PRICIPI DI TOMOGRAFIA PRICIPI DI TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATACOMPUTERIZZATA
PRICIPI DI TOMOGRAFIA PRICIPI DI TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATACOMPUTERIZZATA
Definizione
La tomografia computerizzata (TC) è un procedimento
radiografico digitalizzato che permette di rappresentare
sezioni assiali o parassiali di spessore finito del corpo
umano tramite immagini esenti da sovrapposizione di
strutture, caratterizzate da elevatissima risoluzione
contrastografica.
Limiti della radiologia convenzionale
• Sovrapposizione proiettiva delle strutture anatomiche
informazione sintetica
• Scarsa risoluzione di contrasto
Perché la TC ?
• Superare il limite della sovrapposizione proiettiva delle strutture informazione analitica
• Migliorare la risoluzione di contrasto
STORIA DELLA TC
1895- Fourier: trasformazione analogico-digitale.
1917- Trasformata di Radon: note tutte le proiezioni di un oggetto è possibile ricostruirne la forma e la posizione.
1963- Cormak: elaborazione elettronica delle differenze di densità ottenute con la radiografia
1971- Hounsfield: primo prototipo di apparecchiatura TC
1979- Hounsfield e Cormak: premio Nobel per la Medicina
Componenti di un’apparecchiatura TC
DD
D
D
GEN
Convertitore analog./digit. SAD
Elaboratore elettronico
Monitor di visualizzazione Archiviazione
Hard copyWorksation
Da cosa è composta un’apparecchiatura TC ?
DD
D
D
LETTINO
PORTA-PAZIENTE
TUBO RADIOGENO
Grande capacità termica
GANTRY
Diametro apertura 65-100 cm
Inclinabilità ± 30°
Centratore laser
DETETTORI
Trasformano l’energia radiante in impulso elettrico misurabile
Tubo radiogeno
Alta capacità termica (~6 MHU)
Resistenza per ampia gamma di tensioni 80-140 Kvp e per alta intensità di corrente 10-450 mA
Fuoco fluttuante (multifan)DD
D
D
DD
D
D
Altre componenti di apparecchiatura TC
Collimatore:
Il collimatore è lo strumento che serve per ridurre le dimensioni del fascio di raggi X a quelle desiderate; può essere posizionato sia a livello del tubo radiogeno sia a livello dei detettori
DD
D
D
Altre componenti di apparecchiatura TC
Detettori o Fotorivelatori:
Rendono possibile la misurazione dell’intensità del fascio emergente.
Convertono la radiazione X
in corrente elettrica di intensità
proporzionale
fotorivelcuffia
Finestra
Antielettrodo
Filamento
raffreddamento
Raffreddamento con acqua-propilene-ac.glicolico
Griglia fotorivelatori
Detector
•Collimator: – Molybdenum
• 1.027 mm pitch• eliminate scatter
•Scintillator:– material is Gd2O2S:Pr
• converts x-ray to visible light
• high luminescence efficiency
•Photo diode:• converts visible
light to an electrical signal
The Principle
to DASto DAS
InternalInternalCollimatorCollimator
ScintillatorScintillator
Photo diodePhoto diode
x-rayx-ray
LightLight
ExternalExternalCollimatorCollimatorPlatePlate
Lettino e gantry
Diametro apertura 65-100 cm
Centratore laser
Inclinabilità ± 30°
Lettino motorizzato che permette lo spostamento del paziente durante l’esecuzione delle scansioni TC: può essere dotato di supporti per l’esame dell’encefalo
DD
D
D
GEN
Convertitore analog./digit. SAD
Sistema di acquisizione e trasformazione dei dati (SAD)
Raccoglie i segnali elettrici dei detettori e li trasforma in dati numerici del tipo 2^n
DD
D
D
GEN
Convertitore analog./digit. SAD
Elaboratore elettronico
Elaboratore elettronico (CPU)
Modula e gestisce l’intero processo di funzionamento dell’impianto
Raccoglie e integra i dati numerici del SAD e li trasforma in immagine
Capacità di eseguire 5-10 Milioni di operazioni/sec
Capacità di memoria interna 3000 MB per raw data
TC – Principi Fisici
a) Attenuazione lineare dell’energia radiante
b) Localizzazione spaziale delle strutture
c) Procedimenti di calcolo per elaborare i dati
Attenuazione lineare dell’energia radiante
I(w)=I0 e ^-1 w
DD
D
D
Lampert-Beer Law
TC – Principi Fisici
a) Attenuazione lineare dell’energia radiante
b) Localizzazione spaziale delle strutture
c) Procedimenti di calcolo per elaborare i dati
Localizzazione spaziale delle strutture
Il sistema è costituito da una sorgente radiogena e da un
detettore, allineati e contrapposti.
