Domande esame Bioimmagini

1- qualità delle immagini (CAP 2)

ci sono 3 modi per misurare la qualità di un’immagine (intrinseca, comparata o decisionale).

Qualità intrinseca: È una qualità che si può misurare sull’immagine ed è rappresentabile secondo tanti aspetti:

1. Contrasto: quanto si vedono bene le differenze di colore. Il contrasto non ci dà una grossa informazione

sull’immagine perché non tiene conto del rumore presente nell’immagine.

2. Risoluzione: la più piccola variazione che posso osservare sull’immagine e può trattarsi di: risoluzione

spaziale (la distanza minima per distinguere 2 oggetti vicini);risoluzione temporale (tempo minimo

necessario per acquisire di un’immagine); risoluzione in ampiezza (minima variazione del livello di grigio

percepibile sull’immagine)

3. Rapporto segnale rumore SNR: rapporto tra la differenza tra l’intensità media dell’oggetto I(A) e

l’intensità media dello sfondo I(S) diviso il rumore σ(I), preso costante in tutta l’immagine:

4. Efficienza di rivelazione (DQE) quanta energia di quella emessa dal soggetto si riesce a catturare, o a

tradurre da un passaggio al successivo. In pratica il rendimento DQE totale in uscita è pari al prodotto dei

singoli DQE dei componenti in catena, i quali sono ognuno < 1.

5. Campo di vista (FOV - Field Of View): dimensione del dominio dell’immagine, ossia l’area del corpo

rappresentata nell’immagine. Dipende da: dimensione del sensore, eventuale fattore di ingrandimento (si

vedono particolari più piccoli ma il FOV viene ridotto), tecnologia in uso e parametri che stiamo

utilizzando.

6. Distorsioni geometriche: vanno a distorcere l’informazione contenuta nell’immagine. Sono relativamente

semplici da correggere, specialmente in ambito digitale

Qualità comparata: misura quanto l’immagine è buona confrontandola con un “immagine di riferimento”, che

rappresenta l’immagine campione che noi vorremo ottenere. Questo significa che noi dobbiamo già avere

l’immagine campione, quindi non è sempre applicabile: se facciamo l’immagine a un paziente ovviamente non

potremmo già avere l’immagine vera del paziente.

Qualità decisionale: Non si giudica più l’immagine in quanto tale ma si giudica l’immagine in quanto capace di

farci prendere una decisione corretta = é la capacità di prendere una decisione corretta semplicemente

guardando l’immagine. Per fare una stima della qualità decisionale la procedura è semplice: si prendono un

numero di immagini sufficientemente elevato di cui alcune contengono il dettaglio che cerchiamo e altre no, e

le si fanno valutare dal medico. Si hanno quindi 4 casi possibili che costituiscono la matrice stimolo-risposta.

Non sempre siamo in grado di utilizzare questa matrice per fare un confronto tra due sistemi, introduciamo:

• Curva ROC - Receiver Operating Characteristic: prevede che la matrice venga rappresentata su un piano i

cui assi sono rappresentati dalle due probabilità condizionate che il soggetto dica “si” nel caso di presenza

effettiva del segnale e nel caso di assenza del segnale, ossia veri positivi (y) e falsi positivi (x). Lo

spostamento di questo punto sul grafico, quindi l’unione tutti i possibili punti, è una curva monotona

crescente che prende il nome di curva ROC. Invece che far rispondere al medico “sì” o “no” per tutta la

serie di immagini, si può trasformare il sistema facendo una sola osservazione e introducendo un grado di

certezza della risposta. In questo modo si ottiene la curva ROC (tratteggiata) che è più accurata di quella

con risposte si o no. Per caratterizzare la curva ROC utilizziamo il AUC = area sottesa alla curva. più AUC

è vicino a 1 (ideale), migliore è il sistema. Sistema casuale AUC = 0,5.

• Curva FROC - Free response Receiver Operating Characteristic: il medico non deve dire se l’immagine è

positiva o negativa ma deve indicare tutte le lesioni che vede (localizzazione). Deve essere introdotto il

concetto di intervallo di accettazione, ossia il medico non individua il punto preciso della lesione ma basta

che rientri in questo intervallo (che è un’area). Si ignorano i veri negativi e non si normalizzano i falsi

positivi, quindi la curva FROC viene rappresentata su un piano in cui l’asse x non varierà più da 0 a 1 ma i

falsi positivi sull’asse x saranno espressi come falsi positivi per immagine (FP/immagine).

