Esperienza Imaging Digitale

Le prime immagini ottenute mediante utilizzo di radiazione (X in questo caso) risalgono a Röntgen, lo scopritore dei raggi X, nel 1895.

Röntgen osservo’ che, inserendo un oggetto tra l'emettitore dei raggi e una lastra fotografica si potevano fissare le immagini ottenute, e conservarle nel tempo La prima radiografia medica eseguita da Röntgen nel dicembre 1895 alla mano sinistra della moglie. E’ visibile anche l'anello.

Principi dell’immagine radiografica

I raggi X possono attraversare i tessuti del corpo umano subendo un'attenuazione che dipende dal tipo di tessuto attraversato. Più è denso il materiale attraversato, più i raggi vengono assorbiti e minore è la quantità di radiazione trasmessa. Quest'ultima contiene un'informazione relativa all'assorbimento di radiazione, che può essere utilizzata per ottenere un'immagine della struttura attraversata. Vedi attenuazione dei raggi X nei materiali

xeII

0

tessuto lastra

fotografica

fascio X

μ = coefficiente di attenuazione lineare del tessuto

Materiale

• acqua → 0.214 cm-1

• muscolo → 0.196 cm-1 • osso → 0.46 cm-1 • iodio → 7.14 cm-1 • piombo → 55.6 cm-1

le ossa hanno un valore del coefficiente di attenuazione μ molto maggiore rispetto a quello dei tessuti molli e ciò giustifica il fatto che i raggi x sono molto usati per indagini sulle strutture ossee.

Si nota anche per ottenere immagini di materiali piu’ densi (vedi Pb) servono radiazioni piu’ penetranti (piu’ energetiche) come raggi X da bremsstrahlung di alta energia o raggi gamma.

Radiografia industriale

Alcuni valori di μ per raggi X di 50 KeV

Nella prima tecnica di imaging biomedico inventata si ottiene lo sviluppo

di un'immagine detta radiografia analogica, ottenuta attraverso una stampa su lastre radiografiche.

Radiografia convenzionale

Il rivelatore è la lastra fotografica: è costituita da un supporto trasparente di acetato di cellulosa o poliestere, ricoperto su entrambe le facce da una emulsione sensibile costituita da gelatina contenente cristalli di bromuro di argento (BrAg), sensibile ai raggi x (si annerisce se colpita) e fotosensibile ed è quindi in grado di fissare

l'immagine radiologica.

Radiografia convenzionale

La scarsa attenuazione dei raggi x (per attraversamento dei tessuti polmonari) si traduce in un forte annerimento della lastra radiografica. Viceversa una forte attenuazione dei raggi x (dovuta all'attraversamento di strutture scheletriche) determina un ridotto o assente annerimento della lastra radiografica.

Nel linguaggio radiologico nero significa radio-trasparente e bianco radio-opaco

Radiografia digitale

Cambia il il processo intermedio di acquisizione, elaborazione, riproduzione

Sorgente di

radiazione (X o g)

Immagine

Vantaggi: le immagini possono essere - immagazzinate - trasmesse - trattate via software

L’ imaging digitale è basata su una tecnologia a semiconduttori. Utilizza rivelatori digitali che convertono i segnali in dati numerici elaborati poi al computer a formare una

immagine numerica su una matrice di pixel.

cose che sono impossibili con le immagini su lastre

L’ imaging digitale viene utilizzato - nella diagnostica medica - in analisi non distruttive industriali - per la sicurezza dei trasporti

Come detto, se si vogliono ottenere immagini di

oggetti massicci o di metalli pesanti la sorgente deve produrre

fotoni di alta energia che possano attraversare il materiale. Ad esempio sorgenti

g di 60Co o 137Cs o fotoni di bremsstrahlung prodotti da acceleratori di elettroni, (linac fino ai 9 MV).

