Εισαγωγή στην Ακτινολογία

Εισαγωγή στην Ακτινολογία Ενότητα 1: Ακτινοδιαγνωστικά συστήματα Ποιότητα εικόνας Μαλαταρά Γεωργία Ακτινοφυσικός Msc, PhD ΠΓΝ Πατρών Σχολή Επιστημών Υγείας Τμήμα Ιατρικής

Σκοποί ενότητας Eισαγωγή βασικών εννοιών της ακτινολογίας Περιγραφή των αρχών λειτουργίας ακτινολογικών μηχανημάτων Να εξηγήσει : την δημιουργία ακτινολογικής εικόνας από τη δράση της ακτινοβολίας με την υλη Τους παράγοντες που επηρεάζουν την ποιότητα της ακτινολογικής εικόνας. 2

Περιεχόμενα ενότητας Ακτινογραφική διάταξη Λυχνία Φίλτρο Αντιδιαχυτικό διάφραγμα Κασέτα / φιλμ Ακτινοσκοπική Διάταξη Ενισχυτής εικόνας TV monitor Εμφανιστήριο Χαρακτηριστικά εικόνας Διακριτική ικανότητα Αντίθεση Ασάφεια Θόρυβος Ψηφιακά συστήματα Υπολογιστικός Αξονικός Τομογράφος Είδη Χαρακτηριστικά εικόνας 3

Ακτινογραφική διάταξη Λυχνία Φίλτρο/Σύστημα διαφραγμάτων τράπεζα Θέση αντιδιαχυτικού διαφράγματος/κασέταςφιλμ Projectional radiography - Wikipedia, the free encyclopediaen.wikipedia.org 4

Αέρας (4) 5 Βασικές ακτινολογικές πυκνότητες 1. Λίπος (5) Μαλακά μόρια/υγρό (2) Οστό (3) Μέταλλο (1) 2. 4. 5. 3. http://www.slideshare.net/mathupuji/biomedical-engineering-medical-equipments-mathankumarsvmkvc-salem-tamilnadu 5

Ακτινογραφική διάταξη Λυχνία : εκεί παράγονται οι ακτίνες Χ. Ηλεκτρόνια του νήματος της λυχνίας αλληλεπιδρούν με το υλικό της ανόδου και μέσω του φαινομένου bremsstrahlung παράγονται ακτίνες Χ. www.sprawls.org Φίλτρο : Είναι συνήθως από αλουμίνιο ή χαλκό ή συνδυασμό και των δύο. Διαμορφώνει το φάσμα των ακτίνων Χ. Απορροφά τα φωτόνια χαμηλής ενέργειας μειώνοντας τη δόση στον εξεταζόμενο (τα χαμηλής ενέργειας φωτόνια είναι άχρηστα για την ακτινολογία διότι απορροφώνται από το σώμα και δεν φτάνουν στο φιλμ) Διαφράγματα: καθορίζουν το μέγεθος του πεδίου της ακτινογραφίας και προστατεύουν το υπόλοιπο σώμα από αναίτια ακτινοβόληση Ακτινολογική τράπεζα Αντιδαχυτικό διάφραγμα: κόβει την σκεδαζόμενη ακτινοβολία, που δημιουργεί ασάφεια στην εικόνα, αλλά επειδή κόβει και ένα μέρος της πρωτεύουσας, ο εξεταζόμενος δέχεται περισσότερη ακτινοβολία για να παραχθεί η ίδια αμαύρωση στο φιλμ (άρα αυξάνει τη δόση στον εξεταζόμενο) Ανιχνευτής : μπορεί να είναι ενισχυτική πινακίδα/φιλμ ή ψηφιακός (flat panel) 6

Ακτινολογική λυχνία http://panacea.med.uoa.gr/topic.aspx?id=924 7

Άνοδος Βολφραμίου (αλληλεπίδραση ηλεκτρονίων με το υλικό της ανόδου παράγει πολυενεργειακή δέσμη ακτίνων Χ) 1. Ο δακτύλιος που γίνεται η πρόσπτωση των ηλεκτρονίων που προέρχονται από το νήμα της καθόδου 2. Αλλοιώσεις που έχουν δημιουργηθεί λόγω υψηλής θερμοκρασίας. http://panacea.med.uoa.gr/topic.aspx?id=924 8

