Bioimmagini

Bioimmagini

Sommario

1. Introduzione alle bioimmagini: .................................................................................................................... 1

1.1 Storia: ...................................................................................................................................................... 1

1.2 Cos’è una bioimmagine?......................................................................................................................... 1

1.3 Classificazione delle bioimmagini: ......................................................................................................... 1

1.4 Parametri fisici descritti in un’immagine: .............................................................................................. 2

1.5 Caratteristiche comuni delle bioimmagini: ............................................................................................ 5

2. Fondamenti di radiologia: ............................................................................................................................ 6

2.1 Tubo a raggi x: ......................................................................................................................................... 8

3. Radiografia tradizionale: ............................................................................................................................ 14

3.1 Caratteristiche dei raggi x: .................................................................................................................... 14

3.2 Norma CEI 62-2 (1998-04): .................................................................................................................... 22

3.3 Rivelatori e ricettori: ............................................................................................................................. 25

4. Radiografia digitale: .................................................................................................................................... 29

4.1 Introduzione: ......................................................................................................................................... 29

4.2 Computed Radiography (CR): ............................................................................................................... 30

4.3 Digital Radiography (DR): ..................................................................................................................... 31

4.4 Digital subtraction angiography (DSA): ................................................................................................ 32

4.5 Mammografo: ....................................................................................................................................... 36

4.6 Prove di costanza: ................................................................................................................................. 39

4.6 Norma CEI 62 – 114: Prove di valutazione e di routine nei reparti di produzione delle immagini .... 40

5. Tomografia computerizzata: ...................................................................................................................... 46

5.1 Tomografo: ............................................................................................................................................ 50

5.2 Sensori allo stato solido:....................................................................................................................... 54

5.3 Sensori TC a gas:.................................................................................................................................... 56

5.4 Sensori a semiconduttore: .................................................................................................................... 57

5.5 Pitch e Gap: ........................................................................................................................................... 58

5.6 Qualità dell’immagine: ......................................................................................................................... 59

5.7 TC spirale: .............................................................................................................................................. 60

6. Medicina Nucleare: ..................................................................................................................................... 63

6.1 Dalla tomografia alla medicina nucleare: ............................................................................................ 63

6.2 Imaging funzionale: .............................................................................................................................. 65

6.3 Aspetti negativi: .................................................................................................................................... 66

6.4 Radionuclidi: ......................................................................................................................................... 66

6.5 Rivelatori: .............................................................................................................................................. 71

1

6.6 Camera di Anger (Gammacamera): ...................................................................................................... 73

6.7 SPECT: .................................................................................................................................................... 83

6.8 PET: ........................................................................................................................................................ 89

6.9 Campi d’applicazione della medicina nucleare: .................................................................................. 95

7. Introduzione agli ultrasuoni: ...................................................................................................................... 96

7.1 Impedenza acustica: ............................................................................................................................. 99

7.2 Propagazione di un’onda US: ............................................................................................................. 100

7.3 Generazione ultrasuoni: ..................................................................................................................... 104

7.4 Risoluzione: ......................................................................................................................................... 105

8. Dispositivi e sonde US: .............................................................................................................................. 107

8.1 Ecografi: ............................................................................................................................................... 108

8.2 Sonde Reali:......................................................................................................................................... 111

8.3 Sistema ad impulsi eco ....................................................................................................................... 112

(pulsed – echo): ......................................................................................................................................... 112

8.4 TGC: ..................................................................................................................................................... 113

8.5 Strategie di Visualizzazione: ............................................................................................................... 114

9. Flussimetria Doppler: ................................................................................................................................ 116

9.1 Leggi fondamentali: ............................................................................................................................ 116

9.2 Flussimetri ad onda continua: ............................................................................................................ 123

9.3 Flussimetri ad onda pulsata: .............................................................................................................. 125

9.4 Colore Doppler: ................................................................................................................................... 127

9.5 Mezzi di Contrasto: ............................................................................................................................. 129

10. Fondamenti di risonanza magnetica: ..................................................................................................... 130

10.1 Storia: ................................................................................................................................................ 130

