Formação das imagens convencionais e digitais: raios X

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Aula para prova didática do Concurso Docente 2014/2 Edital nº 19/PROAD/SGP/2014 CUIABÁ/CUR/CUS/CUA, Disciplina de Biofísica Radioloógica.

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Formação das imagens convencionais e digitais: raios X

  1. 1. Formação das imagens convencionais e digitais: raios X Paulo Roberto da Fonseca Filho Concurso Docente 2014/2 Edital nº 19/PROAD/SGP/2014 CUIABÁ/CUR/CUS/CUA Prova didática – Biofísica Radiológica 1
  2. 2. Onde se usa raios X? http://www.imagingdomain.com/media/54463.jpg 2
  3. 3. Motivação  Raios X são a base de qualquer sistema de:  Radiografia 3
  4. 4. Motivação  Raios X são a base de qualquer sistema de:  Radiografia  Mamografia 4
  5. 5. Motivação  Raios X são a base de qualquer sistema de:  Radiografia  Mamografia  Fluoroscopia 5
  6. 6. Motivação  Raios X são a base de qualquer sistema de:  Radiografia  Mamografia  Fluoroscopia  Tomografia computadorizada 6
  7. 7. O que é um aparelho de raios X? 7
  8. 8. “anatomia” aparelho de raios X  Cabeçote  Tubo de raios X + blindagem 8
  9. 9. “anatomia” aparelho de raios X  Cabeçote  Tubo de raios X + blindagem  Colimador 9
  10. 10. “anatomia” aparelho de raios X  Cabeçote  Tubo de raios X + blindagem  Colimador  Mesa  Posicionamento 10
  11. 11. “anatomia” aparelho de raios X  Cabeçote  Tubo de raios X + blindagem  Colimador  Mesa  Estativa  Posicionamento 11
  12. 12. “anatomia” aparelho de raios X  Cabeçote  Tubo de raios X + blindagem  Colimador  Mesa  Estativa  Detectores  Bucky + filme ou IP  CCD, DRd ou DRi 12
  13. 13. “anatomia” aparelho de raios X  Cabeçote  Tubo de raios X + blindagem  Colimador  Mesa  Estativa  Detectores  Transformadores / retificadores 13
  14. 14. Como se opera? 14
  15. 15. (Sprawls) Profissional de ciências radiológicas Médico radiologista15
  16. 16. O que são os raios X? 16
  17. 17. Ondas eletromagnéticas de alta energia 𝐸 = ℎ. 𝑓 = ℎ. 𝑐 𝜆 17
  18. 18. 18
  19. 19. Como são produzidos? 19
  20. 20. Produção de raios-X  Resultado da conversão de energia cinética de elétrons desacelerados em radiação eletromagnética.  Isso ocorre no tubo de raios X. 20
  21. 21. 21
  22. 22. Sistema de raios X: Gerador + tubo 22
  23. 23. Circuito do filamento 23
  24. 24. Circuito do tubo (alta voltagem + retificador) 24
  25. 25. Características importantes do tubo  Anodo (alvo)  Elevado número atômico  Elevado ponto de fusão  Na maioria dos casos, é rotativo (fan-beam)  Permite distribuir melhor a carga do tubo  Melhora resfriamento  Portanto, aumenta a vida útil do tubo  Filamentos  Tungstênio (W)  Fonte de elétrons – efeito termoiônico  Foco fino/foco grosso  Definição de imagem Anodo rotativo danificado por superaquecimento 25
  26. 26. Além disso...  Colimador  Diafragmas, que limitam as dimensões do feixe em X e Y.  Blindagem  uma camada significativa de chumbo reveste todo o tubo, exceto a saída do feixe “principal”  Filtração inerente  A ampola de raios X, já filtra fótons de baixa energia, fenômeno conhecido como filtração inerente 26
  27. 27. Além disso...  Tamanho de campo,  Magnificação,  Ponto focal,  etc... 27
  28. 28. Sistema de raios X  parâmetros selecionáveis pelo usuário  mAs  intensidade do feixe  Corrente no tubo (mA - 6,24 . 1015 e/s)  Tempo de exposição (s)  kV  energia do feixe 28
  29. 29. Controle do circuito 29
  30. 30. Produção de raios X  1) Aplicação de corrente no filamento  Emissão termoiônica  2) Aplicação de voltagem entre catodo e anodo  50.000 – 150.000 V (50 – 150 kV)  3) Elétrons interagem com alvo  4) Energia cinética dos elétrons  fótons de raios X 30
  31. 31. 31
  32. 32. Radiação característica  Exemplo, para tungstênio (W)  Neste exemplo, um elétron salta da camada L para camada K  Energia emitida:  -11,5 – (-69,5) = 57,0 keV Camada Energia de ligação (keV) K -69,5 L -11,5 M -2,5 32
