Transcript Sem 4 Materialy 2014-15

Wybrane metody
diagnostyki obrazowej
Seminarium 4
2014/15
1
1. Histogram obrazu
2
Cyfrowa obróbka obrazów
Histogram obrazu
Liczba
punktów
Histogram obrazu zapisanego w skalach
15
szarości to wykres
zależności liczby
punktów przyjmujących
kolejne stopnie
10
szarości od 5stopnia szarości.
0
0
25 50 75 100 125 150 175 200 225 255
Stopień szarości
3
4
0
5
L icz b a p ik s e li
L icz b a p ik s e li
Zmiana kontrastu
2 55
0
2 55
0
6
Liczba pikseli
Liczba pikseli
Zmiana jasności
255
0
255
2. Widmo promieniowania lampy rentgenowskiej
7
Lampa rentgenowska
Chłodzenie
+ 30 - 150 kV
Anoda
8
Katoda
X
Wytwarzanie promieniowania X
Elektrony docierające do anody oddziałują z
atomami anody w dwóch procesach:
• Wybijanie elektronów z wewnętrznych powłok
atomowych (na miejsce wybitych elektronów
wskakują elektrony z wyższych powłok oddając
energię w formie promieniowania X)
• Hamowanie w polu elektrycznym jądra
(elektrony w polu elektrycznym jądra są
odchylane i spowalniane, tracona energia jest
emitowana w formie promieniowania X)
9
Elektron
wysokoenergetyczny
Elektron
wysokoenergetyczny
10
El
ek
tro
n
y
70
ke
V
Widmo promieniowania
hamowania
Liczba fotonów
0 - 10
11
0
20
30
-7
10
ke
V
30 - 40 keV
40
50
60
0
KeV
60
70
80
Obszar pola jądrowego
Liczba fotonów
Widmo promieniowania
charakterystycznego
Usunięte
przez
filtr
kVp
0
10
20
30
40
50
60
Energia fotonów [keV]
12
70
80
90
Filtrowanie widma lampy
Anoda W
kVp = 125 kV
Liczba fotonów
Bez filtra
Filtr Cu - 0.3 mm
Filtr Cu - 0.6 mm
0
20
40
60
80
100
Energia fotonów [keV]
13
120
3. Dobór parametrów badania rentgenowskiego
14
Wydajność detekcji
Wydajność detekcji
0.15
0.10
0.05
η – wydajność detekcji
I0 – promieniowanie padające na błonę
Ir – promieniowanie zarejestrowane
0
15
25
50
Energia [keV]
75
100
Dobór parametrów pracy lampy
RTG
• kVp (napięcie anodowe – energia
wiązki)
• Filtr (widmo lampy, energia wiązki)
• Ekspozycja - ładunek (mAs)
16
100
2
µ [cm /g]
Dobór kVp
Woda
Alkohol etylowy
Hydroksyapatyt
10
1
0
0
17
20
40
60
80
100
Energia [keV]
120
140
160
Dobór kVp
Transmisja promieniowania
1.00
0.50
150 keV
0.10
0.05
20 keV
0
18
50 keV
30 keV
5
10
100 keV
15
Grubość tkanki [cm]
20
Dobór kVp
Z malejącą energią fotonów promieniowania
rośnie absorpcja i zwiększa się kontrast
pomiędzy tkankami, ale rośnie dawka.
19
Dobór kVp
60 keV
20
150 keV
Dobór ładunku
Badane struktury są umieszczone wewnątrz większego
obiektu  krążki Al (Zeff = 13) umieszczone wewnątrz
klina z materiału tkanko-podobnego (Zeff = ~7.5)
21
4. Krzywa charakterystyczna detektora
promieniowania X na przykładzie błony
rentgenowskiej i płytki obrazującej
22
D 3 ,0
N a s yce n ie
Krzywa charakterystyczna
lin i o
wy
2 ,5
Od
c in
1 ,5
ek
p ro
s to
2 ,0
1 ,0
0 ,5
Z a d y m ie n ie p ie rw o tn e
E
23
Image plate
(płytka obrazująca, płyta pamięciowa)
Cyfrowe płyty pamięciowe działają w oparciu o halogenki baru aktywowane
europem (np. fluoro bromek baru aktywowany europem BaFBr:Eu). Zastępują w
rentgenodiagnostyce układ błona RTG – folia wzmacniająca.
