Imaging con raggi X e rivelatori a microstrip

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1 Laboratorio di Fisica Biomedica Imaging con raggi X e rivelatori a microstrip L. Ramello Universita del Piemonte Orientale

2 Argomenti trattati Fasci di raggi X Tecniche di rivelazione dei raggi X Qualita dell immagine radiografica Radiografia con fasci quasi monocromatici Radiografia con mezzi di contrasto Strumentazione in Alessandria Proposta di misure in laboratorio / analisi immagini

3 Bibliografia Alberto Del Guerra, Ionizing radiation Detectors for Medical Imaging, World Scientific (2004) [biblioteca di Facolta : classificazione 61 DEL 1] Capitolo 2: Conventional Radiology Capitolo 3: Detectors for Digital Radiology Capitolo 5: Special Applications in Radiology (par , , 5.2.3)

4 Impieghi dei raggi X in medicina Morfologia: Raggi X convenzionali Angiografia a raggi X Angiografia a sottrazione digitale Tomografia computerizzata (TAC) Radiologia interventistica: strumenti chirurgici guidati mediante fluoroscopia Altre tecniche (PET, SPECT, Risonanza Magnetica) forniscono informazioni sulla funzionalita dell organismo

5 La prima rivoluzione raggi X convenzionali radiografia del torace: ottimo contrasto tra aria e tessuto molle Radiografia delle ossa: ottimo contrasto tra osso e tessuto molle

6 Un problema: poco contrasto tra tessuti molli Radiografia dell addome: Ottimo contrasto aria tessuto molle, Radiografia del cranio: ottimo contrasto osso tessuto molle, ma nessun contrasto tra tessuti molli

7 Seconda rivoluzione mezzi di contrasto Ventricolografia cardiaca, angiografia coronarica e pelvica: ottimo contrasto vasi tessuto molle

8 Terza rivoluzione: immagini a sezioni & calcolatore Principio della TAC: ricostruzione di una sezione dalle immagini proiettate sezione TAC dell addome

9 Fasci di raggi X (1) I raggi X vengono generati per radiazione di frenamento (bremsstrahlung) di elettroni emessi dal catodo, accelerati da una ddp e frenati dall anodo La distribuzione energetica dei fotoni X e determinata da: Differenza di potenziale di picco applicata (kvp) Materiale dell anodo (picchi di radiazione caratteristica) Filtrazione intrinseca e aggiunta Effetto su un fascio da 80 kvp della filtrazione con un materiale leggero (Al) e con una terra rara (La, K edge a 39 kev)

10 Fasci di raggi X (2) I materiali piu comuni usati come anodo sono: W (Z=74) per radiografia generale Mo (Z=42) e Rh (Z=45) per mammografia Cu (Z=29) per diffrattometria L energia emessa sotto forma di raggi X e solo 0.5 1% dell energia immessa, il resto viene dissipato sotto forma di calore I tubi a raggi X con potenza moderata sono ad anodo fisso, quelli ad alta potenza sono ad anodo rotante Le correnti tipiche sono di 1 5 ma per tempi prolungati (fluoroscopia) e ma per tempi di esposizione brevi (grafia)

11 Fasci di raggi X (3) L esposizione è proporzionale al prodotto corrente x tempo e si misura in mas La macchia focale determina la risoluzione spaziale delle immagini radiografiche, dipende da: Dimensione dell area colpita da elettroni sull anodo: l w Angolo dell anodo θ per cui la dimensione della macchia focale efficace sul piano dell immagine è: l sinθ w θ anodo l catodo piano dell immagine

12 Tecniche di rivelazione Film fotografico: la sensibilita e molto bassa e richiederebbe una dose proibitiva al paziente Film + schermo: radiografie convenzionali Intensificatore di immagine (I.I.): fluoroscopia Fosforo fotostimolabile (computed radiography, CR) Radiografia digitale indiretta (I.I. o fotoconduttore accoppiato a semiconduttore) Radiografia digitale diretta (semiconduttore)

13 Film + schermo (1) raggi X trasmessi dal paziente schermo anteriore* doppio* strato di emulsione / AgBr schermo posteriore * Mammografia: singolo strato di emulsione, solo schermo posteriore Circa il 50% dei fotoni X sono assorbiti nel sistema film schermo, prevalentemente (95%) dai due schermi L esposizione del film e dovuta prevalentemente alla luce blu verde emessa dagli schermi fosforescenti (CaWO4, Gd2O2S:Tb, etc.) I sistemi film schermo vengono classificati in base alla c.d. velocita, quelli piu veloci richiedono meno radiazione incidente per ottenere la stessa densita ottica Velocita standard = 100, si trovano comunemente film piu lenti (50) e piu veloci (200, 400, 600) oltre a quelli standard

14 Film + schermo (2) Efficienza di uno schermo: η = ηaηcηt ηa = efficienza di assorbimento, dipende da composizione e spessore t dello schermo e dall energia dei raggi X; e piu alta per energie di poco superiori al K edge ηa = 1 exp( (µ(e)/ρ)t) ηc = efficienza di conversione dei raggi X in luce visibile ηt = efficienza di trasmissione: frazione dei fotoni ottici che escono dallo schermo (valore tipico: 0.50) fosforo Z densita K edge ηc CaWO4 74 g/cm 6.1 Gd2O2S:Tb % 30/ / % 3 (Zn,Cd)S:Ag kev %

15 Film + schermo (3) Efficienza ηa di assorbimento di raggi X in funzione dell energia per diversi tipi di schermi Spettro di raggi X primari e diffusi con un tubo operante a 80 kvp con un fantoccio di Perspex (resina acrilica trasparente) utilita schermo al Gd per sopprimere RX diffusi

16 Esposizione e densita ottica (1) L annerimento del film radiografico (provocato principalmente dalla luce visibile emessa dai due schermi) viene quantificato mediante la densita ottica (D): D = log(t) dove T e la trasmissione: T = I1/I0 curva H D La densita ottica utile va da 0.2 (granuli sviluppati in film non esposto a radiazione) a circa (saturazione) L esposizione X misura la quantita di raggi X incidenti sul sistema film+schermo

17 Esposizione e densita ottica (2) Relazione tra densita ottica D ed esposizione X: 1) Film schermo: D = cxγ altamente non lineare, dipende dalla velocita del film Trasm. T D = log(t) condizione trasm. 100% base buona esp polmone molto scuro massima oscurita 2) Rivelatore elettronico (es. fosforo + fotodiodo): D =kx lineare (l immagine puo essere elaborata in seguito per emulare film con diverse velocita )

18 0 densita ottica (O.D.) unita arb. 1 Confronto del range dinamico tra film schermo e rivelatore digitale Log (esposizione relativa)

19 Film a raggi X: range dinamico 0.5 mas 2 mas sottoesposto 4 mas 8 mas 16 mas 32 mas 63 mas sovraesposto M. Overdick (PHILIPS), 11/09/2002, IWORID 2002, Amsterdam

20 Flat panel: range dinamico uso tipico Digital Diagnost (PHILIPS) 43 cm x 43 cm, 143μm x 143 μm M. Overdick (PHILIPS), 11/09/2002, IWORID 2002, Amsterdam

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