10.2 Principi fisici della risonanza magnetica: ......................................................................................... 130

10.3 Moto di precessione di Larmor: ....................................................................................................... 135

10.4 Frequenza di Larmor: ........................................................................................................................ 136

10.5 Caratteristiche del vettore magnetizzazione: .................................................................................. 136

10.6 Effetto Zeeman: ................................................................................................................................ 138

10 .7 Eccitazione RF:.................................................................................................................................. 140

10. 8 Il segnale MR: ................................................................................................................................... 144

11. Imaging MR ............................................................................................................................................. 149

11.1 Gradiente spaziale: ........................................................................................................................... 153

11.2 Mezzi di contrasto MR: ..................................................................................................................... 153

12. Dispositivo RM: ....................................................................................................................................... 156

12.1 Schema a blocchi dispositivo MR: .................................................................................................... 156

2

12.2 Unità principali:................................................................................................................................. 160

12.3 Caratteristiche del magnete: ............................................................................................................ 160

12.4 Shimming del campo magnetico: ..................................................................................................... 164

12. 5 Geometrie ideale: ............................................................................................................................ 167

12.6 Superconduttività: ............................................................................................................................ 176

12.7 Criostato: ........................................................................................................................................... 177

12.8 Quenching: ........................................................................................................................................ 178

12.9 Sistemi dei gradienti di campo: ........................................................................................................ 181

3

0

1. Introduzione alle bioimmagini:

1.1 Storia:

Un corso come bioimmagini compare in quasi tutti gli atenei mondiali, perché? Le immagini in medicina

assolvono ad un ruolo fondamentale, cioè quello di avere in evidenza di ciò che sta capitando. È un mezzo

di fruizione d’informazione rapido e diretto, per capire meglio ciò che succede e trasmetterlo in maniera

veloce. A volte posso essere curioso di sapere ciò che c’è all’interno del corpo umano, a volte può avere un

fine diagnostico.

1.2 Cos’è una bioimmagine?

Si indica col termine bioimmagine una figura relativa all’anatomia od alla fisiologia di parti interne

del corpo.

Una definizione così generica non

tiene conto di:

- Funzione: Posso ricavare

un’immagine di una parte del corpo

umano per diversi motivi (clinica,

diagnostica, terapia).

- Scala: È una bioimmagine una

fotografia presa al microscopio di una

sezione di un tumore espiantato,

come l’organo intatto. Quindi ci sono

bioimmagini che sono sulla

microscala ed altre su macroscala.

- Tecnica: Ci sono alcune immagini ricavate con tecniche di assorbimento, altre di riflessione ed

ancora di diffusione (è differente il principio fisico dell’acquisizione dell’immagine).

- Morfologia o funzione: L’immagine morfologica è quella che ha il compito di descrivere bene

come è fatto un organo/tessuto/sistema, quindi il focus è sull’aspetto e la morfologia; invece le

immagini funzionali hanno il compito di farmi vedere come funziona.

- Invasività: Ci si riferisce a come l’energia interagisce con il corpo umano. Ci sono forme di energia

che interagiscono minimamente con il corpo umano e non danno problemi particolari, mentre ci

sono forme d’energia molto più invasive, perché lasciano segni. Ad esempio gli ultrasuoni non

fanno niente, mentre i raggi x qualcosa lo fanno. Il problema è che alcune cose con gli ultrasuoni

non si possono vedere, mentre con i raggi x si e viceversa. Dunque bisogna indagare la cosa giusta

con la tecnica giusta e si parla di “appropriatezza”.

1.3 Classificazione delle bioimmagini:

• Esistono delle immagini che si differenziano per lo scopo per cui sono state acquisite, cioè ai fini

diagnostici, monitoraggio, ricerca.

• Una immagine può essere morfologia o funzionale.

• Quando si parla di invasività è prevalentemente data all’energia utilizzata per interagire con il corpo

umano. 1

Classificazione:

1. In base alla funzione: Morfologiche vs Funzionali.

2. In base all’uso clinico: Analisi di strutture, diagnostica, analisi di patologie (cause), monitoraggio.

3. In base alle caratteristiche: Radiazioni ionizzanti o non ionizzanti, invasività della tecnica,

somministrazione o meno di mezzo di contrasto.

