Radiografia digitale

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1 Radiografia digitale Prof. Claudio Manfredotti (alcune slides sono estratte da analoghe lezioni del Dott. Milani ) Problemi inerenti la risoluzione Penombra Diffusione Dipendenza dall energia

2 Effetti di penombra Gli effetti di penombra sono dovuti alle dimensioni del fuoco ed alla distanza del ricettore o supporto di immagine (a) La distanza d è troppo grande (b) Le dimensioni del fuoco sono eccessive (c) La distanza d va bene ed il fuoco è piccolo Le dimensioni della penombra p sono date da ( triangoli simili ) : p = Fxd/D ( se i raggi sono appross. verticali Dipendenza dall energia La formazione dell immagine è influenzata dall energia dei raggi X, dal loro numero e dalla diffusione all interno dell oggetto a) l energia degli X è troppo bassa, sono tutti assorbiti b) L energia è troppo alta, gli X non sono praticamente assorbiti c) L energia intermedia provoca un diverso assorbimento nei diversi materiali ( la parte nera dell oggetto ha una maggiore densità )

3 La diffusione dei raggi X Anche se i raggi X sono paralleli e l oggetto assorbe perfettamente i raggi X ( e quindi in teoria non esiste penombra ), la diffusione può creare penombra rendendo i bordi più confusi e peggiorare la risoluzione spaziale La diffusione( che può avvenire anche nella parte più assorbente dell oggetto ) tende a rendere l immagine completa più uniforme. La diffusione ( effetto Compton ) è dovuta all urto fotone X elettrone libero( gli elettroni più esterni dell atomo sono debolmente legati ) è più probabile alle energie degli X più alte ( oltre i 50 KeV, dipendentemente dal materiale ) Le griglie anti-diffusione Le griglie sono costituite da materiale fortemente assorbente e sono geometricamente allineate con il fuoco.i raggi X che subiscono la diffusione persono la direzione originaria e non possono passare attraverso la griglia, in quanto vengono assorbiti dalle lamelle della griglia.

4 Immagini analogiche Un immagine radiografica è normalmente analogica : se è in bianco e nero, non esiste nessuna discontinuità tra le varie tonalità di grigio, se è a colori, l intensità e la cromaticità del colore passa in modo continuo da punto a punto dell immagine ( non ci sono scale cromatiche discontinue ). Nell immagine analogica il valore del segnale o dell annerimento della lastra viene naturalmente assegnato al punto stesso. Quindi un immagine analogica contiene un numero infinito di punti, di grigi e di colori

5 Storia della radiologia digitale Processi di digitalizzazione delle immagini

6 Gestione elettronica delle immagini Fluoroscopia digitale

7 Videoradiografia La videoradiografia utilizza un intensificatore di immagini il cui schermo di uscita è ripreso da una telecamera. Il segnale video viene inviato a un convertitore analogico numerico (A/D). Il convertitore A/D trasforma l'immagine video analogica in una matrice numerica. I sistemi odierni utilizzano telecamere ad alta risoluzione con elevato rapporto segnale-rumore (superiore a 1000), consentono matrici 1024 x 1024 con almeno 1024 livelli di grigio. Radiografia analogica e digitale

8 Digitalizzazione dell immagine Viene effettuata dividendo l immagine in quadratini ( pixels ) e stabilendo una scala di grigi o di diversi colori in modo da classificare il segnale nei vari pixels ( o il numero di eventi ) tra un valore massimo ed uno minimo Dettagli sulla digitalizzazione Il segnale nei vari pixels sarà compreso tra un valore massimo ( UL, Upper Level ) ed un valore minimo ( LL, Lower Level ). La suddivisione in classi o intervalli può essere lineare ( intervalli uguali ), logaritmica ( gli intervalli uguali si riferiscono ai vari ordini di grandezza oppure anche gli intervalli si mantengono grandi anche per valori piccoli ) o anche esponenziale ( gli intervalli crescono molto d ampiezza sui valori grandi ). La scala dei grigi va dal nero al bianco, la scala dei colori può variare, in genere segue le lunghezze d onda ( dal blu al rosso )

