+39339 6953661 email: alberto.torresin@unimi

________________________________________________________________________________________________________Torresin A, Fisica Sanitaria - Milano- 1

Alberto TorresinStruttura Complessa di Fisica Sanitaria

ASST Grande Ospedale Metropolitano Niguarda, Milano

A.Torresin: Struttura Complessa di Fisica Sanitaria – Dipartimento di Fisica - Milano

Dipartimento di FisicaUniversità degli Studi di Milano

+39339 6953661email: [email protected]

To understand the word


IMMAGINE MEDICA

Rappresentazione, su adeguatosupporto, della distribuzionedi i tà fi i h fi i


di proprietà fisiche o fisico-chimiche del corpo umano o diuna sua parte, ottenutasfruttando l'interazione fra unagente fisico e il corpo umano

Agenti fisici per la produzione di immagine mediche

RAGGI X Radiologia tradizionaleTC, DR, AD, DSA

RADIOATTIVITA' Scintigrafia,SPECT,PET


RADIOATTIVITA Scintigrafia,SPECT,PETULTRASUONI EcografiaCAMPI MAGNETICIONDE EM TRM

Immagini e RealtàNella formazione di bioimmagini un

fenomeno fisico è trasformato in unamatrice di dati analogici e digitali

Le immagini sono ottenute utilizzando le


capacità del corpo umano diattenuare, emettere, riflettere energia

L'energia deve essere misurata e"ricostruita" in un'immagine 2D e/o3D

Immagine che riproduce su un supportoadeguato le caratteristiche dell’oggetto

Immagini analogica


adeguato le caratteristiche dell’oggettomediante una variazione continua diannerimenti (immagini radiologiche tradizionali)o di tonalità di colore (xeroradiografia)


Immagini digitale

•Immagine che riproduce in modo numerico lecaratteristiche dell’oggetto; è costituita da matricidi numeri disposti in righe e colonne•Ogni numero ha una corrispondenza biunivoca


•Ogni numero ha una corrispondenza biunivocacon una proprietà spaziale dell’oggetto•Il numero è rappresentato come livello diluminosità o livello di grigio


Immagine digitaleLeonardo da Vinci 1489

Immagine analogica

L’immagine come matrice di pixel

• Un’immagine digitale ècomposta da elementidi ti i l di ti

Struttura dell’immagine digitale


discreti: pixel dispostisu una matrice

L’immagine come matrice di pixel

immagine binariadim matrice = 8 x 8


Ciascun immagine digitale èrappresentata da elementibinari cioè rappresentabili

attraverso due valori: 1 e 0


10000011010

110010000

la profondità dei pixel

n.bit per pixel intervallo di variabilità

1 0-1



2 0-3 8 0-255 12 0-4095 16 0-65535

n.bit per pixel variability 1 0-1


1 0 12 0-3 8 0-255 12 0-4095 16 0-65535




1 0 12 0-3 8 0-255 12 0-4095 16 0-65535



1 0 12 0-3 8 0-255 12 0-4095 16 0-65535



1 0 12 0-3 8 0-255 12 0-4095 16 0-65535


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Tomographyc images (CT, MRI,SPECT, PET) create a human 3Dslides using a matrix: voxel

Volumetric Image: voxel


variabilità numeriche delle immagini

Modalità matrice dimensione numerica



(byte) gamma camera

128x128 32.768

TRM/TC 256x256 131.072 TRM/TC 512x512 524.288 DR 2048x2048 8.388.608 mammografia 2048x2048 8.388.608

Image Display


Image Display




M:-600, W:1600 M:60, L:360

X-Ray


X-Ray

CATHODE


TARGET(ANODE)





Energy distribution Good separation of low

energy and highenergy spectrumallows for goodseparation of bonyand soft tissue


0.8

1

1.2

r of

pho

tons

Mo/MoMo/RhRh/RhW/Rh

X-ray Spectrum


0

0.2

0.4

0.6

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0Photon energy (kV)

Rel

ativ

e nu

mbe

r


Radiation and matter

• Photoelettric effect• Comptom effect• Pair effect


Interagendo con la materia l’intensità del fascio si attenua producendo ionizzazione indiretta o secondaria. Gli elettroni secondari prodotti sono i maggiori responsabili della ionizzazione della materia.

Radiation and matter


Differenti effetti in relazione all’energia della radiazione:

per energie basse effetto fotoelettricoper energie intermedie effetto Comptonper energie alte creazione di coppia

Legge dell’attenuazione

μ = COEFF. DI ATTENUAZIONE = probabilità di interazione totale per un fotone

I0 = intensità del fascio incidente ad x (spessore materiale) = 0

Qual è l’intensità del fascio (I(x)) dopo uno spessore x generico


I(x) = I0 e(- μx)

Qual è l intensità del fascio (I(x)) dopo uno spessore x generico di materiale?

