Diagnostica Per Immagini PDF

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Riassunto diagnostica per immagini...

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     Diagnosticaperimmagini 

CorsodilaureainInformatica A.A.2014/2015   AcuradiLucaTranfaglia

Prof.RenzoCampanella

Obbiettivo del Corso Acquisire una conoscenza di base dei principi fisici della formazione dell’immagine necessari per:! • Utilizzare metodi di imaging! • Interpretare le immagini acquisite! Imparare la terminologia

Breve Storia del Imaging Medica 1895 - Raggi X (Wilhelm Conrad Röntgen) Scoperta accidentalmente da Wilhelm Conrad Röntgen. Grazie alla scoperta dei raggi X è nata la radiografia che è la più diffusa tecnica di Imaging Medical. 1896 - Radionuclidi (Antoine Henri Becquerel) I primi impieghi di radionuclidi sono stati per diagnosticare diverse patologie. 1917 - Sonar (Paul Langevin) Tecnica scoperta a scopi militari , ma poi usato nell’ambito medico per l’Ecografie (Ultrasuoni). 1946 - Risonanza Magnetica (Felix Bloch, Edward Mills Purcell) Venne utilizzata inizialmente nell'analisi della chimica molecolare e della struttura dei materiali.

Introduzione alla Diagnostica per Immagine Dalla scoperta dei raggi X ad oggi, le nuove acquisizioni scientifiche e l'evoluzione tecnologica hanno portato a strumenti di indagine diagnostica sempre più affidabili, accurati e costosi. La trasmissione dell’ENERGIA nel corpo del paziente (MATERIA) può avvenire in due modi: 1. Energia non penetrante (non invasiva): senza l’utilizzo di radiazioni nucleari Dermatologia, Gastroenterologia 2. Energia penetrante - Radiodiagnostica Elettromagnetiche : Raggi X , Risonanza Magnetica Meccanica : Ultrasuoni

Radiazioni in Diagnostica per Immagine •

Trasferimento di energia da una sorgente ad un altro oggetto

•

Radiazione elettromagnetica Luce visibile, onde radio, raggi X, raggi γ Velocità : c = 2,998 * 108 m/s Periodo (T) sec Lunghezza d’onda λ=cT=c/n Frequenza : n = c/λ = 1/T [cycles/s, s-1, Hz]

Spettro Elettromagnetico

Considerazioni •

Diagnostic Utility (contrasto e localizzazione, sensibilità e specificità).

•

Paziente e personale di sicurezza (Esposizione a radiazioni, la tossicità, altri effetti collaterali)

•

Invasività (meno = migliori)

•

Praticità (disponibilità, la complessità…)

•

Supporto (servizio, elaborazione delle immagini, ...)

•

Costo.

Modalità •

•

Possibilità di visualizzare specifiche strutture anatomiche o fisiologiche dipendono da:

•

Radiografia/Fluoroscopia, mammografia

•

Tomografia Computerizzata (TC)

1.

Tecnica di imaging o "Modalità".

•

Imaging Nucleare Medical Planar

2.

Parametri di imaging.

•

Tomografia ad emissione di fotone singolo (SPECT)

•

Tomografia a emissione di positroni (PET)

•

Risonanza Magnetica (MRI)

•

Ecografia

Medical Imaging è una procedura di ottimizzazione con compromessi tra i diversi aspetti della qualità delle immagini, nonché:

Tipi di Imaging 1.

2.

3.

Trasmissione vs. Emissione •

Attenuazione dell’Energia esternamente (assorbimento e diffusione) -> Trasmissione dell’Imaging.

•

Interazione Interna (Metabolica o fisiologica) -> Emissione dell’Imaging

Statico vs. Dinamico •

Informazioni solo spaziale -> Statico: Struttura, Anatomia

•

Informazioni spaziali e temporali -> Imaging Funzionale

Tomografico vs. Proiezione

Proiezione vs Tomografia Proiezione Imaging! Immagini formate proiettando energia attraverso il corpo del paziente, formando una singola immagine.! Strutture sovrapposti uno sopra l’altro.

