Imaging in Biologia e Medicina

ONDE RADIO

Vengono usate nella risonanza magnetica che usa la proprietà degli atomi che compongono il nostro

corpo.

Il soggetto viene posto in un campo elettromagnetico che allinea gli spin degli atomi di H. Vengono

poi inviate onde radio che fanno perdere l’orientamento ai nuclei. Ma siccome l’emissione è

impulsiva, i nuclei cercano di riprendere l’orientamento iniziale attraverso un moto di precessione.

Il moto causa una alterazione del flusso magnetico globale che viene rilevata e così vengono

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determinate le informazioni sull’intensità dei nuclei.

La ricostruzione delle info determina le immagini nella risonanza.

IMAGING NON ELETTROMAGNETICO

 Imaging acustico: sonar ed ecografia

 Microscopia elettronica

 Microscopia a forza atomica

MICROSCOPIA ELETTRONICA non usa la luce ma un fascio di elettroni che hanno un

dualismo onda-particella. La lungh d’onda degli elettroni è di 5 ordini di grandezza più piccola della

luce visibile. Quando gli elettroni colpiscono la superficie e vengono diffusi, lo fanno secondo la

loro lungh d’onda (evidenzia più particolari rispetto a quelli possibili con la luce visibile).

MICROSCOPIO A FORZA ATOMICA gli elementi che costituiscono i microscopi a forza

atomica sono tutti macroscopici e questa tecnica permette di studiare le forze di contatto tra 2

oggetti:

Cantilever

o Superficie dell’oggetto di studio

o

Un laser colpisce il cantilever e il fascio viene riflesso verso il fotodiodo che manda info ad un

sistema di controllo che verifica l’altezza del cantilever (che oscilla in base alla forza attrattiva della

superficie).

Viene così percossa tutta la superficie e si costruisce la struttura. Le zone che risultano più luminose

sono semplicemente più in alto rispetto a quelle che risultano scure.

Come si costruisce una fotografia

L' origine della costruzione delle macchine fotografiche sta nella camera oscura.

La CAMERA OSCURA era un locale buio dove veniva praticato un foro attraverso il quale

passavano raggi di luce e così le persone potevano vedere ciò che accadeva all' esterno proiettato su

un muro.

La camera oscura è quindi uno dei modelli di fotocamera più semplici. Consiste di una scatola

chiusa con una piccola apertura sul lato anteriore attraverso cui entra la luce, formando

un'immagine più piccola e capovolta sulla parete opposta.

L'asse ottico passa attraverso il foro ed è perpendicolare al piano dell'immagine. Si immagini un

oggetto visibile ad una distanza orizzontale Z dal foro e ad una distanza verticale Y dall' asse ottico.

L'altezza della proiezione Y è determinata da due parametri: la profondità f della scatola e la

distanza Z dell'oggetto dall'origine del sistema di coordinate.

Abbinando triangoli simili si ottengono le relazioni fra l'oggetto 3D di coordinate X, Y, Z e la

corrispondente immagine di coordinate X, Y per una data lunghezza focale f.

x y

x = - f ___ y = - f ___

z z

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Ovviamente la scala dell'immagine risultante cambia in proporzione alla distanza f in modo simile a

come la lunghezza focale determina l'ingrandimento dell'immagine in una macchina fotografica di

uso quotidiano.

Una piccola f, ossia una minore distanza focale, si traduce in una piccola immagine e in un campo

più grande; aumentando f, si ha un'immagine più grande e un campo più piccolo. Il segno negativo

nell' equazione sta ad indicare che l'immagine proiettata viene capovolta ed è ruotata di 180°.

Quindi ci si rese conto che si poteva costruire la fotografia perché ci si è accorti che ci sono

sostanze che, se sottoposte a raggi luminosi, cambiavano il loro aspetto. Insorsero, però, dei

problemi tecnici: uno dei quali era quello di avere un'efficiente raccolta di luce per fornire più

energia al substrato, cosa che la camera oscura non dava perché aveva un'apertura molto piccola.

Allora si è deciso di utilizzare le lenti: si sostituisce il foro con una lente simmetrica e sottile, in

modo tale che tutti i raggi di luce che passano attraverso di essa, vengono rifratti in un piano

virtuale nel centro della lente. La geometria dell'immagine risultante è uguale a quella della camera

oscura.

La lente permette l'ingresso di più luce; quindi non c' è più un solo raggio di luce che raggiunge un

punto dello schermo in cui si va a formare l'immagine, ma ci sono più raggi di luce i quali

colpiscono la superficie dell'obiettivo e poi vengono convogliati in un determinato punto.

La camera con la lente introduce complessità nell'interazione con la luce e le sue componenti

cromatiche.

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Caratteristiche ottiche

Tutte le macchine fotografiche, però, hanno delle caratteristiche che tendono a deviare il

comportamento reale da quello ideale.

