SEL 5705 - FUNDAMENTOS FÍSICOS DOS PROCESSOS DE
FORMAÇÃO DE IMAGENS MÉDICAS
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FORMAÇÃO DE IMAGENS MÉDICAS
Prof. Homero Schiabel(Sub-área de Imagens Médicas)
6. FORMAÇÃO DE IMAGENS POR RAIOS X6. FORMAÇÃO DE IMAGENS POR RAIOS X
A Radiografia➨ 2 fatores fundamentais:
padrão de intensidade de raios-X transmiti-do através do corpo;
imagem no sensor (filme, tela, placa eletrô-nica ...) grau de escurecimento (interação dos raios X com a emulsão – densidade óptica – ou outro sensor de radiação)
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RAIOS X ATRAVESSANDO O CORPO HUMANO
RAIOS X ATRAVESSANDO O CORPO HUMANO
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Diferenças entre atenuações causadas por osso, músculo e gordura dentro do corpo visualização da estrutura anatômica na radiografia
Diferenças entre atenuações causadas por osso, músculo e gordura dentro do corpo visualização da estrutura anatômica na radiografia
Ex. 1
Io
It
d OSSO TECIDOMOLE
F
Io
ItIt´
intensidadeincidente
intensidadetransmitida
It = Io e -μTd
It´ = Io e -μod
μT = coef. aten. linear tecido mole;μo = coef. aten. linear osso
μT < μoμT < μoZosso = 14 > Ztec = 7,5ρosso = 1,8 > ρtec = 1,0
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Ex. 2Io
It
D
OSSOOSSO
TECIDOMOLE
TECIDOMOLE
F
I1 = Io e -μTD
I2 = Io [e -μod. e -μT
(D-d)] d
I1I2
ItIt
xx
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1. Tamanho do Ponto FocalGEOMETRIA DE EXPOSIÇÃOGEOMETRIA DE EXPOSIÇÃO
fR
f
ffR
f < fR (no centro)
sen θ = f / fRsen θ = f / fR
Princípio do Princípio do focofoco--linhalinha
f = fR sen θf = fR sen θ
θ
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1. Tamanho do Ponto FocalGEOMETRIA DE EXPOSIÇÃOGEOMETRIA DE EXPOSIÇÃO
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1. Tamanho do Ponto FocalGEOMETRIA DE EXPOSIÇÃOGEOMETRIA DE EXPOSIÇÃO
(característica de campo)
F
S1
S2
d dFF1
dFF2
dFD S2
S1
S1
dFF1 dFD
dFF
= =d
S = ddFD
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2. Tamanho do CampoGEOMETRIA DE EXPOSIÇÃOGEOMETRIA DE EXPOSIÇÃO
F
S1
S2
dFF1
dFF2
dFO
dFFS / r =dFO
r
objetoSe dFF = dFO S = r
Para dFF > dFO:
= m
Fator de magnificação
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3. Magnificação radiográficaGEOMETRIA DE EXPOSIÇÃOGEOMETRIA DE EXPOSIÇÃO
F
dFF
dFO
r
objeto
Fator de magnificação lateral (g)
Plano-imagem
x
S = R (dFF/dFO) = R m(no centro)
S’ = R (dFF/dFO)(√ dFO2 + x2) / dFO)
S’= R m (√ dFO2 + x2) / dFO)
S S’
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4. Distorção e Magnificação lateralGEOMETRIA DE EXPOSIÇÃOGEOMETRIA DE EXPOSIÇÃO
f
S
dFF
dFO
(dFF - dFO)p1 = p2 = f
dFOp1
p1 + p2 = p PENUMBRA
p2
D
e Fazendo o objeto muito estreito,de modo que D >> e:
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5. Penumbra (Perda geométrica de nitidez)GEOMETRIA DE EXPOSIÇÃOGEOMETRIA DE EXPOSIÇÃO
Ponto focal = 1,20 x 0,75 mm
Ponto focal = 0,40 x 0,30 mm
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5. Penumbra (Perda geométrica de nitidez)GEOMETRIA DE EXPOSIÇÃOGEOMETRIA DE EXPOSIÇÃO
Para caso de absorção fotoelétrica, pode-se considerar que a radiação que sai do paciente é composta apenas do feixe primário um fóton de R-X é completamente removido do feixe por absorção total;
Para o caso do espalhamento Compton, não ocorre apenas absorção parcial
Radiação espalhada do próprio paciente, na maioria das vezes, não é desprezível e causa perda de resolução na imagem
Redução do espalhamento GRADES (80 a 90%)
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ESPALHAMENTO E GRADESESPALHAMENTO E GRADES
R-X
11 3322
44
paciente
h
b cGrades Pb
