Tomografia - Apostila PDF

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Apostila sobre tomografia...

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1.

TOMOGRAFIA COMPTADORIZADA

Introdução A radiação, desde a sua descoberta, vem sendo amplamente aplicada na indústria e na pesquisa, e se tornou indispensável nas emergências médicas e nas práticas clínicas. Neste cenário, desde a chegada da primeira TC no Brasil, tem sido imposto ao profissional que realiza imagens médicas o aprimoramento profissional contínuo, na mesma velocidade em que evolui a informática. Aspectos Históricos A tomografia como método de diagnóstico por imagem foi apresentado à sociedade científica no ano de 1972 por Godfrey N. Hounsfield, engenheiro eletrônico, na Inglaterra. O equipamento foi fabricado pela empresa E.M.I. e constava de um tubo de raios-X simples de anodo fixo e alvo de dimensões relativamente exageradas (3x13 mm), mas suficientemente potente para suportar o alto calor produzido pelos sucessivos bombardeios de elétrons. A construção dos cortes tomográficos (scans) se fazia por meio de um feixe estreito da espessura aproximada de um lápis que, após atravessar o corpo do paciente, incidia em dispositivos detectores da radiação residual. A imagem era formada a partir do sinal obtido nos detectores. Cerca de 160 exposições eram realizadas ao longo de uma direção (varredura linear). Após completar esta varredura o conjunto tubo/dectores fazia um movimento de rotação de 1 grau e uma nova varredura linear se iniciava. O movimento de rotação se repetia cerca de 180 vezes, alterando-se a cada 1 grau. Os dados obtidos e armazenados no computador podiam então ser utilizados na reconstrução do corte tomográfico. A introdução desta técnica revolucionou o diagnóstico neurológico nas avaliações do hematoma no trauma cranioencefálico, ou mesmo no AVC. Em pouco tempo a técnica tomográfica foi ampliada e passou a ser utilizada nos demais sistemas do corpo humano. O Método A tomografia computadorizada é um método de diagnóstico por imagem que combina o uso do raiosX obtidos por tubos de alta potência com computadores especialmente adaptados para processar grande volume de informação e produzir imagens com alto grau de resolução. O tubo de raios-X está disposto no interior do corpo do aparelho em um dispositivo rotatório de forma justaposta a um conjunto de elementos que coletam o residual do feixe de radiação que atravessa o paciente e conhecido por detectores. O conjunto de detectores constitui o principal elemento da coleta do sinal da tomografia e é responsável pela transformação da energia residual incidente em correntes elétricas que podem facilmente ser processada por computador.

O método tomográfico: após múltiplas projeções um sistema computadorizado reconstrói

Durante a aquisição de um corte tomográfico, enquanto o tubo gira ao redor do paciente, um feixe de radiação é emitido, indo incidir nos detectores que coletam as informações obtidas a partir de múltiplas projeções. As informações são então enviadas ao computador responsável pelo processamento das imagens. Princípios Básicos