2- legge di Lambert- Beer (CAP 4)

Per fare una stima dei fotoni in uscita si utilizza la legge di Lambert-Beer: Nt = Ni·exp(-μ·Z) -> più aumenta Z

e più diminuiscono Nt; più aumenta μ e più diminuiscono Nt.

La costante μ (cm^-1) prende il nome di coefficiente di attenuazione lineare (si misura nella TAC). L’inverso di μ

prende il nome di penetrazione e rappresenta lo spessore che attenua il fascio del 37%. Lo spessore di

dimezzamento è lo spessore che si deve attraversare per dimezzare il numero dei fotoni ed è definito come ln2/

μ. (Raggi X e raggi γ hanno un μ di 10^-1 /10^-2 : il fascio di fotoni percorre 10/15 cm prima di essere

dimezzato; quindi questa è l’unica finestra utile in cui il coefficiente μ è sufficientemente basso da permetterci

di attraversare in qualche modo il corpo umano)

3- Iterazione fotone corpo umano

L’interazione del fotone con la materia è essenzialmente un’interazione in cui il fotone può passare inalterato,

può interagire o si può diffondere, questi effetti sono casuali e dipendono da 3 parametri: il numero atomico

dell’oggetto colpito (+ è altro il n° + il fotone interagisce); densità dell’oggetto colpito (+ è alta la densità

+interagisce); e spessore dell’oggetto colpito. Se il fotone interagisce esistono 3 tipi di interazioni:

1. Assorbimento fotoelettrico: Il nostro fotone colpisce un elettrone, fornendogli energia e l’elettrone viene

sbalzato via dall’orbita e diventa un elettrone libero con energia cinetica pari alla differenza dei due livelli.

L’orbitale viene occupato da un altro elettrone che rilascerà energia sottoforma di fotoni oppure come

energia termica. La probabilità che avvenga l’assorbimento fotoelettrico è proporzionale al numero atomico

Z: maggiore è Z maggiore è la probabilità che avvenga, mentre è inversamente proporzionale all’energia.

2. Diffusione: è una via di mezzo tra la teoria corpuscolare e la teoria ondulatoria. La teoria corpuscolare

afferma che il nostro fotone in ingresso ha sufficiente energia per non venire assorbito: colpisce l’atomo di

striscio e ci rimbalza sopra, perdendo un po’ di energia e quindi viene deviato. Quindi l’elettrone viene

sparato via e il fotone viene diffuso, ovvero deviato. La probabilità che avvenga la diffusione è proporzionale

al numero atomico Z ed è inversamente proporzionale all’energia. La teoria ondulatoria afferma che quando

la luce che colpisce un materiale con indice di rifrazione diverso il raggio viene parzialmente riflesso con lo

stesso angolo, il raggio rifratto viene trasmesso con un angolo diverso secondo la legge di Snell

3. Diffrazione: caso particolare che si verifica quando λ è circa uguale alla dimensione d dell’oggetto. Se c’è

una fenditura nel materiale il raggio che si propaga seguendo le leggi dell’ottica quindi in modo parallelo alla

fenditura e poi comincia ad allargarsi. Inoltre se mettiamo più fenditure vicine o più oggetti vicini si possono

creare degli effetti che producono interferenza costruttiva e interferenza distruttiva.

4- Cos’è lo speckle noise

Speckle noise (“rumore scintillante”): è l’effetto più comune che si verifica quando abbiamo diffusione e

diffrazione in un’immagine. Anche se l’immagine appare rumorosa, non è effettivamente un rumore, cioè non è un

segnale causale, ma è un segnale deterministico dovuto alla somma di interferenze tra le varie componenti

riflesse dalle singole particelle. Possiamo utilizzare questo tipo di rumore, non essendo un vero rumore, per

estrarre informazioni aggiuntive ad esempio caratterizzare una struttura fine intesa come qualcosa che non

possiamo vedere nel nostro tessuto. Utile quindi per vedere tutta la struttura.

5-Come varia il μ con l’energia?

Il mu si appiattisce con le alte energie

Il fascio di fotoni (considerati tutti alla stessa energia, quella equivalente) quindi urta il paziente, e può trovarsi

di fronte: osso, muscolo o grasso; ciascuna di queste 3 sostanze ha un suo specifico andamento del coefficiente di

attenuazione μ.

Il grafico degli andamenti dei tre μ in funzione dell’energia fotonica ci dice che in

diagnostica medica i raggi X stanno sempre tra 20 keV e 100 keV perché:

- le radiazioni < 20 keV sono solo assorbite e per questo sono inutili (e dannose).

