Tomografia Assiale Computerizzata

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1 ISTITUTO DI RADIOLOGIA UNIVERSITA DI UDINE Prof. Massimo Bazzocchi Tomografia Assiale Computerizzata Principi Prima parte R. Girometti Anno accademico 2010/11

2 Principi Prima parte Quali sono i principi alla base della formazione dell immagine TC? Quali sono le caratteristiche generali delle immagini TC?

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4 Prima metodica di Imaging cross-sezionale (rappresentazione di fette del corpo umano) utilizza i Raggi X come fonte di energia ma con tecnologia intrinsecamente digitale in costante evoluzione tecnologica

5 1979 Godfrey Hounsfield ( ) Allan McCormack ( )

6 1972 introduzione primo scanner TC 1974 introduzione primo scanner per addome 1988 TC spirale strati 1995 scansioni sub-secondo strati 8, 10, 16 strati , 32, 64 strati EMI Mark > 64 strati

7 SPECIFICHE SCANNER 1975 SCANNER 2001 Tempo di acquisizione di 1 immagine 4 5 min 0,5 sec Dimensioni del piel 3 mm 3 mm 0,5 mm 0,5 mm Numero di piel in una immagine

8 Quali sono i principi alla base della formazione dell immagine TC?

9 TOMOGRAFIA ASSIALE COMPUTERIZZATA

10 TOMOGRAFIA ASSIALE TOMOGRAFIA CONVENZIONALE non migliora la risoluzione I punti fuori fuoco aumentano il rumore non risolve l inidstinguibilità tessuti molli

11 TOMOGRAFIA ASSIALE PRINCIPIO DI RADON (1917) un oggetto sconosciuto può essere ricostruito se si dispone di infinite proiezioni attraverso l oggetto stesso?

12 TOMOGRAFIA ASSIALE PRINCIPIO DI RADON (1917) un oggetto sconosciuto può essere ricostruito se si dispone di infinite proiezioni attraverso l oggetto stesso?

13 TOMOGRAFIA ASSIALE A B 7 C D A+B=7 A+C=6 A+D=5 8 B+C=9 B+D=8 C+D=7

14 TOMOGRAFIA ASSIALE

15 TOMOGRAFIA ASSIALE OGGETTO DA RICOSTRUIRE = SEZIONE DI CORPO UMANO INFORMAZIONE = ATTENUAZIONE DEI RX

16 TOMOGRAFIA ASSIALE

17 TOMOGRAFIA ASSIALE ACQUISIZIONE TOMOGRAFICA A RAGGI PARALLELI A VENTAGLIO singola trasmissione RX (singola detezione) = raggio gruppo di raggi acquisiti con una certa geometria = proiezione

18 TOMOGRAFIA ASSIALE Lo scopo dello scanner è di acquisire un ampio numero di misurazioni attraverso il Pz. in diverse posizioni 1 FETTA 800 raggi 1000 angoli di proiezione = detezioni per fetta

19 TOMOGRAFIA ASSIALE ASSE z serie di acquisizioni tomografiche sul piano assiale lungo l asse del volume da esaminare

20 TOMOGRAFIA ASSIALE Schematizzazione del funzionamento dell apparecchiatura Sorgente Raggi X Gantry Sistema di detettori

21 COMPUTERIZZATA It = I0 e I0 -µt It = intensità trasmessa I0 = intensità iniziale raggio µ = coefficiente di attenuazione lineare medio (cm-1) It t = spessore attraversato (cm)

22 COMPUTERIZZATA Il sistema sorgente-detettore ruota, acquisizione dopo acquisizione, ripetendo la sequenza numerosissime volte fino a compiere una rotazione completa It1

23 COMPUTERIZZATA Il sistema sorgente-detettore ruota, acquisizione dopo acquisizione, ripetendo la sequenza numerosissime volte fino a compiere una rotazione completa It2 It1

