Principios físicos de imágenes diagnósticas - … · Principios físicos de imágenes diagnósticas 23/03/2012 1 Luis Agulles Pedrós –Física de las imágenes diagnosticas

Principios físicos de imágenes

diagnósticas

23/03/2012 1

Luis Agulles Pedrós – Física de las imágenes diagnosticas

23/03/2012


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Contenido•R-X: Rayos-X

•TAC: Tomografía Axial Computerizada

•PET: Positron Electron Tomography

•US: UltraSonidos

•IRM: Imágenes por Resonancia Magnética

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•US: UltraSonidos


Ionizante

No ionizante

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Rayos x

¿Qué son?

Fuente: [1]

Hand mit Ringen

22/Dic/1895

cE h h

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Rayos x

¿de dónde salen?

En uso médico se necesita:

• Muchos en poco tiempo

• De forma controlada y reproducible

• No afectar al paciente

• Fisión (Fusión)

• Decaimiento radiactivo

• Aceleradores de partículas => Tubos de rayos x

Generador de

rayos X

Filtro

Diafragma

Haz de rayos X

Rejilla

Película fotográficaPaciente

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Rayos x

Fuente: [1],[2]

Coolidge (1913):

Calentar el cátodo,

Pero también calienta el ánodo

2500CT C 1000AT C

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Claves:2

2e a

mvE q U

Rectificador de

onda completa

Rayos x

6

2

22

2

22

0

1

1

6c

vca

c

qP

av

6

2

222

22

0

1

1

6

c

vc

aqP

Radiación de frenado

Fuente: [1],[2]

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Rayos xEspectros de emisión

• Generados por radiación de frenado

• Por lo general no hay gran dependencia entre la energía de los electrones y la

de los rayos x

• Los rayos x se producen a cierta profundidad del ánodo; interacciones internas

del ánodo.

Rayos x atraviesan varios medios antes de llegar al paciente; filtros (medido en

grosor de Al).

Fuente: [2]

Con diferentes filtros de desplaza el máximo de la

energía

Filtrado de 1, 2 o 3 mm de Al sobre Tugsteno (W)

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Rayos x

Emisión desde las capas más bajas del ánodo.

Capas “externas” : radiación x débil, UV y visible

Capas “internas” : rayos x

K

L

M

picopico

pico

pico

kVkV

hc

nm

kV

hco

h

kV

h

EhE

24.1min

minmax

maxmaxmax

Fuente: [1],[2]

Diferentes potencias

Intensidad de 50, 100 y 150 mA

(ánodo de W)

VIP

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Rayos x

La radiografía: Emulsión simple (o doble) sobre una base.

•Capa protectora (T coat)

•Emulsión de gránulos de plata sobre una matriz gelatinosa

•Base de resina de poliéster o acetato de celulosa.

La radiación libera electrones que atrapa el Ag+

Se concentra en centros de imperfecciones (imagen latente)

Se agregan más Ag, se en la imagen latente

y se protegen…

Fuente: [3]

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Rayos x

Fuente: [3]

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Rayos x

La radiografía digitalizada

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Rayos x

¿Cuánta “luz” se queda en la película? Medida de sensibilidad,

respuesta fotográfica de la película

Transmitancia: cantidad de rayos x que atraviesan la muestra

(factor de ) Absorción (o absortancia): cantidad de rayos x que

absorbe la muestra

Densidad óptica (absorbancia): grado de obscuridad

Suele ser

absorbtransmit

transmittransmit

II

I

I

IT

0

absorbtransmit

absorbabsorb

II

I

I

IA

0

transmit

absorbtransmit

transmit I

II

I

I

TDo loglog

1log 0

%1...%502...2.0 TDo 0I

transmitI

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Rayos x

Problema: fotones retrodispersados, desviados o formados.

Solución: filtrar los que no vengan de la fuente.

Método: rejillas, paralelas (foc>obj) o enfocada (foc<obj)

Razón de la rejilla

Frecuencia de la rejilla

¿y si el foco es menor que el objeto?

D

h

Dd

1

D

d

h

Desviado no pasa Desviado sí pasa

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Rayos x

Problema: fotones retrodispersados, desviados o formados.

Solución: filtrar los que no vengan de la fuente.

