Upload
cesarina-murgia
View
227
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
RADIOLOGIA:GENERALITA’
di TECNICA
1CENNI STORICI
(Lezione realizzata dal Prof. C. Fava, Univ. di Torino)
Possiamo ottenere IMMAGINI a scopo diagnostico utilizzando:
• RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE IONIZZANTI
• RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE NON IONIZZANTI
• ONDE MECCANICHE
• FENOMENI MAGNETICI
ROENTGEN
Il 28 dicembre 1895 W.C.Roentgen, professore di fisica di Wurzburg, annunciava la scoperta dei Raggi X, radiazioni elettromagnetiche che egli aveva constatato uscire da un tubo a raggi catodici che stava usando nel proprio laboratorio
La definizione di “raggi X” (= misteriosi) è dello stesso Roentgen.Si trattava di radiazioni elettromagnetiche, caratterizzate da lunghezza d’onda inferiore a quella della luce visibile.
RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE
Onde radio
300 KHz3 MHz30 MHz
300 MHz3 GHz
30 GHz300 GHz
3 THz30 THz300 THz3 PHz30 PH
300 PHz3 EHz
30 EHz300 EHz3000 Ehz
30000 EHz
1000 m100 m10 m1 m
100 mm10 mm1 mm
100 μm10 μm1 μm
100 nm10 nm1 nm
100 pm10 pm1 pm
0,1 pm0,01 pm
TIPI DI RADIAZIONI
Raggi infrarossi
Luce visibile
Raggi Ultravioletti
Raggi X e γ
LUNGHEZZA D’ONDA
FREQUENZAENERGIA
1,24 neV12,4 neV124 neV1,24 μeV12,4 μeV124 μeV1,24 meV12,4 meV124 meV1,24 eV12,4 eV124 eV
1,24 KeV12,4 KeV124 KeV1,24 MeV12,4 MeV124 MeV
RAGGI X impiegati in diagnostica e radioterapia
superficiale
Lunghezza d’onda: da 1A a 0,1A
Energia: da 12.400 ev a 124.000 ev
La energia del fotone è legata alla frequenza
Energia = h x frequenza h: costante di Planck (6,61 x 10 -34 j x s)
• procedono in linea retta
• possono attraversare il vuoto
• non sono influenzate dai campi magnetici
Le RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE :
FUOCO
OGGETTO
OMBRA
Se le radiazioni elettromagnetiche incontrano un osta-colo, si determina la formazione di un’ombra, dovuta all’assorbimento del fascio
• procedono in linea retta
• possono attraversare il vuoto
• non sono influenzate dai campi magnetici
• se incontrano un corpo solido ne vengono assorbite
Le RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE :
• procedono in linea retta
• possono attraversare il vuoto
• non sono influenzate dai campi magnetici
• attraversano i corpi solidi venen-done parzialmente assorbiti
I RAGGI X:
La diversa lunghezza d’onda (legata alla diversa energia) è motivo del differente comportamento:
• i raggi luminosi non attraversano i corpi solidi (con poche eccezioni), ma ne sono assorbiti o riflessi;
• i raggi X attraversano i corpi solidi venendone parzialmente assorbiti al passaggio. La loro energia è tale da determinare ionizzazioni.
• i raggi X sono in grado di attraversare i corpi opachi alla luce
• al passaggio, il fascio viene assorbito: l’assorbimento è in rapporto alla quantità e alla qualità della sostanza attraversata
La qualità della sostanza è di fatto rappresentata dal numero atomico (Z)
dei costituenti:
• H
• O
• C
• Ca
1
8
6
20
=
=
=
=
• I
• Ba
• W
• Pb
53
56
74
82
=
=
=
=
Le differenze di densità tra le diverse componenti
anatomiche sono alla base del contrasto naturale.
In generale, tanto maggiore è il contrasto naturale, tanto più è agevole riconoscere le diverse
componenti anatomiche.
