Αρχές λειτουργίας απεικονιστικών μηχανημάτων Παραγωγή Ιατρικής Εικόνας

Transcript

1 Αρχές λειτουργίας απεικονιστικών μηχανημάτων Παραγωγή Ιατρικής Εικόνας 1. Ακτινογραφία, Ακτινοσκόπιση, Μαστογραφία, Αξονική Τομογραφία Παναγιώτης Τσίγκανος ΕΔΙΠ Κλινικό Εργαστήριο Ακτινολογίας

2 Παράγοντες Διαγνωστικής Απεικονιστικής Ασθενής Σύστημα Απεικόνισης Σφάλμα εικόνας Εικόνα Μεταφορά Αχλύς Αντίθεση Θόρυβος Παραμόρφωση Παράμετροι Ερμηνεία Επιλογή Χειριστής/Τεχνολόγος Διαγνώστης

3 Απεικονιστικές μέθοδοι Ακτινογραφίες (Ακτίνες Röntgen) Αξονική Τομογραφία (CT) Υπέρηχοι (US) Μαγνητική Τομογραφία (MRI) Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίων (PET) Τομογραφία Εκπομπής Φωτονίου (SPECT) Rö CT US MRI PET SPECT

4 Ακτινογραφία Ακτίνων Röntgen

5 Ακτινοβολία (Ενέργεια που μεταδίδεται στο χώρο και την ύλη) Ηλεκτρομαγνητική Σωματιδιακή Σωματίδιο Σύμβολο Φορτίο Μάζα Ηρεμίας (amu) Ισοδύναμη Ενέργεια (MeV) Άλφα α, 4 He , ,727 Πρωτόνιο p, 1 H , Ηλεκτρόνιο e , ,511 Νεγκατρόνιο β , ,511 c = λν Ποζιτρόνιο β , ,511 Νετρόνιο n 0 0 1,

6 ΗΜ Φάσμα

7 Ενέργεια Φωτονίου Ε= hν Μονάδα: ev h = x J-s σταθερά του Planck ev = x J ηλεκτρονιοβόλτ kev=10 3 ev, MeV=10 6 ev

8 Σύσταση του Ατόμου Ακτίνα ατόμου ~10-10 m (~1Å) Ακτίνα πυρήνα ~10-14 m Όγκος πυρήνα ~10-12 του όγκου του ατόμου

9 Αλληλεπιδράσεις Ιονίζουσας Ακτινοβολίας με την Ύλη Σωματιδιακές Φωτονικές (ακτίνες Χ) Διέγερση Χαρ. Φωτόνιο Χ ή Auger e- Ακτινοβολούμενες Απώλειες Ιονισμός Ακτινοβολία Πέδησης (Συνεχές Φάσμα Ακτίνων Χ) Ζεύγος Ιόντων (Δευτερεύων Ιονισμός) Διέλευση χωρίς αλληλεπίδραση Σκέδαση Rayleigh Φωτόνιο Χ ίδιας ενέργειας Σκέδαση Compton Φωτόνιο Χ χαμηλότερης ενέργειας και ηλεκτρόνιο Φωτοηλεκτρική Απορρόφηση Ηλεκτρόνιο

10 Τυπική διάταξη ακτινογραφίας

11 Παραγωγή Ακτίνων Χ Λυχνία ΥΤ: Υψηλή Τάση (10 150kV) Για χρόνο 1ms 1s Τ: Στόχος Βολφραμίου ή Μολυβδένιου Α: Άνοδος (Cu) C: Κάθοδος M: Κινητήρας περιστροφής Ν: Θερμιονικό νήμα σε κοιλότητα εστίασης Διαρρέεται από ρεύμα 3A 7A Φ: Φίλτρο Al (προαιρετικό) W: Παράθυρο εξόδου ακτίνων Χ (Al ή Be) Μετατροπή ενέργειας: Ηλεκτρική Κινητική ΗΜ(1%), Θερμότητα(99%) Τάση Λειτουργίας Λυχνίας: kv (γενική ακτινολογία), kv (μαστογραφία) Ρεύμα Λυχνίας: ma (γενική ακτινολογία), ma (μαστογραφία) Χρόνος έκθεσης: 2-100ms (γενική ακτινολογία), 0,5-2 s (μαστογραφία)

