy

±3dB

[3]

35 dB 35 dB

[3,8] [3]

Signal-Rausch-Verhaltnis

-

Grauwert-Vergleich

-

Totzone

[9]

4mm

maximale Eindringtiefe

-

Untersuchungen tiber die hier berichtet werden soU wurden zwei Vielzweek-Phantome (Model 515 u. 539 der Fa. ATS Bridgeport. USA) eingesetzt mit denen b stimmt KenngroBen der Bildgtite ennittelt wurden. Die Enniltlung der einzelnen KenngroBen wurde nach EinsteLlung auf bestm6gHehe Abbildung auf dem Bildsehirm bei geringster Manipulation am Gerat vorgenommen, d.h., TGC-Einstellungen und das multifokale Scannen wurden bei allen Geraten ausgesehaltel, und die Filter- und Postproees ing-Optionen wurden nach Erfahrungen aus Vorver uchen 0 gewahlt daB,

Tabelle 2

Klassifizierun.g des Signal-Rausch- Verhaftnisses

Nutzsignal

Bildhintergrund

stark normal schwach

schwarz graulich grau/weiB oder Speckles

Klassifizierung ~

exzelient gut

~

schlecht

~

fall nieht die Grundeinstellung verwendet wurde nur eine geringe Bildveranderung eintrat. Diese als "optimal" betrachteten Einstellungen wurden notiert. urn ie bei folgenden Me. sungen reproduzieren zu k6nnen. AuBerdem wurde zur Archivierung und zur Kenngr6Benauswertung fUr jede mit diesen Einstellungen dargestellte KenngroBe jeweils ein Bild ehirmphoto angefertigt. 1m folgenden werden nur diejenigen KenngroBen spezifiziert, und e wird der dazu notwendige MeBablauf beschrieben, die nicht den AIUM/lEC StandardmeBmelhoden [2 19] ent prechen oder die an die verwendeten Phantome angepaBt wurden [3]. KenngroSen, die nur mit einem bestimmten Phantom emlittelt werden konnen sind im Text speziell vermerkt. Aile erfaBten KenngroBen eines Schallkopfe sind in Tabelle 1 aufgeftihrt.

Visuelle lnspektion: Bevor ein US-Gerat in Betrieb genomm n und eine Qualitl:i.t kontrolle durchgefUhrt wurde, erfolgte eine sorgfaltige visuell In pektion de Gerates. die eine Uberprtifung der Scballkopfe, d r I ktrischen Leitungen und Steckverbindungen auf moglicbe Schaden hin b inhaltet . Die.e In pektion ging damil liber den gesetzlich vorge chriebenen rein elektri chen Sicherheitscheck hinaus. StrahJprofiI:

Um das bildwirk ame Strahlprofil eine Schallkopfes zur Ermittlung de Foku'bereich oder des Obergangs zur Divergenz abzuschatzen, muG man berlick ichtigen, daB die Schallkeule dreidimen. ional is!. AI MaS ftir die Strahlbreite wurde die darge tellte Targetbreite (. lice-width) in der Scan-Ebene geme en. Al MaS fUr die Strahldicke diente die darge tellte Targetbreite in der EI vation eben (licethickness) [14,24,27]. Unter Umstanden Liegen die Foci in beiden Ebenen nicht in der gleichen Tiefe (Abb. Ia,b). Zur eind utigen Be timmung d r Foku lagen wurden die folgenden Messungen durchgeftibrt: a.) Scan-Ebene (Messung der Strahlbreite): minimale Strahlbreite in der ober ten okalzone (Bereich bester ob rnaeh nnaher uflo ung) - Strahlbreite in der groBt n Eindringti fe bei gleichbleib nder Foku einstellllng wie oben (Mes. ung der Strahldivergenz mit der Eindringtiefe) - minimale Strahlbreite in der tiefsten Fokalzone (Messung der StraWkonvergenz mit der Eindringtiefe). b.) Elevation ebene (Messung der Strahlbreite mit dem Phantom Model 539): Der Schallkopf wurde Zll diesen Mes ungen Um genau 45 0 gegenliber der bil herigen Scan-Ebene gekippl. Bei die em Winkel gleicht die dargestellte Targetbreite in etwa der Oi. talll die der Strahl durch die dafUr vorge. ehenen dtinnen Linienreflektoren im Phantom zurtickJegt, und damil der Strahldicke. Um den Winkel mtiglich I genau einzu tellen.