Vi sono condizioni (soprattutto in RT), nelle quali il
contrasto naturale non è sufficiente per distinguere tra loro le
diverse componenti anatomiche.In questi casi si ricorre a sostanze
che, introdotte in vario modo nell’organismo, sono in grado di creare un contrasto artificiale.
Queste sostanze si chiamano MEZZI DI CONTRASTO (mdc).
Il loro impiego è vecchio quanto è vecchia la radiologia.
Classicamente vengono distinti in mdc opachi e mdc trasparenti.
I primi (opachi o radiopachi) sono di gran lunga i più usati.
Addome diretto Addome con bario
RADIOLOGIA:GENERALITA’
di TECNICA
2PRODUZIONE RAGGI
X
• create da macchine (= raggi X)
• naturali (= raggi )
Le RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE IONIZZANTI sono:
PRODUZIONE DI RAGGI X
MEDIANTE MACCHINE:
I TUBI RADIOGENI
Caratteristica comune di tutte queste macchine è di determinare
l’accelerazione di elettroni nel vuoto per effetto di una differenza
di potenziale elevata.Gli elettroni così accelerati
causeranno la formazione di raggi X per interferenza con gli atomi
del metallo (abitualmente Tungsteno)
di cui è costituito l’anodo.
MECCANISMI DI FORMAZIONE
DEI RAGGI X:
• Radiazione “di frenamento” (o Bremsstrahlung)
• Radiazione caratteristica
MECCANISMI DI FORMAZIONE
DEI RAGGI X:
• Radiazione “di frenamento” (o Bremsstrahlung)
• Radiazione caratteristica
PRODUZIONE DI RAGGI X PER FRENAMENTO
e-
PRODUZIONE DI RAGGI X PER FRENAMENTO
e-
MECCANISMI DI FORMAZIONE DEI RAGGI X:
• Radiazione “di frenamento” (o Bremsstrahlung)
• Radiazione caratteristica o eccitazione
PRODUZIONE DI RAGGI X PER ECCITAZIONE
e-
PRODUZIONE DI RAGGI X PER ECCITAZIONE
e-
PRODUZIONE DI RAGGI X PER ECCITAZIONE
e-
La radiazione caratteristica concorre in misura
quantitativamente modesta alla composizione del fascio:
alla tensione di 100 kVp solo il 15% dei fotoni riconosce questo meccanismo di
formazione.
Il rendimento del tubo radiogeno è molto basso, in
quanto il 95% circa dell’energia ceduta dagli
elettroni accelerati sull’anodo si trasforma in calore.
Questo calore si sviluppa dalla macchia focale,
“bombardata” dagli elettroni.
Ciò crea importanti problemi, in quanto per migliorare la qualità
dell’immagine è soprattutto importante ridurre il più
possibile le dimensioni della macchia focale:
il fuoco ideale è puntiforme.Si delineano pertanto le
necessità antitetiche di ridurre le dimensioni e insieme la
temperatura della macchia focale.
OMBRA E PENOMBRA
F F’ F’’
O O OD 1
D 2
D 3
FUOCO NONPUNTIFORME
FUOCOPUNTIFORME
TUBO DI COOLIDGE
• un fuoco elettronico
• un fuoco ottico
• un fuoco termico
La macchia focale è in realtà un’astrazione geometrica, essendo la proiezione su una determinata direttrice di una superficie inclinata.In un tubo riconosciamo:
Il FUOCO ELETTRONICO è la porzione di anodo colpita dagli elettroni liberati dalla spiralina catodica ed accelerati dalla
differenza di potenziale.E’ l’area sulla quale si formano
i raggi X.
FUOCO ELETTRONICO
Il FUOCO OTTICO è la proiezione geometrica del fuoco elettronico lungo la direzione del
fascio: è quindi una entità apparente, le cui dimensioni
condizionano peraltro in modo determinante la qualità
dell’immagine radiologica.
FUOCO OTTICO
Le dimensioni del fuoco ottico possono essere ridotte senza variare le dimensioni del fuoco
elettronico, giuocando sul fattore proiettivo
(incrementando, cioè, l’inclinazione del piano
anodico).