Tomografia Imaging! Tomos (‘parte’)+ grafhos (‘immagine’)! Immagini di piani o fette di tessuto selezionati.! Maggiore visibilità degli oggetti in una singola immagine, ma necessita di molte immagini per un intero sistema di organi.

Radiografia

RaggiX

Proiezione

Trasmissione

Fluoroscopia

RaggiX

Proiezione

Trasmissione

Computer Tomografia

RaggiX

Tomografia

Trasmissione

SPECT

Raggi X , γ

Tomografia

Emissione

PET

Raggi γ , ß+

Tomografia

Emissione

MRI

γ (10 - 300 MHz )

Tomografia

Entrambi

Ultrasuoni

γ (10 MHz )

Tomografia

Entrambi

Proiezione vs Tomografia

Procedimento per un Medical Imaging I componenti principali: • Oggetto (spettro) o Soggetto (paziente) • Sistema di imaging (scanner-hardware e componenti software) • Operator (selezione dei parametri, abilità) • Immagine (acquisizione, elaborazione, visualizzazione) • Osservatore (interpretazione delle immagini)

Caratteristiche di un’Immagine Qualità: applicata a tutti i tipi di immagini personale, dipende dalla funzione dell’immagine. In radiologia è definito principalmente attraverso la sua utilità diagnostica. Proprietà - misure dell'obiettivo: 1. Contrasto 2. Risoluzione 3. Rumore, Artefatti, e Distortion

Contrasto Il contrasto dell’Immagini medica è il risultato di molti passaggi che si verificano durante l'acquisizione, l'elaborazione e la visualizzazione delle immagini.! Subject contrast (Cs).! La differenza di qualche aspetto del segnale prima che venga registrato.! Risultato dell'energia utilizzata dipendono dalla modalità di imaging e l'anatomia o la fisiologia del paziente.! La quantità di contrasto può essere regolata cambiando i parametri del sistema di imaging.! Il contrasto in un'immagine è il rapporto o differenza tra il valore più alto (punto più luminoso) e il valore più basso (punto più scuro) della luminosità nell'immagine.

Risoluzione La capacità di un sistema di immagine per rappresentare distintamente due oggetti man mano che diventano più piccoli e si avvicinano.! Risoluzione spaziale (x, y, z dimensioni) - larghezza, lunghezza e altezza dell'oggetto.! Risoluzione temporale (dimensione t) - in tempo distinto in caso di imaging dinamico! Fonti fisiche di sfocature! Dispersione -> fisico! Movimento -> tempo, algoritmi di correzione! Geometria -> modalità di tomografia! Domini di Frequenza! Frequenza temporale (f)! Frequenza spaziale (F , k) -> F = 1 / (2 Δ) ! Se Δ è piccolo => F è grande! Se Δ è grande => F è piccolo

Rumore La natura ed entità del rumore varia notevolmente per le diverse modalità di imaging.! Gli effetti del rumore:! 1. Ridotta capacità di discernere oggetti a basso contrasto! 2. aumento della mascheratura di oggetti più piccoli (alte frequenze)! Fonti del rumore: rumore quantico, la sensibilità dei recettori, rumore elettronico, l'integrazione di immagini! Rumore = σ / N! Rapporto Segnale/Rumore : SNR = N / σ = N / (N)1⁄2 = N1⁄2

Artefatti e Distorsione Con il termine Artefatto vengono indicati quei disturbi dei segnali digitali, analogici o delle immagini, dovuti alla tecnica di acquisizione, di codifica o a diversi fenomeni interferenti che alterino il reale risultato finale del processo.! Per artefatto si intende la presenza indesiderata di una forma su di un'immagine biomedica! La Distorsione è un difetto che mostra gli oggetti in direzione diversa da quella in cui realmente si trovano, ne esistono di due tipi: a cuscino e a barile, a seconda della curva concava o convessa che può assumere l'immagine distorta.! Se l'immagine è distorta la sua utilità diagnostica è notevolmente ridotta

Raggi X - Immagine •

Misura l'assorbimento della radiazione dei raggi X dalla sorgente ai recettori

•

Il Film dei raggi X ha una risoluzione molto alta

Raggi X - Proprietà Economico, ampiamente disponibile. Proiezioni bidimensionali (almeno due). Alta risoluzione, basso rumore (fluoroscopio). • Formato Film : livelli di grigio 64K • Immagini fluoroscopiche: qualità TV, 20 centimetri campo visivo. Bassa radiazione. L’immagine dell’osso e metallo si vede bene. Fluoroscopia: tecnica radiologica per ottenere immagini in tempo reale dell'anatomia interna di un paziente.

