modalita` di formazione dell`immagine sistema di misurazione

LA TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA:
MODALITA’ DI FORMAZIONE DELL’IMMAGINE
SISTEMA DI MISURAZIONE,
SISTEMA DI RICOSTRUZIONE,
SISTEMA DI VISUALIZZAZIONE
www.slidetube.it
SISTEMA DI MISURAZIONE: ACQUISIZIONE DELL’IMMAGINE TC
Un’immagine è ottenuta misurando l’assorbimento differenziato alla radiazione X da
parte di un elevato numero di voxel contigui in cui viene suddiviso lo strato in esame
e
traducendo la misurazione in una corrispondente mappa di punti di diverse tonalità di
grigio
La ricostruzione dei coefficienti di attenuazione viene effettuata attraverso due
passaggi:
• ottenimento di un numero sufficiente di profili di trasmissione di un sottile fascio di
raggi X
• ricostruzione computerizzata della sezione dai dati di assorbimento dei profili
www.slidetube.it
SISTEMA DI MISURAZIONE: ACQUISIZIONE DELL’IMMAGINE TC (2)
LEGGE DI ATTENUAZIONE DEL FASCIO
Se un fascio di raggi x di intensità I° incide su uno strato di materiale omogeneo di
spessore d
l’intensità I del fascio attenuato sarà :
I = I0 e -μd
“legge di attenuazione”
www.slidetube.it
SISTEMA DI MISURAZIONE: ACQUISIZIONE DELL’IMMAGINE TC (3)
LEGGE DI ATTENUAZIONE DEL FASCIO
La costante μ rappresenta il coefficiente di attenuazione del fascio
Se un raggio X attraversa materiali diversi aventi uguale spessore, l’attenuazione è più
forte nel materiale con μ maggiore (cioè nel materiale più denso)
Se un raggio passa, come avviene generalmente, attraverso materiali con diversi
coefficienti di attenuazione, i contributi individuali si sommano per raggiungere
l’attenuazione risultante
www.slidetube.it
SISTEMA DI MISURAZIONE: ACQUISIZIONE DELL’IMMAGINE TC (5)
PROCEDIMENTO DI MISURA: SISTEMA DI DETEZIONE
Tipi di detettore:
• detettore a camera di ionizzazione a gas inerti
• detettore a cristallo di scintilazione
Entrambi i tipi di detettore sfruttano effetti fisici basati sull’interazione tra i fotoni ad
alta energia e la materia
www.slidetube.it
SISTEMA DI MISURAZIONE: ACQUISIZIONE DELL’IMMAGINE TC (6)
PROCEDIMENTO DI MISURA: SISTEMA DI DETEZIONE
Il processo di detezione è basato su una conversione di energia a 2 passaggi successivi:
1. Il quanto di radiazione X incidente interagisce con il cristallo o con gli atomi di
Xenon, con la conseguente generazione di segnali elettrici di tensione direttamente
proporzionali all’intensità dei quanti X incidenti
1. Vengono raccolti i segnali elettrici generati, consentendo di ottenere da una singola
scansione molteplici profili di attenuazione della radiazione X necessari per la
costruzione dell’immagine di uno strato
I segnali misurati vengono codificati in forma opportuna, convertiti in segnali numerici
ed inviati al computer
www.slidetube.it
SISTEMA DI MISURAZIONE: ACQUISIZIONE DELL’IMMAGINE TC (7)
PROCEDIMENTO DI MISURA
ll computer calcola quindi (a partire dall’insieme di questi dati di misura) quale
immagine dello strato una distribuzione bidimensionale di valori di attenuazione
corrispondente allo strato dell’oggetto
• i distretti dell’oggetto che attenuano fortemente la radiazione vengono associati ad alti
numeri di valori di assorbimento
• i distretti dell’oggetto che attenuano debolmente la radiazione vengono associati a
bassi numeri di valori di assorbimento
Lo strato in esame deve essere immaginato suddiviso in volumi elementari per ciascuno
