Μέθοδοι Ιατρικής Απεικόνισης Ελένη Καλδούδη

Transcript

1 Μέθοδοι Ιατρικής Απεικόνισης Ελένη Καλδούδη Υποψήφια Επίκουρος ΔΠΘ Φυσική Ιατρική Απεικόνισης - Τηλεϊατρική

2 ιατρική απεικόνιση όρος που περικλείει όλες εκείνες τις μεθόδους που επιτρέπουν την μη-επεμβατική αναπαράσταση της εσωτερικής δομής και λειτουργίας του ανθρώπου και δεν αναφέρονται στην πατροπαράδοτη οπτική εξέταση

3 δομή μαθήματος εισαγωγή σε βασικές έννοιες ιατρικής εικόνας αναφορά στις σύγχρονες μεθόδους ιατρικής απεικόνισης σύντομη ιστορική αναδρομή βασικές αρχές φυσικού φαινομένου χαρακτηριστικά εικόνας παραδείγματα

4 γενικό μοντέλο απεικόνισης αρχική ενέργεια σήμα επεξεργασία σήματος πηγή ενέργειας αλληλεπίδραση ενέργειας και ύλης ανίχνευση σήματος παρουσίαση πληροφορίας απεικονιστική συσκευή

5 είδη αντιστοίχησης της εσωτερικής δομής σε εικόνα 1 - προβολική απεικόνιση μετωποϊνιακή προβολή

6 είδη αντιστοίχησης της εσωτερικής δομής σε εικόνα 2 - τομογραφική απεικόνιση Δs

7 είδη αντιστοίχησης της εσωτερικής δομής σε εικόνα 3 - ογκογραφική απεικόνιση Voxel Man Project

8 διαστάσεις ιατρικής εικόνας 1 διάσταση χώρου γραμμική προβολή 2 διαστάσεις χώρου τομή, προβολή επιπέδου 3 διαστάσεις χώρου (πολλαπλές τομές) 3-διάστατη αναπαράσταση διαστάσεις χώρου & χρόνος βίντεο υψηλότερος βαθμός διαστάσεων

9 χαρακτηριστικά ιατρικής εικόνας σκιαγραφική αντίθεση I x I y C = x 100 % ½ (Ι x + Ι y )

10 χαρακτηριστικά ιατρικής εικόνας χωρική ανάλυση γραμμές ανά mm d καλή χωρική ανάλυση: γραμμές ανά mm μικρότερη απόσταση

11 χαρακτηριστικά ιατρικής εικόνας σηματοθορυβική σχέση S N σήμα θόρυβος

12 φυσικές αρχές μιας απεικονιστικής μεθόδου γιατί να τις κατανοήσω? είδος διαγνωστικής πληροφορίας που μπορεί να δώσει διαγνωστικά προβλήματα που μπορεί να επιλύσει όρια ως προς την διακριτική ικανότητα (χώρο, χρόνο, αντίθεση) αναγνώριση ψευδενδείξεων κόστος σε σχέση με την διαγνωστική αξία επιπτώσεις και παρενέργειες στον ασθενή και στον γιατρό

13 σύγχρονες απεικονιστικές μέθοδοι κλασική ακτινογραφία αξονική τομογραφία μαγνητική τομογραφία υπερηχοτομογραφία απεικόνιση με χρήση ραδιοϊσοτόπων απεικόνιση ηλεκτρικής αντίστασης ιστών απεικόνιση εκπομπής υπέρυθρων - θερμογραφία απεικόνιση απορρόφησης φωτός - διαφανογραφία απεικόνιση μαγνητικών πεδίων???

