Wykład 5. Podstawy wybranych metod diagnostyki obrazowej. Zakład Biofizyki CM UJ

Transkrypt

1 Wykład 5 Podstawy wybranych metod diagnostyki obrazowej

2 Zagadnienia ) Ultrasonografia ) Rentgenografia 3) Densytometria 4) Tomografia komputerowa

3 Fale akustyczne Fala to rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie. Wielokrotna i cykliczna zmiana jakieś wielkości fizycznej. W przypadku fali akustycznej w ośrodku przenoszona jest energia poprzez przenoszenie drgań cząsteczek. Zaburzenie to można traktować, jako lokalne, cykliczne zmiany ciśnienia. Ogólnie fale mogą być podłużne, lub poprzeczne, ale fale akustyczne są zawsze podłużne. Ze względu na częstotliwości fale akustyczne dzielimy na infradzięki dźwięki ultradźwięki < 6Hz 6Hz 0 khz >0 khz Zakład Biofizyki Collegium Medicum Uniwersytetu Jagiellońskiego 3 30/0/07 0:38:39

4 Fala poprzeczna Fala podłużna Zakład Biofizyki Collegium Medicum Uniwersytetu Jagiellońskiego 4 30/0/07 0:38:39

5 Ultradźwięki Ultradźwięki, to fale mechaniczne rozchodzące się w ośrodkach sprężystych (gazowych, ciekłych i stałych), mające charakter fal dźwiękowych o częstotliwościach wyższych od górnej granicy słyszalności ucha ludzkiego (0 khz). Jest to umowna granica, ponieważ zakres słyszanych częstotliwości jest cechą osobniczą i zależy od wielu czynników, w tym również od wieku. Psy, myszy, szczury słyszą dźwięki do 40 khz. Niektóre zwierzęta wykorzystują ultradźwięki do echolokacji. Kot ~45 khz

6 Ultrasonografia (USG) W diagnostyce wykorzystuje się ultradźwięki o częstotliwościach w zakresie -5 MHz, odpowiada to zakresowi długości fali.5 0. mm (w tkance miękkiej). Im wyższa częstotliwość tym lepsza zdolność rozdzielcza uzyskiwanego obrazu, ale równocześnie tym mniejszy zasięg wiązki.

7 Z v I I t I I i 0 r 0 i 4ZZ ( Z Z ( Z ( Z i ) Z) Z ) Zasada działania Z i I t I 0 = ρ = i c i 4Z Z ( Z + Z ) I r I 0 = ( Z - Z ( Z + Z ) ) Z i impedancja akustyczna I i intensywność wiązki r i gęśtość ośrodka C i prędkość wiązki w ośrodku 7

8 Właściwości tkanek Materiał / tkanka Prędkość dźwięku [m/s] Opór akustyczny [g/cm /s] Woda 496,49 Tkanka tłuszczowa 476,37 Tkanka mięśniowa 568,66 Nerka 560,6 Wątroba 570,66 Tkanka kostna ~3500 6, Powietrze ~330 0,0004

9 Wytwarzanie ultradźwięków Odwrotny efekt piezoelektryczny 9

10 Detekcja ultradźwięków Efekt piezoelektryczny 0

11 Prezentacja A t nadawanie odbieranie d = T c

12 Prezentacja B

13 Prezentacja M t

14 Sonda liniowa, sektorowa i convex liniowa sektorowa convex 4

15 5

16

17

18

19 Ultrasonografia Dopplerowska v c f f cos 0 f 0 f f f 0 f v Przykład: φ=60 o, f 0 = 3 MHz i v = 0 cm/s Δf = 00 Hz

20

21 Zalety i wady ultrasonografii - Całkowicie bezpieczna dla pacjenta przy stosowanych w diagnostyce natężeniach wiązki (poniżej 0 - W/cm ). - Badanie dynamiczne, umożliwia badania funkcjonalne (przepływy, kontrasty). - Pewna dowolność definiowania płaszczyzny skanowania. - Niskie koszty w porównaniu z innymi metodami, a przez to duża dostępność. - Możliwość stosowania w sali operacyjnej. - Nie wymaga zatrudnienia dodatkowego personelu. - Wymaga dużego doświadczenia od lekarza przeprowadzającego badanie. - Obrazy trudne do interpretacji, gdyż zawierają liczne artefakty. - Stosunkowo niska rozdzielczość (~ mm). - Problemy z wykonywaniem pomiarów (wyniki pomiarów D zależą od doświadczenia operatora). - Obrazowanie D.

22 Rentgenodiagnostyka prawo osłabienia d I 0 I(d ) d I(d)=I e -µd 0 I 0 I(d )

23 3

24 μ Błona rentgenowska ~ 00 μ m ~ 0 m Żelatyna AgBr Octan celulozy Emulsja fotograficzna żelatyna (55%) AgBr (33%) AgJ (%) H O (0%) 4

25 Zasada działania błony RTG Jon Br Atom Br Jon Ag Atom Ag Elektron Foton Zaburzenie 5

26 RTG cyfrowe detektor pozycyjny D komputer 6

27 Detektory w rentgenografii Rentgenodiagnostyka analogowa - Błona rentgenowska Rentgenodiagnostyka cyfrowa - Systemy rejestracji bezpośredniej układ CCD lub CMOS czuły w zakresie VIS + konwerter promieniowania X na VIS układ CCD lub CMOS czuły w zakresie X - Systemy rejestracji pośredniej płyty pamięciowe (image plates) 7

