Wybrane metody diagnostyki obrazowej Seminarium 4 2014/15

1. Histogram obrazu

Cyfrowa obróbka obrazów Histogram obrazu Histogram obrazu zapisanego w skalach szarości to wykres zależności liczby punktów przyjmujących kolejne stopnie szarości od stopnia szarości.

Zmiana kontrastu

Zmiana jasności

2. Widmo promieniowania lampy rentgenowskiej

Lampa rentgenowska

Wytwarzanie promieniowania X Elektrony docierające do anody oddziałują z atomami anody w dwóch procesach: Wybijanie elektronów z wewnętrznych powłok atomowych (na miejsce wybitych elektronów wskakują elektrony z wyższych powłok oddając energię w formie promieniowania X) Hamowanie w polu elektrycznym jądra (elektrony w polu elektrycznym jądra są odchylane i spowalniane, tracona energia jest emitowana w formie promieniowania X)

Elektron wysokoenergetyczny

Widmo promieniowania hamowania

Energia fotonów [keV] Widmo promieniowania Usunięte charakterystycznego Usunięte przez filtr Energia fotonów [keV]

Filtrowanie widma lampy

3. Dobór parametrów badania rentgenowskiego

Wydajność detekcji η – wydajność detekcji I0 – promieniowanie padające na błonę Ir – promieniowanie zarejestrowane

Dobór parametrów pracy lampy RTG kVp (napięcie anodowe – energia wiązki) Filtr (widmo lampy, energia wiązki) Ekspozycja - ładunek (mAs)

Dobór kVp

Dobór kVp

Dobór kVp Z malejącą energią fotonów promieniowania rośnie absorpcja i zwiększa się kontrast pomiędzy tkankami, ale rośnie dawka.

Dobór kVp   60 keV 150 keV

Dobór ładunku Badane struktury są umieszczone wewnątrz większego obiektu  krążki Al (Zeff = 13) umieszczone wewnątrz klina z materiału tkanko-podobnego (Zeff = ~7.5)

4. Krzywa charakterystyczna detektora promieniowania X na przykładzie błony rentgenowskiej i płytki obrazującej

Krzywa charakterystyczna

(płytka obrazująca, płyta pamięciowa) Image plate (płytka obrazująca, płyta pamięciowa) Cyfrowe płyty pamięciowe działają w oparciu o halogenki baru aktywowane europem (np. fluoro bromek baru aktywowany europem BaFBr:Eu). Zastępują w rentgenodiagnostyce układ błona RTG – folia wzmacniająca. Promieniowanie X przechodząc przez płytę pamięciową wybija elektrony z tzw. centrów luminescencji (np. atom Eu). Elektrony te są więzione w zaburzeniach sieci krystalicznej np. w miejscu w którym brakuje atomu bromu, aż do momentu oddziaływania fali elektromagnetycznej o odpowiedniej długości. Powrót elektronów do stanu sprzed naświetlenia płytki pamięciowej promieniowaniem X związany jest emisją światła. Obraz utajony jest odczytywany przy pomocy lasera. Wiązka lasera oświetla płytę punkt po punkcie wymuszając powrót elektronów do centrów luminescencji. Mierzy się intensywność emitowanego światła. Po odczytaniu płyta jest gotowa do ponownego użytku.

Image plate

Ocena zdolności rozdzielczej w rentgenografii Ocenę zdolności rozdzielczej w rentgenodiagnostyce wykonuje się w oparciu o fantomy. Są to płytki wykonane z tworzywa sztucznego o niskim współczynniki osłabienia promieniowania X z naniesionymi ołowianymi paskami o różnym zagęszczeniu. Określa się maksymalne zagęszczenie, dla którego paski ołowiane na obrazie rentgenowskim są widoczne jako rozróżnialne. Zdolność rozdzielczą określa się jako liczbę linii (albo par linii) fantomu.

