Strumentazione Biomedica 2. Radiologia - 1

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Ruggero Catalano
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1 Strumentazione Biomedica 2 Radiologia - 1

2 I raggi X Scoperti da C. Roentgen nel 1895 (premio Nobel nel 1901). Radiazioni e.m. con banda KeV. 2

3 I raggi X Caratteristiche raggi X: in grado di penetrare oggetti opachi in modo selettivo interagiscono con materia (vari fenomeni) con assorbimento ionizzanti (capaci di rompere i legami atomici e molecolari). Applicazioni biomediche diagnostiche usualmente in range kev. 3

4 Lo strumento a raggi X Sorgente bersaglio (paziente) recettore/rivelatore. Tubo radiogeno tipo Coolidge (1913) ampolla vetro al boro con vuoto (10-6 mmhg) catodo (filamento) ed anodo 4

Tubo radiogeno - catodo Catodo filamento (tungsteno W o Molibdeno Mo) riscaldato da corrente di accensione per effetto Joule I acc = 0.

5 Tubo radiogeno - catodo Catodo filamento (tungsteno W o Molibdeno Mo) riscaldato da corrente di accensione per effetto Joule I acc = ma emissione di elettroni per effetto termoionico secondo la legge di Richardson Φ = AT 2 e a KT Φ = flusso di elettroni A = costante (superficie e materiale catodo) T = temperatura assoluta a = lavoro estrazione elettroni K = costante di Boltzmann T = ºC T fusione (W) = 3410ºC 5

6 Tubo radiogeno - anodo Tensione V tra catodo ed anodo valori di kv accelerazione elettroni (E kin ) impatto e brusca decelerazione elettroni su anodo generazione raggi X Anodo disco a faccia inclinata per favorire direzione emissione fotoni e distribuzione calore fissi per potenze < 10kW rotanti (3000 rpm) per potenze > 10kW finestra di uscita quadrata rendimento η=e rad /E kin =η 0 VZ η 0 = 10-9 V = tensione C-A Z = nr. atomico materiale A η 1% E kin trasformata in - calore (99%) - raggi X (1%) Tungsteno (W) (> 10kW; Z=74) o Molibdeno (Mo) (< 10kW; Z=42) 6

7 Tubo radiogeno emissione raggi X Emissione per collisione e C con e A spettro a righe caratteristico del materiale frenamento e C spettro continuo (bremsstralhung) frazione di E kin persa (0-100%) viene irradiata come fotoni X con λ data da E=hν (spettro continuo) Tungsteno Circa 90% E kin diventa radiazione di frenamento. Molibdeno 7

8 Tubo radiogeno emissione raggi X Parametri importanti: 1. corrente nel tubo (ma( ma) aumenta ma aumenta intensità X non cambia banda X (λ min ) 2. tensione A-C A C (kv( kv) aumenta kv aumenta banda X (qualità) Legge di Duane-Hunt λ = 12.4 min V λ 1. λ max 5 min λ [Ǻ],V [kv] Per λ elevate (E basse) il vetro assorbe completamente i fotoni X. 8

9 Interazione raggi X - materia Interazione tra fotone X ed atomi (elettroni) provoca attenuazione della radiazione. Legge di Lambert-Beer: dn = µndx N = N 0 e µ x N = nr. fotoni x (dx) = distanza percorsa µ = costante µ: coefficiente di attenuazione (lineare) del materiale µ = µ(ρ,z,e) Es. µ con E=46keV ρ = densità Z = nr. atomico (eq.) E = energia raggi X acqua muscolo osso iodio piombo µ/ρ: coefficiente di attenuazione di massa 9

10 Interazione raggi X - materia Fenomeni di attenuazione 1. scattering coerente o Rayleigh deviazione fotone e perdita E (piccole) µray ρz2e-1 2. effetto fotoelettrico fotone assorbito da orbitali M, L (bassa E) e K (alta E) µphoto ρz3e-3 3. scattering Compton deviazione fotone (grande) con perdita E (piccola) µcomp ρze-1 µ = µray + µphoto + µcomp µray trascurabile µphoto prevalente a E basse, legato a Z µcomp prevalente a E alte, poco legato a Z Attenuazione in acqua Scattering Compton causa radiazione diffusa. diffusa 10

11 Interazione raggi X - materia Attenuazione nella realtà: radiazione X poli-energetica (spettro di E): µ = µ(e) mezzo attenuante non omogeneo: µ = µ(x,y,z) Legge di Lambert-Beer diventa, sul piano del rivelatore (perpendicolare al fascio): I N d = N 0 e ( x, y) = µ x E E max min I in ( x, y, E) e µ ( x, y, z, E) dz de µ(x,y; z) Discretizzazione in CT: I d ( i) = I0( i) e j µ x ij ) µ 15 µ 12 µ 22 µ 42 µ 52 µ 62 µ 72 µ 82 µ 92 µ 11 11