9 Le 4 modalità di digitalizzazione 1. Acquisizione di un immagine analogica e sua successiva digitalizzazione ( archiviazione informatizzata di immagini analogiche ) 2. La conversione analogico-digitale viene effettuata dall apparecchiatura di misura (es. Termografia ) 3. La registrazione avviene contando i singoli fotoni X e si procede successivamente alla digitalizzazione ( il rivelatore ricostruisce la posizione di ciascun evento e poi il computer suddivide le posizioni nei vari pixels ( rivelatori grandi, scintillatori ) 4. Il rivelatore ha una struttura discreta o comunque un acquisizione della posizione in pixels, per cui l immagine viene acquisita direttamente in digitale ( arrays di rivelatori, CCD, fibre ottiche, ecc. ) Schemi possibili di rivelazione

10 Conversione analogico-digitale Si stabiliscono le dimensioni dei pixels ( in genere vengono indicati come DPI, Dots per Inch : un inch sono 2.5 cm circa, per cui ad es. 300 DPI significa che i pixels o dots l immagine viene suddivisa in punti o dots hanno una dimensione di circa 80 um o micron) Si stabilisce in quante classi ( o scala di grigi ) si veve suddividere il segnale ( tra LL e UL). Questo numero viene espresso come numero di bits o di cifre necessarie ad esprimere queso numero dopo averlo tradotto in un codice binario ( invece che in decimale, coem sarebbe normale i PC operano secondo un codice binario con bits che assumono solo 2 valori ) Esempio di conversione analogico digitale Prendiamo ad es. 28: la più alta potenza di 2 contenuta è 16, ossia 2 4. Resta 12 in cui la più alta potenza è 8, ossia 2 3. Infine rimane 4 che è 2 2. Il numero di bits è quindi 5 la potenza di 2 immediatamente superiore è 32, cioè 2 5 -ed il numero in codice binario si esprime come In altri termini: 1x2 4 +1x2 3 +1x2 2 +0x2 1 +0x2 0. Nello stesso modo si scrive un numero in decimale : 1123 = 1x x x x10 0.

11 Accuratezza della conversione analogico-digitale ( ADC ) La dinamica ( o il numero delle classi di grgio ) si esprime come numero di bits digitali : una conversione a 6 bits implica 64 classi di grigio. Una conversione ad 8 bits è molto buona e comporta un errore molto piccolo. In genere le conversioni si fanno tra 6 e 8 bit. I PC operano in genere a 16 bits o a 32 bits, con errori piccolissimi. Conversione di un segnale analogico in digitale a) La conversione a 2 bits implica 4 valori di grigio e quindi 3 intervalli : ai primi 3 pixels viene attribuito lo stesso segnale, la risoluzione spaziale è scarsa b) La conversione a 4 bits comporta 16 valori di grigio : a parità di pixels, migliora nettamente la risoluzione spaziale. Solo ai pixels 2 e 3 viene attribuito lo stesso segnale

12 Schema generico di un sistema di radiografia digitale Caratteristiche di un sistema digitale Sono date dalle caratteristiche dell immagine : Risoluzione ( MTF) Range dinamico ( o latitudine ) Rumore ( granularità ) La risoluzione ( e quindi l associato numero di pixels ) e il range dinamico ( e quindi l associato numero di bits per pixel ) possono implicare una notevole quantità di memoria ( 10 milioni di pixel per 10 o 12 bits per pixel, con rapporto segnale/rumore di almeno 100. La qualità dell immagine può essere migliorata dopo l acquisizione se si usa un diverso mezzo di visualizzazione ( softcopy su monitor/hardcopy su lastra )

13 Digitalizzazione di una lastra Il sistema più semplice prevede una telecamera fissa su uno stativo che inquadra una superficie retroilluminata sulla quale viene poggiata la lastra da convertire in digitale Il fascio luminoso viene convertito in un segnale elettrico che viene trasmesso ad un convertitore analogico-digitale. La conversione viene fatta su scala 512x512. Le telecamere attuali sono equipaggiate con un sensore CCD ( Charge Coupled Device ) fornisce direttamente un immagine digitale Schema di lettura e digitalizzazione a fibre ottiche E analogo al precedente, ma in questo caso la lastra viene scannerizzata da un fascio laser ( coord. Y dallo specchio ) mentre avanza ( coord. X dalla posizione ). Un ventaglio di fibre ottiche, in grado di inviare un segnale ottico al fotomoltiplicatore per qualunque posizione dello spot laser ) costituisce il sensore della luce riflessa dalla lastra ( il nero non riflette, il bianco sì ). Il fotomoltiplicatore trasforma il segnale ottico in elettrico prima della sua conversione digitale