dei quali il computer calcola l’assorbimento stesso
www.slidetube.it
SISTEMA DI MISURAZIONE: ACQUISIZIONE DELL’IMMAGINE TC (8)
PROCEDIMENTO DI MISURA
La matrice numerica viene trasformata in un’immagine in bianco e nero in cui ad ogni
elemento di matrice (tipicamente 512x512 pixels) corrisponde un singolo punto di
immagine (Pixel) ed ai diversi valori di assorbimento vengono associati i diversi valori
di grigio
Il coefficiente di attenuazione lineare di un materiale non può essere assunto come
valore assoluto, poiché dipendente dall’energia di della radiazione X incidente
per la valutazione dei valori di assorbimento nella TC è stata adottata una scala
arbitraria proposta da Hounsfield, in cui i valori unitari di assorbimento prendono il
nome di “Unità Hounsfield” (HU)
www.slidetube.it
SISTEMA DI MISURAZIONE: ACQUISIZIONE DELL’IMMAGINE TC (9)
PROCEDIMENTO DI MISURA: SCALA HOUNSFIELD
Come materiale di riferimento è stata assunta l’acqua, cui è stato attribuito valore di
assorbimento pari a 0
I valori della scala stabiliscono il relativo scostamento dei coefficienti di assorbimento
delle rispettive sostanze dal coefficiente di assorbimento dell’acqua per mille,
secondo la relazione:
n° TC = (μ tessuto – μ H2O / μ H20) x 1000
L’aria assume valore -1000 mentre l’osso assume valore +1000
www.slidetube.it
www.slidetube.it
SISTEMA DI MISURAZIONE: ACQUISIZIONE DELL’IMMAGINE TC (10)
RICOSTRUZIONE DELL’IMMAGINE (2)
RETROPROIEZIONE
I dati relativi all’attenuazione del fascio per ogni singolo voxel rappresentano la
proiezione di un dato oggetto interposto tra la fonte ed il rivelatore dei raggi X
Per ricostruire l’immagine dell’oggetto si utilizza il metodo della retroproiezione:
per ogni punto di vista o proiezione, la relativa immagine proiettata viene
“retroproiettata”
Quello che viene riportato è il coefficiente di attenuazione: il computer retroproietta
quello che rimane del raggio X dopo che questo ha attraversato il corpo
www.slidetube.it
www.slidetube.it
RICOSTRUZIONE DELL’IMMAGINE (4)
www.slidetube.it
RICOSTRUZIONE DELL’IMMAGINE (5)
L’immagine ottenuta è sfumata, l’oggetto nella tomografia non è ben definito
Per ovviare a questo problema si applicano dei filtri di convoluzione ai profili
RICOSTRUZIONE DELL’IMMAGINE (7)
RETROPROIEZIONE FILTRATA
Nelle immagini risultanti dai processi di retroproiezione gli oggetti presentano
una sorta di coda lungo i profili dovuta alla parziale attenuazione del raggio
Questa parziale attenuazione è responsabile di una sfocatura lungo i profili
Per eliminare, o meglio, attenuare questo effetto, il segnale giunto al rivelatore
viene preventivamente filtrato, mediante particolari algoritmi matematici (filtri
di convoluzione), prima di essere retroproiettato
Esistono differenti filtri che accentuano più o meno la “pulizia” dei profili
(filtri per osso, per tessuti molli, ecc.)
www.slidetube.it
RICOSTRUZIONE DELL’IMMAGINE (8)
RETROPROIEZIONE FILTRATA
Il tipo di filtro di convoluzione è selezionabile in base al risultato desiderato, a
seconda se si vuole privilegiare la risoluzione spaziale o il contrasto dei tessuti
molli
www.slidetube.it
www.slidetube.it
RICOSTRUZIONE DELL’IMMAGINE (9)
www.slidetube.it
RICOSTRUZIONE DELL’IMMAGINE (10)
In questo modo si riesce ad ovviare allo “sparpagliamento” dei dati
nell’immagine tomografica.
