PRICIPI DI TOMOGRAFIA
COMPUTERIZZATA
Definizione
La tomografia computerizzata (TC) è un procedimento
radiografico digitalizzato che permette di rappresentare
sezioni assiali o parassiali di spessore finito del corpo
umano tramite immagini esenti da sovrapposizione di
strutture, caratterizzate da elevatissima risoluzione
contrastografica.
Limiti della radiologia
convenzionale
• Sovrapposizione proiettiva delle strutture
anatomiche  informazione sintetica
• Scarsa risoluzione di contrasto
Perché la TC ?
• Superare il limite della sovrapposizione
proiettiva delle strutture  informazione
analitica
• Migliorare la risoluzione di contrasto
STORIA DELLA TC
1895- Fourier: trasformazione analogico-digitale.
1917- Trasformata di Radon: note tutte le proiezioni di un
oggetto è possibile ricostruirne la forma e la posizione.
1963- Cormak: elaborazione elettronica delle differenze di
densità ottenute con la radiografia
1971- Hounsfield: primo prototipo di apparecchiatura TC
1979- Hounsfield e Cormak: premio Nobel per la Medicina
Componenti di un’apparecchiatura TC
Convertitore
analog./digit. SAD
G
E
N
D
D
D
Monitor di
visualizzazione
Elaboratore
elettronico
Archiviazione
D
Hard copy
Worksation
Da cosa è composta un’apparecchiatura TC ?
TUBO RADIOGENO
GANTRY
Grande capacità termica
Diametro apertura 65-100 cm
Inclinabilità ± 30°
Centratore laser
D
D
D
D
DETETTORI
LETTINO
PORTA-PAZIENTE
Trasformano l’energia radiante in
impulso elettrico misurabile
Tubo radiogeno
Alta capacità termica (~6 MHU)
D
Resistenza per ampia gamma di
tensioni 80-140 Kvp e per alta
intensità di corrente 10-450 mA
D
D
D
Fuoco fluttuante (multifan)
Altre componenti di apparecchiatura TC
Collimatore:
D
D
D
D
Il collimatore è lo strumento
che serve per ridurre le
dimensioni del fascio di raggi
X a quelle desiderate; può
essere posizionato sia a
livello del tubo radiogeno sia
a livello dei detettori
Altre componenti di apparecchiatura TC
Detettori o Fotorivelatori:
Rendono possibile la misurazione
dell’intensità del fascio
emergente.
D
D
Convertono la radiazione X
D
D
in corrente elettrica di intensità
proporzionale
cuffia
fotorivel
Finestra
Filamento
Antielettrodo
raffreddamento
Raffreddamento con acqua-propilene-ac.glicolico
Griglia fotorivelatori
Detector
The Principle
•Collimator:
External
Collimator
Plate
– Molybdenum
• 1.027 mm pitch
• eliminate scatter
x-ray
•Scintillator:
– material is Gd2O2S:Pr
Internal
Collimator
• converts x-ray to visible
light
• high luminescence
efficiency
Scintillator
•Photo diode:
Light
• converts visible light to an
electrical signal
Photo diode
to DAS
Lettino e gantry
Centratore laser
Lettino motorizzato che permette lo
spostamento del paziente durante l’esecuzione
delle scansioni TC: può essere dotato di
supporti per l’esame dell’encefalo
Inclinabilità ± 30°
Diametro apertura 65-100 cm
Sistema di acquisizione e trasformazione dei dati (SAD)
Convertitore
analog./digit. SAD
G
E
N
D
D
D
D
Raccoglie i segnali elettrici
dei detettori e li trasforma
in dati numerici del tipo 2^n
Elaboratore elettronico (CPU)
Convertitore
analog./digit. SAD
G
E
N
D
Elaboratore
elettronico
Modula e gestisce l’intero processo
di funzionamento dell’impianto
D
D
D
Raccoglie e integra i dati numerici
del SAD e li trasforma in immagine
Capacità di eseguire 5-10 Milioni di
operazioni/sec
Capacità di memoria interna  3000
MB per raw data
TC – Principi Fisici
a) Attenuazione lineare dell’energia radiante
b) Localizzazione spaziale delle strutture
c) Procedimenti di calcolo per elaborare i dati
Attenuazione lineare dell’energia radiante
II= Energia
del raggio incidente
Lampert-Beer
Law
I(w)=I0 e ^- w
1
D
D
D
D
TC – Principi Fisici
a) Attenuazione lineare dell’energia radiante
b) Localizzazione spaziale delle strutture
c) Procedimenti di calcolo per elaborare i dati
Localizzazione spaziale delle strutture
Il sistema è costituito da una sorgente radiogena e da
un detettore, allineati e contrapposti.