14 Tipologia di sensori Il sensore limita in genere le prestazioni dell intero sistema. I differenti tipi di trasformazione in segnale elettrico sono: Radio/fotoconduttori con microelettrometri Arrays di fotodiodi associati ad uno schermo fluorescente Radio/fotoconduttori a lettura laser Fosfori a memoria ( IP, Image Plates ) con lettura laser Intensificatore di brillanza ( IB) e telecamera digitale Matrici di elementi fotosensibili a lettura diretta Requisiti dei sensori di immagine Elevata risoluzione Resa dei grigi Sensibilità ai raggi X Possibilità di realizzare formati diversi Compatibilità con i tavoli radiografici esistenti Facilità ed economicità di lettura Persistenza dell immagine prima della lettura Approcci : sensore che sostituisce la lastra radiografica ( esposizione e lettura successiva ) oppure sensore a lettura diretta ed immediata.

15 Lettura a radio/fotoconduttori E analogo alla xeroradiografia : il fotoconduttore viene caricato e successivamente scaricato dai raggi X: l elettrometro misura la carica superficiale scannerizzando l intera immagine Arrays di fotodiodi

16 Arrays di fotodiodi Nello schema precedente si fa uso di uno schermo fluorescente ( quindi non a memoria ) che viene letto direttamente da una colonna di fotodiodi di minime dimensioni ( 1024 diodi per una lastra tipo A3 o A4 ) che trasformano il segnale luminoso in un segnale elettrico digitalizzabile attraverso una convertitore analogico/digitale ( A/D). Lo schema di lettura è analogo a quello con fibre ottiche/fotomoltiplicatore ( sostituite dai fotodiodi ), ma l immagine in questo caso è diretta e si forma sullo schermo fluorescente. Sistemi a radio/fotoconduttore Lo schema è analogo a quello con lettura elettrometrica : in questo caso la luce laser agendo sul fotoconduttore fa sì che questo scarichi attraverso gli elettrodi a striscia la carica rimasta dopo l irraggiamento con raggi X. Il laser scorre orizzontalmente ( coordinata x ) mentre la coordinata y viene individuata dalla posizione della striscia metallica

17 Sensori basati su fosfori a memoria Si tratta dello schema più utilizzato attualmente : mentre nei fosfori convenzionali la radiazione X assorbita viene trasformata in luce visibile come negli schermi di rinforzo basati su terre rare, in questo caso, oltre la luce di fluorescenza immediata ( che non viene utilizzata ), una parte dell energia assorbita serve per trasferire gli elettroni in centri di cattura o di storage ( immagazzinamento ) nei quali possono rimanere per un tempo più o meno lungo. La luce laser è in grado di spostare questi elettroni in altri centri di ricombinazione : le transizioni in questi centri sono radiative ossia avvengono con emissione di luce. Si tratta di un processo di fotoluminescenza analogo a quello di termoluminescenza ( il laser e non la temperatura svuota i centri in questo caso ). Uno schema più completo fa uso di elettroni e di buche o lacune, che sono in pratica livelli non occupati Schema di interazione raggi X-cristallo L emissione immediata costituisce la fluorescenza, la stimolazione viene eseguita con il laser e l emissione stimolata è il segnale che viene letto con metodi opportuni ( ad esempio con un ventaglio di fibre ottiche come in un caso precedente. Anche in questo caso la lettura è indiretta.

18 Processi di scrittura e lettura In uno schema energetico a bande, gli elettroni prodotti dai raggi X per effetto fotoelettrico urtano gli elettroni di valenza distribuiti nella banda di valenza eccitandoli nella banda di conduzione.gli elettroni nei centri bassi scendono in banda di valenza per occupare gli stati lasciati liberi. La buca quindi si trasferisce nei centri : questo centro vuoto può essere occupato da un elettrone. Le transizioni elettroniche dallo stato alto occupato a quello basso non occupato sono in genere radiative. I centri storage sono centri di cattura non correlati spazialmente tra loro e quindi non possono dar luogo a transizioni elettroniche di alcun tipo. Struttura dei sensori a fosfori Gli schermi con sensori a fosfori impiegati nella radiografia digitale non contengono una pellicola, ma uno strato di grani di fosforo fotostimolabili per catturare l immagine.