EFFETTO DELL’INCLINAZIONE DEL PIANO ANODICO SULLE DIMENSIONI
DEL FUOCO OTTICO
Il FUOCO TERMICO è la parte di anodo sottoposta a riscaldamento per effetto del “bombardamento”
degli elettroni.Nei tubi ad anodo fisso coincide
con il fuoco elettronico.Nei tubi ad anodo rotante
possiede una superficie che aumenta
con il crescere del diametro del piatto anodico.
FUOCO TERMICO
FUOCO TERMICO = FUOCO ELETTRONICO
NEI TUBI AD ANODO FISSO
FUOCO TERMICO
FUOCO ELETTRONICOFUOCO OTTICO
TUBO AD ANODO ROTANTE
Esistono peraltro ulteriori opzioni tecnologiche per
ottenere il raffreddamento dell’anodo: una via molto
seguita è quella della circolazione di liquido
refrigerante (acqua, olio...) all’interno della cuffia di
protezione del tubo radiogeno.
MODALITA’ DI ATTENUAZIONE DEL
FASCIO
INTERAZIONE DEI FOTONI X CON LA MATERIA:
• EFFETTO TOMPSON
• EFFETTO FOTOELETTRICO
• EFFETTO COMPTON
• FORMAZIONE DI COPPIE
• il fotone incidente cede tutta la propria energia a un elettrone, che viene sbalzato dall’orbita; un altro elettrone viene allora richiamato da un’altra orbita, con l’emissione di un fotone di fluorescenza
EFFETTO FOTOELETTRICO:
EFFETTO FOTOELETTRICO o di FLUORESCENZA
e-
• il fotone incidente cede parte della propria energia a un elettrone (elettrone Compton, che viene sbalzato dall’orbita), cambiando direzione e aumentando la propria lunghezza d’onda
EFFETTO COMPTON:
EFFETTO COMPTON
e-
RIVELATORI DI RAGGI X
RIVELAZIONE
L’immagine di assorbimento di un fascio è una immagine latente.
Perché acquisti significato pratico deve essere “rivelata”.
IMMAGINE LATENTE DI ASSORBIMENTO NEL
FASCIO (“RADIORILIEVO”) ANCORA DA RIVELARE
OGGETTO (CON LESIONE)
TUBO RADIOGENO
FASCIO DI RADIAZIONI
• annerire le emulsioni fotografiche
• rendere fluorescenti alcune sostanze
Già Roentgen si era accorto (peraltro in modo casuale) che i raggi X erano in grado di:
• SOSTANZE FLUORESCENTI
• EMULSIONI FOTOGRAFICHE
• CRISTALLI FOTOEMITTENTI
• CAMERE DI IONIZZAZIONE
• CAMPI ELETTRICI
RIVELATORI DI RAGGI X:
RADIOLOGIA:GENERALITA’
di TECNICA
3RIVELATORI DI RAGGI X
IMMAGINE LATENTE DI ASSORBIMENTO NEL
FASCIO (“RADIORILIEVO”) ANCORA DA RIVELARE
OGGETTO (CON LESIONE)
TUBO RADIOGENO
FASCIO DI RADIAZIONI
IMMAGINE LATENTE DI ASSORBIMENTO NEL
FASCIO (c.d. radiorilievo)
OGGETTO (CON LESIONE)
TUBO RADIOGENO
FASCIO DI RADIAZIONI
IMMAGINE LATENTE DI ASSORBIMENTO NEL
FASCIO (c.d. radiorilievo)
PELLICOLA
OGGETTO (CON LESIONE)
TUBO RADIOGENO
FASCIO DI RADIAZIONI
IMMAGINE LATENTE DI ASSORBIMENTO NEL
FASCIO (c.d. radiorilievo)
PELLICOLA
OGGETTO (CON LESIONE)
TUBO RADIOGENO
FASCIO DI RADIAZIONI
IMMAGINE “RIVELATA “
• annerire le emulsioni fotografiche
• rendere fluorescenti alcune sostanze
Già Roentgen si era accorto (peraltro in modo casuale) che i raggi X erano in grado di:
• SOSTANZE FLUORESCENTI
RIVELATORI DI RAGGI X:
SCHERMO PER RADIOSCOPIA (sezione)
RISCHI PER L’OPERATORE CONNESSI ALLA RADIOSCOPIA
INTENSIFICATORE DI BRILLANZA
INTENSIFICATORE DI BRILLANZA RADIOLOGICO
CILINDRO SOTTO VUOTO
STRATO FOTOSENSIBILE
SCHERMO SECONDARIO
LUCE
INTENSIFICATORE DI BRILLANZA RADIOLOGICO
RAGGI X CILINDRO SOTTO VUOTO
STRATO FOTOSENSIBILE
SCHERMO SECONDARIO
SCHERMO PRIMARIO
• SOSTANZE FLUORESCENTI
• EMULSIONI FOTOGRAFICHE
• CRISTALLI FOTOEMITTENTI
• CAMERE DI IONIZZAZIONE
• CAMPI ELETTRICI
RIVELATORI DI RAGGI X:
SUPPORTO (un tempo di acetato, ora di plastica)
EMULSIONE 1
EMULSIONE 2
Granuli della
emulsione
0,2 mm
Nell’esecuzione di radiografie l’effetto di annerimento diretto e l’attitudine
ad evocare fluorescenza vengonoutilizzati contemporaneamente
con un semplice, efficacissimo, artificio
PELLICOLA TRADIZIONALECON DOPPIA EMULSIONE
SUPPORTOEMULSIONE II
EMULSIONE I
SCHERMO DI RINFORZO FRONT
SCHERMO DI RINFORZO BACK
L’annerimento delle pellicole è dovuto in larga prevalenza
all’azione degli schermi di rinforzo
40 : 1
Questo forte incremento di annerimento corrisponde ad eguale riduzione della dose.Il prezzo da pagare, però, è uno scadimento della qualità dell’immagine, dovuta a diversi fattori.
SUPPORTO
SCHERMO DI RINFORZO FRONT
SCHERMO DI RINFORZO BACK
“CROSS-OVER”e altri difetti da schermi
SUPPORTO
EMULSIONE II
EMULSIONE I
SCHERMO DI RINFORZO FRONT
SCHERMO DI RINFORZO BACK
SUPPORTOEMULSIONE
SCHERMO DI RINFORZO
SUPPORTO
EMULSIONE II
EMULSIONE I
2 emulsioni, 2 schermi
1 emulsione, 1 schermo
2 emulsioni, non schermi
1
2/3
40
PELLICOLA DOSE
SENZA SCHERMI
UNO SCHERMO DUE SCHERMI
Il fascio di raggi X viene assorbito in misura maggiore o minora in rapporto alla
quantità e qualità (= densità) dei tessuti attraversati.
Il tessuto poco denso assorbe scarsamente il fascio: è, cioè,
trasparente al fascio o radiotrasparente. All’opposto, il tessuto denso che assorbe
molto il fascio si definisce radiopaco.
Se si utilizza una pellicola come rivelatore, là dove il fascio giunge poco assorbito si osserva un notevole annerimento.Pertanto sulla pellicola (che è un negativo!) il forte annerimento significa radiotrasparenza (o trasparenza).
Scarso annerimento è invece sinonimo di radiopacità (od opacità).
Se invece si utilizza come rivelatore uno schermo di radioscopia, le cose vanno in modo inverso: là dove il fascio giunge poco attenuato (ipodensità!) si ha infatti forte illuminazione dello schermo.
Forte illuminazione (= bianco) significa radiotrasparenza, mentre scarsa illuminazione (= nero) sta per opacità.
E’ l’opposto della pellicola!
Il concetto - fondamentale in Radiologia - di opacità e trasparenza deve dunque prescindere del sistema di rilevazione,
che ne può far variare le modalità di presentazione.