Raio 1: feixe primário;Raio 2: rad. espalhada - raio “angula-do” vê uma grande superfície no Pb;Raio 3: feixe primário absorvido fração [b/(b+c)] do feixe primário;Raio 4: ligeiramente espalhado an-gulação pequena não contribui pra-ticamente para degradação da imagem (como os raios de angulação maior)
Razão de Grade r = h/bRazão de Grade r = h/b
Fator de Grade: Fator de Grade: F = F = Expos. c/ grade Expos. c/ grade
Expos. s/ grade Expos. s/ grade
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ESPALHAMENTO E GRADESESPALHAMENTO E GRADES
TENSÃO ENTRE OS ELETRODOS (kVp)TENSÃO ENTRE OS ELETRODOS (kVp)
Emédia do espectro ≈ 1/3 a 1/2 da kVp
> kVp > Emédia do feixe < μ(maior penetração)
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FILME RADIOGRÁFICOFILME RADIOGRÁFICO
Emulsão fixada numa base de material plástico, que contém em suspensão cristais de Brometo de Prata em material gelatinoso
Camada protetora
Camada protetora
emulsão
emulsão
base
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Radiação interage com os cristais imagem latente revelação cristais se tornam grãos de prata metálica fixação (solução de tiossulfito de sódio dissolve brometo e a gelatina não atingidos pela radiação) lavagem em água áreas expostas à radiação: mais escuras (proporcionalmente à quanti-dade de radiação recebida)
Coeficiente de transmissão do filme T = I / IoT = I / IoGrau de escurecimento
(densidade óptica) D = log (1/T) = log (Io / I)D = log (1/T) = log (Io / I)
Io
I
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FILME RADIOGRÁFICOFILME RADIOGRÁFICO
http://tecnicosemradiologia.blogspot.com/2008/02/raio-x.html
Curva Característica do Filme Curva Característica do Filme
relação entre a exposição recebida e a correspon-dente densidade ótica proporcionada:
LogLog Exp.Exp.
D.O.D.O.
1,01,0
2,02,0
3,03,0
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FILME RADIOGRÁFICOFILME RADIOGRÁFICO
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FILME RADIOGRÁFICOFILME RADIOGRÁFICO
Curva Característica do Filme (Kodak MinR-M) Curva Característica do Filme (Kodak MinR-M)
Log Exp.
D.O.VELOCIDADE (= sensibilidade)
v = 1 / E1E1 = exposição necessária para
produzir D.O. = 1,0
INCLINAÇÃO (= gradiente)
γ = DO2 - DO1
log E2 - log E1
quanto > γ > in-clinação > velo-cidade
LATITUDEIntervalo de expos. em que as D.O. estão na parte linear da
curva
CONTRASTE
C = DO1 - DO2
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FILME RADIOGRÁFICOFILME RADIOGRÁFICO
CONTRASTECONTRASTE
Diferença detectável na imagem (grau de escureci-mento) entre 2 pontos
Diferença entre as intensidades de luz transmitidas por uma tela fluorescente impressionadas pelos pa-drões de intensidade de R-X:
ΔI proporcional a (IT - Io)*
(*) intensidade de luz da tela é proporcional à quantidade E absorvida por ela
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CONTRASTECONTRASTE
http://www.fleury.com.br/
Resposta do olho humano: logarítmicaC = log10 I1 - log10 I2
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CONTRASTECONTRASTE
ttp://www.if.ufrgs.br/ast/med/imagens/node2.htm
Resposta do olho humano: logarítmicaC = log10 I1 - log10 I2
Ex.: Se substituirmos os correspon-dentes valores para osso e tecido mole do Exemplo 1:
I1 = Io e -μTd
I2 = Io e -μod
C = log Io – 0,434 μTd - log Io + 0,434 μod
C = 0,434 d (μo – μT)
Obs.: é comum o uso de soluções contrastantes para visualizar melhor determinados órgãos:
BaSO4 estômago, esôfago, sistema gastrointestinal;
I (Hypaque) artérias
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CONTRASTECONTRASTE
Ex.: Um feixe de R-X de 80 kVp com filtro de 2 mm Al é dirigido para uma região do braço, onde uma artéria de 1 mm de espessura contém Hypaquecomo contrastante.
- Qual % de fótons que atravessa 8 cm de tecido mole do braço?
- Qual % de fótons que atravessa uma região adjacente contendo a artéria? Ela será visualizada?
