SISTEMA DI MISURAZIONE, SISTEMA DI RICOSTRUZIONE, SISTEMA DI VISUALIZZAZIONE

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1 LA TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA: MODALITA DI FORMAZIONE DELL IMMAGINE SISTEMA DI MISURAZIONE, SISTEMA DI RICOSTRUZIONE, SISTEMA DI VISUALIZZAZIONE

2 SISTEMA DI MISURAZIONE: ACQUISIZIONE DELL IMMAGINE TC Un immagine è ottenuta misurando l assorbimento differenziato alla radiazione X da parte di un elevato numero di voxel contigui in cui viene suddiviso lo strato in esame e traducendo la misurazione in una corrispondente mappa di punti di diverse tonalità di grigio La ricostruzione dei coefficienti di attenuazione viene effettuata attraverso due passaggi: ottenimento di un numero sufficiente di profili di trasmissione di un sottile fascio di raggi X ricostruzione computerizzata della sezione dai dati di assorbimento dei profili

3 SISTEMA DI MISURAZIONE: ACQUISIZIONE DELL IMMAGINE TC (2) LEGGE DI ATTENUAZIONE DEL FASCIO Se un fascio di raggi x di intensità I incide su uno strato di materiale omogeneo di spessore d l intensità I del fascio attenuato sarà : I = I 0 e -μd legge di attenuazione

4 SISTEMA DI MISURAZIONE: ACQUISIZIONE DELL IMMAGINE TC (3) LEGGE DI ATTENUAZIONE DEL FASCIO La costante μ rappresenta il coefficiente di attenuazione del fascio Se un raggio X attraversa materiali diversi aventi uguale spessore, l attenuazione è più forte nel materiale con μ maggiore (cioè nel materiale più denso) Se un raggio passa, come avviene generalmente, attraverso materiali con diversi coefficienti di attenuazione, i contributi individuali si sommano per raggiungere l attenuazione risultante

5 SISTEMA DI MISURAZIONE: ACQUISIZIONE DELL IMMAGINE TC (5) PROCEDIMENTO DI MISURA: SISTEMA DI DETEZIONE Tipi di detettore: detettore a camera di ionizzazione a gas inerti detettore a cristallo di scintilazione Entrambi i tipi di detettore sfruttano effetti fisici basati sull interazione tra i fotoni ad alta energia e la materia

6 SISTEMA DI MISURAZIONE: ACQUISIZIONE DELL IMMAGINE TC (6) PROCEDIMENTO DI MISURA: SISTEMA DI DETEZIONE Il processo di detezione è basato su una conversione di energia a 2 passaggi successivi: 1. Il quanto di radiazione X incidente interagisce con il cristallo o con gli atomi di Xenon, con la conseguente generazione di segnali elettrici di tensione direttamente proporzionali all intensità dei quanti X incidenti 1. Vengono raccolti i segnali elettrici generati, consentendo di ottenere da una singola scansione molteplici profili di attenuazione della radiazione X necessari per la costruzione dell immagine di uno strato I segnali misurati vengono codificati in forma opportuna, convertiti in segnali numerici ed inviati al computer

7 SISTEMA DI MISURAZIONE: ACQUISIZIONE DELL IMMAGINE TC (7) PROCEDIMENTO DI MISURA ll computer calcola quindi (a partire dall insieme di questi dati di misura) quale immagine dello strato una distribuzione bidimensionale di valori di attenuazione corrispondente allo strato dell oggetto i distretti dell oggetto che attenuano fortemente la radiazione vengono associati ad alti numeri di valori di assorbimento i distretti dell oggetto che attenuano debolmente la radiazione vengono associati a bassi numeri di valori di assorbimento Lo strato in esame deve essere immaginato suddiviso in volumi elementari per ciascuno dei quali il computer calcola l assorbimento stesso

8 SISTEMA DI MISURAZIONE: ACQUISIZIONE DELL IMMAGINE TC (8) PROCEDIMENTO DI MISURA La matrice numerica viene trasformata in un immagine in bianco e nero in cui ad ogni elemento di matrice (tipicamente 512x512 pixels) corrisponde un singolo punto di immagine (Pixel) ed ai diversi valori di assorbimento vengono associati i diversi valori di grigio Il coefficiente di attenuazione lineare di un materiale non può essere assunto come valore assoluto, poiché dipendente dall energia di della radiazione X incidente per la valutazione dei valori di assorbimento nella TC è stata adottata una scala arbitraria proposta da Hounsfield, in cui i valori unitari di assorbimento prendono il nome di Unità Hounsfield (HU)