Nos atuais Tomógrafos computadorizados, um tubo de raios-X emite um feixe de radiação laminar em forma de leque e de espessura muito fina que atravessa o paciente indo sensibilizar o conjunto de detectores. Este, por sua vez, se encarrega de transmitir os sinais obtidos em forma de correntes elétricas de pequenas intensidades a um dispositivo eletrônico que transforma os sinais obtidos em dígitos de computador. Para que a imagem possa ser interpretada como uma imagem anatômica, múltiplas projeções são realizadas a partir de diferentes ângulos. O computador de posse dos dados obtidos nas diferentes projeções constrói uma imagem digital. Cada elemento de imagem (pixel) se apresentará com um tom de cinza correspondente à sua densidade radiológica. Estruturas de alta densidade radiológica, como os ossos, por exemplos, se apresentam claras, hipertenuantes, na imagem tomográfica, o ar, pela sua baixa densidade se apresenta escuro, hipotenuante. A escala de Housfield representa em unidades HU (Hounsfield Unit) as densidades radiológicas das diferentes estruturas anatômicas, atribuindo-lhes uma graduação específica na escala de cinza do equipamento de tomografia. Característica do Método 1. A tomografia apresenta um feixe de aspecto laminar e em forma de leque; 2. A aquisição das imagens ocorre no plano do gantry, o que, primariamente, gera cortes transversais ao plano do corpo; 3. A imagem final é digital e pode ser facilmente manipulada por softwares; 4. Quanto maior a matriz, melhor será a resolução da imagem. A Matriz da Imagem de TC A matriz pode ser definida como o arranjo das linhas e colunas que forma a imagem digital. Quanto maior o número de linhas e colunas melhor será a resolução da imagem. O elemento de imagem formado pela intersecção das linhas e colunas é denominado pixel, uma forma abreviada da expressão em inglês “picture element”. Uma matriz de alta resolução apresenta pixels de pequenas dimensões, o que lhe garante maior resolutividade. A espessura do corte de uma imagem formada pela TC está relacionada à profundidade do corte. O volume formado pelas dimensões do pixel e profundidade do corte é conhecido por voxel.

Representação do Voxel

Imagem matricial – Pixel (Elemento de imagem); voxel (volume de imagem)

Nos equipamentos atuais de tomografia computadorizada são geradas imagens, com matriz de dimensões 512 linhas x 512 colunas. No primeiro tomógrafo apresentado por Hounsfield, a matriz apresentava resolução de 80 linhas x 80 colunas. Gerações de TC

1ª Geração: - Feixe de radiação estreito (3 x 13 mm), que fazia múltiplas varreduras lineares sobre o objeto, coletando informações de 160 feixes distintos; - Após a primeira varredura, o tubo sofria uma rotação de 1 grau para iniciar nova varredura e coletar outros 160 feixes na nova projeção. Esse processo era repetido por 180 vezes, variando-se cada projeção em um grau; - O tempo de aquisição de um único corte tomográfico podia chegar a 5 minutos e um estudo completo frequentemente durava mais de uma hora.

Primeira geração

2ª Geração - Apresentando um conjunto de detectores; - Redução drástica do tempo de aquisição de imagens; - Feixe passou a ser laminar, em forma de leque, suficiente para cobrir o conjunto de detectores que podiam variar entre 20 e 40, dependendo do fabricante;

Segunda geração

- O princípio de aquisição de imagens semelhante aos equipamentos de primeira geração, ou seja, múltiplas projeções defasadas de movimento de rotação de 1 grau até perfazer um total de 180 projeções. - Tempo de aquisição dos cortes ficaram reduzidos a menos de um minuto, com substancial ganho em relação aos equipamentos de 1ª geração. 3ª Geração - eliminou-se a varredura linear, passando a fazer movimentos de rotação contínuos com a coleta simultânea dos dados; - Tubos passam a fazer movimentos de rotação contínuos com a coleta simultânea dos dados; - Conjunto de detectores com aproximadamente 600 unidades, suficientes para coletar os dados de um feixe largo de radiação, girando de forma sincrônica com o tubo de raios-X, pôde reduzir os tempos de aquisição dos cortes para algo em torno de dois a cinco segundos por imagem; - Processamento das imagens pelo computador também foi sensivelmente reduzido, variando entre cinco e 40 segundos.

Terceira geração

4ª Geração - Conjunto de detectores distribuídos pelos 360 graus do gantry, ocupando todo o anel; - Introdução da tecnologia slip-ring; - Ausência de cabos de giro, permitindo o giro contínuo dos tubos numa única direção, agilizando o processo de aquisição e processamento das imagens; - Melhora na estabilidade dos detectores, porém seu alto custo inviabilizou sua produção; Slip-ring- constitui-se de um anel de ligas especiais, que fornece a tensão primária ao anodo e ao catodo do tubo de raios-X, sem a conexão de cabos. Um sistema de escovas que liga os geradores a superfície do slip-ring leva as informações previamente ajustadas pelo sistema, particularmente no que se refere às doses de exposição.