Promieniowanie X przechodząc przez płytę pamięciową wybija elektrony z tzw.
centrów luminescencji (np. atom Eu).
Elektrony te są więzione w zaburzeniach sieci krystalicznej np. w miejscu w którym
brakuje atomu bromu, aż do momentu oddziaływania fali elektromagnetycznej o
odpowiedniej długości.
Powrót elektronów do stanu sprzed naświetlenia płytki pamięciowej
promieniowaniem X związany jest emisją światła.
Obraz utajony jest odczytywany przy pomocy lasera. Wiązka lasera oświetla płytę
punkt po punkcie wymuszając powrót elektronów do centrów luminescencji. Mierzy
się intensywność emitowanego światła.
Po odczytaniu płyta jest gotowa do ponownego użytku.
24
Image plate
Pasmo przewodnictwa
laser
pułapka
elektronów
390 nm
Eu
X
Pasmo walencyjne
25
2+
Względna intensywność
26
1.0
Emisja
Stymulacja
0.5
0
200
300
400
500
600
700
800
Długość fali [nm]
900 1000
Efekt na obrazie
4
Układ błona / ekran wzmacniający
Płytka obrazująca
3
2
1
0
0.01
0.10
1.00
Ekspozycja [mR]
27
10.0
100
K o n tra st [% ]
B ło n a /e k ra n
P ły tk a o b ra zu ją ca
10
1
0,1
1
10
100
R o zd zie lczo ść [lin ii/m m ]
28
100 0
Ocena zdolności rozdzielczej w
rentgenografii
Ocenę zdolności rozdzielczej w rentgenodiagnostyce wykonuje się w
oparciu o fantomy. Są to płytki wykonane z tworzywa sztucznego o
niskim współczynniki osłabienia promieniowania X z naniesionymi
ołowianymi paskami o różnym zagęszczeniu.
Określa się maksymalne
zagęszczenie, dla którego paski
ołowiane na obrazie rentgenowskim są
widoczne jako rozróżnialne. Zdolność
rozdzielczą określa się jako liczbę linii
(albo par linii) fantomu.
29
5. Zasada działania i budowa skanera w spiralnej,
wielorzędowej tomografii komputerowej
30
Tomografia komputerowa (TK)
I0
I
I = f (I 0 , d    d    d    d    d   )
31
I1  I 0e
  1x1
I 2  I 1e
  2 x2
 1 x1   2 x 2
I 2  I 0e
e
I0  I1 
I2
 ( 1 x1   2 x 2 )
I 2  I0 e
1
2
x1
x2
I2
 ln  1 x1  2 x2
I0
32
 ln
I0
I0
I2
I0
I3
I0
I4
I0
1 In
Pn   ln
d I0
I0
I4
I3
33
 ln
 ln
d
I0
I 0 ln
I1
  11 d   12 d
(...   1 n d )
  21 d   22 d
(...   2 n d )
I1 11 d   21 d
(...   n 1 d )
I2 12 d   22 d
(...   n 2 d )
 P1  11  12

 P2  21  22

 P3  11  21
 P4  12  22
11 , 12 , 21 , 22
Liczba pomiarów:
20
Liczba niewiadomych:
100
34
D
D
D
D
D
D
D
LR
D
D
D
D
D
D
D
D
D
D
D
D
D
D
D
D
D
D
35
D
D
D
D
D
Sekwencyjna / spiralna TK
t
S e kw e n cyjn a to m o g ra fia ko m p u te ro w a
O b ró t la m p y re n tg e n o w skie j
Z m ia n a p o zycji p a cje n ta
Z b ie ra n ie d a n ych
t
36
S p ira ln a to m o g ra fia ko m p u te ro w a
Wielorzędowa TK
37
Tomografia komputerowa
- mierzymy rozkład liniowego współczynnika
osłabienia promieniowania X ( )
- gęstość wyrażana jest w jednostkach względnych
(HU - Hounsfield Units)
- dawka promieniowania jonizującego równa jest
dawce otrzymywanej w kilku(nastu) standardowych
badaniach RTG
- energie stosowane w TK: 80 - 140 keV
- czas obrotu lampy wokół pacjenta: ~ 0.5 s
- czas skanowania w spiralnej TK: ~ 20 s
38
39
6. Metody prezentacji obrazu w tomografii
komputerowej
