Radiologia, Sintesi del corso di Strumentazione Biomedica

Scarica Radiologia e più Sintesi del corso in PDF di Strumentazione Biomedica solo su Docsity! RADIOLOGIA scienza relativa alla produzione e alla interpretazione di immagini statiche e dinamiche ottenute utilizzando radiazioni per fornire immagini anatomiche e/o funzionali delle diverse strutture degli organismi viventi su un supporto per visualizzazione, di un’immagine ottenuta dalla radiazione X emergente dall’oggetto stesso dopo averlo attraversato, per identificare le patologie e per attuare le terapie. In particolare dall’analisi è possibile ricavare utili informazioni relativamente a forma, densità e materiale propri dell’oggetto dell’indagine. Un esame radiologico comporta l’esposizione del paziente ad una dose di radiazioni e quindi a rischi per la salute del medesimo: occorre pertanto bilanciare i rischi con i vantaggi. →“Raggi X”: fotoni ad alta energia, ossia onde elettromagnetiche con lunghezza d’onda compresa tra 10-3 e 10 nanometri ossia tra 10–12 e 10-8 m (1 nm =10-9 m). L’energia di una radiazione elettromagnetica è legata alla sua lunghezza d’onda dalla relazione: E = h c/ λ = hν δοϖε E = energia , h = costante di Plank = 6.626 x 10-34 J·s , ν = frequenza della radiazione, λ = lunghezza d’onda, c = velocità della luce nel vuoto = 3x108 m/s In diagnostica le radiazioni utilizzate hanno lunghezza d’onda intorno si deduce quindi dall’equazione precedente che le energie di interesse saranno dell’ordine di grandezza di 30 - 100 keV Occorre conoscere come si generano i Raggi X, tramite l’interazione tra elettroni di adeguata energia ed un mezzo opportuno. * L'energia delle radiazioni si misura in elettronvolt (eV): 1 eV è l'energia che un elettrone, di carica elettrica unitaria, acquista sotto una differenza potenziale un volt. Gli elettroni, giunti in prossimità del nucleo interagiscono con esso modificando la loro traiettoria e perdendo buona parte della loro energia cinetica, con produzione di fotoni X, la cui frequenza dal punto di vista quantistico risulta essere ΔE = h c/ λ = hν con ΔΕ variazione di energia cinetica (ΔΕ = Efin – Eini). La radiazione caratteristica ha luogo quando l’energia cinetica dell’elettrone proiettile è sufficiente per “rimuovere” un elettrone bersaglio dai livelli energetici più interni (ionizzazione). La “vacanza elettronica” creatasi sarà colmata dalla “caduta” di un elettrone di un livello energetico più esterno. Questa transizione è accompagnata da emissione X di energia pari alla differenza delle energie dei livelli energetici coinvolti in tale transizione. Poiché l'energia dei livelli energetici elettronici (proporzionale al numero atomico del “bersaglio”) è differente per ogni elemento chimico, la frequenza dei raggi X prodotti varia da elemento ad elemento, ed è caratteristica dell'elemento bersaglio impiegato (intenso spettro a righe, sovrapposto alla banda continua della radiazione di frenamento). Sintesi dei Meccanismi di generazione di fotoni •uno dovuto al frenamento, da parte dei campi elettrostatici interni all’atomo, dell’elettrone proiettile mentre sta penetrando nell’atomo stesso (dà luogo ad uno spettro RX di emissione continuo, che corrisponde all’energia necessaria per frenare l’elettrone proiettile) •l’altro corrispondente all’emissione di radiazione X quando l’atomo, eccitato, ritorna allo stato stabile. Le righe associate all’energia emessa costituiscono lo spettro a righe caratteristico del materiale. Interazione tra RX e tessuti Abbiamo analizzato come si producono i RX: vediamo ora come avviene l’interazione dei RX con i tessuti. I RX possono essere: •Assorbiti, in quanto il fotone X trasferisce tutta la sua energia ai tessuti •Diffusi, il fotone è deflesso e trasferisce parte della sua energia ai tessuti •Trasmessi, se i RX attraversano i tessuti senza interagirvi * In sintesi, la radiazione in uscita dal corpo è costituita dai RX trasmessi e diffusi. Si ha attenuazione, derivante dall’assorbimento e diffusione che rimuovono fotoni dal fascio e quindi ne riducono l’intensità. L’attenuazione si ha quando vi è rilascio