Ultrasuoni - Immagine Misurano le proprietà di rifrazione di un'onda ad ultrasuoni in quanto colpisce i tessuti. Nessuna radiazione Scarsa risoluzione, distorsione, rumore bassa penetrazione Una fetta 2D o più fette (2.5D) Economico e facile da usare Uso Pre-operatoria e intra-operatoria

Tomografia computerizzata TAC (tomografia assiale computerizzata) o TC, sfrutta radiazioni ionizzanti (raggi X) e consente di riprodurre sezioni o strati (tomografia) corporei del paziente ed effettuare elaborazioni tridimensionali. Per la produzione delle immagini è necessario l'intervento di un elaboratore di dati (computerizzata). Specifiche tecniche: Immagini scala di grigio 512x512 ,12bit dimensione 0,5 millimetri pixel affettare intervallo 1-10mm seconda anatomia 50-200 fette per studio Rumore in presenza di metalli • • •

Tutto digitale, stampata su film a raggi X Acquisizione 1sec/fetta (modelli a spirale) 15 minuti per la ricostruzione di immagini

Piano Trasversale Il piano trasversale, orizzontale o assiale taglia il corpo in due metà, una superiore e u

Piano Sagittale Il piano sagittale è un piano che decorre in senso antero-posteriore e divide un corpo in due a.

Piano Frontale Il piano frontale o piano coronale è un piano che corre parallelo alla fronte (o alla sutura coronale). Il piano coronale che suddivide il corpo in due metà di massa uguale è detto mediano. I piani coronali anteriori a questo (cioè verso l'osservatore) saranno detti "anteriori" o "ventrali", mentre "posteriori" o "dorsali" gli altri.

Imaging a Risonanza Magnetica MRI o RMT è una tecnica di generazione di immagini basata sul principio fisico della risonanza magnetica nucleare. L'aggettivo "nucleare" si riferisce al fatto che il segnale di densità in RM è dato dal nucleo atomico dell'elemento esaminato, mentre, nelle più diffuse tecniche di imaging radiologico, la densità radiografica è determinata dalle caratteristiche degli orbitali elettronici degli atomi colpiti dai raggi X. L'RM è generalmente considerata non dannosa nei confronti del paziente, e quest'ultimo non è sottoposto a radiazioni ionizzanti come nel caso delle tecniche facenti uso di raggi X. Principio simile alla TAC , TC, ma funziona sulle proprietà magnetiche della materia. Campi magnetici di 0,1 per 4 Tesla Caratteristiche di qualità dell'immagine simili alla TC Eccellente risoluzione per i tessuti molli Open MR: dispositivo intra-operatoria (solo 15 al giorno)

Imaging Medicine Nucleari La Medicina Nucleare è la branca specialistica della medicina che si avvale dell'uso di radionuclidi artificiali a scopo diagnostico, terapeutico e di ricerca biomedica. In una opportuna forma chimica o coniugati a molecole o cellule che fungono da vettori, i radionuclidi vengono introdotti nell'organismo sotto forma di soluzioni, sospensioni, aerosol o altro e possono comportarsi come traccianti funzionali, permettendo studi diagnostici "in vivo", o concentrarsi in tessuti patologici, permettendone sia il riconoscimento sia l'irradiazione terapeutica. La medicina nucleare è un servizio diagnostico spesso insostituibile in grado di fornire valide risposte a numerosi quesiti diagnostici. Al contrario delle immagini radiologiche, che vengono ottenute sfruttando l'attenuazione del fascio di radiazioni "x" da parte dei tessuti interposti tra l'apparecchiatura che le ha prodotte e il sistema di rilevazione, le immagini medico-nucleari vengono ottenute per mezzo della rilevazione di radiazioni emesse da radiofarmaci distribuiti nell’organismo. È quindi il paziente che emette le radiazioni ("gamma" o "x") che vengono registrate da apposite apparecchiature in grado di ricreare l'immagine corrispondente. Dal termine "scintillazione", che definisce il fenomeno fisico sfruttato da queste apparecchiature per trasformare in energia elettrica l'energia quantica dei fotoni "gamma" o "x", le immagini da esse fornite vengono dette "SCINTIGRAFIE".