14 κλασική ακτινογραφία απεικόνιση της διαφορικής μερικής απορρόφησης ακτίνων Χ από τους ιστούς προβολική απεικόνιση 1895 ανακάλυψη ακτίνων Χ (Roentgen) 1896 πρώτη εγχείριση με καθοδήγηση ακτινογραφίας κλασική ακτινογραφία

15 ένταση διερχόμενης δέσμης (Ι) αλληλεπίδραση Χ με την ύλη Ι ο I = I o x e - m απορρόφηση διερχόμενη δέσμη σκέδαση πάχος υλικού (x) ελαστική σκέδαση φωτοηλεκτρικό φαινόμενο φαινόμενο Compton μ συντελεστής απορρόφησης η τιμή του εξαρτάται από ενέργεια φωτονίου υλικό κλασική ακτινογραφία

16 το σήμα στην ακτινογραφία ακτίνες Χ μείωση σκεδαζόμενης ακτινοβολίας μαλακοί ιστοί αέρας οστά κατευθυντήρας ανιχνευτής μείωση πεδίου ακτινοβόλησης (κατευθυντήρες) μείωση πάχους (συμπίεση) μείωση ενέργειας Χ (μικρότερο kv & κατάλληλο υλικό στόχου) ένταση σήματος στον ανιχνευτή κλασική ακτινογραφία

17 lnμ lnμ σκιαγραφική αντίθεση εξαρτάται από: ατομικό αριθμό Ζ πυκνότητα ενέργεια φωτονίων πάχος ιστού ίδια πυκνότητα, διαφορετικό Ζ διαφορετική πυκνότητα, ίδιο Ζ ενέργεια φωτονίων ενέργεια φωτονίων ΔΙ/Ι = μ Δx κλασική ακτινογραφία

18 απεικόνιση με ακτίνες Χ κλασική ακτινογραφία ακτινοσκόπηση ειδικές εφαρμογές μαστογραφία ξηρογραφία αφαιρετική τεχνική (αγγειογραφία) ισόκεντρος τεχνική - κρανιογραφία ακτινογραφία διπλής ενέργειας ψηφιακή ακτινογραφία κλασική ακτινογραφία

19 υπολογιστική τομογραφία τομογραφία ακτίνων Χ = αξονική τομογραφία = υπολογιστική τομογραφία = CT: computed tomography = CAT: computed axial tomography απεικόνιση της διαφορικής μερικής απορρόφησης ακτίνων Χ από τους ιστούς 2-διάστατη απεικόνιση τομής του ανθρώπινου σώματος υπολογιστική τομογραφία

20 ιστορική αναδρομή μαθηματικές αρχές υπολογιστικής τομογραφίας (Radon) τομογραφία ηλίου στην ραδιοαστρονομία (Bracewell) υπολογιστική τομογραφία υλικών (Oldendorf, Cormack) υπολογιστική τομογραφία στην πυρηνική ιατρική (Kuhl, Edwards) πρώτη κλινική εφαρμογή υπολογιστικής τομογραφίας (Hounsfield) Nobel ιατρικής για υπολογιστική τομογραφία (Hounsfield, Cormack) ανακατασκευή πάλλουσας καρδιάς (Hoffman) τομογράφος δέσμης ηλεκτρονίων (Biyd, Imatron) ελικοειδής υπολογιστική τομογραφία υπολογιστική τομογραφία πολλαπλών τομών υπολογιστική τομογραφία

21 αρχή λειτουργίας μεθόδου Α. μετρικό σύστημα = καταγραφή πολλαπλών προβολών Χ Χ Χ Β. υπολογιστικό σύστημα = ανακατασκευή εικόνας από προβολές υπολογιστική τομογραφία

22 γενεές υπολογιστικών τομογράφων 1η 2η 3η 4η υπολογιστική τομογραφία

23 νεότερες εξελίξεις τομογράφοι δέσμης ηλεκτρονίων στόχος ελικοειδής υπολογιστική τομογραφία υπολογιστική τομογραφία πολλαπλών τομών κινούμενη δέσμη ηλεκτρονίων πολλαπλές τομές ελικοειδής ΥΤ υπολογιστική τομογραφία