Il fascio incidente, finemente collimato, opera una scansione
lineare sul piano tomografico lungo tutta la sezione
trasversale interessata.
Durante l’intero procedimento il fascio emergente viene
campionato, digitalizzato e trasmesso a un elaboratore.
Localizzazione spaziale delle strutture
Channel # (1-900)
TC – Principi Fisici
a) Attenuazione lineare dell’energia radiante
b) Localizzazione spaziale delle strutture
c) Procedimenti di calcolo per elaborare i dati
Procedimenti di calcolo per elaborare i dati
Nella ricostruzione dello strato, la sua superficie viene suddivisa in una MATRICE di elementi di dimensioni uniformi (PIXEL).
Formazione della matrice
Per la determinazione dei valori di attenuazione di ciascun pixel, l’oggetto viene diviso in una matrice costituita da 512 piccoli elementi per lato di volume uniforme (VOXEL) e viene misurato il rispettivo coefficiente di attenuazione da differenti punti di vista lungo un arco di circonferenza.
Procedimenti di calcolo per elaborare i dati
Ricostruzione delle immagini per iterazione
I valori di attenuazione di ciascun pixel sono trasferiti ad un computer per l’elaborazione
µµ11 µµ22
µµ33 µµ44
NN00 NN00
NN00
NN00
NN22
NN11
NN33 NN44
xµµ
xµµ
xµµ
xµµ
eNN
eNN
eNN
eNN
)(04
)(03
)(02
)(01
42
31
43
21
...
...
...
...
4
3
2
1
tubo radiogeno
detettore
oggetto
raggi x
Procedimenti di calcolo per elaborare i datiRiferimento della attenuazione del fascio di fotoni all’angolo di
inclinazione tubo/detettori
Procedimenti di calcolo per elaborare i dati
Riferimento della attenuazione del fascio di fotoni all’angolo di inclinazione tubo/detettori
Acquisition angle (0°-360°)
One rotation: 400-500 ms
Original 64 views 128 views
256 views 512 views 1024 views
How many views are required ?
Views simulation
Pixel (picture element) – elemento bidimensionale dell’immagine;
Ogni pixel rappresenta il valore medio della densità di tutte le strutture in esso comprese;
Il valore numerico di ciascun pixel si riferisce alla scala Hounsfield
Le dimensioni del pixel sono determinate dalle dimensioni del campo di vista (FOV)
Definizione
Voxel – elemento tridimensionale dell’immagine;
Determinato dal prodotto delle dimensioni del pixel per lo spessore dello strato
Il valore numerico di ciascun pixel si riferisce alla scala Hounsfield
Le dimensioni del voxel sono determinate dalle dimensioni del campo di vista (FOV) e dallo spessore dello strato
Definizione
Valori di attenuazione di alcuni organi e tessuti normali
La scala Hounsfield
Gli elementi della matrice che presentano un alto coefficiente di attenuazione sono rappresentati in bianco, quelli che presentano un basso coefficiente di attenuazione in nero.