40
Jednostki Hounsfield’a
Tkanka
Kość
1000
Wątroba
40 ÷ 60
Istota biała
Istota szara
Krew
HU
46
C T [ H U ] 40
Mięśnie
43
10 ÷ 40
Nerki
30
Płyn mózgowo-rdzeniowy
15
Woda
0
Tkanka tłuszczowa
Powietrze
41
   H 2O
-100 ÷ -50
-1000
 H 2O
 1000
Okno tomograficzne
• Szeroki zakres zmienności HU wymaga stosowania co
najmniej 11 bitów w opisie obrazu tomograficznego
(zwykle 12 bitów - 4096 możliwych, różnych wartości HU)
• Ze względu na ograniczenia oka ludzkiego pod względem
rozróżniania odcieni szarości monitory komputerowe
posługują się skalą 8 bitową (256 stopni)
• Przeskalowanie liniowe skali Hounsfield’a na skalę
szarości powoduje, że subtelne różnice (np. pomiędzy
istotą szarą i istotą białą nie mogą być rozróżniane)
• Z w/w powodów stosuje się tzw. okno tomograficzne
42
Okno tomograficzne
3078
2048
1536
1024
512
0
-512
43
-1024
S z e rko k o ść
o kn a
2560
Skala szarości
Skala Hounsfield’a
Środek
okna
44
45
46
7. Budowa i zasada działania gamma-kamery
47
Budowa gamma - kamery
48
49
Obrazowanie kośćca w scyntygrafii
50
8. Tomografia PET, CT/PET i SPECT
51
Tomografia SPECT
Gamma-kamera
obraca się
wokół pacjenta
52
Zasada SPECT
53
Tomografia PET
Zjawisko anihilacji par
m
Anihilacja pary elektron-pozyton
54
Tomografia PET - radiofarmaceutyki
Znaczniki pozytonowe wbudowane
w możliwie proste radiofarmaceutyki
np. H215O, 13NH3, 11CO, 11CO2
Emax
11C
13N 15O 18F -
55
1,0 MeV
1,2 MeV
1,7 MeV
0,6 MeV
T1/2
20,4 min
9,97 min
2,1 min
109,8 min
Radiofarmaceutyk FDG
zawierający 18F
PET/CT
56
Obrazowanie mózgu w PET
57
Obrazowanie PET
58
Badanie przewodu pokarmowego
i układu moczowego
Zakład Biofizyki CM UJ
9. Zasada działania i budowa tomografu rezonansu
magnetycznego
59
Tomografia RM
Tomografia rezonansu magnetycznego
=
tomografia magnetycznego rezonansu
jądrowego
Wykorzystuje się fakt posiadania
niezerowego momentu magnetycznego
przez jądra 1H
60
N

N
e

 hB 0
2  kT
1
L 
B0
2
S
z
61
N
B0
B0
62
1
L 
B0
2
B0 0.15-3T
Częstotliwość rezonansowa zależy od natężenia pola magnetycznego
w którym znajduje się próbka. Jeśli na pole B0 nałożymy pole
magnetyczne, którego natężenie zmienia się liniowo wzdłuż osi Z
(pole gradientowe), to tylko dla jednej płaszczyzny spełniony będzie
warunek rezonansu. W ten sposób można wybrać płaszczyznę, ktorą
chcemy zobrazować.
63
Z
B0
Nakładając pola gradientowe w
pozostałych kierunkach można wybrać
punkt przestrzeni, z którego będzie
pochodził sygnał rezonansowy.
1
L 
B0
2
64
65
10. Metody prezentacji obrazu w tomografii
rezonansu magnetycznego
66
67
11. Kodowanie informacji o przepływach i pomiar
prędkości przepływu w ultrasonografii
dopplerowskiej
68
Ultrasonografia
Dopplerowska
f0
cf
v
2 f 0 cos 

f1
69
f  f1  f 0
v
Metody obrazowania w
ultrasonografii dopplerowskiej
• Metoda fali ciągłej (cwD – continious
wave Doppler)
• Metoda fali impulsowej (pwD – pulse
wave Doppler)
70
Aparat ultrasonograficzny z opcją pomiarów
dopplerowskich nakłada na obraz w prezentacji B
informację o prędkości przepływu w postaci koloru.