24 χαρακτηριστικά εικόνας διάκριση ιστών με διαφορά συντελεστή απορρόφησης 0.1 % του νερού δυναμικό εύρος 4000:1 0.5 mm διακριτική ικανότητα 0.5 s για κάθε τομή σπονδυλική στήλη ανακατασκευή σε 3 διαστάσεις pw1.netcom.com υπολογιστική τομογραφία

25 υπερηχοτογραφία απεικόνιση της κατανομής στον χώρο των εσωτερικών επιφανειών που ανακλούν δέσμη υπερήχων 2η συχνή μέθοδος σε αριθμό εξετάσεων παγκοσμίως brighamrad.harvard.edu δυνατότητα στατικών και δυναμικών μελετών καθώς και ποσοτικών μετρήσεων ροής αντιμετώπιση μεγάλου εύρους διαγνωστικών προβλημάτων γυναικολογικές εξετάσεις απεικόνιση εμβρύου καρδιαγγειακό κοιλιακή χώρα 19η εβδομάδα κύησης ανεγκεφαλία υπερηχοτομογραφία

26 ιστορική αναδρομή 1842 φυσικές αρχές φαινομένου Doppler 1877 φυσικές αρχές υπερηχοτομογραφίας (Rayleigh) 1880 φυσικό φαινόμενο παραγωγής υπερήχων (Curie) 1912 κατασκευή πρώτων συστημάτων υποβρύχιας ανίχνευσης 1942 πρώτη εφαρμογή στην ιατρική - απεικόνιση διάδοσης (Dussik) 1949 πρώτη εφαρμογή υπερηχογραφήματος Α τύπου (Wild, Neal) 1951 υπερηχογράφος τύπου Β με δεξαμενή εμβύθισης 1954 υπερηχογράφημα τύπου Μ 1955 εφαρμογή φαινόμενου Doppler 1962 εμπορικός υπερηχογράφος με ηχοβολέα επαφής 1973 εισαγωγή αναλογικού μετατροπέα σε κλίμακα γκρι υπερηχοτομογραφία

27 παραγωγή ανίχνευση υπερήχων παλμοί >3 κύκλων, ~ 1μs πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος 3-5 MHz κοιλιακή χώρα 4-10 MHz επιφανειακά όργανα 50 MHz οφθαλμός MHz ενδοφλεβικά ηχοβολέας & γεωμετρία δέσμης υπερηχοτομογραφία

28 αλληλεπίδραση υπερήχων-ιστών υ 1, Ζ 1 υ 2, Ζ 2 θ 1 θ 1 θ 2 Z = ρυ διαχωριστική επιφάνεια συντελεστής ανάκλασης (θ 1 =θ 2 =0) ηχοβολέας - αέρας μαλακός ιστός αέρας μαλακός ιστός ηχοβολέας 0.90 οστό λίπος 0.69 οστό εγκεφαλική ουσία 0.66 λίπος μυς 0.10 συντελεστή ς ανάκλασης θ θ Ζ Ζ Ζ Ζ ένταση ανακλώμενου κύματος ένταση αρχικού κύματος λίπος ήπαρ 0.09 λίπος νεφρός 0.08 λίπος αίμα 0.08 μυς αίμα 0.03 μυς νεφρό 0.03 μυς ήπαρ 0.01 υπερηχοτομογραφία

29 παρουσίαση υπερηχογραφήματος 1. χρόνος ανάκλασης 2. ένταση ανάκλασης Α τύπου (Amplitude) κύστη ωοθήκης home.hkstar.com M τύπου (Time ή Time-Motion) B τύπου (Brightness) C τύπου (Constant-Depth) υπερηχοτομογραφία

30 τύποι σάρωσης νεφρός κύστη ωοθήκης υπερηχοτομογραφία

31 3-διάστατη υπερηχοτομογραφία πρόσωπο εμβρύου (35η βδομάδα κύησης) υπερηχοτομογραφία

