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Instrumentação em ImagiologiaMédica

Módulo 3. Imagiologia com Raios-X

Parte I. Radiografia

Leccionado por Vitaly Chepel,Departamento de Física, Universidade de Coimbra

Ano lectivo 2010-2011vitaly@fis.uc.pt

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Radiações ionizantes e não ionizantesRadiação ionizante – a que tem energia suficiente para ionizar o meio

Escala de energias: >~10eV (por exemplo, 13.6 eV - potencial de ionização do

átomo de hidrogénio)

Raios-X e raios gama usados em imagiologia médica: E ~ 50 keV a 500 keV �

são radiações ionizantes

Exemplos de radiações electromagnéticas não ionizantes:

• Luz visível

• Infravermelhos

• Microondas

• Ondas de rádio

Os ultra-sons (ondas acústicas) e RMN (campo magnético) não produzem a ionização

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Ionização e excitação

ionex II <

excitação ionização

Radiação ionizante também pode excitar os átomos

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∗→+ AenergiaA−+ +→+ eAenergiaA

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Raios-X e Raios γAmbos são ondas electromagnéticas (fotões)

A escala de energias:

Raios-X: de ~1 keV até ~200 keV

Raios γ: de ~100 keV até ~1 MeV (em medicina) ou até ∞ (em física)

A diferênça não está na energia dos fotões mas sim nos processos físicos que estão na origem desses:

Os raios X são de origem atómica; são emitidos: pelas partículas carregadas sujeitas a aceleraçãoem resultado de transições entre os níveis de um átomo (em semelhança com

transições ópticas, mas com energia muito superior)

Os raios γγγγ são de origem nuclear: são emitidas em resultado de transições entre diferentes níveis de energia de um núcleo – i.e. em resultado de um decaimento radioactivo

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Descoberta dos raios-X

Wilhelm Conrad Roentgen em 1895 ao estudar os raios catódicos observou que existia uma

luz fraca a ser emitida pela cartolina em que embrulhou a ampola.

Isto levou a descoberta de:

Raios-X

Uma substância que emite luz visivel sob acção dos raios-X (i.e. ecrã fluorescente)

Tubo de raios catódicos (electrões)Wilhelm Conrad Roentgen

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Dois mecanismos de produçãode Raios-X

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Bremsstrahlung

Em Alemão: bremsen - "to brake“Strahlung - "radiation“

≈ braking radiation, deceleration radiation, stopping radiation≈ radiação devida a desaceleração (aceleração), radiação de travagem

Transições atómicas

Ka

Kb

(também: Raios-X Características)

Emissor – partícula acelerada

Emissor – átomo ionizado

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Bremsstrahlung

Electromagnetismo: uma carga acelerada emite ondas electromagnéticas

e-

2

04

1

mr

eZe

m

Fa

effc⋅

⋅==πε

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Aceleração:

Fc – força de Coulombe – carga do elementarm - massa do electrãoZeffe – carga efectiva do átomo (i.e.a carga “vista” pelo electrão)

Átomo

electrão

electrão fotão

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Bremsstrahlung - 2

6220

6γ

π

µae

cP =

Potência emitida por uma partícula de carga e a mover-se com uma aceleração a:

onde 2mc

E=γ 6−∝ mP

O efeito é mais significativo para as partículas leves (electrões e positrões)

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Bremsstrahlung é radiação electromagnética (raios X) emitida no processo de interacção de electrões com os átomos do meio

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Espectro de Bremsstrahlung

Espectro de energia dos fotões emitidos neste processo:

00,1

EEEdE

dn≤<∝ (E0 – energia do electrão)

Na medida que o electrão perde a energia o espectro de fotões torna-se mais “soft”

e-

0E

1E 2E 0

dE

dn

E0E1E2E

soma

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Raios-X característicos

Ionização

e

Uma vacância livre

e

eKa

Kb

Transição com emissão de um fotão

Ka

Kb

E

Espectro de energiados fotões

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Ampola de Raios-X

vácuo

Água para arrefecer o ânodo (A)

Potencial de aceleração de electrões Ua ≈ 10 – 100 kV

Energia de electrões incidentes ao ânodo aeUE =0

Aquecimento do cátodo (K) por efeito de Joule � emissão térmica de electrões

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Ampolas com ânodo rotativo

A temperatura do ânodo podeatingir ~1000ºC Potência tipicamenteP ~ 10 – 100 kW

Bremsstrahlung não é o único processo resultante da interacção de

electrões com o ânodo.