Energia degli elettroni accelerati (kV)

400 mm

100 mm

acciaio

Pene

traz

ione

(m

m)

Apparato per Radiografia digitale

sorgente raggi X

Oggetto

Esempio: ispezione dei bagagli negli aereoporti (con raggi X)

Immagine di un bambino nascosto in un trolley (frontiera Marocco-Spagna, Maggio 2015)

Esempio: ispezione nei trasporti su gomma (con raggi g)

L’immagine mostra: Viola → spazio vuoto Rosa → struttura del camion Verde → pareti Blu → oggetto dentro il cargo Immagine

E’ possibile riconoscere i vari materiali attraversati dalla radiazione?

Riconoscimento di materiali

In molte applicazioni si vuole, oltre all’immagine dell’oggetto, conoscere anche il tipo di materiale da cui e’ costituito. Si sa che materiali diversi attenuano diversamente la radiazione

(a seconda del coefficente di attenuazione mass)

xmasseII

0

mass

mass dipende sia dall’energia del fotone che dal materiale (vedi esempio di Al e Pb) 100 keV → mass ~ 0.2 in Al ~ 1-5 in Pb Pero’ lo stesso rapporto I/Io

si ottiene per materiali diversi, variando lo spessore. Non si puo’ distinguere il materiale

Si sfrutta allora il fatto che i diversi tipi di interazione gamma con la materia (fotoelettrico, Compton,..) hanno una dipendenza diversa dal numero atomico Z.

L’ effetto fotoelettrico dipende fortemente da Z. Ad esempio a 500 keV e’ ancora dominante per materiali pesanti.

Non esiste una espressione analitica della probabilita’ di assorbimento fotoelettrico. Una buona stima e’ data dalla seguente espressione

5.3

g

E

Zk

n

= probabilita’ k = costante n varia tra 4 e 5 a seconda del range di energia

La probabilita’ di scattering Compton dipende dal numero di elettroni disponibili e quindi cresce lineramente con Z. Per bassi valori di Z, l’effetto Compton domina per uno spettro molto ampio di energie

Si misurano due quantita’: - spettro trasmesso attraverso un materiale (dipende da fotoelettrico + Compton)

- spettro diffuso (dipende solo da Compton)

e’ direttamente collegato al tipo di materiale e’ indipendente dallo spessore Il rapporto tra le due quantita’

Applicazione di questa tecnica: controllo bagagli in aereoporto

Esperienza Imaging Digitale

Si vuole studiare la formazione dell’immagine mediante

misure di trasmissione g ( radiazione di 511 keV del 22Na)

Apparato sperimentale

22Na

R1

R1: rivela uno dei

due g da 511 keV

R2-R8: rivelano i g trasmessi attraverso i campioni. I rivelatori sono cristalli di BGO (Bi4Ge3O12), Germanato di Bismuto

campioni

Elettronica di misura I 7 rivelatori di trasmissione

Sistema di coincidenza tra il rivelatore 1 e gli altri 7 rivelatori

In questa esperienza di laboratorio si vuole: a) Determinare la trasmissione di fotoni da 511 keV in diversi

materiali (piombo, ferro, alluminio, grafite, polietilene) e confrontarla tra loro e con quanto gia’ noto. b) Costruire un’immagine digitale di un oggetto contenuto in una black-box e risalire al tipo di materiale

Prima sessione: preparazione e calibrazione degli otto scintillatori utilizzando la sorgente di 22Na

511 keV

1275 keV

Es.: rivelatore 5

Ene

rgia

(keV

)

Canali

Riv. 5: calibrazione canali-energia

●

●

511 keV

1275 keV

Seconda sessione: misure di attenuazione di campioni noti

Sorgente Campione Rivelatori

22Na

Raggi gamma Raggi gamma attenuati

Al Pb Fe ...

xeII

0

Si misura Io, I, si ricava per i vari materiali e lo si confronta con i valori teorici noti in letteratura questo servira’ per le misure della terza sessione

a) Muovendo a step noti la scatola si acquisiscono gli spettri di trasmissione

relativi → si determina forma e posizione dell’oggetto b) Dalle misure di attenuazione della zona dove c’e’ l’oggetto (che e’ uno dei

materiali della seconda sessione) → si risale al tipo di materiale.

Terza sessione: si deve determinare l’immagine di un oggetto nascosto in una scatola rettangolare. La scatola contiene un campione di materiale ignoto in una posizione anch’essa non nota.