12 Filtraggio raggi X Radiazione ideale è monocromatica (µ=µ(e)) reale viene emessa con spettro continuo. Filtri per sagomare opportunamente spettro: 1. vetro tubo radiogeno assorbe E minori (λ maggiori) inutili (non penetrano tessuto) dannose (possibili ustioni) 2. lamine metalliche per E maggiori (λ maggiori) Al: < 120 kev Cu: 120 kev 1000 kev Pb: < 1000 kev 12

13 Dosimetria Grandezze per misurare dose di radiazione impartita e suoi effetti biologici. Esposizione: misura quantità di ionizzazione in aria. 1 R (roentgen) produce C per Kg di aria SI: 1 C/Kg = 3876 R. Dose assorbita (D): misura quantità di energia assorbita da tessuto. 1 rad (radiation absorbed dose) produce un assorbimento di 0.01 J/Kg SI: 1 Gy (gray) = 1 J/Kg = 100 rad Dose equivalente Dose equivalente (H): misura dose assorbita ponderata per effetto biologico sull uomo del tipo di radiazione. 1 Rem (radiation equivalent in man) = D x WR WR = 1 per X, γ, β; 10 per protoni, 20 per particelle α SI: 1 Sv (sievert) = 100 Rem 13

14 Dosimetria Dose efficace (DE): esprime la gravità del danno biologico in relazione al tessuto/organo colpito (in sievert) DE = D x WR x WT (WT = 0.03 tiroide; 0.12 midollo osseo; 1 corpo intero) Unità pratica utilizzata: mas (esposizione presente con 1 ma nel tubo radiogeno per 1 secondo). Esiste radiazione del fondo naturale (10-100µR/h; 90% esposizione media totale). Dosi massime ammissibili (ICRP, 1958): persone cronicamente esposte: 5 Rem/anno persone occasionalmente esposte: 0.5 Rem/anno Esempi di dosi per esami radiologici: lastra polmoni: 5 mrem lastra colonna vertebrale:70 mrem esame CT 100 slices: 300 mrem. 14

Recettori - rivelatori Rilevano/misurano fotoni X. Immagine formata sulla base della radiazione assorbita dal bersaglio e rappresenta attenuazione µ.

15 Recettori - rivelatori Rilevano/misurano fotoni X. Immagine formata sulla base della radiazione assorbita dal bersaglio e rappresenta attenuazione µ. Principali tipologie: pellicole radiografiche fluoroscopia camere di ionizzazione (CT) Caratteristiche efficienza (per contrasto) risoluzione (per dettaglio) Modalità a conteggio diretto nr. fotoni (radioisotopi) ad integrazione, media nr. fotoni (radiologia) 15

16 Pellicole radiografiche Emulsione di grani di AgBr (1µm) sensibile a raggi X, che formano immagine latente. Annerimento pellicola espresso da densità ottica (capacità di trasmissione della luce): D = log 10 (I 0 /I) Relazione [D - esposizione ] espressa da curva HD contrasto (valore γ): pendenza in zona lineare latitudine: ampiezza di esposizione delle zona lineare Alta velocità: alto contrasto, scarsa latitudine Bassa velocità: basso contrasto, elevata latitudine. Schermi di rinforzo fluorescenti aumentano efficienza di rivelazione (minor dose) X-ray Source riducono SNR (fluttuazioni conversione) X-ray Screen Film Anti-scatter Grid X-ray Screen 16

17 Griglie antidiffusive Diffusione (scattering) degrada qualità immagine. Griglie di collimazione in Pb per bloccare fotoni deviati. Rapporto di griglia R d = h/d. R g = 5-15; inversamente proporzionale a R = N diffusi /N primari. Appare immagine della griglia su pellicola griglie mobili (Bucky) 17

18 Rivelatori a fluorescenza Luminescenza indotta in sali minerali (es. fosfori) - diretta (debole lum., alta I, pericolosa) - indiretta. Schermografia con schermo fluoroscopico (con/senza pellicola) Cineradiografia con intensificatore di brillanza: - alta sensibilità (bassa dose) - specchio per visione/ripresa - immagini dinamiche -movimenti / flussi - controlli in chirurgia - inserimento cateteri 18

19 Intensificatore di brillanza Intensificatore di brillanza IB (image intensifier) Tubo a vuoto con schermo fluorescente in CsI, Ø cm converte fotoni X in luce (2000 a 1) fotocatodo emette elettroni (10 a 1) lenti e.m. a V kv schermo fluorescente, Ø 2-3 cm. Amplificazione immagine ( 10 4 ) per moltiplicazione da fotoni ad elettroni accelerazione per V rapporto Øingresso/ Øuscita Scopia: ma per posizionamento Grafia: 10 2 ma per ripresa Riduzione dose con emissione pulsata ( ms) 19

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