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