livello
SETTAGGIO DEI VALORI DI LIVELLO E FINESTRA DELLA SCALA DEI GRIGI IN TC
- 1000
2000
1000
0
3000
H-unit
Modelli costruttivi delle apparecchiature TC
• Generazioni di apparecchiature TC convenzionali
• TC spirale a strato singolo e multistrato
Scanner di 1° generazione
• Morfologia del fascio Rx: lineare
• Numero di detettori: 1
• Movimento tubo detettori: traslazione lineare - rotazione
• Angolo di scansione: 180-225°
• Tempo di scansione: 3-5 min
• Matrice di rappresentazione: 80x80 o 160x 160
Scanner di 2° generazione
• Morfologia del fascio Rx: a ventaglio 20-30°
• Numero di detettori: 20-30
• Movimento tubo detettori: traslazione lineare - rotazione
• Angolo di scansione: 180-225°
• Tempo di scansione: 18 – 30 sec
Scanner di 3° generazione
• Morfologia del fascio Rx: a ventaglio 30-50°
• Numero di detettori: 300-1000 ad arco di cerchio
• Movimento tubo detettori: rotatorio
• Angolo di scansione: 240-360°
• Tempo di scansione: 1,5-3,6 s
• Matrice di rappresentazione: 256x256 o 512x512
Scanner di 4° generazione
• Morfologia del fascio Rx: a ventaglio 30-50°
• Numero di detettori: 300-1000 a corona circolare
• Movimento tubo detettori: rotatorio del solo tubo
• Angolo di scansione: 360°
• Tempo di scansione: 1,5-3,6 s
• Matrice di rappresentazione: 256x256 o 512x512
TC SPIRALETC SPIRALE
ACQUISIZIONE SPIRALE VOLUMETRICA
Emissione continua di raggi X durante l’…..
…Avanzamento continuo del lettino porta-paziente con…
Acquisizione continua di dati.
TC convenzionale TC spirale
Questo passaggio è permesso da:
Eliminazione della necessità di trasferimento dell’energia al tubo radiogeno mediante cavi (contatti striscianti)
Eliminazione della necessità di trasferimento dei dati all’elaboratore mediante cavi (onde radio)
Maggiore velocità di rotazione del tubo detettori
Maggiore capacità termica del tubo radiogeno
Maggiore potenza di calcolo dell’elaboratore
Pitch
X raggi di fascio del necollimazio
rotazione per lettino del ospostamentPitch
mm10 di necollimazio
rotazione per mm10 oavanzament1 Pitch
mm10 di necollimazio
rotazione per mm20 oavanzament2 Pitch
Pitch
• Con Pitch UNO (1:1) la velocità di avanzamento del del tavolo coincide con la collimazione del fascio di raggi X
• Con Pitch DUE (2:1) la velocità di avanzamento del tavolo è il doppio la collimazione del fascio di raggi X
• Maggiore è il Pitch maggiore è il volume esaminato nello stesso tempo
• Pitch TRE è il massimo per la TC spirale a strato singolo
Vantaggi
• Maggiore velocità di acquisizione• Acquisizione dell’intero volume senza pause
Vantaggi
• Possibilità di interpolazione dei dati per ottenere immagini interlacciate
• Ottimizzazione ricostruzioni multiplanari e tridimensionali
Vantaggi
• Ottimizzazione dell’impiego di mdc (studi dinamici)
• Possibilità di esami angiografici• Minore stress meccanico dell’apparecchiatura
TC SPIRALE MULTISTRATOTC SPIRALE MULTISTRATO
Nuova tecnologia costruttiva dei detettori
UNICA FILA DI DETETTORI PIU’ FILE DI DETETTORI
TC SPIRALE A STRATO SINGOLO TC SPIRALE MULTISTRATO
TUBO RADIOGENO
DETETTORI
TUBO RADIOGENO
DETETTORI
FASCIO RX
TC SPIRALE STRATO SINGOLOTC SPIRALE STRATO SINGOLO
TC SPIRALE MULTISTRATOTC SPIRALE MULTISTRATO
TC SPIRALE A STRATO SINGOLOTC SPIRALE A STRATO SINGOLO
TC SPIRALE MULTISTRATOTC SPIRALE MULTISTRATO
Vantaggi
• Ancora maggiore velocità di acquisizione• Voxel isotropico: stesse dimensioni nei tre
assi, uguale risoluzione nei tre piani dello spazio
• Ottimizzazione dell’impiego di mdc (studi dinamici)
• Possibilità di esami angiografici non solo periferici ma anche cardiaci e di perfusione
• Ottimizzazione ricostruzioni multiplanari e tridimensionali
20 cm20 cm
1 sec. 1 sec. 120 sec. 120 sec.
1 sec. 1 sec. 40 sec. 40 sec.
0,5 sec. 0,5 sec. 5 sec. 5 sec.
(spessore di strato 5 mm)
DIFFERENZE NELLA VELOCITÀ DI ACQUISIZIONE DELLE DIVERSE APPARECCHIATURE TC