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RADIOLOGIA: GENERALITA di TECNICA 1 CENNI STORICI ( Lezione realizzata dal Prof. C. Fava, Univ. di Torino)

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1 RADIOLOGIA: GENERALITA di TECNICA 1 CENNI STORICI ( Lezione realizzata dal Prof. C. Fava, Univ. di Torino)

2 Possiamo ottenere IMMAGINI a scopo diagnostico utilizzando: RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE IONIZZANTI RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE NON IONIZZANTI ONDE MECCANICHE FENOMENI MAGNETICI

3 ROENTGEN Il 28 dicembre 1895 W.C.Roentgen, professore di fisica di Wurzburg, annunciava la scoperta dei Raggi X, radiazioni elettromagnetiche che egli aveva constatato uscire da un tubo a raggi catodici che stava usando nel proprio laboratorio

4 La definizione di raggi X (= misteriosi) è dello stesso Roentgen. Si trattava di radiazioni elettromagnetiche, caratterizzate da lunghezza donda inferiore a quella della luce visibile.

5 RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE Onde radio 300 KHz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz 300 GHz 3 THz 30 THz 300 THz 3 PHz 30 PH 300 PHz 3 EHz 30 EHz 300 EHz 3000 Ehz EHz 1000 m 100 m 10 m 1 m 100 mm 10 mm 1 mm 100 μm 10 μm 1 μm 100 nm 10 nm 1 nm 100 pm 10 pm 1 pm 0,1 pm 0,01 pm TIPI DI RADIAZIONI Raggi infrarossi Luce visibile Raggi Ultravioletti Raggi X e γ LUNGHEZZA DONDA FREQUENZA ENERGIA 1,24 neV 12,4 neV 124 neV 1,24 μeV 12,4 μeV 124 μeV 1,24 meV 12,4 meV 124 meV 1,24 eV 12,4 eV 124 eV 1,24 KeV 12,4 KeV 124 KeV 1,24 MeV 12,4 MeV 124 MeV

6 RAGGI X impiegati in diagnostica e radioterapia superficiale Lunghezza donda: da 1A a 0,1A Energia: da ev a ev La energia del fotone è legata alla frequenza Energia = h x frequenza h: costante di Planck (6,61 x j x s)

7 procedono in linea retta possono attraversare il vuoto non sono influenzate dai campi magnetici Le RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE :

8 FUOCO OGGETTO OMBRA Se le radiazioni elettromagnetiche incontrano un osta- colo, si determina la formazione di unombra, dovuta allassorbimento del fascio

9 procedono in linea retta possono attraversare il vuoto non sono influenzate dai campi magnetici se incontrano un corpo solido ne vengono assorbite Le RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE :

10 procedono in linea retta possono attraversare il vuoto non sono influenzate dai campi magnetici attraversano i corpi solidi venen- done parzialmente assorbiti I RAGGI X:

11 La diversa lunghezza donda (legata alla diversa energia) è motivo del differente comportamento: i raggi luminosi non attraversano i corpi solidi (con poche eccezioni), ma ne sono assorbiti o riflessi; i raggi X attraversano i corpi solidi venendone parzialmente assorbiti al passaggio. La loro energia è tale da determinare ionizzazioni.

12 i raggi X sono in grado di attraversare i corpi opachi alla luce al passaggio, il fascio viene assorbito: lassorbimento è in rapporto alla quantità e alla qualità della sostanza attraversata

13 La qualità della sostanza è di fatto rappresentata dal numero atomico (Z) dei costituenti: H O C Ca ======== I Ba W Pb ========

14 Le differenze di densità tra le diverse componenti anatomiche sono alla base del contrasto naturale. In generale, tanto maggiore è il contrasto naturale, tanto più è agevole riconoscere le diverse componenti anatomiche.

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16 Vi sono condizioni (soprattutto in RT), nelle quali il contrasto naturale non è sufficiente per distinguere tra loro le diverse componenti anatomiche. In questi casi si ricorre a sostanze che, introdotte in vario modo nellorganismo, sono in grado di creare un contrasto artificiale.

17 Queste sostanze si chiamano MEZZI DI CONTRASTO (mdc). Il loro impiego è vecchio quanto è vecchia la radiologia. Classicamente vengono distinti in mdc opachi e mdc trasparenti. I primi (opachi o radiopachi) sono di gran lunga i più usati.