totale o parziale di energia dei fotoni nel bersaglio. Essa dipende dall’energia del fotone e dalla densità e numero dall’energia fotone, atomico Z dell’elemento. → Attenuazione dei RX dovuta alla combinazione di tre effetti Quando un fotone attraversa il materiale assorbitore possono, in concorrenza l’uno con l’altro, verificarsi fenomeni di assorbimento (fotoelettrico e creazione di coppie) che portano alla sparizione del fotone stesso, o fenomeni di diffusione (scattering). Per i valori tipicamente utilizzati, l’effetto Compton è prevalente Interazione per effetto Fotoelettrico Un fotone che colpisce un elettrone di un atomo “assorbitore”, sparisce completamente, e al suo posto, scalzato dalla propria orbita, viene emesso l’elettrone stesso con cui aveva interagito (fotoelettrone). La “vacanza” creata negli stati elettronici interni viene occupata da un elettrone di uno stato più esterno. Ne può derivare emissione di raggi X con energia pari alla differenza dei livelli energetici occupati prima e dopo il salto Effetto Compton Fenomeno di diffusione (“scattering”) di un fotone di energia E = hυ da parte di un elettrone. Nell’ “urto” (con un angolo θ = ανγολο δι σχαττερινγ) parte dell’energia del fotone viene trasferita all’elettrone; aλ χρεσχερε δι θ διµινυισχε λ’ενεργια δελ φοτονε “σχαττερατο” ε λο σχαττερινγ φα πεγγιοραρε F 8 E Dλα ρισολυζιονε. Λ’ενεργια δελ φοτονε δοπο λ’υρτο χον λ’ελεττρονε δατα δα: δοϖε = 0,511ες = ενεργια ελεττρονε α ριποσο Creazione di coppie meccanismo di interazione dei fotoni con la materia presenta una elevata energia di soglia del fotone (E = 1,02 MeV). Riguarda quindi fotoni ad elevata energia (caratteristico dei raggi gamma infatti il fenomeno non si verifica con i valori di energia tipicamente utilizzati negli apparati a RX (50 – 100 keV), ma a valori superiori). Andamento attenuazione In genere, meno del 5% della radiazione incidente attraversa il paziente e dalla pellicola o da mezzo viene prelevata altro mezzo. Al termine dell’attraversamento di uno spessore “d” (uniforme) del materiale assorbitore avremo: Perché in radiologia si usano RX con E ~ 100 keV? Per una energia superiore a 100 keV, i raggi X sarebbero attenuati in ugual misura dai diversi tessuti (osso e tessuti molli), l’immagine RX risulterebbe quindi caratterizzata da un modesto contrasto e di conseguenza da un modesto contenuto diagnostico. Per il muscolo, con RX di 30 keV, l’attenuazione di massa μ/ρ è: 0,4 cm2/g. Uno strato di 20 cm, quale attenuazione provoca? (ρ ~ 1g/cm3): RIASSUNTO_In conclusione, nei tessuti corporei: - alle basse energie predomina l'assorbimento fotoelettrico, che dipende fortemente dal numero atomico Z (~Z3); - sopra i 30 keV prevale lo scattering Compton determinato soprattutto dalla densità elettronica (elettroni/cm3). La maggior parte dell'energia RX e' nella gamma 50 - 90 keV, e si può quindi pensare in prima approssimazione che la mappa dei coefficienti di assorbimento sia prodotta dal solo scattering Compton. Questi dati ricordano anche che la differenza di assorbimento tra tessuti diversi del corpo umano è in genere piuttosto piccola ma che, adoperando energia inferiore ai 50 keV, le differenze sono più sensibili, e quindi è possibile discriminare tra tessuti molli ed osso osso. RIASSUNTO_Sintesi delle motivazioni della scelta dell’energia RX Quanto maggiore è l’energia di una radiazione, tanto più elevata risulta la sua capacità di attraversare un mezzo. Casi limite: - se la radiazione impiegata avesse energia troppo elevata rispetto ai 100 keV, essa attraverserebbe Indifferentemente tutto il corpo umano, la pellicola risulterebbe quindi completamente annerita e di conseguenza priva di qualsiasi contenuto diagnostico. - se la radiazione avesse energia troppo bassa, essa verrebbe assorbita completamente, non attraverserebbe affatto il corpo umano e la pellicola non verrebbe quindi impressionata (pellicola bianca). PS: il corpo comunque assorbirebbe una dose di radiazioni dannose. Occorre quindi impiegare una radiazione, che attraversando i differenti “comparti” del corpo umano, dia luogo ad una immagine RX