Interazione Radiazione-Materia Corso di laurea in Informatica! A.A. 2014/2015! Luca Tranfaglia

Iterazione dei Fotoni Il fotone, o storicamente quanto di luce, è il quanto di energia della radiazione elettromagnetica. Il fotone è una particella priva di massa e, poiché non decade spontaneamente, la sua vita media è infinita. Il fotone ha due possibili stati di polarizzazione ed è descritto dal vettore d'onda, che determina la lunghezza d'onda e la sua direzione di propagazione Esistono diversi meccanismi di interazione radiazione-materia. A seconda dell'energia dei fotoni incidenti, gli effetti più probabili possono essere schematizzati come segue: 1. Scattering (=diffusione) di Rayleigh 2. Scattering Compton 3. Assorbimento fotoelettrico 4. Pair Production

Rayleigh Scattering Lo scattering di Rayleigh (che prende il nome dal fisico britannico John William Strutt Rayleigh) è lo scattering elastico (o diffusione) di un'onda luminosa provocato da particelle piccole rispetto alla lunghezza d'onda dell'onda stessa, che avviene quando la luce attraversa un mezzo sostanzialmente trasparente, soprattutto gas e liquidi. In particolare avviene per radiazione meno energetica dell'energia di legame dell'elettrone con l’atomo. Questa condizione fa in modo che l'energia del fotone non cambi come nel caso dell'effetto Compton, il quale si applica a un fotone che urta elasticamente un elettrone libero. Poiché la diffusione è elastica, la radiazione diffusa ha la stessa frequenza (e lunghezza d'onda) di quella incidente.

Compton Scattering

Atomo non ionizzato: elettroni non sono espulsi

La diffusione Compton (scattering Compton) è un fenomeno di scattering interpretabile come l'urto elastico tra un fotone e un elettrone. L'esperimento di Compton consisteva nell'invio di un fascio collimato di fotoni (raggi X con λ = 0,0709 nm) su un bersaglio di grafite, e nell'osservazione dello spettro dei fotoni diffusi e, quindi, della loro lunghezza d'onda (λ). Quello che si vide fu che, oltre all'emissione di fotoni della stessa λ, vi erano anche raggi X di lunghezza d'onda maggiore, e quindi di frequenza (f) minore (meno energetici). Inoltre l'aumento assoluto della lunghezza d'onda della radiazione diffusa, per un qualsiasi angolo di diffusione, era indipendente dalla lunghezza d'onda della radiazione incidente. • • •

Più è alta l’energie γ , e maggior è l'energia trasferita alla diffusione dell’elettrone. Probabilità Interazione ~ densità dell’elettrone (Ne / g). Densità dell’elettronica è abbastanza costante in funzione di Z, quindi la probabilità di dispersione per unità di volume è proporzionale alla densità.

Atomo ionizzato : elettroni sono espulsi

Effetto Fotoelettrico È caratterizzato dall'emissione di elettroni da una superficie quando questa viene colpita da una radiazione elettromagnetica, ossia da fotoni aventi una certa lunghezza d’onda. Nella radiazione elettromagnetica l’energia non è distribuita in modo uniforme sull’intero fronte dell’onda ma concentrata in singoli quanti (pacchetti discreti) di energia, i fotoni, e ogni fotone interagisce singolarmente con un elettrone, al quale cede la sua energia. Affinché si verifichi è necessario che il fotone abbia un’energia sufficiente a rompere il legame elettrico che tiene legato l’elettrone all’atomo. Questa “soglia minima” di energia del fotone si determina in base alla relazione di Einstein:!

E = h·f = h·(c/λ)

h : costante di Planck ! f : Frequenza! λ : lunghezza d'onda ! c : velocità della luce!