18 Addome direttoAddome con bario

19 RADIOLOGIA: GENERALITA di TECNICA 2 PRODUZIONE RAGGI X

20 create da macchine (= raggi X) naturali (= raggi ) Le RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE IONIZZANTI sono:

21 PRODUZIONE DI RAGGI X MEDIANTE MACCHINE: I TUBI RADIOGENI

22 Caratteristica comune di tutte queste macchine è di determinare laccelerazione di elettroni nel vuoto per effetto di una differenza di potenziale elevata. Gli elettroni così accelerati causeranno la formazione di raggi X per interferenza con gli atomi del metallo (abitualmente Tungsteno) di cui è costituito lanodo.

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29 MECCANISMI DI FORMAZIONE DEI RAGGI X: Radiazione di frenamento (o Bremsstrahlung) Radiazione caratteristica

30 MECCANISMI DI FORMAZIONE DEI RAGGI X: Radiazione di frenamento (o Bremsstrahlung) Radiazione caratteristica

31 PRODUZIONE DI RAGGI X PER FRENAMENTO e-e-

32 e-e-

33 MECCANISMI DI FORMAZIONE DEI RAGGI X: Radiazione di frenamento (o Bremsstrahlung) Radiazione caratteristica o eccitazione

34 PRODUZIONE DI RAGGI X PER ECCITAZIONE e-e-

35 e-e-

36 e-e-

37 La radiazione caratteristica concorre in misura quantitativamente modesta alla composizione del fascio: alla tensione di 100 kVp solo il 15% dei fotoni riconosce questo meccanismo di formazione.

38 Il rendimento del tubo radiogeno è molto basso, in quanto il 95% circa dellenergia ceduta dagli elettroni accelerati sullanodo si trasforma in calore. Questo calore si sviluppa dalla macchia focale, bombardata dagli elettroni.

39 Ciò crea importanti problemi, in quanto per migliorare la qualità dellimmagine è soprattutto importante ridurre il più possibile le dimensioni della macchia focale: il fuoco ideale è puntiforme. Si delineano pertanto le necessità antitetiche di ridurre le dimensioni e insieme la temperatura della macchia focale.

40 OMBRA E PENOMBRA FFF OOO D1D1 D2D2 D3D3

41 FUOCO NON PUNTIFORM E FUOCO PUNTIFORM E

42 TUBO DI COOLIDGE

43 un fuoco elettronico un fuoco ottico un fuoco termico La macchia focale è in realtà unastrazione geometrica, essendo la proiezione su una determinata direttrice di una superficie inclinata. In un tubo riconosciamo:

44 Il FUOCO ELETTRONICO è la porzione di anodo colpita dagli elettroni liberati dalla spiralina catodica ed accelerati dalla differenza di potenziale. E larea sulla quale si formano i raggi X.

45 FUOCO ELETTRONICO

46 Il FUOCO OTTICO è la proiezione geometrica del fuoco elettronico lungo la direzione del fascio: è quindi una entità apparente, le cui dimensioni condizionano peraltro in modo determinante la qualità dellimmagine radiologica.

47 FUOCO OTTICO

48 Le dimensioni del fuoco ottico possono essere ridotte senza variare le dimensioni del fuoco elettronico, giuocando sul fattore proiettivo (incrementando, cioè, linclinazione del piano anodico).

49 EFFETTO DELLINCLINAZIONE DEL PIANO ANODICO SULLE DIMENSIONI DEL FUOCO OTTICO

50 Il FUOCO TERMICO è la parte di anodo sottoposta a riscaldamento per effetto del bombardamento degli elettroni. Nei tubi ad anodo fisso coincide con il fuoco elettronico. Nei tubi ad anodo rotante possiede una superficie che aumenta con il crescere del diametro del piatto anodico.

51 FUOCO TERMICO FUOCO TERMICO = FUOCO ELETTRONICO NEI TUBI AD ANODO FISSO

52 FUOCO TERMICO FUOCO ELETTRONICO FUOCO OTTICO TUBO AD ANODO ROTANTE

53 Esistono peraltro ulteriori opzioni tecnologiche per ottenere il raffreddamento dellanodo: una via molto seguita è quella della circolazione di liquido refrigerante (acqua, olio...) allinterno della cuffia di protezione del tubo radiogeno.

