Strumentazione Biomedica 2

Radiologia - 1

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I raggi X

• Scoperti da C. Roentgen nel 1895 (premio Nobel nel 1901).

• Radiazioni e.m. con banda 101-104 KeV.

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I raggi X

• Caratteristiche raggi X:– in grado di penetrare oggetti opachi in modo selettivo– interagiscono con materia (vari fenomeni) con assorbimento– ionizzanti (capaci di rompere i legami atomici e molecolari).

• Applicazioni biomediche diagnostiche usualmente in range 20-200 keV.

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Lo strumento a raggi X

•• SorgenteSorgente – bersagliobersaglio (paziente) – recettore/rivelatorerecettore/rivelatore.

•• Tubo Tubo radiogenoradiogeno– tipo Coolidge (1913)

– ampolla vetro al boro con vuoto (10-6mmHg)

– catodo (filamento) ed anodo

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Tubo radiogeno - catodo

•• CatodoCatodo– filamento (tungsteno W o Molibdeno Mo)

riscaldato da corrente di accensione per effetto Joule

– Iacc= 0.1-1000 mA– emissione di elettroni per effetto termoionico

secondo la legge di Richardson

– T = 1500-2600 ºC– Tfusione(W) = 3410ºC

KTa

eAT 2=ΦΦ = flusso di elettroniA = costante (superficie e materiale catodo)T = temperatura assolutaa = lavoro estrazione elettroniK = costante di Boltzmann

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Tubo radiogeno - anodo

•• Tensione V tra catodo ed anodoTensione V tra catodo ed anodo– valori di 10-150 kV– accelerazione elettroni (Ekin)– impatto e brusca decelerazione elettroni su

anodo generazione raggi Xgenerazione raggi X

•• AnodoAnodo– disco a faccia inclinata per favorire direzione emissione

fotoni e distribuzione calore• fissi per potenze < 10kW• rotanti (3000 rpm) per potenze > 10kW

– finestra di uscita quadrata – rendimento η=Erad/Ekin=η0VZ

– η≈1% Ekin trasformata in - calore (99%)- raggi X (1%)

– Tungsteno (W) (> 10kW; Z=74) o Molibdeno (Mo) (< 10kW; Z=42)

η0 = 10-9

V = tensione C-AZ = nr. atomico materiale A

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Tubo radiogeno – emissione raggi X

• Emissione per–– collisionecollisione eC con eA spettro a righespettro a righe

caratteristico del materiale

–– frenamentofrenamento eC spettro continuospettro continuo(bremsstralhung)frazione di Ekin persa (0-100%) viene irradiata come fotoni X con λ data da E=hν (spettro continuo)

• Circa 90% Ekin diventa radiazione di frenamento.

Tungsteno

Molibdeno

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Tubo radiogeno – emissione raggi X

Parametri importanti:

1.1. corrente nel tubo (corrente nel tubo (mAmA) ) aumenta mA aumenta intensitintensitàà XX

non cambia banda X (λmin)

2.2. tensione Atensione A--C (C (kVkV))aumenta kV aumenta banda X (qualitqualitàà))

Legge di Duane-Hunt

V4.12

min =λ

minmax 5.1

λ [Ǻ],V [kV]

λλ ≈

• Per λ elevate (E basse) il vetro assorbe completamente i fotoni X.

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Interazione raggi X - materia

• Interazione tra fotone X ed atomi (elettroni) provoca attenuazione attenuazione della radiazione.

• Legge di Lambert-Beer:

µ: coefficiente di attenuazionecoefficiente di attenuazione (lineare) del materiale

µ = µ(ρ,Z,E)

• Es. µ con E=46keV

• µ/ρ: coefficiente di attenuazione di massa

ρ = densitàZ = nr. atomico (eq.)E = energia raggi X

NdxdN µ−=xeNN µ−= 0

N = nr. fotonix (dx) = distanza percorsaµ = costante

acqua muscolo osso iodio piombo

0.22 0.22 0.69 6.5 53

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Interazione raggi X - materia

Fenomeni di attenuazione1.1. scattering coerente o scattering coerente o RayleighRayleigh

deviazione fotone e perdita E (piccole)µRay≈ρZ2E-1

2.2. effetto fotoelettricoeffetto fotoelettricofotone assorbito da orbitali M, L (bassa E) e K (alta E) µPhoto≈ρZ3E-3

3.3. scattering scattering ComptonComptondeviazione fotone (grande) con perdita E(piccola)µComp≈ρZE-1

µ = µRay + µPhoto + µComp

µRay trascurabileµPhoto prevalente a E basse, legato a ZµComp prevalente a E alte, poco legato a Z

• Scattering Compton causa radiazione diffusaradiazione diffusa.

Attenuazione in acqua

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Interazione raggi X - materia

• Attenuazione nella realtà:– radiazione X poli-energetica (spettro di E): µ = µ(E)– mezzo attenuante non omogeneo: µ = µ(x,y,z)

• Legge di Lambert-Beer

diventa, sul piano del rivelatore (perpendicolare al fascio):

• Discretizzazione in CT:

∫ ∫=−max

min

),,,(),,(),(

E

E

dzEzyxind dEeEyxIyxI

µ

xeNN µ−= 0

)

µ(x,y; z)

µ11

µ22 µ92

µ15

µ12 µ42 µ52 µ62 µ72 µ82

∑=

∆−j

ij x

d eiIiIµ

)()( 0

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Filtraggio raggi X

• Radiazione ideale è “monocromatica” (µ=µ(E))reale viene emessa con spettro continuo.

