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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
Onde se usa raios X?
http://www.imagingdomain.com/media/54463.jpg
2
Motivação
 Raios X são a base de qualquer sistema de:
 Radiografia
3
Motivação
 Raios X são a base de qualquer sistema de:
 Radiografia
 Mamografia
4
Motivação
 Raios X são a base de qualquer sistema de:
 Radiografia
 Mamografia
 Fluoroscopia
5
Motivação
 Raios X são a base de qualquer sistema de:
 Radiografia
 Mamografia
 Fluoroscopia
 Tomografia computadorizada
6
O que é um aparelho de
raios X?
7
“anatomia”
aparelho de raios X
 Cabeçote
 Tubo de raios X +
blindagem
8
“anatomia”
aparelho de raios X
 Cabeçote
 Tubo de raios X +
blindagem
 Colimador
9
“anatomia”
aparelho de raios X
 Cabeçote
 Tubo de raios X +
blindagem
 Colimador
 Mesa
 Posicionamento
10
“anatomia”
aparelho de raios X
 Cabeçote
 Tubo de raios X +
blindagem
 Colimador
 Mesa
 Estativa
 Posicionamento
11
“anatomia”
aparelho de raios X
 Cabeçote
 Tubo de raios X +
blindagem
 Colimador
 Mesa
 Estativa
 Detectores
 Bucky + filme ou IP
 CCD, DRd ou DRi
12
“anatomia”
aparelho de raios X
 Cabeçote
 Tubo de raios X +
blindagem
 Colimador
 Mesa
 Estativa
 Detectores
 Transformadores /
retificadores
13
Como se opera?
14
(Sprawls)
Profissional
de ciências
radiológicas
Médico
radiologista15
O que são os raios X?
16
Ondas eletromagnéticas de
alta energia
𝐸 = ℎ. 𝑓 =
ℎ. 𝑐
𝜆 17
18
Como são produzidos?
19
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
Sistema de raios X: Gerador + tubo
22
Circuito do filamento
23
Circuito do tubo (alta voltagem + retificador)
24
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
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
Além disso...
 Tamanho de campo,
 Magnificação,
 Ponto focal,
 etc...
27
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
Controle do circuito
29
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
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
Espectro resultante
 O espectro resultante de todas as interações contém:
 Espectro contínuo: radiação de fretamento (bremsstrahlung)
 Espectro discreto: radiação característica
33
Variando kV (energia)
34
Variando mAs (intensidade)
35
Interação dos raios X com
a matéria
Efeitos fotoelétrico e compton
36
Interação de raios-X com a
matéria
37
38
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
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
Atenuação
42
Resumindo,
43
Contraste da imagem
radiográfica
44
Panorama da formação de
imagens
45
Lembrando: atenuação diferencial
46
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
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B
(arcos costais e área cardíaca)
47
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 Contraste físico do objeto
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Material Zef
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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
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Compton
Compton
Não interage
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A
(parênquima e vasos)
48
Contraste radiográfico em
função da energia
49
Contraste Radiográfico em função da
intensidade
50
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
Grade anti-difusora
52
Dessa maneira, o equipamento
de raios-X contém
 Tubo
 Grade anti-difusora
 Sistema de registro de imagens
 Filme
 Digital
53
Sistema tela-filme
(radiologia convencional)
54
55
Chassi
Raio-X Convencional
Mamografia56
Filme
 Emulsão contendo haletos de prata
Cristais
pequenos
Cristais
médios
Cristais
grandes57
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
Sistela Tela-filme “convencional”
Écran
Écran
Filme radiográfico
60
Sem tela intensificadora  Com tela intensificadora
61
62
Processo fotográfico do filme
63
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
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66
67
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sensibilidade do filme
68
Radiologia digital
69
Visão geral
 Serviços de diagnóstico por imagens estão se tornando
ambientes digitais
70
Visão geral
 Serviços de diagnóstico por imagens estão se tornando
ambientes digitais
 Instrumentações digitais
 CT e MRI
 Desenvolvidas a partir de sistemas digitais
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 a partir de 1970
71
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
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
Um sistema de imagem
“tem”:
Detecção
Registro
Visualização
Análise
Comunicação
Armazenamento
Sistema
tela-filme
74
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
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
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
Sistemas digitais
Lança & Silva, 2008
78
Sistemas CR
Computed Radiography
79
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
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
Constituição
 As placas de CR geralmente são BaFBr ou BaFI
 + Eu para aumentar eficiência de detecção
 Comumente referidos como fluoreto de bário
82
83
CRTela - filme
84
Leitura
 1 : O cassete é inserido na unidade de leitura
85
Leitura
 2: A placa é movimentada e “escaneada” por um
sistema de laser
86
Leitura
 3: laser estimula a emissão da energia armazenada na
placa
87
Leitura
 4: a luz emitida é coletada por um guia de fibra óptica e chega a um TFM
88
Leitura
 4: a luz emitida é coletada por um
guia de fibra óptica e chega a um
tubo fotomultiplicador (TFM)
Powsner & Powsner
89
em outras palavras...
Lança & Silva, 2008
90
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
Sensibilidade
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é a sua resposta
Bushberg Lança & Silva, 2008
92
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Radiologia
Computacional (CR)
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93
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CCD
CCD – (dispositivo de carga acoplada - charge-coupled
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96
CCD
 Charge coupled devices
 Mesmo sistema empregado em câmeras digitais
 PSPs recebem uma imagem analógica que é digitalizada
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 CCDs já discretizam a imagem em coordenadas espaciais
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CCD
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98
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CCD + tela intensificadora
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Flat pannels
“Detectores planos”
TFT – (transistor de filme fino - thin-film transistor)
102
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103
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”)
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• Superior image quality: high DQE, high MTF, high contrast,
high dynamic range
• High dynamic range
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• Tomosynthesis capability
104
“Flat pannels”
Bushberg
105
Leitura
Lança & Silva, 2008
106
Leitura
Bushberg Lança & Silva, 2008
107
Dois tipos
 DR direto
 DR indireto
108
DR - indireto
http://www.analog.com/en/content/digital_x-
ray_technology_improves_patient_exp/fca.html
109
DR – indireto
110
DR - direto
http://www.analog.com/en/content/digital_x-
ray_technology_improves_patient_exp/fca.html
111
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
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
Então qual é a melhor
instrumentação digital?
114
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
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
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
Considerações finais
118
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
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
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