24 COMPUTERIZZATA Il sistema sorgente-detettore ruota, acquisizione dopo acquisizione, ripetendo la sequenza numerosissime volte fino a compiere una rotazione completa It3 It2 It1

25 COMPUTERIZZATA

26 Quali sono le caratteristiche generali delle immagini TC?

27 PREPROCESSING RICOSTRUZIONE TOMOGRAFICA DISPLAY

28 PREPROCESSING PREPROCESSING Serie di operazioni che agiscono sui dati grezzi acquisiti prima della ricostruzione dell immagine. Dipendono molto dalla casa costruttrice e dal tipo di scanner. DATI GREZZI DIGITALIZZATI in uscita dalla apparecchiatura E.g., calibrazione dei dati determinati dalla scansione dell aria correzione dell efficienza geometrica dei detettori e così via

29 PREPROCESSING CALCOLO DEI COEFFICIENTI DI ATTENUAZIONE It = I0 e-µt Alla fine della scansione, lo strumento dispone di un numero altissimo di valori numerici, riferiti ad infinite traiettorie attraverso lo strato in studio. µt = ln (I0/It) It3 It2 It1

30 PREPROCESSING CALCOLO DEI COEFFICIENTI DI ATTENUAZIONE It = I0 e-µt Ricavato il valore di µ per ogni raggio per ogni proiezione OSSIA lungo una certa traiettoria dei RX µt = ln (I0/It) µit3 3 µit2 2 µit1 1

31 PREPROCESSING Per ogni raggio misurato, µ è determinato dalla composizione e dalla densità dei tessuti attraversati linearmente µt = µt1 + µt µtn = Δt (µ1 + µ µn) µ = µ1 + µ µn Ossia, conoscendo µ per ogni raggio, posso scomporlo nei µn corrispondenti per quel raggio. Come?

32 PREPROCESSING µ4 µ3 µ2 µ1 Ossia, come determinare, sezione per sezione, il valore di densità misurato in un certo punto dello spazio (voel?) Disponendo i dati in una matrice e incrociandoli.

33 PREPROCESSING

34 PREPROCESSING PIXEL (picture element) Stesse dimensioni sul piano della fetta contiene la media dell attenuazione dei RX di quel tessuto in quel voel (4.096 livelli di grigio = 12 bit) VOXEL (volume element) tipicamente Informazione su una fetta 3D del Pz. spessori 0,5-10 mm

35 PREPROCESSING Il µ che sarà ricostruito in ciascun piel è quello misurato nel voel corrispondente La misura in ciascun voel dipende dal valore µn misurato in quel voel per ciascun raggio per ciascuna proiezione passata attraverso di esso

36 PREPROCESSING bassa attenuazione (basso µ) IPODENSITA elevata attenuazione (alto µ) IPERDENSITA

37 PREPROCESSING SINOGRAMMA E la rappresentazione dei dati grezzi prima della ricostruzione dell immagine. L asse corrisponde ai raggi in ciascuna proiezione; l asse y corrisponde alle singole proiezioni.

38 PREPROCESSING RAGGI PROIEZIONI DATA POINTS DATA POINTS/PIXEL* I II ,3 Stato dell arte ,9 GENERAZIONE TC * matrice

39 PREPROCESSING Al decrescere dei raggi decresce la risoluzione spaziale ed aumenta il blurring Al decrescere delle proiezioni aumenta l aliasing

40 RICOSTRUZIONE TOMOGRAFICA SIMPLE BACKPROJECTION RECONSTRUCTION E uno dei possibili algoritmi di ricostruzione. E un algoritmo di inversione matematica della geometria di acquisizione MATRICE vuota, ossia ogni piel ha µ = 0

41 RICOSTRUZIONE TOMOGRAFICA SIMPLE BACKPROJECTION RECONSTRUCTION E uno dei possibili algoritmi di ricostruzione. E un algoritmo di inversione matematica della geometria di acquisizione Ogni raggio corrisponde ad un valore di µ. Oltre ad esso, l algoritmo sa per ogni raggio, l angolo di acquisizione e la posizione sul detettore di ciascun raggio MATRICE il valore di µ è attribuito a ciascun piel lungo una linea attraverso l immagine corrispondente al percorso di ciascun raggio