9 SISTEMA DI MISURAZIONE: ACQUISIZIONE DELL IMMAGINE TC (9) PROCEDIMENTO DI MISURA: SCALA HOUNSFIELD Come materiale di riferimento è stata assunta l acqua, cui è stato attribuito valore di assorbimento pari a 0 I valori della scala stabiliscono il relativo scostamento dei coefficienti di assorbimento delle rispettive sostanze dal coefficiente di assorbimento dell acqua per mille, secondo la relazione: n TC = (μ tessuto μ H 2 O / μ H 2 0) x 1000 L aria assume valore mentre l osso assume valore +1000

10 SISTEMA DI MISURAZIONE: ACQUISIZIONE DELL IMMAGINE TC (10)

11 RICOSTRUZIONE DELL IMMAGINE (2) RETROPROIEZIONE I dati relativi all attenuazione del fascio per ogni singolo voxel rappresentano la proiezione di un dato oggetto interposto tra la fonte ed il rivelatore dei raggi X Per ricostruire l immagine dell oggetto si utilizza il metodo della retroproiezione: per ogni punto di vista o proiezione, la relativa immagine proiettata viene retroproiettata Quello che viene riportato è il coefficiente di attenuazione: il computer retroproietta quello che rimane del raggio X dopo che questo ha attraversato il corpo

12 RICOSTRUZIONE DELL IMMAGINE (4)

13 RICOSTRUZIONE DELL IMMAGINE (5) L immagine ottenuta è sfumata, l oggetto nella tomografia non è ben definito Per ovviare a questo problema si applicano dei filtri di convoluzione ai profili

14 RICOSTRUZIONE DELL IMMAGINE (7) RETROPROIEZIONE FILTRATA Nelle immagini risultanti dai processi di retroproiezione gli oggetti presentano una sorta di coda lungo i profili dovuta alla parziale attenuazione del raggio Questa parziale attenuazione è responsabile di una sfocatura lungo i profili Per eliminare, o meglio, attenuare questo effetto, il segnale giunto al rivelatore viene preventivamente filtrato, mediante particolari algoritmi matematici (filtri di convoluzione), prima di essere retroproiettato Esistono differenti filtri che accentuano più o meno la pulizia dei profili (filtri per osso, per tessuti molli, ecc.)

15 RICOSTRUZIONE DELL IMMAGINE (8) RETROPROIEZIONE FILTRATA Il tipo di filtro di convoluzione è selezionabile in base al risultato desiderato, a seconda se si vuole privilegiare la risoluzione spaziale o il contrasto dei tessuti molli

16 RICOSTRUZIONE DELL IMMAGINE (9)

17 RICOSTRUZIONE DELL IMMAGINE (10) In questo modo si riesce ad ovviare allo sparpagliamento dei dati nell immagine tomografica.

18 RICOSTRUZIONE DELL IMMAGINE (12) TC SPIRALE MULTISTRATO Per correggere l effetto del movimento continuo di avanzamento del Paziente durante la scansione è necessario in primo luogo calcolare a partire dal set di dati di volume, per ciascuna immagine da ricostruire, un set di dati planare uguale a quello che si sarebbe acquisito con TC convenzionale nella scansione di una sezione singola situata nella stessa posizione l approccio più semplice per ottenere tale risultato è rappresentato dall interpolazione lineare

19 RICOSTRUZIONE DELL IMMAGINE (14) TC SPIRALE MULTISTRATO Algoritmo di interpolazione lineare (360 ) Utilizza punti di dati a distanza angolare di 360 e quindi a distanza lineare uguale all avanzamento che il Paziente ha subito durante un giro di rotazione del fuoco Tale algoritmo riduce, rispetto all immagine TC convenzionale, il rumore del pixel, ma allarga notevolmente il profilo di sensibilità della sezione, peggiorando quindi la risoluzione in profondità Pertanto è stata sviluppata una diversa classe di algoritmi, che utilizzano punti di dati di interpolazione che distano soltanto 180

20 RICOSTRUZIONE DELL IMMAGINE (16) TC SPIRALE MULTISTRATO Algoritmo di interpolazione lineare (360 )

21 RICOSTRUZIONE DELL IMMAGINE (17) TC SPIRALE MULTISTRATO Algoritmo di interpolazione lineare (180 ) Questi algoritmi utilizzano punti di dati di interpolazione che distano 180 Sfruttano il fatto che in una rotazione di 360 tutti i dettagli vengono osservati due volte da opposti diversi ciò produce una ridondanza di dati che viene usata per calcolare una seconda spirale, sfasata di 180 rispetto alla spirale misurata

22 RICOSTRUZIONE DELL IMMAGINE (18) TC SPIRALE MULTISTRATO Algoritmo di interpolazione lineare (180 ) Si può quindi effettuare l interpolazione lineare tra due punti di dati a distanza di 180, con il vantaggio di ottenere migliori profili di sensibilità della slice e quindi di garantire una superiore risoluzione in direzione longitudinale L utilizzo di questo step di calcolo intermedio (che deve sempre precedere la retroproiezione) offre significativi vantaggi nella ricostruzione volumetrica Il Pitch deve essere sempre 1 per evitare che i dati si sovrappongano senza ottenere la ridondanza di dati necessari