Quarta geração

Sistema Helicoidal (ou Espiral) O Tomógrafo helicoidal sucedeu o equipamento de quarta geração, tendo associado à tecnologia slipring, que permitiu a rotação contínua do tubo ao deslocamento simultâneo da mesa. Os cortes tomográficos são obtidos com a mesa em movimento, de forma que as fatias não são necessariamente planas, mas na forma de hélices, enquanto o método de aquisição assemelha-se a um modelo espiral.

Técnica Helicoidal

Um sistema de computação moderno e mais potente serviu de base para que o método, ganhasse em agilidade. Tornou-se possível, por exemplo, a realização de exames do crânio em menos de 20 segundos, quando, em um aparelho de terceira geração o tempo médio era de cerca de três minutos. A tecnologia helicoidal reduziu o tempo de realização dos exames. Novas técnicas foram implementadas e, com isto, o potencial diagnóstico do método foi sensivelmente elevado. Novos conceitos foram introduzidos, destacando-se: Revolução, Pich e Interpolação.

1. Revolução: compreende o giro de 360 graus do conjunto tubo-detectores. O tempo de aquisição dos cortes influencia a velocidade de rotação do conjunto. Nos TCs helicodais o tempo de revolução médio é de um segundo. 2. Pitch: representa a razão entre o deslocamento da mesa pela espessura de corte. Nas aquisições das imagens helicodais com pitch de 1:1, observamos que a mesa se desloca na mesma proporção da espessura do corte em cada revolução. Assim, se os cortes forem de 10 mm, para cada imagem a mesa se deslocará 10 mm. Se alterarmos a relação do pitch para 2:1, a mesa se deslocará numa distância equivalente ao dobro da espessura do corte por revolução. Nessas circunstâncias podemos concluir que o tempo necessário para a aquisição de 20 imagens será dez segundos, considerando-se um tempo de revolução de um segundo.

Técnica helicoidal (A – Pith 1:1 / B – Pitch 2:1)

Um fator importante a considerar nos casos de trabalho com pitchs de relação maiores que 1:1 é a redução da quantidade de radiação por fatia de corte, o conhecido fator mAs. A redução desse fator afeta diretamente a qualidade da imagem gerada, que poderá, dependendo das condições em que foi obtida, se apresentar com excessível nível de ruído, inviabilizando o seu aproveitamento para fins diagnósticos. PITCH =

Deslocamento da mesa Espessura de corte

3. Interpolação: a aquisição dos dados em TC heliocoidal gera imagens que, embora não sejam perceptíveis ao olho humano, apresentam um aspecto em forma de hélice, resultado da aquisição espiral. Nos protocolos em que se faz necessário o uso de pitch acima da razão de 1:1, observa-se que as imagens efetivas apresentam espessura maior que a nominal, resultado do incremento na aquisição espiral. No sentido de evitar que a espessura dos cortes apresente variações muito amplas, alguns equipamentos fazem a aquisição dos dados em apenas 180 graus do movimento do tubo, interpolando dados nos próximos 180 graus, calculados pelo computador, com base nas informações obtidas a partir da primeira parta da aquisição.

Tomografia Helicoidal Multidetectores ( Multislice) Os equipamentos helicoidais evoluíram principalmente em função da tecnologia slipring, tubos de raios-X mas potentes e em função de ultramodernos sistemas computacionais. Na expectativa de aumentar ainda mais a capacidade obtenção de cortes pro unidade de tempo, surgiram os equipamentos helicoidais de tecnologia multi-detectores ou mais popularmente conhecidos pro “multislice”. Esses equipamentos passaram a apresentar múltiplos conjuntos de anéis detectores de forma estrategicamente emparelhada, tornando-se possível a aquisição, simultânea de vários cortes de imagens.