28 Płytka obrazująca (halogenki baru aktywowane europem, np. BaFBr:Eu + ) Pasmo przewodnictwa laser 580 nm pułapka elektronów X Eu nm ev Pasmo walencyjne 8

29 Względna intensywność Płytka obrazująca.0 Emisja Stymulacja D ługość fali [nm] 9

30 Detektory cyfrowe Ze względu na dużą wydajność detekcji w porównaniu do błony rentgenowskiej detektory cyfrowe pozwalają zmniejszyć dawkę promieniowania otrzymywaną przez pacjenta. Zdolność rozdzielcza układów cyfrowych jest gorsza niż błony. 30

31 Kontrast [%] Płytka obrazująca vs błona rentgenowska 00 Ekran wzmacniający + błona RTG Płyta pamięciowa 0 0, Rozdzielczość [linii/mm] 3

32 Efekt na obrazie Płytka obrazująca vs błona rentgenowska 4 3 Ekran wzmacniający + błona RTG Płytka obrazująca Ekspozycja [mr] 3

33

34

35 Densytometria rentgenowska Aparat składa się z lampy RTG emitującej dobrze skolimowaną wiązkę promieniowania X, tzw. pencil beam. Wiązka przechodzi przez ciało pacjenta i jest rejestrowana przez detektor półprzewodnikowy. Osłabienie wiązki zależy od gęstości kości i jej grubości, jak wynika z prawa osłabienia. Nie można wyznaczyć gęstości fizycznej kości w g/cm 3 a jedynie gęstość powierzchniową w g/cm, bo nie znamy wymiarów i gęstości badanego obszaru. Badanie ma sens, jeśli wynik pacjenta porównany zostanie z rozbudowaną bazą danych. Wynik porównuje się ze średnią w danej populacji (Z-score) i z osobą młodą o szczytowej masie kostnej (T-score). 35

36 Densytometria rentgenowska LR D 36

37 Densytometria rentgenowska Niedobór danych w równaniu na osłabienie wiązki można częściowo wyeliminować poprzez zastosowanie badania dla dwóch różnych energii wiązki. Zróżnicowanie energii wiązki osiąga się najczęściej przez stosowanie dodatkowych filtrów na drodze wiązki. Mimo zastosowania dwóch energii nie można badać gęstości fizycznej, a jedynie gęstość powierzchniową. Badania przeprowadza się dla konkretnych, dobrze zdefiniowanych lokalizacji w ciele pacjenta. Wynik porównuje się z bazą danych i określa się odchylenie wyniku od średniej dla populacji. 37

38

39

40 40

41 Pantomografia Pantomografia jest odmianą i bardziej skomplikowaną wersją radiologii warstwowej. Stosuje się ją w stomatologii. 4

42 Radiologia warstwowa

43 Pantomografia LR 9 5 D X X LR D

44 Pantomografia 44

45 Angiografia subtrakcyjna 45

46 46

47 Angiografia subtrakcyjna By Oryginalnym przesyłającym był Glitzy queen00 z angielskiej Wikipedii - Na Commons przeniesiono z en.wikipedia., Domena publiczna,

48 Tomografia komputerowa (TK) I 0 I=f(I,x x x x x ) I 48

49 I I e I 0 I x 0 e I x e I x e x I I 0 I I I e ( x x ) 0 x x ln I I 0 x x 49

50 d I 0 I 0 I I I ln d d (... n I0 I ln d d (... n I0 I ln d d (... n I0 I ln d d (... n I d d 3 d 4 d 0 ) ) ) ) I 0 I 0 I 3 I 4 P n d ln I I n 0 P P P3 P4,,, 50

51 Metoda wstecznej 6 projekcji ( / 8 ) - =

52 Techniki skanowania w TK LR LR D D 5

53 Wielorzędowa TK 53

54 Sekwencyjna / spiralna TK t Sekwencyjna tomografia komputerowa Obrót lampy rentgenowskiej Zmiana pozycji pacjenta Zbieranie danych t Spiralna tomografia komputerowa 54

55 Tomografia komputerowa mierzymy rozkład liniowego współczynnika osłabienia promieniowania X (µ ) µ wyrażane jest w jednostkach względnych (HU - Hounsfield Units) dawka promieniowania jonizującego równa jest dawce otrzymywanej w kilku(nastu) standardowych badaniach RTG energie stosowane w TK: kev czas obrotu lampy wokół pacjenta: ~ 0.5 s czas skanowania w spiralnej TK: ~ 0 s 55

56 Jednostki Hounsfield a µ -µ CT [ HU] O H 000 µ H O Tkanka HU Kość 000 Wątroba Istota biała 46 Istota szara 43 Krew 40 Mięśnie 0 40 Nerki 30 Płyn mózgowo-rdzeniowy 5 Woda 0 Tkanka tłuszczowa Powietrze

57 Okno tomograficzne Zakres zmienności HU jest szeroki ( ). Ze względu na ograniczenia oka ludzkiego pod względem rozróżniania odcieni szarości monitory komputerowe posługują się skalą 56 stopni. Przeskalowanie liniowe skali Hounsfield a na skalę szarości powoduje, że subtelne różnice (np. pomiędzy istotą szarą i istotą białą w mózgu) nie mogą być rozróżniane. Z w/w powodów stosuje się tzw. okno tomograficzne. 57

58 Skala Hounsfield a Skala szarości S zerkokość okna Okno tomograficzne 3078 Środek okna

59 By Wet z polskiej Wikipedii, CC BY-SA 3.0, d=

60 60

61 6

62 Samokształcenie Biofizyka wzroku i słuchu