54 MODALITA DI ATTENUAZIONE DEL FASCIO

55 INTERAZIONE DEI FOTONI X CON LA MATERIA: EFFETTO TOMPSON EFFETTO FOTOELETTRICO EFFETTO COMPTON FORMAZIONE DI COPPIE

56 il fotone incidente cede tutta la propria energia a un elettrone, che viene sbalzato dallorbita; un altro elettrone viene allora richiamato da unaltra orbita, con lemissione di un fotone di fluorescenza EFFETTO FOTOELETTRICO:

57 EFFETTO FOTOELETTRICO o di FLUORESCENZA e-e-

58 il fotone incidente cede parte della propria energia a un elettrone (elettrone Compton, che viene sbalzato dallorbita), cambiando direzione e aumentando la propria lunghezza donda EFFETTO COMPTON:

59 EFFETTO COMPTON e-e-

60 RIVELATORI DI RAGGI X

61 RIVELAZIONE Limmagine di assorbimento di un fascio è una immagine latente. Perché acquisti significato pratico deve essere rivelata.

62 IMMAGINE LATENTE DI ASSORBIMENTO NEL FASCIO (RADIORILIEVO) ANCORA DA RIVELARE OGGETTO (CON LESIONE) TUBO RADIOGENO FASCIO DI RADIAZIONI

63 annerire le emulsioni fotografiche rendere fluorescenti alcune sostanze Già Roentgen si era accorto (peraltro in modo casuale) che i raggi X erano in grado di:

64 SOSTANZE FLUORESCENTI EMULSIONI FOTOGRAFICHE CRISTALLI FOTOEMITTENTI CAMERE DI IONIZZAZIONE CAMPI ELETTRICI RIVELATORI DI RAGGI X:

65 RADIOLOGIA: GENERALITA di TECNICA 3 RIVELATORI DI RAGGI X

66 IMMAGINE LATENTE DI ASSORBIMENTO NEL FASCIO (RADIORILIEVO) ANCORA DA RIVELARE OGGETTO (CON LESIONE) TUBO RADIOGENO FASCIO DI RADIAZIONI

67 IMMAGINE LATENTE DI ASSORBIMENTO NEL FASCIO (c.d. radiorilievo) OGGETTO (CON LESIONE) TUBO RADIOGENO FASCIO DI RADIAZIONI

68 IMMAGINE LATENTE DI ASSORBIMENTO NEL FASCIO (c.d. radiorilievo) PELLICOLA OGGETTO (CON LESIONE) TUBO RADIOGENO FASCIO DI RADIAZIONI

69 IMMAGINE LATENTE DI ASSORBIMENTO NEL FASCIO (c.d. radiorilievo) PELLICOLA OGGETTO (CON LESIONE) TUBO RADIOGENO FASCIO DI RADIAZIONI IMMAGINE RIVELATA

70 annerire le emulsioni fotografiche rendere fluorescenti alcune sostanze Già Roentgen si era accorto (peraltro in modo casuale) che i raggi X erano in grado di:

71 SOSTANZE FLUORESCENTI RIVELATORI DI RAGGI X:

72 SCHERMO PER RADIOSCOPIA (sezione)

73 RISCHI PER LOPERATORE CONNESSI ALLA RADIOSCOPIA

74 INTENSIFICATORE DI BRILLANZA

75 INTENSIFICATORE DI BRILLANZA RADIOLOGICO CILINDRO SOTTO VUOTO STRATO FOTOSENSIBILE SCHERMO SECONDARIO LUCE

76 INTENSIFICATORE DI BRILLANZA RADIOLOGICO RAGGI X CILINDRO SOTTO VUOTO STRATO FOTOSENSIBILE SCHERMO SECONDARIO SCHERMO PRIMARIO

77 SOSTANZE FLUORESCENTI EMULSIONI FOTOGRAFICHE CRISTALLI FOTOEMITTENTI CAMERE DI IONIZZAZIONE CAMPI ELETTRICI RIVELATORI DI RAGGI X:

78 SUPPORTO (un tempo di acetato, ora di plastica) EMULSIONE 1 EMULSIONE 2 Granuli della emulsione 0,2 mm

79 Nellesecuzione di radiografie leffetto di annerimento diretto e lattitudine ad evocare fluorescenza vengono utilizzati contemporaneamente con un semplice, efficacissimo, artificio

80 PELLICOLA TRADIZIONALE CON DOPPIA EMULSIONE SUPPORTO EMULSIONE II EMULSIONE I SCHERMO DI RINFORZO FRONT SCHERMO DI RINFORZO BACK

81 Lannerimento delle pellicole è dovuto in larga prevalenza allazione degli schermi di rinforzo 40 : 1

82 Questo forte incremento di annerimento corrisponde ad eguale riduzione della dose. Il prezzo da pagare, però, è uno scadimento della qualità dellimmagine, dovuta a diversi fattori. SUPPORTO SCHERMO DI RINFORZO FRONT SCHERMO DI RINFORZO BACK CROSS-OVER e altri difetti da schermi

