Instrumentação em Imagiologia Médica

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Instrumentação em Imagiologia

Médica

Módulo 3. Imagiologia com Raios-X

Parte I. Radiografia

Leccionado por Vitaly Chepel,

Departamento de Física, Universidade de Coimbra

Ano lectivo 2010-2011

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Radiações ionizantes e não ionizantes

Radiação ionizante – a que tem energia suficiente para ionizar o meio

Escala de energias: >~10eV (por exemplo, 13.6 eV - potencial de ionização do átomo de hidrogénio)

Raios-X e raios gama usados em imagiologia médica: E ~ 50 keV a 500 keV
são radiações ionizantes

Exemplos de radiações electromagnéticas não ionizantes: • Luz visível

• Infravermelhos • Microondas • Ondas de rádio

Os ultra-sons (ondas acústicas) e RMN (campo magnético) não produzem a ionização

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Ionização e excitação

ion

ex

I

I

<

excitação ionização

Radiação ionizante também pode excitar os átomos

∗

→

+

energia

A

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Raios-X e Raios

γ

Ambos são ondas electromagnéticas (fotões)

A escala de energias:

Raios-X: de ~1 keV até ~200 keV

Raios

γ

: de ~100 keV até ~1 MeV (em medicina) ou até

∞

(em física)

A diferênça não está na energia dos fotões mas sim nos processos físicos que estão na origem desses:

Os raios X são de origem atómica; são emitidos: pelas partículas carregadas sujeitas a aceleração

em resultado de transições entre os níveis de um átomo (em semelhança com transições ópticas, mas com energia muito superior)

Os raios

γγγγ

são de origem nuclear: são emitidas em resultado de transições entre diferentes níveis de energia de um núcleo – i.e. em resultado de um decaimento radioactivo

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Descoberta dos raios-X

Wilhelm Conrad Roentgen em 1895 ao estudar os raios catódicos observou que existia uma

luz fraca a ser emitida pela cartolina em que embrulhou a ampola. Isto levou a descoberta de:

Raios-X

Uma substância que emite luz visivel sob acção dos raios-X (i.e. ecrã fluorescente)

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Dois mecanismos de produção

de Raios-X

IIM 2010-2011

Bremsstrahlung

Em Alemão: bremsen - "to brake“ Strahlung - "radiation“

≈ braking radiation, deceleration radiation, stopping radiation

≈ radiação devida a desaceleração (aceleração), radiação de travagem

Transições atómicas

K_a K_b

(também: Raios-X Características)

Emissor – partícula acelerada

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Bremsstrahlung

Electromagnetismo: uma

carga acelerada emite

ondas electromagnéticas

e

-2 0

4

1

mr

e

Z

e

m

F

a

=

c

=

⋅

⋅

eff

πε

Aceleração: F_c – força de Coulomb e – carga do elementar m - massa do electrão

Z_effe – carga efectiva do átomo (i.e.a carga “vista” pelo electrão)

Átomo electrão

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Bremsstrahlung - 2

6 2 2 0

6

π

γ

µ

a

e

c

P

=

Potência emitida por uma partícula de carga

e

a mover-se com uma aceleração

a

:

onde ₂

mc

E

=

γ

−6

∝ m

P

O efeito é mais significativo para as partículas leves (electrões e positrões)

IIM 2010-2011

Bremsstrahlung é radiação electromagnética (raios X) emitida no processo de

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Espectro de Bremsstrahlung

Espectro de energia dos fotões emitidos neste processo:

0

0

,

1

E

E

E

dE

dn

≤

<

∝

(E0 – energia do electrão)

Na medida que o electrão perde a energia o espectro de fotões torna-se mais “soft”

e -0

E

1

E

E

₂

0

dE

dn

E

0

E

1

E

2

E

soma

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Raios-X característicos

Ionização

e

Uma vacância livre

e e

K

_a

K

_b Transição com emissão de um fotão

K

_a

K

_b E Espectro de energia dos fotões IIM 2010-2011

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Ampola de Raios-X

vácuo

Água para arrefecer o ânodo (A)

Potencial de aceleração de electrões U_a ≈ 10 – 100 kV Energia de electrões incidentes ao ânodo

E

₀

=

eU

_a

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Ampolas com ânodo rotativo

A temperatura do ânodo pode atingir ~1000ºC

Potência tipicamente P ~ 10 – 100 kW

Bremsstrahlung não é o único processo resultante da interacção de

electrões com o ânodo.