L’elettrone può uscire dal metallo solo se l’energia del fotone è almeno uguale al “lavoro di estrazione” (hf ≥ Wₑ)

Pair Production Il processo di Produzione di Coppia è una reazione in cui un raggio gamma interagisce con la materia, convertendo la sua energia in materia ed antimateria. ! Se un fotone gamma altamente energetico va ad impattare contro un bersaglio, subisce un urto anelastico materializzando la propria energia, e producendo una coppia di particelle composta da un elettrone (materia) ed un positrone (antimateria) Annichilazione("completa scomparsa”): le masse vengono totalmente convertite in energia

E 2m c2 1 02 MeV

Attenuazione di Raggi X e γ

Con il termine Attenuazione si indica la riduzione di intensità di un flusso di qualunque genere che attraversa un mezzo ovvero la perdita di energia nel tempo e nello spazio da parte di un sistema o fenomeno fisico. Nella propagazione di onde l'attenuazione corrisponde ad una riduzione di ampiezza in funzione della distanza percorsa nel mezzo, dovuta in genere alla cessione di energia dell'onda al mezzo di propagazione. L’Attenuazione è la perdita di fotoni nella direzione del fascio iniziale chiamato ‘attenuazione del fascio’.

Coefficiente d’assorbimenti totali e Attenuazione di Fotoni The total cross section per atom is: σ = φfotoni + Ze σc +τpari The total interaction probability per photon in a unit traveling length is: µ = Nσ = σ (Na ρ/A) (coefficiente lineare di assorbimento) Na: Numero di Avogadro Assumptions: ρ: densità della materia Fascio incidente uniforme A: peso dell’Atomo Diffusione Omogenea

Raggi X Corso di laurea in Informatica! A.A. 2014/2015! Luca Tranfaglia

Spettro Elettromagnetico

Tubo Raggi X Corrente emessa in base al tempo • valori 6-100 mAs. Energia emessa dai fotoni (keV) è espressa dalla tensione tra il catodo e l’anodo • valori 50-125 kV

Interazione del fotone con il tessuto Iout = Iin exp[−μ d] Iout = Iinexp[−∫

homogeneous medium

x out x in

μ(x)dx ]

Iin = σ(E) dE ∞

Iout =∫ σ(E)exp[− ∫ 0

Interazione del fotone con la Materia

non homogeneous medium energy spectrum

x out x in

μ (E, x) dx] dE

Rilevatori Raggi X 1. Rilevatori di Screen-film 2. Rivelatori per radiografia computerizzata 3. Amplificatore di Luce - Image intensifier

1. Rilevatori di Screen-Film Film: • •

•

•

contiene un'emulsione con cristalli alogenuri d'argento (AgBr) i cristalli in caso di irradiazione si trasformano in argento: la zona diventa scura i restanti cristalli di alogenuro d'argento vengono rimossi durante lo sviluppo molto inefficiente (QE = 0.02).

Due schermi racchiudono il film. Questi schermi: • contengono fosfori ad alto QE • i fosfori convertono i raggi X in luce visibile • aumentano QE fino al 25%

Caratteristiche: Granulosità: inversamente correlato alla velocità se la dimensione del grano è grande la distribuzione del grano può essere osservato sotto l’immagine. Velocità: inversamente proporzionale alla quantità di luce necessaria per produrre una data quantità di argento metallico sullo sviluppo (maggiore è la dimensione-> maggiore è la velocità-> minore è il numero di fotoni necessari per l'intera immagine). Risoluzione: dipende principalmente dalla dimensione dei grani. C

t

t

D

l

(I

/I

)

2. Rivelatori per radiografia computerizzata • • • • • •

impurità nei fosfori agiscono come trappole di elettroni elettroni eccitati dalla banda di valenza sono intrappolati e l'energia è memorizzato l'immagine latente viene conservato per lungo tempo (in 8 ore diminuzione del 25%) l'energia accumulata viene estratta dalla scansione pixel-wise con un raggio laser: l'elettrone cade nella banda di valenza e rilascia luce visibile allineamento ottico e fotomoltiplicatore. ADC -> i...