Lezioni: Appunti di Bioimmagini

Bioimmagini

Perché le immagini sono fondamentali? Sono gli esami più prescritti nelle cliniche! Storicamente, la visione è sempre stata importante.

1895-1940 → Raggi X, risoluzione spaziale

1945-1970 → gamma camera, ultrasuoni (tecnologia bellica)

1970 → TC-SPECT-PET, risoluzione in ampiezza (nucleare)

1980 → RM-DSA-SPIRAL CT, risoluzione temporale

2000 → Raggi X digitali, MEG-fMRI

Altri dispositivi di nicchia sono quelli per imaging ottico (microcamera) o imaging a fluorescenza (per studi particolari o in campo operatorio, non per diagnostica).

La "risoluzione spaziale" significa il potere risolutivo, la capacità di vedere piccole fratture. La "risoluzione in ampiezza" riguarda l'immagine digitale (numerica) invece di

quella analogica (su supporto fisico, exa costra). Si parla di ampiezza perché l'immagine digitale si basa su una scala di valori numerici che corrispondono ai colori e dettagli (dinamica d'ampiezza).

Per "risoluzione temporale" si intende il tempo di acquisizione, cioè il numero di immagini registrate al secondo (frame-rate); in alcuni casi è necessaria l'acquisizione veloce!

• Cos'è una bioimmagine? Indipendentemente dal metodo di rappresentazione, sono figure di un distretto anatomico con le sue caratteristiche fisiologiche.
• Le bioimmagini si differenziano per vari dettagli, ad esempio:
• La funzione
• La scala (macroscopica o microscopica)
• La tecnica usata per la registrazione
• Morfologia o funzionalità

e bianco che dipende dalla dinamica (numero di bit a disposizione).

Se avessimo 1 byte = 8 bit, il bianco avrebbe 2⁸ = 2⁸ = 256, ovvero abbiamo 256 livelli di grigio (sulla scala mono-cromatica). Se volessimo il negativo, basta ribaltare i valori della scala.

Per misurare il contrasto, supponiamo che lo sfondo (S) sia uniforme, e ci sia un oggetto (A). Il contrasto è la differenza tra valore medio dell'oggetto e valore medio dello sfondo, rapportata al valore medio dello sfondo:

c = ^Δi/_i = ^{i_A - i_S}/_iS

Si usa il valore medio perché i numeri che rappresentano il colore non danno valore uniforme. Se i_A = i_S ⇒ c = 0 !

Si vuole quindi alto contrasto!

Il contrasto può essere sia positivo (oggetto chiaro su sfondo scuro) che negativo (viceversa).

Si chiama "ad anodo rotante", infatti c'è un disco su un albero, collegato a un rotore che fa ruotare il tutto. Questo dispositivo è chiuso in un ampolia di vetro isolante.

Il catodo funge da "cannone" emettendo un fascio di elettroni verso l'anodo, i quali sbattendo contro di esso liberando energia, cioè i raggi X.

Serve qualcosa che generi il fascio di elettroni, qualcosa che li diriga verso l'anodo, e far sì che si generi la banda dei raggi X.

Questo è giustificato dal principio di equivalenza massa-energia! Infatti parliamo dei raggi X prima come particelle, poi come energia. Abbiamo detto che ogni parte ha quindi uno scopo ben preciso:

• Il CATODO come detto ha lo scopo di generare il fascio di elettroni, e spararli

mente energetica), quindi l'elettrone

incidente deve perdere molta della sua

energia per causare una riemissione in

banda X. Per ottenere questa perdita di

energia serve avere un anodo di metallo

molto denso (molti elettroni, quindi,

grande numero atomico)! Questo spiega

la struttura della curva per frenamento

a campana; non tutti i fotoni riemessi

hanno la stessa energia, perché essi non

possono tutti nelle regioni densamente

elettroniche degli atomi dell'anodo, è

una variabile casuale, e pertanto ha

una sua distribuzione.