Κάθοδος Μεγάλη εστία Μικρή εστία Το νήμα της καθόδου καθορίζει το μέγεθος της εστίας (περιοχή όπου προσπίπτουν τα ηλεκτρόνια πάνω στην άνοδο) Μικρή εστία: βελτιώνει τη διακριτική ικανότητα της εικόνας γιατί μειώνει την γεωμετρική ασάφεια (διακριτική ικανότητα: είναι η ικανότητα να διακρίνουμε πολύ μικρές δομές και να διαχωρίζουμε πολύ γειτονικές δομές ) https://rpop.iaea.org http://www.3dmobilescan.com/for-patients/technology/ 9

Φάσμα ακτίνων Χ Παράγοντες που διαμορφώνουν το φάσμα Υλικό της ανόδου (βολφράμιο, μολυβδένιο κλπ) Ρεύμα (ma) αυξάνει τον αριθμό των φωτονίων ανά ενέργεια (αλλάζει το ύψος του φάσματος) Tάση (kv) αλλάζει την μέγιστη ενέργεια των φωτονίων και αυξάνει και τον αριθμό των παραγόμενων φωτονίων Φίλτρο ( αλουμίνιο, μολυβδένιο, ρόδιο, χαλκός κλπ) κόβει τα φωτόνια χαμηλής ενέργειας http://www.slideshare.net/lidgor/xray-beam presentation 10

Αλληλεπίδραση ακτίνων Χ με ύλη Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο (φαινόμενο απορρόφησης) κυριαρχεί στα χαμηλά kv, δεν δίνει σκεδαζόμενη ακτινοβολία, αυξάνει τη δόση στον εξεταζόμενο, βελτιώνει την αντίθεση γιατί εξαρτάται ισχυρά από το Ζ των υλικών Φαινόμενο Compton (φαινόμενο σκέδασης) κυριαρχεί στα υψηλά kv, παράγει σκεδαζόμενη ακτινοβολία, αυξάνει την ασάφεια στην εικόνα. Δεν βελτιώνει την αντίθεση γιατί δεν εξαρτάται από το Ζ των υλικών 11

Ποιότητα εικόνας Αντίθεση Ασάφεια Ποιότητα Εικόνας Παραμόρφωση/ ψευδοεικόνες Θόρυβος 12

Αντίθεση Η αντίθεση είναι σημαντική για την διάγνωση ανωμαλιών με μικρή διαφορά πυκνότητας από τους γειτονικούς ιστούς Η αντίθεση της εικόνας επιτυγχάνεται με τη σωστή επιλογή των kvp Χαμηλά kvp (φωτοηλεκτρικό φαινόμενο) υψηλή αντίθεση Υψηλά kvp (φαινόμενο compton) χαμηλή αντίθεση Προσοχή!!! Χαμηλά kvp μικρή διεισδυτικότητα δέσμης άρα χρειάζονται περισσότερα φωτόνια (mas) για σωστή αμαύρωση του φιλμ ο εξεταζόμενος επιβαρύνεται με υψηλότερη δόση Τεχνική υψηλής αντίθεσης χρησιμοποιείται στην μαστογραφία (25-28kVp) Τεχνική χαμηλής αντίθεσης χρησιμοποιείται στην ακτινογραφία θώρακα (>100kVp) 13