83 SUPPORTO EMULSIONE II EMULSIONE I SCHERMO DI RINFORZO FRONT SCHERMO DI RINFORZO BACK SUPPORTO EMULSIONE SCHERMO DI RINFORZO SUPPORTO EMULSIONE II EMULSIONE I 2 emulsioni, 2 schermi 1 emulsione, 1 schermo 2 emulsioni, non schermi 1 2/3 40 PELLICOLA DOSE

84 SENZA SCHERMI UNO SCHERMODUE SCHERMI

85 Il fascio di raggi X viene assorbito in misura maggiore o minora in rapporto alla quantità e qualità (= densità) dei tessuti attraversati. Il tessuto poco denso assorbe scarsamente il fascio: è, cioè, trasparente al fascio o radiotrasparente. Allopposto, il tessuto denso che assorbe molto il fascio si definisce radiopaco.

86 Se si utilizza una pellicola come rivelatore, là dove il fascio giunge poco assorbito si osserva un notevole annerimento. Pertanto sulla pellicola (che è un negativo!) il forte annerimento significa radiotrasparenza (o trasparenza). Scarso annerimento è invece sinonimo di radiopacità (od opacità).

87 Se invece si utilizza come rivelatore uno schermo di radioscopia, le cose vanno in modo inverso: là dove il fascio giunge poco attenuato (ipodensità!) si ha infatti forte illuminazione dello schermo. Forte illuminazione (= bianco) significa radiotrasparenza, mentre scarsa illuminazione (= nero) sta per opacità. E lopposto della pellicola!

88 Il concetto - fondamentale in Radiologia - di opacità e trasparenza deve dunque prescindere del sistema di rilevazione, che ne può far variare le modalità di presentazione. Trasparente (radiotrasparente) è la struttura che assorbe poco il fascio di raggi X, opaco (radiopaco) è loggetto che assorbe molto il fascio.

89 RISOLUZIONE SPAZIALE: E lattitudine di una metodica di imaging a riconoscere come distinti tra loro due punti (o due linee). La risoluzione spaziale indica in pratica la capacità di rappresentare particolari fini. Si valuta in paia di linee per millimetro (=iquante coppie di linee per millimetro, luna bianca e laltra nera, la metodica è in grado di riconoscere come distinte).

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91 RISOLUZIONE DI CONTRASTO: In RT e TC è lattitudine di una metodica di imaging a riconoscere gli scarti di densità tra strutture diverse (= bianco dal nero). In RM il concetto è analogo, ma basato, invece che sulla densità, sulle differenze di distribuzione di protoni ovvero sulle differenze dei tempi di rilassamento nelle varie componenti anatomiche. In ecografia il contrasto trae origine dalle differenze di impedenza acustica.

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93 MODALITA DI FORMAZIONE DELLIMMAGINE RADIOGRAFICA

94 RADIOLOGIA: GENERALITA di TECNICA 4 FORMAZIONE IMMAGINE

95 FUOCO OGGETT O OMBRA FASCIO DI RADIAZIONI E SUO ASSORBIMENTO

96 I problemi con i quali dobbiamo confrontarci sono fondamentalmente due: limmagine radiografica è bidimensionale, e corrisponde alla vista in pianta delloggetto nella specifica proiezione il fascio di raggi X diverge

97 Limmagine radiografica è bidimensionale, e corrisponde alla vista in pianta delloggetto nella specifica proiezione 1

98 SOLIDI DIVERSI: loro immagine di proiezione lungo lasse del fascio incidente

99 2 Il fascio di raggi X diverge

100 Le radiazioni elettromagnetiche (e tra queste i raggi X) procedono in linea retta dalla sorgente verso linfinito, divergendo tra loro.

101 La divergenza del fascio causa ingrandimento dellombra rispetto alloggetto O O F P

102 Fattore di ingrandimento: d2distanza F-P d1distanza F-O = O O F P

103 RADIOLOGIA: GENERALITA di TECNICA 5 RADIOGRAFIA DIGITALE

104 SOSTANZE FLUORESCENTI EMULSIONI FOTOGRAFICHE CRISTALLI FOTOEMITTENTI CAMERE DI IONIZZAZIONE CAMPI ELETTRICI RIVELATORI DI RAGGI X:

105 SOSTANZE FLUORESCENTI EMULSIONI FOTOGRAFICHE CRISTALLI FOTOEMITTENTI CAMERE DI IONIZZAZIONE CAMPI ELETTRICI RIVELATORI DI RAGGI X:

106 SOSTANZE FLUORESCENTI EMULSIONI FOTOGRAFICHE CRISTALLI FOTOEMITTENTI CAMERE DI IONIZZAZIONE SEMICONDUTTORI RIVELATORI DI RAGGI X:

107 Successivamente allo sviluppo della TC, si è assistito alla comparsa di altre tecniche che forniscono immagini di tipo digitale (cioè su matrice numerica). Si tratta di immagini analoghe ai radiogrammi, ma elaborate dal computer partendo da sistemi di rivelazione diversi dalla pellicola radiografica. Si definiscono RADIOGRAFIE DIGITALI.