• EMISSIONE CARATTERISTICA: rappresenta una
• piccola parte dell'energia in banda X
• riemessa, succede quando l'elettrone
• incidente colpisce in pieno un elettrone
• di un orbitale, "sostandolo" dall'orbitale
• (INTERNO) e l'atomo diventa instabile.
• Gli elettroni dei livelli più esterni

due fattori scollegati.

Se aumentassi la tensione, l’energia dei fotoni aumenta e va bene, se aumento la corrente nel filamento aumento la quantità di elettroni sparati (INTENSITÀ del fascio). Il tubo a raggi X si gestisce fondamentalmente attraverso questi due parametri.

Radiografia tradizionale

Il tubo a raggi X è uguale su tutti i dispositivi, analogici o digitali, quello che cambia è il rivelatore!

Come detto i raggi X hanno la proprietà di PENETRARE i tessuti, causare FLUORESCENZA in alcune molecole (normalmente tali raggi siamo fuori dal visibile). Inoltre anche l’azione chimico-fisica sui tessuti è importante per la radioterapia.

• Il principio di base che regola la radiografia è l’ASSORBIMENTO da parte dei tessuti, effetto

è sufficiente 1 mm di spessore.

Si nota che se vuoi aumentare dell'energia

diminuisce il, per discriminare bene

degli elementi organici (cioè avere alto

contrasto) bisognerà usare energie più

basse possibili!

• Riaggiaggio del tubo a raggi X.

Sono alimentati da due generatori separati,

due rami; uno controlla la tensione tra

catodo e anodo, uno controlla la corrente

nel filamento. Questi due rami sono

strutturalmente separati, tranne un solo

componente in comune.

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Tutti questi controlli sono presenti nella console (testa radiante), sopra all'attimo dove viene svolto l'esame.

• Cosa sono i rivelatori? Servono a cogliere l'interazione dell'energia invisibile con la materia, si basano anch'essi sull'assorbimento. Avranno quindi μ elevato, di materiale metallico. Ci sono 3 classi di dispositivi in commercio:
• Pellicole, sono i sensori più vecchi, stanno andando leggermente in disuso in favore di quelli digitali (efficienza, costo, portabilità, elaborazione dell'immagine, spazio di archiviazione). Sono sensori analogici.
• Amplificatore di brillanza: è un dispositivo in tempo reale! Durante l'irradiazione si vede subito su schermo cosa succede, è utile nelle operazioni chirurgiche, o in pronto soccorso.

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DOSE ASSORBITA: energia media trasferita dalla radiazione ionizzante nella materia.

D = dE/dm (J·kg^-1) o gray (Gry) unità di misura

STRATO EMIANTE: spessore dello strato di materiale per dimezzare l'intensità rispetto al valore iniziale

EQUIVALENTE DI DOSE: esprime il rischio di effetti nocivi, "n" è proporzionale all'intensità (n. di fotoni) e Q è un valore geometrico che riguarda la zona colpita. Serve a convertire il gray in una quantità di radiazione accettabile. Per mamma, l'irradiazione ambientale deve essere H ≤ 1 mS (sievert):

H = Q · N · D (unità di misura J·kg^-1 s)

FASCIO UTILE: tutta la radiazione prodotta dal tubo.

RADIAZIONE RESIDUA: radiazione che emerge dall'oggetto in esame.

utilizzato ha due strati metallici e fa da condensatore!

Ogni elettrodo (armatura) inferiore è un pixel dell’immagine! Se la carica rilevata dal singolo condensatore è zero, si avrà il nero; all’aumentare della carica si otterranno colori più chiari, l’usura dei sensori è minima in ambito di radiologia, non è necessaria la sostituzione.

Non ci sono problemi particolari su questi dispositivi; salvo la fragilità.

Ultimo tipo di sensore, l’AMPLIFICATORE DI BRILLANZA. È una superficie che riceve fotoni e rispedisce le cariche indietro. È un’ampolla di vetro con la faccia esposta ai raggi X di forma circolare, la faccia è di 1cm minimo sempre con

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