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Kontrolle der Bildqualitat klinischer B-Mode-Ulltaschaligeriite

wurde eine eot. prechende HaIlerung fur die benutzten Phantome angefertigt. ach die en vorbereilenden chrinen wurden folgende Messungen durchgefUhrl: minimale Strahldi ke in del' ober ten ·okalzone, Strahldicke in der graBlen Eindringtiefe bei gleichbleibender oku_ einstellung, minimale lrahldicke in del' tiefsten Fokalzone; in die er Einstellung solllen die Strahlbreiten v n Scan- und Elevalion ebene Uberein limmen. Die Au me. ung del' Strahlbreilen bzw. -dieken erfolgte mittels Schublehre am US-Bild de. Phantom, (Fehler: ca. ± 5 %). Sofern da US-Bild digilal vorlag wurde e in das Bildverarbeitung 'programm A ALYZ ™ [26] eingespielt, und die Slrahlbr ire wurde mit dem dort ZUI" Verrugung stehenden eBzirkel (Caliper tool) ausgemes en (-6 dB Breile). Ein Bei pi I fUr die Be. timmung del' Strahlbreiten io del' ober ·ten Fokalzone (I) und in del' graBten indringtiefe (2) zeigt Abb. 2.

Tiefen-Kalibrierung, fcfi-Kalibrierung, kala-Calipcr-Ubercin timmung: Hierzu wurden die darge tell ten vertikaleo bzw. horizonlalen Slabab tande im Phantom auf .. quidi taoz geprUft. Ferner wurd tiber eine vertikale Stabdi tanz von 10 cm und eine horizomale Di lanz von minde ten 2 cm Ge nach Bildau schnitt. graBe) die Uberein tim mung del' durch da Phantom vorgegebenen b Lande mit der Anzeige der Caliper Uberprtift. AuB rdem wurde am Au gabebild der Caliperanzeige ein Vergleich mit den tatsachlichen Abstanden im Bild durehgefUhrt.

a b Abbildung J Messllng von Srrahlbreile Lind Strahldicke millels Tesrphanrom. Tiefenbereich 0 bi 0 mm; langste Fokalzone des US- ysrems. (a) Srrahlbreite, Fokus ca. 18 mm rief (b) Srrahldicke, Fokus ca. 28 mmlief

Axialellaterale Auflosung: Hier wurde ernlittelt, weJcbe minimalen vertikalen bzw. horizontalen Ab tande zwischen Liruenretlekloren del' Schallkopf in einer beslimmten Tiefe noch aufzulO en vermag. Die Reflektoren lagen in dem Phantom in 7 em Tiefe und hatten Ab tande von 5 bi 1 rom sowohl horizontal als aucb vertikal zu inand r. Al Kriterium fUr eine Auna ung eng benachbartel' Retlektoren galt rue komplette und untercheidbare Abbildung beider Retlekloren in dem US-Bild.

FunktioneUe Autlosung: Da Gerat wurde 0 eingestellt, daB der Bereicb del' zYlindriscben, ecboarmen Target mit el' cbiedeoem Durchmessel' (2; 4' 6' 8 mm) in vel' chiedenen Tiefeolagen be lmaglich abgebildel wurde ( . Abb. 3a). Mit die en Ein tellungen erfolgte dann die Be limmung del'jenigen Tiefe, bei del' auch die klein te TargetgraBe noch al deutlich von del' Umgebung abgehobener Krei komplett iehtbar war.

Definition & Fill-in: Zul' Uberprtifung del' Abbildungseigenschaften eines Sehallkopfes wurden die echoarmen Phantom-Targets, die

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Abbildung 2 Beispiel zur Ausme ung del' Strahlbreite in zwei Tie/en. I: oberste Foka/zone, 2: maximale Eindringtiefe.

