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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)


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


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


Ex. 2

I1 = Io e -µTD

I2 = Io [e -µod. e -µo

(D-d)]

Io

It

D

OSSO

TECIDOMOLE

F

dI1

I2

It

x


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



n 1. Tamanho do Ponto Focal



n 1. Tamanho do Ponto Focal(característica de campo)


F

S1

S2

d dFF1

dFF2

dFD S2

S1

S1

dFF1 dFD

dFF

= =d

S = ddFD


n 2. Tamanho do Campo


F

S1

S2

dFF1

dFF2

dFO

r

objeto

dFFS / r =dFO

Se dFF = dFO → S = r

Para dFF > dFO:

= m

Fator de magnificação


n 3. Magnificação radiográfica


(*) 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)


n 4. Distorção e Magnificação Lateral


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:


n 5. Penumbra (perda geométrica de nitidez)


Ponto focal = 0,40 x 0,30 mm

Ponto focal = 1,20 x 0,75 mm


n 5. Penumbra (perda geométrica de nitidez)


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%)


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)


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


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)


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)


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:


FILME RADIOGRÁFICO

n Curva Característica do Filme (Kodak Min-R M)


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


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


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)


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


• 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)


R-X

Tela fluoroscópica

paciente

Vidro Pb

2. TELAS FLUOROSCÓPICAS

n Visualização de movimentos de estruturas internas;n Material mais usado: CdSO(Zn)


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)


1a tela fluoroscópica

2a tela fluoroscópicafotocatodo

Feixe de elétrons

paciente

R-X

Tubo de TV

3. INTENSIFICADORES DE IMAGEM


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


• 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


-

+

IL

RL

VO

VO = RL IL

Modo Fotovoltaico

-

+

IL

RL

VO

VO = RL IL

Modo Fotocondutivo

Vi

FOTODIODOS


FOTODIODOS


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)


R-X

cintilador

arranjo de foto-diodos de Si

Placa base

Placa ADC“drivers”

para placa de leitura

(ou CCD)


n Emissão do cintilador: na faixa de 550 ηm (pico de eficiência dos fotodiodos)


DR

IV

ER

AMPLIFICAÇÃO/CONTROLE



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