Teoria di Bioimmagini

PROBLEMI RADIOLOGICI

→Problema DIRETTO: determinare i dati radiologici per visualizzare un dettaglio noto.

1. in primo luogo si stimano i valori di tensione dai grafici mu(E) per discriminare due tessuti.

2. con i valori di mu calcolati, conoscendo la dimensione dell’oggetto, si va a calcolare il contrasto.

E in più dalla tensione si trova la E equivalente.

3. Si trova il flusso trasmesso Nt dall’equazione di Rose, in questo modo é possibile determinare la visibilità

dell’oggetto, ossia se il flusso é visibile o no. Quindi è possibile calcolare, conoscendo anche le dimensioni

dell’oggetto e il contrasto del singolo pixel, il numero di fotoni che devono cadere in quell’area per riuscire a

rendere visibile l’oggetto

4. Si trova il flusso incidente Ni dall’equazione di Lambert-Beer

5. Quindi da E equivalente si trova il rapporto flusso/esposizione che mi da l’esposizione in mR.

6. dai grafici di taratura del tubo, da V e dai mR risultano i mAs.

→Problema INVERSO: che consiste nel determinare le caratteristiche del dettaglio visibile con una dose stabilità.

Quindi scegliamo una tensione e un’alimentazione al tubo e ciò mi dice quale è la dimensione dell’oggetto più piccolo

che possiamo vedere, noto il contesto. Quindi si ripercorre la strada al contrario partendo dall’esposizione.

❖ RADIOGRAFIA PROIETTIVA

Caratteristiche:

o Immagini radiologiche= proiezioni 2D di oggetti 3D

o Il fascio di raggi X diverge a geometria conica

Interpretazione delle immagini è ambigua:

1. Distorsione DIFFERENZIALE: distorsione dovuta alla presenza di una possibile inclinazione.

Quindi l’immagine di un oggetto dipendente dalla sua posizione e orientamento spaziale.

2. Distorsione DI INGRANDIMENTO: Otterrò un’immagine diversa se l’oggetto è più o

meno vicino al tubo. Piu l’oggetto è vicino al tubo, più ingrandito è nell’immagine.

Quindi in generale un’immagine non è una rappresentazione fedele dei miei tessuti,

ma ho un certo ingrandimento che prende il nome di ingrandimento radiologico. Ho

un ingrandimento unitario quando riesco a mettere il mio bersaglio più vicino possibile al bionsensore.

o Sorgente non puntiforme: un punto quando ne faccio una proiezione appare come oggetto di dimensioni

finite, questo perché la stessa macchia focale, per ragioni fisiche e di raffreddamento non può avere

dimensioni infinitesime, ma ha dimensioni finite

❖ RADIOGRAFIA CONVENZIONALE

Le immagini vengono ottenute utilizzando dei sistemi, detti recettori o rivelatori, capaci di convertire il segnale dei

fotoni X, non visibili, in un’immagine visibile.

I recettori tipici in radiografia convenzionale sono:

o SCHERMI FLUORESCENTI: regime di scopia, immagini dinamiche, ormai obsoleti.

o PELLICOLE RADIOGRAFICHE (film): regime di grafia, immagini statiche.

Energia fotonica= reazione chimica--> il fotone in ingresso va a rompere il legame chimico tra l’argento e il boro,

sfruttando la capacità dei fotoni di ionizzare il materiale.

Successivamente, l’argento metallico si attacca alla pellicola, che viene sviluppata.

Si ottiene un’immagine negativa per i raggi X, vale a dire che il flusso trasmesso annerisce la lastra, e quindi

otteniamo un’immagine più scura, e un’immagine positiva per il bersaglio, poiché i tessuti più densi risultano più

chiari dei tessuti molli.

-->curva di Hurter e Driffield: Quello che va a caratterizzare la pellicola è la

sua risposta all’esposizione. Abbiamo

una curva che esprime la relazione tra l’esposizione N e il grado di

annerimento del film (densità ottica D)

SCHERMI DI RINFORZO: utilizzati per migliorare la sensibilità delle

pellicole. Sono costituiti da materiale fluorescente ad alto numero

atomico che, posizionati davanti e dietro al film, convertono i raggi X in

fotoni luminosi.

o INTENSIFICATORI DI BRILLANZA

E’ un dispositivo costituito da un tubo a vuoto che ha in ingresso uno schermo che cattura raggi X e in uscita uno

schermo che rilascia un’immagine visibile molto più piccola ma molto più luminosa.

Lo schermo in ingresso in genere è di alluminio, su cui é poggiato uno strato fluorescente (Ioduro di Cesio), che

converte i raggi X incidenti in luce visibile, con un’alta efficienza. I fotoni luminosi appaiono come una piccola scintilla.

I fotoni così generati colpiscono un fotocatodo, provocando l’emissione di elettroni.

Questi ultimi vengono accelerati da una tensione di 20-30kV e, opportunamente focalizzati da una lente elettronica a

potenziale intermedio (in modo da mantenere le relazioni geometriche esistenti nell’ingresso), inviati a colpire lo

schermo fluorescente di uscita, ossia l’anodo, costituito da uno schermo di fosfori.

Sullo schermo di uscita appare quindi un’immagine visibile che può essere osservata in vari modi.

L’immagine è amplificata perché:

-Guadagno quantico

-accelerazione subita da elettroni

-concentrazione su uscita circa 10 volte minore (dimensioni dell’immagine sono ridotte da ingresso ad uscita).

L’intensificatore di brillanza consente di seguire fenomeni dinamici senza i limiti dei sistemi meccanici per cambiare la

pellicola. Questa velocità non è sufficiente per vedere fedelmente il movimento del cuore.

