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SEL 5705 - FUNDAMENTOS FÍSICOS DOS PROCESSOS DE FORMAÇÃO DE IMAGENS
(3. RAIOS-X)
Prof. Homero Schiabel(Sub-área de Imagens Médicas)
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4. Formação de Imagens por Raios-X
4.1. A Radiografia
n 2 fatores fundamentais:n padrão de intensidade de raios-X transmiti-do através do
corpo;
n imagem no sensor (filme, tela, placa...) è densidade ótica (interação dos raios-X com a emulsão ou outro sensor de radiação)
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RAIOS-X ATRAVESSANDO O CORPO HUMANO
n diferenças entre atenuações causadas por osso, músculo e gordura dentro do corpo è visualização da estrutura anatômica na radiografia
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Ex. 1
Io
It
d OSSOTECIDOMOLE
F
Io
ItIt´
intensidadeincidente
intensidadetransmitida
It = Io e -µTd
It´ = Io e -µod
µT = coef. aten. linear tecido mole;µo = coef. aten. linear ossoµµT < µµo
Zosso = 14 > Ztec = 7,5ρρ osso = 1,8 > ρρtec = 1,0
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Ex. 2
I1 = Io e -µTD
I2 = Io [e -µod. e -µo
(D-d)]
Io
It
D
OSSO
TECIDOMOLE
F
dI1
I2
It
x
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fR
f
ffR
f < fR (no centro)
sen θ =θ = f / fR →→
Princípio do foco-linha
→→ f = fR sen θθ
θθ
GEOMETRIA DE EXPOSIÇÃO
n 1. Tamanho do Ponto Focal
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GEOMETRIA DE EXPOSIÇÃO
n 1. Tamanho do Ponto Focal
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GEOMETRIA DE EXPOSIÇÃO
n 1. Tamanho do Ponto Focal(característica de campo)
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F
S1
S2
d dFF1
dFF2
dFD S2
S1
S1
dFF1 dFD
dFF
= =d
S = ddFD
GEOMETRIA DE EXPOSIÇÃO
n 2. Tamanho do Campo
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F
S1
S2
dFF1
dFF2
dFO
r
objeto
dFFS / r =dFO
Se dFF = dFO → S = r
Para dFF > dFO:
= m
Fator de magnificação
GEOMETRIA DE EXPOSIÇÃO
n 3. Magnificação radiográfica
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(*) Maiores detalhes: “Formal study of lateral magnification and its influence on radiological imaging sharpness” - Medical Physics, v. 21 (2), p. 271-276, 1994.
F
dFF
dFO
r
objeto
Plano-imagem
x
S S’
Fator de magnificação lateral (g)
S = R (dFF/dFO) = R m(no centro)
S’ = R (dFF/dFO)(√ dFO2 + x2) / dFO)
S’= R m (√√ dFO2 + x2) / dFO)
GEOMETRIA DE EXPOSIÇÃO
n 4. Distorção e Magnificação Lateral
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f
S
dFF
dFO
p1 p2
D
e
(dFF - dFO)p1 = p2 = f
dFO
p1 + p2 = p →→ PENUMBRA
Fazendo o objeto muito estreito,de modo que D >> e:
GEOMETRIA DE EXPOSIÇÃO
n 5. Penumbra (perda geométrica de nitidez)
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Ponto focal = 0,40 x 0,30 mm
Ponto focal = 1,20 x 0,75 mm
GEOMETRIA DE EXPOSIÇÃO
n 5. Penumbra (perda geométrica de nitidez)
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ESPALHAMENTO E GRADES
n Para caso de absorção fotoelétrica, pode-se considerar que a radiação que sai do paciente é composta apenas do feixe primário è um fóton de R-X é completamente removido do feixe por absorção total;
n Para o caso do espalhamento Compton, não è ocorre apenas absorção parcial
n Radiação espalhada do próprio paciente, na maioria das vezes, não é desprezível e causa perda de resolução na imagem
n Redução do espalhamento è GRADES (80 a 90%)
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R-X
1 32 4
paciente
h
b c
Grades Pb
Razão de Grade → r = h/bRazão de Grade → r = h/b
Fator de Grade: Fator de Grade: F = F = Expos. c/ grade Expos. c/ grade
Expos. s/ grade Expos. s/ grade
ESPALHAMENTO E GRADES
n Raio 1: feixe primário;n Raio 2: rad. espalhada - raio “angula-do” vê uma grande superfície no Pb;n Raio 3: feixe primário → absorvido → fração [b/(b+c)] do feixe primário;n Raio 4: ligeiramente espalhado → an-gulação pequena → não contribui pra-
ticamente para degradação da imagem (como os raios de angulação maior)
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n kVpn Emédia do espectro ≈ 1/3 a 1/2 da kVpn > kVp è > Emédia do feixe è < µ
(maior penetração)
n CONTRASTE
n Diferença detectável na imagem (grau de escureci-mento) entre 2 pontos
n Diferença entre as intensidades de luz transmitidas por uma telafluorescente impressionadas pelos pa-drões de intensidade de R-X:
∆I proporcional a (IT - Io)*
(*) intensidade de luz da tela é proporcional à quantidade E absorvida por ela
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Camada protetora
Camada protetora
emulsão
emulsão
base
n CONTRASTE
n Resposta do olho humano: logarítmica:
C = log10I1 - log10 I2
n FILME RADIOGRÁFICOn Emulsão fixada numa base de material plástico, que contém em
suspensão cristais de Brometo de Prata em material gelatinoso
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(3. RAIOS-X)
Prof. Homero Schiabel(Sub-área de Imagens Médicas)
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Coeficiente de transmissão do filme T = I / Io
Grau de escurecimento (densidade ótica)
D = log (1/T) = log (Io / I)
Io
I
FILME RADIOGRÁFICO
n Radiação interage com os cristais è imagem latente èrevelação è cristais se tornam grãos de prata metálica èfixação (solução de tiossulfito de sódio dissolve brometo e a gelatina não atingidos pela radiação) è lavagem em água èáreas expostas à radiação: mais escuras (proporcionalmente àquanti-dade de radiação recebida)
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Log Exp.