Outros processos no ânodo:

ionização e exitação dos átomos pelo electrões

absorção de raios-X no ânodo Calor (99% da energia_{dos electrões)}

Ânodo rotativo

Raios X Cátodo

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Espectro real

E

Absorção no ânodo e na janela Raios-X característicos do tungstâneo

K_b K_a

Espectro da bremsstrahlung

Espectro real = contínuo de Bremsstrahlung

+ linhas dos raios-X característicos - absorção no ânodo e na janela

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Exame radiológico

O sinal = atenuação do fluxo de raios X, emitidos pela ampôla, no corpo do paciente

Observação (detecção) do sinal = conversão de raios X que atravessaram o corpo ao luz visível (seja quais forem os passos intermédios esse é o

objectivo final – uma imagem visível)

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Interacção dos raios X com a materia

x

e

I

x

I

(

)

=

₀ −µ 0

I

x

µ

– coeficiente linear de atenuação (cm-1₎

µ

é uma função de:

1) número atómico do elemento Z, 2) densidade do meio,

ρ

ρ

ρ

ρ

Z

ρ

µ(Z,

ρ

)

Para desacoplar a dependência do

_µ

da densidade,

µ

é frequentamente exprimido em unidades de cm2_{/g e designado por µ´:}

ρ

µ

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Attenuação em água

Além de Z e

ρ

ρ

ρ

ρ

,

µ

é uma função da energia do fotão E

0.01 0.1 1 10 100 1000 1 10 100 1000 Gamma ray energy, keV

cm 2 /g

µ´

σ

´

τ

´

σ

τ

µ

′

₌

′

₊

′

τ´

– descreve atenuação por absorção fotoeléctrica

σ´

– descreve atenuação por dispersão de Compton

H₂O

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O sinal em radiografia

(

−

∑

∆

)

⋅

=

⋅

⋅

⋅

=

I

e

− ∆x

e

− ∆x

I

_i

x

_i

a

I

(

)

₀ µ1 1 µ2 2

...

₀

exp

µ

Mede-se

I(a)/I

₀
temos accesso a

∑

∆

→

∫

a i i

x

x

dx

0

)

(

µ

µ

Como

µ

= f(

ρ

, Z)

_, o sinal contém a informação sobre a densidade e o número atómico dos tecidos que o feixe de raios X atravessa, mas essa informação está na forma da soma (integral) das contribuições das diferentes partes do objecto ao longo do feixe .

I₀ I(a)

detector

20

Detecção dos

Raios-X

Sistemas analógicos

Sistemas semi-digitais

Sistemas digitais

IIM 2010-2011

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Detecção de raios-X em radiologia

- Ecrãs fluorescentes - Filme fotográfico

- ecrã fluorescente + filme fotográfico - digitalização (scan) do filme a posteriori - Paineis fosforescentes fotoestimulados - Detectores digitais “Semi-digital” RX sinal eléctrico di gi ta liza do r RX sinal eléctrico di gi ta liza do r

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De onde vem a luz ?

RX e

- ionização

excitação dos átomos e moléculas do meio

(simplificado – os processos envolvidos normalmente são muito mais complexos! )

fotões de-excitação

podem ser poucos ou fora da gama visível…

Energia depositada pela partícula = ionização + excitação + calor

existem sempre esses dois processos

Dependendo do meio, a de-excitação também pode ocorrer sem emissão de fotões, por exemplo em collisões entre os átomos
calor em vez da luz

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Ecrãs fluorescente

O papel usado pelo Roentgen estava coberto com platinocyanide de bário.

Thomas Edison investigou a capacidade de materiais de emitirem a luz visível quando expostos aos raios-X e descobriu que o tungstanato de cálcio (CaWO₄) é o mais eficáz

CaWO₄ utiliza-se ainda hoje (mas há também outras substâncias com ainda maior eficiência)

Röntgen examines a patient. From a German popular scientific book of 1896. Mary Evans Picture Library

Suporte Camada reflectora Material fluorescente Filme protector 50 – 300 µm gránulas de 4-8 µm embebidas num matriz, plástico, por exemplo

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Materiais para ecrãs fluorescente

(fósforos - phosphors)

CaWO₄ ,

Gd₂SO₂:Tb , LaOBr:Tm, YTaO₄:Tm , YTaO₄:Nb

(elementos do grupo de terras raras – rare earth elements)

Eficiência da conversão da energia dos RX em luz: Eficiência da absorção dos RX

RX in

E

E

=

ph ph out

N

E

E

=

in out

E

E

=

ε

ph

E

- energia dos fotões visíveis

ph RX ph

E

E

N

=

ε

O número de fotões visíveis emitidos na seguência de absorção de um RX:

Alguns características (para 60 keV)

onde e

13 51

Por exemplo, em CaWO₄ 1 fotão de 60 keV produz N_ph ≈ 1000 fotões visíveis

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Coeficientes de atenuação de alguns

materiais usados em ecrãs fluorescentes

Z=74 B_K= 69.5 keV Z=64 B_K= 50.2 keV Z=57 B_K= 38.9 keV Z=73 B_K= 67.4 keV

CaWO₄ , Gd₂SO₂:Tb , LaOBr:Tm, YTaO4:Tm

La, Gd – têm maior eficiência de absorção dos raios-X na gama de energias < 70 keV