Kontrolle der Bildqualitat khOischer B-Mode-Ultmschallgerate

a

b

Abbildullg 3 Beispiele zur Bewertung der Target-Form (Definition) und RandunschtiJfe (Fill-in). (a) Mit "exzellent" bewer/efe TargeT-Definition (zirkular) und miT "exzellenf" bewerTetes Fill-ill (schaifer Obergang). (b) Mi((Lere bis schlecllle Target-Definition (elliptisch) und starkes Fill-in (fast kein sauberer Rand, Speckles).

a b Abbildung 4 BeispieL ZUI/1 Signal-Rausch- Verhiiltnis ( NR). (a) Mit "ex 7 ellent" belVertetes SNR (starkes Signal, schlVarzer Hilltergrwld) bei Gain = 7 dB. (b) Mit "schlecht" belVertetes SNR (schwaches Signal, grau-weifJer Hillfergrund, Speckles) bei Gain = 20 dB.

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Konlrolle der 8ildqualital kllnischer 8-Mode-Ultraschallgerate

im Querscbnitt rund ind, abgebildet. Bewertet wurden Form (Definjtion) nnd Randun charfe (Fill-in) der Targetabbildungen. So konnen sicb unjdirektionale Ver chmierungen (Jitter) de abbildenden Gerates aI ellipti che Targetform au Bern (Abb. 3a,b). Die Darstellung des Obergang von den

Tabelle 3

Targetrandern zum Innenbereich sowie dje Innen. truktur selb t wurden auf Fleckenstrukturen hin unter ucht. Diese Flecken trukturen bezeichnen den EinfluB von Geriiterauchen (groBtentei Is Ver ·tiirkerrau chen) auf dje Bildqualitiit.

Zusammenstellung der Bewertu.ngskriterien

Parameter I Messung exzellent(E)

Kriterien und Bewertungen gut (G)

schlecht (P)

Strahlprofil (Strahlbreite und -tiefe 1. 3-10 MHz) a.) min. Strahlbreite x in der 1. oder langsten Fokalzone Linear-array Sektor-array

1
x~2mm

x:5 3 mm

b.) min. Strahlbreite x in der gr6Bten Tiefe Linear-array Sektor-array

x:5 3 mm x:5 3 mm

3
x;:':4mm x;:,:5mm

x;:,: x;:,: x~ x~

220 mm 132 mm 88 mm 66 mm

180 < x < 220 mm 108 < x < 132 mm 72 < x < 88 mm 54 < x < 66 mm

x ~ 180 mm x ~ 108 mm x ~72 mm x ~ 54 mm

x ~ 200 mm

150 < x < 200 mm

x:5150mm

Totzone

x<4mm

x=4 mm

x>4 mm

Definition

zirkular

zirk.lellipt.

elliptisch

Fill-in

definierter (starker) Ubergang

Durchbruch

fast kein Ubergang

1 mm x:5 2 mm 1 mm

2mm 3mm 2mm 3mm

x;:,:3mm x>3mm x;:,:3mm x>3mm

3mm

max. Eindringtiefe Linear-array

f N = 3 MHz f N = 5 MHz f N = 7,5 MHz I N= 10 MHz

Sector-array

max. Auflosung (fUr 3 - 10 MHz) Linear-array axial lateral Sector-array axial in 50 & 100 mm Tiefe: lateral in 50 &100 mm Tiefe:

x~1mm

x~2mm

x~4mm

Funktionelle Auflosung (fUr 3 - 10 MHz) Linear-array in 80 mm Tiefe: Sector-array in 40 mm Tiefe: in 100 mm Tiefe:

2mm 4mm 2mm

-

4mm

x>3mm x>4mm x;:,: 6 mm

Tiefen-Kalibrierung, MeB-Kalibrierung & SkalaCaliper Ubereinstimmung

x < ±2 %

x=±2%

x;:':±2%

Empfindlichkeitsanderung

x < 3 dB

x = 3 dB

x> 3dB

Registrierung

x<3mm

x=3mm

x>3mm

Grauwertvergleich Vergleich Monitor/Drucker

x < ± 2 SIW-B

x = ±2 SIW-B

x> ± 2 SIW-B

Dynamikbereich sichtbare Zylinder

± 15, ± 6, ± 3 dB

± 15, ± 6 dB

nur ± 15 dB

AbkOrzungen: IN: Nominalfrequenz; SIW-B: SchwarzIWeiB-Balken

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Konlfolle der Bildqualitlit klinischer B-Mode-Uitraschallgerlite

Sehwinkel (angle of view, Phantom Model 515): Di Db rprUfung des maximal abgebildeten Phantomausschniue durch einen Sektorschallkopf erfolgte durch eine speziell angeordnete Targetreihe im Phantom. Dazu wurde die bestmoglich Abbildung am Gerat und die fUr den jeweiligen Schallkopftyp groBte Eindringtiefe eingestellt.