•• FiltriFiltri per sagomare opportunamente spettro:1. vetro tubo radiogeno assorbe E minori (λ maggiori)

– inutili (non penetrano tessuto)– dannose (possibili ustioni)

2. lamine metalliche per E maggiori (λ maggiori)Al: < 120 keVCu: 120 keV – 1000 keVPb: < 1000 keV

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Dosimetria

Grandezze per misurare dose di radiazione impartita e suoi effetti biologici.

•• EsposizioneEsposizione: misura quantità di ionizzazione in aria.1 R (roentgen) produce 2.58 10-4 C per Kg di ariaSI: 1 C/Kg = 3876 R.

•• Dose assorbita Dose assorbita (D): misura quantità di energia assorbita da tessuto.1 rad (radiation absorbed dose) produce un assorbimento di 0.01 J/KgSI: 1 Gy (gray) = 1 J/Kg = 100 rad

•• Dose equivalenteDose equivalente (H): misura dose assorbita ponderata per effetto biologico sull’uomo del tipo di radiazione.

1 Rem (radiation equivalent in man) = D x WRWR = 1 per X, γ, β; 10 per protoni, 20 per particelle αSI: 1 Sv (sievert) = 100 Rem

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Dosimetria

•• Dose efficaceDose efficace (DE): esprime la gravità del danno biologico in relazione al tessuto/organo colpito (in sievert)

DE = D x WR x WT(WT = 0.03 tiroide; 0.12 midollo osseo; 1 corpo intero)

• Unità pratica utilizzata: mAsmAs (esposizione presente con 1 mA nel tubo radiogeno per 1 secondo).

• Esiste radiazione del “fondo naturale” (10-100µR/h; 90% esposizione media totale).

• Dosi massime ammissibili (ICRP, 1958):persone cronicamente esposte: 5 Rem/annopersone occasionalmente esposte: 0.5 Rem/anno

• Esempi di dosi per esami radiologici:lastra polmoni: 5 mRemlastra colonna vertebrale:70 mRemesame CT 100 slices: 300 mRem.

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Recettori - rivelatori

• Rilevano/misurano fotoni X .

• Immagine formata sulla base della radiazione assorbita dal bersaglio e rappresenta attenuazione µ.

• Principali tipologie:– pellicole radiografiche– fluoroscopia– camere di ionizzazione (CT)

• Caratteristiche– efficienza (per contrasto)– risoluzione (per dettaglio)

• Modalità– a conteggio diretto nr. fotoni

(radioisotopi)– ad integrazione, media nr. fotoni

(radiologia)

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Pellicole radiografiche

• Emulsione di grani di AgBr (1µm) sensibile a raggi X, che formano immagine latente.

• Annerimento pellicola espresso da densitdensitàà otticaottica(capacità di trasmissione della luce):

D = log10(I0/I)

• Relazione [D - esposizione ] espressa da curva HDcurva HD–– contrasto contrasto (valore γ): pendenza in zona lineare–– latitudinelatitudine: ampiezza di esposizione delle zona

lineare• Alta velocità: alto contrasto, scarsa latitudine

Bassa velocità: basso contrasto, elevata latitudine.

•• Schermi di rinforzoSchermi di rinforzo fluorescenti– aumentano efficienza di rivelazione (minor dose)– riducono SNR (fluttuazioni conversione) X-ray Screen

FilmX-ray Screen

X-ray Source

Anti-scatter Grid

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Griglie antidiffusive

• Diffusione (scattering) degrada qualità immagine.

• Griglie di collimazione in Pb per bloccare fotoni deviati.

• Rapporto di griglia Rd = h/d.Rg = 5-15; inversamente proporzionale a R = Ndiffusi/Nprimari.

• Appare “immagine” della griglia su pellicola griglie mobili (Bucky)

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Rivelatori a fluorescenza

•• LuminescenzaLuminescenza indotta in sali minerali (es. fosfori)- diretta (debole lum., alta I, pericolosa)- indiretta.

•• SchermografiaSchermografia con schermo fluoroscopico(con/senza pellicola)

•• CineradiografiaCineradiografia con intensificatore di brillanza:- alta sensibilità (bassa dose)- specchio per visione/ripresa- immagini dinamiche- movimenti / flussi- controlli in chirurgia- inserimento cateteri

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Intensificatore di brillanza

•• IntensificatoreIntensificatore di brillanza IBdi brillanza IB(image intensifier)

• Tubo a vuoto con– schermo fluorescente in CsI, Ø 12-35 cm

converte fotoni X in luce (2000 a 1)– fotocatodo emette elettroni (10 a 1)– lenti e.m. a ∆V 20-30 kV– schermo fluorescente, Ø 2-3 cm.

• Amplificazione immagine (≈ 104) per– moltiplicazione da fotoni ad elettroni– accelerazione per ∆V– rapporto Ø ingresso / Ø uscita

• Scopia: ≈ mA per posizionamentoGrafia: ≈ 102 mA per ripresa

• Riduzione dose con emissione pulsata(≈ ms)

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Esempi

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Esempi