Outros processos no ânodo:

ionização e exitação dos átomos pelo electrões

absorção de raios-X no ânodoCalor (99% da energiados electrões)

Ânodo rotativo

Raios XCátodo

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Espectro real

E

Absorção no ânodo e na janelaRaios-X característicos do tungstâneo

Kb

Ka Espectro dabremsstrahlung

Espectro real = contínuo de Bremsstrahlung+ linhas dos raios-X característicos- absorção no ânodo e na janela

Ânodo de tungstâneo

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Exame radiológicoO sinal = atenuação do fluxo de raios X, emitidos pela ampôla, no corpo do paciente

Observação (detecção) do sinal = conversão de raios X que atravessaram o corpo ao luz visível (seja quais forem os passos intermédios esse é o objectivo final – uma imagem visível)

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Interacção dos raios X com a materia

xeIxI

µ−= 0)(0I

x

µ – coeficiente linear de atenuação (cm-1)

µ é uma função de:

1) número atómico do elemento Z,

2) densidade do meio, ρρρρ

Z

ρµ(Z,ρ)

Para desacoplar a dependência do µ da densidade, µ é frequentamente exprimido em unidades de cm2/g e designado por µ´:

ρµµ ′= em que )(Zf=′µ - coeficiente de atenuação mássico

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Attenuação em água

Além de Z e ρρρρ, µ é uma função da energia do fotão E

0.01

0.1

1

10

100

1000

1 10 100 1000

Gamma ray energy, keV

cm2 /g µ´

σ´τ´

στµ ′+′=′

τ´ – descreve atenuação por absorção

fotoeléctrica

σ´ – descreve atenuação por dispersão

de Compton

H2O

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O sinal em radiografia

( )∑ ∆−⋅=⋅⋅⋅= ∆−∆−

ii

xxxIeeIaI µµµ

exp...)( 002211

Mede-se I(a)/I0 � temos accesso a ∫∑ →∆a

ii dxxx0

)(µµ

Como µ = f(ρ, Z), o sinal contém a informação sobre a densidade e o número atómico dos tecidos que o feixe de raios X atravessa, mas essa informação está na forma da soma (integral) das contribuições das diferentes partes do objecto ao longo do feixe .

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I0I(a)

detector

a

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Detecção dos Raios-X

Sistemas analógicos

Sistemas semi-digitais

Sistemas digitais

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Detecção de raios-X em radiologia

- Ecrãs fluorescentes

- Filme fotográfico

- ecrã fluorescente + filme fotográfico

- digitalização (scan) do filme a posteriori

- Paineis fosforescentes fotoestimulados

- Detectores digitais

“Semi-digital”

RX

sinaleléctrico

digi

taliz

ador

RX

sinaleléctrico

digi

taliz

ador

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De onde vem a luz ?

RXe - ionização

excitaçãodos átomos e moléculas do meio

(simplificado – os processos

envolvidos normalmente são

muito mais complexos! )

fotõesde-excitação

podem ser poucos oufora da gama visível…

Energia depositada pela partícula = ionização + excitação + calor

existem sempre esses dois processos

Dependendo do meio, a de-excitação também podeocorrer sem emissão de fotões, por exemplo emcollisões entre os átomos � calor em vez da luz

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Ecrãs fluorescenteO papel usado pelo Roentgen estava coberto com platinocyanide de bário.

Thomas Edison investigou a capacidade de materiais de emitirem a luz visível quandoexpostos aos raios-X e descobriu que o tungstanato de cálcio (CaWO4) é o mais eficáz

CaWO4 utiliza-se ainda hoje (mas há também outras substâncias com ainda maioreficiência)

Röntgen examines a patient. From a German popular

scientific book of 1896. Mary Evans Picture Library

Suporte

Camada reflectora

Material fluorescente

Filme protector

50 – 300 µm

gránulas de 4-8 µmembebidas num matriz, plástico, por exemplo

Etsrutura de um ecrã fluorescente:

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Materiais para ecrãs fluorescente(fósforos - phosphors)

CaWO4 ,

Gd2SO2:Tb , LaOBr:Tm, YTaO4:Tm , YTaO4:Nb

(elementos do grupo de terrasraras – rare earth elements)

Eficiência da conversãoda energia dos RX em luz:

Eficiência da absorção dos RX

RXin EE =

phphout ENE =in

out

E

E=ε

phE - energia dos fotões visíveis

ph

RXph

E

EN

ε=

O número de fotões visíveis emitidos naseguência de absorção de um RX:

Alguns características (para 60 keV)

onde

e

13 51

Por exemplo, em CaWO4 1 fotão de 60 keVproduz Nph ≈ 1000 fotões visíveis

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Coeficientes de atenuação de algunsmateriais usados em ecrãs fluorescentes