Kontrastempfindlichkeil (dynamic range, Phantom odeI539): In dem verwendeten Phantom waren an einer Seite 6 zylindrische Target mit J5 mOl Durehme . er und abge tufter chogenitat eingela sen. Das US-Gerat wurde so auf diese Targetreihe eingestelll, daB die beiden Targets mit + 15 dB bzw. -15 dB Dampfung gut ichtbar wurden. AnschlieBend wurde be. timmt, ob die weniger kontrastreichen Target. (± 3 dB ± 6 dB) bei unveranderter Einstellung auch n h ichtbar waren.

Signal-Rausch-Verhiiltnis (SNR): Gerate- od I' Eig nrauschen verursaeht bei B-Mode-Geraten einen grau geWnt n Hintergrund im US-Biid. FUr die praktische Abschatzung des Signal-Rau eh- V rhaltnis e wurde eine KJassifizierung gemaB Tab lie 2 vorgenomm n: Die Intensitat des Nutzsignals (Target o_a.) im BiJd wurde bzgJ. der Intensitat des Bildhintergrundes visuell beurteilt. Zwei Beispiele zur Bewertung des S -Verhaltnis es zeigen Abb.4a,b.

Grauwert-Vergleich: Dieser Te t diente der PrUfung zur bereinstimmung der WiedergabequaJirar von Monitor und Hardcopy. Obwobl dieser Test kein Qualitat kriterium des US-Sy tems im eigentJiehen Sinne dar telJt kommt ihm docb eine groBe klini. che Relevanz zu (z.B. bei der Befundung oder der Dokumentation der Krankengeschiehte an hand versehiedener Aufnahmen, etc.). Er wurde ganzlich ohne Phantom dllrchgefUhrt. Hierbei gentigte ein visueller Vergleieh zwischen Monitor- lind Hard opydarst lIung der von einem US-Gerat erzeugten Grauwertabstufungen. (Die in lInsere Unter uehung einbezogenen Gerate hatten aile egm nti fte Graustufenkeile.) Zunach t wurde b i allen Monitoren mit Hilfe del' Monit rpot ntiom t r di groBtmogliche Anzahl an Grauwertab. tufungen einge tellt (z.B. 17 Balken). Ansch1ieBend wurde eine Hardcopy erstellt. um Wiedergabeunterschiede festzllstellen. Die Anzahl del' i htbar n GrauwertBalken und die Unterschiede zwischen beiden Aufzeichnungsgeraten wurden notiert. ach detektierter verminderter Anzahl an Grauwert-Balken erfolgte eine Optimierung der Einstellung des Hardcopy-Gerates.

Festlegung einer Bewertungsskala Aufgrund von Vorarbeiten [5] mit verschiedenen USSy temen konnte eine BeweIttlOgsskala fUr die KenngroBen (Tab. 3) er tellt werden, die . ich bei allen nachfolgenden Oberprtifungen bewahrt hal. Die Bewertung be teht au drei