Mezzo di contrasto: È un comune denominatore di tutte le metodiche di imaging. Per tutte le classi di

dispositivo esiste un agente che fa da contrasto, cioè è un mezzo che si deve occupare di creare contrasto

dove non c’è.

1.4 Parametri fisici descritti in un’immagine:

Contrasto: Un cerchio bianco su lavagna nera crea contrasto, un cerchio nero su una lavagna nera non crea

contrasto. Dunque il contrasto è qualcosa di legato alla nostra capacità di riconoscere qualcosa come

contrastante rispetto a quello che gli sta attorno. Supposto di avere un’immagine fatta da uno sfondo di un

certo colore, su cui c’è un oggetto di colore diverso, possiamo misurare di quanto il colore dello sfondo e

dell’oggetto differiscono tra di loro e tanto maggiore sarà la diversità, tanto maggiore è quello che noi

0.

chiamiamo contrasto. Se avessero lo stesso colore, non avrei contrasto, che sarebbe pari a Come si

calcola il contrasto numericamente? Digressione su come vengono codificate le immagini.

Se noi pensiamo alle immagini in formato digitale, quelle che vengono

scattate da qualunque fotocamera, queste immagini sono una matrice di

numeri. A video viene vista come un’immagine, che è fatta da tanti puntini

di colore opportuno, a ciascuno dei quali è associato un numero. Gli

elementi che costituiscono un’immagine digitale si chiamano pixel. Dunque

abbiamo un’immagine anche grande, ma che se andiamo a vedere com’è

fatta, si vede che è formata da tanti quadratini, ciascuno dei quali è un

pixel. Ad ogni quadrato corrisponde uno ed un solo numero.

Scordiamoci dei colori e pensiamo all’immagine in bianco e nero, cioè su scala monocromatica. È stato

stabilito da uno standard internazionale, che la codifica delle immagini in formato digitale deve avvenire

solo usando numeri interi positivi. Su una scala monocromatica, il colore più scuro, su una scala di grigi, che

un pixel può assumere è il colore nero. Se possiamo solo usare interi non negativi, il minimo numero che

0.

possiamo utilizzare per codificare il nero è

- Nella codifica internazionale, un pixel (un elemento di una matrice) in cui c’è scritto dentro

0, a video sarà rappresentato come nero.

- Qual è il numero a cui corrisponde il bianco? Dipende da quanti colori voglio metterci in

mezzo. Invece di stabilire quanti numeri (grigi) voglio metterci in mezzo, si decide con quanti

0

bit codifico i valori che vanno da ad un certo numero, automaticamente ho il numero di grigi

tra il bianco ed il nero. 1 byte = 8 bit.

La gran parte delle immagini è codificata su Qual è il massimo intero che posso codificare su

N 8

8 bit? 2 − 1 = 2 − 1 = 255

Dunque: 0.

- Nero: è codificato dallo

254

- Grigi: possibili di grigi tra nero e bianco.

255.

- Bianco: è codificato dal 2

1 byte, byte = 16 bit,

Se invece di codificare su codificassi su 2 avrei:

N 16

2 − 1 = 2 − 1 = 65535

Quando ho definito un numero di bit su cui codifico l’informazione, so già che all’interno dell’immagine ci

0 255.

devono essere degli interi, che vanno da a

Il contrasto è definito come segue: ′

∆ − = Valore medio dell immagine valutato sull′aureola

= = [ ′

= Valore medio dell immagine valutato sullo sfondo

In questo immagine sfondo ed uniforme sono uniformi; cioè tutti i punti dello sfondo hanno lo stesso colore

e tutti i punti dell’oggetto hanno lo stesso colore (non c’è nessuna variabilità).

Se ci fosse un po’ variabilità, ovvero se volessi calcolare il contrasto che ha la scritta bianca fatta sulla

lavagna, i punti della lavagna n