Il fascio incidente, finemente collimato, opera una
scansione lineare sul piano tomografico lungo tutta la
sezione trasversale interessata.
Durante l’intero procedimento il fascio emergente viene
campionato,
elaboratore.
digitalizzato
e
trasmesso
a
un
Localizzazione spaziale delle strutture
Channel # (1900)
TC – Principi Fisici
a) Attenuazione lineare dell’energia radiante
b) Localizzazione spaziale delle strutture
c) Procedimenti di calcolo per elaborare i dati
Procedimenti di calcolo per elaborare i dati
Formazione della matrice
Nella ricostruzione dello strato, la sua superficie viene suddivisa in una
MATRICE di elementi di dimensioni uniformi (PIXEL).
Per la determinazione dei valori di attenuazione di ciascun pixel, l’oggetto
viene diviso in una matrice costituita da 512 piccoli elementi per lato di
volume uniforme (VOXEL) e viene misurato il rispettivo coefficiente di
attenuazione da differenti punti di vista lungo un arco di circonferenza.
Procedimenti di calcolo per elaborare i dati
Ricostruzione delle immagini per iterazione
I valori di
attenuazione
di ciascun
pixel sono
trasferiti ad un
computer per
l’elaborazione
N0
N0
N1  N 0 e  ( µ1  µ2 ) x
N 2  N 0 e ( µ3  µ4 ) x
N 3  N 0 e ( µ1  µ3 ) x
N 4  N 0 e ( µ2  µ4 ) x
N0
µ1
µ2
N1
N0
µ3
µ4
N2
N3
N4
1  ...
 2  ...
 3  ...
 4  ...
Procedimenti di calcolo per elaborare i dati
Riferimento della attenuazione del fascio di fotoni all’angolo di
inclinazione tubo/detettori
tubo radiogeno
raggi x
oggetto
detettore
Procedimenti di calcolo per elaborare i dati
Riferimento della
attenuazione del fascio
di fotoni all’angolo di
inclinazione
tubo/detettori
Acquisition angle (0°-360°)
One rotation: 400-500 ms
How many views are required ?
Original
64 views
128 views
256 views
512 views
1024 views
Views simulation
Definizione
Pixel (picture element) –
elemento bidimensionale
dell’immagine;
Ogni pixel rappresenta il valore
medio della densità di tutte le
strutture in esso comprese;
Il valore numerico di ciascun pixel
si riferisce alla scala Hounsfield
Le dimensioni del pixel sono
determinate dalle dimensioni del
campo di vista (FOV)
Definizione
Voxel – elemento tridimensionale
dell’immagine;
Determinato dal prodotto delle
dimensioni del pixel per lo
spessore dello strato
Il valore numerico di ciascun pixel
si riferisce alla scala Hounsfield
Le dimensioni del voxel sono
determinate dalle dimensioni del
campo di vista (FOV) e dallo
spessore dello strato
La scala Hounsfield
Gli elementi della
matrice che
presentano un alto
coefficiente di
attenuazione sono
rappresentati in
bianco, quelli che
presentano un
basso coefficiente
di attenuazione in
nero.