19 Schema del processo I grani sono stesi su di un supporto in laminato plastico che ne preserva le caratteristiche meccaniche garantendo una elevata durata di vita (possono essere impiegati più di 1000 volte. Gli schermi al fosforo sono normalmente inseriti in una cassetta rigida per protezione, ma possono anche essere inseriti in buste flessibili come le tradizionali lastre radiografiche Quando esposti alla radiazione, esattamente allo stesso modo di un film tradizionale, gli elettroni presenti all interno dei cristalli di fosforo vengono eccitati e catturati in uno stato semi-stabile ad energia superiore. Lo scanner poi scansiona lo schermo con un raggio laser. L energia del laser rilascia gli elettroni catturati, determinando l emissione di luce visibile. Questa luce viene poi catturata e convertita in formato digitale che permette la visione dell immagine radiografica attraverso un comune PC Lettura di un pannello con fosfori a memoria Lo schema è analogo a quello della digitalizzazione con l uso di fibre ottiche : la luce in questo caso non è quella riflessa, ma quella emessa dal pannello sotto stimolazione laser.

20 Schema del processo di lettura Sensibilità dei fosfori I fosfori hanno una diversa efficienza di emissione di luce tra di loro ed in funzione della lunghezza d onda della luce emessa.qui i dati sono riferiti direttamente all esposizione X ( 40 KV, 40 ma, 5 s ). La luce laser di lettura ha una potenza di 3 uw : le efficienze massime ( potenza emessa rispetto a potenza di lettura ) sono quindi dello 0.1 %. Il complesso fibra ottica/fotomoltiplicatore deve avere una buona sensibilità nel campo di emissione dei fosfori.

21 Esempio di maggior latitudine della radiografia digitale rispetto alla radiografia analogica Linearità della risposta dei fosfori a memoria Linearità del rapporto tra l intensità della luce emessa e la dose di raggi X a parità di potenza della luce laser : da notare l ampia latitudine della risposta Linearità del rapporto tra l intensità della luce emessa e l intensità della luce di stimolazione laser, a parità di dose X ( 40 KV, 40 ma, 30 s )

22 Persistenza dell immagine nei fosfori a memoria L immagine latente ha un tempo di persistenza non infinito, dato che come nella termoluminescenza la stimolazione può essere effettuata anche dalla temperatura Ripetendo la misura a diversi intervalli di tempo a partire dal momento di formazione dell immagine, si trova una diversa e sempre minore intensità di luce emessa : in questo caso la riduzione è del 80% in circa mezz ora. Paragone con i film gli schermi sono molto più veloci delle pellicole; oggetti con una vasta gamma di differenti densità possono essere catturati con una singola esposizione errori di sovra-sotto esposizione possono essere significativamente ridotti o eliminati, eliminando i rischi di dover ripetere l esposizione

23 Sensori per radiografia digitale diretta Si tratta certamente del metodo migliore sotto ogni punto di vista:l immagine è immediatamente disponibile a computer senza alcun tipo di manualità successiva all esposizione. Il rivelatore è costituito da una matrice di elementi sensibili ognuno dei quali corrisponde ad un pixel dell immagine.queste matrici hanno una tecnologia derivata in pratica dagli schermi ultrapiatti dei monitors televisivi o per PC, ma il funzionamento è invece molto simile a quello delle memorie a semiconduttore. La formazione dell immagine X dà luogo alla creazione di cariche nei vari pixels, costituiti da materiale fotoconduttore, abbassandone la resistenza. La struttura MOS di lettura diventa così in grado di fornire un segnale elettrico nella corrispondente linea dati : questo però è possibile unicamente se è presente un segnale di permesso nella linea gate ( o cancello ): a questo punto la posizione del pixel viene individuata ed il segnale, costituito dalla carica accumulata, può essere inviato nella linea dati Radiografia digitale diretta tramite pixels e strutture MOS I singoli pixels possono essere ridotti in dimensioni fino a 40 microns : trascurando lo spazio tra i pixels, questo corrisponderebbe ad un immagine a 600 dpi Queste matrici o arrays bidimensionali utilizzano la tecnica TFT ( Thin Film Transistor ) a base di silicio amorfo, che è un ottimo materiale fotoconduttore e resistente al danno da radiazione