Trasparente (“radiotrasparente”) è la struttura che assorbe poco
il fascio di raggi X, opaco (“radiopaco”) è l’oggetto che
assorbe molto il fascio.
RISOLUZIONE SPAZIALE:
E’ l’attitudine di una metodica di imaging a riconoscere come distinti tra loro due punti (o due linee). La risoluzione spaziale indica in pratica la capacità di rappresentare particolari fini.
Si valuta in paia di linee per millimetro (=iquante coppie di linee per millimetro, l’una bianca e l’altra nera, la metodica è in grado di riconoscere come distinte).
RISOLUZIONE DI CONTRASTO:
In RT e TC è l’attitudine di una metodica di imaging a riconoscere gli scarti di densità tra strutture diverse (= bianco dal nero).
In RM il concetto è analogo, ma basato, invece che sulla densità, sulle differenze di distribuzione di protoni ovvero sulle differenze dei tempi di rilassamento nelle varie componenti anatomiche.
In ecografia il contrasto trae origine dalle differenze di impedenza acustica.
MODALITA’ DI FORMAZIONE
DELL’IMMAGINE RADIOGRAFICA
RADIOLOGIA:GENERALITA’
di TECNICA
4FORMAZIONE IMMAGINE
FUOCO
OGGETTO
OMBRA
FASCIO DI RADIAZIONI E SUO ASSORBIMENTO
I problemi con i quali dobbiamo confrontarci sono fondamentalmente due:• l’immagine radiografica è
bidimensionale, e corrisponde alla vista in pianta dell’oggetto nella specifica proiezione
• il fascio di raggi X diverge
L’immagine radiografica è bidimensionale, e corrisponde alla vista in pianta dell’oggetto
nella specifica proiezione
1
SOLIDI DIVERSI:
loro immagine di proiezione lungo l’asse del fascio incidente
2
Il fascio di raggi X diverge
Le radiazioni elettromagnetiche (e tra queste i raggi X) procedono in linea retta dalla sorgente verso l’infinito, divergendo tra loro.
La divergenza del fascio causa ingrandimento dell’ombra rispetto all’oggetto
O
O’
F
P
Fattoredi ingrandimento:
d2 distanza F-P
d1 distanza F-O
=O
O’
F
P
RADIOLOGIA:GENERALITA’
di TECNICA
5RADIOGRAFIA DIGITALE
• SOSTANZE FLUORESCENTI
• EMULSIONI FOTOGRAFICHE
• CRISTALLI FOTOEMITTENTI
• CAMERE DI IONIZZAZIONE
• CAMPI ELETTRICI
RIVELATORI DI RAGGI X:
• SOSTANZE FLUORESCENTI
• EMULSIONI FOTOGRAFICHE
• CRISTALLI FOTOEMITTENTI
• CAMERE DI IONIZZAZIONE
• CAMPI ELETTRICI
RIVELATORI DI RAGGI X:
• SOSTANZE FLUORESCENTI
• EMULSIONI FOTOGRAFICHE
• CRISTALLI FOTOEMITTENTI
• CAMERE DI IONIZZAZIONE
• SEMICONDUTTORI
RIVELATORI DI RAGGI X:
Successivamente allo sviluppo della TC, si è assistito alla comparsa di altre tecniche che forniscono immagini di tipo digitale
(cioè su matrice numerica). Si tratta di immagini analoghe ai
radiogrammi, ma elaborate dal computer partendo da sistemi di rivelazione diversi
dalla pellicola radiografica.
Si definiscono RADIOGRAFIE DIGITALI.
Le radiografie digitali, al pari di tutte le immagini digitali, sono basate sul
ricorso ad una MATRICE, nella quale l’immagine viene scomposta in un numero finito di unità elementari di
superficie, per lo più quadrate, chiamate PIXEL
PIXEL
MATRICE
In una matrice tanto più piccoli sono i pixel, tanto più dettagliata è
l’immagine.Una matrice fitta è indispensabile
quando si richieda una elevata risoluzione spaziale.