  33. 33. Espectro resultante  O espectro resultante de todas as interações contém:  Espectro contínuo: radiação de fretamento (bremsstrahlung)  Espectro discreto: radiação característica 33
  34. 34. Variando kV (energia) 34
  35. 35. Variando mAs (intensidade) 35
  36. 36. Interação dos raios X com a matéria Efeitos fotoelétrico e compton 36
  37. 37. Interação de raios-X com a matéria 37
  38. 38. 38
  39. 39. Resumindo... Efeito Fotoelétrico  Raios X é totalmente absorvido na interação. Efeito Compton  Raios X é espalhado.  Parte da energia é “perdida” a cada interação.  Para altas energias, 𝑃 𝛼 𝑍 𝐸 3 𝑃 𝛼 𝜌 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑟𝑜𝑛𝑖𝑐𝑎 𝑃 𝛼 1 𝐸 39
  40. 40. 40
  41. 41. Atenuação  A relação entre a fluência de fótons incidentes sobre um material de espessura x e a transmitida é dada por  µ: coeficiente de atenuação linear (cm-1)  x: espessura (cm)  𝜇 = 𝜇 𝑓𝑜𝑡𝑜𝑒𝑙 + 𝜇 𝑅𝑎𝑦𝑙𝑎𝑖𝑔ℎ𝑡 + 𝜇 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑡𝑜𝑛 + 𝜇 𝑃.𝑃. 41
  42. 42. Atenuação 42
  43. 43. Resumindo, 43
  44. 44. Contraste da imagem radiográfica 44
  45. 45. Panorama da formação de imagens 45
  46. 46. Lembrando: atenuação diferencial 46
  47. 47. Contraste  Contraste físico do objeto  Para ser visível, o objeto deve possuir contraste físico em relação ao meio, isso é, diferença de densidade ou composição química (Z) Material Zef Densidade (g/cm3) Água 7.42 1.0 Músculo 7.46 1.0 Gordura 5.92 0.91 Ar 7.64 0.00129 Cálcio 20.0 1.55 Iodo 53.0 4.94 Bário 56.0 3.5 Compton Fotoelétrico Não interage 80 kV B (arcos costais e área cardíaca) 47
  48. 48. Contraste  Contraste físico do objeto  Para ser visível, o objeto deve possuir contraste físico em relação ao meio, isso é, diferença de densidade ou composição química (Z) Material Zef Densidade (g/cm3) Água 7.42 1.0 Músculo 7.46 1.0 Gordura 5.92 0.91 Ar 7.64 0.00129 Cálcio 20.0 1.55 Iodo 53.0 4.94 Bário 56.0 3.5 Compton Compton Não interage 120 kV A (parênquima e vasos) 48
  49. 49. Contraste radiográfico em função da energia 49
  50. 50. Contraste Radiográfico em função da intensidade 50
  51. 51. Técnicas de redução de espalhamento  O espalhamento pode ser reduzido com  Menor campo de irradiação  Grades anti-difusoras  Criando “air gaps“ entre o detector e o objeto 51
  52. 52. Grade anti-difusora 52
  53. 53. Dessa maneira, o equipamento de raios-X contém  Tubo  Grade anti-difusora  Sistema de registro de imagens  Filme  Digital 53
  54. 54. Sistema tela-filme (radiologia convencional) 54
  55. 55. 55
  56. 56. Chassi Raio-X Convencional Mamografia56
  57. 57. Filme  Emulsão contendo haletos de prata Cristais pequenos Cristais médios Cristais grandes57
  58. 58. Tela intensificadora  Haletos de prata são mais sensíveis à luz que aos raios X  Solução: tela intensificadora  Fluorescência  95% da sensibilização do filme 58
  59. 59. 59
  60. 60. Sistela Tela-filme “convencional” Écran Écran Filme radiográfico 60
  61. 61. Sem tela intensificadora  Com tela intensificadora 61
  62. 62. 62
  63. 63. Processo fotográfico do filme 63
  64. 64. Processadora Automática A processadora automática é constituída por compartimentos (tanques) repletos de químicos específicos para cada etapa do processamento do filme radiográfico. Bandeja Revelador Fixador Lavagem Secagem 64
  65. 65. 65
  66. 66. Densidade óptica 66
  67. 67. 67
  68. 68. Fatores que alteram a sensibilidade do filme 68
  69. 69. Radiologia digital 69
  70. 70. Visão geral  Serviços de diagnóstico por imagens estão se tornando ambientes digitais 70
  71. 71. Visão geral  Serviços de diagnóstico por imagens estão se tornando ambientes digitais  Instrumentações digitais  CT e MRI  Desenvolvidas a partir de sistemas digitais  Ultrassom e Medicina Nuclear  a partir de 1970 71
  72. 72. Visão geral  Serviços de diagnóstico por imagens estão se tornando ambientes digitais  Instrumentações digitais  Exceção: Radiologia “convencional”  Hoje, sistemas tela-filme estão sendo substituídos gradualmente por receptores digitais mas... 72