Valori di attenuazione di alcuni
organi e tessuti normali
SETTAGGIO DEI VALORI DI LIVELLO E FINESTRA DELLA SCALA
DEI GRIGI IN TC
livello
3000
2000
1000
0
- 1000
H-unit
Modelli costruttivi delle
apparecchiature TC
• Generazioni di apparecchiature TC
convenzionali
• TC spirale a strato singolo e multistrato
Scanner di 1° generazione
•
Morfologia del fascio Rx:
lineare
•
Numero di detettori: 1
•
Movimento tubo detettori:
traslazione lineare - rotazione
•
Angolo di scansione: 180-225°
•
Tempo di scansione: 3-5 min
•
Matrice di rappresentazione:
80x80 o 160x 160
Scanner di 2° generazione
•
Morfologia del fascio Rx: a
ventaglio 20-30°
•
Numero di detettori: 20-30
•
Movimento tubo detettori:
traslazione lineare - rotazione
•
Angolo di scansione: 180-225°
•
Tempo di scansione: 18 – 30
sec
Scanner di 3° generazione
•
Morfologia del fascio Rx: a
ventaglio 30-50°
•
Numero di detettori: 300-1000
ad arco di cerchio
•
Movimento tubo detettori:
rotatorio
•
Angolo di scansione: 240-360°
•
Tempo di scansione: 1,5-3,6 s
•
Matrice di rappresentazione:
256x256 o 512x512
Scanner di 4° generazione
•
Morfologia del fascio Rx: a
ventaglio 30-50°
•
Numero di detettori: 300-1000
a corona circolare
•
Movimento tubo detettori:
rotatorio del solo tubo
•
Angolo di scansione: 360°
•
Tempo di scansione: 1,5-3,6 s
•
Matrice di rappresentazione:
256x256 o 512x512
TC SPIRALE
ACQUISIZIONE SPIRALE VOLUMETRICA
Emissione continua di raggi X durante l’…..
…Avanzamento continuo del lettino portapaziente con…
Acquisizione continua di dati.
TC convenzionale
TC spirale
Questo passaggio è permesso da:
Eliminazione della necessità di trasferimento dell’energia al tubo
radiogeno mediante cavi (contatti striscianti)
Eliminazione della necessità di trasferimento dei dati all’elaboratore
mediante cavi (onde radio)
Maggiore velocità di rotazione del tubo detettori
Maggiore capacità termica del tubo radiogeno
Maggiore potenza di calcolo dell’elaboratore
Pitch
spostamento del lettino per rotazione
Pitch 
collimazione del fascio di raggi X
avanzamento 10 mm per rotazione
Pitch 1 
collimazione di 10 mm
avanzamento 20 mm per rotazione
Pitch 2 
collimazione di 10 mm
Pitch
• Con Pitch UNO (1:1) la velocità di
avanzamento del del tavolo coincide con la
collimazione del fascio di raggi X
• Con Pitch DUE (2:1) la velocità di
avanzamento del tavolo è il doppio la
collimazione del fascio di raggi X
• Maggiore è il Pitch maggiore è il volume
esaminato nello stesso tempo
• Pitch TRE è il massimo per la TC spirale a
strato singolo
Vantaggi
• Maggiore velocità di acquisizione
• Acquisizione dell’intero volume senza pause
Vantaggi
• Possibilità di interpolazione dei dati per ottenere
immagini interlacciate
• Ottimizzazione
ricostruzioni
multiplanari e
tridimensionali
Vantaggi
• Ottimizzazione dell’impiego di mdc (studi
dinamici)
• Possibilità di esami angiografici
• Minore stress meccanico dell’apparecchiatura
TC SPIRALE MULTISTRATO
Nuova tecnologia costruttiva dei detettori
TC SPIRALE A STRATO SINGOLO
FASCIO RX
TC SPIRALE MULTISTRATO
TUBO
RADIOGENO
TUBO
RADIOGENO
DETETTORI
DETETTORI
UNICA FILA DI DETETTORI
PIU’ FILE DI DETETTORI
TC SPIRALE STRATO SINGOLO
TC SPIRALE MULTISTRATO
TC SPIRALE A STRATO SINGOLO
TC SPIRALE MULTISTRATO
Vantaggi
• Ancora maggiore velocità di acquisizione
• Voxel isotropico: stesse dimensioni nei tre
assi, uguale risoluzione nei tre piani dello
spazio
• Ottimizzazione dell’impiego di mdc (studi
dinamici)
• Possibilità di esami angiografici non solo
periferici ma anche cardiaci e di perfusione
• Ottimizzazione ricostruzioni multiplanari e
tridimensionali
DIFFERENZE NELLA VELOCITÀ DI ACQUISIZIONE
DELLE DIVERSE APPARECCHIATURE TC
(spessore di strato 5 mm)
1 sec.
120 sec.
20 cm
1 sec.
40 sec.
0,5 sec.
5 sec.