Z=74BK= 69.5 keV

Z=64BK= 50.2 keV

Z=57BK= 38.9 keV

Z=73BK= 67.4 keV

CaWO4 , Gd2SO2:Tb , LaOBr:Tm, YTaO4:Tm

La, Gd – têm maior eficiênciade absorção dos raios-X nagama de energias < 70 keV

W

TaGdLa

Para Z ≥ 60 attenuação édominada pelo efeito fotoeléctrico

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Filme radiológico

Substância activa - AgBr (Z= 47, 35); gránulas de ~1 µm

O filme não se utiliza para detectar os raios X directamente devido a baixaeficiência de absorção desses (~2 a 6%) mas em cassettes em combinaçãocom os ecrâs fluorescentes

Emulsão sensível aos raios-X

(AgBr + gelatina), ~20 µmBase ~200 µm

Camada protectora

Camada adesiva

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Filme radiológico com ecrã fluorescentecomo intesificador da imagem

Material fluorescente

Filme

Camada reflectora

RX

Probabilidade de interacção para RXNo filme ~2%No ecrã fluorscente ~50%

O ecrã absorve os raios X e emite luz com λ ≈ 400-500 nm;O filme absorve essa luz, cria-se imagem latente que se torna visível depois de ser revelado quimicamente (a semelhança com o filme fotográfico)

Uma cassette

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Intensificador da imagem(image intensifier)

Introduzidos pela Philips em 1955

fotocátodoecrãfluorescente

luz fraca

Fotoelectrões acelerados no campo eléctrico até as energias ~100 keV

E

e-luz intensa

ecrãfluorescente

1 fotão � ~102 fotões1 fotão � ~102 fotões

O princípio de funcionamento

Efeito fotoeléctrico:

1 fotão � Q fotoelectrõesQ < 1 – eficiência quântica do fotocátodo(tipicamente Q ~ 0.1 - 0.2)

1 electrão � ~102 - 103 fotões

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Intensificadores da imagem

A imagem observa-se visualmente

Sinal electrónico

Um sistema de RX com intensificador de imagem electrónico

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Métodossemi-digitais

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Métodos semi-digitaisScan do filme já revelado

adqirir a imagem num filme fotográfico e fazer um scan a posteriori com um

scanner comum para processamento digital

“Revelar” imagem latente num material especial por fotoestimulação

usar um painel fosforescente em que se forme uma imagem latente que pode

ser revelada por estimulação com um feixe fino de laser medindo simultaneamente

a fosforescência em cada ponto – as vezes chama-se Computed Radiography (CR)

Um digitalizador do filme

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Fluorescência vs fosforescência

Fotoluminescência - luminescência resultante da absorção de fotões.

A luz re-emitida tem comprimento de onda diferente da luz absorvida

hv1 > hv2

λλλλ 1 < λλλλ 2

hv1

excitação relaxação com emissão de um fotão infravermelho outransferência da energia àrede cristalina (vibração)

hv2

emissão

Fluorescência – re-emissão “instantânea”

Fosforescência – re-emissão lenta, prolongada no tempo; resultada inibição de transição no sistema quântico por regras de selecção(de E2 para E1 e 0, no exemplo em cima).

0

E1

E2

E3

0

E1

E2

E3

0

E1

E2

E3

Fotoluminescência

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Estimulação da fosforescência com luz(fotoestimulação)

Transição E2 � E3 Emissão

(transição para o estado fundamental)

0

E1

E2

E3

0

E1

E2

E3

0

E1

E2

E3

Absorção do fotãoemitido pelo laser

0

E1

E2

E3

Imagem latente: átomos excitadosnum estado metaestável (i.e. com o tempo de vida longo)

LaserDetector

0

E1

E2

E3

X

Transição inibida

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Painel fosforescente fotoestimuladoUm painel com material fosforescente (normalmente BaFBr:Eu3+) é exposto aos

Raios X num procedimento habitual

A absorção dos Raios X resulta em formação da imagem latente (centros de excitação cuja transição para os níveis de energia mais baixa – de-excitação – são inibidos)

O painel é transportada para um scanner de laser infravermelho (He-Ne normalmente) com um feixe muito fino – de 50 µm a 200 µm.

Ao fazer o scan, a luz do laser estimula localmente a emissão da luz do material fosforescente nas zonas onde existem centros de excitação latentes.