1. Parametri geometrici

2. Parametri fotometrici:

a. Tipo, direzione e intensità della luce

b. Proprietà di riflettività della superficie degli oggetti

3. Parametri della lente:

a. Materiale: cambiando il materiale della lente cambiano le caratteristiche perché

queste riflettono la luce ma non tutti i colori.

b. Lunghezza focale: se cambia cambiano l’ingrandimento e la possibilità di mettere a

fuoco gli oggetti che stanno a distanza diversa.

c. Campo visivo

Digitalizzazione spaziale

Il passaggio dalla fotografia analogica a quella digitale avviene concettualmente sostituendo la

matrice di elementi fotosensibili (che cambiano quando vengono irradiati con luce visibile) con

qualcosa di elettronico. Con la fotografia digitale la fotografia viene proiettata su una matrice di

elementi fotosensibili.

Con la fotografia digitale si utilizzano dispositivi chiamati CCD (charge-coupled device) che sono

stati introdotti negli anni '60; si tratta di reti di elementi fotosensibili che raccolgono

indipendentemente la luce incidente sulla superficie del dispositivo. Essi ricevono la luce e

accumulano in una locazione di memoria analogica un numero di elettroni idealmente proporzionale

al numero di fotoni catturati, quindi trasformano la luce in carica elettrica; trasferiscono in sincronia

l'informazione accumulata per essere convertita in numeri.

Tecnologia CCD

I dispositivi CCD ricevono la luce incidente dall'alto, la carica elettrica viene accumulata in modo

proporzionale alla quantità di luce raccolta e quindi trasferita agli elementi vicini. Quindi cessa la

raccolta di luce, il dispositivo viene messo al buio e così si ha il trasferimento delle cariche

elettriche da un elemento a quello vicino fino ad arrivare all' ultimo elemento che passa la carica ad

un amplificatore perché possa essere misurata.

Attraverso questa misurazione si ha la conversione in un numero binario che rappresenta il valore

dell'intensità luminosa raccolta da un determinato fotosito. C'è un sistema di controllo che sa a

quale fotosito corrisponde la carica misurata in un determinato momento.

DIGITALIZZAZIONE DI UNA IMMAGINE

L' immagine a scala di grigi (grayscale) è una mappa di intensità luminosa.

L' immagine a colori è una sovrapposizione di tre immagini di intensità luminosa che rappresentano

i tre colori fondamentali.

In ogni caso si misura una quantità di luce pervenuta all' interno di un fotosito, convertita in una

carica, che è stata misurata da un sistema elettronico che, dopo una conversione dall' analogico al

digitale, ha restituito come risultato un numero binario di M bit.

I numeri binari, invece che sula base delle 10 cifre del sistema decimale, sono numeri interi

rappresentati sula base di due cifre, 0 e 1. Un numero intero decimale è composto da una cifra che

rappresenta l'unità, da un'altra che rappresenta la decina, il centinaio, ecc. La cifra dell'unità è pari al

valore della cifra x 10^0; la cifra delle decine ha un peso dato dalla decina x 10^1; la cifra delle

centinaia è data da centinaia x 10^2. Quindi i numeri binari sono rappresentazione dei numeri con il

sistema posizionale usando 2 come base.

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Nel processo di conversione analogico-digitale la carica di ogni photosite viene misurata e ad essa

viene associato un numero binario, grazie ad un convertitore analogico-digitale. Esso è un

dispositivo che confronta la carica da misurare con un'altra carica e decide qual è il valore

dell'output binario che rappresenta meglio la carica misurata. Sull 'asse X c' è l'input che va da 0

(assenza di luce ossia assenza di carica) a 1 (fotosito saturato).

L' output del sistema binario è dato da una scala: a zero parte la carica, arrivati al primo quadrante

scatta l'output del sistema che restituisce l'1, poi l'altro restituisce il 2, fino all' ultimo livello che è

quello di saturazione ed è solitamente considerato un livello di errore, dove non si può decidere qual

è il valore della grandezza (a questo livello i bit sono = 1).

Q è il quanto, è il minimo di differenza di potenziale, è il quanto minimo che permette la transizione

tra un valore e il successivo.

Le immagini a colori hanno un photosite per ognuna delle tre componenti cromatiche RGB quindi

ogni elemento di immagine (pixel) è rappresentato da una terna di numeri. Se la bit-depth per

ciascun canale è di 8 bit allora ogni elemento è rappresentato da 24 bit. Più grande è il numero di

bit, più piccolo è il quanto di intensità luminosa.

Si parla di quantizzazione: la carica di ogni fotosito viene misurata e ad essa associato un numero

M M

binario. Il bit depht è un numero di bitM che corrisponde a 2 intervalli. 2 indica i colori utilizzati:

M 1

2 =2 = 2 colori usati (grayscale in questo caso). Più l’esponente è alto, maggiore è la risoluzione e

maggiore sono i colori. L’insieme delle cifre rappresenta l’intensità luminosa del fotosito.

La caratteristica fondamentale è il numero di bit: più sono e più è precisa la manipolazione e la

misurazione dell’immagine. Viene usato il DAC (convertitore analogico digitale) per la conversione

della tensione. Quando la tensione di riferimento supera quella in entrata, quel valore corrisponde a

quello della tensione in entrata. Questo metodo viene usato nelle fotocamere e nei convertitori della

voce. M

Ogni pixel è rappresentato da un valore binario di Mbit. 0 indica l’assenza di luce, 2 -1 rappresenta

invece la saturazione del fotosito.

Digitalizzazione

Sappiamo rappresentare su uno schermo un'immagine a colori utilizzando tre colori di base e

sovrapponendoli, generando così una ricca gam