Formação das imagens convencionais e digitais: raios X
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O documento descreve como os raios X são usados em sistemas de imagem médica e como são formadas imagens radiográficas convencionais e digitais. Ele explica como os raios X são produzidos em um tubo de raios X e como interagem com a matéria, resultando em imagens devido à atenuação diferencial dos tecidos. Também descreve os principais componentes de um sistema de raios X e como a radiologia está migrando para sistemas digitais como CR e DR.
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- 1. 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
- 2. Onde se usa raios X? http://www.imagingdomain.com/media/54463.jpg 2
- 3. Motivação Raios X são a base de qualquer sistema de: Radiografia 3
- 4. Motivação Raios X são a base de qualquer sistema de: Radiografia Mamografia 4
- 5. Motivação Raios X são a base de qualquer sistema de: Radiografia Mamografia Fluoroscopia 5
- 6. Motivação Raios X são a base de qualquer sistema de: Radiografia Mamografia Fluoroscopia Tomografia computadorizada 6
- 7. O que é um aparelho de raios X? 7
- 8. “anatomia” aparelho de raios X Cabeçote Tubo de raios X + blindagem 8
- 9. “anatomia” aparelho de raios X Cabeçote Tubo de raios X + blindagem Colimador 9
- 10. “anatomia” aparelho de raios X Cabeçote Tubo de raios X + blindagem Colimador Mesa Posicionamento 10
- 11. “anatomia” aparelho de raios X Cabeçote Tubo de raios X + blindagem Colimador Mesa Estativa Posicionamento 11
- 12. “anatomia” aparelho de raios X Cabeçote Tubo de raios X + blindagem Colimador Mesa Estativa Detectores Bucky + filme ou IP CCD, DRd ou DRi 12
- 13. “anatomia” aparelho de raios X Cabeçote Tubo de raios X + blindagem Colimador Mesa Estativa Detectores Transformadores / retificadores 13
- 16. O que são os raios X? 16
- 17. Ondas eletromagnéticas de alta energia 𝐸 = ℎ. 𝑓 = ℎ. 𝑐 𝜆 17
- 18. 18
- 20. 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. 21
- 22. Sistema de raios X: Gerador + tubo 22
- 24. Circuito do tubo (alta voltagem + retificador) 24
- 25. 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
- 26. 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
- 27. Além disso... Tamanho de campo, Magnificação, Ponto focal, etc... 27
- 28. 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
- 30. 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. 31
- 32. 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
- 33. Espectro resultante O espectro resultante de todas as interações contém: Espectro contínuo: radiação de fretamento (bremsstrahlung) Espectro discreto: radiação característica 33
- 36. Interação dos raios X com a matéria Efeitos fotoelétrico e compton 36
- 37. Interação de raios-X com a matéria 37
- 38. 38
- 39. 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. 40
- 41. 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
- 42. Atenuação 42
- 43. Resumindo, 43
- 45. Panorama da formação de imagens 45
- 47. 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 80 kV B (arcos costais e área cardíaca) 47
- 48. 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 Compton Não interage 120 kV A (parênquima e vasos) 48
- 49. Contraste radiográfico em função da energia 49
- 50. Contraste Radiográfico em função da intensidade 50
- 51. 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
- 53. Dessa maneira, o equipamento de raios-X contém Tubo Grade anti-difusora Sistema de registro de imagens Filme Digital 53
- 55. 55
- 57. Filme Emulsão contendo haletos de prata Cristais pequenos Cristais médios Cristais grandes57
- 58. 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. 59
- 60. Sistela Tela-filme “convencional” Écran Écran Filme radiográfico 60
- 61. Sem tela intensificadora Com tela intensificadora 61
- 62. 62
- 63. Processo fotográfico do filme 63
- 64. 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. 65
- 67. 67
- 68. Fatores que alteram a sensibilidade do filme 68
- 70. Visão geral Serviços de diagnóstico por imagens estão se tornando ambientes digitais 70
- 71. Visão geral Serviços de diagnóstico por imagens estão se tornando ambientes digitais Instrumentações digitais CT e MRI Desenvolvidas a partir de sistemas digitais Ultrassom e Medicina Nuclear a partir de 1970 71
- 72. 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
- 73. 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
- 74. Um sistema de imagem “tem”: Detecção Registro Visualização Análise Comunicação Armazenamento Sistema tela-filme 74
- 75. 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
- 76. 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
- 77. 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
- 78. Sistemas digitais Lança & Silva, 2008 78
- 80. 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
- 81. 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
- 82. Constituição As placas de CR geralmente são BaFBr ou BaFI + Eu para aumentar eficiência de detecção Comumente referidos como fluoreto de bário 82
- 83. 83
- 85. Leitura 1 : O cassete é inserido na unidade de leitura 85
- 86. Leitura 2: A placa é movimentada e “escaneada” por um sistema de laser 86
- 87. Leitura 3: laser estimula a emissão da energia armazenada na placa 87
- 88. Leitura 4: a luz emitida é coletada por um guia de fibra óptica e chega a um TFM 88
- 89. Leitura 4: a luz emitida é coletada por um guia de fibra óptica e chega a um tubo fotomultiplicador (TFM) Powsner & Powsner 89
- 90. em outras palavras... Lança & Silva, 2008 90
- 91. 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
- 92. Sensibilidade Uma das vantagens da CR é a sua resposta Bushberg Lança & Silva, 2008 92
- 93. Sistema tela-filme Sistema digital: Radiologia Computacional (CR) Sub-exposição Super-exposição 93
- 94. Sistemas DR 94
- 95. Desafio: imagem digital de alta resolução http://www.anrad.com/solutions-breast-imaging.htm 95
- 96. CCD CCD – (dispositivo de carga acoplada - charge-coupled device) 96
- 97. CCD Charge coupled devices Mesmo sistema empregado em câmeras digitais PSPs recebem uma imagem analógica que é digitalizada na leitora CCDs já discretizam a imagem em coordenadas espaciais O outro processo de discretização (digitalização) é realizado na intensidade 97
- 98. CCD Charge coupled devices 98
- 99. CCD + tubo intensificador 99
- 100. CCD + tela intensificadora + fibra óptica 100
- 101. CCD + tela intensificadora 101
- 102. Flat pannels “Detectores planos” TFT – (transistor de filme fino - thin-film transistor) 102
- 104. 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”) • Pixel pitch: 85 µm • Superior image quality: high DQE, high MTF, high contrast, high dynamic range • High dynamic range • High patient throughput • Tomosynthesis capability 104
- 106. Leitura Lança & Silva, 2008 106
- 107. Leitura Bushberg Lança & Silva, 2008 107
- 108. Dois tipos DR direto DR indireto 108
- 110. DR – indireto 110
- 112. 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
- 113. 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
- 114. Então qual é a melhor instrumentação digital? 114
- 115. 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
- 116. 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
- 117. 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
- 119. 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
- 120. 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 120