23 RICOSTRUZIONE DELL IMMAGINE (20) TC SPIRALE MULTISTRATO Algoritmo di interpolazione lineare (180 )

24 VISUALIZZAZIONE DELL IMMAGINE TC Sulla base del relativo profilo di attenuazione, ad ogni voxel viene assegnato un numero di Hounsfield: tale numero rappresenta l attenuazione media del corrispondente volume di tessuto esaminato Successivamente, ogni voxel, con il relativo numero in UH, viene assegnato alla matrice dell immagine (solitamente formata da 512 x 512 pixel) Quindi, alla fine del processo, ad ogni pixel della matrice corrisponde un numero di Hounsfield La profondità cromatica è in genere di 8 bit (256 livelli di grigio) e la scala dei grigi è simile a quella radiografica (maggiore attenuazione = bianco; minore attenuazione = nero)

25 VISUALIZZAZIONE DELL IMMAGINE TC (2)

26 VISUALIZZAZIONE DELL IMMAGINE TC (3) Alla base delle variazioni cromatiche di una immagine TC, ci sono quindi dei numeri che possono essere letti in un qualsiasi momento e che possono dare delle informazioni quantitative oggettive sulla densità del tessuto considerato sulle immagini TC sono possibili una serie di operazioni, dopo l acquisizione dei dati, definite di post-processing (variazioni dei grigi rappresentati, misurazioni lineari, angolari, di densità, ricostruzioni planari, 3D, ecc.) La modalità di visualizzazione delle immagini TC può essere variata ed aggiustata in maniera tale da esaltare o sopprimere informazioni presenti nelle immagini stesse È così possibile discriminare anche piccole differenze di densità (fino a 0,5%) e rappresentarle con livelli di grigi differenti maggiore risoluzione di contrasto

27 VISUALIZZAZIONE DELL IMMAGINE TC (4) Nella visualizzazione su monitor dell immagine TC è possibile selezionare un campo ristretto di interesse (finestra) della completa scala dei valori di assorbimento per la riproduzione dell immagine, rappresentandolo con tutta la tonalità di grigi del monitor In tal modo l occhio umano è in grado di sfruttare meglio la sensibilità contrastografica della TC

28 VISUALIZZAZIONE DELL IMMAGINE TC (5)

29 VISUALIZZAZIONE DELL IMMAGINE TC (6) AMPIEZZA DELLA FINESTRA Il range di rappresentazione dei grigi viene definito ampiezza della finestra (Window Width) I livelli al di sopra ed al di sotto dei limiti della finestra sono rappresentati come bianco e nero I livelli di grigio intermedi vengono distribuiti in maniera lineare all interno della finestra: se la finestra è ampia, molti livelli di grigio sono rappresentati se la finestra è stretta, tra il bianco ed il nero ci saranno pochi livelli di grigio per cui saranno visibili anche lievi differenze di densità

30 VISUALIZZAZIONE DELL IMMAGINE TC (7) AMPIEZZA DELLA FINESTRA

31 VISUALIZZAZIONE DELL IMMAGINE TC (8) LIVELLI DELLA FINESTRA E inoltre possibile spostare il livello della finestra (Window Level), cioè il punto in cui, arbitrariamente, fissiamo il nostro centro al di sopra del quale stanno i tessuti più densi e al di sotto i tessuti meno densi della struttura che vogliamo studiare Una finestra ampia (>1500) con centro su valori elevati (400; 800) viene utilizzata per la visualizzazione dei tessuti duri; con centro spostato su valori molto negativi (-500;- 700) viene usata per i tessuti aerati Una finestra stretta (<500), con livelli compresi tra lo 0 dell acqua e UH, viene usata per i tessuti molli

32 VISUALIZZAZIONE DELL IMMAGINE TC (9) L esame TC fornisce immagini tomografiche assiali, cioè che tagliano perpendicolarmente l asse sagittale mediano, ed eliminano il problema della sovrapposizione tra le varie strutture anatomiche considerate La valutazione in sequenza delle immagini assiali di uno studio permette di avere un quadro complessivo del distretto anatomico indagato La serie delle immagini assiali può essere ricostruita in maniera da ottenere delle immagini lungo piani anatomici diversi (sagittale, dorsale, obliqui o anche curvi) (MPR = Multi Planar Reformation) Oltre alle ricostruzioni planari, molti software di post-processing permettono di ottenere delle ricostruzioni 3D attraverso diversi protocolli di ricostruzione, in partiolare il Maximum Intensity Projection (MIP), il Volume Rendering (VR) ed il Surface Rendering (SR)

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