Imagem das 1as angiografias (1896): injeção de compostos de mercúrio “post-mortem” (Haschek & Lindenthal - Viena)Imagem das 1as angiografias (1896): injeção de compostos de mercúrio “post-mortem” (Haschek & Lindenthal - Viena)
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OUTROS SENSORES RADIOGRÁFICOSOUTROS SENSORES RADIOGRÁFICOS
Princípio: LUMINESCÊNCIA(conversão de λ: radiação invisível em luz)
FLUORESCÊNCIA (emissão em t ≤ 10-8 s);
FOSFORESCÊNCIA (emissão em t > 10-8 s)
Ex.:
Écrans reforçadores;
Telas fluorescentes;
Intensificadores de imagem
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1. Écrans reforçadores (telas intensificadoras)1. Écrans reforçadores (telas intensificadoras)
Usadas para reduzir a dose no paciente;Classificadas em: rápidas, médias, lentas;
capa
Cristais CaWO4
Base de fibra de celuloseCamada base
Camada de fechamentofilme
Fator de intensificação da tela
FI = Ds / Dc
DS : dose necessária p/ obter D.O. = 1,0 sem écranDC : dose necessária p/ obter D.O. = 1,0 com écran
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Visualização de movimentos de estruturas internas;
Material mais usado: CdSO(Zn)
R-X
Tela fluoroscópica
paciente
Vidro Pb
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2. Telas Fluoroscópicas2. Telas Fluoroscópicas
1a tela fluoroscópica
2a tela fluoroscópicafotocatodo
Feixe de elétrons
Sistema óptico (lentes)
paciente
R-X
Radiação Radiação tela tela luz luz fotocatodofotocatodo emite emite ee-- de intensidade de intensidade proporcional proporcional àà luz da tela luz da tela aceleraaceleraçção dos ão dos ee-- (~ 25 kV) (~ 25 kV) focalizafocalizaçção na 2ão na 2aa tela tela fluoroscfluoroscóópicapica luz de > intensidade luz de > intensidade
(amplifica(amplificaçção)ão)
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3. Intensificadores de imagem3. Intensificadores de imagem
Tubo de TVTubo de TV
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1a tela fluoroscópica
2a tela fluoroscópicafotocatodo
Feixe de elétrons
paciente
R-X
3. Intensificadores de imagem3. Intensificadores de imagem
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OUTROS SENSORES RADIOGRÁFICOSOUTROS SENSORES RADIOGRÁFICOS
Princípio: FOTOELÉTRICO(conversão de λ: radiação invisível em corrente elétrica)
Fotodiodos;Detectores semicondutores (Si, Se, Ge)
Acoplamentos óticos com CCDs
Fotodiodos;Detectores semicondutores (Si, Se, Ge)
Acoplamentos óticos com CCDs
FOTODIODOSFOTODIODOS
-
+
IL
Modo Fotovoltaico
IL
RL
VO
VO = RL IL
RL
VO
VO = RL IL
Modo Fotocondutivo -
+Vi
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ARRANJOS DE FOTODIODOSARRANJOS DE FOTODIODOSSEL5705 - Prof. Homero SchiabelSEL5705 - Prof. Homero Schiabel
Receptor tem formato semelhante ao chassi radiográficoTamanho cerca de 50 x menor que
sistema fluoroscópico convencional Resolução de até 16 bits de níveis
de cinzaDetector: arranjo de fotodiodos Si
e transistores de filme fino (TFT) acoplados a um cintilador de R-X (normalmente tela de Gd2O2S ou CsI-Tl diretamente depositado no arranjo de Si)
ARRANJOS DE FOTODIODOSARRANJOS DE FOTODIODOSSEL5705 - Prof. Homero SchiabelSEL5705 - Prof. Homero Schiabel
http://www.ultrasonic.de/article/wcndt00/papers/idn382/idn382.htm
Emissão do cintilador: na faixa de 550 ηm (pico de eficiência dos fotodiodos)
RR--XX
cintiladorarranjo de foto-
diodos de SiPlaca base
Placa ADC“drivers”
para placa de leitura
(ou CCD)
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ARRANJOS DE FOTODIODOSARRANJOS DE FOTODIODOS
http://www.e-radiography.net/radtech/f/flat_panel.htm
Fóton de R-X
Luz visível
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FLAT PANEL DETECTORSFLAT PANEL DETECTORS
http://www.itechnews.net/2008/07/page/7/
http://www.shawinspectionsystems.com/products/detectors.htm
Varian
Thales Flat panels
http://www.gizmag.com/samsung-digital-x-ray-detector/8396/picture/40176/
Samsung
Canon