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Bioimmagini
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Organizzazione del corso
• Orari delle lezioni
• Lezione il martedì ore 14.30 – 16.30, aula 1B ed il venerdì
8.30 - 10.30, aula 1D
• Esercitazioni al posto delle lezioni al LADISPE di via Boggio
quando indicato dal docente
• Docenti
• ing. Filippo Molinari, tel. 4135, [email protected]
• ing. Silvia Delsanto, tel. 4136, [email protected]
• Materiale didattico
• copia delle slide del corso (insufficienti!)
• elenco dei testi disponibile sul portale
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In medicina da sempre si fa uso di “simulacri” per trasmettere il sapere medico.
Leonardo da Vinci (1452 – 1519)
Visible Human (1986)
Vesalius “De Humani corporis fabrica” (1543)
Manuali di anatomia (nella foto: Testut)
Tavole di anatomia di Netter
Un po’ di storia …
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1895 2000199019801970196019501940.......
1859 – 1940
Raggi X (anodo rotante)
Risoluzione spaziale
1945 – 1970
Gamma camera
Ultrasuoni
TC – SPECT – PET
Risoluzione in ampiezza
RM – DSA – Spiral CT
Risoluzione temporale
RX digitale – MEG - fMRI
Evoluzione tecnologica
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Cos’è una bioimmagine?(1)
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Si indica col termine bioimmagine una figura relativa all’anatomia oalla fisiologia di parti interne del corpo.
Ma questadefinizione èesauriente?
Funzione Invasività
Scala (macro
o microscopica)
Morfologia
o
funzioneTecnica
Cos’è una bioimmagine?(2)
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Il medico e` solito classificare le bioimmagini inbase alla loro funzione: un cardiologo classificale immagini cardiologiche in base alla lorovalenza diagnostica, terapeutica o riabilitativa.
La tecnica che sta alla base delle immagini haimportanza minore.
L’ingegnere e` solito classificare le bioimmagini sulla basedella loro natura, cioe` in base alla tecnica con la qualesono state ottenute.
Si parla quindi di radiografie, immagini TAC, ecografie,immagini di risonanza magnetica …
Classificazione delle bioimmagini(1)
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In base alla funzione
• bioimmagini MORFOLOGICHE
• bioimmagini FUNZIONALI
In base all’uso clinico
• analisi di strutture anatomiche
• diagnostica
• analisi di patologie (cause)
• monitoraggio terapia, follow – up
In base alle caratteristiche
• radiazioni ionizzanti o non ionizzanti
• invasivita` della tecnica
• somministrazione o meno di mezzo dicontrasto
Classificazione delle bioimmagini(2)
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Le bioimmagini si generano sfruttando opportunamente l’interazione di unqualche tipo di energia con il corpo umano.
I principali meccanismi sfruttati sono:
assorbimento
radiologia, TAC
riflessione
ultrasonografia
diffusione
SPECT, PET
Come si genera una bioimmagine?
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Le prestazioni di un sistema di generazione di immagini a scopo diagnostico possonoessere valutate a partire da un numero limitato di parametri.
• ia valor medio dell’immagine valutato sull’areola
• is valor medio dell’immagine valutato sullo sfondo
CONTRASTO
Rappresenta la variazione relativa del valoreassunto dai pixel appartenenti ad una zonadell’immagine rispetto allo sfondo.
S
A
Parametri fisici descrittivi di un’immagine(1)
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RISOLUZIONE
Risoluzione spaziale: capacita` di vederecome distinti oggetti piccoli e ravvicinati
hh
Risoluzione temporale: numero diimmagini acquisibili nell’unita` di tempo
Risoluzione in ampiezza: minimo valore dii rilevabile sull’immagine (strettamente
legata al contrasto)
Legge di Weber (per ilsistema occhio umano)
Parametri fisici descrittivi di un’immagine(2)
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RAPPORTO SEGNALE – RUMORE
A causa del rumore presente, il valore dell’immagine in un punto non e` unacostante, ma piuttosto una variabile casuale (si supponga una v.c. gaussiana condeviazione standard pari a i)
Detto iavg il valor medio dell’immagine in un punto, il rapporto segnale – rumore (SNR)vale:
Tuttavia il valore assoluto del SNR non e` sempre molto significativo, spessointeressa maggiormente una misura di SNR differenziale, relativa ad esempio ad undettaglio a su uno sfondo s. In questo caso il valore del SNR differenziale vale:
Parametri fisici descrittivi di un’immagine(3)
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• Le bioimmagini vengono praticamente sempre ricavate in vivo, cioe`direttamente sul tessuto umano.
• Le bioimmagini rappresentano spesso una visione parziale della realta`,adattata ad uno specifico problema.
• Lo studio in vivo delle strutture del corpo umano avviene sempre secondoqueste modalita`:
emissione spontanea del corpo umano
interazione con energia inviata sul corpo umano
interazione mirata a specifiche strutture del corpo umano
Caratteristiche comuni delle bioimmagini
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E` stato dimostrato che il corpo umano emette spontaneamentediversi tipi di energia:
• energia magnetica
• energia elettrica
• energia meccanica
• energia elettromagnetica
Nel corso degli anni sono stati messi a punto sofisticati sistemi per ilmonitoraggio e l’acquisizione dei dati forniti da questo tipo di emissionispontanee; esempi classici in questo campo sono le apparecchiature perelettroencefalografia, elettrocardiografia, elettromiografia e termografia.
Emissione spontanea del corpo umano
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La termografia consente di ottenere una mappatura della distribuzione ditemperatura sulla superficie dell’epidermide.
Importanza diagnostica
notevoli simmetrie bilateralinel corpo umano e specificipattern associati a soggettisani
Possibilita` di condurre un esamesenza contatto tra paziente estrumento di misura
Risposta in tempo reale
Pregi e difetti
Capacita` di rivelare alterazionimetaboliche o circolatorie
Elevato numero di falsi allarmi
Metodica utilizzataprevalentemente per loscreening (analisi preliminarisu vasti gruppi)
Es: tumore al seno in donne diuna certa fascia d’eta`.
Termografia(1)
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Termografia(2)
Sensibilità dei sensori all’infrarosso
Risoluzione termica di 15 - 20 mK
Ottica intercambiabile da 50mm
Frame - rate massimo di 200 Hz
Temperatura di esercizio dei sensori di
circa 40 - 60 K
Matrice d’uscita di 512x512 px codificati
su 16 bit
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Organi del corpo umano (cervello, occhi, cuore, stomaco, muscoli scheletrici…)emettono radiazione magnetica si vuole tradurre in mappe 2D o 3D la distribuzionedi campo magnetico in un organo
L’applicazione principale e` nello studio del cervello in risposta a determinati patterndi stimolazione esterni (campo della ricerca)
Caratteristiche del segnale magnetoencefalografico:
• ampiezza di pochi pT, ma spesso solo qualche decina di fT
• banda compresa tra 0.1 Hz e 600 Hz
• problema del rumore ambientale, di circa 8 ordini di grandezza maggiore delsegnale
utilizzo di sensori Superconducting Quantum Interference Devices(SQUID) con temperatura di lavoro a circa –200 C (bagno di elio oazoto)
Magnetoencefalografia(1)
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Magnetoencefalografia(2)