Επιλογή στοιχείων ακτινογραφίας (1) Η τιμή της τάσης (kv) έχει επίδραση στην σκληρότητα της δέσμης (ποιότητα δέσμης). Υψηλά kv σκληρή δέσμη. Η επιλογή των kv πρέπει να σχετίζονται με την ιατρική ερώτηση: Ποια είναι η ανατομική δομή για διερεύνηση; Τι επίπεδο αντίθεσης απαιτείται; Ποιό είναι το πάχος της προς εξέταση δομής; Για μια εξέταση θώρακος: 130-150 kv είναι κατάλληλα για την απεικόνιση της δομής του πνεύμονα. μεγάλο πάχος άρα χρειαζόμαστε διεισδυτική δέσμη άρα υψηλά kv άρα έχουμε φαινόμενο compton χαμηλή δόση μικρή αντίθεση. Ο θώρακας όμως έχει ανατομικές δομές που έχουν αντίθεση όπως πνεύμονας-οστάιστός μαλακών μορίων. Ενώ μόνο 65 kv είναι απαραίτητα να δούμε τη δομή των οστών. 14

Χαμηλά kv-υψηλή αντίθεση-χαμηλή διεισδυτικότητα Υψηλότερα kv-καλύτερη απεικόνιση μαλακών ιστών βελτίωση της διεισδυτικότητας 15

Επιλογή στοιχείων ακτινογραφίας (2) Όσο υψηλότερη είναι η ενέργεια (kv), τόσο μεγαλύτερη είναι η διεισδυτικότητα των ακτίνων Χ Σε πολύ υψηλά επίπεδα ενέργειας (kv), η διαφορά (αντίθεση) μεταξύ των οστών και των μαλακών ιστών μειώνεται. Αντίθεση εικόνας μπορεί να ενισχυθεί από την επιλογή χαμηλότερων kvp ώστε να αυξηθούν οι φωτοηλεκτρικές αλληλεπιδράσεις. Υψηλά kvp απαιτούνται όταν η αντίθεση του αντικειμένου είναι υψηλή (θώρακας) 16

Επιλογή στοιχείων ακτινογραφίας (3) Τα mας (ρεύμα * χρόνος) καθορίζουν την ποσότητα των ακτίνων Χ Η αμαύρωση του φίλμ είναι ευθέως ανάλογη με τα mαs Αν το φιλμ είναι πάρα πολύ "λευκό", αυξάνοντας τα mas θα αυξηθεί η οπτική πυκνότητα (θα μαυρίσει). 17

Διεισδυτικότητα των ακτινών Χ στους ανθρώπινους ιστούς 60 kv - 50 mas 70 kv - 50 mas 80 kv - 50 mas https://rpop.iaea.org/rpop/rpop/content/additionalresources/training/1_trainingmaterial/radiology.htm 18

Σκιαγραφικά Η φύση παρέχει περιορισμένη αντίθεση στο σώμα. Τα σκιαγραφικά συχνά χρησιμοποιούνται για την επίτευξη αντίθεσης όταν η φυσική αντίθεση λείπει (ιώδιο, βάριο). Ο σκοπός είναι το όργανο να δώσει αμαύρωση διαφορετική από τους γύρω ιστούς και να γίνει ορατό. 19

Ψευδοεικόνες http://radiopaedia.org/articles/x-ray-artifacts 20

Γεωμετρική ασάφεια Ασάφεια κίνησης Βελτίωση: 1. Μικρό μέγεθος εστίας 2. Μεγάλη απόσταση εστίας εξεταζομένου 3. Μικρή απόσταση εξεταζομένου φίλμ Ασάφεια Βελτίωση: 1. Ακινητοποίηση (μικρά παιδιά) 2. Μικρός χρόνος έκθεσης (κίνηση αναπνοής) 3. Χρήση μεγάλης εστίας Ασάφεια αντικειμένου http://www.3dmobilescan.com/for-patients/technology/ 21

Θόρυβος δομής Θόρυβος Η παρουσία ανατομικών δομών στην εικόνα οι οποίες δεν συνεισφέρουν στη διάγνωση. Η προβολή των οστών του θώρακα εμποδίζει την πλήρη απεικόνιση των πνευμόνων. Η προβολή των οστών της σπ. στήλης και της λεκάνης επικαλύπτει δομές σε μια α/γ άνω κάτω κοιλίας http://www.sprawls.org/resources/imgchar/module/ 22