Esta luz, na zona do visível, é detectada por um fotomultiplicador

A correlação do sinal do fotomultiplicador com o varrimento do feixe do laser permite reconstruir a imagem

laser

fosforescência

laser fotomultiplicador

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Paineis fosforescentes fotoestimulados(optically stimulated phosphors)

Vantagens:

- Uma substituião fácil para o filme (mesmo tamanho, mesma cassette)

- resolução comparáveil com a do filme

- gama dinâmica mais alargada

- corrente de escuro virtualmente ausente �

Desvantagens:

- precisam manuseamento (tal como o filme)

- continuam precisar revelação da imagem � tempo de espera

- impossível efectuar os estudos dinâmicos

Tornam-se possíveis os estudos com exposições longas e fluxo de Raios-X muito reduzido

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Métodos digitais

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Detectores de raios-X digitaisImagiologia “Semi-digital”

adqirir a imagem num filme fotográfico e fazer um scan a posteriori ou

usar um painel fosforescente com imagem latente e visulaliza-lo (digitalizar) porfotoestimulação

Imagiologia Digital

usar um detector que converte a energia dos raios-X em sinal eléctrico

Conversão directa Conversão indirecta

RX RX

luz visível/UV

carga

scintilador

detector de fotões

digi

taliz

ador

digi

taliz

ador

carga

Dois tipos

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Conversão directaRX

e -

-V

0

electrões

lacunas

Si ou Se amorfo - semicondutor puro� não há (lê poucas) cargas livres

metal

Pixeis (pads), em que a carga é recolhida, com leitura individual

(amorfo para conseguir grandes dimensões a um preço razoável; também pode ser policristalino ou monocristalino (muito melhor!) mas é caro e difícil de fazer)

Em princípio, pode funcionar no modo de detecção de fotões um a um – o problema é ruídoelectrónico (100 keV � ~30,000 e- ; o ruído de um amplificador símples > ~10,000 e-)

Em radiologia o fluxo dos RX é muito elevado � podemos acumular a carga criada por muitosfotões durante a exposição e depois ler tudo de uma só vez (sinal/ruído ↑)

Leitura ���� Tecnologia TFT (thin film transistor)

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TFT – Thin Film Transistor technology

Exemplo: TFT LCD (Thin Film Transistor Liquid Cristal Display)

Switch

(FET - field effect tranistor)

Glass base + thing film of silicon (amorphous, polycrystalline or crystalline)

pixel

TFT

TFT

(a fotografia em baixo foi tirada com uma luz externa)

Liquid crystal cellsVgate

Vdrain

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Leitura de um detector de raios-X digital

elemento sensível (pixel)TFT FET

detector

RX

i iexposição leitura

Q

ADCQ V N

∑∝∝t

RXEQN

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Conversão indirecta

Cristais de CsI(Tl)

Detector de fotões

ScintillatorCsI(Tl)

Si photodiode

RX ���� luz visível ���� conversão ao sinal eléctrico por efeito fotoeléctrico

RX

Em comparação com os detectores com conversão directa: têm uma efficiência maior

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Exemplo: Detectores de Trixell(França)

TRIXELL flat-panel detectors are based on proven core technologies : a cesium iodide scintillator (CsI) and an active amorphous silicon array, controlled by custom-designed, ultra-low noise electronics.

http://www.trixell.com

Até 40x40 cm

J.P.Moy, NIM A442(2000)26

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CsI (cintilador)

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Trixell Pixium 4600 detector digital para radiogragia

9·106 pixels

143 µm pixel size resolução (semelhante a do filme)

gama dinâmica 14 bits (16,000 graduações na escala cinzenta)

tempo de exposição típicamente 0,5 s (pode ser até 3,5 s, se necessário)

tempo de leitura da imagem 1.25 s

imagem disponível imediatamente

usa-se com tensão na ampola entre 40 kV e 150 kV (determina a energia dos RX)

40x40 cm

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http://www.trixell.com

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Outras vantagens da radiografiadigital

Eficiência quântica mais alta (~3 times) � a) menor dose ao paciente, b)

tempo de aquisição mais curto

Gama dinâmica até 14 bits (16,000 graduações na escala cinzenta) � apenas

com uma exposição podem ser visualizadas detalhes com o nível de contraste

muito diferente (o contraste pode ser ajustado diretamente na imagem)

Imagem na forma digital � facilidade de armazenamento, consulta remota,

processamento digital da imagem

Estudos dinâmicos tornam-se possíveis (até ~30 frames/s)

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Detecção de raios-X: resumo

Ecrãs fluorescentes: ainda se usam quando é necessário mover o pacientedurante o exame; a dose ao médico é muito elevada

Filme radiológico: alta resolução (~0.1 mm) mas baixa eficiência (~1%); gama dinâmica bastante estreita; a imagem é latente – precisa de ser revelada; usa-se principalmente em cassetes com paineis fluorescentes

Paineis fluorescentes + filme radiológico: os paineis absorvem os raios-X com eficiência de ~20-50%; a imagem é registada no filme; existe sempretempo de espera entre a exposição e obtenção da imagem; estudos dinâmicosnão são possíveis

Digitalização (scan) do filme a posteriori – tempo de espera, manuseamento

Paineis fosforescentes fotoestimulados: reutilizáveis mas continuam tertempo de espera, necessitam manuseamento

Detectores digitais: é o futuro da radiologia, têm inúmeras vantagens (verslides anteriores); o preço é elevado

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