32 υπερηχογράφημα Doppler f o f 1 υ κιν Δf 2 υ κιν f υ 0 ήχου συνθ καρδιά εμβρύου (27 βδομάδα κύησης) υπερηχοτομογραφία

33 χαρακτηριστικά εικόνας αξονική διακριτική ικανότητα 0.2 mm έως 1 mm περίπου ίση με το μισό του μήκους του ηχητικού παλμού αυξάνεται όταν: μικραίνει το μήκος ηχητικού παλμού αυξάνει η συχνότητα του ήχου πλευρική διακριτική ικανότητα 0.5 cm έως 1 cm περίπου ίση με το πάχος της δέσμης αυξάνεται: στην εστιακή περιοχή της δέσμης όταν αυξάνει η συχνότητα του ήχου αξονική πλευρική υπερηχοτομογραφία

34 μαγνητική τομογραφία απεικόνιση της κατανομής των πυρήνων υδρογόνου (κυρίως του νερού) στους ιστούς πολύπλοκη εξάρτηση της αντίθεσης από το είδος του ιστού και την φυσική του κατάσταση, το χημικό περιβάλλον, και άλλους παράγοντες απεικόνιση σε όλα τα επίπεδα ανατομική και λειτουργική απεικόνιση, μικροσκοπία, αγγειογραφία, κλπ. μαγνητική τομογραφία

35 ιστορική αναδρομή 1946 φαινόμενο πυρηνικού μαγνητικού Bloch & Purcell 1952 Nobel φυσικής στους Bloch & Purcell 1973 πρώτη μαγνητική τομογραφία με οπισθοπροβολή (Lauterbur) 1975 μαγνητική τομογραφία με ανακατασκευή Fourier (Ernst) 1976 πρώτη μαγνητική τομογραφία ανθρώπου (Mansfield) 1980 κλινική απεικόνιση ολόκληρου σώματος - Edelstein (~5 min) 1986 μαγνητική τομογραφία με Gradient Echο (~ 5 sec) 1988 μαγνητική αγγειογραφία - Dumoulin 1989 μέθοδος Echo-Planar (~ 30 ms) 1992 απεικόνιση εγκεφαλικής λειτουργίας 1994 απεικόνιση άλλων πυρήνων 129 Xe μαγνητική τομογραφία

36 βασικά στοιχεία μαγνητικής τομογραφίας περιβάλλον ισχυρού ~ T μαγνητικού πεδίου T ( T) παλμός ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (ραδιοκύματα) MHz (4-600 MHz) ανίχνευση ηλεκτρεγερτικής δύναμης μαγνητική τομογραφία

37 πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός αλληλεπίδραση πυρηνικής μαγνητικής ροπής με μαγνητικά πεδία + μαγνητικό πεδίο + ΗΜ

38 συχνότητα συντονισμού ω ω Μ z Μ xy ω ο συχνότητα συντονισμού ω ο = - γ Β ο 1 Η: 13 C: 31 P: συχνότητες συντονισμού σε ΜHz 0.5 T T T μαγνητική τομογραφία

39 επαναφορά μαγνήτισης χρόνος επαναφοράς Τ 2 Τ2 < Τ1 χρόνος επαναφοράς Τ 1 μαγνητική τομογραφία

40 απεικόνιση με βαθμίδωση πεδίων z B o x συχνότητα z B o + B(x) x συχνότητα μαγνητική τομογραφία

41 ιδιαιτερότητες μαγνητικής τομογραφίας μη επεμβατική μέθοδος διακριτική ικανότητα χωρίς θεωρητικά όρια δυνατότητα εκμετάλλευσης βασικής αρχής με πληθώρα με μεθόδων δυνατότητα τομογραφικής απεικόνισης σε οποιοδήποτε προσανατολισμό δυνατότητα άμεσης απεικόνισης στοιχειώδους κυψέλης... μαγνητική τομογραφία