W

Ta

Gd

La

Para Z ≥ 60 attenuação é

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Filme radiológico

Substância activa - AgBr (Z= 47, 35); gránulas de ~1 µm

O filme não se utiliza para detectar os raios X directamente devido a baixa eficiência de absorção desses (~2 a 6%) mas em cassettes em combinação com os ecrâs fluorescentes

Emulsão sensível aos raios-X (AgBr + gelatina), ~20 µm

Base ~200 µm Camada protectora

Camada adesiva

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Filme radiológico com ecrã fluorescente

como intesificador da imagem

Material fluorescente

Filme

Camada reflectora

RX

Probabilidade de interacção para RX No filme ~2%

No ecrã fluorscente ~50%

O ecrã absorve os raios X e emite luz com λ ≈ 400-500 nm;

O filme absorve essa luz, cria-se imagem latente que se torna visível depois

de ser revelado quimicamente (a semelhança com o filme fotográfico)

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Intensificador da imagem

(image intensifier)

Introduzidos pela Philips em 1955 fotocátodo

ecrã

fluorescente

luz fraca

Fotoelectrões acelerados no campo eléctrico até as energias ~100 keV

E e -luz intensa ecrã fluorescente 1 fotão
~102 _fotões 1 fotão
~102 _fotões O princípio de funcionamento Efeito fotoeléctrico: 1 fotão
Q fotoelectrões

Q < 1 – eficiência quântica do fotocátodo

(tipicamente Q ~ 0.1 - 0.2)

1 electrão
~102 _{- 10}3 _fotões

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Intensificadores da imagem

A imagem observa-se visualmente

Sinal electrónico

Um sistema de RX com

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Métodos

semi-digitais

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Métodos semi-digitais

Scan do filme já revelado

adqirir a imagem num filme fotográfico e fazer um scan a posteriori com um scanner comum para processamento digital

“Revelar” imagem latente num material especial por fotoestimulação

usar um painel fosforescente em que se forme uma imagem latente que pode ser revelada por estimulação com um feixe fino de laser medindo simultaneamente a fosforescência em cada ponto – as vezes chama-se Computed Radiography (CR)

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Fluorescência vs fosforescência

Fotoluminescência - luminescência resultante da absorção de fotões. A luz re-emitida tem comprimento de onda diferente da luz absorvida

hv₁ > hv₂

λ

λ

λ

λ

₁ <

λ

λ

λ

λ

₂ hv₁

excitação relaxação com emissão de

um fotão infravermelho ou transferência da energia à rede cristalina (vibração)

hv₂

emissão

Fluorescência – re-emissão “instantânea”

Fosforescência – re-emissão lenta, prolongada no tempo; resulta da inibição de transição no sistema quântico por regras de selecção (de E₂ para E₁ e 0, no exemplo em cima).

0 E₁ E₂ E₃ 0 E₁ E₂ E₃ 0 E₁ E₂ E₃ Fotoluminescência IIM 2010-2011

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Estimulação da fosforescência com luz

(fotoestimulação)

Transição E2
E3 _Emissão (transição para o estado fundamental) 0 E₁ E₂ E₃ 0 E₁ E₂ E₃ 0 E₁ E₂ E₃ Absorção do fotão emitido pelo laser

0

E₁ E₂ E₃

Imagem latente: átomos excitados

num estado metaestável (i.e. com o tempo de vida longo)

Laser Detector 0 E₁ E₂ E₃ X Transição inibida

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Painel fosforescente fotoestimulado

Um painel com material fosforescente (normalmente BaFBr:Eu3+_{) é exposto aos}

Raios X num procedimento habitual

A absorção dos Raios X resulta em formação da imagem latente (centros de excitação cuja transição para os níveis de energia mais baixa – de-excitação – são inibidos)

O painel é transportada para um scanner de laser infravermelho (He-Ne normalmente) com um feixe muito fino – de 50 µm a 200 µm.

Ao fazer o scan, a luz do laser estimula localmente a emissão da luz do material fosforescente nas zonas onde existem centros de excitação latentes.