Κβαντικός Θόρυβος Θόρυβος στατιστικού χαρακτήρα. Θόρυβος Για να σχηματιστεί αποδεκτή ακτινολογική εικόνα απαιτείται ένα ελάχιστο πλήθος φωτονίων. Αν το πλήθος είναι μικρότερο τότε η εικόνα θα εμφανίζεται «κοκκώδεις» http://www.sprawls.org/resources/imgchar/module/ Ο κβαντικός θόρυβος μειώνεται με αύξηση των mas (αυξάνονται τα φωτόνια που συμμετέχουν στη δημιουργία της εικόνας) 23

Αντιδιαχυτικό διάφραγμα Κόβει τη σκεδαζόμενη ακτινοβολία. Αυξάνει τη δόση στον εξεταζόμενο Χωρίς αντιδιαχυτικό διάφραγμα Με αντιδιαχυτικό διάφραγμα http://digitalradiographysolutions.com/grid-cut-off-with-dr-cr/ 24

Αντιδιαχυτικό διάφραγμα http://www.upstate.edu/radiology/education/rsna/radiography/scattergrid.php 25

Συστήματα καταγραφής 1. Σύστημα ενισχυτικής πινακίδας φιλμ 2. CR (computed radiography) έμμεση ψηφιοποίηση 3. DR (digital radiography) άμεση ψηφιοποίηση http://radiologicalhealth.blogspot.gr/2012/02/x-ray-cassette.html Η ενισχυτική πινακίδα εκπέμπει πολλαπλάσια φωτόνια ορατού φωτός που αμαυρώνουν το φιλμ Μειώνει τη δόση του ασθενούς 50 φορές Απαιτούνται μικρότεροι χρόνοι έκθεσης => Μείωση της ασάφειας κίνησης του ασθενούς 26

Optical Density. Πλεονεκτήματα Ψηφιακής Τεχνολογίας Δυναμικό Εύρος Χαρακτηριστική Καμπύλη : Ενισχυτική πινακίδα - Film Contrast Low High Κλίμακα Δυναμικού Εύρους ~ 25 100 : 1 Very Low Low Med. High Log Relative Exposure http://slideplayer.gr/slide/2033083/ 27

Log Signal. Πλεονεκτήματα Ψηφιακής Τεχνολογίας Δυναμικό Εύρος Χαρακτηριστική Καμπύλη Ψηφιακού Ανιχνευτή Electronic Dynamic Range ~ 3000 10,000 : 1 Log Relative Exposure http://slideplayer.gr/slide/2033083/ 28

ΑΚΤΙΝΟΣΚΟΠΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ Καταγραφικά μέσα Μετατρέπει την x ray εικόνα σε εικόνα ορατού φωτός και πολλαπλασιάζει την λαμπρότητα του ειδώλου 10000 φορές. Διάμετρος πεδίου 10-15cm για άκρα, 40cm για κοιλιά και περιφερικά αγγεία. Ελαττώνει τη σκευαζόμενη αλλά αυξάνει τη δόση κατά 50%. Δεν είναι απαραίτητο όταν είναι αρκετή η απόσταση ενισχυτή εξεταζόμενου Ιδανικά από ίνες άνθρακα. Να έχει χαμηλή απορρόφηση. Επηρεάζει την αντίθεση της εικόνας, και την υπερφόρτωση της λυχνίας ( 0.1-0.3 mm Cu ελαττώνει τη δόση κατά 30-50%) Κυκλική ίριδα και ορθογώνια. Μειώνουν την σκευαζόμενη βελτιώνοντας την αντίθεση. Μειώνουν τη δόση στον εξεταζόμενο. X ray tube: μέγεθος εστίας 0.3-0.6 small 1.0-1.2mm large. http://www.hausted.com/ 29

ΑΚΤΙΝΟΣΚΟΠΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ bookcoverimgs.com 30