  73. 73. a mudança é “lenta”  Sistema tela-filme  Bem conhecido e amplamente estudado  Excelente qualidade de imagem na maioria dos casos  Não houve muito estímulo à mudança  Novos detectores não trouxeram melhora de qualidade  Profissionais da área já estão habituados ao sistema tela-filme 73
  74. 74. Um sistema de imagem “tem”: Detecção Registro Visualização Análise Comunicação Armazenamento Sistema tela-filme 74
  75. 75. Sistema tela-filme x digital  Registro: Curva não linear | Curva linear  Processamento: Químico | Digital  Visualização: Negatoscópio | Monitor  Condições ambientais  Análise  Subjetividade (médico) | menor subjetividade  processamento  Sistemas CAD  Transmissão: difícil (cópia física) | fácil (PACS)  Armazenamento:  Espaço físico + funcionário (s) | Banco de dados + servidores (HIS/RIS)  “Casos” não compartilhados (arquivo) | compartilhado (rede) 75
  76. 76. Sistemas digitais  Indiretos  Digitalização de filme analógico  Digitalização de placa de imagem (CR)  Diretos (DR)  Conversão indireta  Conversão direta http://www.ge-mcs.com/pt/radiography-x-ray/digital-x-ray.html 76
  77. 77. Fluxo de trabalho? 1ª exposição Ultima exposição 1º filme revelado Ultimo filme revelado C Q Recebe paciente Paciente liberado 1º chassi lido Ultimo chassi lido Paciente liberado Ultima exposição + CQ 5% repetições Recebe paciente Recebe paciente 1ª exposição 1ª exposição + CQ Ultima exposição Mínimas repetições Mínimas repetições Paciente liberado + exame na workstation Workstation + CQ 0:100:05 0:45 0:30 Adaptado de Pina, D.R. 1:30 2:151:00 1:30 1:30 1:00 2:15 0:05 0:30 0:45 Filme: 15 min CR: 15 min DR: 5 min 77
  78. 78. Sistemas digitais Lança & Silva, 2008 78
  79. 79. Sistemas CR Computed Radiography 79
  80. 80. Radiologia computadorizada  Radiologia computadorizada* é um termo comercial para detector de fósforo foto-estimulável **  Neste caso, o termo “fósforo” refere-se ao material que emite luz quando atingido por um feixe de raios-X  Exemplo: Gd2O2S  *CR: Computed Radiography  ** PSP: photoestimulable phosphor detector 80
  81. 81. PSP  Quando o feixe de raios X é absorvido  Parte é convertida em luz imediatamente  Parte é armazenada e pode ser “lida” posteriormente  Por este fato, PSP as vezes são referidos como  Fósforos de armazenamento  Placa de imagem – IP 81
  82. 82. Constituição  As placas de CR geralmente são BaFBr ou BaFI  + Eu para aumentar eficiência de detecção  Comumente referidos como fluoreto de bário 82
  83. 83. 83
  84. 84. CRTela - filme 84
  85. 85. Leitura  1 : O cassete é inserido na unidade de leitura 85
  86. 86. Leitura  2: A placa é movimentada e “escaneada” por um sistema de laser 86
  87. 87. Leitura  3: laser estimula a emissão da energia armazenada na placa 87
  88. 88. Leitura  4: a luz emitida é coletada por um guia de fibra óptica e chega a um TFM 88
  89. 89. Leitura  4: a luz emitida é coletada por um guia de fibra óptica e chega a um tubo fotomultiplicador (TFM) Powsner & Powsner 89
  90. 90. em outras palavras... Lança & Silva, 2008 90
  91. 91. Apagamento  5: Sinal elétrico é digitalizado e armazenado  Computador  imagem final  6: Placa é exposta a luz branca de alta intensidade  Apagamento  7: Placa é devolvida para o cassete e está pronta para uso 91
  92. 92. Sensibilidade  Uma das vantagens da CR é a sua resposta Bushberg Lança & Silva, 2008 92
  93. 93. Sistema tela-filme Sistema digital: Radiologia Computacional (CR) Sub-exposição Super-exposição 93
  94. 94. Sistemas DR 94
  95. 95. Desafio: imagem digital de alta resolução http://www.anrad.com/solutions-breast-imaging.htm 95
  96. 96. CCD CCD – (dispositivo de carga acoplada - charge-coupled device) 96
  97. 97. CCD  Charge coupled devices  Mesmo sistema empregado em câmeras digitais  PSPs recebem uma imagem analógica que é digitalizada na leitora  CCDs já discretizam a imagem em coordenadas espaciais  O outro processo de discretização (digitalização) é realizado na intensidade 97