RICOSTRUZIONE DELL’IMMAGINE (12)
TC SPIRALE MULTISTRATO
Per correggere l’effetto del movimento continuo di avanzamento del Paziente durante la
scansione è necessario in primo luogo calcolare a partire dal set di dati di volume, per
ciascuna immagine da ricostruire, un set di dati planare uguale a quello che si sarebbe
acquisito con TC convenzionale nella scansione di una sezione singola situata nella
stessa posizione
l’approccio più semplice per ottenere tale risultato è rappresentato dall’ interpolazione
lineare
www.slidetube.it
RICOSTRUZIONE DELL’IMMAGINE (14)
TC SPIRALE MULTISTRATO
Algoritmo di interpolazione lineare (360°)
Utilizza punti di dati a distanza angolare di 360° e quindi a distanza lineare uguale
all’avanzamento che il Paziente ha subito durante un giro di rotazione del fuoco
Tale algoritmo riduce, rispetto all’immagine TC convenzionale, il rumore del pixel, ma
allarga notevolmente il profilo di sensibilità della sezione, peggiorando quindi la
risoluzione in profondità
Pertanto è stata sviluppata una diversa classe di algoritmi, che utilizzano punti di dati di
interpolazione che distano soltanto 180°
www.slidetube.it
RICOSTRUZIONE DELL’IMMAGINE (16)
TC SPIRALE MULTISTRATO
Algoritmo di interpolazione lineare (360°)
www.slidetube.it
RICOSTRUZIONE DELL’IMMAGINE (17)
TC SPIRALE MULTISTRATO
Algoritmo di interpolazione lineare (180°)
Questi algoritmi utilizzano punti di dati di interpolazione che distano 180°
Sfruttano il fatto che in una rotazione di 360° tutti i dettagli vengono osservati due volte
da opposti diversi
ciò produce una ridondanza di dati che viene usata per calcolare una seconda spirale,
sfasata di 180° rispetto alla spirale misurata
www.slidetube.it
www.slidetube.it
RICOSTRUZIONE DELL’IMMAGINE (18)
TC SPIRALE MULTISTRATO
Algoritmo di interpolazione lineare (180°)
Si può quindi effettuare l’interpolazione lineare tra due punti di dati a distanza di 180°,
con il vantaggio di ottenere migliori profili di sensibilità della slice e quindi di garantire
una superiore risoluzione in direzione longitudinale
L’utilizzo di questo step di calcolo intermedio (che deve sempre precedere la
retroproiezione) offre significativi vantaggi nella ricostruzione volumetrica
Il Pitch deve essere sempre ≠ 1
per evitare che i dati si sovrappongano senza ottenere la ridondanza di dati necessari
RICOSTRUZIONE DELL’IMMAGINE (20)
TC SPIRALE MULTISTRATO
Algoritmo di interpolazione lineare (180°)
www.slidetube.it
VISUALIZZAZIONE DELL’IMMAGINE TC
Sulla base del relativo profilo di attenuazione, ad ogni voxel viene assegnato un
numero di Hounsfield: tale numero rappresenta l’attenuazione media del
corrispondente volume di tessuto esaminato
Successivamente, ogni voxel, con il relativo numero in UH, viene assegnato alla
matrice dell’immagine (solitamente formata da 512 x 512 pixel)
Quindi, alla fine del processo, ad ogni pixel della matrice corrisponde un numero di
Hounsfield
La profondità cromatica è in genere di 8 bit (256 livelli di grigio) e la scala dei grigi
è simile a quella radiografica (maggiore attenuazione = bianco; minore attenuazione = nero)
www.slidetube.it
VISUALIZZAZIONE DELL’IMMAGINE TC (2)
www.slidetube.it
VISUALIZZAZIONE DELL’IMMAGINE TC (3)
Alla base delle variazioni cromatiche di una immagine TC, ci sono quindi dei numeri
che possono essere letti in un qualsiasi momento e che possono dare delle
informazioni quantitative oggettive sulla densità del tessuto considerato
sulle immagini TC sono possibili una serie di operazioni, dopo l’acquisizione dei
dati, definite di post-processing (variazioni dei grigi rappresentati, misurazioni
lineari, angolari, di densità, ricostruzioni planari, 3D, ecc.)