caratterizzata da una più netta differenziazione (contrasto) tra zone corrispondenti a tessuti diversi. ______________________________________________________________________________________________ *Appare ora più chiaro perché sia necessario disporre di un valore costante della tensione: minore il ripple e minore sarà il numero di fotoni a bassa energia, responsabili comunque dell’aumento di dose nel paziente senza un corrispondente miglioramento dell’esame. _______________________________________________________________________________________________ Misura del grado di esposizione alle radiazioni → RADIAZIONI NELL’ARIA → Esposizione ( RX ) grandezza che valuta la dose rilasciata da fotoni in aria ed equivale alla quantità di ionizzazione che una radiazione gamma produce in aria [coulomb/kg (C/kg)] dQ = carica totale degli ioni di un segno prodotti in aria, quando tutte le cariche di un segno liberate da fotoni in un volume dV di aria di densità r sono fermati in aria * L’Esposizione può essere convertita in Dose Equivalente e, limitatamente al caso dei raggi X, può essere utilizzata per valutare il danno biologico. E’ usata ancora oggi perché la si misura facilmente e con strumenti di costo relativamente basso. → RADIAZIONI NELLA MATERIA → Dose assorbita rappresenta la quantità di energia assorbita per unità di massa (unità di misura rad: [1 rad = 100 erg/g (1 J = 107 erg)]) dE = energia media dovuta sia alla radiazione direttamente ionizzante che a quella indirettamente ionizzante in un volume dV di un mezzo didensità ρ. * Nel Sistema Internazionale di unità di misura si usa il “Gray” (Gy): [1 Gy = 1 J/kg (= 104 erg/g)]. Dalle definizioni deriva che: 1 Gy = 100 rad → RADIAZIONI NELL’UOMO → Dose equivalente la reale pericolosità per il corpo umano di una radiazione non è legata solo alla quantità di energia depositata per unità di massa, ma occorre anche considerare: ● natura ed energia delle radiazioni ● organi o tessuti interessati all’irraggiamento * Infatti tipi diversi di radiazione, a parità di energia rilasciata per unità di massa, provocano differenti danni alle cellule, mentre uguali dosi assorbite in differenti parti del corpo non determinano necessariamente lo stesso effetto biologico. La DOSE EQUIVALENTE tiene conto del “tipo di radiazione” considerando la dose media assorbita in un singolo organo o tessuto e il peso di tale organo o tessuto “WT” (per tener conto di quale o quali siano quelli irradiati e dei tipi di radiazione a cui sono stati sottoposti), pesata in funzione del tipo e dell’energia delle diverse radiazioni incidenti sul corpo. L’unità di misura storica della dose efficace era il “rem”: [rem = rad ∙ WT]; l’unità di misura attuale per la dose efficace è il “sievert” (Sv)”: [Sv = Gy ∙ WT]. Poiché i fattori peso W sono adimensionali, avremo che: 1 Gy = 100 rad da cui 1 Sv = 100 rem ●DANNI PROVOCATI NEL CORPO UMANO DALLE RADIAZIONI A seguito di un irraggiamento, le cellule del corpo umano, ed in particolare il DNA in esse contenuto, possono essere uccise o modificate. La radiazione ad alta energia rompe i legami chimici creando radicali liberi che possono modificare gli elementi chimici. Queste modifiche sono in grado di danneggiare le funzioni cellulari e di distruggere le cellule stesse. Radioattività di fondo Le radiazioni sono presenti in natura e ogni essere umano è comunque esposto ad una dose “inevitabile” quantificabile in circa 1 mSv/anno . → Principio che dovrebbe regolare la determinazione di una dose massima ammissibile (DMA) annua pro-capite: fare in modo che le “cause aggiuntive di esposizione” non determinino uno scostamento significativo della dose annua assorbita, rispetto ai normali valori dovuti alla radiazione di fondo. Esposizione occupazionale dovuta al lavoro che viene svolto (es. un radiologo è professionalmente esposto, cioè è “accettabile” che riceva una dose più elevata); il limite raccomandato ha un valore medio di circa 20mSv/anno. I Sistemi RX Digitali PELLICOLA ANALOGICA è un supporto statico. La successione temporale di immagini può essere considerata solo mediante visualizzazione di