5. Zasada działania i budowa skanera w spiralnej, wielorzędowej tomografii komputerowej

Tomografia komputerowa (TK)

Liczba pomiarów: 20 Liczba niewiadomych: 100

Sekwencyjna / spiralna TK

Wielorzędowa TK

Tomografia komputerowa mierzymy rozkład liniowego współczynnika osłabienia promieniowania X (m  ) gęstość wyrażana jest w jednostkach względnych (HU - Hounsfield Units) dawka promieniowania jonizującego równa jest dawce otrzymywanej w kilku(nastu) standardowych badaniach RTG energie stosowane w TK: 80 - 140 keV czas obrotu lampy wokół pacjenta: ~ 0.5 s czas skanowania w spiralnej TK: ~ 20 s

6. Metody prezentacji obrazu w tomografii komputerowej

Jednostki Hounsfield’a Tkanka HU Kość 1000 Wątroba 40 ÷ 60 Istota biała 46 Istota szara 43 Krew 40 Mięśnie 10 ÷ 40 Nerki 30 Płyn mózgowo-rdzeniowy 15 Woda Tkanka tłuszczowa -100 ÷ -50 Powietrze -1000

Okno tomograficzne Szeroki zakres zmienności HU wymaga stosowania co najmniej 11 bitów w opisie obrazu tomograficznego (zwykle 12 bitów - 4096 możliwych, różnych wartości HU) Ze względu na ograniczenia oka ludzkiego pod względem rozróżniania odcieni szarości monitory komputerowe posługują się skalą 8 bitową (256 stopni) Przeskalowanie liniowe skali Hounsfield’a na skalę szarości powoduje, że subtelne różnice (np. pomiędzy istotą szarą i istotą białą nie mogą być rozróżniane) Z w/w powodów stosuje się tzw. okno tomograficzne

Okno tomograficzne

7. Budowa i zasada działania gamma-kamery

Budowa gamma - kamery

Obrazowanie kośćca w scyntygrafii

8. Tomografia PET, CT/PET i SPECT

Tomografia SPECT Gamma-kamera obraca się wokół pacjenta

Zasada SPECT

Tomografia PET Zjawisko anihilacji par Anihilacja pary elektron-pozyton

Tomografia PET - radiofarmaceutyki Znaczniki pozytonowe wbudowane w możliwie proste radiofarmaceutyki np. H215O, 13NH3, 11CO, 11CO2 Emax T1/2 11C - 1,0 MeV 20,4 min 13N - 1,2 MeV 9,97 min 15O - 1,7 MeV 2,1 min 18F - 0,6 MeV 109,8 min Radiofarmaceutyk FDG zawierający 18F

PET/CT

Obrazowanie mózgu w PET

Badanie przewodu pokarmowego Obrazowanie PET Badanie przewodu pokarmowego i układu moczowego Zakład Biofizyki CM UJ

9. Zasada działania i budowa tomografu rezonansu magnetycznego

Tomografia RM Tomografia rezonansu magnetycznego = tomografia magnetycznego rezonansu jądrowego Wykorzystuje się fakt posiadania niezerowego momentu magnetycznego przez jądra 1H

B0 0.15-3T Częstotliwość rezonansowa zależy od natężenia pola magnetycznego w którym znajduje się próbka. Jeśli na pole B0 nałożymy pole magnetyczne, którego natężenie zmienia się liniowo wzdłuż osi Z (pole gradientowe), to tylko dla jednej płaszczyzny spełniony będzie warunek rezonansu. W ten sposób można wybrać płaszczyznę, ktorą chcemy zobrazować.

Nakładając pola gradientowe w pozostałych kierunkach można wybrać punkt przestrzeni, z którego będzie pochodził sygnał rezonansowy.