12 Παραγωγή Ακτίνων Χ Λυχνία Η Κάθοδος Το Ρεύμα Νήματος καθορίζει το Ρεύμα Λυχνίας Το Ρεύμα Λυχνίας επηρεάζεται και από την Τάση Λυχνίας Χρόνος έκθεσης: 2-100ms (γενική ακτινολογία), 0,5-2 s (μαστογραφία)

13 Επίδραση του Μεγέθους Εστιακής Κηλίδας

14 Επίδραση του Μεγέθους Εστίας (Λειτουργία Επαφής) 50 kv, 7 mas Μικρή Εστία (0,6 mm) 50 kv, 7 mas Μεγάλη Εστία (1,2 mm)

15 Επίδραση του Μεγέθους Εστίας (Λειτουργία Μεγέθυνσης) 50 kv, 7 mas SID=94cm SOD=70cm Μικρή Εστία (0,6 mm) Ευκρίνεια ~ 3 LP/mm 50 kv, 7 mas SID=94cm SOD=70cm Μεγάλη Εστία (1,2 mm) Ευκρίνεια ~ 1,6 LP/mm

16 Παραγωγή Ακτίνων Χ Λυχνία Η Άνοδος

17 Παραγωγή Ακτίνων Χ Το Φάσμα Εκπομπής της Λυχνίας Ακτινοβολία Πέδησης Bremsstrahlung Χαρακτηριστική Ακτινοβολία

18 Επίδραση της Υψηλής Τάσης Λυχνίας (kvp) Έκθεση kv 2

19 Επίδραση της Υψηλής Τάσης Λυχνίας (kvp) 60 kv, 50 mas 70 kv, 50 mas 80 kv, 50 mas

20 Επίδραση της Ποσότητας Φωτονίων (mas)

21 Επίδραση της Ποσότητας Φωτονίων (mas) 80 kv, 16mAs 80 kv, 2mAs 80 kv, 8 mas 80 kv, 1mAs 80 kv, 4mAs 80 kv, 0.5 mas

22 Διαφράγματα (Collimators)

23 Διαφράγματα (Collimators) 43 cm 20 cm 10 cm 5 cm 70 kv, 3 mas

24 Αλληλεπίδραση με τους ιστούς Ι(x)=I 0 e -μ x μ: Συντελεστής εξασθένισης, εξαρτάται από τον ατομικό αριθμό και την πυκνότητα του υλικού, καθώς και από την ενέργεια των φωτονίων

25 Αλληλεπιδράσεις Ακτίνων Χ Σκέδαση Rayleigh Αφορά κυρίως φωτόνια χαμηλής ενέργειας

26 Αλληλεπιδράσεις Ακτίνων Χ Σκέδαση Compton

27 Αλληλεπιδράσεις Ακτίνων Χ Σκέδαση Compton

28 Αλληλεπιδράσεις Ακτίνων Χ Φωτοηλεκτρικό Φαινόμενο

29 Αλληλεπιδράσεις Ακτίνων Χ Φωτοηλεκτρικό Φαινόμενο

30 Εξασθένηση Ακτίνων Χ

31 Εξασθένηση Ακτίνων Χ Γραμμικός Συντελεστής Εξασθένησης

32 Γραμμικός Συντελεστής Εξασθένισης

33 Αντιδιαχυτικό Πλέγμα

34 Επίδραση του Αντιδιαχυτικού Πλέγματος Xωρίς Πλέγμα Με Πλέγμα 75 kv, 3 mas 75 kv, 25 mas

35 Ανιχνευτές ακτίνων Χ Φωτογραφικό Φίλμ (με ενισχυτικές πινακίδες) SFR Screen-Film Radiography Υπολογιστική Ακτινογραφία CR Computed Radiography Ψηφιακή Ακτινογραφία (Έμμεση ή Άμεση) DR Digital Radiography

36 Φωτογραφικό Φίλμ με ενισχυτικές πινακίδες Τυπικά μεγέθη 35cm x 43cm 30cm x 35cm 24cm x 30cm 24cm x 24cm 18cm x 24cm Τυπική ιθαγενής ανάλυση 5-10 μm ή lp/mm ή ppi