- le radiazioni > 100 keV sono inutili perché le tre curve dei 3 μ si sovrappongono.

In teoria possiamo scegliere qualunque radiazione tra 20 e 100 keV, quindi resta ancora un’elevata variabilità

e dobbiamo trovare un criterio per scegliere l’energia. In linea generale più alta è l’energia e meno fotoni

vengono assorbiti: dato che i fotoni assorbiti sono potenzialmente dannosi cerchiamo di utilizzare l’energia

più alta possibile, in modo da avere meno assorbimento possibile, quindi meno dose possibile al paziente.

Questo però ha dei limiti perché se andiamo ad utilizzare energie alte (sempre nel range 20-100 keV)

possiamo andare a vedere la differenza tra osso e muscolo e tra osso e grasso ma difficilmente vediamo la

differenza tra muscolo e grasso perché i due coefficienti μ del muscolo e del grasso per energie > 50 keV

sono poco distinguibili. Quindi se vogliamo vedere un osso possiamo andare anche a 50 keV per vederlo bene, se

invece vogliamo andare a vedere i tessuti molli (mammografia) dobbiamo spostarci più a sinistra, per energie tra

20 e 50 keV, dove le curve si allontanano, ricordandoci che andare ad energie più basse comporta una

maggiore dose.

6- Mezzi di contrasto cosa sono? Dove si usano?

Gli agenti di contrasto sono delle sostanze che vengono inserite nel corpo del paziente che servono per

aumentare il contrasto dell’organo di interesse. Possono essere suddivisi secondo 3 grosse classificazioni:

• AC intrinseci: sono presenti naturalmente nel distretto studiato. (RM funzionale)

• AC estrinseci: sono introdotti dall’esterno per via venosa, arteriosa o orale.

1. indicatori: arrivano all’organo bersaglio mediante un trasporto puramente meccanico. Rilevano sia la

presenza di eventuali ostacoli al loro passaggio, stenosi o occlusione, che la forma degli organi.

2. traccianti: arrivano all’organo bersaglio - dove si accumulano - mediante un trasporto metabolico.

• AC positivi: la loro presenza in un distretto biologico ha un significato clinico, ossia ci interessa vedere dove

l’agente va (es. per vedere un tumore).

• AC negativi: la loro assenza in un distretto biologico ha un significato diagnostico, ossia ci interessa vedere

dove l’agente non va (es. nei muscoli del cuore: dove l’agente non assorbe appare una zona nera, vuol dire

che quella parte del cuore non sta consumando energia e il cuore non sta battendo).

7- Cosa succede quando un raggio X o gamma va a interagire con il fotone? (CAP 5)

Radiazioni ionizzanti

Le radiazioni ionizzanti (raggi X e γ) essendo fotoni ad alta energia, sono in grado di “strappare” alcuni elettroni

agli atomi. sono pericolose perché possono rompere legami chimici —> distruggendo un legame molecolare (come

una proteina o il DNA). Ci possono essere due tipologie di effetti principali dati dalle radiazioni ionizzanti:

• Effetti acuti: sono deterministici e si hanno a dose elevata. L’effetto di questo danno dipende dalla quantità

di dose e dalla durata. Questo tipo di effetti appaiono in breve tempo come una bruciatura.

• Effetti stocastici: non sono deterministici e si hanno a dosi più basse. Non esiste una soglia minima di dose

che ci garantisce sicurezza ma possiamo dire che la probabilità che avvenga un danno è proporzionale al

numero di fotoni che ci colpiscono. Il danno non appare subito ma via via che le cellule si moltiplicano, anche

dopo qualche anno: i danni possono essere mutazioni somatiche (a tessuti ematologici, immunologici,

endocrini e nervosi; es leucemia), genetiche (l’ovulo o lo spermatozoo sarà danneggiato e darà luogo ad un

individuo in cui tutto il DNA è danneggiato)o alterazione del normale metabolismo cellulare (cellula

danneggiata può morire (meglio) oppure può moltiplicarsi (più grave)).

8- esposizione, dose assorbita, dose efficace radiazioni ionizzanti

La tecnica di misurazione delle radiazioni prende il nome di dosimetria e comprende 3 concetti fondamentali:

1. esposizione: quanta radiazione ci colpisce; è l’intensità della radiazione che può raggiungere il corpo di chi

si trova all’interno di quell’ambiente. Viene misurata in base a quanto i fotoni sono in grado di produrre

ionizzazione: mettiamo una massa unitaria d’aria e si misura quanti atomi vengono ionizzati; si misura in R

(Roentgen). Radioattività: quanta radiazione viene effettivamente emessa (maggiore dell’esposizione perché non

tutti i fotoni colpiscono la massa); si misura in Bequerel (n°disintegrazioni in 1 s in tutte le possibili direzioni). I

fotoni da 60-80 keV (picco) sono i meno pericolosi perché l’esposizione è più bassa.