poche immagini effettuate in successione su una stessa lastra. Inoltre essa è anche supporto di memorizzazione che non può esser modificato, a meno di non effettuare una nuova esposizione su una nuova pellicola. SISTEMI DIGITALI danno una rappresentazione numerica (tramite campionamento spaziale/temporale) dei valori assunti da una grandezza analogica per intervalli spaziali adiacenti (possono essere immagini sia statiche sia dinamiche). In ogni caso, tali valori numerici possono esser acquisiti per le successive elaborazioni. → SISTEMA A FOSFORI Per ottenere un’immagine digitale, senza sostituire tutta la struttura del sistema RX tradizionale, al posto della cassetta RX, si usa un sistema di prelievo e registrazione temporanea dell’immagine delle stesse dimensioni per mezzo di fosfori fotostimolabili, che immagazzinano energia quando sono colpiti dai RX e possono restituirla se scanditi da un fascetto di luce di apposita lunghezza d’onda. L’immagine letta può poi esser memorizzata, presentata, elaborata a piacimento. Rappresenta dunque la “fase di transizione” verso i sistemi completamente digitali: sistema di prelievo a fosfori utilizzabile come una lastra tradizionale senza modifiche al resto dell’apparato RX (=risparmio di costi). Il principio di funzionamento: - Le piastre ricevono i raggi X emergenti dal paziente e conservano(temporaneamente) l'energia assorbita in un'immagine latente. - I fosfori vengono eccitati da un fascio di luce di elevata lunghezza d'onda (un laser), ed emettono luce. - La luce emessa dai fosfori a memoria è convogliata da fibre ottiche in un fotomoltiplicatore: il segnale analogico viene amplificato, letto e convertito in digitale. VANTAGGI: • “fase di transizione” verso i sistemi completamente digitali • riutilizzo il sensore a fosfori per successive digitalizzazioni (cancellando l’immagine latente precedente) • elevata risoluzione spaziale • ottima profondità per i grigi DIFETTI: • dopo aver acquisito l’immagine sulla apposita cassetta devo inserirla nel dispositivo per la lettura, con tempi dell’ordine del minuto (necessità di un successivo azzeramento dell'informazione contenuta nel plate per evitare effetti di memoria) • non ottengo immagini in dinamica → DR: SISTEMI COMPLETAMENTE DIGITALI Utilizzano rivelatori a stato solido, di grandi dimensioni (corrispondenti a quelle di una lastra, fino a 35 x 43 cm circa). Caratteristiche: • La risoluzione attuale è di circa 5 - 6 pl/mm ma ottima dinamica • Sono costosi (300.000 – 500.000 € per il sistema) • Grande flessibilità derivante dalla possibilità di effettuare elaborazioni digitali VANTAGGI a)Trattamento dell’immagine mediante computer grafica (possibilità di modificare tramite postelaborazione le caratteristiche iconografiche delle immagini principalmente la densità e il contrasto, senza dover ripetere l’esame), immagazzinamento rapido su supporti con dimensioni molto ridotte (CD rom) con conseguente velocità di reperimento, qualità dell’immagine praticamente immutata nel tempo, telemedicina e condivisione di archivi (teletrasmissione via cavo o Internet in maniera semplice). b)Eliminazione di gran parte dei costi associati alle pellicole, alle sviluppatrici, ai liquidi di sviluppo ed al loro smaltimento (meno inquinamento e meno costi) c)Possibilità di disporre di immagine dinamiche d)Minimizzazione della Dose radiante rispetto alle pellicole tradizionali e)Elevata dinamica (16.000 toni di grigio contro i 20 della pellicola) SVANTAGGI a)Risoluzione spaziale minore (attualmente 5 o 6 paia di linee contro le 20 della lastra, oppure 16 pl/mm ma su campi ridotti) che viene però compensata da un’elevata risoluzione di contrasto. b)Costi maggiori di un fattore 10 (per altro è sempre necessaria la stampante) c)Problemi sull’analisi dinamica a campo intero (pesante gestione del sull’analisi flusso di dati) → I sistemi digitali di immagini RX non memorizzano l’immagine sul film, bensì sotto forma numerica, con i conseguenti vantaggi di una migliore visualizzazione, possibilità di elaborazione, dosi più ridotte, possibilità di archiviazione e trasmissione a distanza