37 Υπολογιστική Ακτινογραφία (CR) Ανιχνευτής: κασέττα CR με πινακίδα φωσφόρου PSP (Photostimulable Storage Phosphor), η οποία διατηρεί τα ηλεκτρόνια σε παγίδες. Στο σύστημα ανάγνωσης, δέσμη laser αποδιεγείρει τα ηλεκτρόνια τα οποία παράγουν φως. Αυτό ενισχύεται με φωτοπολλαπλασιαστή και μετατρέπεται σε ψηφιακό σήμα από φωτοδιόδους. Τυπικά μεγέθη Ιθαγενής Ανάλυση: 35 x 43 cm lp/mm 200 μm 24 x 30 cm lp/mm 140 μm 18 x 24 cm lp/mm 100 μm

38 Ψηφιακή Ακτινογραφία (DR) Ανιχνευτές Επίπεδης Οθόνης (Flat Panel Detectors) Ανιχνευτές επίπεδης οθόνης Τυπικά μεγέθη Ιθαγενής Ανάλυση 43cm x 43cm μm 3k x 3k 30cm x 40cm μm 2,5k x 2k 18cm x 18cm μm 1k x 1k

39 Χαρακτηριστικές Καμπύλες Κλασικής Ψηφιακής Ακτινογραφίας

40 Επίδραση Μεγέθους pixel στην Ευκρίνεια Κασέττα 20x25cm, Μέγεθος pixel 100μm (0,1mm) Οριακή χωρική ευκρίνεια ~3lp/mm Κασέττα 35x43 cm, Μέγεθος pixel 180μm (0,18mm) Οριακή χωρική ευκρίνεια ~2,5 lp/mm

41 Αγγειογραφία Ακτινογραφία κατόπιν έγχυσης σκιαγραφικού και ενίσχυση της αντίθεσης Ψηφιακή Αφαιρετική Αγγειογραφία (DSA) και Ακτινοσκόπιση Α: Κατανομή έντασης κατά μήκος μιας γραμμής της εικόνας Αγγείωμα δακτύλου Β: Η ίδια κατανομή μετά την έγχυση σκιαγραφικού Γ: Κατανομή μετά την αφαίρεση των ανωτέρω Δ: Ενίσχυση της αντίθεσης

42 ΜΑΣΤΟΓΡΑΦΙΑ Ακτινογραφική εξέταση σχεδιασμένη για την ανίχνευση της παθολογίας του μαστού, ιδιαίτερα του καρκίνου του μαστού

43 Εξασθένηση

44 Εξασθένηση - Δόση Αντίθεση Αδενικός Ιστός μεγέθους 1mm Ca 5 (PO 4 ) 3 OH Αποτιτάνωση μεγέθους 0.1mm Μέση Αδενική Δόση Πάχος Μαστού 2 cm 8 cm Eνέργεια (kev) (kev)

45 Μαστογράφος

46 Δέσμη Ακτίνων-Χ

47 Συμπίεση μαστού

48 Τυπικές προβολές

49 Τυπικές προβολές προσυμπτωματικού ελέγχου MLO Μεσοπλάγια λοξή

50 Τυπικές προβολές προσυμπτωματικού ελέγχου CC Κεφαλουραία

51 Προσυμπτωματικός Έλεγχος Μάζα με ακτινωτά όρια Διαταραχή αρχιτεκτονικής Συρροές μικρο/μακροαποτιτανώσεων 51

52 ΑΚΤΙΝΟΣΚΟΠΙΣΗ Απεικόνιση του ασθενούς σε πραγματικό χρόνο, με ακτίνες-χ

53 Ακτινοσκόπιση

54 Λυχνία παλμικού πλέγματος (pulsed grid) Λυχνία

55 Ενισχυτής Εικόνας Έχουν ξεπεραστεί από τους ανιχνευτές Επίπεδης Οθόνης (Flat Panel Detectors) Έμμεσης ή Άμεσης μετατροπής

56 Ενισχυτής Εικόνας Επίπεδη οθόνη

57 Ενισχυτής Εικόνας Επίπεδη οθόνη Δεν παρουσιάζει: Παραμόρφωση εικόνας Ανομοιομορφία στην φωτεινότητα Έχει μεγάλο εύρος Διαθέτει τετράγωνο πεδίο και πλήρη κατάληψη του monitor

58 Τρόποι Λειτουργίας

59

60

61 Αξονική Τομογραφία (CT)