2. dose assorbita: quante di queste radiazioni sono effettivamente assorbite dal corpo e si misuria in funzione

dell’energia dei fotoni assorbiti. Si misura in Gy (Gray) = 1 Joule/Kg, ma siccome è enorme si lavora con il RAD

= 1/100 di Gy. Il rapporto tra dose assorbita e esposizione (RAD/Roentgen) è costante per un tessuto molle

(muscolo), per l’osso invece varia (assorbe più del muscolo) ->per una radiografia ad un osso servono energie

molto alte; per i tessuti molli entrambe ma utilizziamo energie più basse (meno pericolose).

3. Dose efficace: è la dose pesata in funzione della pericolosità del nostro organo, si misura in Sv (Sievert). La

dose efficace DE si ottiene moltiplicando la dose assorbita D x un coefficiente WT. Ovviamente organi e tessuti

molto sensibili hanno un WT alto e via via sempre di meno.

9- principi di radioprotezione

Sono una serie di concetti di “buon senso” che servono per proteggerci dalle radiazioni ionizzanti:

• Giustificazione: solo se c’è un motivo valido, ossia quando beneficio > costo.

• Ottimizzazione: dobbiamo utilizzare la dose minima possibile per non creare danni (entro i limiti del SNR)

• Tempo di esposizione: minore possibile.

• Distanza: la radiazione è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente.

• Schermatura: dato che i raggi X e i raggi γ non attraversano materiali pesanti (piombo o calcestruzzo), se

possiamo, mettiamo la macchina radiologica in una stanza piombata o con pareti di calcestruzzo.

• Disposizioni di un esperto qualificato in radioprotezione.

• Approvazione del Comitato Etico: organismo indipendente che ha la responsabilità di garantire la tutela dei

diritti, della sicurezza e del benessere delle persone in sperimentazione.

10- come possono essere ottenute le immagini a raggi X?

Le immagini a raggi X posso essere ottenute con 3 possibili tecniche:

• Radiologia convenzionale: consisteva nell’utilizzo della pellicola fotografica per fare le immagini (in disuso)

• Radiologia numerica: la pellicola è stata sostituita da un sensore fotoelettrico. Ιl tubo radiogeno è la

sorgente di raggi X che attraversano il paziente e colpiscono il recettore (sensore) senza elaborazione.

• Tomografia computerizzata: algoritmo che permette di generare le immagini. Il tubo radiogeno ruota in

modo da acquisire tante immagini attorno al paziente e poi fare una ricostruzione per via algoritmica.

11- Come funziona un tubo a raggi X? Emissione dei raggi X?

Tubo di vetro al cui interno è presente il vuoto (l’aria catturerebbe gli elettroni) spinto,

poichè si hanno un anodo e un catodo tra i quali si muovono elettroni. Il tubo è ricoperto

di piombo in modo da evitare che i raggi X si disperdano. Nel catodo (un filamento) viene fatta passare corrente;

il filamento si scalda e l’effetto termoionico fa sì che vengano emessi alcuni elettroni formando una sorta di

nube elettronica attorno al filamento. Gli elettroni si dirigono verso l’anodo (piatto o a disco rotante) e vengono

accelerati acquisendo energia: l’energia di un elettrone accelerato da 1 V di potenziale prende il nome di eV

(elettronVolt). Colpiscono quindi l’anodo nella “ macchia focale” e da questo urto si generano i fotoni X.

• CATODO: due filamenti di tungsteno di dimensione diversa. Il filamento più grande genera un flusso di

elettroni più elevato (allarga la macchina focale, aumenta l’SNR aumentando il numero di fotoni può

peggiorando la nitidezza), il filamento più piccolo produce meno elettroni ma riesce a concentrare meglio gli

elettroni in un singolo punto (che ci permette di avere un’immagine nitida). Il filamento che ci serve viene

scaldato (2300/2400°C) Il legame che c’è tra la corrente del filamento e la corrente del tubo (ossia quanti

fotoni riusciamo a emettere) viene espresso tramite la curva di calibrazione maggiore è la tensione di

accelerazione, più velocemente riesco a portare via gli elettroni e quindi aumenta la corrente. L’ordine di

grandezza della corrente può variare da pochi mA fino a circa 1 A.

