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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