62 Αξονικός Τομογράφος (CT scanner) Τράπεζα Ασθενούς Gantry (Αψίδα) Κονσόλα Ελέγχου Σύστημα Καταγραφής Δεδομένων DAS Data Acquisition System

63 Απόκτηση δεδομένων (Πρόσθια Προβολή) Απόκτηση προβολών Σινόγραμμα (προβολικά δεδομένα) Πρόσθια Προβολή γωνία Γωνία θ Προφίλ έντασης απόσταση

64 Αναστροφή Προβολών (Οπίσθια Προβολή) Ανακατασκευασμένη εικόνα Σινόγραμμα (προβολικά δεδομένα) Γωνία θ Οπίσθια Προβολή απόσταση

65 Φιλτράρισμα (Φίλτρο αναρρίχησης ramp filter) Σινόγραμμα (προβολικά δεδομένα) Προφίλ, γωνία Γωνία θ Μέγεθος απόσταση Θέση

66 Φιλτραρισμένη Οπίσθια Προβολή FBP Filtered Back Projection Ανακατασκευασμένη εικόνα Σινόγραμμα Γωνία θ Οπίσθια Προβολή απόσταση

67 Επίδραση του Φίλτρου Ανακατασκευής Soft (Μαλακό) Detail (Λεπτομερές) Bone (Οστικό) Edge (Περιγράμματος)

68 Γεωμετρία Συστήματος ΙΣΟΚΕΝΤΡΟ Υ Χ Ζ

69 Γεωμετρία Συστήματος

70 Γεωμετρία Συστήματος

71 Γεωμετρία Συστήματος Κανονικό SFOV Υπέρβαση SFOV

72 Gantry (Στεφάνη)

73 Δυνατότητα Κλίσης Gantry

74 Λυχνία Ακτίνων Χ

75 Επίδραση της Τάσης Λυχνίας 80 kvp 100 kvp 120 kvp 140 kvp

76 Αυτόματος Έλεγχος Ρεύματος Λυχνίας AEC Automatic Exposure Control Η εξασθένιση λαμβάνεται από τις αρχικές εικόνες εντοπισμού (οβελιαία, εγκάρσια)

77 Επίδραση του Ρεύματος Λυχνίας 80 ma 160 ma 320 ma 640 ma

78 Ανιχνευτές

79 Ανιχνευτές

80 Αξονική εικόνα Μέγεθος Μήτρας Ανακατα σκευής Αριθμός CT = 1000 ύ ύ (σε HU Hounsfield Units) Μέγεθος pixel = SFOV(mm)/μέγεθος μήτρας SFOV: Εύρος πεδίου εξέτασης (στο επίπεδο x-y) Τιμή pixel: Αριθμός CT σε δυαδική μορφή 12-bits Π.χ. Μέγεθος μήτρας 512x512 FOV(mm) ΜέγεθοςPixel (mm) Διακριτική Ικανότητα pixel(lp/cm) 500 1,0 5, ,8 6, ,6 8, ,4 12,8

81 Αριθμός CT Παράθυρο απεικόνισης

82 Τρόποι Λειτουργίας Εικόνα εντοπισμού Προεπισκόπιση (Scout, Scanogram, Topogram, Localizer, Projection Radiograph κλπ)

83 Τρόποι Λειτουργίας Αξονική Σάρωση (Axial, Scan & View, Scan & Scan, Volume, Wide Volume, Sequential, Step-and-Shoot κλπ)

84 Τρόποι Λειτουργίας Ελικοειδής/Σπειροειδής Σάρωση (Helical/Spiral Acquisition)

85 Βήμα δέσμης (Pitch, Pitch Factor) Βήμα p = F n T

86 Βήμα δέσμης Βήμα<1 Το εύρος δέσμης αλληλοεπικαλύπτεται μερικώς σε κάθε γωνία από περιστροφή σε περιστροφή Βήμα=1 Το εύρος δέσμης δεν αλληλοεπικαλύπτεται πουθενά και δεν υπάρχουν ακάλυπτες γωνίες σε κάποιες θέσεις της τράπεζας Βήμα>1 Υπάρχουν ακάλυπτες γωνίες σε κάποιες θέσεις της τράπεζας

87 Επίδραση του Βήματος Δέσμης Βήμα 0,75 Βήμα 1,5

88 Ελικοειδής Πολυτομική Σάρωση Δημιουργία αξονικών εικόνων 360LI: Γραμμική παρεμβολή στις LI: Γραμμική παρεμβολή στις 180 0