Per archiviare le immagini dinamiche si accoppia otticamente all’intensificatore: cinepresa (cineradiografia) e

telecamera (videoradiografia)

❖ RADIOGRAFIA DIGITALE

Comprende le tecniche radiografiche che utilizzano strumenti e metodi informatici per il trattamento in forma

numerica delle immagini. La pellicola svolge contemporaneamente le funzioni di rivelazione, visualizzazione,

archiviazione e comunicazione, in modo che le prestazioni vengano ottimizzate separatamente.

Per i progressi di optoelettronica e microelettronica sono stati sviluppati rivelatori intrinsecamente digitali e sistemi di

radiografia film-less (sistemi che eliminano la parte analogica e acquisiscono direttamente in formato digitale).

3 TECNOLOGIE per la radiografia digitale

1. VIDEORADIOGRAFIA: costituita dall’intensificatore di brillanza, da una telecamera e da ADC, oppure

dall’intensificatore di brillanza accoppiato con una telecamera digitale CCD, quindi evito l’uso della pellicola,

sfruttando la digitalizzazione del segnale video in uscita dalla telecamera per ottenere la memorizzazione

diretta su calcolatore

Le telecamere hanno una scansione sequenziale di tutta l’immagine, ottenendo un unico segnale di uscita.

Esamina le immagini riga per riga ottenendo per ogni griglia l’andamento dei livelli di grigio.

ANGIOGRAFIA SOTTRATTIVA: applicazione della radiografia. Si basa sulla sottrazione temporale di una o più immagini

riprese dopo l’iniezione di un AC da un’immagine di riferimento (maschera) ripresa prima dell’iniezione strutture

statiche (come ossa o muscoli), che rimangono uguali prima e dopo l’iniezione, vengono eliminate, mentre

rimangono i vasi e le cavità con l’AC (tutti gli artefatti di movimento), in cui è possibile vedere dove il mezzo di

contrasto è andato a localizzarsi.

striscie bianche = artefatti da movimento, dovute al fatto che il paziente non è perfettamente immobile se acquisisco

due immagini in due momenti temporali diversi i pixel non saranno perfettamente allineati;

Vantaggi:

1. Riduzione del rischio e del costo dell’esame, in particolare: riduzione di dose di raggi X, poiché basta un contrasto

piccolo, riduzione della quantità dell’agente di contrasto e iniezione endovenosa invece che locale (cateterismo)

2. Elaborazione fuori linea ottenendo così un’immagine dove il contrasto tra il segnale sul resto é più elevato (qualità

molto elevata)

SOTTRAZIONE ENERGETICA: riduzione del movimento tra le due riprese (artefatti da movimento); andiamo a sfruttare

il k-edge, ovvero vengono effettuate 2 immagini molto ravvicinate nel tempo, cambiando lievemente l’energia a

cavallo del k-edge e si va a fare la differenza tra due immagini entrambe con mezzo di contrasto, ma con coefficiente

di attenuazione diverso.

2. RADIOGRAFIA COMPUTERIZZATA (CR-PSP): basata su piastre di fosfori a memoria fotostimolabili che

memorizzano temporaneamente l’immagine radiografica proiettiva, che viene poi letta da un apposito

scanner mediante un fascio laser ed un fotomoltiplicatore la cui uscita digitalizzata é trasferita al computer.

RIVELATORI DIGITALI A CASSETTA (PSP): sistema con al suo interno una cassetta con delle piastre di fosfori

fotostimolabili a memoria, che accumulano energia, vengono

impressionate dai raggi X.

Una volta tirata fuori la cassetta e, a sua volta, la pellicola,

invece di metterla su uno sviluppo chimico, la vado a leggere

con un opportuno laser, che stimola, ad una certa lunghezza

d’onda, ciascuno dei punti della mia immagine (pixel per pixel).

Quando viene stimolato dalla luce rossa del laser il fosforo

libera l’energia che aveva accumulato e mi appare sottoforma

di luce blu.

Misuro con un TUBO FOTOMOLTIPLICATORE e un convertitore

analogico numerico il segnale che viene generato.

3. RADIOGRAFIA DIGITALE (DR-FPD): rivelatori utilizzanti pannelli di silicio amorfo.

Sistema in cui c’è lo scintillatore (che trasforma i fotoni in luce) e poi mettiamo il pannello semiconduttore (formato

da tanti fotodiodi) con il quale convertiamo la luce in una carica elettrica.

I fotodiodi funzionano più o meno come il fosforo ma invece che accumulare energia che viene rilasciata sotto forma

di luce, accumulano direttamente carica elettrica comportandosi come un condensatore.

A questo punto posso andare a leggere gli elettroni mediante un circuito digitale opportuno che mi permette di

collegare via via ciascuno di questi condensatori con un convertitore analogico numerico.

RILEVATORI DIGITALI PIATTI “DIRETTI”: introdurre un rivelatore a rivelazione diretta, costruiti tipicamente con pannelli

di selenio, che riescono ad assorbire i raggi X e trasformarli direttamente in elettroni.

Quindi questi oggetti vanno a caricarsi e non ho più un passaggio da raggio x a luce, ma vado a ottenere direttamente

una carica proporzionale al numero di fotoni che hanno colpito questa zona .

Si ha una maggiore risoluzione nel detettore a conversione diretta, un passaggio in meno ci permette di avere una

risoluzione maggiore.

Prendo in considerazione il FILL FACTOR, ossia la percentuale di immagine che possiamo utilizzare.

Conversione fotoni X-fotoni luce-elettroni (ioduro di cesio)→ CONVERSIONE INDIRETTA

→

Conversione fotoni X-elettroni (selenio amorfo) CONVERSIONE DIRETTA

BINNING: tecnica che ci permette di andare più veloci, aumentare il rapporto segnale- rumore (poiché ho una

quantità maggi