42 χαρακτηριστικά εικόνας αντίθεση εικόνας που εξαρτάται από πυκνότητα πυρήνων χημικό περιβάλλον πυρήνων τοπικά μαγνητικά πεδία χρόνους επαναφοράς θερμοκρασία μακροσκοπική και μικροσκοπική κίνηση μαγνητική τομογραφία

43 εικόνες με παλμοσειρά spin - echo TE = 20 ms TE = 40 ms TE = 60 ms TE = 100 ms TR = 250 ms TR = 500 ms TR = 2000 ms μαγνητική τομογραφία

44 εικόνες με παλμοσειρά inversion recovery TI = 50 ms TI = 100 ms TI = 250 ms TI = 500 ms TI = 750 ms TR 1000 ms 2000 ms μαγνητική τομογραφία Ε. μαγνητική Καλδούδη τομογραφία - ΔΠΘ

45 μαγνητική τομογραφία - απεικόνιση λειτουργίας οπτική διαδικασία ανάκληση πληροφορίας μαγνητική τομογραφία

46 απεικόνιση με χρήση ραδιοϊσοτόπων απεικόνιση της διαφορικής κατανομής ραδιοϊσοτόπων στο ανθρώπινο σώμα απεικόνιση εκπομπής κυρίως απεικόνιση λειτουργίας απεικόνιση με χρήση ραδιοϊσοτόπων

47 ιστορική αναδρομή 1896 ανακάλυψη ραδιενέργειας (H. Becquerel) 1934 παραγωγή του πρώτου τεχνητού ραδιοϊσοτόπου, 32 P (Curie) 1935 εισαγωγή της ιδέας του ιχνηθέτη ραδιενέργειας (Hevesy) 1938 ιχνηθέτες για μελέτη μεταβολισμού πειραματόζωων (Evans) 1950 εφεύρεση της κάμερας Anger (Anger) δ τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίου (PET) 1977 τομογραφία εκπομπής φωτονίου SPECT (Keyes, Jaszczak) απεικόνιση με χρήση ραδιοϊσοτόπων

48 ραδιενέργεια αυθόρμητη διάσπαση πυρήνα ατόμου (ραδιοϊσοτόπου), με αποτέλεσμα: την δημιουργία σταθερού πυρήνα εκπομπή στοιχειωδών σωματίων, ακτίνων γ και έκλυση ενέργειας για την διαγνωστική απεικόνιση χρησιμοποιούνται ραδιοϊσότοπα που εκπέμπουν γ ποζιτρόνιο απεικόνιση με χρήση ραδιοϊσοτόπων

49 απεικόνιση με χρήση ραδιοϊσοτόπων προβολική απεικόνιση εκπεμπόμενων ακτίνων γ τομογραφία εκπεμπόμενων ακτίνων γ τομογραφία με βάση την ταυτόχρονη ανίχνευση φωτονίων από εξαΰλωση ποζιτρονίου ανίχνευση ακτίνων γ απεικόνιση με χρήση ραδιοϊσοτόπων

50 σπινθηριστές και φωτοπολλαπλασιαστές φωτόνια Χ φωτοκάθοδος ΝαΙ(Τl) ηλεκτρόνια 200 V 100 V 400 V 300 V ορατό φως φωτοκάθοδος 1000 V ηλεκτρικό σήμα απεικόνιση με χρήση ραδιοϊσοτόπων

51 προβολική απεικόνιση με ραδιοϊσότοπα φωτοπολλαπλαστές κρύσταλλος κατευθυντήρες brighamrad.harvard.edu απεικόνιση με χρήση ραδιοϊσοτόπων

52 τομογραφία εκπομπής φωτονίου διακριτική ικανότητα mm απεικόνιση με χρήση ραδιοϊσοτόπων

53 τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίου διακριτική ικανότητα 5-10 mm e mm υποδοχείς ντοπαμίνης στον εγκέφαλο 511 kev e + e kev απεικόνιση με χρήση ραδιοϊσοτόπων