Photoelectric absorption and radiological image

• In soft or fat tissues (close to water), at lowenergies (E< 25 - 30 keV)

• The photoelectric effect predominates


5: Interaction of radiation with matter

The photoelectric effect predominates• ⇒ main contributor to image formation on the

radiographic film

Contribution of photoelectric and Compton interactions to attenuation of X Rays in water

(muscle)10

1.0

TotalOE

FFIC

IEN

T (c

m2

g-1)



20 40 60 80 100 120 140

0.1

0.01

Total

Compton + Coherent

Photoelectric(keV)

X R

ay A

TT

EN

UAT

ION

CO

Contribution of photoelectric and Compton interactions to attenuation of X Rays in bone

10

1.0

TotalOE

FFIC

IEN

T (c

m2

g-1)



20 40 60 80 100 120 140

0.1

0.01

Total

Compton + CoherentPhotoelectric

(keV)

X R

ay A

TT

EN

UAT

ION

CO


X Ray penetration in human tissues

• Higher kVp reducesphotoelectric effect

• The image contrast is lowered• Bones and lungs structures can

simultaneously be visualized



y

Note: body cavities can be madevisible by means of contrast media:iodine, barium

Attenuazione di un fascio di radiazioni X o γ

Energia(MeV)

SEV nei tessuti

SEV in piombo


(cm) (cm)0.010.11.05.0

0.1314.059.823

0.000760.0120.891.52

X-Ray tube parameters

• Tension: kV• Current: mA• Time: s


• Anode: material

• Distance: cm• Filtration (manual) mmAl

Imaging morfologico• CT (densità, n.atomico)

• MRI (1) (n.protoni di idrogeno,interazione cellulare)

• RX &Angiografico (DSA,2D) (densità, n.atomico) Dominik Morhard, MD; Thorsten Johnson, MD; Christoph Becker, MD


• 3D angio - Cone beam CT- (densità,n.atomico)

Department of Clinical Radiology, Ludwig-Maximilians-University Munich – Großhadern

Imaging funzionale

• SPECT, SPECT/CT (distribuzione di γ emittitori)

• PET, PET/CT (distribuzione di β emittitori)

• MRI (2): fMRI (n.protoni di idrogeno, interazione


cellulare, emoglobina)

• MRI (3): DTI fiber tracking (n.protoni diidrogeno, interazione cellulare, processi di diffusione)

• MRI (4): Spettroscopia (stato biochimico dei protoni di H,Na, P , interazione cellulare)

Pl i i


Planar imaging


Primary beam attenuation and latent image

Bone

Film, fluorescent screenor image intensifier

« Latent »radiological

Scatteredradiation


15.1: Optimization of protection in radiography: technical aspects 79

Air

Soft tissue

X

Primary collimation

Beam intensityat detector level

image

Antiscatter Grid





Rivelatori tradizionali Accoppiamenti schermo -pellicola

elevata rapidità cattiva definizioneelevata definizione bassa rapidità

Latitudine: intervallo di


Latitudine: intervallo di esposizione in cui la pellicola risponde con densità diagnosticamente utili

figura tratta da Bushong (4)

Rivelatori tradizionali Accoppiamenti schermo -pellicola

elevata rapidità cattiva definizioneelevata definizione bassa rapidità

Rapidità: l’inverso della


Rapidità: l inverso delladose per ottenere unadensità ottica pari a uno

figura tratta da Bushong (4)

Definitions


Glossary

Absorbed Dose [Gy]

A Torresin – Medical Physics Expert

[ y]

Glossary


Equivalent dose E [Sv]


Glossary

Dose equivalene impegnata

A Torresin – Medical Physics Expert A.Torresin: Struttura Complessa di Fisica Sanitaria – Dipartimento di Fisica - Milano

Modality Output Projective Image (RX)


• Entrance Dose [mGy]


Modality Output Projective Image (RX)

• KAP, DAP [mGycm2, µGy m2, dGy m2 ]

A Torresin – Medical Physics Expert A Torresin – Medical Physics Expert


Computed Tomography


Modality Output CT image

• CTDI [mGy] mGy dz D(z) nT1 CTDI

2

1

z

z∫=

T: slice thikness; n: # slices


• DLP [mGy cm] = Σi CTDIw, i T n

external 100,center 100,w CTDI 32 CTDI

31 CTDI +=

Glossary


Effective dose E [Sv]

Patient’s parameters

• Effective dose E [mSv]– RX diagnostic E = KAP x ki ( i :age, gender,..)– CT E = DLP x kj ( j :age, gender,..)


CT E DLP x kj ( j :age, gender,..)

• Skin dose [mGy] (angio)

• Organ Dose [mSv]

Organ Dose

• Phantom evaluation– No Phantom consensum

O d lli


• Organ modelling S D

wr

Effective Dose


Source DoseDT

DoseHT

DoseE


From anatomy to molecular imagingImaging biological parameters Biology

MRS

NM/PET

Optical

MetabolismReceptors

Gene expressionSignal transduction

Stem cell function

Nanosystems Protein dynamicsZeptomolar 10-21 Mole/kg

Femtomolar 10-15 Mole/kg

Picomolar 10-12 Mole/kg

Nanomolar 10-9 Mole/kg

Attomolar 10-18 Mole/kg

~102 atoms/cell


Anatomy

MRI

X Ray Angio

Echocardio, NM/PET

X RayMSCT

Pump function

Perfusion Micromolar 10-6 Mole/kg

Millimolar 10-3 Mole/kg

~3x107 atoms/cell

~109 atoms/cell

Da L. Fass – GE Medical System

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Documents

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