________________________________________________________________________________________________________Torresin A, Fisica Sanitaria - Milano- 1
Alberto TorresinStruttura Complessa di Fisica Sanitaria
ASST Grande Ospedale Metropolitano Niguarda, Milano
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Dipartimento di FisicaUniversità degli Studi di Milano
+39339 6953661email: [email protected]
To understand the word
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IMMAGINE MEDICA
Rappresentazione, su adeguatosupporto, della distribuzionedi i tà fi i h fi i
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di proprietà fisiche o fisico-chimiche del corpo umano o diuna sua parte, ottenutasfruttando l'interazione fra unagente fisico e il corpo umano
Agenti fisici per la produzione di immagine mediche
RAGGI X Radiologia tradizionaleTC, DR, AD, DSA
RADIOATTIVITA' Scintigrafia,SPECT,PET
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RADIOATTIVITA Scintigrafia,SPECT,PETULTRASUONI EcografiaCAMPI MAGNETICIONDE EM TRM
Immagini e RealtàNella formazione di bioimmagini un
fenomeno fisico è trasformato in unamatrice di dati analogici e digitali
Le immagini sono ottenute utilizzando le
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capacità del corpo umano diattenuare, emettere, riflettere energia
L'energia deve essere misurata e"ricostruita" in un'immagine 2D e/o3D
Immagine che riproduce su un supportoadeguato le caratteristiche dell’oggetto
Immagini analogica
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adeguato le caratteristiche dell’oggettomediante una variazione continua diannerimenti (immagini radiologiche tradizionali)o di tonalità di colore (xeroradiografia)
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Immagini digitale
•Immagine che riproduce in modo numerico lecaratteristiche dell’oggetto; è costituita da matricidi numeri disposti in righe e colonne•Ogni numero ha una corrispondenza biunivoca
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•Ogni numero ha una corrispondenza biunivocacon una proprietà spaziale dell’oggetto•Il numero è rappresentato come livello diluminosità o livello di grigio
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Immagine digitaleLeonardo da Vinci 1489
Immagine analogica
L’immagine come matrice di pixel
• Un’immagine digitale ècomposta da elementidi ti i l di ti
Struttura dell’immagine digitale
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discreti: pixel dispostisu una matrice
L’immagine come matrice di pixel
immagine binariadim matrice = 8 x 8
Struttura dell’immagine digitale
Ciascun immagine digitale èrappresentata da elementibinari cioè rappresentabili
attraverso due valori: 1 e 0
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10000011010
110010000
la profondità dei pixel
n.bit per pixel intervallo di variabilità
1 0-1
Struttura dell’immagine digitale
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2 0-3 8 0-255 12 0-4095 16 0-65535
n.bit per pixel variability 1 0-1
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1 0 12 0-3 8 0-255 12 0-4095 16 0-65535
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n.bit per pixel variability 1 0-1
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1 0 12 0-3 8 0-255 12 0-4095 16 0-65535
n.bit per pixel variability 1 0-1
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1 0 12 0-3 8 0-255 12 0-4095 16 0-65535
n.bit per pixel variability 1 0-1
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Tomographyc images (CT, MRI,SPECT, PET) create a human 3Dslides using a matrix: voxel
Volumetric Image: voxel
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variabilità numeriche delle immagini
Modalità matrice dimensione numerica
Struttura dell’immagine digitale
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(byte) gamma camera
128x128 32.768
TRM/TC 256x256 131.072 TRM/TC 512x512 524.288 DR 2048x2048 8.388.608 mammografia 2048x2048 8.388.608
Image Display
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Image Display
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M:-600, W:1600 M:60, L:360
X-Ray
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X-Ray
CATHODE
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TARGET(ANODE)
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Energy distribution Good separation of low
energy and highenergy spectrumallows for goodseparation of bonyand soft tissue
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0.8
1
1.2
r of
pho
tons
Mo/MoMo/RhRh/RhW/Rh
X-ray Spectrum
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0
0.2
0.4
0.6
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0Photon energy (kV)
Rel
ativ
e nu
mbe
r
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Radiation and matter
• Photoelettric effect• Comptom effect• Pair effect
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Interagendo con la materia l’intensità del fascio si attenua producendo ionizzazione indiretta o secondaria. Gli elettroni secondari prodotti sono i maggiori responsabili della ionizzazione della materia.
Radiation and matter
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Differenti effetti in relazione all’energia della radiazione:
per energie basse effetto fotoelettricoper energie intermedie effetto Comptonper energie alte creazione di coppia
Legge dell’attenuazione
μ = COEFF. DI ATTENUAZIONE = probabilità di interazione totale per un fotone
I0 = intensità del fascio incidente ad x (spessore materiale) = 0
Qual è l’intensità del fascio (I(x)) dopo uno spessore x generico
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I(x) = I0 e(- μx)
Qual è l intensità del fascio (I(x)) dopo uno spessore x generico di materiale?