24 Radiografia digitale diretta: Array di matrice attiva ed elettronica associata In questa figura le linee dati sono verticali e le linee di lettura sono invece orizzontali : la carica generata nel pixel dagli X viene inviata ad un preamplificatore per essere amplificata ed ad un ADC per essere digitalizzata. Il tutto avviene sotto il controllo di un processore che a sua volta può formare l immagine in modo da inviarla ad un monitor ( del PC ) Schema acquisizione dati Ogni pixel dell array ha un interruttore a stato solido connesso al circuito di controllo e ogni colonna è connessa ad un preamplificatore. Durante l esposizione tutti gli interruttori sono aperti. Dopo l esposizione viene chiusa la prima riga e il segnale di ogni pixel premplificato e digitalizzato dall ADC è memorizzato in un vettore del processore. Aperti gli interruttori della prima riga vengono chiusi quelli della seconda e il processo ricomincia. Il processo ripetuto determina l acquisizione linea per linea.

25 Metodo di lettura diretto ed indiretto Il fotoconduttore (b) è in genere unico, ma viene letto tramite il pixel ( indicato qui accoppiato ad un condensatore ). In uno schema analogo (a), possiamo avere dei fotodiodi accoppiati direttamente ad uno schermo fluorescente di un intensificatore di immagini. In entrambi i casi la lettura è comeprima righe per colonne. Nello schema (a) il fotodiodo legge la luce di fluorescenza ( schema indiretto ) mentre nello schema (b) attraverso il condensatore passa la carica generata direttamente dai raggi X

26 Differente profilo del segnale La diffusione della luce di fluorescenza allarga spazialmente il segnale, dando quindi luogo ad una risoluzione peggiore. Grandissima risoluzione di densità

27 Un esempio : la TAC o CT La CT è stata la prima macchina ad avvalersi della conversione digitale dell immagine Essa rappresenta la distribuzione del coefficiente di attenuazione µ(x, y) dell'oggetto in una sezione predefinita ed in esse sono osservabili differenze di attenuazione non apprezzabili con altre tecniche.

28 Unità di misura Ciascun pixel rappresenta le caratteristiche di ssorbimento di un piccolo volume (voxel) del corpo umano individuato dai limiti fisici Questo valore viene misurato non in unità assolute ma secondo la scala denominata Hounsfield HU (Hounsfield Units), secondo la relazione: La scala Hounsfield Questi sono i campi di valori per diversi tessuti corporei nella TAC medica. Notare la sovrapposizio ne tra alcune sostanze e tessuti.

29 La legge di Beer indica la dipendenza della intensità finale I A incidente sulla pellicola (od altro detector) dal valore della attenuazione lineare lungo il percorso L, data l intensità di emissione I 0 : I punti a bassa intensità incidente (bianchi) indicano l attraversamento di strutture ad alto assorbimento come i cromofori o strutture di ferro Schema di apparato TAC Questo è un apparato TAC per usi diagnostici per beni culturali. Negli apparati medicali moderni la sorgente X è a ventaglio e viene vista da un array di rivelatori disposti su un arco dall apparato rotante o gantry.in questo caso viene fatto ruotare il campione e si ha un unico rivelatore, costituito da un IB ( Intensificatore d immagine o di brillanza ). La digitalizzazione avviene tramite telecamera CCD ( tipo quelle in commercio )

30 Rivelatori X a scintillazione La luce viene generata per eccitazione del materiale da parte degli elettroni generati per effetto fotoelettrico. La luce emessa viene trasformata in un segnale elettrico tramite un fotodiodo o un fotomoltiplicatore, che sono strettamente accoppiati con lo scintillatore. Rivelatori X a Xenon liquido Lo Xenon è un gas nobile che diventa liquido a bassissime temperature. L aumento di densità dà luogo ad un incremento di sensibilità di circa un fattore 1000.Il funzionamento è molto simile a quello di un rivelatore a semiconduttore : in questo caso però vengono generati per ionizzazione elettroni e ioni positivi ( e non lacune ).