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Strumentazione biomedica 2 - Fondamenti di Radiologia, Appunti di Radiologia. Politecnico di Torino

Radiologia

Descrizione: Fondamenti di radiologia
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Universita: Politecnico di Torino
Indirizzo: Ingegneria
Materia: Radiologia
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Fighissimi

03/08/13 12:47
Strumentazione biomedica

Strumentazione Biomedica 2

Radiologia - 1

2

I raggi X

• Scoperti da C. Roentgen nel 1895 (premio Nobel nel 1901).

• Radiazioni e.m. con banda 101-104 KeV.

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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 20-200 keV.

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Lo strumento a raggi X

• Sorgente – bersaglio (paziente) – recettore/rivelatore.

• Tubo radiogeno – tipo Coolidge (1913)

– ampolla vetro al boro con vuoto (10-6mmHg)

– catodo (filamento) ed anodo

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Tubo radiogeno - catodo

• Catodo – filamento (tungsteno W o Molibdeno Mo)

riscaldato da corrente di accensione per effetto Joule

– Iacc= 0.1-1000 mA – emissione di elettroni per effetto termoionico

secondo la legge di Richardson

– T = 1500-2600 ºC – Tfusione(W) = 3410ºC

KT a

eAT 2=Φ Φ = flusso di elettroni A = costante (superficie e materiale catodo) T = temperatura assoluta a = lavoro estrazione elettroni K = costante di Boltzmann

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Tubo radiogeno - anodo

• Tensione V tra catodo ed anodo – valori di 10-150 kV – accelerazione elettroni (Ekin) – 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=Erad/Ekin=η0VZ

– η≈1% Ekin trasformata in - calore (99%) - raggi X (1%)

– Tungsteno (W) (> 10kW; Z=74) o Molibdeno (Mo) (< 10kW; Z=42)

η0 = 10-9 V = tensione C-A Z = nr. atomico materiale A

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Tubo radiogeno – emissione raggi X

• Emissione per – collisione eC con eA spettro a righe

caratteristico del materiale

– frenamento eC spettro continuo (bremsstralhung) frazione di Ekin persa (0-100%) viene irradiata come fotoni X con λ data da E=hν (spettro continuo)

• Circa 90% Ekin diventa radiazione di frenamento.

Tungsteno

Molibdeno

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Tubo radiogeno – emissione raggi X

Parametri importanti:

1. corrente nel tubo (mA) aumenta mA aumenta intensità X

non cambia banda X (λmin)

2. tensione A-C (kV) aumenta kV aumenta banda X (qualità)

Legge di Duane-Hunt

V 4.12

min =λ

minmax 5.1

λ [Ǻ],V [kV]

λλ ≈

• Per λ elevate (E basse) il vetro assorbe completamente i fotoni X.

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Interazione raggi X - materia

• Interazione tra fotone X ed atomi (elettroni) provoca attenuazione della radiazione.

• Legge di Lambert-Beer:

µ: coefficiente di attenuazione (lineare) del materiale

µ = µ(ρ,Z,E)

• Es. µ con E=46keV

• µ/ρ: coefficiente di attenuazione di massa

ρ = densità Z = nr. atomico (eq.) E = energia raggi X

NdxdN µ−= xeNN µ−= 0

N = nr. fotoni x (dx) = distanza percorsa µ = costante

acqua muscolo osso iodio piombo

0.22 0.22 0.69 6.5 53

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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

• Scattering Compton causa radiazione diffusa.

Attenuazione in acqua

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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):

• Discretizzazione in CT:

∫ ∫= −max

min

),,,( ),,(),(

E

E

dzEzyx ind dEeEyxIyxI

µ

xeNN µ−= 0

)

µ(x,y; z)

µ11

µ22 µ92

µ15

µ12 µ42 µ52 µ62 µ72 µ82

∑ =

∆− j

ij x

d eiIiI µ

)()( 0

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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

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Dosimetria

Grandezze per misurare dose di radiazione impartita e suoi effetti biologici.

• Esposizione: misura quantità di ionizzazione in aria. 1 R (roentgen) produce 2.58 10-4 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 (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

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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.

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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)

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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 = log10(I0/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) – riducono SNR (fluttuazioni conversione) X-ray Screen

Film X-ray Screen

X-ray Source

Anti-scatter Grid

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Griglie antidiffusive

• Diffusione (scattering) degrada qualità immagine.

• Griglie di collimazione in Pb per bloccare fotoni deviati.

• Rapporto di griglia Rd = h/d. Rg = 5-15; inversamente proporzionale a R = Ndiffusi/Nprimari.

• Appare “immagine” della griglia su pellicola griglie mobili (Bucky)

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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

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Intensificatore di brillanza

• Intensificatore di brillanza IB (image intensifier)

• Tubo a vuoto con – schermo fluorescente in CsI, Ø 12-35 cm

converte fotoni X in luce (2000 a 1) – fotocatodo emette elettroni (10 a 1) – lenti e.m. a ∆V 20-30 kV – schermo fluorescente, Ø 2-3 cm.

• Amplificazione immagine (≈ 104) per – moltiplicazione da fotoni ad elettroni – accelerazione per ∆V – rapporto Ø ingresso / Ø uscita

• Scopia: ≈ mA per posizionamento Grafia: ≈ 102 mA per ripresa

• Riduzione dose con emissione pulsata (≈ ms)

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Esempi

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Esempi

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