La modalità di visualizzazione delle immagini TC può essere variata ed aggiustata
in maniera tale da esaltare o sopprimere informazioni presenti nelle immagini stesse
È così possibile discriminare anche piccole differenze di densità (fino a 0,5%) e
rappresentarle con livelli di grigi differenti  maggiore risoluzione di contrasto
www.slidetube.it
VISUALIZZAZIONE DELL’IMMAGINE TC (4)
Nella visualizzazione su monitor dell’immagine TC è possibile selezionare un campo
ristretto di interesse (finestra) della completa scala dei valori di assorbimento per la
riproduzione dell’immagine, rappresentandolo con tutta la tonalità di grigi del monitor
In tal modo l’occhio umano è in grado di sfruttare meglio la sensibilità contrastografica
della TC
www.slidetube.it
www.slidetube.it
VISUALIZZAZIONE DELL’IMMAGINE TC (5)
www.slidetube.it
VISUALIZZAZIONE DELL’IMMAGINE TC (6)
AMPIEZZA DELLA FINESTRA
Il range di rappresentazione dei grigi viene definito ampiezza della finestra
(Window Width)
I livelli al di sopra ed al di sotto dei limiti della finestra sono rappresentati come bianco
e nero
I livelli di grigio intermedi vengono distribuiti in maniera lineare all’interno della
finestra:
• se la finestra è ampia, molti livelli di grigio sono rappresentati
• se la finestra è stretta, tra il bianco ed il nero ci saranno pochi livelli di grigio per cui
saranno visibili anche lievi differenze di densità
www.slidetube.it
VISUALIZZAZIONE DELL’IMMAGINE TC (7)
AMPIEZZA DELLA FINESTRA
VISUALIZZAZIONE DELL’IMMAGINE TC (8)
LIVELLI DELLA FINESTRA
E’ inoltre possibile spostare il livello della finestra (Window Level), cioè il punto in cui,
arbitrariamente, fissiamo il nostro centro al di sopra del quale stanno i tessuti più densi e
al di sotto i tessuti meno densi della struttura che vogliamo studiare
Una finestra ampia (>1500) con centro su valori elevati (400; 800) viene utilizzata per
la visualizzazione dei tessuti duri; con centro spostato su valori molto negativi (-500;700) viene usata per i tessuti aerati
Una finestra stretta (<500), con livelli compresi tra lo 0 dell’acqua e 70-80 UH, viene
usata per i tessuti molli
www.slidetube.it
VISUALIZZAZIONE DELL’IMMAGINE TC (9)
L’esame TC fornisce immagini tomografiche assiali, cioè che tagliano
perpendicolarmente l’asse sagittale mediano, ed eliminano il problema della
sovrapposizione tra le varie strutture anatomiche considerate
La valutazione in sequenza delle immagini assiali di uno studio permette di avere un
quadro complessivo del distretto anatomico indagato
La serie delle immagini assiali può essere ricostruita in maniera da ottenere delle
immagini lungo piani anatomici diversi (sagittale, dorsale, obliqui o anche curvi)
(MPR = Multi Planar Reformation)
Oltre alle ricostruzioni planari, molti software di post-processing permettono di ottenere
delle ricostruzioni 3D attraverso diversi protocolli di ricostruzione, in partiolare il
Maximum Intensity Projection (MIP), il Volume Rendering (VR) ed il Surface Rendering
(SR)
www.slidetube.it
www.slidetube.it