42 RICOSTRUZIONE TOMOGRAFICA FILTERED BACKPROJECTION RECONSTRUCTION La backprojection semplice determina un effetto sulle immagini di blurring, che viene corretto mediante l utilizzo di filtri che operano la c.d. procedura di convoluzione, prima della retroproiezione

43 RICOSTRUZIONE TOMOGRAFICA RISOLUZIONE SPAZIALE RISOLUZIONE DI CONTRASTO

44 RICOSTRUZIONE TOMOGRAFICA MODULATION TRANSFER FUNCTION Plot che esprime quanto contrasto (amplitude = relazione fra input/output del segnale) registrato in funzione della risoluzione spaziale espressa come frequenza spaziale

45 RICOSTRUZIONE TOMOGRAFICA KERNEL FILTRO PER OSSO poco roll off ad alte frequenze alta risoluzione spaziale peggioramento SNR FILTRO PER TESSUTI MOLLI roll off ad alte frequenze minor risoluzione spaziale maggior SNR

46 RICOSTRUZIONE TOMOGRAFICA In sostanza, non esiste l immagine TC ideale, che unisca massime risoluzioni spaziale e di contrasto. Esistono filtri che ci permettono di esaltare quello fra i due aspetti diagnostici che maggiormente ci premono.

47 RIASSUNTO DATI DELLA SCANSIONE preprocessing DATI GREZZI convoluzione DATI GREZZI FILTRATI retroproiezione IMMAGINE FINALE

48 DISPLAY UNITA HOUNSFIELD Dopo la ricostruzione dell immagine, a ciascun piel corrisponde un numero (µ), rappresentabile in una scala di livelli di grigio (12 bit) I monitor PC e I sistemi di stampa laser rappresentano circa 256 livelli di grigio (8 bit) L occhio umano, per quanto caratterizzato da un elevato range dinamico per le variazioni assolute di luce, a parità di intensità luminosa

49 DISPLAY 1. Comprimere le informazioni in un numero di grigi percepili dall occhio umano, SENZA perdere informazioni 2. Stabilire un livello di riferimento

50 DISPLAY TC (,y) = 1000 µ (,y) - µacqua µacqua osso MdC tessuti molli aria

51 DISPLAY FINESTRE

52 DISPLAY livello finestra

53 DISPLAY livello finestra

54 DISPLAY REGOLA GENERALE finestre più strette maggior contrasto finestre più ampie minor contrasto livello finestra

55 DISPLAY ROI Region of interest: è possibile selezionare un area di interesse per conoscere il valore di attenuazione misurato al suo interno (DENSITA ) Media: 84,3 DS: 18,56

56 DISPLAY Quindi, alla fine di un esame TC 1. Set di immagini in base al filtro di ricostruzione 2. Finestre di ricostruzione (di solito un filtro ed una finestra corrispondono ad un unico set di immagini) 3. Set di acquisizioni successive dello stesso volume di acquisizione ( fasi ) (vedremo dopo ) Filtro morbido Finestra per tt. molli Filtro duro Finestra per parenchima p.

57 DISPLAY Questa complessità al fine di garantire non immagini belle ma diagnostiche. per rispondere alle domande dei clinici.

58 BIBLIOGRAFIA Cap. 13, in Bushberg JT, Seibert JA et al (eds.), The essential Physics of medical Imaging, 2nd edition, 2002 Lippincot Williams & Wilkins Philadelphia Cap. 1, in Prokop M, Galanski M (eds.), Tomografia computerizzata, spirale e multistrato, Masson Milano Rydberg J, Buckwalter KA, Caldemeyer KA et al.,

59 O récompense après une pensée Qu un long regard sur le calme des dieu! (P. Valéry)