Kolor może kodować informację o wartości prędkości i
kierunku przepływu (Color Doppler) (czerwony – do
sondy, niebieski od sondy), albo jedynie o wartości
prędkości (Power Doppler).
W trybie pulsed wave Doppler możliwy jest pomiar
prędkości dla wybranego miejsca na obrazie. Wymaga
to określenia położenia tego miejsca (bramka) i
ręcznego określenia kierunku przepływu krwi.
71
Color Doppler
72
Power Doppler
73
12. Zastosowanie środków cieniujących w
diagnostyce obrazowej
74
Środki kontrastowe
Środki kontrastowe (kontrasty, środki cieniujące)
stosowane są w rożnych technikach diagnostyki
obrazowej.
Ich wybór musi uwzględniać fizykę metody
diagnostycznej. Zastosowanie kontrastu musi
prowadzić do modyfikacji cechy fizycznej tkanki
(najczęściej krwi) istotnej z punktu widzenia danej
metody.
75
Środki kontrastowe - RTG
W rentgenografii zastosowanie środków kontrastowych ma
najdłuższą tradycję i jest najpowszechniejsze.
Środki kontrastujące w rentgenografii mają na celu
zwiększenie współczynnika osłabienia promieniowania X
badanej tkanki, najczęściej krwi. Z tego powodu powinny
zawierać pierwiastki o możliwie największej liczbie
atomowej. Stosuje się środki na bazie jodu.
Związki jodowe nie są zbyt bezpieczne dla pacjentów i
dlatego ostatnio wprowadza się nowe generacje środków
kontrastowych tzw. niejonowych.
76
Środki kontrastowe - RTG
W przypadku badania układu krwionośnego i moczowego środki
kontrastowe podaje się dożylnie, niekiedy dotętniczo. Dokładna
lokalizacja zależy od rodzaju badania. Przykładowo, znane są techniki w
których kontrast podaje się cewnikiem w miejsce badania.
Przy pomocy kontrastów można badać również układ pokarmowy.
Podaje się je wtedy doustnie (siarczan baru – baryt)
W badaniu płuc stosuje się technikę polegającą na poprawie kontrastu
tkanki płucnej nie poprzez podanie środka cieniującego, ale poprzez
głęboki wdech. Powietrze wypełniające płuca obniża ich średni
współczynnik osłabienia przez co łatwiej je różnicować w stosunku do
otaczających tkanek.
77
Środki kontrastowe - TK
W tomografii komputerowej stosowane są podobne środki
cieniujące i techniki ich stosowania jak w rentgenografii,
ponieważ tomografia komputerowa działa z zastosowaniem
promieniowania rentgenowskiego.
78
Środki kontrastowe - TRM
Środki cieniujące stosowane w tomografii rezonansu
magnetycznego muszą wpływać na zachowanie się spinów
jądrowych w polu magnetycznym.
Jest to możliwe, ponieważ lokalne pole magnetyczne jakie
odczuwa jądro atomowe zależy od konfiguracji powłok
atomu, a to zależy z kolei od składu chemicznego.
W TRM stosuje się podawane dożylnie środki cieniujące na
bazie gadolinu, manganu, dysprozjum i żelaza. Powodują
one zmianę tzw. czasów relaksacji podłużnej i poprzecznej.
Dzięki temu tkanki zawierające kontrast różnią się od tych,
które go nie zawierają.
79
Środki kontrastowe - USG
Kontrasty stosowane w ultrasonografii zmieniają własności
tkanek pod względem oddziaływania z wiązką ultradźwiękową.
Środki cieniujące w ultrasonografii to mikorpęcherzyki gazu
zamknięte w otoczkach albuminowych. Podaje się je dożylnie.
W badaniach tego typu stosuje się aparaty USG emitujące
wiązkę o większej mocy niż w przypadku normalnych badań.
Wiązka wprowadza pęcherzyki gazu w drgania i rozrywa otoczki
albuminowe. Poza rozpraszaniem wiązki na pęcherzykach gazu
wzmacnia się efekty nieliniowe przez co łatwiejsze jest
obrazowanie z zastosowaniem wyższych harmonicznych.
80