8-- Zagadnienia Wykład 5 Podstawy wybranych metod diagnostyki obrazowej ) Ultrasonografia ) Rentgenografia ) Densytometria 4) Tomografia komputerowa 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 < Hz dźwięki Hz khz ultradźwięki > khz Fala podłużna Fala poprzeczna Zakład Biofizyki Collegium Medicum Uniwersytetu Jagiellońskiego //8 :4:8 Zakład Biofizyki Collegium Medicum Uniwersytetu Jagiellońskiego 4 //8 :4:8 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 ( 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 4 khz. Niektóre zwierzęta wykorzystują ultradźwięki do echolokacji. Kot ~45 khz Ultrasonografia (USG) W diagnostyce wykorzystuje się ultradźwięki o częstotliwościach w zakresie -5 MHz, odpowiada to zakresowi długości fali.5. mm (w tkance miękkiej). m wyższa częstotliwość tym lepsza zdolność rozdzielcza uzyskiwanego obrazu, ale równocześnie tym mniejszy zasięg wiązki.
8-- Zi ivi t 4ZZ ( Z Z) r ( Z Z) ( Z Z) Zasada działania Właściwości tkanek Z = ρ c i t r Z i impedancja akustyczna i intensywność wiązki r i gęstość ośrodka C i prędkość wiązki w ośrodku i 4Z Z = ( Z + Z i ) ( Z - Z = ( Z + Z ) ) 7 Materiał / tkanka Prędkość dźwięku [m/s] Opór akustyczny [g/cm /s] Woda 4,4 Tkanka tłuszczowa 47,7 Tkanka mięśniowa 58, Nerka 5, Wątroba 57, Tkanka kostna ~5, Powietrze ~,4 Wytwarzanie ultradźwięków Odwrotny efekt piezoelektryczny Detekcja ultradźwięków Efekt piezoelektryczny Prezentacja A Prezentacja B t nadawanie odbieranie d = T c
8-- Prezentacja M Sonda liniowa, sektorowa i convex liniowa sektorowa t convex 4 5
μ μ 8-- Ultrasonografia Dopplerowska f f cf v f cos f f f v Przykład: φ= o, f = MHz i v = cm/s Δf = Hz Zalety i wady ultrasonografii - Całkowicie bezpieczna dla pacjenta przy stosowanych w diagnostyce natężeniach wiązki (poniżej - 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. Rentgenodiagnostyka prawo osłabienia d (d ) - 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. d (d ) -µd (d)= e ~ μ m ~ m ~ μ m ~ m Żelatyna AgBr Błona rentgenowska Octan celulozy Octan celulozy Emulsja fotograficzna żelatyna (55%) AgBr (%) AgJ (%) H O (%) 4 4
8-- Zasada działania błony RTG RTG cyfrowe Jon Br Atom Br Jon Ag Atom Ag Elektron Foton Zaburzenie detektor pozycyjny D komputer 5 Detektory w rentgenografii Rentgenodiagnostyka analogowa - Błona rentgenowska Rentgenodiagnostyka cyfrowa - Systemy rejestracji bezpośredniej układ CCD lub CMOS czuły w zakresie VS + konwerter promieniowania X na VS układ CCD lub CMOS czuły w zakresie X - Systemy rejestracji pośredniej płyty pamięciowe (image plates) Płytka obrazująca (halogenki baru aktywowane europem, np. BaFBr:Eu + ) laser 58 nm pułapka elektronów X Pasmo przewodnictwa Pasmo walencyjne Eu + nm ev 7 8 Płytka obrazująca Detektory cyfrowe Względna intensywność..5 4 5 7 8 D ługość fali [nm] Emisja Stymulacja 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. 5
8-- Płytka obrazująca vs błona rentgenowska Kontrast [%] Ekran wzmacniający + błona RTG Płyta pamięciowa, Rozdzielczość [linii/mm] Płytka obrazująca vs błona rentgenowska Efekt na obrazie 4 Ekran wzmacniający + błona RTG Płytka obrazująca.... Ekspozycja [mr] 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 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). Densytometria rentgenowska LR D 5
8-- 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 jej drodze. 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. 7 4 Pantomografia Radiologia warstwowa Pantomografia jest odmianą i bardziej skomplikowaną wersją radiologii warstwowej. Stosuje się ją w stomatologii. 4 7
5 4 8-- Pantomografia Pantomografia LR X 5 D 4 X 8 5 8 LR 7 7 D 5 4 44 Angiografia subtrakcyjna 45 4 Angiografia subtrakcyjna Tomografia komputerowa (TK) =f(,x x x x x ) 4 5 By Oryginalnym przesyłającym był Glitzy queen z angielskiej Wikipedii - Na Commons przeniesiono z en.wikipedia., Domena publiczna, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4 48 8
8-- e x x e x x e e ( x x ) e x x ln x x d 4 n Pn ln d ln d d (... n d) ln d d (... nd) ln d d (... n d) 4 ln d d (... n d) P P P P 4,,, 4 5 Metoda wstecznej projekcji 4 4 4 4 4 4 8 8 8 8 8 4 8 8 4 8 8 8 4 8 8 4 4 4 4 8 8 8 8 8 8 8 8 Techniki skanowania w TK LR LR 5 5 5 4 4 5 ( 48 / 8 ) - = 5 4 4 5 5 5 4 5 D D 5 Wielorzędowa TK Sekwencyjna / spiralna TK t Sekwencyjna tomografia komputerowa Obrót lampy rentgenowskiej Zmiana pozycji pacjenta Zbieranie danych t Spiralna tomografia komputerowa 5 54
8-- Tomografia komputerowa Jednostki Hounsfield a 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: 8-4 kev czas obrotu lampy wokół pacjenta: ~.5 s czas skanowania w spiralnej TK: ~ s µ -µ CT [ HU] O H µ H O Tkanka HU Kość ~ Wątroba 4 stota biała 4 stota szara 4 Krew 4 Mięśnie 4 Nerki Płyn mózgowo-rdzeniowy 5 Woda Tkanka tłuszczowa - -5 Powietrze - 55 5 Okno tomograficzne Okno tomograficzne Zakres zmienności HU jest szeroki (- ). Ze względu na ograniczenia oka ludzkiego pod względem rozróżniania odcieni szarości monitory komputerowe posługują się skalą 5 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 Środek okna Skala Hounsfield a 78 5 48 5 4 5-5 -4 Skala szarości S zerkokość okna 58 By Wet z polskiej Wikipedii, CC BY-SA., https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curi d=85847 5
8-- Samokształcenie Biofizyka wzroku i słuchu