FLAT PANEL vs Ενισχυτή εικόνας Δεν παρουσιάζει: Παραμόρφωση εικόνας Ανομοιομορφία στην φωτεινότητα Έχει μεγάλο εύρος Διαθέτει τετράγωνο πεδίο και πλήρη κατάληψη του monitor Pediatr Radiol. 2006 Sep; 36(Suppl 2): 173 181.Flat-panel detectors: how much better are they? J. Anthony Seibert 31

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η Τεχνολογία Ψηφιακού Ανιχνευτή φέρνει ριζικές αλλαγές στην απεικόνιση X-ray Αντικατάσταση Film : Όχι αναλώσιμα (films, chemicals) Όχι αποθήκευση κασετών Όχι χρόνος εμφάνισης φιλμ Ίδια ή καλύτερη ποιότητα σε λίγα δευτερόλεπτα Αντικατάσταση Ενισχυτή Εικόνας: Όχι παραμόρφωση στην εικόνα Μεγάλο Πεδίο εξέτασης Καταλαμβάνει μικρότερο χώρο και έχει καλύτερη πρόσβαση στον εξεταζόμενο. 32

Υπολογιστικός Αξονικός Τομογράφος physicscentral.com Η «καρδιά» του συστήματος αποτελείται από ειδική διάταξη σε σχήμα «δακτυλιδιού» (ικρίωμα /gantry) όπου βρίσκεται η λυχνία παραγωγής ακτίνων Χ, ενώ αντιδιαμετρικά βρίσκονται τοποθετημένοι οι ανιχνευτές. Οι τελευταίοι, μετρούν την ποσότητα των ακτίνων Χ που διαπερνούν το σώμα, το οποίο βρίσκεται σε μετακινούμενη τράπεζα, συλλέγοντας τεράστιο όγκο δεδομένων, που έπειτα τον μετατρέπουν σε εικόνα. Στη συνέχεια, την αλληλουχία των εικόνων που αποτελούν πια τη συνολική μας εξέταση, μπορούμε να εκτυπώσουμε σε ειδικό φιλμ ή να την μελετήσουμε σε οποιαδήποτε οθόνη υπολογιστή. 33

Ιστορική εξέλιξη αξονικών τομογράφων www.ct-scan-info.com 34

Ο αξονικός τομογράφος είναι μια ακτινολογική διάταξη που απεικονίζει εγκάρσιες τομές του σώματος www.archbronconeumol.org 35

Πώς παράγεται η εικόνα? How Does CT Work? CT Scan...www.imaginis.com 36

Οι ανιχνευτές μετρούν την εξασθενημένη δέσμη ακτίνων Χ και υπολογίζεται από κάθε ακτίνα ο συντελεστής εξασθένησης μ ο οποίος αντιπροσωπεύεται στην εικόνα με μια απόχρωση του γκρι. http://www.impactscan.org/slides/ukrc2007/talk02/ukrc07_b.pdf Η απόχρωση του γκρι αντιστοιχεί σε μια αριθμητική πληροφορία που καταγράφεται σε κάθε pixel μιας εικόνας CT. Έχει σχέση με τη σύνθεση και τη φύση του ιστού που απεικονίζεται και χρησιμοποιείται για να δώσει πληροφορίες για την πυκνότητα του ιστού. Η αριθμητική τιμή λέγεται CT number ή Hounsfield unit. 37

HOUNSFIELD UNIT Δίνεται από την ακόλουθη σχέση Παίρνει τιμές: οστά 1000 Ήπαρ 40 60 Φαιά ουσία ~ 37-45 HU αίμα 40 Μυών 10-40 Νεφρού 30 Εγκεφαλονωτιαίο υγρό 15 νερό 0 Λίπος -50 έως 100 Αέρας -1000 38

Τεχνική παραθύρου window/level http://www.impactscan.org/slides/ukrc2007/talk02/ukrc07_b.pdf Η τιμή του WL δείχνει την μέση τιμή των HU που θέλουμε να απεικονίζονται ενώ το WW είναι το εύρος των HU που θέλουμε να απεικονίζονται. Στην πρώτη εικόνα απεικονίζονται τα HU από -593+529/2 έως -593-529/2 (WL=-593 WW=529). Στην δεύτερη εικόνα από -12+200 έως -12-200 (WL=-12, WW=400) 39