Esta luz, na zona do visível, é detectada por um fotomultiplicador

A correlação do sinal do fotomultiplicador com o varrimento do feixe do laser permite reconstruir a imagem

laser

fosforescência

laser fotomultiplicador

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Paineis fosforescentes fotoestimulados

(optically stimulated phosphors)

Vantagens:

- Uma substituião fácil para o filme (mesmo tamanho, mesma cassette) - resolução comparáveil com a do filme

- gama dinâmica mais alargada

- corrente de escuro virtualmente ausente

Desvantagens:

- precisam manuseamento (tal como o filme)

- continuam precisar revelação da imagem
tempo de espera - impossível efectuar os estudos dinâmicos

Tornam-se possíveis os estudos com exposições longas e fluxo de Raios-X muito reduzido

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Métodos digitais

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Detectores de raios-X digitais

Imagiologia “Semi-digital”

adqirir a imagem num filme fotográfico e fazer um scan a posteriori ou

usar um painel fosforescente com imagem latente e visulaliza-lo (digitalizar) por fotoestimulação

Imagiologia Digital

usar um detector que converte a energia dos raios-X em sinal eléctrico

Conversão directa Conversão indirecta

RX RX luz visível/UV carga scintilador detector de fotões di gi ta liz ad or di gi ta liz ad or carga Dois tipos

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Conversão directa

RX e --V 0 electrões lacunas

Si ou Se amorfo - semicondutor puro
não há (lê poucas) cargas livres metal

Pixeis (pads), em que a carga é recolhida, com leitura individual

(amorfo para conseguir grandes dimensões a um preço razoável; também pode ser

policristalino ou monocristalino (muito melhor!) mas é caro e difícil de fazer)

Em princípio, pode funcionar no modo de detecção de fotões um a um – o problema é ruído electrónico (100 keV
~30,000 e- ; o ruído de um amplificador símples > ~10,000 e-)

Em radiologia o fluxo dos RX é muito elevado
podemos acumular a carga criada por muitos fotões durante a exposição e depois ler tudo de uma só vez (sinal/ruído ↑)

Leitura


Tecnologia TFT (thin film transistor)

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TFT – Thin Film Transistor technology

Exemplo: TFT LCD

(Thin Film Transistor Liquid Cristal Display)

Switch

(FET - field effect tranistor)

Glass base + thing film of silicon (amorphous, polycrystalline or crystalline)

pixel TFT

TFT

(a fotografia em baixo foi tirada com uma luz externa) Liquid crystal cells

V_gate

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Leitura de um detector de raios-X digital

elemento sensível (pixel)

TFT FET detector RX

i

i

exposição leitura

Q

ADC Q V N

∑

∝

∝

t RX

E

Q

N

IIM 2010-2011

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Conversão indirecta

Cristais de CsI(Tl) Detector de fotões Scintillator CsI(Tl) Si photodiode

RX

luz visível

conversão ao sinal eléctrico por efeito fotoeléctrico

RX

Em comparação com os detectores com conversão directa: têm uma efficiência maior

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Exemplo: Detectores de Trixell

(França)

TRIXELL flat-panel detectors are based on proven core technologies : a cesium iodide scintillator (CsI) and an active amorphous silicon array, controlled by custom-designed, ultra-low noise electronics.

http://www.trixell.com

Até 40x40 cm

J.P.Moy, NIM A442(2000)26 IIM 2010-2011

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Trixell Pixium 4600 detector digital

para radiogragia

9·106 _pixels

143 µm pixel size  resolução (semelhante a do filme)

gama dinâmica 14 bits (16,000 graduações na escala cinzenta)

tempo de exposição típicamente 0,5 s (pode ser até 3,5 s, se necessário) tempo de leitura da imagem 1.25 s

imagem disponível imediatamente

usa-se com tensão na ampola entre 40 kV e 150 kV (determina a energia dos RX)

40x40 cm

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Outras vantagens da radiografia

digital

Eficiência quântica mais alta (~3 times)
a) menor dose ao paciente, b) tempo de aquisição mais curto

Gama dinâmica até 14 bits (16,000 graduações na escala cinzenta)
apenas com uma exposição podem ser visualizadas detalhes com o nível de contraste muito diferente (o contraste pode ser ajustado diretamente na imagem)

Imagem na forma digital
facilidade de armazenamento, consulta remota, processamento digital da imagem

Estudos dinâmicos tornam-se possíveis (até ~30 frames/s)

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Detecção de raios-X: resumo

Ecrãs fluorescentes: ainda se usam quando é necessário mover o paciente

durante o exame; a dose ao médico é muito elevada

Filme radiológico: alta resolução (~0.1 mm) mas baixa eficiência (~1%);

gama dinâmica bastante estreita; a imagem é latente – precisa de ser revelada; usa-se principalmente em cassetes com paineis fluorescentes

Paineis fluorescentes + filme radiológico: os paineis absorvem os raios-X

com eficiência de ~20-50%; a imagem é registada no filme; existe sempre tempo de espera entre a exposição e obtenção da imagem; estudos dinâmicos não são possíveis

Digitalização (scan) do filme a posteriori – tempo de espera, manuseamento Paineis fosforescentes fotoestimulados: reutilizáveis mas continuam ter

tempo de espera, necessitam manuseamento

Detectores digitais: é o futuro da radiologia, têm inúmeras vantagens (ver