Graden (exzellent, gut und'chlecht) und i t in jedes Testprotokoll mit aufgenommen worden. Die Bewertungsskala wurde unter BerUck'ichligung der in der Literatur [24.8 9 18.21] schon bekanoten Tol ranzwerle del' einzelnen Kenngr0f3en festgelegt (Tab. 1). Einige Toleranzwerte wurden im Rahmen diesel' Arbeit auch erstmals definiert: So sttitzte sich die Bewertung del' maximalen Eindringtiefe auf die Berechnung der theoretischen Schallpfadlange bei einer Dampfllng de Signal von angenommenen 60 dB Hin- und RUckweg) unter Einbeziehung del' gegebenen ominalfrequenz de SchaJlkopfes und einer Dampfungskon tanten, die dem doppelten Wert der speziellen Dampfung, kon tanten de' Phantom material entsprach (Toleranz: ± 3 dB '" ca. ± 10 %). EbenfaJls wurde eine Bewertung skala fUr den GrauwertVergleich zur vi uellen Enniltlung der maximal dar t IIbaren Anzahl unter chiedlich r Grauw rte auf dem Bild chiI'm lind der Hardcopy und zur PrUfung ihr r Db r in timmung erstmalig aufge tellt. Die e Prtifung hat groBe klinische Bedeutung: FUr eine gute Befundung oder fUr einen V rgleich von Befunden ist e fUr den Kliniker auBerordentlich wichtig daB die GUte del' ihm vorliegenden Aufnahmen optimal i t, und di klini ch relevanten Bildmerkmale, die er auf dem Monitor vorfand, spater auch auf einer Hardcopy dargestellt werden. Unter Annahme, daB bei heute Verwendung findenden Bildschirmen und Hardcopy-Druckern Olinde tens 17 unter chiedliche Schattierungen egmentiert und vom Betrachter wahrgenommen werden konnen, orientiert ich die in Tab. 3 verzeichnete Bewertung kala fUr die maximal dar, tellbare Anzahl del' Grauwerte an einer Toleranz von ± 2 Grauwerten. Zur Beurteilung del' Obereinstimmung zwi chen Bildschirm und Hardcopy wurde das Gerat mit der groBeren Anzahl an dar'tellbaren Grau. tufen als Bezugsgerat verwendet. Lag die Abweichung in der Anzahl dar tellbarer Grauwertab tufung n bei der Hardcopy auB rhalb iner Toleranz von 2 GrauweJ1-Balken so wUIde die Grausrufen-Darstellung der Kamera oder des Films Uberprtift oder nach erfolgloser Priifung eine Reparatur de betreffenden Gerates veranlaBl. Die Bewertung des Ubergangs von echoreichen (Target) zu echoarmen Regionen (Targetinneres) im US-Bild mittel der KenngroBen "Definition' und ,Fill-in' (Abb. 3a,b) erfolgte au" dem Grund da auftT tend Grau'chanierungen oder Speckles in die em Bereich den Eindruck der Kant nscharfe veranderten und als ein Aspekt fUr vorhandene. Geraterauschen gedeutet wurden. Eine Korrelation zwischen del' Bewertung des Fill-in lind des S R konnte gefunden werden: Die Bewertungen erwiesen ich immer al nahezu identisch. Die Bewertungskriterien fUr die Ubrigen KenngroBen wurden anhand aJlgemein akzeptierter Grenzwert festgelegt, wobei dem Grenzwerl elbst eine gute Bewenungsstllfe zugewiesen wUJ·de. Die vorgestellten Verfahren . ind zwar auf zwei pezielle Phantome zuge chnitten, konnen aber auch ohne groBere Schwierigkeiten mittel der zugrundelie-

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Kontrolle der Bildqualilill kJinischer B-Mode-Ultraschallgerale

genden Uberlegungen und Testmethoden an US-Phanlome anderer Her teller adaptiert werden. Ober den ge etzlieh vorge. ehriebenen elektri chen Sieherheits-Check, der die riehtige Erdung des Gerate beinhaltet, hinau gehend, sollte eine sorgfaltige vi uelle In pektion VOl' Inbetriebnahme des Gerate durehgefLihrt werden. Gerade bei den haufig bewegten S-Systemen traten einige Falle von Einri sen im SchaUkopfkabel durch Einklemmen in den Radverkleidungen auf. Die e OberprUfungen ollten nieht nul' von dem Medizin-Phy iker vorgenommen werden, del' die periodi chen Qualilalskonlrollen durchfUhrt, sondern aueh Uiglich von dem er len utzer d Gerates.

1101

crjl~ria.

1111

1121 113.1 n41

(151

1161 (17J

(l8J

1191 1201

Eingegangen am 25.4.94: zum Druck angenommen am 21.1.95

1211

[221

Literatur [ 11 [21

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[7\ 181

19J

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cr 06608. U

A

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