Múltiplos cortes Múltiplos detectores

Esta tecnologia vem evoluindo muito rapidamente. Os primeiros equipamentos desta geração apresentavam quatro conjuntos de anéis detectores. Os mais atuais apresentam 64 anéis, o que possibilita, nos equipamentos com tempo de revolução menor que 0,5 segundo, a aquisição de até 140 imagens por segundo. A cada ciclo completo de rotação do tubo, ou revolução, pode-se optar pela aquisição de um ou tantos cortes quanto permitirem os detectores presentes. Os tomógrafos multidetectores trabalham com vários anéis ou coroas de detectores emparelhados. Os detectores nestes anéis podem, ou não, apresentar as mesmas dimensões. Alguns fabricantes optam por um conjunto de detectores de diferentes dimensões por entenderem que, desta forma, obtém-se maior estabilidade nas respostas dos sinais para determinadas espessuras de corte. A possibilidade de obtenção de cortes com a espessura menor que 1 mm (tecnologia submilimeter) permite, nos pós-processamentos das imagens, a obtenção de modelos tridimensionais e de reformatações vasculares com alto grau de resolução. Outra característica notável dos tomógrafos multidetectores, está relacionada à velocidade com que o conjunto turbo-detectores gira no interior do gantry. Observa-se que, em alguns equipamentos, revoluções com tempo menor do que 0,5 segundos (tecnologia sub-second). Este reduzido tempo permitiu novos protocolos de estudo em tomografia computadorizada e possibilitou ainda a realização de exames com sincronização cardíaca. A sincronização cardíaca (gating),associada a pequenas espessuras de corte, está implementada nos protocolos de estudo do coração. Com esta técnica obtém-se imagens cardíacas com alta resolução anatômica e definição suficiente para analise das matérias coronárias. A obtenção de grande número de imagens por segundo, possibilitou a aquisição em tempo próximo do real das imagens de tomografia. Com esta técnica tornou-se possível a realização de estudos com maior grau de detalhamento das estruturas anatômicas e, particularmente, dos sistemas vasculares. Esta grande velocidade permitiu ainda uma maior dinâmica e precisão nos procedimentos de biópsias guiadas por TC. Tubo de Raios-X do TC Os tubos empregados em TC são bastante similares aos utilizados nos equipamentos radiológicos convencionais. Na constituição desses tubos, uma ênfase especial é dada à forma de dissipação do calor, uma vez que ficam sujeitos a uma maior freqüência de exposição, exposições mais longas e altas doses de reposição. A sua disposição no interior do gantry, particularmente no que se refere ao eixo catodo-anodo, ocorre de forma perpendicular ao seu movimento de rotação, evitando-se assim, a influência do efeito anódico. Os tubos TC possuem, na sua grande maioria, dois pontos focais associados a filamentos de diferentes dimensões. O filamento menor é utilizado quando a potência não excede 20 Kw, e o filamento largo, nas doses de alta potência. Alguns equipamentos, quando usam algoritmos para reconstrução de tecidos de alta densidade, utilizam, automaticamente, o pequeno filamento. Nos equipamentos de terceira geração, os tubos apresentam, em geral, uma vida média de cerca de 100.000 cortes. Nos equipamentos helicoidais e nos multislice, os tubos são projetados para apresentar vida média de aproximadamente 500.000 cortes.

Detectores Os detectores nos equipamentos de tomografia são tão importantes quanto o tubo de raios-X. As principais características dos detectores estão relacionados com: • Custo; • Eficiência; • Estabilidade; • Velocidade. O custo dos detectores é o principal fator dos altos preços dos TCs atuais. Distinguem-se dois tipos de detectores. Os de cristais luminescentes e os de câmara de ionização. Detectores de Cristais Luminescentes Esses detectores são formados a partir de cristais de iodeto de sódio, acoplados a pequenas câmaras fotomultiplicadoras (Fig 1.12). Quando o feixe interage com esses cristais, uma pequena quantidade de luz é emitida na razão diretamente proporcional à intensidade da radiação incidente. Um tubo fotomultiplicador acoplado a estes cristais encarrega-se de amplificar o sinal recebido, transformando-o numa corrente elétrica de pequena intensidade. O resultado final é armazenado na memória do computador. Os detectores de cristais luminescentes são bastante eficientes, embora apresentem o inconveniente da fosforescência, que ocasiona respostas não lineares para diferentes intensidades de radiações. Este problema se reflete principalmente entre tecidos de grandes diferenças de densidades, como os ossos e o ar.