89 Επίδραση του Πάχους Τομής Ανακατασκευής 4 x 1.25 mm Πάχος τομής ανακατασκευής 1.25 mm Πάχος τομής ανακατασκευής 5 mm

90 Συγχρονισμός με ΗΚΓ (ECG Gating, Cine, Dynamic) Προοπτική πυροδότηση Prospective ECG triggering Αναδρομικός συγχρονισμός Retrospective ECG gating Χρονική διακριτική ικανότητα msec Ελαχιστοποίηση δόσης Περιορισμένο σύνολο δεδομένων Χρονική διακριτική ικανότητα msec Μεγαλύτερη δόση Ευελιξία στο σύνολο δεδομένων Πλήρης ανατομική πληροφορία

91 Παράδειγμα: Στεφανιογραφία CT (CCTA)

92 Έγχυση Σκιαγραφικού (Smart Prep, SUREStart) 1. Monitoring Delay, Delay 2. Monitor ISD, Real-time ή Pulsed Monitoring 3. Diagnostic Delay, Helical Delay

93 Τρισδιάστατα Σύνολα Δεδομένων Μέγεθος voxel=μέγεθος pixel x πάχος τομής SDCT δεδομένα με μέγεθος pixel 0.625mm, πάχος τομής 5mm MDCT-16 δεδομένα με μέγεθος pixel 0.625mm, πάχος τομής 1.25mm Ισοτροπικά MDCT-16 δεδομένα με μέγεθος pixel 0.625mm, πάχος τομής 1.25mm

94 Τρισδιάστατα Σύνολα Δεδομένων

95 Πολυεπίπεδη Αναμορφοποίηση MPR Multi Planar Reformation Στεφανιαία Οβελιαία Πλάγιες προβολές είναι επίσης δυνατές, όπως φαίνεται στην επόμενη διαφάνεια

96 Αναμορφοποίηση Καμπύλης Επιφάνειας CPR Curved Planar Reformation

97 Δισδιάστατη Μετεπεξεργασία Δεδομένων Με πολλές διαδοχικές MPR σχηματίζουμε ένα παχύ τεμάχιο (πλίνθο-slab) δεδομένων. Δημιουργούμε μια νέα εικόνα κάθε pixel της οποίας αποτελείται από τη Μέγιστη, Ελάχιστη ή Μέση τιμή της έντασης (HU) επί μίας γραμμής κατά το πάχος του πλίνθου. Πάχος πλίνθου Pixel νέας εικόνας Προβολή Μέγιστης Έντασης (MIP Maximum Intensity Projection) Προβολή Ελάχιστης Έντασης (MinIP Minimum Intensity Projection) Προβολή Μέσης Έντασης (AvIP Average Intensity Projection)

98 MIP MinIP AvIP Στεφανιαία εικόνα πνευμόνων (πάχος πλίνθου 20mm) MIP: Κυριαρχούν οι υψηλότερες τιμές HU (αγγείωση, μαλακοί ιστοί). Συδυάζεται άριστα με σκιαγραφικά. MinIP: Κυριαρχούν οι χαμηλότερες τιμές HU (μεγάλοι αεραγωγοί) AvIP: Προσιδιάζει περισσότερο τις κλασσικές πρωτογενείς αξονικές τομές ως προς το θόρυβο και την ανάλυση αντίθεσης

99 Επιφάνεια με Φωτοσκίαση SSD Shaded Surface Display Κάταγμα λεκάνης. Με εικονική εξάρθρωση, φαίνεται το κάταγμα κοτύλης

100 Τεχνική Απόδοσης του Όγκου VRT - Volume Rendering Technique

101 SSD VRT

102 Εικονική ενδοσκόπηση

103 Τετραδιάστατη Απεικόνιση Στεφανιαία αιμάτωση

104 Πηγές Πληροφοριών

105 Πηγές Πληροφοριών

106 Βιβλίο αναφοράς

107 Dr Παναγιώτης Τσίγκανος, MSc, PhD Εργαστηριακό Διδακτικό Προσωπικό Κλινικό Εργαστήριο Ακτινολογίας Κτήριο Κλινικών Λειτουργιών Πτέρυγα Γ, 1 ος όροφος, Γραφείο Γ Τηλ: tsiganos@upatras.gr