Παράγοντες του χρήστη που επηρεάζουν τη δόση Η τάση της λυχνίας (kv) Το ρεύμα της λυχνίας (ma) Η μετακίνηση της εξεταστικής τράπεζας σε σχέση με το πάχος τομής (pitch) Χρόνος έκθεσης (sec) Μήκος της ακτινοβολούμενης περιοχής 40

Τάση Δόση Η δόση αυξάνεται με την αύξηση της τάσης όταν διατηρούμε τις άλλες παραμέτρους σταθερές (mas, pitch). Όταν αυξάνεται η τάση αλλά μειώσουμε τα mas έτσι ώστε να έχουμε την ίδια ποιότητα εικόνας τότε μειώνουμε την δόση στον εξεταζόμενο 41

mas Δόση Η Δόση είναι ανάλογη των mas Μειώνοντας τα mas αυξάνεται ο θόρυβος της εικόνας http://www.impactscan.org/slides/ukrc2007/talk02/ukrc07_b.pdf 42

Μείωση των mas Για μείωση του πάχους του εξεταζόμενου κατά 10cm η μείωση των mas στο ½ δεν θα επηρεάσει την ποιότητα της εικόνας αλλά θα ελαττώσει τη δόση στον εξεταζόμενο στο ½. 43

Πάχος τομής και ποιότητα εικόνας http://www.impactscan.org/slides/ukrc2007/talk02/ukrc07_b.pdf Το μικρό πάχος τομής βελτιώνει την αντίθεση και αυξάνει τον θόρυβο Το πάχος τομής δεν επηρεάζει άμεσα τη δόση. Αν όμως έχουμε θόρυβο λόγω μικρού πάχους τομής αναγκαζόμαστε να αυξήσουμε τα mas άρα αυξάνουμε τη δόση. 44

Λεπτό πάχος τομής βελτίωση αντίθεσης http://www.impactscan.org/slides/ukrc2007/talk02/u krc07_b.pdf αύξηση θορύβου 45

Βιβλιογραφία Projectional radiography - Wikipedia, the free encyclopediaen.wikipedia.org http://www.slideshare.net/mathupuji/biomedical-engineering-medical-equipments-mathankumars-vmkvc-salemtamilnadu www.sprawls.org http://panacea.med.uoa.gr/topic.aspx?id=924 https://rpop.iaea.org http://www.3dmobilescan.com/for-patients/technology/ http://www.slideshare.net/lidgor/xray-beam presentation http://www.xray2000.co.uk/ https://rpop.iaea.org/rpop/rpop/content/additionalresources/training/1_trainingmaterial/radiology.htm http://radiopaedia.org/articles/x-ray-artifacts http://www.3dmobilescan.com/for-patients/technology/ http://www.sprawls.org/resources/imgchar/module/ 46

http://www.sprawls.org/resources/imgchar/module/ http://digitalradiographysolutions.com/grid-cut-off-with-dr-cr/ http://www.upstate.edu/radiology/education/rsna/radiography/scattergrid.php http://radiologicalhealth.blogspot.gr/2012/02/x-ray-cassette.html http://slideplayer.gr/slide/2033083/ http://www.hausted.com/ bookcoverimgs.com Pediatr Radiol. 2006 Sep; 36(Suppl 2): 173 181.Flat-panel detectors: how much better are they? J. Anthony Seibert physicscentral.com www.ct-scan-info.com www.archbronconeumol.org How Does CT Work? CT Scan...www.imaginis.com http://www.impactscan.org/slides/ukrc2007/talk02/ukrc07_b.pdf 47

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. [1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ 48

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Πατρών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 49

Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιον Πατρών, Μαλαταρά Γεωργία. «Εισαγωγή στην Ακτινολογία. Ακτινοδιαγνωστικά συστήματα Ποιότητα εικόνας». Έκδοση: 1.0. Πάτρα 2015. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: σύνδεσμο μαθήματος. 50