Método: rejillas, paralelas (foc>obj) o enfocada (foc<obj)

Fuente: [2]

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•US: UltraSonidos


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CT

Rayos x: proyección de una imagen por absorción de tejidos

Si buscamos 3D proyectamos el mismo plano desde diferentes ángulos

Mucha información difícil de procesar: uso de computadores.

Mucha información por plano: tomo grafía.

Tomografía computarizada: CT (cumputer tompgraphy)

Tomografía axial computarizada: TAC

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CT

Fuente: [2]

Evolucionando:

(a) 1ª generación: combina

traslación y rotación de emisor

y detector

(b) 2ª generación: como 1ª con

más detectores

(c) 3ª generación: solo rotación

(d) 4ª generación: solo rota el

emisor

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Y sigue evolucionando: espiral o helicoidal

A: lectura plano por plano y se mueve el paciente

B: Lectura plano con vance

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CT

Principios: el mismo que rayos x, absorción.

coeficiente de atenuación

espesor del medio

En general

Cada medida hecha por porción de giro:

xeII 0

x

332211

00

xxxxeIeII ii

332211

0

3

332211

0

2

332211

0

1

log

log

log

xxxI

I

xxxI

I

xxxI

I

Fuente: [1]

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CT

Algoritmos de reconstrucción:

•Proyección simple (Simple backprojection):

Asume atenuación constante en cada pixel.

Forma la imagen tras medir

Sistema lento

Zonas borrosas inehrentes

Offset N2Normaliz.

Fuente: [1]

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CT


•Proyección filtrada o convolución (Filtered backprojection):

Realza cambio de densidad

Filtro de convolución

Filtro de tejido

blando

Filtro de hueso

Fuente: [1]

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CT


•Transformada de Fourier

Relaciona una imagen 2D con

datos 1D

Fourier slice theorem

Espacial: integral del haz

Frecuencia: FT de la función

integral

Inversa de la FT de la matriz de

dominio espectral

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CT

¿qué significan los grados de oscuridad o brillo?

Valores arbitrarios de atenuación

Suelen ir de -1000 a 1000 con 0 como referencia del agua

Tejidos de interés tienen densidad parecida

Diferentes ventanas de “intensidad ”

realzan diferentes partes

Atenuación de diferentes tejidos en 1/cm

OH

OHCTCT2

2max

Fuente: [2]

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•US: UltraSonidos


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Radionuclidos en imágenes

Radiographer September 2011; 58 (7):38

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Radionuclidos en radipoterapia

Radiographer September 2011; 58 (9):53

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PET

PET: Positron Emission Tomography

Posicionamiento del metabolismo celular

Radiofármaco con radiación

Imágenes usando compuestos biológicamente activos, sustratos, ligandos o

fármacos marcados.

Generadores de hechos en un ciclotrón

Detectores del PET (pocos en mucho tiempo) ≠ al CT (muchos en poco tiempo)

Simultaneidad de detección.

No utiliza colimador ≠ al SPECT

Resolución (Full Width at Half Maximum)

2

tcx

Línea de respuesta

Fuente: [6]

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PET

Reacción nuclear:

Posición:

suma de detecciones en el fotomultiplicador i

enp

eYX A

Z

A

Z 1

i

i

i

ii

i

i

i

ii

S

Sy

yS

Sx

x ,

iS

Fuente: [6]

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30

i

i

i

ii

i

i

i

ii

S

Sy

yS

Sx

x ,

Fuente: [7]

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31

PET

Se funden las imágenes

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Radiación proveniente de un radiofármaco

Emisión isotrópica

Para definir trayectorias se usan colimadores (pérdidas del 95%)

Gammacámara

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Gammacámara

Fuente: [7]

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Gammacámara multifucnional: los cabezales giran independientemente para tener

una imagen planar o SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography )

Fuente: [7]

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•US: UltraSonidos


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sesión

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Bibliografía

[1] Wikipedia

[2] “MEDICAL IMAGING PHYSICS” Hendeen

[3] “Physical Principles of Medical Imaging” Sprawls

[4] “The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing”Steven W. Smith

[5] “La Tomografía de emisión de positrones (PET) y la PET-TAC. Dos apuestas

seguras para un futuro próximo” Isabel Hervás Benito, José Francisco Martí Vidal

[6] “Fundamentals of Medical Imaging” Paul Suetens

[7] “An introduction to the principles of medical imaging” Chris Guy, Dominic Ffytche

Documents

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