108 Le radiografie digitali, al pari di tutte le immagini digitali, sono basate sul ricorso ad una MATRICE, nella quale limmagine viene scomposta in un numero finito di unità elementari di superficie, per lo più quadrate, chiamate PIXEL

109 PIXEL MATRICE

110 In una matrice tanto più piccoli sono i pixel, tanto più dettagliata è limmagine. Una matrice fitta è indispensabile quando si richieda una elevata risoluzione spaziale.

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113 In una matrice tanto più piccoli sono i pixel, tanto più dettagliata è limmagine. Una matrice fitta è indispensabile quando si richieda una elevata risoluzione spaziale. In questottica, il banco di prova di gran lunga più impegnativo è rappresentato dello studio radiologico del torace.

114 Si conoscono attualmente quattro modalità principali di radiografia digitale: rad. digitale da intensificatore di brillanza rad. digitale ai fosfori con memoria rad. digitale con CCD rad. digitale a piastra di materiale semiconduttore

115 INTENSIFICATORE DI BRILLANZA FOSFORI CON MEMORIA CCD PIASTRA DI MATERIALE SEMICONDUTTORE

116 INTENSIFICATORE DI BRILLANZA FOSFORI CON MEMORIA CCD PIASTRA DI MATERIALE SEMICONDUTTORE

117 INTENSIFICATORE DI BRILLANZA FOSFORI CON MEMORIA CCD PIASTRA DI MATERIALE SEMICONDUTTORE

118 FOSFORI A MEMORIA Sistema sviluppato da una ditta giapponese a partire dagli anni 80, è stato progressivamente migliorato ed è attualmente lunica modalità digitale per radiologia generale ampiamente diffusa e sperimentata

119 FOSFORI CONVENZIONALI FOSFORI A MEMORIA RAGGI X LASER RAGGI XLUCE LUCE + ENERGIA MEMORIZZATA LUCE

120 E ben noto che la qualità dellimmagine nel radiogramma digitale è in relazione a due fattori: la scala dei grigi la finezza della matrice

121 Anche se un po impropria, una valutazione in questottica del radiogramma analogico può essere tentata: 6 p linee/mm pixel = mm 43 cm 35 cm

122 LIVELLI DI GRIGIO Sono determinati dal numero di bit disponibili per la codifica: 8 bit: 256 livelli di grigio 10 bit: livelli di grigio 12 bit: livelli di grigio 14 bit: livelli di grigio

123 RISOLUZ. SPAZIALE/CONTRASTO Intensificatore Fosfori 512 x Rad. Tradiz x 1700 MATRICE 83 PIXEL (μm)Bit x 4200

124 INTENSIFICATORE DI BRILLANZA FOSFORI CON MEMORIA CCD PIASTRA DI MATERIALE SEMICONDUTTORE

125 INTENSIFICATORE DI BRILLANZA FOSFORI CON MEMORIA CCD PIASTRA DI MATERIALE SEMICONDUTTORE

126 The Evolution of Image Capture Technologies

127 CURVA CARATTERISTICA DI UNA PELLICOLA

128 CURVA DI RISPOSTA AI RAGGI X DI UN DETETTORE DIGITALE

129 RISOLUZ. SPAZIALE/CONTRASTO Intensificatore Fosfori G. E. Trixel 512 x Rad. Tradiz. Hologic x x x x 2550 MATRICE 83 PIXEL (μm)Bit Thoravision x x 4200

130 DQE Detective Quantum Efficiency 2 lp/mm Schermi blu Fosfori Schermi verdi Selenio

131 RAD. DIGITALE: SVANTAGGI Risoluzione spaziale inferiore (in quasi tutte le apparecchiature) al radiogramma tradizionale Necessità di apparecchiature dedicate Costi molto elevati

132 Leggero risparmio di dose (con le metodiche più recenti) Ampia latitudine di esposizione (scomparsa degli errori tecnici) Ottimizzazione del contrasto Possibilità di post-processing Archiviazione in forma digitale RAD. DIGITALE: VANTAGGI


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