  98. 98. CCD  Charge coupled devices 98
  99. 99. CCD + tubo intensificador 99
  100. 100. CCD + tela intensificadora + fibra óptica 100
  101. 101. CCD + tela intensificadora 101
  102. 102. Flat pannels “Detectores planos” TFT – (transistor de filme fino - thin-film transistor) 102
  103. 103. http://www.anrad.com/products-direct-xray-detectors.htm 103
  104. 104. http://www.anrad.com/products-direct-xray-detectors.htm The larger size LMAM detector is designed to address the USA and European mammography markets. Its key features are: • Field of view: 24 cm x 30 cm (10”x12”) • Pixel pitch: 85 µm • Superior image quality: high DQE, high MTF, high contrast, high dynamic range • High dynamic range • High patient throughput • Tomosynthesis capability 104
  105. 105. “Flat pannels” Bushberg 105
  106. 106. Leitura Lança & Silva, 2008 106
  107. 107. Leitura Bushberg Lança & Silva, 2008 107
  108. 108. Dois tipos  DR direto  DR indireto 108
  109. 109. DR - indireto http://www.analog.com/en/content/digital_x- ray_technology_improves_patient_exp/fca.html 109
  110. 110. DR – indireto 110
  111. 111. DR - direto http://www.analog.com/en/content/digital_x- ray_technology_improves_patient_exp/fca.html 111
  112. 112. DR - direto conjnto de semicondutores que recebem radiação e transforma em sinal elétrico. Raios-X TFT Capacitor a-Se camada de 250 mm de espessura Eletrodo superior Eletrodo coletor Saída de sinal 112
  113. 113. Desvantagem de imagens digitais  Ocupam muito espaço para armazenamento  Requerem grande largura de banda para transmissão em um sistema PACS*  Requerem monitores de alta luminosidade e resolução  2000 x 2500  Elevado custo: em torno de 25000 dólares  *PACS: picture archiving and communication system 113
  114. 114. Então qual é a melhor instrumentação digital? 114
  115. 115. Sistema tela-filme Prós  Fácil uso  Barato  Baixo investimento inicial Contras  Processamento químico  Baixo nível de integração (analógico)  Mais subjetivo  Alto índice de repetições 115
  116. 116. CR Prós  Semelhante a tela-filme  Detector  mais robusto  “barato”  vários tamanhos  Aproveita equipamentos de imagem disponíveis  Baixo investimento inicial Contras  DQE baixo  Dose de radiação maior  Fluxo de trabalho longo  Imagem não disponível imediatamente  Leitora  Maior tempo de exame  Detector sujeito a danos  Vida útil 116
  117. 117. DR Prós  DQE elevado  Menor dose de radiação  Boa resposta dinâmica  Resolução espacial  Fluxo de trabalho curto  Menor tempo de exame Contras  Custo inicial alto  Detector frágil  Detector caro 117
  118. 118. Considerações finais 118
  119. 119. Considerações finais  Sistemas convencionais estão se tornando obsoletos  Realidade no Brasil?  A migração para sistemas digitais oferece muitas vantagens  Diversas tecnologias digitais estão disponíveis  CR  DRd  DRi  É necessário escolher com cautela a tecnologia a ser adotada num serviço  próxima aula: desempenho e qualidade de sistemas de imagem. 119
  120. 120. Bibliografia  Bushberg, “The essential physics of medical imaging”, 2nd edition , Lippincott Williams & Wilkins  COSTA, E.T. , “EQUIPAMENTOS DE RAIOS – X”  LANÇA, L.; SILVA, A. "Digital radiography detectors–A technical overview: Part 2." Radiography v.15(2), p.134-38. 2009.  LANÇA, L.; SILVA, A. "Digital radiography detectors–A technical overview: Part 2." Radiography v. 15, p. 58, 2008.  J. Anthony Seibert, “Physics of Computed Radiography”  SEIBERT, J. A. “X-Ray Imaging Physics for Nuclear Medicine Technologists. Part 1: Basic Principles of X-Ray Production”,J Nucl Med Technol, v. 32(3), p. 139-47, 2004  SEIBERT, J. A. “X-Ray Imaging Physics for Nuclear Medicine Technologists. Part 2: X- Ray interactions and Image Formation”, J Nucl Med Technol, v. 33(1), p. 3-18, 2005  SPRAWLS, P. Physical Principles of Medical Imaging, disponível em www.sprawls.org/ppmi2 120

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