54 τομογραφία ηλεκτρικής αντίστασης ερευνητική μέθοδος μικρή χωρική ανάλυση καλή χρονική ανάλυση, ~12 εικόνες το sec χωρίς παρενέργειες χαμηλό κόστος μικρές διαστάσεις απεικονιστικής συσκευής αντίσταση = διαφορά δυναμικού ένταση ρεύματος

55 τομογραφία ηλεκτρικής αντίστασης απεικόνιση γαστρικής λειτουργίας απεικόνιση καρδιακής λειτουργίας μαστογραφία συνεχής απεικόνιση ενδοκοιλιακής αιμορραγίας σε πρόωρα νεογνά έλεγχος θερμοκρασίας ιστών σε θεραπεία με υπερθερμία τομογραφία καρδιάς

56 θερμογραφία απεικόνιση θερμοκρασιακών μεταβολών του σώματος με ανίχνευση υπέρυθρης ακτινοβολίας που εκπέμπεται φυσιολογικά από το σώμα πρώτη κλινική χρήση θερμογραφίας > 10 εικόνες/sec απεικόνιση εμβρύου χωρική ανάλυση 25 mm o C ανάλυση θερμοκρασίας o C διαμόρφωση θερμοκρασίας στα 10 Hz παρακολούθηση αλλαγών σε σχέση με καρδιακό κύκλο παθολογική κυκλοφορία κάτω άκρων

57 διαφανογραφία w2.siemens.de διαφανογραφία μαστού με καρκίνωμα σε 2 διαφορετικές συχνότητες LASER

58 απεικόνιση μαγνητικών πεδίων απεικόνιση μαγνητικών πεδίων που δημιουργούνται κατά την κίνηση ιόντων σε ιστούς, π.χ. νευρικά κύτταρα εγκεφάλου λειτουργική απεικόνιση μαγνητομετρήσεις εγκεφαλικής λειτουργίας και παρουσίασή τους πάνω σε μαγνητικές τομογραφίες ανατομίας εγκεφάλου NEUROMAG-122

59 απεικόνιση με μικροκύματα σκεδαζόμενη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στην περιοχή των μικροκυμάτων MHz

60 ιδανική μέθοδος? ικανότητα να διακρίνει ανατομικές λεπτομέρειες μέχρι και 1nm ικανότητα να καταγράφει λειτουργία τουλάχιστο κάθε 1 ms πεδίο απεικόνισης από 10 nm μέχρι και 1 m χωρίς παρενέργειες και χωρίς επέμβαση χωρίς ανάγκη για σκιαγραφικές ουσίες ικανότητα να απεικονίσει ανατομία και λειτουργία ικανότητα να απεικονίσει όλους τους ιστούς χαμηλό κόστος και εύκολη χρήση

61 βιβλιογραφία T. Doby, G. Alker Origins and Development of Medical Imaging Southern Illinois University Press, 1997 B.H. Kevles Naked to the Bone: Medical Imaging in the Twentieth Century Rutgers University Press, NJ, 1997 K.K. Shung, M.B. Smith, B.M.W. Tsui Principles of Medical Imaging Academic Press, NY, 1992 J.M. Taveras, J.T. Ferrucci Radiology Vol. 1, Physics J.B. Lippincott Company, Philadelphia, 1994 S. Webb (ed) The Physics of Medical Imaging IOP Publishing Ltd., Bristol England, 1988

62 ερωτήσεις

63 cite as Ε. Καλδούδη, Μέθοδοι Ιατρικής Απεικόνισης, Υποδειγματική Διδασκαλία στα πλαίσια Υποψηφιότητας για τη θέση Επίκουρου Καθηγητή ΔΠΘ στην Φυσική Ιατρικής Απεικόνισης Τηλεϊατρική, 8 Δεκεμβρίου 2000