10. Metody prezentacji obrazu w tomografii rezonansu magnetycznego

11. Kodowanie informacji o przepływach i pomiar prędkości przepływu w ultrasonografii dopplerowskiej

Ultrasonografia Dopplerowska

Metody obrazowania w ultrasonografii dopplerowskiej Metoda fali ciągłej (cwD – continious wave Doppler) Metoda fali impulsowej (pwD – pulse wave Doppler)

Aparat ultrasonograficzny z opcją pomiarów dopplerowskich nakłada na obraz w prezentacji B informację o prędkości przepływu w postaci koloru. Kolor może kodować informację o wartości prędkości i kierunku przepływu (Color Doppler) (czerwony – do sondy, niebieski od sondy), albo jedynie o wartości prędkości (Power Doppler). W trybie pulsed wave Doppler możliwy jest pomiar prędkości dla wybranego miejsca na obrazie. Wymaga to określenia położenia tego miejsca (bramka) i ręcznego określenia kierunku przepływu krwi.

Color Doppler

Power Doppler

12. Zastosowanie środków cieniujących w diagnostyce obrazowej

Środki kontrastowe Środki kontrastowe (kontrasty, środki cieniujące) stosowane są w rożnych technikach diagnostyki obrazowej. Ich wybór musi uwzględniać fizykę metody diagnostycznej. Zastosowanie kontrastu musi prowadzić do modyfikacji cechy fizycznej tkanki (najczęściej krwi) istotnej z punktu widzenia danej metody.

Środki kontrastowe - RTG W rentgenografii zastosowanie środków kontrastowych ma najdłuższą tradycję i jest najpowszechniejsze. Środki kontrastujące w rentgenografii mają na celu zwiększenie współczynnika osłabienia promieniowania X badanej tkanki, najczęściej krwi. Z tego powodu powinny zawierać pierwiastki o możliwie największej liczbie atomowej. Stosuje się środki na bazie jodu. Związki jodowe nie są zbyt bezpieczne dla pacjentów i dlatego ostatnio wprowadza się nowe generacje środków kontrastowych tzw. niejonowych.

Środki kontrastowe - RTG W przypadku badania układu krwionośnego i moczowego środki kontrastowe podaje się dożylnie, niekiedy dotętniczo. Dokładna lokalizacja zależy od rodzaju badania. Przykładowo, znane są techniki w których kontrast podaje się cewnikiem w miejsce badania. Przy pomocy kontrastów można badać również układ pokarmowy. Podaje się je wtedy doustnie (siarczan baru – baryt) W badaniu płuc stosuje się technikę polegającą na poprawie kontrastu tkanki płucnej nie poprzez podanie środka cieniującego, ale poprzez głęboki wdech. Powietrze wypełniające płuca obniża ich średni współczynnik osłabienia przez co łatwiej je różnicować w stosunku do otaczających tkanek.

Środki kontrastowe - TK W tomografii komputerowej stosowane są podobne środki cieniujące i techniki ich stosowania jak w rentgenografii, ponieważ tomografia komputerowa działa z zastosowaniem promieniowania rentgenowskiego.

Środki kontrastowe - TRM Środki cieniujące stosowane w tomografii rezonansu magnetycznego muszą wpływać na zachowanie się spinów jądrowych w polu magnetycznym. Jest to możliwe, ponieważ lokalne pole magnetyczne jakie odczuwa jądro atomowe zależy od konfiguracji powłok atomu, a to zależy z kolei od składu chemicznego. W TRM stosuje się podawane dożylnie środki cieniujące na bazie gadolinu, manganu, dysprozjum i żelaza. Powodują one zmianę tzw. czasów relaksacji podłużnej i poprzecznej. Dzięki temu tkanki zawierające kontrast różnią się od tych, które go nie zawierają.

Środki kontrastowe - USG Kontrasty stosowane w ultrasonografii zmieniają własności tkanek pod względem oddziaływania z wiązką ultradźwiękową. Środki cieniujące w ultrasonografii to mikorpęcherzyki gazu zamknięte w otoczkach albuminowych. Podaje się je dożylnie. W badaniach tego typu stosuje się aparaty USG emitujące wiązkę o większej mocy niż w przypadku normalnych badań. Wiązka wprowadza pęcherzyki gazu w drgania i rozrywa otoczki albuminowe. Poza rozpraszaniem wiązki na pęcherzykach gazu wzmacnia się efekty nieliniowe przez co łatwiejsze jest obrazowanie z zastosowaniem wyższych harmonicznych.