D.O.
1,0
2,0
3,0
FILME RADIOGRÁFICO
Curva Característica do Filme n relação entre a exposição recebida e a correspon-
dente densidade ótica proporcionada:
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FILME RADIOGRÁFICO
n Curva Característica do Filme (Kodak Min-R M)
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Log Exp.
D.O. VELOCIDADE (= sensibilidade)
v = 1 / E1E1 = exposição necessária para produzir
D.O. = 1,0
INCLINAÇÃO (= gradiente)
γ =γ =DO2 - DO1
log E2 - log E1
quanto > γ Ù > in-clinação Ù > velo-cidade
LATITUDE
Intervalo de expos. em que as D.O. estão na parte linear da curva
CONTRASTE
C = DO1 - DO2
FILME RADIOGRÁFICO
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FILME RADIOGRÁFICO
n Obs.: é comum o uso de soluções contrastantes para visualizar melhor determinados órgãos:n BaSO4 → estômago, esôfago, sistema gastrointestinal;
n I (Hypaque) → artérias
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n Ex.: Um feixe de R-X de 80 kVp com filtro de 2 mm Al é dirigido para uma região do braço, onde uma artéria de 1 mm de espessura contémHypaque como contrastante.
- Qual % de fótons que atravessa 8 cm de tecido mole do braço?- Qual % de fótons que atravessa uma região adjacente contendo
a artéria? Ela será visualizada?
Imagem das 1as angiografias (1896): injeção de compostos de mercúrio “post-mortem” (Haschek & Lindenthal - Viena)
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OUTROS SENSORES RADIOGRÁFICOS
n Princípio: LUMINESCÊNCIA(conversão de λ: radiação invisível em luz)
n FLUORESCÊNCIA è emissão em t ≤ 10-8 s;
n FOSFORESCÊNCIA è emissão em t > 10-8 s
n Ex.:n Écrans reforçadores;n Telas fluorescentes;n Intensificadores de imagem
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• Usadas para reduzir a dose no paciente;
• Classificadas em: rápidas, médias, lentas;
capa
Cristais CaWO4
Base de fibra de celuloseCamada base
Camada de fechamentoCamada de fechamentofilme
Fator de intensificação da tela
FI = Ds / Dc
DS : dose necessária p/ obter D.O. = 1,0 sem tela
DC : dose necessária p/ obter D.O. = 1,0 com tela
1. ÉCRANS REFORÇADORES (TELAS INTENSIFICADORAS)
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R-X
Tela fluoroscópica
paciente
Vidro Pb
2. TELAS FLUOROSCÓPICAS
n Visualização de movimentos de estruturas internas;n Material mais usado: CdSO(Zn)
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1a tela fluoroscópica
2a tela fluoroscópicafotocatodo
Feixe de elétrons
Sistema ótico (lentes)
paciente
R-X
3. INTENSIFICADORES DE IMAGEM
• Radiação è tela è luz è fotocatodo emite e- de intensidade pro-porcional à luz da tela è aceleração dos e- (~ 25 kV) è focaliza-çãona 2a tela fluoroscópica è luz de > intensidade (amplificação)
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1a tela fluoroscópica
2a tela fluoroscópicafotocatodo
Feixe de elétrons
paciente
R-X
Tubo de TV
3. INTENSIFICADORES DE IMAGEM
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OUTROS SENSORES RADIOGRÁFICOS
n Princípio: FOTOELÉTRICO
n (conversão de λ: radiação invisível em corrente elétrica)
n Fotodiodos;n Detectores semicondutores (Si, Se, Ge)
n Acoplamentos óticos com CCDs
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• Junção P-N estabelece a região de depleção
• Quando fótons com mais de 1,1 eV atingem o dispositivo, são absorvidos è pares elétron-lacuna que atingem a região de de-pleção è corrente flui entre os dois lados se estiverem eletrica-mente conectados
SiO2
coberturacontato
Região p+
Região de depleção
borda da junção p-n
Silício tipo N
Metalização
difusão n+
FOTODIODOS
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-
+
IL
RL
VO
VO = RL IL
Modo Fotovoltaico
-
+
IL
RL
VO
VO = RL IL
Modo Fotocondutivo
Vi
FOTODIODOS
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FOTODIODOS
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ARRANJOS E CÂMERAS CCD
n Receptor tem formato semelhante ao chassi radiográfico
n Tamanho cerca de 50 x menor que sistema fluoroscópico conven-cional
n Resolução de até 12 bits de ní-veis de cinzan Detector: arranjo de fotodiodos Si e transistores de filme fino
(TFT) acoplados a um cintilador de R-X (normalmente tela de Gd2O2S ou CsI-Tl diretamente depositado no arranjo de Si)
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R-X
cintilador
arranjo de foto-diodos de Si
Placa base
Placa ADC“drivers”
para placa de leitura
(ou CCD)
ARRANJOS E CÂMERAS CCD
n Emissão do cintilador: na faixa de 550 ηm (pico de eficiência dos fotodiodos)
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DR
IV
ER
AMPLIFICAÇÃO/CONTROLE
ARRANJOS E CÂMERAS CCD
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