• ANODO: gli elettroni raggiungono l’anodo colpendolo, con tale urto vengono generati i raggi X. Circa il 99%

dell’energia generata dall’urto diventa calore quindi il fenomeno di generazione del raggi X è raro.

Tipicamente si utilizza il tungsteno per l’anodo poiché generando così tanto calore abbiamo bisogno di un

materiale con punto di fusione alto e avendo anche un numero atomico Z elevato fa si che il rendimento sia

più elevato. Sennò è possibile utilizzare il molibdeno perchè ottimo per apparecchi dedicati agli esami di

mammografia.

12- emissione raggi X + spettro emissione del tungsteno

Avviene quando gli elettroni urtano l’anodo —> l’elettrone in arrivo o urta un altro elettrone (10% dei casi) o

urta il nucleo dell’atomo (90%):

1. elettrone-elettrone: si ha un effetto fotoelettrico (non proprio vero perché non è un fotone). Se si urta un

elettrone esterno (con bassa energia di legame —> facile da strappare) quindi dissipiamo poca energia e di

conseguenza si produce un fotone a bassa energia per rioccupare l’orbitale. —> non ci interessa. Se si urta

un elettrone interno invece la produzione di fotoni è ad alta energia (ovvero l’energia dell’orbitale) ma i

fotoni generati sono pochi.

2. elettrone-nucleo: l’elettrone interagisce con il nucleo, perde energia e questa energia viene riprodotta

sottoforma di fotoni. Anche qui la probabilità di generare un fotone a bassa energia è più alta.

La somma di queste due interazioni produce lo spettro di emissione del tungsteno. La

parte di spettro continuo è dovuta al frenamento elettrone-nucleo, quello a righe

è dovuto all’interazione elettrone-elettrone, i cui picchi corrispondono ai valori

dell’energia di legame degli orbitali più interni. Il molibdeno è un atomo più piccolo

quindi la parte di spettro continuo è bassa, la parte a righe mostra un picco principale, dato dall’elettrone più

interno, a 17 keV (energia ottima per i tessuti molli). Lo spettro resta essenzialmente il medesimo se si cambia

corrente al tubo poichè anche se varia il numero di fotoni la loro distribuzione di energia e la loro probabilità

di interazione resta uguale. Se invece si cambia tensione al tubo (energia di accelerazione) lo spettro cambia

(solo la parte di spettro continuo): perché la curva va a zero nel punto in cui tutta l’energia dell’elettrone

viene trasferita al fotone (energia pari a quella dell’ elettrone incidente). La probabilità che l’elettrone urti

l’atomo e perda completamente energia è bassa e cresce man mano che l’energia diminuisce, fino a che non

arrivo a energie sufficientemente basse per cui il fotone emesso venga immediatamente catturato dagli atomi

circostanti. I fotoni a bassa energia, non essendo informativi, possono essere filtrati: il filtro di solito è uno

strato di alluminio (o al massimo di rame se proprio si vuole filtrare un po’ di più) che assorbe i fotoni a bassa

energia e noi regoliamo il livello di filtraggio semplicemente regolando lo spessore dell’alluminio.

13- proprietà raggi X

• Penetrazione: consentono di ottenere le immagini d’ombra delle strutture biologiche e queste ombre

rappresentano la diversa densità dei tessuti biologici.

• Fluorescenza: i materiali sono in grado di catturare i fotoni X e trasformarli in qualche cosa che possa

essere visibile o misurabile in maniera più semplice.

• Azione chimico-fisica: impressionano pellicole fotografiche e possono interagire con le molecole organiche.

14- K-EDGE

Accade che per i materiali con un basso numero atomico Z, l’andamento del coefficiente μ è decrescente con

l’energia. Se prendiamo sostanze come iodio, il coefficiente μ con l’aumentare dell’energia decresce poi cresce

e poi ritorna a calare. Questo avviene se il nostro fascio equivalente ha un’energia superiore all’energia di

legame, quindi c’è una probabilità molto alta che il fascio interagisca con quegli elettroni perché le due

energie sono vicine e l’interazione fotone-elettrone è più probabile se l’energia del fotone è di poco superiore

all’energia del legame. Perciò quando andiamo a fare questo passaggio il coefficiente μ cresce in maniera

molto elevata. Questo fatto lo possiamo utilizzare nel campo dell’imaging per mettere in evidenza il mezzo di

contrasto.

15- Come risolvere problema della diffusione?

Il problema della diffusione, dato che devia i fotoni, è una produ