In una matrice tanto più piccoli sono i pixel, tanto più dettagliata è
l’immagine.Una matrice fitta è indispensabile
quando si richieda una elevata risoluzione spaziale.
In quest’ottica, il banco di prova di gran lunga più impegnativo è rappresentato dello studio radiologico del torace.
Si conoscono attualmente quattro modalità principali di radiografia digitale:
• rad. digitale da intensificatore di brillanza
• rad. digitale ai “fosfori con memoria”
• rad. digitale con CCD
• rad. digitale a piastra di materiale semiconduttore
• INTENSIFICATORE DI BRILLANZA
• FOSFORI CON MEMORIA
• CCD
• PIASTRA DI MATERIALE SEMICONDUTTORE
• INTENSIFICATORE DI BRILLANZA
• FOSFORI CON MEMORIA
• CCD
• PIASTRA DI MATERIALE SEMICONDUTTORE
• INTENSIFICATORE DI BRILLANZA
• FOSFORI CON MEMORIA
• CCD
• PIASTRA DI MATERIALE SEMICONDUTTORE
FOSFORI A MEMORIA
Sistema sviluppato da una ditta giapponese a partire dagli anni ‘80, è
stato progressivamente migliorato ed è attualmente l’unica modalità digitale per radiologia generale ampiamente
diffusa e sperimentata
FOSFORI CONVENZIONALI
FOSFORI A MEMORIA
RAGGI X
LASER
RAGGI X LUCE
LUCE + ENERGIAMEMORIZZATA
LUCE
E’ ben noto che la qualità dell’immagine nel radiogramma
digitale è in relazione a due fattori:
• la scala dei grigi
• la finezza della matrice
Anche se un po’ impropria, una valutazione in quest’ottica del radiogramma analogico può essere tentata:
6 p linee/mm
pixel = 0.083 mm
43 cm
35 cm
LIVELLI DI GRIGIO
Sono determinati dal numero di bit disponibili per la codifica:
8 bit: 256 livelli di grigio
10 bit: 1.024 livelli di grigio
12 bit: 4.098 livelli di grigio
14 bit: 16.392 livelli di grigio
RISOLUZ. SPAZIALE/CONTRASTO
Intensificatore
Fosfori
512 x 512 780
250
Rad. Tradiz.
1700 x 1700
MATRICE
83
PIXEL (μm) Bit
8
10
10
5160 x 4200
• INTENSIFICATORE DI BRILLANZA
• FOSFORI CON MEMORIA
• CCD
• PIASTRA DI MATERIALE SEMICONDUTTORE
• INTENSIFICATORE DI BRILLANZA
• FOSFORI CON MEMORIA
• CCD
• PIASTRA DI MATERIALE SEMICONDUTTORE
The Evolution of Image Capture Technologies
CURVA CARATTERISTICA DI UNA PELLICOLA
CURVA DI RISPOSTA AI RAGGI XDI UN DETETTORE DIGITALE
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0
0 10 20
RISOLUZ. SPAZIALE/CONTRASTO
Intensificatore
Fosfori
G. E.
Trixel
512 x 512 780
250
205
143
Rad. Tradiz.
Hologic 139
1700 x 1700
2000 x 2000
3000 x 3000
3072 x 2550
MATRICE
83
PIXEL (μm) Bit
8
10
10
14
14
14
Thoravision 1762448 x 2166 12
5160 x 4200
DQE
Detective
Quantum
Efficiency
2 lp/mm
Schermi “blu”
105
104
103
Fosfori
Schermi “verdi”
Selenio
104 105 106 107
0.1 1 10 100
RAD. DIGITALE: SVANTAGGI
• Risoluzione spaziale inferiore (in quasi tutte le apparecchiature) al radiogramma tradizionale
• Necessità di apparecchiature “dedicate”
• Costi molto elevati
• Leggero risparmio di dose (con le metodiche più recenti)
• Ampia latitudine di esposizione (scomparsa degli errori tecnici)
• Ottimizzazione del contrasto• Possibilità di post-processing• Archiviazione in forma digitale
RAD. DIGITALE: VANTAGGI