Photoelectric absorption and radiological image
• In soft or fat tissues (close to water), at lowenergies (E< 25 - 30 keV)
• The photoelectric effect predominates
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5: Interaction of radiation with matter
The photoelectric effect predominates• ⇒ main contributor to image formation on the
radiographic film
Contribution of photoelectric and Compton interactions to attenuation of X Rays in water
(muscle)10
1.0
TotalOE
FFIC
IEN
T (c
m2
g-1)
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5: Interaction of radiation with matter
20 40 60 80 100 120 140
0.1
0.01
Total
Compton + Coherent
Photoelectric(keV)
X R
ay A
TT
EN
UAT
ION
CO
Contribution of photoelectric and Compton interactions to attenuation of X Rays in bone
10
1.0
TotalOE
FFIC
IEN
T (c
m2
g-1)
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5: Interaction of radiation with matter
20 40 60 80 100 120 140
0.1
0.01
Total
Compton + CoherentPhotoelectric
(keV)
X R
ay A
TT
EN
UAT
ION
CO
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X Ray penetration in human tissues
• Higher kVp reducesphotoelectric effect
• The image contrast is lowered• Bones and lungs structures can
simultaneously be visualized
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5: Interaction of radiation with matter
y
Note: body cavities can be madevisible by means of contrast media:iodine, barium
Attenuazione di un fascio di radiazioni X o γ
Energia(MeV)
SEV nei tessuti
SEV in piombo
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(cm) (cm)0.010.11.05.0
0.1314.059.823
0.000760.0120.891.52
X-Ray tube parameters
• Tension: kV• Current: mA• Time: s
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• Anode: material
• Distance: cm• Filtration (manual) mmAl
Imaging morfologico• CT (densità, n.atomico)
• MRI (1) (n.protoni di idrogeno,interazione cellulare)
• RX &Angiografico (DSA,2D) (densità, n.atomico) Dominik Morhard, MD; Thorsten Johnson, MD; Christoph Becker, MD
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• 3D angio - Cone beam CT- (densità,n.atomico)
Department of Clinical Radiology, Ludwig-Maximilians-University Munich – Großhadern
Imaging funzionale
• SPECT, SPECT/CT (distribuzione di γ emittitori)
• PET, PET/CT (distribuzione di β emittitori)
• MRI (2): fMRI (n.protoni di idrogeno, interazione
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cellulare, emoglobina)
• MRI (3): DTI fiber tracking (n.protoni diidrogeno, interazione cellulare, processi di diffusione)
• MRI (4): Spettroscopia (stato biochimico dei protoni di H,Na, P , interazione cellulare)
Pl i i
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Planar imaging
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Primary beam attenuation and latent image
Bone
Film, fluorescent screenor image intensifier
« Latent »radiological
Scatteredradiation
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15.1: Optimization of protection in radiography: technical aspects 79
Air
Soft tissue
X
Primary collimation
Beam intensityat detector level
image
Antiscatter Grid
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Rivelatori tradizionali Accoppiamenti schermo -pellicola
elevata rapidità cattiva definizioneelevata definizione bassa rapidità
Latitudine: intervallo di
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Latitudine: intervallo di esposizione in cui la pellicola risponde con densità diagnosticamente utili
figura tratta da Bushong (4)
Rivelatori tradizionali Accoppiamenti schermo -pellicola
elevata rapidità cattiva definizioneelevata definizione bassa rapidità
Rapidità: l’inverso della
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Rapidità: l inverso delladose per ottenere unadensità ottica pari a uno
figura tratta da Bushong (4)
Definitions
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Glossary
Absorbed Dose [Gy]
A Torresin – Medical Physics Expert
[ y]
Glossary
A Torresin – Medical Physics Expert
Equivalent dose E [Sv]
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Glossary
Dose equivalene impegnata
A Torresin – Medical Physics Expert A.Torresin: Struttura Complessa di Fisica Sanitaria – Dipartimento di Fisica - Milano
Modality Output Projective Image (RX)
A Torresin – Medical Physics Expert
• Entrance Dose [mGy]
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Modality Output Projective Image (RX)
• KAP, DAP [mGycm2, µGy m2, dGy m2 ]
A Torresin – Medical Physics Expert A Torresin – Medical Physics Expert
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Computed Tomography
A Torresin – Medical Physics Expert
Modality Output CT image
• CTDI [mGy] mGy dz D(z) nT1 CTDI
2
1
z
z∫=
T: slice thikness; n: # slices
A Torresin – Medical Physics Expert
• DLP [mGy cm] = Σi CTDIw, i T n
external 100,center 100,w CTDI 32 CTDI
31 CTDI +=
Glossary
A Torresin – Medical Physics Expert
Effective dose E [Sv]
Patient’s parameters
• Effective dose E [mSv]– RX diagnostic E = KAP x ki ( i :age, gender,..)– CT E = DLP x kj ( j :age, gender,..)
A Torresin – Medical Physics Expert
CT E DLP x kj ( j :age, gender,..)
• Skin dose [mGy] (angio)
• Organ Dose [mSv]
Organ Dose
• Phantom evaluation– No Phantom consensum
O d lli
A Torresin – Medical Physics Expert
• Organ modelling S D
wr
Effective Dose
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Source DoseDT
DoseHT
DoseE
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From anatomy to molecular imagingImaging biological parameters Biology
MRS
NM/PET
Optical
MetabolismReceptors
Gene expressionSignal transduction
Stem cell function
Nanosystems Protein dynamicsZeptomolar 10-21 Mole/kg
Femtomolar 10-15 Mole/kg
Picomolar 10-12 Mole/kg
Nanomolar 10-9 Mole/kg
Attomolar 10-18 Mole/kg
~102 atoms/cell
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Anatomy
MRI
X Ray Angio
Echocardio, NM/PET
X RayMSCT
Pump function
Perfusion Micromolar 10-6 Mole/kg
Millimolar 10-3 Mole/kg
~3x107 atoms/cell
~109 atoms/cell
Da L. Fass – GE Medical System