Cristal luminescente

Detectores de Câmara de Ionização Os detectores que usam câmara de ionização são constituídos por pequenos tubos que possuem gás nobre em seu interior, freqüentemente o xenônio. Na presença de radiação, estes gases sofrem uma ionização temporária, suficiente para fazer surgir uma pequena corrente elétrica que levará a informação ao computador. A corrente elétrica será proporcional à ionização gerada no interior do detector e reflete a intensidade da radiação residual na sua trajetória. Os detectores de câmara de ionização são mais simples que os de cristais luminescentes, mas não mais eficientes por causa da baixa quantidade de moléculas de gás no seu interior, no entanto, estes detectores apresentam melhor resposta às variações na intensidade linear entre diferentes estruturas.

Ionização do xenônio

A Reconstrução das Imagens A tomografia é um método que mede a intensidade da radiação residual após um feixe ter atingido com um órgão ou objeto e ter sensibilizado um detector. A intensidade de Radiação Residual compreende a radiação incidente menos a radiação absorvida pelo objeto e pode ser obtida segundo a equação: N = N0 . e-(µ)x Onde: N = Intensidade de Radiação Residual N0 = Intensidade de Radiação Incidente e = Base do logaritimo natural (2,718) µ = Coeficiente de atenuação linear x = Espessura do objeto

Considerando que a imagem tomográfica é formada por “n” pequeninos blocos de imagem correspondentes a cada voxel da matriz, a equação se torna mais complexa à medida que as matrizes vão apresentando melhor resolução. Num equipamento atual que trabalha com matriz 512 x 512, a equação poderia ser assim representada: N = N0 . e-(µ1 + µ2 + µ3 + µ512) . x O número de equações utilizadas para reconstrução de uma imagem aumenta em função do número de projeções utilizadas na construção da imagem. Nos equipamentos atuais de matriz de alta resolução são necessárias, muitas vezes, o emprego de 200.000 equações para a reconstrução de um única imagem, daí a necessidade de um sistema de computação potente e veloz. Métodos de reconstrução das imagens O método matemático utilizado na reconstrução das imagens é denominado algoritmo. Basicamente três formas de cálculos são utilizadas para este fim: 1- retroprojeção; 2- o método interativo; 3- o método analítico. Retroprojeção É um método teórico, não utilizado nos equipamentos atuais. Consiste basicamente na obtenção de imagens em diferentes projeções, com a correspondente somtória dos resultados obtidos em cada projeção. O resultado final apresenta a imagem real do objeto, contaminada pelo efeito das inúmeras projeções. Formação da imagem por retroprojeção: obtenção da imagem de um objeto em forma de cruz.

Esquema da formação da imagem por retroprojeção.

O Método Interativo O método interativo considera um valor médio de atenuação para cada coluna ou linha da imagem. A partir deste pressuposto, compara os resultados obtidos coma média previamente estabelecida e faz os ajustes necessário adicionando-se e subtraindo-se valores em densidades para cada elemento da imagem, até a sua reconstrução final. O primeiro equipamento de tomografia E.N.I. utilizou este método para reconstrução de suas imagens. Embora parecido com o método da retroprojeção, apresenta imagens mais nítidas, por eliminar as “contaminações”. O Método Analítico É o método utilizado em quase todos os equipamentos comerciais. O método analítico ainda é dividido em dois métodos amplamente conhecidos entre os matemáticos: - a análise bidimensional de Fourier; - retroprojeção filtrada.

Análise Bidimensional de Fourier O método da análise bidimensional de Fourier consiste em analisar funções de tempo e de espaço pela soma das freqüências e amplitudes correspondentes. Trata-se de um método complexo para os ...